CN108129081A - 一种耐高温复合水泥基材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温复合水泥基材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及胶凝材料技术领域。目的是提供一种适用于高温环境中的耐高温复合水泥基材料及其制备方法。采用的技术方案是：粉体原料按重量计包括：矿渣60～70份、偏高岭土20～30份、煅烧铝矾土5～10份、氢氧化铝4～8份、复合生态纤维0.0001～0.0005份、钢纤维0.005～0.0015份、YP‑3缓凝剂0.1～0.2份；液体原料按重量计包括：水玻璃溶液45～65份。本发明能够利用工业副产品，绿色节能，产品的凝结时间长，能够满足正常施工要求，具有优异的力学性能和耐高温性能，其强度高于52.5等级的普通硅酸盐水泥，在1000℃高温作用下能够保证结构不破坏。

Description

一种耐高温复合水泥基材料及其制备方法
技术领域
本发明属于胶凝材料技术领域，具体涉及一种耐高温复合水泥基材料及其制备方法。
背景技术
水泥材料是全球用量最大的人造材料。随着我国经济的飞速发展，对水泥的需求量不断增加，我国的水泥产量已连续多年居世界首位。传统硅酸盐水泥的生产是一个高能耗、高资源消耗、高环境负荷的产业，给我国的能源、资源和环境方面都带来沉重的压力，也给水泥工业的可持续发展带来严峻的挑战。
碱激发类胶凝材料是由具有潜在活性的工业副产品和碱组分组成的一种新型胶凝材料。与传统的硅酸盐水泥相比，碱激发类胶凝材料能有效利用工业副产品和废渣，生产过程简单，生产能耗低，自然资源消耗和温室气体排放少，是一种环境友好型绿色建材。同时，碱激发类胶凝材料具有高强、低水化热以及良好的抗渗、抗冻和抗蚀等特性，是一种很有发展前途的新型胶凝材料，是近几十年来胶凝材料领域的研究热点之一。
目前，有关碱激发胶凝材料的现有技术大多基于单种胶凝原料，如粉煤灰、偏高岭土、矿渣和赤泥等，制造出的胶凝材料都具备快凝早强这一特点。然而，在实际的工程现场施工过程中，过短的凝结时间会导致施工作业难以进行和完成，要实现碱激发胶凝材料在建筑业的推广应用，必须要克服这一问题。
公开号为CN102910882B的《一种纤维增强碱激发胶凝材料及其制备方法》所制备的纤维增强碱激发胶凝材料采用了聚乙烯醇纤维增强了碱激发偏高岭土矿渣胶凝材料的抗压强度和抗折强度。但是上述发明中采用的纤维属柔性纤维，其作用机理为减少水泥基材料早期收缩，单纯的掺入柔性纤维易导致水泥基材料强度的降低。
此外，由于传统硅酸盐水泥的水化产物中普遍含有20％左右氢氧化钙，而氢氧化钙在500℃～600℃左右就会分解，导致传统硅酸盐水泥耐火性差。采用碱激发技术研发耐高温水泥基材料，为解决传统硅酸盐水泥耐高温性能不足的问题提供了一个新方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于高温环境中的耐高温复合水泥基材料及其制备方法。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：原料按重量计包括：矿渣60～70份、偏高岭土20～30份、煅烧铝矾土5～10份、氢氧化铝粉末2～8份、复合生态纤维0.0001～0.0005份、钢纤维0.0015～0.005份、YP-3缓凝剂0.1～0.2份、水玻璃溶液45～65份；所述的水玻璃溶液固含量大于20％，模数为1.2～1.8；所述的氢氧化铝粉末比表面积为600～800m2/kg。
优选的，矿渣70份、偏高岭土20份、煅烧铝矾土8份、氢氧化铝2份、复合生态纤维0.0005份、钢纤维0.005份、YP-3缓凝剂0.2份、水玻璃溶液55份。
优选的，所述的矿渣为水淬粒化高炉矿渣通过粉磨得到的矿渣粉，矿渣粉磨以后，需在常温、干燥环境中放置一个星期，充分陈化，矿渣粉比表面积为400～550m2/kg，碱度系数大于1，活度系数大于等于0.3。
优选的，所述的矿渣粉比表面积为500m2/kg，碱度系数大于1.1，活度系数大于等于0.35。
优选的，所述的偏高岭土为偏高岭土粉，比表面积为500～650m2/kg。
优选的，所述的偏高岭土粉的比表面积为550m2/kg。
优选的，所述的氢氧化铝粉的比表面积为650m2/kg。
优选的，所述的煅烧铝矾土中三氧化二铝含量大于等于55％，比表面积为400～500m2/kg，颜色呈灰色或深灰色。
优选的，所述的复合生态纤维长度为3～4mm，抗拉强度大于800MPa，弹性模量大于8GPa。
优选的，所述的钢纤维长度为6～13mm，长径比30～65，抗拉强度大于2500MPa。
优选的，所述的氢氧化钠为工业级片碱，纯度应大于95％。
相应的，所述的耐高温复合水泥基材料及其制备方法，包括以下步骤：
a按重量称取复合生态纤维，将纤维倒入的水玻璃溶液中浸泡30分钟后充分搅拌，直至复合生态纤维在溶液中均匀分布；
b、按重量称取矿渣、偏高岭土、煅烧铝矾土、氢氧化铝、钢纤维和YP-3缓凝剂，将称量好的矿渣、偏高岭土、煅烧铝矾土、氢氧化铝粉末、钢纤维和65～100％的YP-3缓凝剂搅拌混合均匀形成干料；
c、将步骤a得到的混合溶液缓慢加入步骤b得到的干料中，搅拌混合均匀，既得。
优选的，所述的步骤c中搅拌混合时缓慢加入剩余的YP-3缓凝剂；这样操作的优点是：充分保证YP-3缓凝剂在混凝土中的分散，提高缓凝效果。
本发明具有以下有益效果：凝结时间长，能够满足正常施工要求，具有优异的力学性能和耐高温性能，其强度高于52.5等级的普通硅酸盐水泥，在1000℃高温作用下能够保证结构不破坏。具体来说，本发明通过采用矿渣、偏高岭土与煅烧铝矾土、氢氧化铝、复合生态纤维、钢纤维复掺制备碱激发耐高温的复合水泥基材料，以此改进胶凝材料的性能，在添加了柔性复合生态纤维的基础上，减小了本发明的早期收缩，在添加了刚性纤维钢纤维的基础上，提高了本发明的强度，在添加YP-3缓凝剂的基础上，适当延长了本发明的凝结时间，保证施工作业得以顺利完成，对碱激发胶凝材料的推广应用有重要的实际意义。同时，复掺制备得到的产品结合了多种材料的性能特点，在3d抗压强度达到37MPa，抗折强度9MPa；28d时抗压强度达到80MPa，抗折强度15MPa。
此外，由于碱激发水泥基材料的水化产物中无氢氧化钙存在，不会发生由于氢氧化钙分解导致的结构破坏，在耐高温性能上存在天然优势，尤其是本发明采用的偏高岭土、煅烧铝矾土、氢氧化铝使得体系的铝相物质含量增大，有利于在高温条件下凝结成陶瓷类物质，复合生态纤维低温(110℃)熔化，形成为孔隙，可以有效释放高温环境下体系内部饱和蒸汽压力，大大降低蒸汽压对材料结构的损伤，钢纤维可以快速传导热量，减少材料内外温差，有效降低由于温度差产生的不均匀变形对材料结构的损伤，所有效应叠加，进一步提高了本发明产品的耐高温性能。
附图表说明
图1为实施例一试样分别在常温下与1000℃作用后X射线衍射图谱；
图2为实施例一试样分别在常温下与1000℃作用后试件外观照片(左侧为20℃的照片，右侧为1000℃作用后的照片)；
图3为实施例二试样分别在常温下与1000℃作用后X射线衍射图谱；
图4为实施例二试样分别在常温下与1000℃作用后试件外观照片(左侧为20℃的照片，右侧为1000℃作用后的照片)。
具体实施方式
下面具体提供优选的实施例，以使本领域技术人员更加清楚本发明的技术方案和效果。
实施例一
按以下重量份称量备料：
比表面积为500m2/kg，碱度系数为1.1，活度系数为0.32的矿渣60份(比表面积较小的矿渣可用球磨机进行粉磨)；
比表面积为550m2/kg的偏高岭土30份；
等级为一等特级的煅烧铝矾土10份；
比表面积为600m2/kg的氢氧化铝粉5份；
氢氧化钠5份；
4mm的复合生态纤维0.00015份；
6mm的钢纤维0.002份；
固含量45％，模数为3.3的市售水玻璃30份；
YP-3缓凝剂0.1份；
水26份。
按如下步骤加工：
1)、将秤量好的氢氧化钠5份缓慢溶解在秤量好的26份水中，配制好氢氧化钠溶液，并放置至室温；
2)、按重量称取市售水玻璃30份，将放置至室温的氢氧化钠溶液与市售水玻璃混合均匀形成目标模数的水玻璃溶液61份待用；
水玻璃溶液(简称：水玻璃)其固含量大于20％，模数为1.2～1.8；水玻璃溶液中溶质成分为Na2O·RSiO2，模数指溶液中Na2O和SiO2的比值，即化学式中的R数值，本发明技术方案对该参数有特殊要求，该指标对材料的性能影响显著；但常规市售水玻璃模数为3.3，所以本发明单独配置；
3)、按重量称取复合生态纤维，将纤维倒入配制好的水玻璃溶液浸泡30分钟后充分搅拌，直至复合生态纤维在溶液中均匀分布；
4)、按重量称取矿渣、偏高岭土、煅烧铝矾土、氢氧化铝、钢纤维和YP-3缓凝剂，将称量好的矿渣、偏高岭土、煅烧铝矾土、氢氧化铝、钢纤维和65～100％的YP-3缓凝剂搅拌混合均匀形成干料；
5)、将步骤3)得到的混合溶液缓慢加入步骤4)得到的干料中，搅拌混合均匀，既得。
所得浆体制备40mm×40mm×40mm的立方体试件，按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB1346-2011)的内容对试件进行检测，其初凝时间为125分钟，终凝时间为330分钟。28天龄期抗压强度为89MPa。1000℃高温作用2小时后残余强度为17.0MPa，试样的宏观照片和微观组成见图1及图2。
实施例二
为有所对比，在实验室条件下拌和成型了普通硅酸盐水泥试件：
按重量备料：
普通52.5R硅酸盐水泥100份；
水40份。
按配比所得浆体制备40mm×40mm×40mm的立方体试件，28天龄期抗压强度为62.5MPa。1000℃高温作用2小时后试件破坏，残余强度为0，试样的宏观照片和微观组成见图3及图4。
实施例三
本实施案例为在实验室条件下成型了不同配比的实施例。
按表1的重量备料：
表1原材料比例(以质量计)
表1中，相关原材料的物理性能如表2所示：
表2表1中原材料的物理性能参数
表2中的编号A代表表1中A1-A6组配合比采用的材料参数，相应，B则代表B1-B6组配合比，C、D以此规则。
按如下步骤加工：
1)、将秤量好的氢氧化钠缓慢溶解在秤量好的水中，配制好氢氧化钠溶液，并放置至室温；
2)、按重量称取市售水玻璃，将放置至室温的氢氧化钠溶液与市售水玻璃混合均匀形成目标模数的水玻璃溶液待用；
3)、按重量称取复合生态纤维，将纤维倒入配制好的水玻璃溶液浸泡30分钟后充分搅拌，直至复合生态纤维在溶液中均匀分布；
4)、按重量称取矿渣、偏高岭土、煅烧铝矾土、氢氧化铝、钢纤维和YP-3缓凝剂，将称量好的矿渣、偏高岭土、煅烧铝矾土、氢氧化铝、钢纤维和65～100％的YP-3缓凝剂搅拌混合均匀形成干料；
5)、将步骤3)得到的混合溶液缓慢加入步骤4)得到的干料中，搅拌混合均匀，既得。
所得浆体制备40mm×40mm×40mm的立方体试件，按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB1346-2011)的内容对试件进行检测。测试28天龄期抗压强度。测试1000℃高温作用2小时后残余强度，详细结果见表3。
见表3本实施例材料材料的性能检测结果表。
在普通硅酸盐水泥中，单独掺加柔性纤维(聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、复合生态纤维)的作用主要是抑制水泥凝结硬化阶段的收缩，纤维本身强度很低，对凝结硬化后的水泥强度会产生不利影响。纤维掺量较少且纤维长度较短情况下，这种影响并不明显。当掺量和纤维长度超过一定量以后，会显著影响水泥石的力学性能。
单独掺加钢纤维的作用主要是改善水泥石的脆性。提高水泥石抗折强度，掺量越大，这种效果越显著。普通硅酸盐水泥中通常不添加煅烧铝矾土和氢氧化铝粉末，本发明通过大量实验研究，挑选了若干种添加材料，最终优选出了对水泥石强度影响小，可以显著改善水泥石耐高温性能的煅烧铝矾土和氢氧化铝两种材料以及最佳掺量。
对于粉体材料，比表面积越大，细度越细，与溶液接触面积越大，反应速度越快，强度更高。相反，细度越大，需水量也就更高。如果细度过高，拌和的浆体稠度过大，导致均匀性严重下降，则对水泥石强度会产生不利影响。
各原材料复掺组成碱激发耐高温水泥基材料后，我们发现，长度较长的柔性纤维(复合生态纤维)，对强度有负面影响，但对高温后残余强度由有利。钢纤维虽然可以提高常温下水泥石强度，但1000℃高温后，钢纤维变性，呈明显脆性特征。因此，需控制钢纤维掺量。
本发明成果是基于理论分析结合大量实验结果提炼出来的，不同配合比参数对应的材料性能有所不同。如(B4、C4、D4)组材料强度高；(A3、A5、C5)凝结时间长。因此，在选用时建议根据实际工程情况灵活选用材料参数和配合比。

Claims (10)

1.一种耐高温复合水泥基材料，其特征在于：原料按重量计包括：矿渣60～70份、偏高岭土20～30份、煅烧铝矾土5～10份、氢氧化铝粉末2～8份、复合生态纤维0.0001～0.0005份、钢纤维0.0015～0.005份、YP-3缓凝剂0.1～0.2份、水玻璃溶液45～65份；所述的水玻璃溶液固含量大于20％，模数为1.2～1.8；所述的氢氧化铝粉末比表面积为600～800m2/kg。
2.根据权利要求1所述的耐高温复合水泥基材料，其特征在于：包括矿渣70份、偏高岭土20份、煅烧铝矾土8份、氢氧化铝2份、复合生态纤维0.0005份、钢纤维0.005份、YP-3缓凝剂0.2份、水玻璃溶液55份。
3.根据权利要求1所述的耐高温复合水泥基材料，其特征在于：所述的矿渣为水淬粒化高炉矿渣通过粉磨得到的矿渣粉，矿渣粉磨以后，需在常温、干燥环境中放置一个星期，充分陈化，矿渣粉比表面积为400～550m2/kg，碱度系数大于1，活度系数大于等于0.3。
4.根据权利要求1所述的耐高温复合水泥基材料，其特征在于：所述的偏高岭土为偏高岭土粉，比表面积为500～650m2/kg。
5.根据权利要求7所述的耐高温复合水泥基材料，其特征在于：所述的氢氧化铝粉的比表面积为650m2/kg。
6.根据权利要求1所述的耐高温复合水泥基材料，其特征在于：所述的煅烧铝矾土中三氧化二铝含量大于等于55％，比表面积为400～500m2/kg。
7.根据权利要求1所述的耐高温复合水泥基材料，其特征在于：所述的复合生态纤维长度为3～4mm，抗拉强度大于800MPa，弹性模量大于8GPa。
8.根据权利要求1所述的耐高温复合水泥基材料，其特征在于：所述的钢纤维长度为6～13mm，长径比30～65，抗拉强度大于2500MPa。
9.根据权利要求1所述的耐高温复合水泥基材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a按重量称取复合生态纤维，将纤维倒入的水玻璃溶液中浸泡30分钟后充分搅拌，直至复合生态纤维在溶液中均匀分布；
b、按重量称取矿渣、偏高岭土、煅烧铝矾土、氢氧化铝、钢纤维和YP-3缓凝剂，将称量好的矿渣、偏高岭土、煅烧铝矾土、氢氧化铝粉末、钢纤维和65～100％的YP-3缓凝剂搅拌混合均匀形成干料；
c、将步骤a得到的混合溶液缓慢加入步骤b得到的干料中，搅拌混合均匀，既得。
10.根据权利要求9所述的耐高温复合水泥基材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤c中搅拌混合时缓慢加入剩余的YP-3缓凝剂。
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