CN108129046B - 一种c3s型磷铁铝酸盐无氟抢修海工水泥熟料 - Google Patents
一种c3s型磷铁铝酸盐无氟抢修海工水泥熟料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是一种C3S型磷铁铝酸盐无氟抢修海工水泥熟料,在低温煅烧条件下实现C4A3$、C4AF、C3S和磷铝酸钙的共存;制备出由这四种主矿相组成的C3S型磷铁铝酸盐水泥熟料矿相体系。本发明含有大量C4AF矿相,其水化产物含有铝胶和铁胶等凝胶体,可赋予该水泥强粘结力,利于海工快速粘结抢修,同时其抗海水冲刷和抗腐蚀性能优良。
Description
技术领域
本发明属于海工建筑材料领域,具体涉及一种C3S型铁铝酸盐水泥熟料。
背景技术
海洋覆盖着地球面积的71%,拥有十分丰富的矿产,生物及空间资源。人类利用海洋已有几千年的历史,早期的海洋开发,由于生产条件、技术,人们的认知能力的限制,仅限于近岸和近海的捕捞业,运输业。随着陆地资源短缺、人口膨胀、环境恶化等问题的日益严峻,人们对于认识海洋,利用海洋能力的提高,海洋的价值被越来越多的沿海国家所重视,形成了一些新的海洋开发产业,如海上钻井平台,潮汐发电站,海底隧道等。我国是一个拥有300 万平方公里的海洋大国,一带一路海上丝绸之路的重启及各种海洋开发计划,需要建设大量的沿岸和离岸工程。
混凝土作为三大传统建筑材料之一,因其独特且优异的施工性、高强性和耐腐蚀性,被广泛应用于各种海工建筑物中,如跨海大桥,海底隧道,码头,海堤及海上作业平台等。海洋环境复杂多变,这些海工建筑所处的情境远比陆上建筑极端恶劣的多:台风、海浪、潮汐的冲刷,冰凌的碰撞、挤压,温度、地震、海水腐蚀、生物附着等海洋因素,甚至船舶和其他漂浮物的碰撞,磨损等,无时不刻不对这些海工建筑造成破坏。一旦这些混凝土建筑遭受破坏,不可避免的会造成生产的损失,环境的污染,甚至人员的伤亡。如何快速且高效的对混凝土海工建筑的损坏区域进行抢修,成为亟需解决的问题。
硫铝酸盐系列水泥熟料具有良好的抗海水腐蚀性能,且其早期力学性能发展快,基本适合用于海工工程的快速修复;但该水泥熟料粘结性能偏弱,其水化早期需要形成大量凝胶相才能更适于与海工的快速修复,早期形成大量C-S-H的设计可以满足海工修复需求,也就是需要在硫酸盐水泥熟料体系中形成一定量的C3S。但王燕谋等人在《硅酸盐学报》论述到,在CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-SO3五元体系中,C4A3$与C3S共存存在一定困难;且存该两矿物烧成温度区间不匹配(C3S单矿相形成温度为1600℃,C4A3$最高形成温度约为1300℃)。例如,专利CN96103649(阿利特-硫铝酸钙水泥的组成及其制备方法,矿物组成C3S 30~50%,C2S 30~40%,C4AF 10~20%,C4A3$3~10%)提到,在高阿利特的熟料体系中,C4A3$含量被限制在区间3~10%内;专利CN1490270(含无水硫酸钙矿物的硅酸盐水泥熟料及其生产方法,矿物组成C3S 40~70%,C4A3$2~10%,C2S余量)提高,在该硅酸水泥熟料体系,C4A3$含量被限制在2~10%区间以内;此外专利CN101134647A(一种高性能阿利特-硫铝酸盐水泥孰料后烧成的工艺办法)提到的水泥熟料组成也表现了相同规律。另一项专利由肖忠明,郭俊平,崔琪于2015年2月4日申请,专利名称为一种C3S型硫铝酸盐水泥熟料及其制备方法,专利申请号为201410549741.5。根据其摘要,该专利化学组成为:CaO 45-60%,SiO2 7-13%,Al2O3 20-35%,,Fe2O3 1.6-9%,SO3 5-12%,CaF2 0.2-1.0%,ZnO 0.0-0.2%,其中碱度系数cm=1.2-1.5,硫铝比为3.5-4.0,烧成温度为1220~1320℃,最佳烧成温度为1250~1270℃。该专利的主要原理是采用高碱度系数进行配料,确保有足够的CaO生成C3S;采用高铁配料,使得液相量充足,满足C3S生成的环境;采用CaF2为主的CaF2+ZnO复合矿化剂,降低液相出现温度和液相粘度,促进C3S低温生成。但该熟料专利煅烧需要污染环境的CaF2,这是目前生产实施环保要求中所不允许的。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明提供了一种C3S型磷铁铝酸盐无氟抢修海工水泥熟料,该水泥熟料在大量SO3和Fe2O3复合矿化作用下,低温煅烧条件下实现C4A3$、C4AF、C3S和磷铝酸钙的共存;铁铝酸盐水泥具有快硬早强的水化性质,且水化产物含有大量的铁胶,使其具有良好的抗海水冲刷和侵蚀能力。C3S作为硅酸盐水泥孰料的主要矿物组成,在水泥石中主要提供早起强度,且水化产物C-S-H凝胶具有优异的粘接性能。本发明制备的C3S 型铁铝酸盐水泥,在铁铝酸盐水泥优异性能的基础上,融入了C3S和磷铝酸钙水化产物粘结性高的特点,且不会对铁铝酸盐水泥原本的性质造成太大影响。将十分适合用于海洋工程的抢修工作。
本发明采用以下技术方案:
一种C3S型磷铁铝酸盐无氟抢修海工水泥熟料,该熟料的主要氧化物组成为:CaO40~50%,SiO2 1~2.5%,Al2O3 30~40%,Fe2O3 7~13%,SO3 4~6.5%,P2O5 1.2~1.8%。
所述的C3S型磷铁铝酸盐水泥熟料的矿相体系成分含量为:C4A3$30~50%,C4AF20~40%,C3S 3-10%,C8A6P 10-15%,中间相6-10%。
所述熟料的煅烧温度为1340-1400℃,烧成后急剧冷却制成。
本发明的矿物组成按以下公式计算:
C4AF=3.04Fe2O3
C8A6P=8.47P2O5
C4A3S=1.99Al2O3-1.27Fe2O3-8.60P2O5
C3S=3.80SiO2
(上述所有公式符号C,S,F,A,$分别为CaO,SiO2,Fe2O3,Al2O3,SO3质量百分比)
本发明的有益效果是:1)本发明采用高铁配料,较多的铁相不仅能形成大量铁胶,增强抗海水冲刷能力,使建筑物表面不容易起砂,拥有更好的抗冲刷,抗腐蚀和抗锈能力,还为煅烧时C3S的形成提供了足够的液相环境;2)为保证Al2O3和SO3的含量充足且适量,通过铝硫比控制两者的含量保证生成C4AF和磷铝酸钙后仍有足够的CaSO4和剩余的Al2O3反应生成C4A3$;较高的碱度系数使熟料煅烧时CaO的量不仅满足C4A3S和C4AF的需要,仍有足够余量的CaO能够被C2S吸收,形成C3S;3)本发明含有独有的磷铝酸钙矿相,同时其组成上增大了C4AF含量。这些不同造成性能上差异显著,磷铝酸钙矿相可赋予水泥有突出的早期和后期力学性能,且其水化形成C-A-P-H凝胶提高水泥凝结性能,利于海工工程快速修复;4)我国优质铝矾土资源逐渐减少,大量C4AF的含量取代了C4A3S的量,大大节约了铝土资源,节省了成本。其快硬,早强,粘结性强,后期微膨胀,低收缩的特性,十分适合于海工抢修中的接头,接缝,填缺,堵漏作业。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
一种C3S型磷铁铝酸盐无氟抢修海工水泥熟料,其熟料化学组成:CaO 46.88%,SiO2 1.98%,Fe2O3 9.06%,Al2O3 34.53%,SO3 6.04%,P2O51.51%;
碱度系数cm=1.20,铝硫比PA/S=3.68;
烧成温度1360℃,烧成后急剧冷却制成。
计算矿物组成为C4AF 27.54%,C4A3$44.22%,C3S 7.52%,C8A6P12.79%
实施例2
一种C3S型磷铁铝酸盐无氟抢修海工水泥熟料,其熟料化学组成:CaO 46.14%,SiO2 1.96%,Fe2O3 9.62%,Al2O3 34.86%,SO3 5.93%,P2O51.49%;
碱度系数cm=1.16,铝硫比PA/S=3.7;
烧成温度1360℃,烧成后急剧冷却制成。
计算矿物组成为C4AF 29.24%,C4A3$44.34%,C3S 7.45%,C8A6P12.62%。
实施例3
一种C3S型磷铁铝酸盐无氟抢修海工水泥熟料,其熟料化学组成:CaO 45.09%,SiO2 2.02%,Fe2O3 9.94%,Al2O3 35.33%,SO3 6.12%,P2O51.50%
碱度系数cm=1.11,铝硫比PA/S=3.68
烧成温度1360℃
计算矿物组成为C4AF 30.22%,C4A3$44.78%,C3S 7.68%,C8A6P12.71%。
表1各种实例水泥凝结时间和力学性能
以上方案均未掺加外加剂。实际应用中可掺加一定量的缓凝剂可对其凝结时间进行科学的控制,且不会对强度造成明显影响;也可符合掺入其他外加剂如高效减水剂,浆体稳定剂等,增加其浆体工作性能。含有磷铝酸钙矿相赋予水泥突出的早期和后期力学性能,且其水化形成C-A-P-H凝胶提高水泥凝结性能,利于海工工程快速修复。
此外,本发明的水泥熟料制备的海工建筑其抗海水冲刷和抗腐蚀性能优良,将上述实例 1~3烧成的水泥熟料和普通42.5海工硅酸盐水泥作为的对比例分别做如下的性能测试。
表2性能测试结果
从上述表2的测试结果中可以看出,采用本发明煅烧的水泥用于海洋环境中时,氯离子扩散系数更低,有良好的抗氯离子渗透性,且抗硫酸盐侵蚀系数也较高,这是由于本发明水泥熟料在大量SO3和Fe2O3复合矿化作用下,低温煅烧条件下实现了C4A3$、C4AF、C3S和磷铝酸钙的共存;另外,本发明28天养护后测得的磨损率很低,原因是铁铝酸盐水泥具有快硬早强的水化性质,且水化产物含有大量的铁胶,使其具有良好的抗海水冲刷和侵蚀能力,非常适合于海工建筑中使用。
Claims (3)
1.一种C3S型磷铁铝酸盐无氟抢修海工水泥熟料,其特征在于,该熟料的主要氧化物组成为:CaO 40~50%,SiO2 1~2.5%,Al2O3 30~40%,Fe2O3 7~13%,SO3 4~6.5%,P2O51.2~1.8%;
所述的C3S型磷铁铝酸盐水泥熟料的矿相体系成分含量为:C4A3$ 30~50%,C4AF 20~40%,C3S 3-10%,C8A6P 10-15%,中间相6-10%。
3.根据权利要求1所述的C3S型磷铁铝酸盐无氟抢修海工水泥熟料,其特征在于,所述熟料的煅烧温度为1340-1400℃,烧成后急剧冷却制成。
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