CN114368943A

CN114368943A - 水泥基材料及其制备方法和应用

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Publication number: CN114368943A
Application number: CN202111581499.6A
Authority: CN
Inventors: 李伟雄; 王端宜; 陈搏; 花开慧; 张肖宁; 黄志勇; 苏文正; 贺军; 陈伟杰; 聂文; 熊春龙
Original assignee: Guangzhou Xiaoning Institute Of Roadway Engineering Co ltd; Dongguan University of Technology
Current assignee: Guangzhou Xiaoning Institute Of Roadway Engineering Co ltd; Dongguan University of Technology
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2022-04-19

Abstract

本发明涉及一种水泥基材料及其制备方法和应用。按重量份计，包括如下原料组分：水泥90～100份、粉煤灰12～18份、细砂60～65份、硅灰1～3份、膨胀剂0.5～2份、减水剂0.3～0.6份以及水25～30份；所述细砂为粒径≤0.6mm、细度为1.4～1.6的石英砂。本发明通过采用特定粒径与细度的石英砂作为细砂与其余各组分按照合理配比进行配合，制备的水泥基材料在保证材料强度的同时具有超高流动性，能够满足制备人造粗集料时的注浆需求和力学性能需求。此外，通过对原料各组分的配比进行合理调整，使得水泥基材料的混合级配得以优化，在满足材料性能要求的同时降低了制造成本，具有良好的应用前景。

Description

水泥基材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，特别是涉及一种水泥基材料及其制备方法和应用。

背景技术

沥青混合料是常用的路面铺筑材料，工程上常用的沥青混合料主要是由粗集料、细集料及填料等组成的符合规定级配的矿料与沥青结合拌和制备得到。其中，粗集料作为沥青混合料的主要成分之一，在公路建设中的消耗量巨大，工程所用的粗集料通常由自然界直接开采所得，然而天然石材不可再生，由此会面临资源受限的问题，并且开采过程中容易导致生态破坏。此外，工程所用开采得到的粗集料规格各异，料源复杂，生产工艺粗糙，加工方式原始，从而使粗集料的性能的均匀性难以控制。粗集料颗粒的变异性严重影响沥青混合料试验结果的重复性和再现性，例如马歇尔试验和车辙试验等，人们无法精确判定导致试验结果差异的原因，进而导致实验室间数据比对的失败，影响了沥青混合料设计的改进方向。因此，有必要探寻一种可再生的人造标准粗集料，解决上述问题。

近年来，可再生的人造粗集料的制备已成为国内外的研究热点。水泥基材料应用于制备人造粗集料具有工艺、设备简单的优点，但存在强度难以达标、流动性差、收缩明显等问题。一方面，制备人造粗集料的注浆过程需要水泥基材料具有超高流动性，前期研究发现流动度为290mm以上的水泥基材料才可完成人造粗集料的注浆过程，然而传统水泥基材料的流动度不超过250mm，难以满足注浆需求；另一方面，根据《建筑用卵石、碎石国家标准》(GB14685-2001)的规定，在水饱和状态下，火成岩抗压强度应不低于80MPa，变质岩应不低于60MPa，水成岩应不低于30MPa，而用于沥青路面的集料，其强度要求更高，通常需达到90MPa及以上。可见，如何兼顾人造粗集料要求的强度和流动性，是水泥基材料其得以实践应用的前提。因此，有必要提供一种能够兼顾流动性和强度以满足人造粗集料的注浆需求和力学性能的水泥基材料。

此外，传统水泥基材料孔隙多、吸水率大，在实际应用中容易造成沥青路面的水损害的问题，且过多的孔隙会产生毛细作用，吸收更多沥青，导致实际应用中的造价增加。

发明内容

基于此，本发明提供一种兼顾流动性和强度，能够更好地满足人造粗集料应用需求的水泥基材料及其制备方法和应用。

具体技术方案如下：

本发明的第一方面，提供一种水泥基材料，按重量份计，包括如下原料组分：

所述细砂为粒径≤0.6mm、细度为1.4～1.6的石英砂。

在其中一实施例中，所述的水泥基材料，按重量份计，包括如下原料组分：

在其中一实施例中，所述水泥为硅酸盐水泥。

在其中一实施例中，所述硅酸盐水泥的强度为52.5R、62.5R或72.5R。

在其中一实施例中，所述硅灰中SiO₂的含量≥98％，所述硅灰的粒径为0.1～0.3μm。

在其中一实施例中，所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；及/或

所述膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂；及/或

所述减水剂为聚羧酸减水剂。

本发明的第二方面，提供上述水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：

按重量份取所述水泥、粉煤灰、硅灰和膨胀剂混合，制备干粉材料；

按重量份将所述减水剂与水混合，制备混合溶液；

将所述混合溶液与所述干粉材料混合，制备凝胶材料；

将所述细砂与所述凝胶材料混合，制备所述水泥基材料。

在其中一实施例中，所述的水泥基材料的制备方法，还包括如下步骤：

将所述细砂与所述凝胶材料混合后，置于58～62℃恒温水浴中养生4～6天，制备所述水泥基材料。

本发明的第三方面，提供上述水泥基材料在制备建筑材料中的应用。

本发明的第四方面，提供一种人造粗集料，所述人造粗集料由上述水泥基材料制备得到。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过在水泥基材料中采用特定粒径与细度的石英砂作为细砂与其余各组分按照合理配比进行配合，制备的水泥基材料在保证材料强度的同时具有超高流动性，能够满足制备人造粗集料时的注浆需求和力学性能需求。同时在研究过程中还发现，本发明通过对原料各组分的配比进行合理调整，使得水泥基材料的混合级配得以优化，减少孔隙、降低吸水率，在满足材料性能要求的同时降低了制造成本，具有良好的应用前景。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照实施例对本发明进行更全面的描述，以下给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本文所使用的术语“和/或”、“或/和”、“及/或”的可选范围包括两个或两个以上相关所列项目中任一个项目，也包括相关所列项目的任意的和所有的组合，所述任意的和所有的组合包括任意的两个相关所列项目、任意的更多个相关所列项目、或者全部相关所列项目的组合。

本发明中，“第一方面”、“第二方面”、“第三方面”、“第四方面”等仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性或数量，也不能理解为隐含指明所指示的技术特征的重要性或数量。而且“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅起到非穷举式的列举描述目的，应当理解并不构成对数量的封闭式限定。

本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。

本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，上述数值区间内视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。

本发明中的温度参数，如无特别限定，既允许为恒温处理，也允许在一定温度区间内进行处理。所述的恒温处理允许温度在仪器控制的精度范围内进行波动。

本发明提供一种水泥基材料，按重量份计，包括如下原料组分：

所述细砂为粒径≤0.6mm、细度为1.4～1.6的石英砂。

在本发明中，为保证水泥砂浆的流动性以及注浆人造粗集料形态的完好性，选用细砂的细度不可过大，并且采用粒径较小的细砂能够调节水泥基材料级配，在减少水泥用量的同时配合各组分发挥协同配合，从而提高水泥砂浆的流动性，保证注浆过程能够顺利、高效地进行，同时还能够使水泥基材料具有较高强度。

在本发明中，粉煤灰、硅灰、细砂的掺入减少了水泥用量，其合理配比产生的细集料效应调整了颗粒级配，填充了水泥砂浆空隙，提升了水泥砂浆的流动性并降低了水泥砂浆制造成本。其中，加入粉煤灰可以降低水泥基材料的制造成本，通过合理调整粉煤灰与其余组分之间的配比，借助粉煤灰的微集料效应以及活性效应可促使水泥基材料混合级配得以优化，填充水泥基材料内部孔隙，增强抗压强度，同时粉煤灰中含有许多球形颗粒——玻璃微珠，能够在水泥颗粒间起到“滚珠”作用，减小了水泥颗粒间的相对滑移阻力，发挥“润滑”作用，从而提高水泥砂浆的流动性，提升注浆效率，如此使制备的水泥基材料兼顾强度和流动性且降低了制造成本。硅灰能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体，提高水泥基材料的抗压、抗折、抗渗、防腐、抗冲击及耐磨性能，并且硅灰也能替代水泥，减少水泥的掺入量，从而降低制造成本。

在本发明中，粉煤灰、硅灰中的SiO₂在潮湿的环境中与Ca(OH)₂等碱性物质发生化学反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质，火山灰效应促进水泥水化胶凝物质生成，堵塞水泥毛细组织，提高了水泥基材料强度。

在其中一示例中，水泥基材料按重量份计包括如下原料组分：

在其中一示例中，水泥为硅酸盐水泥。进一步地，硅酸盐水泥的强度为52.5R、62.5R或72.5R。水泥采用高强度标准的早强硅酸盐水泥，在保证人造粗集料基本强度的前提下提高了人造粗集料早期强度。

在其中一示例中，硅灰中SiO₂的含量≥98％。

在其中一示例中，硅灰的粒径为0.1～0.3μm。

在其中一示例中，粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰。进一步地，粉煤灰为采用45μm筛余量(％)小于20％的Ⅱ级粉煤灰。可以理解地，本发明中的粉煤灰可选用I级粉煤灰或II级粉煤灰，均能够使水泥基材料兼顾强度性和流动性能。其中，采用I级粉煤灰制备的水泥基材料强度更高、质量更好，但成本较高，不利于实际工程应用。而采用II级粉煤灰经济性更好，可以降低造价成本，并且本发明通过合理选择原料组分和配比，使得采用II级粉煤灰所制备的水泥基材料也能够满足强度需求，同时实现超高流动性，提高了水泥基材料的实际应用性。

在其中一示例中，膨胀剂选自硫铝酸钙类膨胀剂。进一步地，膨胀剂选自UEA型膨胀剂。

在本发明中采用的硫铝酸钙类膨胀剂不含钠盐，避免了水泥砂浆的碱骨料反应，并且按合适配比与其余组分混合后生成大量膨胀性结晶水化物，产生的压应力可加好地抵消水泥干缩时产生的拉应力，可使水泥适度膨胀，防止水泥收缩开裂，达到抗裂、防水的目的。

在其中一示例中，减水剂选自聚羧酸减水剂。

在本发明中，利用减水剂的减水降黏效应改善水泥砂浆黏度，以分散水泥颗粒，砂浆的减水率大于14％。聚羧酸系减水剂所含的-COO-、-SO₃-等负电基团可以吸附在水泥颗粒表面形成排斥力较强的电场，使水泥颗粒得以更好地分散，提高水泥基材料的流动性能，并且减水剂的加入减少了水的用量，有利于提高水泥基材料的强度。

在其中一示例中，水为洁净的饮用水。

本发明还提供上述水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：

按重量份取水泥、粉煤灰、硅灰和膨胀剂混合，制备干粉材料；

按重量份将减水剂与水混合，制备混合溶液；

将混合溶液与干粉材料混合，制备凝胶材料；

将细砂与凝胶材料混合，制备水泥基材料。

进一步地，水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：

按重量份取水泥、粉煤灰、硅灰和膨胀剂混合，进行第一次搅拌，制备干粉材料；

按重量份将减水剂与水混合，制备混合溶液；

将混合溶液与干粉材料混，进行第二次搅拌，制备凝胶材料；

将细砂与凝胶材料混合，进行第三次搅拌，制备水泥基材料。

在其中一示例中，第一次搅拌包括如下条件：转速为5～15r/min，时间为10～15s；及/或

第二次搅拌包括如下条件：转速为5～15r/min，时间为28～32s；及/或

第三次搅拌包括如下条件：先于5～15r/min转速下搅拌28～32s，再于25～35r/min转速下搅拌88～92s。

可以理解地，水泥基材料需要经过养生使水泥发生水化作用，使其得以正常的或加速其硬化和强度增长，本发明提供的水泥基材料可以按常规的养生条件进行养生。此外，发明人还发现，传统水泥基材料的养生时间较长，一般需要养生14～28天才可以达到较高的强度水平，导致人造粗集料存在的生产制备周期过长、效率低下的问题，因此，有必要提供一种可以有效缩短人造粗集料的养生周期、提高生产效率的养生条件。

在其中一示例中，水泥基材料的制备方法还包括如下步骤：

将细砂与凝胶材料混合后，置于58～62℃恒温水浴中养生4～6天，制备水泥基材料。

在其中一示例中，装模包括如下步骤：将混合浆体注入试模中，经过振动台在30～50Hz下低频振捣19～21s，消除气泡，在室温下干硬成型，47～49小时后脱模。可以理解地，试模可以为标准试模或3D打印模具。

在本发明中，水泥基材料装模后制备成试件，将试件置于60℃恒温水浴中养生5天，试件的强度增长可接近标准养生条件下(62℃、相对湿度95％)养生21天的强度。本发明的水泥基材料在本发明提供的养生条件下，可以有效缩短人造粗集料的养生周期，大大提高人造粗集料的生产效率。

本发明还提供上述水泥基材料在制备建筑材料中的应用。进一步地，建筑材料为路面铺筑材料。

本发明还提供一种人造粗集料，其由上述水泥基材料制备得到。

本发明制备的水泥基材料试块平均强度可达93.52MPa，流动度为410mm，相对密度为2.16，可以很好兼顾人造粗集料的强度与可实施性。此外，天然粗集料的密度较大，一般相对密度为2.6～2.9，在桥梁铺装过程中的恒载较大，不利于桥梁结构的承载能力与耐久性能，本发明提供的水泥基材料具有轻型的优势，其表观相对密度可至2.16，能够有效降低桥梁恒载约1/3，具有良好应用前景。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。下述实施例和对比例中所用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为市售购买产品。

实施例1

本实施例提供一种水泥基材料，包括如下原料组分：

水泥：粉煤灰：减水剂：硅灰：膨胀剂：细砂：水＝100kg：15kg：0.5kg：2kg：1kg：62kg：28kg；

其中，采用的细砂为粒径≤0.6mm、细度为1.4的石英砂；水泥为52.5R硅酸盐水泥；粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；硅灰的粒径为0.1～0.3μm，SiO₂的含量大于等于98％；膨胀剂为UEA型膨胀剂；减水剂为聚羧酸减水剂。

其制备方法如下：

(1)按照配比称取各原料组分；

(2)将水泥、粉煤灰、硅灰、膨胀剂倒入搅拌缸内，在10r/min转速下搅拌15s，使得干粉材料搅拌均匀，没有明显色差；

(3)将减水剂按照比例与水倒在计量杯中，使用玻璃棒搅拌15s，形成均匀的混合溶液；

(4)将混合溶液倒入搅拌缸内与干粉材料混合，在10r/min转速下搅拌30s，获得胶凝材料；

(5)将相应配比的细砂倒入搅拌缸内，在10r/min转速下搅拌30s，再于30r/min转速下转动90s，即得到水泥基材料。

实施例2

本实施例提供一种水泥基材料，包括如下原料组分：

水泥：粉煤灰：减水剂：硅灰：膨胀剂：细砂：水＝92kg：13kg：0.35kg：1.2kg：1.7kg：60kg：25kg；

本实施例的水泥基材料的制备方法同实施例1。

实施例3

本实施例提供一种水泥基材料，包括如下原料组分：

其中，采用的细砂为粒径≤0.6mm、细度为1.6的石英砂；水泥为62.5R硅酸盐水泥；粉煤灰为I级粉煤灰；硅灰的粒径为0.1～0.3μm，SiO₂的含量大于等于98％；膨胀剂为UEA型膨胀剂；减水剂为聚羧酸减水剂。

本实施例的水泥基材料的制备方法同实施例1。

对比例1

本对比例提供一种水泥基材料，该水泥基材料为传统高强度混凝土材料，其原料组分如下：

水泥：粉煤灰：减水剂：硅灰：细砂：水＝80kg：35kg：2.5kg：5kg：80kg：20kg。本对比例与实施例1的区别在于，未掺加膨胀剂，并且减少了水泥和水的用量，增加了粉煤灰、减水剂、硅灰和细砂的用量。

本对比例的水泥基材料的制备方法如下：

(1)按照配比称取各原料组分；

(2)将水泥、粉煤灰、硅灰倒入搅拌缸内，在10r/min转速下搅拌15s，使得干粉材料搅拌均匀，没有明显色差；

对比例2

本对比例提供一种水泥基材料，其原料组分如下：

水泥：粉煤灰：减水剂：硅灰：膨胀剂：细砂：水＝80kg：25kg：0.8kg：4kg：4kg：70kg：38kg。本对比例与实施例1的区别在于，减少了水泥用量，增加了粉煤灰、减水剂、硅灰、膨胀剂、砂和水的用量。

本对比例的水泥基材料的制备方法同实施例1。

养生条件的选择

在标准养生条件下，水泥基材料的强度增长主要由温度与养生时间决定，因此，提出把二者的乘积称为成熟度(度时积)，认为一定配比的水泥基材料，不管养生的时间和温度如何组成，只要成熟度相等，其强度大致相同。为了提升人造粗集料的生产效率，本发明尝试采用高温水浴的养生方式进行水泥基材料的后期养生脱模，发现当采用60℃下的恒温养生，可以比20℃的标准养生温度下的强度增长速度提升3倍以上。此外，为了避免早期养生试件体积涨缩而发生开裂，选择将试件置于水浴状态中，以改善试件内外的湿度稳定。

水泥基材料的性能测试

分别将实施例1～3和对比例1～2制备的水泥基材料制成试件，具体步骤如下：

(1)分别将实施例1～3和对比例1～2制备的水泥基材料注入试模中，经过振动台低频30Hz振捣20s，消除气泡，在室温下干硬成型，48小时后脱模，制备尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm的试件；

(2)分别将试件置于60℃恒温水槽中(试件顶部应低于液面高度)，进行水浴养生5天，即可结束养生，取出试件。

性能测试方法如下：

参考《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG3420-2020)中水泥砂浆抗压强度试验方法，对各试件开展强度测试，评价力学强度。

依据《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2004)测试水泥基材料的流动度，以评价水泥基材料的施工和易性。其中，选用砂浆流动度仪器，NLD-3型，振动频率为1Hz，振动平面直径为300mm±1mm，振动次数为25次，振动落距为10mm±0.2mm。

根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)的粗集料吸水率试验方法，测试不同试件的吸水率指标。测试结果如表1所示。

表1实施例1～3和对比例1～2的水泥基材料性能测试结果

编号	养生温度与时间	抗压强度/MPa	流动度/mm	吸水率/％
					实施例1	60℃/5天	93.52	410	2.1
实施例2	60℃/5天	92.38	380	2.4
					实施例3	60℃/5天	106.86	400	2.2
对比例1	60℃/5天	96.27	220	5.8
					对比例2	60℃/5天	78.83	430	2.5

可以看出，实施例1～3与传统的水泥基材料(对比例1)相比，本发明提供的水泥基材料在表现出超高的流动性的同时确保了强度性能。此外，人造标准集料过高的吸水率容易造成沥青路面的水损害问题，且过多的孔隙会产生毛细作用，吸收更多沥青，导致人造集料沥青混凝土应用过程中造价增加，本发明提供的水泥基材料掺加膨胀剂后的试件吸水率明显低于传统的水泥基材料，更好地克服了上述问题。

与对比例2相比，实施例1提供的水泥基材料流动性差异不大，但表现出了更高的强度，且吸水率更低，说明本发明提供的高性能水泥基材料经过合理的组分及配比设计，可以有效兼顾水泥基材料的强度、流动性及致密性能，且其表观相对密度仅2.16，远低于天然碎石粗集料的相对密度(一般为2.6～2.9范围)，在制备高强、轻质集料上更加具备优势以及应用前景。

此外，优选的高性能水泥基材料无论是强度还是流动性，均能维持较高的性能水平。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种水泥基材料，其特征在于，按重量份计，包括如下原料组分：

所述细砂为粒径≤0.6mm、细度为1.4～1.6的石英砂。

2.根据权利要求1所述的水泥基材料，其特征在于，按重量份计，包括如下原料组分：

3.根据权利要求1所述的水泥基材料，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥。

4.根据权利要求3所述的水泥基材料，其特征在于，所述硅酸盐水泥的强度为52.5R、62.5R或72.5R。

5.根据权利要求1所述的水泥基材料，其特征在于，所述硅灰中SiO₂的含量≥98％，所述硅灰的粒径为0.1～0.3μm。

6.根据权利要求1～5任一项所述的水泥基材料，其特征在于，所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；及/或

所述膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂；及/或

所述减水剂为聚羧酸减水剂。

7.权利要求1～6任一项所述的水泥基材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

按重量份将所述减水剂与水混合，制备混合溶液；

将所述混合溶液与所述干粉材料混合，制备凝胶材料；

将所述细砂与所述凝胶材料混合，制备所述水泥基材料。

8.根据权利要求7所述的水泥基材料的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：

9.权利要求1～6任一项所述的水泥基材料在制备建筑材料中的应用。

10.一种人造粗集料，其特征在于，由权利要求1～6任一项所述的水泥基材料制备得到。