CN111205002A - 一种高韧性超硫酸盐水泥及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高韧性超硫酸盐水泥及其制备方法，属于建筑材料技术领域。本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种高强、高韧性、高耐久的高韧性超硫酸盐水泥及其制备方法，包括以下重量百分比的组分：矿渣65～90％、石膏10～25％、激发剂1～15％、掺合料1～10％、纤维0～3％、调凝型减水剂0～1％。本发明制备的高韧性超硫酸盐水泥的抗硫酸盐侵蚀能力约是超硫酸盐水泥、普通水泥混凝土的1.2倍、1.5倍，抗折强度约是超硫酸盐水泥、普通水泥混凝土的3倍、3.5倍，抗弯挠度约是超硫酸盐水泥、普通水泥混凝土的40倍、50倍，收缩率约是超硫酸盐水泥、普通水泥混凝土的1/2、3/4。

Description

一种高韧性超硫酸盐水泥及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高韧性超硫酸盐水泥及其制备方法，属于建筑材料技术领域。

背景技术

超硫酸盐水泥是一种以粒化高炉矿渣为主要原料，以石膏为硫酸盐激发剂和以熟料或石灰为碱性激发剂的少熟料或无熟料水泥。超硫酸盐水泥具有良好的使用性能，且生产工艺简单、成本低，能充分利用工业副产物，属于节能环保型水泥，符合国家可持续发展趋势。本方法制备的高韧性超硫酸盐水泥与普通超硫酸盐水泥相比，具有高强、高韧性、高耐腐蚀、成本低的优势，适用于高性能水泥基预制构件、高韧性高强高耐久性墙体制品、硫酸盐侵蚀环境混凝土工程以及一些特殊建筑工程。

发明内容

本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种高强、高韧性、高耐久的高韧性超硫酸盐水泥及其制备方法。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种高韧性超硫酸盐水泥，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：矿渣65～90％、石膏10～25％、激发剂1～15％、掺合料1～10％、纤维0～3％、调凝型减水剂0～1％；所述纤维为钢纤维、有机纤维、无机纤维中的一种或多种；

所述有机纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯醇纤维聚酰胺或聚酰亚胺纤维、芳香聚酰胺纤维、耐碱玻璃纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯纤维中的一种或多种；

所述无机纤维为碳酸钙晶须、硫酸钙晶须、碳纳米管、石墨烯纳米纤维、碳纤维、玄武岩纤维、氧化锆纤维中的一种或多种。

超硫酸盐水泥与普通硅酸盐水泥的水化机理及水化产物不同。普通硅酸盐水泥的主要水化产物为硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、氢氧化钙。超硫酸盐水泥是以碱和硫酸盐共同激发矿渣，水化放热低，其主要水化产物为水化硅酸钙凝胶及二水硫酸钙晶体，具有较好的耐久性，尤其是抗硫酸盐侵蚀性优异，可适用于大体积混凝土工程、道路混凝土工程以及硫酸盐侵蚀环境混凝土工程。

超硫酸盐水泥耐腐蚀性能优异，且碱度较低，可降低有机纤维溶解度，增加有机纤维的增韧性能及使用寿命。无机纳米纤维具有极高的抗拉强度和弹性模量，抗震效果好，该纤维的填充更将增摩减磨有机地统一在一个体系中，高温摩擦磨损性能优越，使其发挥良好的效果。钢纤维的加入可提高基体的抗折强度和抗压强度，弯钩型钢纤维效果明显。无机和有机纤维的加入可制备出高韧性耐硫酸盐侵蚀的超硫酸盐水泥。

进一步的技术方案是，所述石膏为脱硫石膏、天然二水石膏、化工氟石膏、天然硬石膏、α-半水石膏、β-半水石膏、钛石膏中的一种或多种。半水石膏本身作为一种盐激发剂，不仅可以激发矿渣活性，还可以调整拌合物的凝结时间。

进一步的技术方案是，石膏为β-半水磷石膏，该β-半水磷石膏的制备步骤如下：(1)水洗，将工业副产磷石膏原材料与水以1:4的液固比进行水洗，洗涤水温度为50℃，洗涤次数为5次，得到原料A；(2)煅烧，将原料A置于煅烧炉在140℃的范围内煅烧4h，得到原料B；(3)粉磨，将原料B自然冷却至常温，球磨机粉磨50min，得到粉料C，粉料C过0.2mm方孔筛筛余在1％～3％；(4)中和，在步骤(3)所得的粉料中加入0.4％的生石灰，搅拌均匀；(5)陈化，将步骤(4)所得的粉料陈化72h，即得到自制磷建筑石膏粉。

进一步的技术方案是，所述激发剂为硫酸盐激发剂、铝酸盐激发剂、碱性激发剂中的一种或多种。

进一步的技术方案是，所述碱性激发剂为氢氧化钙、氧化钙、硅酸钠、偏硅酸钠、偏硅酸钾、硅酸钾、碳酸钠、碳酸钾、水泥熟料中的一种或多种。

进一步的技术方案是，所述碱性激发剂为碳酸钠和碳酸钾的复合。其中碳酸钠、碳酸钾的加入在激发石膏及矿渣活性的同时，还可以改善硬化体的体积稳定性。

进一步的技术方案是，所述铝酸盐激发剂为铝矾土、高铝水泥、高铝水泥熟料、铝酸钠、铝酸钾中的一种或多种。

进一步的技术方案是，所述硫酸盐激发剂为硫酸钠、硫酸钾中的一种或多种。

进一步的技术方案是，所述掺合料为硫铝酸盐水泥、粉煤灰、偏高岭土、重钙粉、石英粉中的一种或多种。

进一步的技术方案是，所述钢纤维为弯钩型钢纤维、哑铃型钢纤维、波浪形型钢纤维中的一种；所述有机纤维为聚丙烯纤维或聚乙烯醇纤；所述无机纤维为硫酸钙晶须。

进一步的技术方案是，所述调凝型减水剂其配方为聚羧酸系减水剂：缓凝剂＝10-9.5：0-0.5；

所述缓凝剂为有机缓凝剂或无机缓凝剂，所述有机缓凝剂为蛋白质类缓凝剂、糖类缓凝剂及其衍生物缓凝剂中的一种或多种；所述无机缓凝剂为硼酸盐、硼砂、柠檬酸类缓凝剂中的一种或多种。促凝剂包括铝酸盐、碳酸盐等。可根据流动性及凝结时间的需求对其组分进行调节。

一种高韧性超硫酸盐水泥制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按配方计量称重石膏、矿渣、激发剂、掺合料，混合均匀；

(2)将混匀后的粉料共同粉磨至比表面积≥400m²/k；

(3)将粉磨好的粉料与纤维混合均匀，可得到干混状粉体高韧性超硫酸盐水泥基材料；

(4)再在干混状粉体高韧性超硫酸盐水泥基材料中加入18wt.％～35wt.％水、调凝型减水剂即得到高韧性超硫酸盐水泥基材料浆体，终凝后对相应制品进行覆膜保湿养护至少48h。

其中采用粉料混磨的方式使材料之间混合均匀，通过机械活化作用增加粉料活性；掺合料的加入除起到填充作用外，还可与体系中的物质发生水化反应，使基体更加致密；通过激发剂激发石膏及矿渣活性的同时，还可以改善硬化体的体积稳定性，制备出高强度高韧性超硫酸盐水泥。

进一步的技术方案是，所述粉磨方式为球磨、行星磨、立磨、轮滚磨中的一种或多种方式。

本发明具有以下优点：

(1)本发明通过在超硫酸盐水泥中加入纤维的方式提高韧性，增加强度；通过调凝型减水剂、掺合料及不同激发剂对其工作性能、耐久性、力学性能、凝结时间等进行调节。制备的高韧性超硫酸盐水泥的抗硫酸盐侵蚀能力约是超硫酸盐水泥、普通水泥混凝土的1.2倍、1.5倍，抗折强度约是超硫酸盐水泥、普通水泥混凝土的3倍、3.5倍，抗弯挠度约是超硫酸盐水泥、普通水泥混凝土的40倍、50倍，收缩率约是超硫酸盐水泥、普通水泥混凝土的1/2、3/4；

(2)本发明采用粉料混磨的方式使材料之间混合均匀，通过机械活化作用增加粉料活性；掺合料的加入除起到填充作用外，还可与体系中的物质发生水化反应，使基体更加致密，降低收缩率；通过激发剂激发石膏及矿渣活性的同时，还可以改善硬化体的体积稳定性；制备方法简单，有利于低成本制备出高强度的高韧性超硫酸盐水泥；

(3)制备的高韧性超硫酸盐水泥制备工艺具有低能耗，其生产能耗仅为普通硅酸盐水泥的1/10。水化反应具有低水化热的优点，主要水化产物为水化硅酸钙凝胶及二水硫酸钙晶体，低收缩，安定性优于普通硅酸盐水泥，尤其是抗硫酸盐侵蚀性优异；

(4)本发明可大量利用粒化高炉矿渣及石膏等工业副产物，实现固废资源化利用，且降低建筑成本。

附图说明

图1是高韧性超硫酸盐水泥四点弯曲试验图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。

对比组1

一种超硫酸盐水泥，包括以下重量百分比的原料组成：矿渣81％、脱硫石膏15％、水泥熟料3％、激发剂1％。

该实施例的制备过程是：共同粉磨至比表面积≥400m²/kg，再加水搅拌均匀。

对比组2

一种普通硅酸盐水泥，包括以下重量百分比的原料组成：矿渣24％、脱硫石膏6％、水泥熟料70％。

该实施例的制备过程是：共同粉磨至比表面积≥400m²/kg，再加水搅拌均匀。

实施例1

一种高韧性超硫酸盐水泥，包括以下重量百分比的组分：矿渣81％、脱硫石膏15％、水泥熟料3％、硫铝酸盐水泥1％、钢纤维2％。

该实施例的制备过程是：先将矿渣、脱硫石膏、水泥熟料、硫铝酸盐水泥共同粉磨至比表面积≥400m²/kg，再加入纤维、水、调凝型减水剂搅拌均匀。

实施例2

一种高韧性超硫酸盐水泥，包括以下重量百分比的组分：矿渣75％、脱硫石膏10％、硫酸钠5％、偏高岭土6％、聚丙烯纤维3％。

该实施例的制备过程是：先将矿渣、脱硫石膏、偏高岭土、硫酸钠共同粉磨至比表面积≥450m²/kg，再加入纤维、水、调凝型减水剂搅拌均匀。

实施例3

一种高韧性超硫酸盐水泥，包括以下重量百分比的原料组成：矿渣80％、钛石膏10％、水泥熟料5％、重钙粉2％、聚乙烯醇纤维3％。

该实施例的制备过程是：先将矿渣、磷石膏、水泥熟料、重钙粉共同粉磨至表面积≥480m²/kg，再加入纤维、水、调凝型减水剂搅拌均匀。

实施例4

一种高韧性超硫酸盐水泥，包括以下重量百分比的原料组成：矿渣80％、工业氟石膏15％、硫酸钠2％、粉煤灰1％、聚丙烯纤维1％、聚乙烯醇纤维1％。

该实施例的制备过程是：先将矿渣、磷石膏、粉煤灰、硫酸钠共同粉磨至比表面积≥430m²/kg，再加入纤维、水、调凝型减水剂搅拌均匀。

实施例5

一种高韧性超硫酸盐水泥，包括以下重量百分比的原料组成：矿渣65％、β-半水磷石膏20％、氧化钙5％、碳酸钠3％、偏高岭土3％、碳纤维2％、硫酸钙晶须1％、柠檬酸缓凝剂0.05％。

该实施例的制备过程是：先将矿渣、磷石膏、氧化钙、碳酸钠、偏高岭土共同粉磨至比表面积≥400m²/kg，再加入纤维、水、调凝型减水剂搅拌均匀。

上述对比组1-2、实施例1-5所测得的物理力学性能见表1，抗弯挠度采用四点弯曲试验检测，试件尺寸400mm*100mm*10mm，见图1。依据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》、ASTM D6272-2017《Flexural Properties of Unreinforced andReinforced Plastics and Electrical Insulating Materials byFour-PointBending》。

表1高韧性超硫酸盐水泥的物理力学性能

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，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。

Claims (10)

1.一种高韧性超硫酸盐水泥，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：矿渣65～90％、石膏10～25％、激发剂1～15％、掺合料1～10％、纤维0～3％、调凝型减水剂0～1％；所述纤维为钢纤维、有机纤维、无机纤维中的一种或多种；

所述有机纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯醇纤维聚酰胺或聚酰亚胺纤维、芳香聚酰胺纤维、耐碱玻璃纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯纤维中的一种或多种；

所述无机纤维为碳酸钙晶须、硫酸钙晶须、碳纳米管、石墨烯纳米纤维、碳纤维、玄武岩纤维、氧化锆纤维中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的一种高韧性超硫酸盐水泥，其特征在于，所述石膏为脱硫石膏、天然二水石膏、化工氟石膏、天然硬石膏、α-半水石膏、β-半水石膏、钛石膏中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种高韧性超硫酸盐水泥，其特征在于，所述激发剂为硫酸盐激发剂、铝酸盐激发剂、碱性激发剂中的一种或多种。

4.根据权利要求3所述的一种高韧性超硫酸盐水泥，其特征在于，所述碱性激发剂为氢氧化钙、氧化钙、硅酸钠、偏硅酸钠、偏硅酸钾、硅酸钾、碳酸钠、碳酸钾、水泥熟料中的一种或多种。

5.根据权利要求3所述的一种高韧性超硫酸盐水泥，其特征在于，所述铝酸盐激发剂为铝矾土、高铝水泥、高铝水泥熟料、铝酸钠、铝酸钾中的一种或多种。

6.根据权利要求3所述的一种高韧性超硫酸盐水泥，其特征在于，所述硫酸盐激发剂为硫酸钠、硫酸钾中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的一种高韧性超硫酸盐水泥，其特征在于，所述掺合料为硫铝酸盐水泥、粉煤灰、偏高岭土、重钙粉、石英粉中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的一种高韧性超硫酸盐水泥，其特征在于，所述钢纤维为弯钩型钢纤维、哑铃型钢纤维、波浪形型钢纤维中的一种；所述有机纤维为聚丙烯纤维或聚乙烯醇纤；所述无机纤维为硫酸钙晶须。

9.根据权利要求1所述的一种高韧性超硫酸盐水泥，其特征在于，所述调凝型减水剂其配方为聚羧酸系减水剂：缓凝剂＝10-9.5：0-0.5；

所述缓凝剂为有机缓凝剂或无机缓凝剂，所述有机缓凝剂为蛋白质类缓凝剂、糖类缓凝剂及其衍生物缓凝剂中的一种或多种；所述无机缓凝剂为硼酸盐、硼砂、柠檬酸类缓凝剂中的一种或多种。

10.权利要求1-9中任一项所述的一种高韧性超硫酸盐水泥制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按配方计量称重石膏、矿渣、激发剂、掺合料，混合均匀；

(2)将混匀后的粉料共同粉磨至比表面积≥400m²/kg；

(3)将粉磨好的粉料与纤维混合均匀，可得到干混状粉体高韧性超硫酸盐水泥基材料；

(4)再在干混状粉体高韧性超硫酸盐水泥基材料中加入18wt.％～35wt.％水、调凝型减水剂即得到高韧性超硫酸盐水泥基材料浆体，终凝后对相应制品进行覆膜保湿养护至少48h。

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