CN113060949A - 一种基于晶胶比调控的预制构件用胶凝材料制备方法与应用 - Google Patents

一种基于晶胶比调控的预制构件用胶凝材料制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

一种基于晶胶比调控的预制构件用胶凝材料制备方法与应用属于建筑材料领域。本发明提供了一种具有补偿收缩、体积稳定性能的新型复合胶凝材料，该胶凝材料由硅酸盐水泥熟料、无水硫铝酸钙、煅烧石膏组成，满足免蒸养条件下预制构件体积稳定性发展。本发明的胶凝材料通过硅酸盐水泥熟料、无水硫铝酸钙、煅烧石膏相互协同水化反应，生成适当比例的钙矾石和C‑S‑H凝胶，两者的相互匹配使水泥更有效控制收缩与膨胀，使水化产物体积具有更稳定的性能。本发明的复合胶凝材料具有优异的抗压强度、膨胀性能等。本发明安全环保，操作简单，具有显著的经济效益。

Description

一种基于晶胶比调控的预制构件用胶凝材料制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种新型复合胶凝材料，是以硅酸盐水泥熟料-无水硫铝酸钙-煅烧石膏三元体系为主，具有优异的抗压强度、体积稳定性能的胶凝材料，属于建筑材料领域。
背景技术
预制构件作为装配式建筑的载体，在市政桥梁、地铁管片、管桩、装配式民用建筑等各项工程中得到广泛的应用。其体积稳定性、宏观力学耐久性能的均一化是其广泛应用的主要技术优势之一。
对于预制构件来说，为了促进混凝土早期强度的快速发展，加快拆模速率，多采用蒸汽养护和蒸压养护的方式。
其不足在于蒸汽养护和蒸压养护会产生体积膨胀、降温过快造成收缩应力，导致开裂、资源浪费能耗大、环境的污染等问题。
目前解决水泥膨胀收缩的问题，采用较多的是在混凝土中加入膨胀剂、减缩剂。不足之处在于膨胀剂需要注意加强早期湿度养护，膨胀量不易控制，易导致二次钙矾石的形成，给体积稳定性带来了风险因素；减缩剂容易使混凝土早期强度降低，同时比较昂贵，这大大限制了它在项目工程中的应用。
Figure RE-GDA0003057505170000011
和煅烧石膏在硅酸盐水泥中能与相应矿物组成发生化学反应生成钙矾石，钙矾石产生的体积膨胀在一定范围内可促进水泥基材料的强度发展和补偿水泥干燥收缩，因此可以以硅酸盐水泥熟料—无水流铝酸钙—煅烧石膏为原料，开发一种具有优异的抗压强度、体积稳定性能的复合胶凝材料，满足预制构件体积稳定性的需要。
发明内容
本发明为解决硅酸盐水泥体积不稳定性问题，提供了一种具有补偿收缩、体积稳定性能的三元体系的复合胶凝材料，满足预制构件早期强度高、体积稳定的要求。
所述的一种具有优异的抗压强度，体积稳定性能的胶凝材料的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、烧制无水硫铝酸钙：将Al2O3、CaCO3、
Figure RE-GDA0003057505170000012
三种原料以摩尔比为3:3:1称量后在混料机中混和均匀，然后称取120g混合均匀的原料，加入5ml蒸馏水，放到模具内压制成带波纹的圆饼，随后在105℃干燥箱内烘干12h，并在1350℃温度下进行煅烧，煅烧时间为4h，取出后鼓风急冷，1min内冷却到室温，最后粉粹研磨过200目筛，得到无水硫铝酸钙粉末；
步骤二、烧制高温煅烧石膏：将硬石膏放置于高温炉，在450℃下煅烧2h。
步骤三、按照预定的配比称量硅酸盐水泥熟料、无水硫铝酸钙、高温煅烧石膏，并混合均匀。
为了解决以上问题，本发明提供一种补偿收缩、体积稳定的新型复合胶凝材料，主要由以下重量分数组成：硅酸盐水泥熟料90％，无水硫铝酸钙2.90％-3.59％，煅烧石膏6.41％-7.10％，
更优选的，所述硅酸盐水泥熟料90％，无水硫铝酸钙2.90％，煅烧石膏7.10％，无水硫铝酸钙与煅烧石膏之和为10％。
优选的，所述石膏为450℃高温煅烧无水石膏。
养护环境均为20±2℃的清水。
拆模时间，净浆试件为8h后拆模，砂浆试件的脱模时间以规定配比试块的抗压强度达到(10±2)MPa时拆模。
净浆试件在标准养护箱养护8h，然后在清水中养护1-28天；砂浆试件在标准养护箱中养护，等强度达到(10±2)MPa后，在清中养护到1-28天。
本发明胶凝材料由硅酸盐水泥熟料、无水硫铝酸钙、高温煅烧石膏组成。所用的调控材料为无水硫铝酸钙和高温煅烧石膏，石膏的掺量对钙矾石的生成起着重要的调控作用，当石膏足量时，无水硫铝酸钙会与石膏水化生成钙矾石，同时过多的石膏可以与水化产物Al(OH)3、Ca(OH)2反应继续生成钙矾石；当石膏不足时，钙矾石会转化生成AFm。水化硅酸钙(C-S-H)凝胶是硅酸盐水泥的主要水化产物，具有较大的收缩性。钙矾石产生的体积膨胀在一定范围内可以有效补偿水泥收缩、提高强度。因此，C-S-H凝胶相与 AFt等晶体相如有适当的比例，则水泥石可能会有更好的体积稳定性能。本发明的新型复合胶凝材料具有优异的抗压强度、体积稳定性能，能有效补偿硅酸盐水泥体积收缩，适用体积稳定的预制构件的生产。实施组与对比组相比早期及后期强度明显提高，膨胀收缩更为稳定，早期产生的膨胀能有效的补偿后期由于失水造成的干燥收缩。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
在以下实施例中，所有的份数均为重量份数
实施例1
具有优异的抗压强度、体积稳定性能的新型复合胶凝材料由以下成分按照如下按重量份数组成，普通硅酸盐水泥熟料90份，无水硫铝酸钙3.59份，煅烧石膏6.41份，其中无水硫铝酸钙和煅烧石膏重量和为10份。
其中无水硫铝酸钙由Al2O3、CaCO3、
Figure RE-GDA0003057505170000031
三种原料烧制而成，三种原料以摩尔比为3:3:1称量后在球磨机粉磨30分钟混合均匀，称取120g混匀后的原料，加入5ml蒸馏水压制成带波纹的圆饼，然后在105℃烘箱烘干12h，置于1350℃高温炉中保温4h，鼓风机冷， 1min内冷却到室温，粉粹研磨过200目筛，并放入密闭容器内备用。煅烧石膏为硬石膏在 450℃高温炉中煅烧2h所得。
按照原料配比，先将硅酸盐水泥熟料、无水硫铝酸钙、煅烧石膏按比例称量并混合均匀，取水灰比为0.35。然后，将水加入净浆搅拌机中，再加入混合均匀的原料，先用慢搅拌搅拌2min，停15s，再快搅拌2min，在六联模中成型为20mm×20mm×20mm的净浆块， 8h后脱模，放置于20℃的清水中养护，并测试1d、3d、7d、14d、28d的强度。
实施例中限制膨胀率依照GB/T23439-2017《混凝土膨胀剂》实施，成型时取水泥、煅烧石膏、无水硫铝酸钙共675g，其中水泥、煅烧石膏、无水硫铝酸钙按预定配比称量。标准砂1350g，水270g，每个配比共成型2组(6条)带
Figure RE-GDA0003057505170000033
纵向钢筋限制器的砂浆试件，脱模时间以规定配比试块的抗压强度达到(10±2)MPa时的时间确定，测试每个龄期的限制膨胀率，脱模后部分持续水中养护(温度20±2℃)，部分水养7后转干燥空气(温度20±2℃，湿度60±5％)中养护，分别用来测试水中养护和水养7d后转干空养护两种养护制度下补偿收缩砂浆的限制膨胀率。
实施例2
具有优异的抗压强度、体积稳定性能的新型复合胶凝材料由以下成分按照如下按重量份数组成，普通硅酸盐水泥熟料90份，纯度为97.92％的无水硫铝酸钙2.90份，450℃的煅烧石膏7.10份，其中无水硫铝酸钙和煅烧石膏共为10份。
其中无水硫铝酸钙由Al2O3、CaCO3、
Figure RE-GDA0003057505170000032
三种原料烧制而成，三种原料以摩尔比为3:3:1称量后在球磨机粉磨30分钟混合均匀，称取120g混匀后的原料，加入5ml蒸馏水压制成带波纹的圆饼，然后在105℃烘箱烘干12h，置于1350℃高温炉中保温4h，鼓风机冷，1min内冷却到室温，粉粹研磨过200目筛，并放入密闭容器内备用。煅烧石膏为硬石膏在 450℃高温炉中煅烧2h所得。
按照原料配比，先将硅酸盐水泥熟料、无水硫铝酸钙、煅烧石膏按比例称量并混合均匀，取水灰比为0.35。然后，将水加入净浆搅拌机中，再加入混合均匀的原料，先用慢搅拌搅拌2min，停15s，再快搅拌2min，在六联模中成型为20mm×20mm×20mm的净浆块， 8h后脱模，放置于20℃的清水中养护，并测试1d、3d、7d、14d、28d的强度。
实施例中限制膨胀率依照GB/T23439-2017《混凝土膨胀剂》实施，成型时取水泥、煅烧石膏、无水硫铝酸钙共675g，其中水泥、煅烧石膏、无水硫铝酸钙按预定配比称量。标准砂1350g，水270g，每个配比共成型2组(6条)带
Figure RE-GDA0003057505170000041
纵向钢筋限制器的砂浆试件，脱模时间以规定配比试块的抗压强度达到(10±2)MPa时的时间确定，测试每个龄期的限制膨胀率，脱模后部分持续水中养护(温度20±2℃)，部分水养7后转干燥空气(温度20±2℃，湿度60±5％)中养护，分别用来测试水中养护和水养7d后转干空养护两种养护制度下补偿收缩砂浆的限制膨胀率。
为了进一步验证本发明的复合胶凝材料，在应用时具有优异的抗压强度、体积稳定性能，同时设置了两个对比组，其中一组为纯硅酸盐水泥，即95％硅酸盐水泥熟料和5％二水石膏；另一组为以硅酸盐水泥熟料为基准(86.66％)，加入了二水石膏(7.1％)和硫铝酸盐水泥熟料(6.235％)。按照实施例中的实验方法进行净浆强度和限制膨胀率测试。
具有补偿收缩、体积稳定性能的新型复合胶凝材料的强度如表1所示
表1具有补偿收缩、体积稳定性能的新型复合胶凝材料强度/MPa
序号 1d 3d 7d 14d 28d
对比组1 12.9 32.8 43.33 59.74 61.2
对比组2 14.47 29.04 49.41 59.63 62.42
实施例1 15.32 34.40 47.26 58.43 70.54
实施例2 20.77 38.84 48.81 64.5 80.40
从表1可以看出，实施例的强度与对比组1、2相比，早期强度明显提高，1d抗压强度最高可增长1.61倍，可以加速预制构件的早期拆模。同时有利于后期强度的提升，实施例中28d抗压强度明显提高，强度最高提高19.2MPa。
具有补偿收缩、体积稳定性能的新型复合胶凝材料的限制膨胀率如表2所示
表2实施例具有补偿收缩、体积稳定的新型复合胶凝材料限制膨胀率10-4
Figure RE-GDA0003057505170000051
从表2可以看出，对比组1、2中收缩落差较大，7d水养转干燥后限制膨胀率明显下降，早期的膨胀已经不足够补偿后期由于失水产生的收缩。实施例1、2干燥收缩落差较小，体积较为稳定。实施例1中限制膨胀率最大，能有效补偿水泥砂浆的收缩。实施例1、 2，7d水养转干燥后限制膨胀率变化最小，体积最为稳定。

Claims (2)

1.一种基于晶胶比调控的预制构件用胶凝材料，其特征在于，包括以下重量份数的组成：
硅酸盐水泥熟料(90)份；无水硫铝酸钙(2.90-3.59)份；煅烧石膏(6.41-7.10)份；其中无水硫铝酸钙和煅烧石膏重量和为(10)份；
其中无水硫铝酸钙的制备具体如下：先将Al2O3、CaCO3、
Figure FDA0002986977310000011
三种原料以摩尔比为3:3:1混合均匀，称取120g混合均匀的原料，向其中加入5ml蒸馏水，在模具里面加压压制成圆饼，将圆饼在105℃烘箱中烘干12h，然后放入1350℃的高温炉中保温4h后在高温环境下直接取出，鼓风机冷，1min内冷却到室温，粉粹研磨过200目筛所得；煅烧石膏是由硬石膏在高温炉450℃煅烧2h而得。
2.应用如权利要求1所述一种基于晶胶比调控的预制构件用胶凝材料的方法，其特征在于，调制成砂浆或水泥浆；
水泥浆的净浆水灰比为0.35；净浆首先在标准箱养护8h后脱模，脱模后清水中养护1-28天，养护温度20±2℃；
如果是砂浆，砂浆水灰比为0.4，其中胶凝材料与砂质量比为0.5；砂浆在标准养护箱中养护，等强度达到10±2MPa后，在清水中养护到1-28天，养护温度20±2℃。
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