CN103253916B - 一种用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑材料技术领域。一种用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂，其特征在于它主要是由硫铝酸盐水泥、偏高岭土、硅灰和聚羧酸减水剂原料组成，其中各原料所占质量百分数分别为：偏高岭土0.1-50%，硅灰0.1-50%，硫铝酸盐水泥20-70%，聚羧酸减水剂0.1-3%。该早强剂的加入可以大大缩短水泥混凝土的凝结硬化时间，提高砂浆及混凝土的早期及长期抗压强度。

Description

一种用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂及其制备方法。

背景技术

磷石膏基水泥是一种新型环保胶凝材料，主要组分是磷石膏、矿渣和少量的钢渣、熟料，这种水泥是利用碱激发和硫酸盐激发矿渣以及水化产物包裹过剩磷石膏等原理设计制备的具有水硬性胶凝材料，具有抗渗能力强、抗硫酸盐侵蚀等优良特性。

申请号为201210242381.5的专利“可缩短磷石膏基混凝土凝结时间的磷石膏改性方法”中对磷石膏基水泥的改性工艺做了具体介绍。磷石膏基混凝土的制备中，调整胶凝材料用量、砂率、减水剂掺量，混凝土的28天强度可以达到C40混凝土的要求，主要用于路缘石、路面砖的制造和墙体材料的使用。但是，研究发现，由于石膏的缓凝作用及原材料中活性铝含量少，造成磷石膏基水泥早期钙矾石生成量不足，结构疏松，早期强度低，3天强度一般在10MPa以下，严重限制了磷石膏基水泥混凝土的广泛使用。所以，研究一种可以缩短磷石膏基水泥混凝土的凝结硬化时间，提高早强及保证长期强度发展的早强剂，是十分必要的。

硫铝酸盐水泥是一种可快速凝结硬化的胶凝材料，其主要矿物无水硫铝酸钙，占所有矿物的50-70%。当石膏充足时，发生如下反应：，主要生成钙矾石和氢氧化铝。石膏含量大于18%时，形成的大量针状或棱柱状钙矾石，很快在水泥水化微体系中搭建骨架结构，形成密实的多相堆积体，促使水泥硬化，产生早期强度。

偏高岭土是高岭土经过500~900℃煅烧形成的结晶度很差的过度相，分子排列不规则，属于热力学介稳态，具有较高的化学反应活性。含有大量的Al₂O₃，高达30-45%，可与非晶质活性SiO₂，碱金属氧化物、可溶硅酸碱反应，也可与水泥的水化产物Ca(OH)₂反应，生成C-S-H凝胶、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙。尽管磷石膏和硫铝酸盐水泥组成的体系碱度较低，但偏高岭土与Ca(OH)₂之间的缓慢反应以及其中水分的逐步释放，对于整个体系的强度发展起到至关重要的作用。硅灰是由非晶质二氧化硅组成的细小粉末材料，非晶质二氧化硅的含量在85%以上，可与碱性氧化物及氢氧化物反应生成C-S-H凝胶，也可与活性铝及石膏反应，生成钙矾石。偏高岭土中的提供的大量活性Al₂O₃与硅灰中的活性SiO₂成为体系进行诱导激活产生胶凝效应不可或缺的重要组成。而且偏高岭土和硅灰都是微细颗粒，比表面积可达10000-20000m²/kg，远大于硫铝酸盐水泥的比表面积，其作为矿物掺合料可以起到微细集料的填充作用，使水泥结构致密，保证长期强度及体积稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂及其制备方法，该早强剂的加入可以大大缩短水泥混凝土的凝结硬化时间，提高砂浆及混凝土的早期及长期抗压强度。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案：一种用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂，其特征在于它主要是由硫铝酸盐水泥、偏高岭土、硅灰和聚羧酸减水剂原料组成，其中各原料所占质量百分数分别为：偏高岭土0.1-50%，硅灰0.1-50%，硫铝酸盐水泥20-70%，聚羧酸减水剂0.1-3%。

所述各原料所占质量百分数最佳分别为（即实施例1-6的范围）：偏高岭土11-42%，硅灰11-42%，硫铝酸盐水泥41-70%，聚羧酸减水剂0.8-2.4%。

所述的偏高岭土为高岭石粉磨后，置于750℃的温度下煅烧4小时，冷却后，再机械分散，得到比表面积为8000-15000m²/kg的偏高岭土。

所述硅灰的SiO₂的含量不少于85wt%，比表面积不小于18000m²/kg。

所述硫铝酸盐水泥的比表面积不小于3000m²/kg，主要矿物的含量不小于55wt%。

所述聚羧酸减水剂为粉状的聚羧酸类减水剂，减水率不小于20%。

上述一种用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂的制备方法，包括如下步骤：

1）配料：按各原料所占质量百分数分别为：偏高岭土0.1-50%，硅灰0.1-50%，硫铝酸盐水泥20-70%，聚羧酸减水剂0.1-3%，选取各原料，备用；

2）混料：将偏高岭土、硅灰、硫铝酸盐水泥混合搅拌均匀；

3）加入聚羧酸减水剂，搅拌均匀，得到用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂（成品）。

硫铝酸盐水泥可以最大限度的补充磷石膏基水泥中的钙矾石生成量，保证早期强度。偏高岭土和硅灰提供的活性Al₂O₃和SiO₂在保证早期钙矾石形成的同时，生成的凝胶填充水泥微结构，以及微细集料填充作用可改善磷石膏基水泥混凝土的孔结构，提高长期强度和耐久性。同时引入聚羧酸减水剂，降低早强剂中的矿物掺合料的需水量。四者的结合，可以大大提高混凝土的凝结时间和早期强度，从而可加快磷石膏基水泥混凝土制品的生产效率，为这种新型环保胶凝材料的广泛应用奠定基础。

所述的用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂，其中早强组分主要是硫铝酸盐水泥，辅助强度增长组分为偏高岭土和硅灰，减水组分为粉状的聚羧酸类减水剂。

所述的用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂，提高早期强度的方法是掺入3-15wt%的早强剂，可以明显的提高混凝土的早期强度，可以达到20MPa左右。

本发明的有益效果是：

1、本发明的用于提高磷石膏基水泥混凝土早期强度，制备简单，用量少，效果明显。

2、本发明的用于提高磷石膏基水泥混凝土早期强度的早强剂可大大缩短凝结硬化时间，加快生产周期。

3、本发明的用于提高磷石膏基水泥混凝土早期强度的早强剂用于砂浆和混凝土都能显著提高早期强度及适当提高中后期强度，混凝土结构密实，强度发展良好。

4、本发明有利于带动磷石膏、钢渣等工业废弃物的资源化利用。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的内容，所以对技术方案进行详细的说明，但是本发明的保护范围并不局限于所述实施例。

实施例1-6：用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂的各原料的配比如表1所示。

表1早强剂各原料的配比

所述的偏高岭土为高岭石粉磨后，置于750℃的温度下煅烧4小时，冷却后，再机械分散，得到比表面积为8000-15000m²/kg的偏高岭土。

所述硅灰的SiO₂的含量不少于85wt%，比表面积不小于18000m²/kg。

所述硫铝酸盐水泥的比表面积不小于3000m²/kg，主要矿物的含量不小于55wt%。

所述聚羧酸减水剂为粉状的聚羧酸类减水剂，减水率不小于20%。

上述一种用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂的制备方法，包括如下步骤：

1）配料：按上述各原料重量分别选取各原料，备用；

2）混料：将偏高岭土、硅灰、硫铝酸盐水泥混合搅拌均匀；

3）加入聚羧酸减水剂，搅拌均匀，得到用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂（成品）。

按照GBT1346-2001水泥凝结时间测定方法，将各组早强剂掺入的磷石膏基水泥做凝结时间测试。将浆体成型于深40mm±0.2mm、顶内径φ65mm±0.5mm、底内径φ75mm±0.5mm的截顶圆锥体，并在温度20±2℃，湿度90%以上的标准养护箱中养护。测试结果如表2所示。

表2各组早强剂的凝结时间

从凝结时间可以看出，基准水泥的凝结时间与标准要求相差甚远，而加了早强剂后，初凝和终凝时间大大缩短，符合要求。早强剂对缩短凝结时间，提高早强效果明显。

按照GB-T17671-1999水泥胶砂强度检验方法和GB-T17671-1999水泥胶砂强度检验方法，对各组早强剂掺入的砂浆做胶砂流动度和胶砂强度试验。

基准样的制备：采用磷石膏基水泥450g，标准砂1350g，用水量189ml，并成型40×40×160mm胶砂试件，在温度20±2℃，湿度90%以上的标准养护箱中养护。

试验样品的制备：采用磷石膏基水泥400.5-427.5g，所配制的早强矿物外加剂22.5-49.5g，制备1到6组试样，所用标准砂1350g，用水量与基准样相同，养护方式与基准样相同。

表3胶砂试样的抗压强度（单位MPa）

从表2的各组砂浆强度可以看出，早强剂的掺入对砂浆的早期抗压强度的提高明显，最高可以提高11.3MPa，提高将近200%，同时，28天也有1.6-13.4MPa的提升，幅度在4%-35%之间，强度发展状况良好。

根据JBJ55-2000普通混凝土配合比设计规程和GBT50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准，取最优配比1、2、6组（具体配比如表1所示，其中矿物外加剂组分占水泥总量的7%）进行磷石膏基水泥混凝土的配合比设计及力学性能试验，如表4所示。

表4混凝土配合比设计及抗压强度

通过混凝土的使用情况，掺入7%的早强剂，混凝土的3d、7d和28d强度分别可以提高120%、25%和20%左右。可见早强剂不仅可以有效提高混凝土的早期强度，还可以适当提高后期强度，显著地改善了混凝土的力学性能。通过试验证明，此早强剂可以用于磷石膏基水泥混凝土中，对早期强度贡献显著，对中后期也有相当幅度的提升。

实施例7-12：用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂的各原料的配比如表5所示。

表5早强剂各原料的配比

所述的偏高岭土为高岭石粉磨后，置于750℃的温度下煅烧4小时，冷却后，再机械分散，得到比表面积为8000-15000m²/kg的偏高岭土。

所述硅灰的SiO₂的含量不少于85wt%，比表面积不小于18000m²/kg。

所述硫铝酸盐水泥的比表面积不小于3000m²/kg，主要矿物的含量不小于55wt%。

所述聚羧酸减水剂为粉状的聚羧酸类减水剂，减水率不小于20%。

上述一种用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂的制备方法，包括如下步骤：

1）配料：按上述各原料重量分别选取各原料，备用；

2）混料：将偏高岭土、硅灰、硫铝酸盐水泥混合搅拌均匀；

3）加入聚羧酸减水剂，搅拌均匀，得到用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂（成品）。

按照GBT1346-2001水泥凝结时间测定方法，将各组早强剂掺入的磷石膏基水泥做凝结时间测试。将浆体成型于深40mm±0.2mm、顶内径φ65mm±0.5mm、底内径φ75mm±0.5mm的截顶圆锥体，并在温度20±2℃，湿度90%以上的标准养护箱中养护。测试结果如表6所示。

表6各组早强剂的凝结时间

从凝结时间可以看出，基准水泥的凝结时间与标准要求相差甚远，而加了早强剂后，初凝和终凝时间大大缩短，符合要求。早强剂对缩短凝结时间，提高早强效果明显。

按照GB-T17671-1999水泥胶砂强度检验方法和GB-T17671-1999水泥胶砂强度检验方法，对各组早强剂掺入的砂浆做胶砂流动度和胶砂强度试验。

基准样的制备：采用磷石膏基水泥450g，标准砂1350g，用水量189ml，并成型40×40×160mm胶砂试件，在温度20±2℃，湿度90%以上的标准养护箱中养护。

试验样品的制备：采用磷石膏基水泥400.5-427.5g，所配制的早强矿物外加剂22.5-49.5g，制备7到12组试样，所用标准砂1350g，用水量与基准样相同，养护方式与基准样相同。

表7胶砂试样的抗压强度（单位MPa）

从表7的各组砂浆强度可以看出，早强剂的掺入对砂浆的3天抗压强度的提高明显，最高可以提高12.3MPa，超过200%，同时，28天也有1.2-6.0MPa的提升，幅度在3%-16%之间，强度发展状况比较好。

根据JBJ55-2000普通混凝土配合比设计规程和GBT50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准，取编号7、11、12组，具体配比如表5所示，其中矿物外加剂组分占水泥总量的7%，进行磷石膏基水泥混凝土的配合比设计及力学性能试验，如表8所示。

表8混凝土配合比设计及抗压强度

通过混凝土的使用情况，掺入7%的早强剂，混凝土的3d、7d和28d强度分别可以提高90%、20%和15%左右。可见早强剂在各组分掺量范围内都可以有效提高混凝土的早期强度，也可以适当提高后期强度，显著地改善了混凝土的力学性能。通过试验证明，此早强剂可以用于磷石膏基水泥混凝土中，对早期强度贡献显著，对中后期也有相当幅度的提升。

Claims (4)

1.一种用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂，其特征在于它主要是由硫铝酸盐水泥、偏高岭土、硅灰和聚羧酸减水剂原料组成，其中各原料所占质量百分数分别为：偏高岭土0.1-50%，硅灰0.1-50%，硫铝酸盐水泥20-70%，聚羧酸减水剂0.1-3%；

所述的偏高岭土为高岭石粉磨后，置于750℃的温度下煅烧4小时，冷却后，再机械分散，得到比表面积为8000-15000m²/kg的偏高岭土；

所述硅灰的SiO₂的含量不少于85wt%，比表面积不小于18000m²/kg；

所述硫铝酸盐水泥的比表面积不小于3000m²/kg，主要矿物的含量不小于55wt%。

2.根据权利要求1所述的一种用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂，其特征在于，所述各原料所占质量百分数最佳分别为：偏高岭土11-42%，硅灰11-42%，硫铝酸盐水泥41-70%，聚羧酸减水剂0.9-2.2%。

3.根据权利要求1所述的一种用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂，其特征在于，所述聚羧酸减水剂为粉状的聚羧酸类减水剂，减水率不小于20%。

4.根据权利要求1所述一种用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂的制备方法，包括如下步骤：

1）配料：按各原料所占质量百分数分别为：偏高岭土0.1-50%，硅灰0.1-50%，硫铝酸盐水泥20-70%，聚羧酸减水剂0.1-3%，选取各原料，备用；

2）混料：将偏高岭土、硅灰、硫铝酸盐水泥混合搅拌均匀；

3）加入聚羧酸减水剂，搅拌均匀，得到用于提高磷石膏基水泥混凝土强度的早强剂。