CN109553365A - 一种无机胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海洋、水利工程具有高抗氯离子渗透性能、高抗硫酸盐侵蚀性能的微纳米级无机胶凝材料及其制备方法。该胶凝材料的成分构成，按重量份数，包括水泥50‑90份、硅微粉1‑10份、矿渣微粉5‑30份、粉煤灰5‑10份、矿物纤维1‑10份。本发明的无机胶凝材料强度高，强度较传统材料提高50%‑70%；抗氯离子渗透性能佳；抗硫酸盐腐蚀性能优异；抗冲击性能强；耐候性能良好；本胶凝材料为纯无机材料，无毒、无味、无害，同时弥补了现有有机修补材料的其他缺陷。

Description

一种无机胶凝材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及用于海洋、水利工程的建设材料技术领域，具体涉及一种用于海洋、水利工程具有高抗氯离子渗透性能、高抗硫酸盐侵蚀性能的微纳米级无机胶凝材料及其制备方法。

背景技术

目前中国码头在建成十年左右便会出现严重问题。其主要原因是受到海浪冲击磨损、冰凌撞击、冻融循环、干湿交替、盐类和氯离子腐蚀等长年累月的作用，而建设材料中胶凝材料的防腐措施较差，造成上述问题更加严重。

国外海洋工程用胶凝材料主要是耐蚀性好的中热或低热波特兰水泥并添加适量的外加剂和矿物掺合料。我国目前使用的水泥主要是通过优选混合材，提高熟料质量和水泥细度达到耐久性要求。目前海洋工程水泥的品种有改性硅酸盐水泥，铁铝酸盐水泥或者采用普通硅酸盐水泥与环氧树脂联用的方式，广泛应用于海洋工程的建设、加固和维修等多种用途。各应用类型现有材料问题主要如下：一方面，远洋施工胶凝材料匮乏，产品尚属空白。目前离岸混凝土基本为传统混凝土，同时需要配套海水淡化设备或者使用淡水运输船进行施工，施工效率低，严重浪费财力。

另一方面，修补和加固材料性能不足，价格昂贵。目前所用修补材料多是高聚物树脂、高聚物水泥、环氧砂浆等。价格一般6000-50000元/吨，施工温度一般在5-25℃，同时强度低于开裂的水泥。加固方式一般为混凝土注塑、碳纤维底胶加固等。所使用混凝土为传统混凝土，后期依旧会出现钢筋腐蚀、混凝土剥落等情况；碳纤维底胶加固价格昂贵，仅适合小面积表面加固，同时剪切强度很差，需要进行复杂的应力计算。

另外，现有胶凝材料抗腐蚀性差等缺陷，还造成了以下三个方面严重问题。第一：钢筋锈蚀、顺筋胀裂，钢筋锈蚀、顺筋胀裂主要是由于电化学腐蚀产生的，这是因为在混凝土pH变化的情况下钢筋钝化膜破坏，钢筋与附近的水和氧气发生电化学反应，体积变大导致膨胀，最终混凝土破裂。第二：混凝土开裂、剥落，混凝土开裂、剥落的原因主要体现在两方面。首先由于冻融循环，膨胀应力变大，结构出现裂缝，在长期冻融循环的条件下，出现大面积剥落；其次海浪冲击磨损导致混凝土剥落。第三、耐久性差，维护成本高，耐久性和耐候性不足，使用寿命较短，甚至一年左右就需要进行修补。而修补成本较高，维护费用往往高于建设成本2倍以上。

基于上述问题，因此有必要提供一种用于海洋、水利工程具有高抗氯离子渗透性能、高抗硫酸盐侵蚀性能的微纳米级无机胶凝材料。

发明内容

为弥补现有技术的不足，本发明提供一种用于海洋、水利工程具有高抗氯离子渗透性能、高抗硫酸盐侵蚀性能的微纳米级无机胶凝材料及其制备方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种无机胶凝材料，按重量份数，包括水泥50-90份、硅微粉1-10份、矿渣微粉5-30份、粉煤灰5-10份、矿物纤维1-10份。

优选的，按重量份数，包括水泥60-80份、硅微粉1.5-8.5份、矿渣微粉10-20份、粉煤灰5-10份、矿物纤维1-5份。

优选的，所述水泥为425#或525#硅酸盐水泥，所述矿物纤维为碳纤维或碱性纤维或玻璃纤维，所述硅微粉为280-350目，所用矿渣微粉的等级为S105或S95，所述粉煤灰的等级为一级或二级。

本发明的另一方面还提供一种无机胶凝材料的制备方法，第一步：将所述水泥研磨至1500-2000目，将所述矿渣微粉研磨至1400-1600目，将所述粉煤灰研磨至2600-2700目，将所述矿物纤维研磨至20-200微米；

第二步：将步骤一得到的所述水泥、矿物纤维投入第一混合机进行混合，得到第一混合物；将步骤一得到的所述硅微粉、矿渣微粉、粉煤灰投入第二混合机进行混合，得到第二混合物；

第三步：将步骤二中的第一混合物和第二混合物进行混合，得到所述无机胶凝材料。

优选的，步骤二中将步骤一得到的所述水泥、矿物纤维投入第一混合机进行混合，混合时间为300秒，得到所述第一混合物。

优选的，步骤二中将步骤一得到的所述硅微粉、矿渣微粉、粉煤灰投入第二混合机进行混合，混合时间为300秒，得到所述第二混合物。

优选的，步骤三中，通过负压气流输送的方式将所述第一混合机内的所述第一混合物和所述第二混合机内的所述第二混合物同时输送到第三混合机中进行共同混合，得到所述无机凝胶。

优选的，所述第一混合物和所述第二混合物在所述第三混合机内的混合时间为900-1500秒。

优选的，所述第一混合机和所述第二混合机的转速为76r/min。

本发明的技术效果是：

本发明的胶凝材料有以下特点：

（1）强度高，强度高于开裂的水泥，强度较传统材料提高50%-70%；

（2）抗氯离子渗透性能佳，可有效阻挡氯离子透过胶凝材料硬化体表面，防止钢筋锈蚀，延长建筑物寿命；

（3）抗硫酸盐腐蚀性能优异，硫酸盐无法腐蚀胶凝材料硬化体，保证硬化体强度无衰减；

（4）抗冲击性能强，可避免海浪冲击造成混凝土剥落；

（5）耐候性能良好，抗冻融，防止结构出现裂缝等缺陷；

（6）耐久性能良好，建筑物寿命较现有材料提高50%-60%，大幅降低维修周期和维修成本；

（7）本胶凝材料为纯无机材料，无毒、无味、无害，同时弥补了现有有机修补材料的其他缺陷。

附图说明

附图1是本发明的无机胶凝材料技术效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明公开了一种用于海洋、水利工程具有高抗氯离子渗透性能、高抗硫酸盐侵蚀性能的微纳米级无机胶凝材料及其制备方法。在第一个实施例中，无机胶凝材料由以下成分按照如下按重量份数组成，包括水泥50-90份、硅微粉1-10份、矿渣微粉5-30份、粉煤灰5-10份、矿物纤维1-10份。

在第二个实施例中，无机胶凝材料由以下成分按照如下按重量份数组成，在按重量份数，包括水泥60-80份、硅微粉1.5-8.5份、矿渣微粉10-20份、粉煤灰5-10份、矿物纤维1-5份。

具体的，所述水泥为425#或525#硅酸盐水泥，所述矿物纤维为碳纤维或碱性纤维或玻璃纤维，所述硅微粉为280-350目，所用矿渣微粉的等级为S105或S95，所述粉煤灰的等级为一级或二级。

如图1所示为另外4个实施例的技术效果，实施例3至实施例6中各成分的组分如下：

（3）1600目水泥7.2kg，2600目粉煤灰0.55kg，50微米矿物纤维0.1kg，硅微粉0.95kg，矿渣微粉0.70kg；

（4）1800目水泥6.6kg，2700目粉煤灰0.7kg，100微米矿物纤维0.2kg，硅微粉0.80kg，矿渣微粉0.62kg；

（5）2000目水泥7.5kg，2700目粉煤灰0.9kg，150微米矿物纤维0.5kg，硅微粉0.74kg，矿渣微粉0.81kg；

（6）1500目水泥7.8kg，2600目粉煤灰0.6kg，30微米矿物纤维0.15kg，硅微粉0.86kg，矿渣微粉0.86kg。

本发明的胶凝材料有以下特点：

（1）强度高，强度高于开裂的水泥，强度较传统材料提高50%-70%；

（2）抗氯离子渗透性能佳，可有效阻挡氯离子透过胶凝材料硬化体表面，防止钢筋锈蚀，延长建筑物寿命；

（3）抗硫酸盐腐蚀性能优异，硫酸盐无法腐蚀胶凝材料硬化体，保证硬化体强度无衰减；

（4）抗冲击性能强，可避免海浪冲击造成混凝土剥落；

（5）耐候性能良好，抗冻融，防止结构出现裂缝等缺陷；

（6）耐久性能良好，建筑物寿命较现有材料提高50%-60%，大幅降低维修周期和维修成本；

（7）本胶凝材料为纯无机材料，无毒、无味、无害，同时弥补了现有有机修补材料的其他缺陷。

本发明还公开用于制备上述无机胶凝材料的方法，包括如下步骤：

第一步：将所述水泥研磨至1500-2000目，将所述矿渣微粉研磨至1400-1600目，将所述粉煤灰研磨至2600-2700目，将所述矿物纤维研磨至20-200微米；

第二步：将步骤一得到的所述水泥、矿物纤维投入第一混合机进行混合，得到第一混合物；将步骤一得到的所述硅微粉、矿渣微粉、粉煤灰投入第二混合机进行混合，得到第二混合物；

第三步：将步骤二中的第一混合物和第二混合物进行混合，得到所述无机胶凝材料。

具体的，步骤二中将步骤一得到的所述水泥、矿物纤维投入第一混合机进行混合，混合时间为300秒，得到所述第一混合物。

具体的，步骤二中将步骤一得到的所述硅微粉、矿渣微粉、粉煤灰投入第二混合机进行混合，混合时间为300秒，得到所述第二混合物。

具体的，步骤三中，通过负压气流输送的方式将所述第一混合机内的所述第一混合物和所述第二混合机内的所述第二混合物同时输送到第三混合机中进行共同混合，得到所述无机凝胶。

具体的，所述第一混合物和所述第二混合物在所述第三混合机内的混合时间为900-1500秒。

具体的，所述第一混合机、所述第二混合机和所述第三混合机的转速为76r/min。

本发明原理说明

第一、关于微纳米级材料：首先，机械力化学过程：通过压缩、冲击等引起微纳米级粉体材料理化性质的改变，使微纳米级粉体材料颗粒和晶粒细化，比表面积增大，借助于自身表面能诱发低温化学反应，提高材料活性。其次，材料纳米组装：通过理论模型计算了各个材料的精确配比，通过控制子母颗粒的颗粒大小、包覆温度、包覆时间等参数，制备出了组装效果优异的微纳米级胶凝材料。再次，材料增强过程：传统水泥、胶凝材料等多是多孔的脆性材料，其性能受到孔隙率和孔结构的支配。该材料通过大量实验得到了十分科学的级配，各级材料通过协同作用充分发挥了自身性能，形成超高致密性硬化体，在承受载荷的同时，也阻断了微裂缝的延伸，当冲击载荷较大时，吸收大量能量，保证了材料的强度。

第二、关于硅微粉：硅微粉填充水泥颗粒间的孔隙，同时与碱性材料（如氧化镁等）和水化产物反应生成高致密性凝胶体，防止混凝土碱骨料反应，提高了后期硬化体的致密性，起到保水、防离析、防泌水的效果。同时显著提高抗压抗折强度、抗渗性能、抗腐蚀性能、抗冲击性能及耐磨性能，延长建筑物使用寿命。

第三、关于矿渣微粉：首先，选用细度比水泥颗粒细的矿渣微粉，在取代了部分水泥后，这些小颗粒填充在水泥颗粒间的空隙中，使胶凝材料具有更好的级配，形成了密实充填结构和微观层次的自密实堆积体系。提高了致密性、强度、抗渗性能，同时还能降低标准稠度用水量，在保持相同用水量的情况下又可增加流动度，因此改善和易性。填充增加粘聚性，防泌水，防离析，改善可泵性。其次，加速水泥水化反应的进程并为水化产物提供了充裕空间，改善了水泥水化产物分布的均匀性，使水泥石结构比较致密。提高力学性能。再次，在混凝土内部的碱环境中，矿渣微粉吸收水泥水化时形成的氢氧化钙，且能促进水泥进一步水化生成更多有利的CSH凝胶，使集料接口区的氢氧化钙晶粒变小，改善了混凝土微观结构，使水泥浆体的空隙率明显下降，强化了集料接口粘接力。抑制了碱骨料反应，提高力学性能。进一步的，矿渣微粉替代了部分水泥而减少了受侵蚀的内因，同时当矿渣微粉均匀分散到水泥浆体中，形成了水化产物的核心。矿渣微粉的掺入能吸收混凝土中部分氢氧化钙产生二次水化反应，水化产物进一步填充了结构孔隙，使结构更密实，抗渗透性更佳。提高抗海水侵蚀性能和抗氯离子渗透性能。再进一步的，在水泥水化初期，放热集中，会造成坍落度损失。矿渣微粉加入后，由于它本身不能直接水化，只有在水泥水化的碱性条件下二次水化。因而它能延缓水化放热，初始坍落度保持时间可以长一些，减少了由于温升带来的温度裂缝。降低水化热，延缓水化放热，增加坍落度保持时间，延长工作性保持时间。

第四、关于粉煤灰：首先，粉煤灰中活性部分二氧化硅与三氧化二铝可与水泥水化生成的氢氧化钙发生反应，生成大量水化硅酸凝胶。粉煤灰外部的一些水化产物在成长过程中也会像树根一样伸入颗粒空隙中，填充空隙，破坏界面区氢氧化钙的择优取向排列，大大改善了界面区，促进了后期强度的增长。提高强度、不透水性、不透气性、抗硫酸盐侵蚀性能、耐化学侵蚀性能，抑制碱骨料反应。其次，均匀分散的粉煤灰颗粒不会大量吸水，不但起着滚珠作用，而且与水泥粒子组成了合理的微级配，减少填充水数量，影响系统的堆积状态，提高堆积密度，具有减水作用，硬化体微结构更加均匀密实，不会发生泌水离析现象，抗渗性能、抗冻性能佳。再次，水泥水化生成的氢氧化钙是粉煤灰的活性激发剂，而被激发的部分一旦水解，会降低液相碱度，又会进一步促进未水化水泥水化。再次，粉煤灰水化消耗大量氢氧化钙,混凝土不耐蚀成分减少，因而耐化学侵蚀性较强，同时徐变、干缩等变形性能也较为优异。进一步的，粉煤灰是由于大小不等的球状颗粒的玻璃体组成，表面光滑致密，在拌合物中能起到滚珠作用；水泥颗粒易聚集成团，粉煤灰的掺入可有效分散水泥颗粒，释放更多浆体，提高和易性。

第五、关于矿物纤维：首先，矿物纤维晶型为针柱状，可为胶凝体的水分快速逸散提供通道，从而加快反应进度。其次，矿物纤维本身不吸水，可避免胶凝体的吸湿膨胀，同时矿物纤维的热膨胀系数小且呈线性膨胀，可降低水化反应过程中胶凝体的热膨胀，避免产生膨胀裂纹。再次，矿物纤维呈针状晶体杂乱无章的排列形成交织结构，被水化反应产生的胶凝体所固结，可以增强胶凝体的结构稳定性和机械强度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无机胶凝材料，其特征在于，按重量份数，包括水泥50-90份、硅微粉1-10份、矿渣微粉5-30份、粉煤灰5-10份、矿物纤维1-10份。

2.根据权利要求1所述的无机胶凝材料，其特征在于，按重量份数，包括水泥60-80份、硅微粉1.5-8.5份、矿渣微粉10-20份、粉煤灰5-10份、矿物纤维1-5份。

3.根据权利要求1或2所述的无机胶凝材料，其特征在于，所述水泥为425#或525#硅酸盐水泥，所述矿物纤维为碳纤维或碱性纤维或玻璃纤维，所述硅微粉为280-350目，所用矿渣微粉的等级为S105或S95，所述粉煤灰的等级为一级或二级。

4.根据权利要求1或2所述的无机胶凝材料的制备方法，其特征在于：

第一步：将所述水泥研磨至1500-2000目，将所述矿渣微粉研磨至1400-1600目，将所述粉煤灰研磨至2600-2700目，将所述矿物纤维研磨至20-200微米；

第二步：将步骤一得到的所述水泥、矿物纤维投入第一混合机进行混合，得到第一混合物；将步骤一得到的所述硅微粉、矿渣微粉、粉煤灰投入第二混合机进行混合，得到第二混合物；

第三步：将步骤二中的第一混合物和第二混合物进行混合，得到所述无机胶凝材料。

5.根据权利要求4所述的无机胶凝材料的制备方法，其特征在于：步骤二中将步骤一得到的所述水泥、矿物纤维投入第一混合机进行混合，混合时间为300秒，得到所述第一混合物。

6.根据权利要求4所述的无机胶凝材料的制备方法，其特征在于：步骤二中将步骤一得到的所述硅微粉、矿渣微粉、粉煤灰投入第二混合机进行混合，混合时间为300秒，得到所述第二混合物。

7.根据权利要求4所述的无机胶凝材料的制备方法，其特征在于：步骤三中，通过负压气流输送的方式将所述第一混合机内的所述第一混合物和所述第二混合机内的所述第二混合物同时输送到第三混合机中进行共同混合，得到所述无机凝胶。

8.根据权利要求7所述的无机胶凝材料的制备方法，其特征在于：所述第一混合物和所述第二混合物在所述第三混合机内的混合时间为900-1500秒。

9.根据权利要求4所述的无机胶凝材料的制备方法，其特征在于：所述第一混合机和所述第二混合机的转速为76r/min。