CN102674735B - 一种无收缩水泥矿物掺合料 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种无收缩水泥矿物掺合料，包括明矾石、煤渣和石膏，还包括发泡剂和防水剂，其各组分质量百分比为明矾石∶煤渣∶石膏∶发泡剂∶防水剂=20-30%∶40-60%∶10-20%∶1-5%∶0.1-0.3%，各组分之和为100%，利用明矾石由石灰、石膏的激发可以生成钙矾石的特性，而钙矾石在混凝土中具有抗渗、微膨胀功能，使混凝土具有抗湿性,防潮性,实现结构自防水，同时混凝土的强度几乎没有下降，而发泡剂和防水剂产生复合协同作用，使膨胀、防水等功能更加优良。本发明使建筑混凝土的性能具有显著的突破，具有划时代的意义，将在建筑材料技术领域中具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种无收缩水泥矿物掺合料。
背景技术
众所周知，体积稳定性是影响水泥基材料使用性能和寿命的关键因素之一，也是建筑物安全使用的基础。建筑物的混凝土的开裂是非常常见的现象，其已成为水泥基材料高性能化面临的一个重大技术问题。
新实施的水泥标准加剧了混凝土的温度收缩和干燥收缩。由于新标准为满足混凝土早期强度的需求而促使水泥熟料配料向高C3S、高C3A和高比表面积发展，再加上高性能泵送混凝土的低水灰比、高水泥用量、超细矿物掺合料的使用，水泥出厂温度较高，造成在约束状态下的混凝土因温度收缩、化学收缩、干燥收缩和较高的早期弹性模量而产生较大的内部应力，早期的低徐变无法缓解这种应力而产生裂缝；内部不可见的微裂缝在混凝土长期使用过程的干燥环境中继续发展，促使混凝土提早劣化。
因此，控制混凝土的开裂已受到工程界的高度重视，同时，业界出现了许多控制裂缝的方法，而使用最为广泛的是利用膨胀剂配制的补偿收缩混凝土的方法来控制混凝土裂缝。由于采用混凝土膨胀剂配制混凝土比直接使用膨胀水泥具有较多优点：其可根据工程需要，搭配合理的掺量、保证混凝土的均匀性、降低包装运输费用、延长存放期、使用方便等。除按传统的方法用于结构自防水混凝土外，还成功地解决了许多超钢筋混凝土结构施工的裂缝控制问题。
与此同时，人们研发了一些新型的补偿收缩矿物掺合料，比如申请号为200510018820.4的中国专利公开了一种高活性补偿收缩矿物掺合料，由钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏以质量配比为40-60%∶20-40%∶10-20%∶5-10%混合而成，各组分经混合、粉磨，得到勃氏比表面积为400-500m2/kg的干粉状具有高活性和补偿收缩功能的高活性补偿收缩矿物掺合物。这种矿物掺合物虽然提高了工业废渣的附加利用值，但是钢渣和矿渣掺入量过多，大大降低了水泥的抗压、抗折等物理性能，对水泥的强度影响很大。
因此，当务之急迫切需要改进收缩矿物掺合料的配方，找到水泥强度、原料成本的平衡点，既能保证对水泥强度的影响不会太大，又能尽量加入较多工业废渣，降低成本，还要使其在水泥料中分散均匀，提高防水能力。
发明内容
本发明为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种无收缩水泥矿物掺合料，包括明矾石、煤渣和石膏，利用明矾石由石灰、石膏的激发可以生成钙矾石的特性，而钙矾石在混凝土中具有抗渗、微膨胀功能，将这种含有明矾石的掺合料掺入普通水泥中可以配制成无收缩水泥,这种水泥能够提高混凝土的抗渗标号,使混凝土具有抗湿性,防潮性,实现结构自防水，同时混凝土的强度几乎没有下降，本发明的一种无收缩水泥矿物掺合料，还可以加入发泡剂和防水剂，产生复合协同作用，使膨胀、防水等功能更加优良，而强度几乎没有下降。本发明提供的这种无收缩水泥矿物掺合料使建筑混凝土的性能具有显著的突破，具有划时代的意义，将在建筑材料技术领域中具有良好的应用前景。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种无收缩水泥矿物掺合料，包括明矾石、煤渣和石膏，其各组分质量百分比为明矾石∶煤渣∶石膏=20-30%∶40-60%∶10-20%，各组分之和为100%。
明矾石〔K2SO4.AI2SO4.4AI（OH）3〕是一种广泛分布的属三方晶系的硫铝酸盐矿物，明矾石若以不同的比例掺入水泥中，会使水泥的性能发生不同程度的变化，明矾石在石灰、石膏的激发下生成钙矾石，钙矾石由于其表面带有负电荷而吸附大量的水，从而产生体积的膨胀。钙矾石水化后的体积是原来的1.25倍。钙矾石填充于水泥石的空隙之中，使水泥石的结构更加致密，因而水泥石的强度增加；同时由于水泥水化产物中钙矾石含量的增加改变了混凝土中毛细孔的尺寸和数量，使混凝土具有了抵抗水分子通过的能力；当钙矾石的数量达到一定水平时，钙矾石体积的膨胀可以抵消或部分抵消混凝土的收缩，避免或减少混凝土裂缝的产生。因此，只要适当控制钙矾石在混凝土体系中的数量，就可以实现增强、抗渗、不收缩和微膨胀的目的。
作为优选，还包括发泡剂和防水剂，其各组分质量百分比为明矾石∶煤渣∶石膏∶发泡剂∶防水剂=20-30%∶40-60%∶10-20%∶1-5%∶0.1-0.3%，各组分之和为100%。
单一成分的掺合料可能在某一方面，或者某几个方面比较出色，而不可能在所有的方面都出色，因为单一品种制剂即使性能再优异，它也不可能满足人们越来越高，越来越多，越来越严格的技术要求。所以本发明尝试了多元复合型的掺合料，就是不止一种有某种功能的配料加在一起起到更好的互补和协同作用，使各元都有各元的优势，可以实现优势互补，把单一成分最欠缺的东西补救起来，使不完善的性能完善起来。明矾石由石膏的激发可以生成钙矾石的特性，而钙矾石在混凝土中具有抗渗、微膨胀功能，使混凝土具有抗湿性,防潮性,实现结构自防水，同时混凝土的强度几乎没有下降，现在加入发泡剂和防水剂，可以更好发挥明矾石和石膏组合的膨胀和防水的效果。
作为优选，发泡剂为十二烷基苯磺酸钠或烷基酚聚氧乙烯醚或茶皂素发泡剂中的一种或几种。十二烷基苯磺酸钠的表面张力约为2.96×10N/m，具有很高的表面活性，在很低的浓度下，也会有良好的发泡力。如在0.05%浓度时的发泡力84mm，甚至更低的浓度也能发泡。而且，它的起泡速度很快，可以瞬间起泡，泡沫量大而丰富。高泡型表面活性剂在发泡得当的情况下，它的起泡高度可大于200mm。起泡快，泡沫量大，这是烷基磺酸钠的突出优点，但是，正如许多合成表面活性剂类发泡剂一样，烷基磺酸钠是发泡容易存泡难。它的泡沫起的快，但消的也快，泡沫的稳定性是较差的，泡沫发起之后，几十分钟就会全部消失，想保留下来不容易。即使配合稳泡剂并采取其它技术措施，它的泡沫在30min左右也会消失大半。在发好泡之后，我们会十分清楚地看到它的气泡一个个迅速破裂，并可听到破泡的声音，本来很细小的泡沫会很快合并成越来越大的泡沫。
茶皂素发泡剂是用油茶籽提取物茶皂素为主要成分提取而成的。茶皂素是从山茶科茶属植物果实中提取的皂甙，为一种性能优良的天然的非离子型表面活性物。皂甙含量在80%以上的产品，为淡黄色无定型粉末，ph=6～7；茶皂素的纯品为无色细微柱状晶，熔点224℃；皂甙含量在40%以上的产品，为棕红色油状透明液体，ph=7～8。水溶液中的茶皂素有很强的起泡力，即使在浓度相当低的情况下，仍有一定的泡沫高度。如将浓度提高，泡沫不仅持久，而且相当稳定，例如0.05%的茶皂素水溶液振荡后，产生的泡沫经30min不消散，而0.06%的上等肥皂水溶液产生的泡沫14min就消散了。茶皂素原料充足，经提纯的茶皂素味苦，辛辣，有一定的溶血性和鱼毒性，在冷水中难溶，在碱性溶液中易溶。它对水硬度极不敏感，其泡沫力不受水的硬度的影响。它的起泡能力因浓度的增加而提高，茶皂素所产生的泡沫具有优异的稳定性，长时间不消泡。
作为优选，发泡剂为十二烷基苯磺酸钠和茶皂素发泡剂的混合物，十二烷基苯磺酸钠和茶皂素发泡剂在无收缩水泥矿物掺合料中的质量百分比为2-4%∶1-2%，十二烷基苯磺酸钠和茶皂素发泡剂在无收缩水泥矿物掺合料中的质量百分比之和不超过5%。由于上述原因，所以考虑将十二烷基苯磺酸钠和茶皂素发泡剂复合使用，以达到互补增效的作用。
作为优选，防水剂为甲基硅醇盐或甲基硅树脂或长链烷基烷氧基硅烷。
甲基硅醇盐是一种刚性防水材料，使用时能与基材表层及空气中大量的二氧化碳及水产生化学反应，生成憎水的聚甲基硅氧烷膜，这种网状结构的树脂能够堵塞水泥砂浆内部的毛细孔，增强砂浆的密实性，提高其抗渗性，从而起到有效的防水作用。甲基硅树脂具有优异的耐高低温性、耐老化性、独特的疏水性和透气性、无毒无腐蚀，而且具有持久性，是理想的防水材料。长链烷基烷氧基硅烷则具有表面处理简单、渗透力强、抗氧化、防紫外线、表面不易磨损等突出优势，实用安全、无污染，是环保产品。几种防水剂均有各自优点，可以在不同场合使用。
作为优选，包括明矾石、煤渣、石膏、发泡剂和防水剂，发泡剂为十二烷基苯磺酸钠和茶皂素发泡剂的混合物，防水剂为甲基硅树脂，其各组分质量百分比为明矾石∶煤渣∶石膏∶发泡剂∶防水剂=23-28%∶45-55%∶10-15%∶3-5%∶0.1-0.3%，各组分之和为100%，十二烷基苯磺酸钠和茶皂素发泡剂在其中的质量百分比为2-4%∶1-2%，两者之和不超过5%。
本发明具有以下有益效果：
1.明矾石由石灰、石膏的激发生成钙矾石，而钙矾石在混凝土中具有抗渗、微膨胀功能。
2.明矾石、石膏和一种工业废渣按适当比例配合，可以生产无收缩水泥矿物掺合料。
3.初期有一定的限制膨胀率，中期基本不收缩，对强度影响甚微，是这种掺合料的显著特征。
4.应用于混凝土中可以改善混凝土的耐久性。
5.多元复合型的掺合料，通过不止一种有某种功能的配料加在一起起到更好的互补和协同作用，使各元都有各元的优势，可以实现优势互补，把单一成分最欠缺的东西补救起来，使不完善的性能完善起来。
6.能够降低水泥及混凝土生产成本，具有双重经济优势。
7.低碳、低能耗，大量消耗工业废渣，是一种绿色环保产品。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述，并对实施例和对比例的掺合料掺入普通水泥制成无收缩水泥样品，然后对无收缩水泥样品的抗压强度下降率、水中7d限制膨胀率、21d空气中收缩率和抗渗压力等性能进行测试，从而评价本发明的掺合料的效果，其中抗压强度下降率是指掺入掺合料后比掺入掺合料前水泥样品的抗压强度下降的百分比，抗渗压力是评价防水性能的参数，抗渗压力越高，则防水性能越好。
实施例1
一种无收缩水泥矿物掺合料，包括明矾石、煤渣和石膏，其各组分质量百分比为明矾石∶煤渣∶石膏=30%∶50%∶20%，将掺合料掺入普通水泥制成无收缩水泥样品，然后对无收缩水泥样品的抗压强度下降率、水中7d限制膨胀率、21d空气中收缩率和抗渗压力等性能进行测试，在表1中列出了测试效果。
实施例2
一种无收缩水泥矿物掺合料，包括明矾石、煤渣和石膏，其各组分质量百分比为明矾石∶煤渣∶石膏=27%∶60%∶13%，将掺合料掺入普通水泥制成无收缩水泥样品，然后对无收缩水泥样品的抗压强度下降率、水中7d限制膨胀率、21d空气中收缩率和抗渗压力等性能进行测试，在表1中列出了测试效果。
实施例3
一种无收缩水泥矿物掺合料，包括明矾石、煤渣和石膏，其各组分质量百分比为明矾石∶煤渣∶石膏=26%∶56%∶18%，将掺合料掺入普通水泥制成无收缩水泥样品，然后对无收缩水泥样品的抗压强度下降率、水中7d限制膨胀率、21d空气中收缩率和抗渗压力等性能进行测试，在表1中列出了测试效果。
实施例4
一种无收缩水泥矿物掺合料，包括明矾石、煤渣和石膏，还包括发泡剂和防水剂，发泡剂为十二烷基苯磺酸钠,防水剂为甲基硅醇盐,其各组分质量百分比为明矾石∶煤渣∶石膏∶发泡剂∶防水剂=23.8%∶55%∶18%∶3%∶0.2%，将掺合料掺入普通水泥制成无收缩水泥样品，然后对无收缩水泥样品的抗压强度下降率、水中7d限制膨胀率、21d空气中收缩率和抗渗压力等性能进行测试，在表1中列出了测试效果。
实施例5
一种无收缩水泥矿物掺合料，包括明矾石、煤渣和石膏，还包括发泡剂和防水剂，发泡剂为十二烷基苯磺酸钠和茶皂素发泡剂的混合物，防水剂为甲基硅树脂,其各组分质量百分比为明矾石∶煤渣∶石膏∶十二烷基苯磺酸钠∶茶皂素发泡剂∶甲基硅树脂=28%∶54%∶13.8%∶3%∶1%∶0.2%，将掺合料掺入普通水泥制成无收缩水泥样品，然后对无收缩水泥样品的抗压强度下降率、水中7d限制膨胀率、21d空气中收缩率和抗渗压力等性能进行测试，在表1中列出了测试效果。
对比例
一种矿物掺合料，由钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏以质量配比为40-60%∶20-40%∶10-20%∶5-10%混合而成，将掺合料掺入普通水泥制成无收缩水泥样品，然后对无收缩水泥样品的抗压强度下降率、水中7d限制膨胀率和21d空气中收缩率等性能进行测试，在表1中列出了测试结果，抗渗压力未进行测试。
下表1中实施例和对比例的一种无收缩水泥矿物掺合料，将其掺入普通水泥制成无收缩水泥样品，然后对无收缩水泥样品的抗压强度下降率、水中7d限制膨胀率、21d空气中收缩率和抗渗压力等性能进行测试，根据测试数据说明，无论在单一性能上，还是在综合性能上，本发明中的一种无收缩水泥矿物掺合料都明显优于对比例的一种矿物掺合料，所以本发明的一种无收缩水泥矿物掺合料，是安全、高效、有显著改善效果的无收缩水泥矿物掺合料。
表1
说明：实施例1-5的掺合料掺入水泥后水泥的抗压强度下降比对比例明显减小，说明对抗压强度的影响很小；实施例1-5的掺合料掺入水泥后水泥的水中7d限制膨胀率基本上在0.010-0.012%,这对水泥的收缩会有一定的补偿作用，它所产生的自应力值约为硫铝酸钙类Ⅰ型膨胀剂的45%左右；实施例1-5的掺合料掺入水泥后水泥的21d空气中收缩率很低，都在0.010%以下，即我们通常意义上所说的膨胀落差很小，这主要是得益于明矾石水化形成钙矾石的速度较慢，膨胀作用主要发挥在水泥硬化的中期，正好抵消了水泥在这一时期的收缩，而对比例的掺合料掺入水泥后水泥的21d空气中收缩率明显高于实施例1-5,说明其中后期的补偿作用没有实施例优秀,实施例1-5的掺合料掺入水泥后,水泥的抗渗压力均可达到0.7MPa以上,说明实施例1-5的掺合料完全可以配制高等级的抗渗水泥，抗渗水泥结构的致密,可以有效地提高水泥的抗碳化能力和抗硫酸盐侵蚀能力,从而全方位提高建筑物的耐久性。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (1)
1.一种无收缩水泥矿物掺合料，其特征在于：包括明矾石、煤渣、石膏、发泡剂和防水剂，发泡剂为十二烷基苯磺酸钠和茶皂素发泡剂的混合物，防水剂为甲基硅树脂，其各组分质量百分比为明矾石 ：煤渣 ：石膏 ：发泡剂 ：防水剂＝23-28％ ：45-55％ ：10-15％ ：3-5％ ：0.1-0.3％，各组分之和为100％，十二烷基苯磺酸钠和茶皂素发泡剂在无收缩水泥矿物掺合料中的质量百分比为2-4％ ：1-2％。
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