CN103819111B

CN103819111B - 纳米氧化镁作为膨胀剂在水泥基材料中的应用

Info

Publication number: CN103819111B
Application number: CN201410041756.0A
Authority: CN
Inventors: 叶青; 叶宇巡
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang Senli Ecological Environment Technology Co ltd
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2034-01-28
Also published as: CN103819111A

Abstract

本发明公开了纳米氧化镁作为膨胀剂在水泥基材料中的应用，所述的应用方法是，纳米氧化镁在水泥基材料中作为膨胀剂时，所述的纳米氧化镁的掺入质量以所含氧化镁质量计为水泥基材料中胶凝材料质量的1%～10%；利用纳米氧化镁作为膨胀剂的优点在于：氧化镁颗粒尺寸在1nm～100nm，在1%～10%掺量范围内产生均匀和稳定的体积膨胀，不会产生体积安定性不良问题，不同温度区间制得的不同膨胀性能的纳米氧化镁可掺配使用，也可与现有的轻烧氧化镁膨胀剂或现有以产生钙矾石为膨胀源的膨胀剂进行合理的掺配使用，制得性能更好的膨胀剂。

Description

纳米氧化镁作为膨胀剂在水泥基材料中的应用

（一）技术领域

本发明涉及纳米氧化镁的应用，具体涉及纳米氧化镁作为膨胀剂在水泥基材料（混凝土、砂浆或水泥浆）中的应用。

（二）背景技术

在凝结和硬化过程中，除膨胀水泥外的硅酸盐系列水泥及其配制而成的水泥浆、砂浆和混凝土均具有自生体积的收缩、干缩和由水化热引起的冷缩，特别是大体积混凝土（如大坝）这些收缩尤其突出，以致引起大坝开裂、降低耐久性和使用寿命。因此，要设法消除或补偿这些收缩。

为了消除或补偿大体积混凝土的自生体积收缩、干缩和由水化热引起的冷缩，人们已采用了许多方法，利用钙矾石膨胀源生产了大坝专用微膨胀矿渣水泥、利用轻烧氧化镁作为膨胀剂制成补偿收缩的膨胀剂、利用提高硅酸盐水泥熟料中的方镁石（重烧氧化镁）作为膨胀源制成补偿收缩的大坝水泥、利用硅酸盐水泥熟料中的方镁石和添加的石膏制成双膨胀源补偿收缩的大坝水泥，这类膨胀剂和膨胀水泥已在国内的多个大坝工程中得到了应用。

对于轻烧氧化镁作为膨胀剂和利用提高硅酸盐水泥熟料中的方镁石作为膨胀源，由于烧成温度、保温时间、冷却方法和粉磨细度等均会影响轻烧氧化镁和（重烧）方镁石的颗粒尺寸，如果控制不当，就会有产生体积安定性不良的潜在危险。特别当水泥熟料中的方镁石颗粒大于20～30微米时，当其含量达到1.5%以上时就有可能带来体积安定性不良。

因此，本发明利用纳米氧化镁作为膨胀剂，以取代轻烧氧化镁和（重烧）方镁石。也就是采用或利用在不同温度区间（500～700℃、700～900℃、900～1100℃、1100～1300℃、1300～1500℃）制得的具有一定活性或膨胀性能的纳米氧化镁的一种或多种作为膨胀剂。

利用纳米氧化镁作为膨胀剂的优点在于：氧化镁（或称方镁石）颗粒尺寸在1纳米～100纳米范围内；在1%～10%（特别是2%～8%）掺量范围内产生均匀和稳定的体积膨胀，不会产生体积安定性不良问题；在不同的温度区间（500～700℃、700～900℃、900～1100℃、1100～1300℃、1300～1500℃）可制得不同膨胀性能的纳米氧化镁膨胀剂，随着制备温度的降低，纳米氧化镁的水化速度加快，产生膨胀效应的时间会提前。可利用二个或多个不同温度区间制得的纳米氧化镁进行合理的掺配使用，制得性能更好的膨胀剂；可与现有的轻烧氧化镁（膨胀剂）进行合理的掺配使用，制得性能更好的膨胀剂；还可与现有以产生钙矾石为膨胀源的膨胀剂进行合理的掺配使用，制得性能更好的膨胀剂。

（三）发明内容

本发明的目的是提供一种纳米氧化镁作为膨胀剂在水泥基材料中的应用。

本发明采用如下技术方案：

纳米氧化镁作为膨胀剂在水泥基材料中的应用。

本发明纳米氧化镁作为膨胀剂的应用，其中所述的水泥基材料为混凝土、砂浆或水泥浆。

本发明所述的水泥基材料由胶凝材料、骨料、水和外加剂拌制而成。所述的胶凝材料中包含硅酸盐系列水泥、矿物掺合料和膨胀剂；其中所述的硅酸盐系列水泥为通用硅酸盐水泥（如：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥）、中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、低热粉煤灰硅酸盐水泥、低热微膨胀水泥、粉煤灰低热微膨胀水泥或大坝硅酸盐水泥。外加剂是指拌制水泥基材料过程中掺放，用以改善水泥基材料性能的物质，掺量不大于胶凝材料质量的5%（特殊情况除外）。

本发明纳米氧化镁作为膨胀剂的应用，所述的应用方法是，纳米氧化镁在水泥基材料中作为膨胀剂时，所述的纳米氧化镁的掺入质量以所含氧化镁质量计为水泥基材料中胶凝材料质量的1％～10%，推荐为2%～10%，更优选为3%～8%。

本发明纳米氧化镁作为膨胀剂的应用，所述的纳米氧化镁以含有纳米氧化镁的混合物的形式掺入水泥基材料，所述的混合物中氧化镁质量含量为6%～100%，优选为90%～100%；所述的含有纳米氧化镁的混合物中还含有减水剂、缓凝剂、早强剂、矿物掺合料、除纳米氧化镁以外的膨胀剂中的一种或两种以上。

本发明所述的纳米氧化镁的颗粒粒径为1nm～100nm，并且是在500℃～1500℃的温度下制备的，如500～700℃、700～900℃、900～1100℃、1100～1300℃或1300～1500℃，不同的温度区间可制得不同膨胀性能的纳米氧化镁膨胀剂，并且可采用两种以上不同温度区间制得的纳米氧化镁的合理掺配物；不同温度区间制得的纳米氧化镁中的一种或两种以上还可与现有的轻烧氧化镁（膨胀剂）或现有以产生钙矾石为膨胀源的膨胀剂进行合理的掺配使用，制得性能更好的膨胀剂。

利用纳米氧化镁作为膨胀剂的优点在于：氧化镁（或称方镁石）颗粒尺寸在1纳米～100纳米范围内；在1%～10%（特别是2%～8%）掺量范围内产生均匀和稳定的体积膨胀，不会产生体积安定性不良问题；在不同的温度区间（500～700℃、700～900℃、900～1100℃、1100～1300℃、1300～1500℃）可制得不同膨胀性能的纳米氧化镁膨胀剂，随着制备温度的降低，纳米氧化镁的水化速度加快，产生膨胀效应的时间会提前。不同温度区间制得的不同膨胀性能的纳米氧化镁的合理掺配使用，可制得性能更好的膨胀剂。

（四）具体实施方式

下面以具体实施例来对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。

实施例1

按表1的水泥净浆组成制备水泥净浆。先称量，再将52.5级普通水泥和纳米氧化镁（杭州万景新材料有限公司提供，平均直径为50nm，MgO含量为99.90%，制备温度1100～1300℃）充分干混均匀，然后按水泥净浆的制备方法（GB/T1346-2011）制备净浆，并在25×25×280mm的试模中成型3个膨胀试件。在（20±1）℃的养护箱中养护24h后拆模，并测定其初始长度（精确到0.001mm）。以后均在（20±1）℃的水中养护，并在规定的养护时间测定其长度，最终算得线性膨胀率。并在20℃水中养护365d的基础上，再在蒸压釜（216℃和2.0MPa的饱和水蒸气）中蒸压养护6.0h，按规定冷却至20℃后再测定其长度，并计算其膨胀率。

在纳米氧化镁掺量为0%、1%、2%、4%、6%、8%和10%时，在水中养护365d的条件下，它们的水泥净浆线性膨胀率分别为980、1288、1410、1740、2540、3370和3940μm/m，膨胀率随纳米氧化镁掺量的增加而增加，膨胀效果明显。再经在216℃和2.0MPa的饱和水蒸气中蒸压养护6.0h后，它们的水泥浆体线性膨胀率分别为1110、1506、1730、2740、3630、4140和6750μm/m，均未超过8000μm/m，体积安定性合格。

同理，掺加纳米氧化镁的水泥砂浆或混凝土也会产生上述类似的随掺量和时间增加的膨胀率。一般情况下水泥净浆膨胀率：水泥砂浆膨胀率：混凝土膨胀率=5：2：1。

表1掺纳米氧化镁的水泥净浆组成及其膨胀率

实施例2

按表2的净浆组成制备净浆。先称量，再将52.5级普通水泥、粉煤灰和纳米氧化镁（杭州万景新材料有限公司提供，平均直径为50nm，MgO含量为99.90%，制备温度900～1100℃）充分干混均匀，然后按水泥净浆的制备方法（GB/T1346-2011）制备净浆，并在25×25×280mm的试模中成型3个膨胀试件。在（20±1）℃的养护箱中养护24h后拆模，并测定其初始长度（精确到0.001mm）。以后均在（20±1）℃的水中养护，并在规定的养护时间测定其长度，最终算得线性膨胀率。并在20℃水中养护365d的基础上，再在蒸压釜（216℃和2.0MPa的饱和水蒸气）中蒸压养护6.0h，按规定冷却至20℃后再测定其长度，并计算其膨胀率。

在纳米氧化镁掺量为0%、2%、4%、6%、8%和10%时，在水中养护365d的条件下，它们的浆体线性膨胀率分别为272、572、760、1184、1520和2096μm/m，膨胀率随纳米氧化镁掺量的增加而增加，膨胀效果明显。再经在216℃和2.0MPa的饱和水蒸气中蒸压养护6.0h后，它们的浆体线性膨胀率分别为360、1488、1896、2694、3080和4180μm/m，未超过8000μm/m，体积安定性合格。

同理，掺加纳米氧化镁和掺加粉煤灰的砂浆或混凝土也会产生上述类似的随掺量和时间增加的膨胀率。一般情况下水泥净浆膨胀率：水泥砂浆膨胀率：混凝土膨胀率=5：2：1。

表2掺纳米氧化镁和掺粉煤灰的水泥净浆组成及其膨胀率

实施例3

按表3的每方混凝土原材料用量制备混凝土。先称量，再将52.5级普通水泥、粉煤灰和纳米氧化镁（杭州万景新材料有限公司提供，平均直径为50nm，MgO含量为99.90%，制备温度700～900℃）充分干混均匀，然后按普通混凝土的制备方法（GB/T50080-2002）制备混凝土，并在100×100×515mm的试模中成型3个膨胀试件。在（20±2）℃的养护室内养护24h后拆模，并测定其初始长度（精确到0.001mm）。以后均在（20±2）℃的水中养护，并在规定的养护时间测定其长度，最终算得线性膨胀率。

在纳米氧化镁掺量为0%、2%、4%、6%、8%和10%时，在水中养护365d的条件下，它们的混凝土线性膨胀率分别为68、215、382、514、675和860μm/m，膨胀率随纳米氧化镁掺量的增加而增加，膨胀效果明显。由于纳米氧化镁的制备温度（700～900℃）较低，氧化镁水化较快，在约120天就开始趋于或到达膨胀稳定，体积安定性合格。

表3掺纳米氧化镁和掺粉煤灰的混凝土（强度等级C35）组成及其膨胀率

Claims

1.纳米氧化镁作为膨胀剂在水泥基材料中的应用，其特征在于，所述的水泥基材料由胶凝材料、骨料、水和外加剂拌制而成；所述的胶凝材料中包含硅酸盐系列水泥、矿物掺合料和膨胀剂；所述的硅酸盐系列水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、低热粉煤灰硅酸盐水泥、低热微膨胀水泥、粉煤灰低热微膨胀水泥或大坝硅酸盐水泥；所述纳米氧化镁在水泥基材料中作为膨胀剂时，所述的纳米氧化镁的掺入质量以所含氧化镁质量计为水泥基材料中胶凝材料质量的3％～8％。

2.如权利要求1所述的纳米氧化镁作为膨胀剂在水泥基材料中的应用，其特征在于所述的纳米氧化镁以含有纳米氧化镁的混合物的形式掺入，所述的混合物中氧化镁的质量含量为6％～100％。

3.如权利要求2所述的纳米氧化镁作为膨胀剂在水泥基材料中的应用，其特征在于所述的含有纳米氧化镁的混合物中含有减水剂、缓凝剂、早强剂、矿物掺合料、除纳米氧化镁以外的膨胀剂中的一种或两种以上。

4.如权利要求1所述的纳米氧化镁作为膨胀剂在水泥基材料中的应用，其特征在于所述的纳米氧化镁的颗粒粒径为1nm～100nm。

5.如权利要求1所述的纳米氧化镁作为膨胀剂在水泥基材料中的应用，其特征在于所述的纳米氧化镁是500℃～700℃、700℃～900℃、900℃～1100℃、1100℃～1300℃、1300℃～1500℃不同温度区间制得的纳米氧化镁中的一种或两种以上的掺配物，或者是500℃～700℃、700℃～900℃、900℃～1100℃、1100℃～1300℃、1300℃～1500℃不同温度区间制得的纳米氧化镁中的一种或两种以上与现有的轻烧氧化镁膨胀剂或现有以产生钙矾石为膨胀源的膨胀剂的掺配物。