CN114835454A - 利用纳米二氧化硅改善大掺量矿渣水泥早期性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用纳米二氧化硅改善大掺量矿渣水泥早期性能的方法，包括如下步骤：1)通过超声分散的方法将纳米二氧化硅在水中进行分散，得到高分散纳米二氧化硅，记为原料A；2)将水泥和矿渣搅拌均匀，记为原料B；3)将原料A、B以及减水剂搅拌均匀制得纳米二氧化硅改性的大掺量矿渣水泥基材料。本发明利用高分散纳米二氧化硅的火山灰活性，对水泥和矿渣的水化促进作用以及对水泥基材料微结构的优化作用，改善了大掺量矿渣水泥的早期性能。所制备的材料具有凝结时间可调、早期强度高、微结构密实等优点，对于加快海工混凝土构筑物的施工进度具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，尤其涉及一种利用纳米二氧化硅改善大掺量矿渣水泥早期性能的方法。
背景技术
海洋环境下氯盐和硫酸盐含量极高，易导致混凝土结构受到侵蚀，严重影响了混凝土结构的服役寿命。目前，通用的技术手段是使用大掺量矿渣取代水泥以提高海工混凝土抗氯盐和抗硫酸盐侵蚀能力。此外，作为工业废弃物，大掺量矿渣的使用减少了水泥用量，能够降低天然矿产资源以及能源的消耗，同时还能够显著地降低碳排放，符合绿色低碳可持续发展的要求。
矿渣是冶炼生铁的副产物，主要成分为CaO、SiO2、Al2O3和MgO。矿渣的水化主要依靠与水泥的水化产物氢氧化钙发生火山灰反应，生成C-S-H和C-A-S-H凝胶。因此，矿渣的早期活性不足。大掺量矿渣的使用使得水泥含量减少，导致早期的水化产物不足。因此，大掺量矿渣水泥的凝结时间过长，早期抗压强度低，早期性能不足，这成为制约大掺量矿渣水泥应用的瓶颈。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种利用纳米二氧化硅改善大掺量矿渣水泥早期性能的方法，解决现有大掺量矿渣水泥早期性能不足的问题。
技术方案：本发明的利用纳米二氧化硅改善大掺量矿渣水泥早期性能的方法，包括如下步骤：
步骤1、纳米二氧化硅和水混合均匀后超声分散，得到高分散纳米二氧化硅，记为原料A；
步骤2、将水泥和矿渣在140±5r/min速度下搅拌2-3min，记为原料B，
步骤3、将原料A、B以及减水剂在140±5r/min速度下搅拌10-15min，制得纳米二氧化硅改性的大掺量矿渣水泥基材料。
进一步地，其原料以重量份计配比如下：纳米二氧化硅1～4份、水泥20～50份、矿渣50～80份、减水剂0.5～2.5份，水30～50份。
进一步地，步骤1中，所述的纳米二氧化硅平均粒径小于100nm。
进一步地，步骤2中，所述水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
进一步地，步骤2中，所述的矿渣为满足现行标准GB/T 18046规定的矿渣。
进一步地，步骤3中，所述减水剂为萘系粉末减水剂，减水率≥25％。
技术原理：纳米二氧化硅具有极小的粒径，巨大的比表面积以及极高的反应活性。当掺加到大掺量矿渣水泥浆体后，纳米二氧化硅能够通过晶核效应促进水泥和矿渣的水化，促进水化产物C-S-H等的生成。纳米二氧化硅具有极高的火山灰效应，能够在早期与氢氧化钙发生反应并生成C-S-H凝胶。此外，纳米二氧化硅以及火山灰反应生成的水化产物能够填充硬化浆体中的孔隙，优化微结构。因此，掺加纳米二氧化硅能够提高大掺量矿渣水泥的早期性能。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明所述的纳米二氧化硅能够显著缩短大掺量矿渣水泥的凝结时间，提高早期强度，改善微结构，对于加快海工混凝土构筑物的施工进度具有重要意义。此外，大掺量矿渣水泥早期性能的改善有助于矿渣掺量的进一步提高，这不仅降低了水泥用量，减少了天然矿产资源的消耗，同时还能够显著降低碳排放，具有积极的环境效益。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案作进一步说明。
对比例1
原材料配比见表1：
表1对比例1的原材料配比
| 原材料 | P·Ⅰ42.5水泥 | 水 |
| 重量份 | 100 | 40 |
制备方法如下：
将P·Ⅰ42.5硅酸盐水泥与水在低速(140±5r/min)下搅拌10分钟制得纯水泥净浆，将浆体浇筑到40×40×40mm的模具中，在20℃环境下养护1天脱模，之后在20℃、95％相对湿度下养护至3天。
对比例2
原材料配比见表2：
表2对比例2的原材料配比
| 原材料 | P·Ⅰ42.5水泥 | S95矿渣 | 水 |
| 重量份 | 40 | 60 | 40 |
制备方法如下：
将P·Ⅰ42.5硅酸盐水泥与S95矿渣低速(140±5r/min)搅拌2min，将搅拌后的干料与水在低速(140±5r/min)下搅拌10分钟制得大掺量矿渣水泥净浆，将浆体浇筑到40×40×40mm的模具中，在20℃环境下养护1天脱模，之后在20℃、95％相对湿度下养护至3天。
对比例3
制备方法同对比例2，原材料配比见表3：
表3对比例3的原材料配比
| 原材料 | P·Ⅰ42.5水泥 | S95矿渣 | 水 |
| 重量份 | 20 | 80 | 40 |
实施例1
原材料配比见表：
表4实施例1的原材料配比
| 原材料 | P·Ⅰ42.5水泥 | S95矿渣 | 纳米二氧化硅 | 萘系减水剂 | 水 |
| 重量份 | 40 | 59 | 1 | 0.8 | 40 |
制备方法如下：
将平均粒径为20nm的纳米二氧化硅和水混合均匀后超声分散，功率200w，频率40kHz，时间20min，得到高分散纳米二氧化硅，记为原料A；将水泥和矿渣低速(140±5r/min)搅拌2min，记为原料B；将原料A、B以及萘系粉末减水剂(用于调整流动度，1％掺量下减水率为25％)在低速(140±5r/min)下搅拌10分钟制得纳米二氧化硅改性的大掺量矿渣水泥净浆。将浆体浇筑到40×40×40mm的模具中，在20℃环境下养护1天脱模，之后在20℃、95％相对湿度下养护至3天。
实施例2
制备方法同实施例1，原材料配比见表5：
表5实施例2的原材料配比
实施例3
制备方法同实施例1，原材料配比见表6：
表6实施例3的原材料配比
| 原材料 | P·Ⅰ42.5水泥 | S95矿渣 | 纳米二氧化硅 | 萘系减水剂 | 水 |
| 重量份 | 20 | 79 | 1 | 0.8 | 40 |
实施例4
制备方法同实施例1，原材料配比见表7：
表7实施例4的原材料配比
| 原材料 | P·Ⅰ42.5水泥 | S95矿渣 | 纳米二氧化硅 | 萘系减水剂 | 水 |
| 重量份 | 20 | 77 | 3 | 2.5 | 40 |
采用维卡仪测试对比例1-3和实施例1-4新拌浆体的凝结时间。测试方法参照现行标准GB/T 1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》。需要说明的是，测试凝结时间的浆体均未使用减水剂，且对比例1-3和实施例1-4的用水量为GB/T1346-2011规定的标准稠度用水量，而非表1-7中所列用水量。
采用万能试验机测试对比例1-3和实施例1-4硬化浆体的3天抗压强度，整个加荷过程中以2.4kN/s±0.2kN/s的速率均匀地加荷直至破坏。
比例1-3和实施例1-4的凝结时间和3天抗压强度见表8：
表8大掺量矿渣水泥的凝结时间和抗压强度
| 样品 | 初凝时间/分钟 | 终凝时间/分钟 | 3天抗压强度/MPa |
| 对比例1 | 180 | 223 | 30.53 |
| 对比例2 | 208 | 274 | 15.94 |
| 对比例3 | 214 | 287 | 13.28 |
| 实施例1 | 185 | 237 | 19.94 |
| 实施例2 | 160 | 201 | 27.08 |
| 实施例3 | 191 | 257 | 17.22 |
| 实施例4 | 170 | 221 | 20.34 |
由对比例1-3的实验结果可知，掺加大掺量矿渣会导致水泥凝结时间显著延长，3天抗压强度明显下降，大掺量矿渣的使用会造成水泥的早期性能显著下降。由对比例2和实施例1-2的实验结果可知，利用纳米二氧化硅能够显著地缩短大掺量矿渣水泥浆体的凝结时间，明显提高了3天抗压强度。由对比例3和实施例3-4的实验结果表明，即使当矿渣掺量达到80％时，纳米二氧化硅依然能够缩短浆体凝结时间，提了3天抗压强度。
上述对比例和实施例表明，纳米二氧化硅对于大掺量矿渣水泥的早期性能具有显著地改善作用。
Claims (6)
1.一种利用纳米二氧化硅改善大掺量矿渣水泥早期性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、纳米二氧化硅和水混合均匀后超声分散，得到高分散纳米二氧化硅，记为原料A；
步骤2、将水泥和矿渣在140±5r/min速度下搅拌2-3min，记为原料B，
步骤3、将原料A、B以及减水剂在140±5r/min速度下搅拌10-15min，制得纳米二氧化硅改性的大掺量矿渣水泥基材料。
2.根据权利要求1所述的利用纳米二氧化硅改善大掺量矿渣水泥早期性能的方法，其特征在于，其原料以重量份计配比如下：纳米二氧化硅1～4份、水泥20～50份、矿渣50～80份、减水剂0.5～2.5份，水30～50份。
3.根据权利要求1所述的利用纳米二氧化硅改善大掺量矿渣水泥早期性能的方法，其特征在于，步骤1中，所述的纳米二氧化硅平均粒径小于100nm。
4.根据权利要求1所述的利用纳米二氧化硅改善大掺量矿渣水泥早期性能的方法，其特征在于，步骤2中，所述水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
5.根据权利要求1所述的利用纳米二氧化硅改善大掺量矿渣水泥早期性能的方法，其特征在于，步骤2中，所述的矿渣为满足现行标准GB/T 18046规定的矿渣。
6.根据权利要求1所述的利用纳米二氧化硅改善大掺量矿渣水泥早期性能的方法，其特征在于，步骤3中，所述减水剂为萘系粉末减水剂，减水率≥25％。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220802 |
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