CN103332883A

CN103332883A - 一种复合水泥膨胀剂及其制备方法

Info

Publication number: CN103332883A
Application number: CN2013102895365A
Authority: CN
Inventors: 靳洪允; 侯书恩; 黄丹; 汤小文
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-07-10
Also published as: CN103332883B

Abstract

本发明涉及一种复合水泥膨胀剂及其制备方法。该复合水泥膨胀剂的各组分及各组分的质量百分比为：生石灰5～50%、硬石膏20～50%、含铝熟料5～40%、偏高岭土熟料5～20%、石英粉2～15%、及有机外加剂0.1～1%。该膨胀剂利用不同的铝酸盐矿物熟料调节膨胀速率，增大有效膨胀；同时利用有机外加剂提高水泥塑性阶段的膨胀性能，对水泥水化的塑性阶段以及水泥的后期硬化后的收缩均起到很好的补偿作用。该膨胀剂的碱含量低于0.5%，能有效避免碱骨料反应；当掺量为8%时，按照膨胀剂JC476-2001标准检测，在空气中养护21d的限制膨胀率大于标准，特别是塑性阶段膨胀率在0.02～0.15%。

Description

一种复合水泥膨胀剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合水泥膨胀剂，该膨胀剂应用于桥梁预应力管道灌浆、大面积混凝土、及水利设施等工程领域，能有效解决水泥或混凝土在塑性阶段和凝结硬化后的收缩和开裂难题。

背景技术

膨胀剂是一种具有巨大市场容量和发展前景的外加剂。普通水泥或混凝土由于干缩和干冷等原因，往往导致开裂和劣化。人们希望有这样一种材料，使得水泥或混凝土在塑性阶段以及凝结硬化时能产生一定量的膨胀，以抵制其收缩而引起的各种弊端。

1936年，法国洛西是最早认识到钙矾石具有消除水泥收缩和产生预应力的学者，他发明了膨胀水泥。膨胀剂是用矾土、石膏和白垩土磨成生料再加以煅烧而制得，但未正式生产。1958年，美国的克莱恩在此基础上开发了K型膨胀水泥，膨胀剂的配制和煅烧是使其具有适量的无水硫铝酸钙、CaSO₄、CaO，1964年正式投入生产。1945年，前苏联学者也根据铝酸三钙和硫酸钙能形成钙矾石的原理，研制成功不透水膨胀水泥。日本在苏、美的基础上是最先开发膨胀剂的国家，1962年，日本大成建筑技术研究所购买了美国的克莱恩的K型膨胀水泥的专利技术，在此基础上成功研制出硫铝酸钙膨胀剂，简称CSA，它是用石灰石、矾土和石膏配制成生料，经电熔烧制成一种含无水硫铝酸钙C₄A₃S、CaSO₄和CaO的熟料，然后粉磨成膨胀剂。

我国在制备膨胀剂的过程中，与日本电融法的区别是，采用回转窑烧结法制备CSA熟料，再利用钙矾石生成原理制备膨胀剂。

钙矾石的形成能使水泥产生体积膨胀，但其膨胀的功能主要是使硬化后的水泥或混凝土产生体积膨胀，减免水泥或混凝土硬化早期产生的收缩裂缝。金属类铝粉和氧化铁也可使水泥产生体积膨胀，但其膨胀主要发生在混凝土的塑性阶段；碱-集料反应也可使混凝土产生体积膨胀，但其膨胀是有害的，而且过程非常漫长。

发明内容

本发明针对现有CSA膨胀剂的不足，提供了一种能对水泥混凝土在塑性阶段和后期硬化后均起到膨胀作用的膨胀剂及其制备方法。

为实现本发明目的，技术方案为：

一种复合水泥膨胀剂，由含铝熟料、偏高岭土熟料、硬石膏、生石灰、石英粉、及有机外加剂组成，各组分的含量为：

上述含铝熟料由高铝矾土经1350℃～1400℃高温煅烧制备得到，所述高铝矾土的铝含量≥86%（wt%）。

上述偏高岭土熟料的制备为：将高岭土磨细至200目，在650℃～850℃条件下焙烧，变成有活性的偏高岭土熟料。

上述有机外加剂为：N,N-二亚硝基五亚甲基四胺、聚乙二醇、石脑油、或十二烷基硫酸钠。

上述复合水泥膨胀剂的比表面积≥250m²/kg。

制备上述复合水泥膨胀剂的方法：按各组分含量称取原料，置于搅拌机中搅拌均匀，而后将其行粉磨至比表面积≥250m²/kg，得到复合水泥膨胀剂。

本发明中，比表面积的测定方法为勃氏法。

本发明复合水泥膨胀剂与水泥混合时，其掺量为4～12%。

本发明复合膨胀剂中含铝熟料和偏高岭土熟料提供C₄A₃S、CA、CA₂、C₂AS等，硬石膏提供CaSO₄，生石灰和水泥提供CaO，这三者反应生成钙矾石作为膨胀源，有机外加剂主要作为塑性阶段膨胀的膨胀源，这两者相互补充膨胀作用，使水泥从水化开始一直处于膨胀的状态。

有机外加剂的膨胀机理：有机外加剂在水泥水化环境下，生成气体，从而使水泥在塑性阶段得到一定膨胀。

钙矾石的膨胀机理：在水泥中有足够浓度的CaO、CaSO₄、C₄A₃S、CA、CA₂等时，可生成钙矾石结晶体，因晶化而产生膨胀，更多的是在水泥凝胶区中生成难以分辨的胶凝状钙矾石，由于钙矾石表面带有负电荷，它们吸水肿胀是引起水泥石膨胀的主要根源。由于胶凝状钙矾石吸水肿胀和结晶状钙矾石对孔隙产生的膨胀压的共同作用，使水泥石产生体积膨胀。钙矾石的形成速度和生成数量决定混凝土的膨胀效率。钙矾石形成速度太快，其大部分膨胀能消耗在混凝土塑性阶段，做无用功。如果钙矾石形成速度太慢，前期无益于补偿收缩，后期可能对结构产生破坏。所以控制钙矾石的生成速率十分重要。在足够CaO、CaSO₄的环境下，两种含铝熟料中含有的C₄A₃S、C₂AS、CA、CA₂具有不同的生成速度，使膨胀速度得到控制。

本发明的有益效果：

（1）本发明采用不同的铝酸盐矿物熟料来调节钙矾石的形成速率，增大有效膨胀，同时利用有机外加剂提高水泥在塑性阶段的膨胀性能，能有效提高水泥或水泥混凝土的限制膨胀率和塑性膨胀率；

（2）本发明复合水泥膨胀剂的碱含量低于0.5%，能有效避免碱骨料反应；

（3）本产品在水泥或水泥混凝土的塑性阶段和后期硬化后均能起到一定的膨胀作用，本产品掺量为8%时，按照膨胀剂JC476-2001标准检测，空气中养护21d的限制膨胀率、强度均达到国家及行业标准；

（4）本发明的膨胀剂用于水泥或者水泥混凝土，其塑性阶段膨胀率在0.02～0.15%。

附图说明

图1为掺入复合水泥膨胀剂制备得到的水泥灌浆料硬化后水泥石的SEM图

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实例。

实施例1

称取含铝熟料8g，偏高岭土熟料32g，硬石膏35.2g，生石灰80g，石英粉3.2g，聚乙二醇1.6g，置于搅拌机中混合均匀，再粉磨至比表面积为250m²/kg，制成复合水泥膨胀剂。

其中含铝熟料是由高铝矾土（铝含量为86wt%）经1350℃高温煅烧制备得到；偏高岭土熟料是由200目的高岭土经700℃高温煅烧制备得到。

按照国家标准，将复合水泥膨胀剂以8%的掺量加入到2000g水泥中，空气中养护21d的限制膨胀率为0.024%；塑性膨胀率为0.15%。同时7d的抗折强度为8.8MPa，28d的抗折强度为10.7MPa，7d的抗压强度为54.7MPa，28d的抗压强度为64.1Mpa，均符合《混凝土膨胀剂》JC476-2001标准要求。

图1为掺入本实施例复合水泥膨胀剂，制备得到的水泥灌浆料硬化后龄期为7天时的水泥石SEM图，从图中可以看出结构中出现了大量针状和纤维状的水化结构晶体，这些晶体可以填充孔隙结构，使水泥石结构更加密实，可以有效降低体系的收缩。

实施例2

称取含铝熟料64g，偏高岭土熟料8g，硬石膏55.84g，生石灰8g，石英粉24g，石脑油0.16g，置于搅拌机中混合均匀，再粉磨至比表面积为270m²/kg，，制成复合水泥膨胀剂。

其中含铝熟料是由高铝矾土（含铝量为88wt%）经1400℃高温煅烧制备得到；偏高岭土熟料是由200目的高岭土经850℃高温煅烧制备得到。

按照国家标准，将复合水泥膨胀剂以8%的掺量加入到2000g水泥中。空气中养护21d的限制膨胀率为0.012%，塑性膨胀率为0.02%。同时7d的抗折强度为9.3MPa，28d的抗折强度为11.3MPa，7d的抗压强度为57.9MPa，28d的抗压强度为83.5Mpa，均符合《混凝土膨胀剂》JC476-2001标准要求。

实施例3

称取含铝熟料37g，偏高岭土熟料8g，硬石膏80g，生石灰30g，石英粉4g，十二烷基硫酸钠1g，置于搅拌机中混合均匀，再粉磨至比表面积260m²/kg，制成复合水泥膨胀剂。

其中含铝熟料是由高铝矾土（含铝量为86wt%）经1400℃高温煅烧制备得到；偏高岭土熟料是由200目的高岭土经800℃高温煅烧制备得到。

按照国家标准，将复合水泥膨胀剂以8%的掺量加入到2000g水泥中。空气中养护21d限制膨胀率为0.029%，塑性膨胀率为0.15%。同时7d的抗折强度为10.1MPa，28d的抗折强度为13.2MPa，7d的抗压强度为59.3MPa，28d的抗压强度为92.1Mpa，均符合《混凝土膨胀剂》JC476-2001标准要求。

实施例4

称取含铝熟料59.5g，偏高岭土熟料11g，硬石膏32g，生石灰40g，石英粉16g，N,N-二亚硝基五亚甲基四胺1.5g，置于搅拌机中混合均匀，再粉磨至比表面积270m²/kg，制成复合水泥膨胀剂。

其中含铝熟料是由高铝矾土（含铝量为86wt%）经1375℃高温煅烧制备得到；偏高岭土熟料是由200目的高岭土经650℃高温煅烧制备得到。

按照国家标准，将复合水泥膨胀剂以8%的掺量加入到2000g水泥中。空气中养护21d限制膨胀率为0.017%，塑性膨胀率为0.12%。同时7d的抗折强度为9.7MPa，28d的抗折强度为12.9MPa，7d的抗压强度为52.7MPa，28d的抗压强度为89.3Mpa，均符合《混凝土膨胀剂》JC476-2001标准要求。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种复合水泥膨胀剂，其特征在于由含铝熟料、偏高岭土熟料、硬石膏、生石灰、石英粉、及有机外加剂组成，各组分的质量百分比为：

2.根据权利要求1所述复合水泥膨胀剂，其特征在于所述含铝熟料由高铝矾土经1350℃～1400℃高温煅烧制备得到，所述高铝矾土的铝含量≥86wt%。

3.根据权利要求1所述复合水泥膨胀剂，其特征在于所述偏高岭土熟料由高岭土磨细至200目，在650℃～850℃条件下焙烧制备得到。

4.根据权利要求1所述复合水泥膨胀剂，其特征在于所述有机外加剂为N,N-二亚硝基五亚甲基四胺、聚乙二醇、石脑油、或十二烷基硫酸钠。

5.根据权利要求1所述复合水泥膨胀剂，其特征在于所述复合水泥膨胀剂的比表面积≥250m²/kg。

6.制备权利要求1所述复合水泥膨胀剂的方法，其特征在于，它包括如下步骤：按各组分含量称取原料，置于搅拌机中搅拌均匀，而后将其粉磨至比表面积≥250m²/kg，即得到复合水泥膨胀剂。