CN110204228A - 早期强度高的低热硅酸盐水泥及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种早期强度高的低热硅酸盐水泥及其制备方法和应用。所述水泥以质量份计,其包括:低热硅酸盐水泥熟料80~95份;矿渣0~15份;硅灰0~15份;氧化石墨烯0.03~0.05份;石膏5份;以质量份计,所述低热硅酸盐水泥熟料包括以下矿物成分:C3S,30~45份;C2S,37~47份;C3A,1~5份;C4AF,10~15份。所述水泥通过添加矿渣、硅灰作为低热水泥混合材,添加氧化石墨烯作为改性剂,可有效地阻碍侵蚀介质的侵入,并延长初始侵蚀破坏发生的时间,使低热水泥在保持低水化热、高抗裂性的同时,提高早期强度性能,具有抗裂性好,抗氯离子和硫酸盐侵蚀性能好等特点,从而更加适于实用。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域,尤其涉及一种早期强度高的低热硅酸盐水泥及其制备方法和应用。
背景技术
随着我国参与经济全球化和区域经济一体化程度的加深,高铁开发已成为我国发展经济的重点。高铁对发展循环经济有重要支撑作用:缩短了旅客旅行时间,产生了巨大的社会效益;对沿线地区经济发展起到了推进和均衡作用;促进了沿线城市经济发展和国土开发;沿线企业数量增加使国税和地税相应增加;节约能源和减少环境污染。
随着我国铁路网络不断向西部山区铺设,全线复杂结构的桥梁、超长超大埋深的隧道众多,具有地形起伏剧烈、工程地质复杂、生态环境敏感、气候条件恶劣、自然灾害频发和施工条件艰难等特点,建设安全风险高。且地处强紫外线、大温差、大风干燥、高地应力、高地热、频繁冻融、复杂介质等严酷的地质和环境条件,在此复杂条件下建设川藏铁路工程,对工程材料及其耐久性提出了极高的要求。
低热硅酸盐水泥具有比普通硅酸盐水泥、中热水泥更低的水化热、低干缩率和高耐久性,配制的混凝土干缩小,抗折强度高,绝热温升比中热水泥混凝土低5~10℃,综合抗裂性能远优于通用水泥混凝土。但由于其矿物组成的特点,现有的低热硅酸盐水泥早期强度不足,制约了其在高铁工程方面的应用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种早期强度高的低热硅酸盐水泥及其制备方法和应用,所要解决的技术问题是通过添加矿渣、硅灰作为低热水泥混合材,添加氧化石墨烯作为改性剂,可有效地阻碍侵蚀介质的侵入,并延长初始侵蚀破坏发生的时间,使低热水泥在保持低水化热、高抗裂性的同时,提高早期强度性能,具有抗裂性好,抗氯离子和硫酸盐侵蚀性能好等特点,从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种早期强度高的低热硅酸盐水泥,以质量份计,其包括:
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的,前述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其中以质量份计,所述的低热硅酸盐水泥熟料包括以下矿物成分:
优选的,前述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其中所述的矿渣为粒化高炉矿渣。
优选的,前述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其中所述的矿渣选自S95矿渣粉或S105矿渣粉中的一种。
优选的,前述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其中所述的硅灰的比表面积≥20000m2/kg,且以质量百分含量计,其中二氧化硅的含量≥90%。
优选的,前述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其中所述的氧化石墨烯含氧量大于12%。
优选的,前述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其中所述的石膏为天然二水石膏或硬石膏。
优选的,前述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其性能如下:
3天水化热≤220Kj/Kg,7天水化热≤240Kj/Kg;3天强度≥20.0MPa,28d强度≥42.5MPa;28d干缩率≤0.08%。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种早期强度高的低热硅酸盐水泥的制备方法,其包括以下步骤:
1)以低热硅酸盐水泥熟料为基料,矿渣、硅灰为混合材,氧化石墨烯为改性剂,与石膏混配,得混合物;
2)将上述的混合物共同粉磨,至比表面积为300m2/kg~350m2/kg,得早期强度高的低热硅酸盐水泥。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种早期强度高的低热硅酸盐水泥在高铁工程中的应用。
借由上述技术方案,本发明提出的一种早期强度高的低热硅酸盐水泥及其制备方法和应用至少具有下列优点:
1、本发明提出的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其水化热低,3天水化热≤220kJ/kg,7天水化热≤240kJ/kg,适用于大体积高铁工程混凝土中使用,且其28d干缩率≤0.08%,能够起到抗裂防裂的作用;
2、本发明提出的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其早期强度高,3天强度≥20.0MPa,28d强度≥42.5MPa,可满足高铁工程的施工进度要求;
3、本发明提出的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其中添加了一定量的矿渣和水泥,并通过氧化石墨烯含量的配合调整,使用该水泥配制的混凝土会更加密实,可有效地阻碍侵蚀介质的侵入,并延长初始侵蚀破坏发生的时间,使该水泥在保持低水化热、高抗裂性、高早期强度的同时,具有良好的抗氯离子和硫酸盐侵蚀性能;本发明提出的技术方案,由实施例的性能数据可见:水泥的氯离子扩散系数≤1.5×10-12m2/s,抗硫酸盐侵蚀系数≥1.02;特别的,当在水泥中引入一定比例的硅灰和/或矿渣的混合材之后,其抗介质侵蚀性能会进一步提升,如,本发明的实施例2至6,其水泥的氯离子扩散系数≤1.4×10-12m2/s,抗硫酸盐侵蚀系数≥1.12;进一步的,实施例6所制备的水泥的抗介质侵蚀性能最优,其水泥的氯离子扩散系数低至1.1×10-12m2/s,抗硫酸盐侵蚀系数高达1.27;
4、本发明提出的早期强度高的低热硅酸盐水泥,使用所述的水泥配制为混凝土进行施工,该混凝土具有高的早期强度、低的水化热和低的干缩率的同时,又具有良好的抗介质侵蚀的性能,具有良好的长期耐久性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合较佳实施例,对依据本发明提出的一种期强度高的低热硅酸盐水泥及其制备方法和应用,其具体实施方式、结构、特征及其功效,详细说明如后。
本发明提出一种早期强度高的低热硅酸盐水泥,以质量份计,其包括:
现有的低热硅酸盐水泥由于其特殊的矿物组成,导致其具有非常明显的优点和缺点:与普通硅酸盐水泥相比,现有的普通低热硅酸盐水泥是一种以硅酸二钙为主导矿物,铝酸三钙含量较低的水泥,其熟料中的硅酸二钙的含量大幅度增加,硅酸三钙和铝酸三钙的含量大幅度减少,其早期水化热和干缩率更低,耐久性更高,但是其早期强度较低,这不利于高铁等工程的快速施工。
本发明采用在水泥中添加优异的混合材,如矿渣、硅灰等超细粉末材料,可以极大地改善混凝土的综合性能,性能改进的关键是因为添加矿渣、硅灰等超细粉末的填充效应和火山灰效应,使水泥的水化微结构更加密实,同时又可以进一步地激发了水泥矿物的潜在活性,从而提高低热硅酸盐水泥的早期强度;进一步的,在水泥中添加一定量的矿渣和水泥后,也会提高混凝土的抗介质侵蚀性能,从而使其具有良好的长期耐久性,实现早期强度高的低热硅酸盐水泥的综合性能的提高。其中,所述的混合材的加入量,即矿渣和硅灰的总添加量为0-15份。
本发明的水泥还采用添加氧化石墨烯作为改性剂,进一步密实水泥石孔隙率、提高水泥强度。氧化石墨烯的添加,可以促进水泥早期的水化,因此会影响氢氧化钙晶体的尺寸,进而又能影响到其宏观性能,使得水泥浆的塑性粘度和屈服应力均有一定程度的提高。
优选的,前述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其中以质量百分含量计,所述的低热硅酸盐水泥熟料包括以下矿物成分:
优选的,前述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其中所述的矿渣为粒化高炉矿渣。
优选的,前述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其中所述的矿渣选自S95矿渣粉或S105矿渣粉中的一种。
优选的,前述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其中所述的硅灰的比表面积≥20000m2/kg,且以质量百分含量计,其中二氧化硅的含量≥90%。
优选的,前述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其中所述的氧化石墨烯含氧量大于12%。
所述的氧化石墨烯与石墨烯比较相似,是石墨烯的氧化物,石墨烯经过氧化处理后仍能保持石墨烯的层状结构,但在每一层的石墨烯单片上引入了许多氧基功能团。这些氧基功能团的引入使得单一的石墨烯结构变得非常复杂;氧基功能团的增多,使其性质较石墨烯更加活泼,可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质;而且,由于在氧化石墨烯的表面和片层中间夹杂了非常多的含氧官能团,而这些官能团减小了片层与片层之间的结合力,使得氧化石墨烯相较石墨烯具有更好的亲水性能;因而其在水中的分散性的难度也大大降低。其中,氧化石墨烯的含氧量越大,其分散性能越好,从而对于水泥性能的改善效果也越明显。
优选的,前述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其中所述的石膏为天然二水石膏或硬石膏。
在低热水泥中引入硬石膏或二水石膏作缓凝剂时,低热水泥的强度随着石膏掺量的增加而逐步提高,掺量越大,对水泥的增强作用越明显,这是由于在水泥中掺入石膏,提高了水泥石液相中SO4 2-离子的浓度,从而加快了水泥中硅酸盐矿物的水化速度,显著提高低热水泥的强度。
优选的,前述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其性能如下:
3天水化热≤220kj/kg,7天水化热≤240kj/kg;3天强度≥20.0MPa,28d强度≥42.5MPa;28d干缩率≤0.08%。
本发明还提出一种早期强度高的低热硅酸盐水泥的制备方法,其包括以下步骤:
1)以低热硅酸盐水泥熟料为基料,矿渣、硅灰为混合材,氧化石墨烯为改性剂,与石膏混配,得混合物;
2)将上述的混合物共同粉磨,至比表面积为300m2/kg~350m2/kg,得早期强度高的低热硅酸盐水泥。
本发明还提出一种早期强度高的低热硅酸盐水泥在高铁工程中的应用。
实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下述实施例中所用的测试方法,如无特别说明均为常规方法。
实施例1
1)低热硅酸盐水泥生料的制备:
按照如下的质量份数进行配料:石灰石70份、粘土15份、页岩5份、铁粉10份,将各组分混合均匀,粉磨至150~200目,得到低热硅酸盐水泥生料;
2)低热硅酸盐水泥熟料的制备:
将制得的低热硅酸盐水泥生料置于新型水泥干法窑系统内进行煅烧,制得低热硅酸盐水泥熟料;所制备的熟料的组成如表2所示;
3)早期强度高的低热硅酸盐水泥的制备:
取煅烧所得的低热硅酸盐水泥熟料95份,氧化石墨烯0.03份,石膏5份,混合均匀,粉磨至比表面积320m2/kg~350m2/kg,制成早期强度高的低热硅酸盐水泥成品。
对本实施例制备的早期强度高的低热硅酸盐水泥进行性能测试,结果如表4所示。所述的性能检测均采用本领域常规的检测方法进行。
实施例2-6
制备步骤同实施例1。
其中,低热硅酸盐水泥生料的配料(以质量份计)见表1所示;所制备的低热硅酸盐水泥熟料的组成(以质量份计)如表2所示;早期强度高的低热硅酸盐水泥的配料(以质量份计)如表3所示;
使用本领域常规检测方法对各实施例制备的早期强度高的低热硅酸盐水泥进行性能测试,结果如表4所示。
表1各实施例低热硅酸盐水泥生料的配料
石灰石 | 粘土 | 页岩 | 铁粉 | |
实施例1 | 70 | 15 | 5 | 10 |
实施例2 | 80 | 10 | 6 | 4 |
实施例3 | 80 | 10 | 6 | 4 |
实施例4 | 85 | 5 | 7 | 3 |
实施例5 | 73 | 13 | 6 | 8 |
实施例6 | 76 | 12 | 6 | 6 |
表2各实施例所制备的低热硅酸盐水泥熟料的组成
C<sub>3</sub>S | C<sub>2</sub>S | C<sub>3</sub>A | C<sub>4</sub>AF | |
实施例1 | 37 | 47 | 1 | 15 |
实施例2 | 44 | 42 | 2 | 12 |
实施例3 | 44 | 42 | 2 | 12 |
实施例4 | 45 | 39 | 5 | 11 |
实施例5 | 38 | 45 | 3 | 14 |
实施例6 | 39 | 44 | 4 | 13 |
表3各实施例的早期强度高的低热硅酸盐水泥的配料
表4各实施例制备的早期强度高的低热硅酸盐水泥的性能
对比样品:
本发明采购市售的普通硅酸盐水泥和低热硅酸盐水泥作为对比样品进行性能检测对照。其性能检测数据如表4所示。
由上述表1至表4的数据可见,实施例1至6所述的水泥,其3天水化热≤220kJ/kg,7天水化热≤240kJ/kg;28d干缩率≤0.08%;3天强度≥20.0MPa,28d强度≥42.5MPa,取得了很好的技术效果,解决了如高铁类大型工程施工中存在的技术问题;进一步的,本发明提出的早期强度高的低热硅酸盐水泥中添加了一定量的矿渣和水泥,并通过氧化石墨烯含量的配合调整,使用该水泥配制的混凝土会更加密实,可有效地阻碍侵蚀介质的侵入,并延长初始侵蚀破坏发生的时间,使该水泥在保持低水化热、高抗裂性、高早期强度的同时,具有良好的抗氯离子和硫酸盐侵蚀性能;本发明提出的技术方案,由实施例的性能数据可见:水泥的氯离子扩散系数≤1.5×10-12m2/s,抗硫酸盐侵蚀系数≥1.02;特别的,当在水泥中引入一定比例的硅灰和/或矿渣的混合材之后,其抗介质侵蚀性能会进一步提升,如,本发明的实施例2至6,其水泥的氯离子扩散系数≤1.4×10-12m2/s,抗硫酸盐侵蚀系数≥1.12;进一步的,实施例6所制备的水泥的抗介质侵蚀性能最优,其水泥的氯离子扩散系数低至1.1×10-12m2/s,抗硫酸盐侵蚀系数高达1.27;本发明提出的早期强度高的低热硅酸盐水泥,使用所述的水泥配制为混凝土进行施工,该混凝土具有高的早期强度、低的水化热和低的干缩率的同时,又具有良好的抗介质侵蚀的性能,具有良好的长期耐久性。
本发明权利要求和/或说明书中的技术特征可以进行组合,其组合方式不限于权利要求中通过引用关系得到的组合。通过权利要求和/或说明书中的技术特征进行组合得到的技术方案,也是本发明的保护范围。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种早期强度高的低热硅酸盐水泥,其特征在于,
以质量份计,其包括:
2.根据权利要求1所述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其特征在于,
以质量份计,所述的低热硅酸盐水泥熟料包括以下矿物成分:
3.根据权利要求1所述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其特征在于,
所述的矿渣为粒化高炉矿渣。
4.根据权利要求1所述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其特征在于,
所述的矿渣选自S95矿渣粉或S105矿渣粉中的一种。
5.根据权利要求1所述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其特征在于,
所述的硅灰的比表面积≥20000m2/kg,且以质量百分含量计,其中二氧化硅的含量≥90%。
6.根据权利要求1所述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其特征在于,
所述的氧化石墨烯含氧量大于12%。
7.根据权利要求1所述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其特征在于,
所述的石膏为天然二水石膏或硬石膏。
8.根据权利要求1所述的早期强度高的低热硅酸盐水泥,其特征在于,其性能如下:
3天水化热≤220Kj/Kg,7天水化热≤240Kj/Kg;
3天强度≥20.0MPa,28d强度≥42.5MPa;
28d干缩率≤0.08%。
9.一种根据权利要求1至8任一项所述的早期强度高的低热硅酸盐水泥的制备方法,其特征在于,其包括以下步骤:
1)以低热硅酸盐水泥熟料为基料,矿渣、硅灰为混合材,氧化石墨烯为改性剂,与石膏混配,得混合物;
2)将上述的混合物共同粉磨,至比表面积为300m2/kg~350m2/kg,得早期强度高的低热硅酸盐水泥。
10.一种根据权利要求1至8任一项所述的早期强度高的低热硅酸盐水泥在高铁工程中的应用。
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