CN114315183B - 一种钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法，包括如下步骤：(1)按重量份称取钢渣粉、钙源、硅源和分散剂并混合，经球磨后得钢渣干料；(2)按重量份称取水，向其中加入钢渣干料，经搅拌后得钢渣基原位生长水化硅酸钙；(3)向钢渣基原位生长水化硅酸钙中加入胶凝材料，经搅拌后得水泥基材料。本发明先将钢渣与化学原料干混，再通过化学共沉淀反应原位生长水化硅酸钙，最后用其拌和制备水泥基材料，从而在不影响钢渣胶凝活性的前提下，实现水化硅酸钙在钢渣基体上的原位生长，提高水化硅酸钙的分散效果，减小其团聚，提升其对水泥基材料的增强改性效果。

Description

一种钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法

技术领域

本发明涉及一种建筑材料增强的方法，尤其涉及一种钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法。

背景技术

近年来，纳米材料常被用于改性增强水泥基材料。其中，纳米水化硅酸钙(C-S-H)因对水泥水化的加速作用，可被用作晶核早强剂，以此促进水泥基材料的强度发展，并改善水泥基材料的耐久性。但因其比表面积大、比表面能高，极易团聚成大颗粒，从而限制了其晶核效应，影响其对水泥基材料的改性增强效果。因此，有必要在C-S-H的制备和使用过程中，减小其团聚，提高其分散性，从而充分发挥其纳米效应。对此，可在矿物掺合料表面原位生长C-S-H，借助矿物掺合料在水泥基体易于均匀分散的特性，以此提升C-S-H在水泥基体中的分散效果。例如，专利201810226554.1公开了一种矿物掺合料表面原位生长水化硅酸钙的方法：先利用硅源的水溶液对粉煤灰或硅灰表面进行碱侵蚀，从而有利于C-S-H在其表面的附着生长；再加入钙源进行化学共沉淀反应，从而实现C-S-H在粉煤灰或硅灰表面的原位生长。相较于传统的C-S-H，通过该技术方案获得的粉煤灰或硅灰表面原位生长C-S-H，在水泥基体中具有更好的分散效果，能够更好的促进水泥基材料的强度发展。

近年来，具有胶凝活性的钢渣被用作矿物掺合料部分取代水泥，制备水泥基材料。但钢渣的胶凝活性低，较大的掺量会显著降低水泥基材料的强度，尤其是早期强度。因此，如果能够在钢渣表面原位生长C-S-H，则不仅能够提升C-S-H在水泥基体中的分散效果，还能够提高水泥材料的早期强度。但钢渣中含有硅酸二钙(C2S)、硅酸三钙(C3S)、铝酸三钙(C3A)和铁铝酸四钙(C4AF)等水硬性矿物，遇水能够发生水化反应。因此，在以钢渣为基体原位生长C-S-H的过程中，应尽量避免钢渣与水的长时间接触。显然，前述专利201810226554.1公开的技术方案用时超过3小时、溶液的pH值大于12，会致使钢渣中的硅酸三钙(C3S)和铝酸三钙(C3A)等发生水化反应，不适用于钢渣基原位生长C-S-H的制备。

综上，现有的纳米水化硅酸钙分散困难、易团聚、改性增强水泥基材料效果不佳，并且，现有原位生长水化硅酸钙制备技术会降低钢渣胶凝活性。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法，该方法能够在不影响钢渣胶凝活性的前提下，实现水化硅酸钙在钢渣基体上的原位生长，提高水化硅酸钙的分散效果，提升其对水泥基材料的增强改性效果。

技术方案：本发明所述的钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法，包括如下步骤：

(1)按重量份称取钢渣粉、钙源、硅源和分散剂并混合，经球磨后得钢渣干料；

(2)按重量份称取水，向其中加入钢渣干料，经搅拌后得钢渣基原位生长水化硅酸钙；

(3)向钢渣基原位生长水化硅酸钙中加入胶凝材料，经搅拌后得水泥基材料。

其中，步骤(1)中，所述钢渣粉、钙源、硅源和分散剂的重量份数分别为：100份、3～15份、4～20份和1～3份。

其中，步骤(1)中，所述球磨的转速为150～250rpm，所述球磨时间为10～30min。

其中，步骤(2)中，所述水的重量份数为60～600份；向水中边搅拌边加入步骤(1)制得的钢渣干料，并持续搅拌，所述持续搅拌的时间为10～30min。

其中，步骤(3)中，所述胶凝材料的重量份数为100～1900份。

其中，步骤(3)中，所述胶凝材料为水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉中的至少一种。

其中，步骤(1)中，所述钢渣粉的粒径不大于75μm。

其中，步骤(1)中，在球磨之前，先将钢渣粉、钙源、硅源和分散剂的混合料在混料机中混合均匀，再置于球磨机中球磨。

其中，所述硅源为硅酸钠或偏硅酸钠粉体；所述钙源为甲酸钙、乙酸钙、氯化钙、硝酸钙中一种或多种的组合；所述分散剂为粉状的萘系或聚羧酸减水剂。

其中，步骤(3)中，向钢渣基原位生长水化硅酸钙中先加入胶凝材料，搅拌后，再加入骨料。

发明原理：混料过程中，通过混料机和球磨机的双重作用，钢渣、硅源和钙源能够均匀的混合在一起。在此过程中掺入分散剂，则能够减少钢渣的团聚，使得各组分混合的更加均匀，保证水化硅酸钙在钢渣基体上更加均质化的原位生长。

化学共沉淀反应过程中，将钢渣干料加入用于拌和水泥基材料的水中，其中的硅源和钙源遇水溶解，能够快速的发生化学共沉淀反应，生成水化硅酸钙。此过程中，钢渣因其表面粗糙，且存在较多的活性位点，即使不对其进行表面改性等预处理，也能够促使化学共沉淀反应生成的水化硅酸钙优先在其表面附着和生长，从而实现水化硅酸钙在其表面的原位生长。另一方面，分散剂因其空间位阻效应的存在，不仅能够减少钢渣的团聚，还能够在短时间内阻止水化硅酸钙的团聚，从而保证原位生长在钢渣基体上的水化硅酸钙的分散状态。

拌和过程中，直接向钢渣基原位生长水化硅酸钙中加入胶凝材料和骨料。由于用时较短，且不经过洗涤干燥等步骤，因此不会对钢渣自身的胶凝活性产生不利影响。

有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：1、先将钢渣与化学原料干混，再通过化学共沉淀反应原位生长水化硅酸钙，最后用其拌和制备水泥基材料，从而在不影响钢渣胶凝活性的前提下，实现水化硅酸钙在钢渣基体上的原位生长，提高水化硅酸钙的分散效果，减小其团聚，提升其对水泥基材料的增强改性效果。2、无需复杂的预处理，即可快速高效地在钢渣基体上原位生长水化硅酸钙，且对钢渣自身的胶凝活性无负面影响；3、制备的钢渣基原位生长水化硅酸钙，颗粒细小、团聚程度低；4、能够有效提升水化硅酸钙在水泥基体中的分散效果，显著促进水泥基材料的强度发展。

附图说明

图1为实施例1所得钢渣基原位生长水化硅酸钙放大80000倍的SEM图；

图2为实施例2所得钢渣基原位生长水化硅酸钙放大80000倍的SEM图；

图3为实施例3所得钢渣基原位生长水化硅酸钙放大40000倍的SEM图；

图4为实施例1～3和对比例1～4所用原状钢渣粉放大10000倍的SEM图；

图5为实施例2所得钢渣基原位生长水化硅酸钙和实施例1～3及对比例1～4所用原装钢渣粉的XRD图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1

一种钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法，包括如下步骤：

(1)混料：按质量份数，称取100份粒径小于75μm的钢渣粉、3.52份一水醋酸钙、4.24份五水偏硅酸钠和2份聚羧酸高效减水剂，将其在混料机中混合均匀，再将其置于球磨机中以150rpm的转速球磨10min，得钢渣干料；

(2)化学共沉淀反应：按质量份数，称取400份水至于搅拌锅中，边搅拌边向其中加入步骤(1)所得的钢渣干料，搅拌10min，得钢渣基原位生长水化硅酸钙；

(3)拌和：搅拌步骤(2)所得的钢渣基原位生长水化硅酸钙，向其中加入900份P.II52.5硅酸盐水泥，继续搅拌3min后，得水泥基材料。

实施例2

一种钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法，包括如下步骤：

(1)混料：按质量份数，称取100份粒径小于75μm的钢渣粉、7.05份一水醋酸钙、8.48份五水偏硅酸钠和2份聚羧酸高效减水剂，将其在混料机中混合均匀，再将其置于球磨机中以250rpm的转速球磨30min，得钢渣干料；

(2)化学共沉淀反应：按质量份数，称取400份水至于搅拌锅中，边搅拌边向其中加入步骤(1)所得的钢渣干料，搅拌10min，得钢渣基原位生长水化硅酸钙；

(3)拌和：搅拌步骤(2)所得的钢渣基原位生长水化硅酸钙，向其中加入900份P.II52.5硅酸盐水泥，继续搅拌3min后，得水泥基材料。

实施例3

一种钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法，包括如下步骤：

(1)混料：按质量份数，称取100份粒径小于75μm的钢渣粉、10.56份一水醋酸钙、12.72份五水偏硅酸钠和2份聚羧酸高效减水剂，将其在混料机中混合均匀，再将其置于球磨机中以200rpm的转速球磨20min，得钢渣干料；

(2)化学共沉淀反应：按质量份数，称取400份水至于搅拌锅中，边搅拌边向其中加入步骤(1)所得的钢渣干料，搅拌20min，得钢渣基原位生长水化硅酸钙；

(3)拌和：搅拌步骤(2)所得的钢渣基原位生长水化硅酸钙，向其中加入900份P.II52.5硅酸盐水泥，继续搅拌3min后，得水泥基材料。

实施例4

一种钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法，包括如下步骤：

(1)混料：按质量份数，称取100份粒径小于75μm的钢渣粉、3份一水醋酸钙、4份五水偏硅酸钠和1份聚羧酸高效减水剂，将其在混料机中混合均匀，再将其置于球磨机中以150rpm的转速球磨10min，得钢渣干料；

(2)化学共沉淀反应：按质量份数，称取60份水至于搅拌锅中，边搅拌边向其中加入步骤(1)所得的钢渣干料，搅拌10min，得钢渣基原位生长水化硅酸钙；

(3)拌和：搅拌步骤(2)所得的钢渣基原位生长水化硅酸钙，向其中加入100份P.II52.5硅酸盐水泥，继续搅拌3min后，得水泥基材料。

实施例5

一种钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法，包括如下步骤：

(1)混料：按质量份数，称取100份粒径小于75μm的钢渣粉、15份一水醋酸钙、20份五水偏硅酸钠和3份聚羧酸高效减水剂，将其在混料机中混合均匀，再将其置于球磨机中以250rpm的转速球磨30min，得钢渣干料；

(2)化学共沉淀反应：按质量份数，称取600份水至于搅拌锅中，边搅拌边向其中加入步骤(1)所得的钢渣干料，搅拌30min，得钢渣基原位生长水化硅酸钙；

(3)拌和：搅拌步骤(2)所得的钢渣基原位生长水化硅酸钙，向其中加入1900份P.II 52.5硅酸盐水泥，继续搅拌3min后，得水泥基材料。

对比例1

按质量份数，称取3.52份一水醋酸钙、4.24份五水偏硅酸钠、2份聚羧酸高效减水剂和400份水。将400份水等分成两部分，一部分用于溶解五水偏硅酸钠和聚羧酸高效减水剂，一部分用于溶解一水醋酸钙。其后，以300rpm的转速搅拌五水偏硅酸钠和聚羧酸高效减水剂的水溶液，并以5mL/min的速度向其中滴加一水醋酸钙的水溶液。滴加完成后，继续搅拌2h，得水化硅酸钙悬浮液。然后，称取100份粒径小于75μm的钢渣粉和900份P.II 52.5硅酸盐水泥，利用所得水化硅酸钙悬浮液对其进行拌和，得水泥基材料。

对比例2

按质量份数，称取7.05份一水醋酸钙、8.48份五水偏硅酸钠、2份聚羧酸高效减水剂和400份水。将400份水等分成两部分，一部分用于溶解五水偏硅酸钠和聚羧酸高效减水剂，一部分用于溶解一水醋酸钙。其后，以300rpm的转速搅拌五水偏硅酸钠和聚羧酸高效减水剂的水溶液，并以5mL/min的速度向其中滴加一水醋酸钙的水溶液。滴加完成后，继续搅拌2h，得水化硅酸钙悬浮液。然后，称取100份粒径小于75μm的钢渣粉和900份P.II 52.5硅酸盐水泥，利用所得水化硅酸钙悬浮液对其进行拌和，得水泥基材料。

对比例3

按质量份数，称取10.56份一水醋酸钙、12.72份五水偏硅酸钠、2份聚羧酸高效减水剂和400份水。将400份水等分成两部分，一部分用于溶解五水偏硅酸钠和聚羧酸高效减水剂，一部分用于溶解一水醋酸钙。其后，以300rpm的转速搅拌五水偏硅酸钠和聚羧酸高效减水剂的水溶液，并以5mL/min的速度向其中滴加一水醋酸钙的水溶液。滴加完成后，继续搅拌2h，得水化硅酸钙悬浮液。然后，称取100份粒径小于75μm的钢渣粉和900份P.II 52.5硅酸盐水泥，利用所得水化硅酸钙悬浮液对其进行拌和，得水泥基材料。

对比例4

按质量份数，称取100份粒径小于75μm的钢渣粉、900份P.II 52.5硅酸盐水泥和400份水。先将钢渣和水泥混合，再加入水，并按照水泥净浆拌和方法搅拌，得水泥基材料。

对实施例1～3所得的钢渣基原位生长水化硅酸钙进行表征测试，具体如下：

图1～3分别为实施例1～3所得钢渣基原位生长水化硅酸钙的SEM图，图4为实施例1～3和对比例1～4所用原状钢渣粉的SEM图，可见：钢渣基体表面包覆有纳米级的颗粒，即为水化硅酸钙。图5为实施例2所得钢渣基原位生长水化硅酸钙和实施例1～3及对比例1～4所用原装钢渣粉的XRD图，可进一步确认：通过本发明提供的技术方案，能够在钢渣基体上原位生长水化硅酸钙。

对实施例1～3和对比例1～4所得水泥基材料的性能进行测试，相关指标如表1所示：

表1实施例1～3和对比例1～4所得水泥基材料的性能指标

对实施例1～3和对比例1～4所得水泥基材料的性能进行分析，具体如下：

对比例1～3为传统的化学共沉淀法制得的水化硅酸钙，其投入的原料的量分别与实施例1～3相同，因此，可将其用于对比分析。表1给出了实施例1～3和对比例1～4所得水泥基材料流动度及其在不同龄期的抗压强度。可见，相较于传统的化学共沉淀法制备的水化硅酸钙，通过本发明的技术方案制备的钢渣基原位生长水化硅酸钙对水泥基材料的流动度影响更小。这表明，钢渣基原位生长水化硅酸钙在水泥基体中具有更好的分散性，在相同掺量的情况下，其团聚程度更小，包裹的自由水也更少。进一步的，相较于传统的化学共沉淀法制备的水化硅酸钙，通过本发明的技术方案制备的钢渣基原位生长水化硅酸钙更能高效的促进水泥基材料的强度发展。综上，本发明所提供的一种钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法能够获得颗粒细小、分散性更好的水化硅酸钙，可以更加高效的促进水泥基材料的强度发展。

Claims (6)

1.一种钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）按重量份称取钢渣粉、钙源、硅源和分散剂并混合，经球磨后得钢渣干料；所述钢渣粉、钙源、硅源和分散剂的重量份数分别为：100份、3~15份、4~20份和1~3份；所述球磨的转速为150~250rpm，所述球磨时间为10~30min；

（2）按重量份称取水，向其中加入钢渣干料，经搅拌后得钢渣基原位生长水化硅酸钙；所述水的重量份数为60~600份；所述搅拌时间为10~30min；

（3）向钢渣基原位生长水化硅酸钙中加入胶凝材料，经搅拌后得水泥基材料。

2.根据权利要求1所述的钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述胶凝材料的重量份数为100~1900份。

3.根据权利要求1所述的钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述胶凝材料为水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述钢渣粉的粒径不大于75µm。

5.根据权利要求1所述的钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法，其特征在于，步骤（1）中，在球磨之前，先将钢渣粉、钙源、硅源和分散剂的混合料在混料机中混合均匀，再置于球磨机中球磨。

6.根据权利要求1所述的钢渣基原位生长水化硅酸钙增强水泥基材料的方法，其特征在于，所述硅源为硅酸钠或偏硅酸钠粉体；所述钙源为甲酸钙、乙酸钙、氯化钙、硝酸钙中的至少一种；所述分散剂为粉状的萘系或聚羧酸减水剂。

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