CN104891832A - 抗疲劳的碱式硫酸镁水泥及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗疲劳的碱式硫酸镁水泥，所述抗疲劳的碱式硫酸镁水泥由下述质量百分数的组分组成：氧化镁42～58％，七水硫酸镁 18～25％，工业废渣粉10～15％，白矿渣5～13％，矿物掺合料3～5％，秸秆4～6％，脱硫石膏2～4％，粉煤灰3～5％，调凝剂1～2％。本发明在硫氧镁水泥中掺加合适的外加剂之后形成了一种新的碱式硫酸镁相，并且产生了与传统硫氧镁水泥完全不同的性能和特征的抗疲劳的碱式硫酸镁水泥，其主要水化产物是高强度517晶须，属于一种晶须自形成、高强、高韧性、高压折比、抗碳化、抗盐卤、抗水热、抗海水、抗冲击、抗疲劳、抗碳化、防钢筋锈蚀、高耐久、长寿命的新型特种水泥。

Description

抗疲劳的碱式硫酸镁水泥及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及水泥领域，具体是涉及一种抗疲劳的碱式硫酸镁水泥及其制备方法。

【背景技术】

建筑、桥梁、道路、机场、隧道、大坝、水渠等工程结构在长期的使用过程中，常因发生化学腐蚀、冻融循环、磨损与冲刷破坏、撞击与冲击损坏、地震作用、爆炸作用等耐久性因素或突发性灾害因素引起的表面剥落、结构开裂等损坏现象，采用紧急修补材料、快速地恢复工程结构的使用功能，是土木工程、交通工程、水工工程等领域的一项重要任务。目前，常见的紧急修补材料除高分子建筑结构胶粘剂以外，大量采用以无机材料为基本组成的水泥类修补材料。例如，中国发明专利申请200510011234.7公开了一种由快硬硫铝酸盐水泥、减水组分、缓凝组分、调节组分与早强组分所组成的混凝土快速修补材料及其应用方法，能快速提高修补材料2～6小时强度。中国发明专利申请200610028419.3公开了一种由硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、尾矿粉、粉煤灰和硅灰组成的建筑、筑路用快速修补材料，具有快速施工等功能。这类修补材料属于传统的硅酸盐水泥或者硫铝酸盐水泥系列，其凝结时间不能自由调节，终凝时间长达2.5小时以上，难以满足紧急修补的使用要求。

硫氧镁水泥与氯氧镁水泥都可以称为镁水泥，具有质量轻、防火、凝结快、隔声、绝热等特点。硫氧镁水泥与氯氧镁水泥相比，其主要的优点是抗温性能好，对钢筋腐蚀性能差的特点。硫氧镁水泥一个致命的缺点是其强度比氯氧镁水泥要低，甚至低于硅酸盐水泥，这也是限制了硫氧镁水泥大规模应用的主要原因。

硫氧镁水泥是一种由硫酸镁溶液拌合轻烧氧化镁(MgO)粉制备成的无机胶凝材料。水泥材料的强度与其水化产物的种类、水化产物的相对含量以及水泥的微观结构密切相关，硫氧镁水泥也不例外。Beaudoin通过分析硫氧镁水泥的孔隙率与硬度的关系，认为其孔隙率高是造成强度低的主要原因，同时研究还指出，如果能够保证硫氧镁水泥与氯氧镁水泥的具有相同的孔隙率，则硫氧镁水泥的力学强度将接近氯氧镁水泥。采用较小的水灰比制备硫氧镁水泥，其强度仍然会远低于氯氧镁水泥。因此，决定硫氧镁水泥强度的主要原因应归结于其水化过程及其水化产物的种类和含量。

按照Cole报道，MgO～MgSO4～H2O三元体系所配制的硫氧镁水泥浆体中可以出现4种碱式硫氧镁，即5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O(5·1·3相)、3Mg(OH)2·MgSO4·8H2O(3·1·8相)、Mg(OH)2·2MgSO4·3H2O(1·2·3相)和Mg(OH)2·MgSO4·5H2O(1·1·5相)，其中只有3·1·8相在35℃下为稳定相。Urwrong研究了MgO～H2SO4～H2O三元体系相图后，认为在室温下除了出现3·1·8相，还有MgSO4·nH2O(n＝7、6、1)、Mg(OH)2和MgO，还会出现亚稳态的1·1·5相和MgSO4·4H2O，并指出如果开始的原料为MgO和硫酸镁或硫酸镁溶液，在室温下不可能制备3·1·8相含量超过50％的硬化水泥浆体。

目前，缺乏一种抗疲劳能力强的抗疲劳的碱式硫酸镁水泥及其制备方法。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种抗疲劳能力强的抗疲劳的碱式硫酸镁水泥及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明通过根据下技术方案实现：本发明的一种抗疲劳的碱式硫酸镁水泥，所述抗疲劳的碱式硫酸镁水泥由下述质量百分数的组分组成：

进一步地，所述氧化镁为菱镁矿轻烧粉、白云石轻烧粉中的一种或两种的组合；所述秸秆为粉末状，粉末细度为100～300目。

进一步地，所述氧化镁由以下质量百分数的组分组成：

更进一步地，所述粉煤灰由以下质量百分数的组分组成：二氧化硅  55.40％，三氧化二铝  34.50％，三氧化二铁  4.12％，氧化钙  2.66％，氧化镁  0.37％，三氧化硫  0.43％，氧化钠1.21％，氧化钾  1.31％。

本发明所述的抗疲劳的碱式硫酸镁水泥的制备方法，包括如下步骤：(1)按配比称取上述比例的各组分，氧化镁  42～58％，七水硫酸镁  18～25％，工业废渣粉  10～15％，白矿渣  5～13％，矿物掺合料  3～5％，秸秆  4～6％，脱硫石膏  2～4％，粉煤灰  3～5％，调凝剂  1～2％；

(2)将七水硫酸镁配置成溶液；

(3)然后将氧化镁和脱硫石膏投入搅拌机中，最后再将工业废渣粉、白矿渣、矿物掺合料、矿渣、硅灰与七水硫酸镁溶液投入搅拌机中，搅拌均匀成浆体，加入调凝剂即制得抗疲劳的碱式硫酸镁水泥。

进一步地，在步骤(3)中，搅拌速度为1500-2000r/min。

有益效果：本发明在硫氧镁水泥中掺加合适的外加剂之后形成了一种新的碱式硫酸镁相，并且产生了与传统硫氧镁水泥完全不同的性能和特征的抗疲劳的碱式硫酸镁水泥，其主要水化产物是高强度517晶须，属于一种晶须自形成、高强、高韧性、高压折比、抗碳化、抗盐卤、抗水热、抗海水、抗冲击、抗疲劳、抗碳化、防钢筋锈蚀、高耐久、长寿命的新型特种水泥。

本发明的优点如下：

(1)抗疲劳的碱式硫酸镁水泥的强度高于硫氧镁水泥的主要原因是其水化完全，且致密的微观结构中含有大量针状。抗疲劳的碱式硫酸镁水泥合成了纯的碱式硫酸镁新相，形貌为针杆状晶体，在Topas4.2软件中采用模拟退火法解析出5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O为单斜晶体，所属空间群为C121，晶胞参数为：β＝103.98o，晶体密度为1.87g/cm3。该晶体是由Mg2-O八面体为骨架，SO42-、H2O和OH-为填充离子(或分子)的层状结构。

(2)传统硫氧镁水泥净浆试件泡水28d后开裂、奔溃，原因是低活性MgO水化产生结晶应力，破坏水泥结构。抗疲劳的碱式硫酸镁水泥具有更加优异的抗水性能，无矿物掺合料时，抗疲劳的碱式硫酸镁水泥净浆试件泡水180d的软化系数可达0.85以上。掺加粉煤灰的抗疲劳的碱式硫酸镁水泥的抗水性能可进一步提高，泡水180d软化系数可达0.98。原因在于外加剂延缓了MgO在水中水化的速度，削弱了MgO水化产生的结晶应力，且强度相对本发明的溶解度较低。

(3)掺加矿渣的抗疲劳的碱式硫酸镁水泥在80℃下水热处理14d不出现开裂。浸泡卤水8个月，抗疲劳的碱式硫酸镁水泥强度不降反升。抗疲劳的碱式硫酸镁水泥在加速碳化环境中，不出现碳化现象。抗疲劳的碱式硫酸镁水泥中钢筋锈蚀程度远低于在氯氧镁水泥中的情况。抗疲劳的碱式硫酸镁水泥中钢筋的早期锈蚀速率高于硅酸盐水泥，后期逐渐降低，甚至会低于硅酸盐水泥中的钢筋锈蚀速率。掺加少量亚硝酸盐阻锈剂时，抗疲劳的碱式硫酸镁水泥中钢筋几乎不锈蚀。

(4)本发明中掺杂了秸秆粉末，有利于改善本发明的韧性，提高本发明的强度。

【附图说明】

图1为传统的硫氧镁水泥的水化30d的微观结构SEM形貌图；

图2为本发明抗疲劳的碱式硫酸镁水泥30d的SEM形貌图；

图3为普通硅酸盐水泥配制的C80高性能混凝土30d的SEM形貌图。

【具体实施方式】

以下结合附图和实施例进一步阐述本发明，这些实施例仅用于举例说明的目的，并没有限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件。

实施例1

如图1和图2所示，图1为传统的硫氧镁水泥的水化30d的微观结构SEM形貌图；图2为本发明抗疲劳的碱式硫酸镁水泥30d的SEM形貌图；采用工业原料制备的抗疲劳的碱式硫酸镁水泥，水化产物为5·1·7晶须。

可见，传统硫氧镁水泥的水化结构主要由大量的片状Mg(OH)2晶体构成，且结构疏松，孔隙较多。抗疲劳的碱式硫酸镁水泥水化后的微观结构由空间分布比较均匀的大量针杆状5·1·7晶须组成，结构致密，既存在Mg(OH)2凝胶相、又存在针杆状5·1·7晶须晶体，两者相互交织成连续的三维空间结构网络。

如图3所示，为普通硅酸盐水泥配制的C80高性能混凝土30d的SEM形貌图。抗疲劳的碱式硫酸镁水泥水化后的微观结构与普通硅酸盐水泥的水化微观结构非常相似。

本发明的一种抗疲劳的碱式硫酸镁水泥，所述抗疲劳的碱式硫酸镁水泥由下述质量百分数的组分组成：

所述氧化镁为菱镁矿轻烧粉。所述秸秆为粉末状，粉末细度为100目。

所述氧化镁由以下质量百分数的组分组成：

所述粉煤灰由以下质量百分数的组分组成：二氧化硅55.40％，三氧化二铝  34.50％，三氧化二铁  4.12％，氧化钙  2.66％，氧化镁  0.37％，三氧化硫  0.43％，氧化钠1.21％，氧化钾  1.31％。

本发明所述的抗疲劳的碱式硫酸镁水泥的制备方法，包括如下步骤：(1)按配比称取上述比例的各组分，氧化镁  42％，七水硫酸镁  18％，工业废渣粉  10％，白矿渣  5％，矿物掺合料3％，秸秆  6％，脱硫石膏  2％，粉煤灰  3％，调凝剂  1％；

(2)将七水硫酸镁配置成溶液；

(3)然后将氧化镁和脱硫石膏投入搅拌机中，最后再将工业废渣粉、白矿渣、矿物掺合料、矿渣、硅灰、秸秆与七水硫酸镁溶液投入搅拌机中，搅拌均匀成浆体，加入调凝剂即制得抗疲劳的碱式硫酸镁水泥。搅拌速度为1500r/min。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于：

本发明的一种抗疲劳的碱式硫酸镁水泥，所述抗疲劳的碱式硫酸镁水泥由下述质量百分数的组分组成：

所述氧化镁为白云石轻烧粉。所述秸秆为粉末状，粉末细度为200目。

所述氧化镁由以下质量百分数的组分组成：

本发明所述的抗疲劳的碱式硫酸镁水泥的制备方法，包括如下步骤：(1)按配比称取上述比例的各组分，氧化镁  45％，七水硫酸镁  20％，工业废渣粉  12％，白矿渣  9％，矿物掺合料  4％，秸秆  5％，脱硫石膏  3％，粉煤灰  4％，调凝剂  1.6％；

(2)将七水硫酸镁配置成溶液；

(3)然后将氧化镁和脱硫石膏投入搅拌机中，最后再将工业废渣粉、白矿渣、矿物掺合料、矿渣、硅灰、秸秆与七水硫酸镁溶液投入搅拌机中，搅拌均匀成浆体，加入调凝剂即制得抗疲劳的碱式硫酸镁水泥。搅拌速度为1800r/min。

实施例3

实施例3与实施例2的区别在于：本发明的一种抗疲劳的碱式硫酸镁水泥，所述抗疲劳的碱式硫酸镁水泥由下述质量百分数的组分组成：

所述氧化镁为菱镁矿轻烧粉和白云石轻烧粉两种的组合。所述秸秆为粉末状，粉末细度为300目。

所述氧化镁由以下质量百分数的组分组成：

本发明所述的抗疲劳的碱式硫酸镁水泥的制备方法，包括如下步骤：(1)按配比称取上述比例的各组分，氧化镁  58％，七水硫酸镁  25％，工业废渣粉  15％，白矿渣  13％，矿物掺合料  3～5％，秸秆  6％，脱硫石膏  4％，粉煤灰  5％，调凝剂  2％；

(2)将七水硫酸镁配置成溶液；

(3)然后将氧化镁和脱硫石膏投入搅拌机中，最后再将工业废渣粉、白矿渣、矿物掺合料、矿渣、硅灰、秸秆与七水硫酸镁溶液投入搅拌机中，搅拌均匀成浆体，加入调凝剂即制得抗疲劳的碱式硫酸镁水泥。搅拌速度为2000r/min。

将本发明的各实施例，抗疲劳的碱式硫酸镁水泥的强度等级(参照硅酸盐水泥标准)，达到35.5R～53.5R，120d抗折强度14～23MPa,抗压强度45～80MPa，折压比1/2～1/5，抗疲劳的碱式硫酸镁水泥是一种高强与超高强的新型水泥材料，而且具有2～3倍于硅酸盐水泥的抗折强度，在土木工程建设中显示出良好的应用前景。

抗疲劳的碱式硫酸镁水泥钢筋混凝土梁的承载力试验—同等承载力水平时韧性好、意味着混凝土结构的抗震、抗疲劳能力强。抗疲劳的碱式硫酸镁水泥钢筋混凝土建筑物、构筑物的寿命，快速碳化试验：CO2浓度≥98％，RH为76％±5％，温度为27±1℃，碳化结果：快速碳化28d，碳化深度为0，碳化系数为1.10，大气中的碳化寿命：快速碳化28d，相当于自然大气环境碳化240年。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种抗疲劳的碱式硫酸镁水泥，其特征在于：所述抗疲劳的碱式硫酸镁水泥由下述质量百分数的组分组成：

2.根据权利要求1所述的抗疲劳的碱式硫酸镁水泥，其特征在于：所述氧化镁为菱镁矿轻烧粉、白云石轻烧粉中的一种或两种的组合；所述秸秆为粉末状，粉末细度为100～300目。

3.根据权利要求1所述的抗疲劳的碱式硫酸镁水泥，其特征在于：所述氧化镁由以下质量百分数的组分组成：

4.根据权利要求1所述的抗疲劳的碱式硫酸镁水泥，其特征在于：所述粉煤灰由以下质量百分数的组分组成：二氧化硅  55.40％，三氧化二铝  34.50％，三氧化二铁  4.12％，氧化钙  2.66％，氧化镁  0.37％，三氧化硫  0.43％，氧化钠  1.21％，氧化钾1.31％。

5.权利要求1至4任一项所述的抗疲劳的碱式硫酸镁水泥的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)按配比称取上述比例的各组分，氧化镁  42～58％，七水硫酸镁  18～25％，工业废渣粉10～15％，白矿渣  5～13％，矿物掺合料  3～5％，秸秆  4～6％，脱硫石膏  2～4％，粉煤灰  3～5％，调凝剂1～2％；

(2)将七水硫酸镁配置成溶液；

(3)然后将氧化镁和脱硫石膏投入搅拌机中，最后再将工业废渣粉、白矿渣、矿物掺合料、矿渣、硅灰与七水硫酸镁溶液投入搅拌机中，搅拌均匀成浆体，加入调凝剂即制得抗疲劳的碱式硫酸镁水泥。

6.根据权利要求5所述的抗疲劳的碱式硫酸镁水泥的制备方法，其特征在于:在步骤(3)中，搅拌速度为1500-2000r/min。