CN109437728A - 一种高抗折水泥基砂浆材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高抗折水泥基砂浆材料，它是由下列质量配比的原料均匀混合得到：硅酸盐水泥350‑650份、砂350‑650份、高性能减水剂0.5‑3份、消泡剂0.3‑0.8份、铝酸钙粉10‑50份、石膏5‑30份、缓凝剂0.5‑1.5份。所述铝酸钙粉的矿物组成中CA2的质量含量为30％‑50％，并且按质量比，CA2/CA在1.2‑2.0之间，所述铝酸钙粉为硅酸盐水泥质量的2％‑15％，所述石膏为铝酸钙粉质量的45％‑65％，所述缓凝剂为有机酸类和/或糖类的缓凝剂，所述石膏为无水硬石膏。本发明公开的高抗折水泥基砂浆材料具有高抗折强度，且长期稳定，适用于对抗折强度要求高的工程部位。
Description
技术领域
本发明涉及水泥基材料技术领域，尤其涉及一种高抗折水泥基砂浆材料。
背景技术
水泥自从19世纪初被发明以来，由于其作为一种水硬性胶凝材料，加水搅拌后成浆体，能在空气中硬化或者在水中更好的硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起，因此广泛被运用于土木建筑、水利、国防等工程上。以水泥为主要胶凝组分的材料，统称为水泥基材料。水泥基材料具有高的抗压强度，高的耐久性，其中以混凝土为主要代表的水泥基材料目前是建筑工程领域使用的最大宗的材料。
但是在路面、桥面、铁路等频繁承受动力荷载作用的结构中，使用的水泥基材料也普遍出现早期开裂的现象。海洋平台、军事工程、梁柱节点等，要求建筑材料具有很高的耐久性能、抗脆性能，传统的水泥基材料基本无法满足这些要求。这主要是由于水泥基材料的脆性缺陷导致的，传统的水泥基材料的折压比一般在1/10左右，因此对具有冲击荷载，动力荷载和特殊承载部位，对水泥基材料的抗折提出了更高的要求。
目前现有技术中，有通过增加水泥材料用量，在采用高性能减水剂的前提下降低水灰比，提高水泥早期的强度，包括抗折强度但是折压比并没有显著提高，而且在后期水化继续进行时，抗折强度还会发生倒缩现象。还有通过加入矿物掺和料，优化水泥水化产物的结构，通过矿物掺和料的“火山灰效应”和“填充效应”使水泥水化产物更加致密，一定程度上提升了抗折强度，和折压比，但是提升效果并不显著。还有通过普硅-硫铝-石膏三元体系提高体系的抗折强度，采用三元体系，但是需要高掺量的硫铝水泥，在低掺量下硫铝水泥的作用不明显，因为硫铝水泥无法形成钙矾石的网络结构，在低掺量下对抗折强度的提高不明显，高掺量下生成大量的钙矾石能够对抗折强度有一定程度的提高。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种高抗折水泥基砂浆材料。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高抗折水泥基砂浆材料,它是由下列质量配比的原料均匀混合得到，包括：
硅酸盐水泥350-650份；
砂350-650份；
高性能减水剂0.5-3份；
消泡剂0.3-0.8份；
铝酸钙粉10-50份；
石膏5-30份；
缓凝剂0.5-1.5份；
所述铝酸钙粉的矿物组成中CA2的质量含量为30％-50％，并且按质量比，CA2/CA在1.2-2.0之间，所述铝酸钙粉为硅酸盐水泥质量的2％-15％，所述石膏为铝酸钙粉质量的45％-65％，所述缓凝剂为有机酸类和/或糖类的缓凝剂，所述石膏为无水硬石膏。
作为优选，所述有机酸类缓凝剂至少包括酒石酸，酒石酸盐，柠檬酸，柠檬酸盐，苹果酸，苹果酸盐中的一种。
作为优选，所述糖类缓凝剂至少包括葡萄糖，葡萄糖酸钠，蔗糖，糖钙，糖蜜中的一种。
作为优选，所述铝酸钙粉为硅酸盐水泥质量的3％-15％。。
作为优选，按质量比，所述铝酸钙粉中SiO2:Al2O3:CaO为(0-10):(50-55):(28-33)。
作为优选，所述硅酸盐水泥为标号为52.5或42.5的早强型硅酸盐或普通硅酸盐水泥。
作为优选，所述砂为河砂或机制砂，所述砂的粒径为0.1-4.75mm，细度模数为2.1-2.8。
作为优选，所述高性能减水剂为聚羧酸类高性能减水剂。
作为优选，所述消泡剂为有机硅类粉体消泡剂。
作为优选，所述石膏细度为325-400目。
作为优选，所述铝酸钙粉细度为0.045mm，筛余<20％。
本发明所用高性能减水剂，消泡剂属于市售的现有技术，本领域技术人员可以根据产品自行选择。
本发明中铝酸钙粉并非常用的以CA为主要矿物组成的铝酸盐水泥，而是以铝矾土和石灰石为原料，经熔融法或烧结法烧成后研磨得到的一种以CA2为主要矿物组成的铝酸钙粉，该铝酸钙粉CA2的质量含量为30％-50％，并且按质量比，CA2/CA在1.2-2.0之间，该铝酸钙粉中SiO2:Al2O3:CaO为(0-10):(50-55):(28-33)。本领域技术人员按照设定的矿物组成，采用现有的水泥配料计算方法，经配料计算、生料制备、煅烧、熟料研磨等现有工序，都可方便制得。
本发明提高抗折强度的原理是：本发明采用的铝酸钙粉，其主要矿物CA2与硅酸盐和无水石膏形成了三元复合胶凝材料体系，不同于溶解速度较快的CA，CA2的溶解速度慢于CA，由于无水硬石膏的溶解速度与CA2的溶解速度相匹配，因此在水泥基材料硬化初期在体系中硅酸盐和无水石膏的作用下，发生水化反应形成钙矾石，由于避免了早期的快速水化，CA2水化形成的钙矾石能够与硅酸盐水泥水化产物形成空间网络结构，使整体水化产物更加致密，提高了各向结构强度，因而对水泥基材料的抗折强度有较为显著的提升。
同时三元复合胶凝材料体系配合缓凝剂使用，当采用有机酸类作为缓凝剂时，通过抑制钙矾石的形成，保证了水泥基材料的流动性，并且起到了延迟水化加速的作用，使钙矾石在浆体硬化初期形成，有助于形成钙矾石空间网络结构。当采用糖类作为缓凝剂时，能够定向吸附在钙矾石表面，促进钙矾石向空间生长，使钙矾石的生长结构更加合理，提高了各向的结构强度，从而提升了水泥基材料的抗折强度。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，并具备以下有益效果：
(1)利用CA2为主的铝酸盐矿物和硅酸盐水泥，石膏的作用，通过延迟钙矾石水化，形成钙矾石空间网络结构，有效地提高水泥基材料的抗折强度；
(2)利用有机酸类缓凝剂抑制钙矾石的早期形成，利用糖类缓凝剂控制钙矾石向空间生长的作用，与三元复合胶凝材料体系配合使用，能够更大程度的提高水泥基材料的抗折强度；
(3)通过采用高性能减水剂，能够控制水泥基材料使用较低的水灰比，保证水化产物的致密，提高水泥基材料的抗折强度；
(4)本发明中只需要添加掺量很小的铝酸钙粉和石膏，就能实现高抗折强度的作用；
(5)本发明中通过对硬石膏与铝酸盐矿物控制在一定范围内，避免了后期膨胀导致开裂和强度下降，保证了该水泥基材料的长期稳定性。
具体实施方式
现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
合成例1：铝酸钙粉的制备
采用0.68吨铝矾土、0.66吨石灰石、0.26吨煤的生料配比，研磨获得细度为0.08mm,筛余<5％的生料，经回转窑1400℃煅烧后研磨至细度为0.045mm，筛余<20％，获得化学组成Al2O352.67％、CaO32.69％、SiO29.02％、Fe2O31.68％、TiO22.97％、MgO0.74％、烧失量0.23％的1吨铝酸钙粉，其中，CA2含量32％、CA含量17.3％，CA2/CA为1.85。
实施例高抗折水泥基砂浆的制备
按照表1所示质量比将各组分一次加入干粉混合机中，经充分均匀混合即可得到基于胶凝材料水泥基砂浆。
表1基于胶凝材料水泥基砂浆质量组成
上述制备的水泥基砂浆依据GB50448-2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》所述试验方法，采用0.13水料比测得各实施例以及对比例水泥基砂浆性能如表2所示。
表2基于胶凝材料水泥基砂浆技术性能
分别采用了硫铝酸盐水泥，高铝水泥和纯普硅体系作为对比例，比较以CA2为主的铝酸钙粉的实施例的实施效果，通过试验结果可以发现，一天抗折强度相同掺量下，添加硫铝水泥的抗折强度提升幅度最小，铝酸钙粉提升幅度最大，添加常规的CA50高铝水泥次之。当提升硫铝酸盐的掺量时，抗折强度有一定的提升，但是提升幅度仍然不大，硫铝水泥提升到90时，1d抗折强度还比掺加30的铝酸钙粉的抗折强度低2.7MPa。这是由于因为硫铝水泥无法形成钙矾石的网络结构，在低掺量下对抗折强度的提高不明显，高掺量下生成大量的钙矾石能够对抗折强度有一定程度的提高。
通过膨胀率可以发现掺加了硫铝水泥和高铝水泥的膨胀率很低，这是由于膨胀源钙矾石在塑性阶段的时候就已经大量生成，因此在对于硬化浆体的膨胀率贡献不大。相反采用了以CA2为主的铝酸钙粉，其主要矿物CA2与硅酸盐和无水石膏形成了三元复合胶凝材料体系，不同于溶解速度较快的CA，CA2的溶解速度慢于CA，由于无水硬石膏的溶解速度与CA2的溶解速度相匹配，因此在水泥基材料硬化初期在体系中硅酸盐和无水石膏的作用下，发生水化反应形成钙矾石，由于避免了早期的快速水化，CA2水化形成的钙矾石能够与硅酸盐水泥水化产物形成空间网络结构，使整体水化产物更加致密，提高了各向结构强度，因而对水泥基材料的抗折强度有较为显著的提升。
按照表3所示质量比将各组分一次加入干粉混合机中，经充分均匀混合即可得到基于缓凝剂水泥基砂浆。
表3基于缓凝剂水泥基砂浆质量组成
上述制备的水泥基砂浆依据GB50448-2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》所述试验方法，采用0.13水料比测得各实施例以及对比例水泥基砂浆性能如表4所示。
表4基于缓凝剂水泥基砂浆技术性能
通过对比例6-9，分别在对比例1,2的基础上增加了缓凝剂，选用了葡钠和酒石酸缓凝剂，可以发现抗折强度均较未添加缓凝剂的有一定程度的提升。同时在实施例1的基础上分别添加有机酸类缓凝剂，具体的包括酒石酸，酒石酸钠，柠檬酸，柠檬酸钠，苹果酸，糖类缓凝剂具体包括葡萄糖酸钠，葡萄糖酸钙，蔗糖，糖蜜。通过试验结果发现添加了缓凝剂的均对体系的的抗折强度有提升。利用糖类缓凝剂，由于其能够定向吸附在钙矾石表面，促进钙矾石向空间生长，使钙矾石的生长结构更加合理，提高了各向的结构强度，从而提升了水泥基材料的抗折强度。利用有机酸类缓凝剂，能够通过抑制钙矾石的形核长大，保证了水泥基材料的流动性，当水泥水化继续进行，酒石酸消耗完毕后，众多的晶核杂化生长，从而起到了延迟水化加速的作用，使钙矾石在浆体硬化初期形成，有助于形成钙矾石空间网络结构。但是添加糖类缓凝剂由于其不能抑制钙矾石的形核长大，无法使浆体保持流动度。
在实施例11-14中分别通过复掺糖类缓凝剂和有机酸类缓凝剂，通过配伍关系使两者协同作用，一方面糖类缓凝剂通过定向吸附在钙矾石表面，能够促进钙矾石向空间生长，另一发明有机酸类缓凝剂通过抑制早期的钙矾石的形核长大，延迟加速水化，使钙矾石在浆体硬化的初期形成，通过将糖类和有机酸类缓凝剂配合使用，通过两种机理助于钙矾石的形成和空间结构的合理致密，使水泥石的结构更加致密，从而有效地增加体系的抗折强度，因此将糖类和有机酸类缓凝剂配合使用能够获得比单一缓凝剂添加更高的抗折强度。
按照表5所示质量比将各组分一次加入干粉混合机中，经充分均匀混合即可得到基于水胶比和铝酸钙粉掺量水泥基砂浆。
表5基于水胶比和铝酸钙粉掺量水泥基砂浆质量组成
| 编号 | 水泥PO52.5 | 河砂 | 铝酸钙粉 | 无水硬石膏 | 聚羧酸减水剂 | 葡钠 | 酒石酸 | 消泡剂 |
| 实施例15 | 400 | 553 | 30 | 15 | 1.6 | 0.6 | 1.2 | 0.5 |
| 实施例16 | 400 | 553 | 30 | 15 | 1.2 | 0.4 | 0.8 | 0.5 |
| 实施例17 | 400 | 553 | 30 | 15 | 0.9 | 0.3 | 0.5 | 0.5 |
| 实施例18 | 400 | 553 | 30 | 15 | 0.8 | 0.2 | 0.4 | 0.5 |
| 实施例19 | 400 | 576 | 15 | 7 | 0.8 | 0.2 | 0.4 | 0.5 |
| 实施例20 | 400 | 561 | 25 | 12 | 0.9 | 0.3 | 0.5 | 0.5 |
| 实施例21 | 400 | 539 | 40 | 18 | 1.2 | 0.4 | 0.8 | 0.5 |
| 实施例22 | 550 | 426 | 15 | 7 | 1 | 0.2 | 0.5 | 0.5 |
| 实施例23 | 550 | 395 | 35 | 18 | 1.1 | 0.3 | 0.6 | 0.5 |
| 实施例24 | 550 | 347 | 65 | 35 | 1.3 | 0.5 | 0.9 | 0.5 |
上述制备的水泥基砂浆依据GB50448-2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》所述试验方法，其中实施例15采用0.09水料比，实施例16采用0.11水料比，实施例17采用0.15水料比，实施例18采用0.17水料比，实施例19-24采用0.13水料比，测得各实施例以及对比例水泥基砂浆性能如表4所示。
表6基于水胶比和铝酸钙粉掺量水泥基砂浆技术性能
通过采用不同的水料比，配合聚羧酸减水剂保证初始流动度处于同一水平，当水料比降低根据Bolomey公式，水泥石强度增加，相应的抗折强度也随着水料比的降低而增加，这需要聚羧酸减水剂或者其他高性能减水剂的作用，否则浆体初始工作性不好将会影响浆体的致密性，也不能体现该发明中以CA2为主的铝酸钙粉在体系中的作用。同时在实施例22中，铝酸钙粉仅掺加普硅水泥的2.7％，但是28d的抗折强度也达到了17.6MPa，因此只需要添加掺量很小的铝酸钙粉和石膏，就能实现高抗折强度的作用。同时随着铝酸钙粉质量的继续增加，抗折强度却增加得不是很明显，这是由于后期膨胀率过大一定程度上对硬化浆体结构的贡献达到饱和甚至产生破坏，因此在本发明中对铝酸钙粉的掺量设置了合理的上限值。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
Claims (10)
1.一种高抗折水泥基砂浆材料，其特征在于，它是由下列质量配比的原料均匀混合得到，包括：
硅酸盐水泥350-650份；
砂350-650份；
高性能减水剂0.5-3份；
消泡剂0.3-0.8份；
铝酸钙粉10-50份；
石膏5-30份；
缓凝剂0.5-1.5份；
所述铝酸钙粉的矿物组成中CA2的质量含量为30％-50％，并且按质量比，CA2/CA在1.2-2.0之间；所述铝酸钙粉为硅酸盐水泥质量的2％-15％；所述石膏为铝酸钙粉质量的45％-65％；所述缓凝剂为有机酸类和/或糖类的缓凝剂；所述石膏为无水硬石膏。
2.根据权利要求1所述的一种高抗折水泥基砂浆材料，其特征在于：所述有机酸类缓凝剂至少包括酒石酸，酒石酸盐，柠檬酸，柠檬酸盐，苹果酸，苹果酸盐中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种高抗折水泥基砂浆材料，其特征在于：所述糖类缓凝剂至少包括葡萄糖，葡萄糖酸钠，蔗糖，糖钙，糖蜜中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种高抗折水泥基砂浆材料，其特征在于：所述铝酸钙粉为硅酸盐水泥质量的3％-15％。
5.根据权利要求1所述的一种高抗折水泥基砂浆材料，其特征在于：按质量比，所述铝酸钙粉中SiO2:Al2O3:CaO为(0-10):(50-55):(28-33)。
6.根据权利要求1所述的一种高抗折水泥基砂浆材料，其特征在于：所述硅酸盐水泥为标号为52.5或42.5的早强型硅酸盐或普通硅酸盐水泥。
7.根据权利要求1所述的一种高抗折水泥基砂浆材料，其特征在于：所述砂为河砂或机制砂，所述砂的粒径为0.1-4.75mm，细度模数为2.1-2.8。
8.根据权利要求1所述的一种高抗折水泥基砂浆材料，其特征在于：所述高性能减水剂为聚羧酸类高性能减水剂。
9.根据权利要求1所述的一种高抗折水泥基砂浆材料，其特征在于：所述消泡剂为有机硅类粉体消泡剂。
10.根据权利要求1所述的一种高抗折水泥基砂浆材料，其特征在于：所述铝酸钙粉细度为0.045mm，筛余量<20％。
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