CN114716163B - 一种低收缩高抗裂水泥及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低收缩高抗裂水泥及其制备方法与应用，低收缩高抗裂水泥，以重量百分数计，包括：粒径为0~5μm的惰性材料，3~10%；粒径为5μm~10μm的水泥熟料，8~15%；粒径为10μm~30μm的水泥熟料，45~60%；粒径为30μm~45μm的水泥熟料，10~20%；粒径大于45μm的水泥熟料，5~10%；制备方法为：先粉磨成不同粒径级别的粉体，再按照重量比例精确配料之后，经混合之后而成。本发明通过设计水泥颗粒组成，并对颗粒组成进行分级，对影响水化放热和体积收缩较大的组成，采用惰性成分进行替换，通过分级分别粉磨和高效混合，协调了水泥早期强度、水化放热和体积收缩开裂之间的矛盾，实现了低水化热、低收缩、早期强度适中的高抗裂水泥的制备。

Description

一种低收缩高抗裂水泥及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及水泥基复合材料技术领域，具体涉及一种低收缩高抗裂水泥及其制备方法与应用，可用于铁路双块式无砟轨道、隧道和桥梁工程中。

背景技术

双块式无砟轨道以其施工工艺简单、造价低等优势在我国高速铁路无砟轨道中占有近50%的应用市场。双块式无砟轨道采用现浇混凝土将预制双块式轨枕浇筑到道床中，由于受现浇混凝土与预制混凝土收缩不同步等因素的影响，双块式无砟轨道现浇混凝土易产生沿轨枕四角的“八字形”裂缝和横向贯通裂缝，开裂已成为双块式无砟轨道应用的主要病害和质量控制难点，直接影响结构的耐久性及后期养护维修工作量。近年来随着我国铁路向西南地区延伸，铁路隧道建设里程逐年增多，我国铁路隧道主要采用复合式衬砌结构，其中，一衬为喷射混凝土，二衬为模筑现浇混凝土结构；应用实践表明：在约束条件下现浇混凝土易产生收缩开裂，由此引发的隧道漏水、掉块等病害逐渐增多，因此，控制二衬结构的混凝土开裂是施工质量控制的难点和重点。铁路桥梁墩台多为大体积混凝土，水化温升较高，桥梁墩台混凝土易产生温度裂缝，如何降低大体积混凝土水化温升以减少开裂是桥梁墩台混凝土施工控制的关键。

水泥是引起现浇混凝土水化放热和收缩开裂的根本，改变水泥矿物组成和颗粒细度可以减少水化放热。通常采用的方法是增加矿物中的C₂S含量，降低C₃S和C₃A含量，降低水泥比表面积也可以减少水化放热和体积收缩；其中，

专利CN1356281 A通过特定比例下高贝利特水泥熟料（熟料C₂S含量不低于40%）与石膏的组合，使该水泥配制的混凝土具有低水化热、低需水量、高流动性、高强度及高耐久性等特点。但是，其存在的缺陷为：C₂S含量高，早期强度不高。

专利CN110615627 A通过特定比例下水泥熟料（水泥熟料的立升重大于1350g/l）与石膏的组合，使其具有水化热低、强度高等特点。但是，其存在的缺陷为：若水泥熟料的立升重太高会导致熟料过烧。

专利CN105948665 A通过调整水泥与矿物掺合料的比例以及掺入不同种类的纤维实现了抗裂性提升。但是，其存在的缺陷为：通过纤维增韧可以提高水泥基体韧性，但会提高水泥成本；加入硫铝酸盐水泥和硅灰能够提高水泥基体早期强度，但会提高基体早期自收缩率，增加基体早期开裂风险。

专利CN110204228 A通过高C₂S含量的低热硅酸盐水泥熟料与矿渣、硅灰和氧化石墨烯组合实现低热硅酸盐水泥的制备。但是，其存在的缺陷为：通过掺入氧化石墨烯可以降低水泥石孔隙率，提高水泥强度，但会增加水泥成本；选用矿渣和硅灰对水泥进行改性，难以同时满足水泥低放热量和低体积收缩要求。

专利CN110734255 A通过加入超细水泥、矿物掺合料、钢渣粉、硅灰、纳米粉体和多孔粉体等配制出了低自收缩高韧性水泥基复合材料。但是，其存在的缺陷为：掺入过多纳米粉体会造成水泥成本大幅增加。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明在系统研究水泥各组成对水化放热和体积收缩影响的基础上，综合考虑工作性能和力学性能，提出了一种低水化放热、低收缩、高抗裂的硅酸盐水泥、制备方法及应用。

本发明的第一目的在于提供一种低收缩高抗裂水泥，以重量百分数计，包括：

粒径为0~5μm的惰性材料，3~10%；

粒径为5μm~10μm的水泥熟料，8~15%；

粒径为10μm~30μm的水泥熟料，45~60%；

粒径为30μm~45μm的水泥熟料，10~20%；

粒径大于45μm的水泥熟料，5~10%。

作为本发明的进一步改进，以重量百分数计，包括：

粒径为0~5μm的惰性材料，5~10%；

粒径为5μm~10μm的水泥熟料，10~15%；

粒径为10μm~30μm的水泥熟料，55~60%；

粒径为30μm~45μm的水泥熟料，14~20%；

粒径大于45μm的水泥熟料，5~6%。

作为本发明的进一步改进，所述惰性材料包括但不限于石英粉、滑石粉、高岭土粉和碳酸钙粉中的至少一种。

作为本发明的进一步改进，所述水泥熟料为硅酸盐水泥，矿物组成为C₃S含量30~55%，C₂S含量20~35%，C₃A含量3~8%，C₄AF含量为5~10%。

作为本发明的进一步改进，所述收缩高抗裂硅酸盐水泥的比表面积为200m²/kg~330m²/kg，标准稠度用水量为22%~25%。

作为本发明的进一步改进，所述收缩高抗裂硅酸盐水泥的性能包括：

3d水化热＜180kJ/kg，7d水化热＜220kJ/kg；3d抗压强度≥18MPa，7d抗压强度≥25MPa，28d抗压强度≥48MPa，56d抗压强度≥60MPa，90d抗压强度≥65MPa；28d干燥收缩率≤0.04%，56d干燥收缩率≤0.06%；采用该水泥配制的混凝土和易性好、需水量低、无泌水。

本发明的第二目的在于提供一种低收缩高抗裂水泥的制备方法，包括：

分级粉磨惰性材料和水泥熟料，制得粒径为0~5μm的惰性材料、粒径为5μm~10μm的水泥熟料、粒径为10μm~30μm的水泥熟料、粒径为30μm~45μm的水泥熟料以及粒径大于45μm的水泥熟料；其中，分级研磨便于控制颗粒的粒度；

分级粉磨后，将上述5级粒径（0~5μm、5μm~10μm、10μm~30μm、30μm~45μm、大于45μm）的组分按上述预设的配比进行混合，制得低收缩高抗裂水泥。

作为本发明的进一步改进，所述分级粉磨为球磨、冲击粉碎磨或气流磨，借助气流分级机，按照分级要求对不同颗粒粒径的粉体进行选粉；同时，按照分级的数量设置专用磨机和气流分级机。

作为本发明的进一步改进，所述混合的方式为高速混合，混合速度为1000rad/min~2000 rad/min，混合时间为20s~60s。

本发明的第三目的在于提供一种低收缩高抗裂水泥的应用，基于所述低收缩高抗裂水泥具有水化放热低、体积收缩小、后期强度高的特征，所述低收缩高抗裂水泥用于制备铁路双块式无砟轨道现浇道床板、隧道二衬和桥梁墩台高抗裂混凝土。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明过设计水泥颗粒组成，并对颗粒组成进行分级，对影响水化放热和体积收缩较大的组成，采用惰性成分进行替换，通过分级分别粉磨和高效混合，协调了水泥早期强度、水化放热和体积收缩开裂之间的矛盾，实现了低水化热、低收缩、早期强度适中的高抗裂水泥的制备。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的低收缩高抗裂水泥制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

本发明提供一种低收缩高抗裂水泥，以重量百分数计，包括：

粒径为0~5μm的惰性材料，3~10%，优选为5~10%；

粒径为5μm~10μm的水泥熟料，8~15%，优选为10~15%；

粒径为10μm~30μm的水泥熟料，45~60%，优选为55~60%；

粒径为30μm~45μm的水泥熟料，10~20%，优选为14~20%；

粒径大于45μm的水泥熟料，5~10%，优选为5~6%。

在上述组分中，优选惰性材料包括但不限于石英粉、滑石粉、高岭土粉（或偏高岭土粉）和碳酸钙粉中的至少一种；

在上述组分中，水泥熟料为硅酸盐水泥，硅酸盐水泥的矿物组成为C₃S含量30~55%，C₂S含量20~35%，C₃A含量3~8%，C₄AF含量为5~10%。

上述不同粒径的水泥的选择依据为：

根据水泥中各颗粒组成对性能的影响进行颗粒组成设计，每级水泥的作用不同，之前对水泥的级配研究主要从强度方面考虑，未充分考虑收缩性能、工作性能和抗裂性能，因此划分的区间及含量都不同；为充分考虑收缩性能、工作性能和抗裂性能，本发明将水泥颗粒组成分为5级，分别为0~5μm，5μm~10μm，10μm~30μm，30μm~45μm，45μm以上；其中，

0μm＜粒径≤5μm的水泥颗粒对水化放热、体积收缩和工作性能影响较大，缺少该级颗粒，水化放热和体积收缩虽然降低，但是水泥工作性能较差，易产生泌水；为此，本发明设计该级别颗粒为惰性组分，既能满足工作性能的需要，又不影响体积收缩，并且对含量也进行了对应限制；

5μm＜粒径≤10μm的对水化放热和体积收缩影响也大，但是对早期强度贡献较大，因此对5μm~10μm的颗粒含量进行了对应限制；

10μm＜粒径≤30μm的对混凝土中后期强度影响较大，对体积收缩影响较小，因此设计上增大该级颗粒的含量；

30μm＜粒径≤45μm的颗粒含量主要对后期强度有贡献，对早期强度影响较大，因此对其含量进行了对应限定；

45μm以上颗粒含量活性较低，但是对颗粒级配连续性要求是必须的，因此保留了45μm以上颗粒含量，并对其含量进行了对应限定。

如图1所示，本发明提供一种低收缩高抗裂水泥的制备方法，先粉磨成不同粒径级别的粉体，再按照重量比例精确配料之后，经混合之后而成；具体包括：

步骤1、分级粉磨惰性材料和水泥熟料，制得粒径为0~5μm的惰性材料、粒径为5μm~10μm的水泥熟料、粒径为10μm~30μm的水泥熟料、粒径为30μm~45μm的水泥熟料以及粒径大于45μm的水泥熟料；其中，

分级粉磨为球磨、冲击粉碎磨或气流磨，借助气流分级机，按照分级要求对不同颗粒粒径的粉体进行选粉；同时，按照分级的数量设置专用磨机和气流分级机。

步骤2、将上述5级粒径（0~5μm、5μm~10μm、10μm~30μm、30μm~45μm、大于45μm）的组分按上述预设的配比进行混合，制得低收缩高抗裂水泥；其中，

所述混合的方式为高速混合，混合速度为1000rad/min~2000 rad/min，混合时间为20s~60s；混合速度高于2000rad/min，容易将颗粒打碎，使粉体细化；混合速度低于1000rad/min，则混合不均匀。

本发明的收缩高抗裂硅酸盐水泥的比表面积为200m²/kg~330m²/kg，标准稠度用水量为22%~25%；其主要性能包括：

3d水化热＜180kJ/kg，7d水化热＜220kJ/kg；3d抗压强度≥18MPa，7d抗压强度≥25MPa，28d抗压强度≥48MPa，56d抗压强度≥60MPa，90d抗压强度≥65MPa；28d干燥收缩率≤0.04%，56d干燥收缩率≤0.06%；采用该水泥配制的混凝土和易性好、需水量低、无泌水。

本发明还提供一种低收缩高抗裂水泥的应用，基于所述低收缩高抗裂水泥具有水化放热低、体积收缩小、后期强度高的特征，所述低收缩高抗裂水泥用于制备铁路双块式无砟轨道现浇道床板、隧道二衬和桥梁墩台高抗裂混凝土。

实施例1~7：

本发明提供一种低收缩高抗裂硅酸盐水泥，0~5μm的惰性材料、粒径为5μm~10μm的水泥熟料、粒径为10μm~30μm的水泥熟料、粒径为30μm~45μm的水泥熟料以及粒径大于45μm的水泥熟料的具体含量如表1所示；

其制备方法为：先粉磨成不同粒径级别的粉体，再按照重量比例精确配料之后，经混合之后而成；其中，混合速度为1500 rad/min，混合时间为40s。

对比例1：

采用普硅水泥，且无惰性材料的添加，具体含量如表1所示。

对比文件2~5：

0~5μm的惰性材料、粒径为5μm~10μm的水泥熟料、粒径为10μm~30μm的水泥熟料、粒径为30μm~45μm的水泥熟料以及粒径大于45μm的水泥熟料的具体含量如表1所示。

表1 实施例与对比例

实施例1~7和对比例1~5制备的水泥的性能对比，如表2所示；

表2

结论：

通过实施例1和对比例2的对比可知，由于0~5μm颗粒含量较少，水泥浆泌水严重，其余水泥配比未出现泌水情况；通过实施例6~7和对比例2对比可知，由于5~10μm颗粒含量较多，水泥干燥收缩值较大；通过实施例5和对比例3的对比可知，由于10~45μm颗粒含量较少，水泥抗压强度不高；由表2可以看出，与普通硅酸盐水泥相比，低收缩高抗裂水泥具有水化热低、收缩小、需水量小、后期强度发展迅猛的特点，具有优异的抗裂性；普通硅酸盐水泥由于颗粒较细，细粉含量较多，后期强度明显不足。可以看出，采用实施例制备的低收缩高抗裂水泥具有优异的性能，能够满足铁路工程无砟轨道、隧道二衬和桥梁墩台大体积混凝土应用的需要，能够较好的降低混凝土温升、减少收缩，实现高抗裂的目的。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低收缩高抗裂水泥，其特征在于，以重量百分数计，包括：

粒径为0~5μm的惰性材料，3~10%；

粒径为5μm~10μm的水泥熟料，8~15%；

粒径为10μm~30μm的水泥熟料，45~60%；

粒径为30μm~45μm的水泥熟料，10~20%；

粒径大于45μm的水泥熟料，5~10%；

其中，所述水泥熟料为硅酸盐水泥熟料，矿物组成为C₃S含量30~55%，C₂S含量20~35%，C₃A含量3~8%，C₄AF含量为5~10%。

2.如权利要求1所述的低收缩高抗裂水泥，其特征在于，以重量百分数计，包括：

粒径为0~5μm的惰性材料，5~10%；

粒径为5μm~10μm的水泥熟料，10~15%；

粒径为10μm~30μm的水泥熟料，55~60%；

粒径为30μm~45μm的水泥熟料，14~20%；

粒径大于45μm的水泥熟料，5~6%。

3.如权利要求1或2所述的低收缩高抗裂水泥，其特征在于，所述惰性材料包括石英粉、滑石粉、高岭土粉和碳酸钙粉中的至少一种。

4.如权利要求1或2所述的低收缩高抗裂水泥，其特征在于，所述低收缩高抗裂水泥的比表面积为200m²/kg~330m²/kg，标准稠度用水量为22%~25%。

5.如权利要求1或2所述的低收缩高抗裂水泥，其特征在于，所述低收缩高抗裂水泥的性能包括：

3d水化热＜180kJ/kg，7d水化热＜220kJ/kg；3d抗压强度≥18MPa，7d抗压强度≥25MPa，28d抗压强度≥48MPa，56d抗压强度≥60MPa，90d抗压强度≥65MPa；28d干燥收缩率≤0.04%，56d干燥收缩率≤0.06%。

6.一种如权利要求1~5中任一项所述的低收缩高抗裂水泥的制备方法，其特征在于，包括：

分级粉磨惰性材料和水泥熟料，制得粒径为0~5μm的惰性材料、粒径为5μm~10μm的水泥熟料、粒径为10μm~30μm的水泥熟料、粒径为30μm~45μm的水泥熟料以及粒径大于45μm的水泥熟料；

将上述5级粒径组分按预设配比进行混合，制得低收缩高抗裂水泥。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述分级粉磨为球磨、冲击粉碎磨或气流磨，借助气流分级机，按照分级要求对不同颗粒粒径的粉体进行选粉。

8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述混合的方式为高速混合，混合速度为1000rad/min~2000 rad/min，混合时间为20s~60s。

9.一种如权利要求1~5中任一项所述的低收缩高抗裂水泥的应用，其特征在于，所述低收缩高抗裂水泥用于制备铁路双块式无砟轨道现浇道床板、隧道二衬和桥梁墩台高抗裂混凝土。