CN115448621B - 一种铝酸盐水泥基材料强度性能提升的方法 - Google Patents

一种铝酸盐水泥基材料强度性能提升的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种铝酸盐水泥基材料强度性能提升的方法，通过早期低温养护诱导铝酸盐水泥水化形成相转变速率较慢的CAH10，延长其与硅质矿物掺合料溶出的硅的反应时间，促进稳定态C2ASH8和凝胶状AH3形成，同时在碱性激发剂激发作用下，促进硅质矿物掺合料中无定形硅的溶出，进一步促进C2ASH8形成，有效抑制亚稳态CAH10在湿热环境下向稳定态C3AH6转变导致的微观结构粗化、性能下降等负面效应。本发明提供的方法能够有效提升铝酸盐水泥基材料在湿热条件下的性能，显著扩大铝酸盐水泥基材料的应用范围，同时能够促进硅质矿物掺合料在铝酸盐水泥体系中的高效利用。

Description

一种铝酸盐水泥基材料强度性能提升的方法
技术领域
本发明涉及一种铝酸盐水泥基材料强度性能提升的方法，属于特种水泥基材料领域。
技术背景
铝酸盐水泥具有快硬、早强、高强、高抗化学侵蚀性和耐磨性等特性，已被用于抢修工程、地下水管道系统、重金属固化等领域。然而，铝酸盐水泥在常温下水化形成的两种亚稳水化产物CAH10和C2AH8，在湿热环境下不可避免地向稳定态C3AH6转变，前述过程称为亚稳产物相转变，见方程式1和2；亚稳产物相转变过程导致水泥基体孔隙率增加、孔结构粗化、力学性能下降等负面影响，直接影响其安全服役。
3CAH10→C3AH6+2AH3+18H (1)
3C2AH8→2C3AH6+AH3+9H (2)
2CAH10+S→C2ASH8+AH3+9H (3)
C2AH8+S→C2ASH8 (4)
目前，最常用的抑制亚稳产物相转变的方法是掺入高掺量(50％)硅质矿物掺合料，如矿渣粉和硅灰等，通过此类掺合料溶出的无定形硅与亚稳水化产物反应生成C2ASH8，见方程式3和4，进而抑制C3AH6形成。矿渣粉中无定形硅为岛状硅氧四面体，而硅灰和粉煤灰中无定形硅均为网络状硅氧四面体，因此，在碱性溶液中矿渣粉中无定形硅更易溶出，更能高效抑制亚稳产物相转变。但是CAH10向C3AH6转变的速率明显慢于C2AH8，这意味着CAH10与矿渣粉中溶出的硅反应时间更长，有助于C2ASH8形成，更有效抑制C3AH6生成。然而，现有研究主要将矿渣粉复合铝酸盐水泥置于常温(20℃)条件下水化，同时形成CAH10和C2AH8，并未采取调控方法促进CAH10形成，不利于矿渣粉复合铝酸盐水泥基材料性能提升，同时也导致矿渣粉在铝酸盐水泥难以得到高效利用，造成资源浪费。
另外，由于矿渣粉的水化反应活性远低于铝酸盐水泥，其大量掺入将导致复合铝酸盐水泥基材料早期力学性能和孔溶液pH值大幅下降。
公开号为CN106517968A的中国发明专利公开了一种改性铝酸盐水泥，包括以下按质量百分比计的原料：铝酸盐水泥：65～80％；磷酸盐：3～10％；微硅：5～12％；矿渣：10～25％。通过添加磷酸盐，与铝酸盐水泥形成C-A-S-P-H非晶态水化产物，改变水泥石中孔隙液的pH值，降低钙离子浓度，为CAH10、C2AH8在低温水化条件下，但采用该配方制备的水泥早期强度不高，且最终强度也不理想。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种铝酸盐水泥基材料强度强度性能提升的方法，所述铝酸盐水泥基材料包括铝酸盐水泥、硅质矿物掺合料、碱性激发剂和拌合水；
方法包括以下制备步骤：
步骤一：将铝酸盐水泥、硅质矿物掺合料、碱性激发剂和拌合水置于低温环境中静置；
步骤二：将碱性激发剂与拌和水混合并搅拌均匀，制得碱性激发剂水溶液；
步骤三：将铝酸盐水泥和矿渣粉充分混合后，加入碱性激发剂水溶液；
步骤四：充分搅拌后倒入模具中振实成型，抹平水泥浆体成型面后覆盖保鲜膜；
步骤五：将步骤四中的水泥浆体立即置于低温环境养护。
优选的，所述铝酸盐水泥的主要矿物为铝酸一钙(CA)，但同时含有二铝酸一钙(CA2)、硅铝酸二钙(C2AS)和硫酸钙(C4A3$)，粒径分布为：D10≤5μm，D50≤15μm，D90≤100μm，密度为3000-3300kg/m3，比表面积不小于300m2/kg，其化学组成按质量份计：Al2O3 50～60份，CaO 30～40份，SiO2 3～7份。
优选的，所述硅质矿物掺合料为矿渣粉、钢渣粉、煅烧黏土及硅灰中的一种或多种，优选为矿渣粉，所述矿渣粉为粒化高炉矿渣粉，且对应等级大于等于S95，其粒径分布为：D10≤2μm，D50≤10μm，D90≤80μm，密度为2650-2800kg/m3，比表面积大于400～800m2/kg，烧失量≤2％，其化学组成按质量份计：CaO 30～45份，SiO2 27～37份，Al2O3 9～20份，主要由玻璃体组成，其中SiO2为无定形二氧化硅且以Q0型为主。
优选的，所述碱性激发剂包括硫酸钠、硝酸钠、碳酸钠、硅酸钠中的一种或多种。
优选的，所述拌合水的加入量不超过铝酸盐水泥、矿渣粉和碱性激发剂总质量的40％。
本发明的有益效果为：
本发明通过早期低温养护诱导铝酸盐水泥水化形成相转变速率较慢的CAH10，延长其与矿渣溶出硅的反应时间，促进稳定态C2ASH8和凝胶状AH3形成，同时在碱性激发剂激发作用下，促进矿渣粉中无定形硅的溶出，进一步促进C2ASH8形成，有效抑制CAH10在湿热环境下向稳定态C3AH6转变导致的微观结构粗化、性能下降等负面效应。与现有方法相比，本发明提供的方法仅在较低矿渣粉掺量30％下就能够有效抑制C3AH6形成，显著提升铝酸盐水泥基材料在湿热条件下的性能，3d龄期的抗压强度可达到88MPa，60d龄期的抗压强度可达112MPa，同时可以促进矿渣粉等矿物掺合料在铝酸盐水泥体系中的高效利用。
附图说明
图1为实施例4在40℃养护60d龄期的BSE图像；
图2为合成亚稳水化产物CAH10和C2AH8与矿渣粉反应产物的XRD图谱。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例中，铝酸盐水泥的主要矿物为铝酸一钙(CA)，但同时含有二铝酸一钙(CA2)、硅铝酸二钙(C2AS)和硫酸钙(C4A3S)，粒径分布为：D10≤5μm，D50≤15μm，D90≤100μm，密度为3000-3300kg/m3，比表面积不小于300m2/kg，其化学组成按质量百分比计：Al2O3 50～60％，CaO 30～40％，SiO2 3～7％；矿渣粉为粒化高炉矿渣粉，且对应等级大于等于S95，其粒径分布为：D10≤2μm，D50≤10μm，D90≤80μm，密度为2650-2800kg/m3，比表面积为400～800m2/kg，烧失量≤2％，其化学组成按质量百分比计：CaO 30～45％，SiO2 27～37％，Al2O39～20％，主要由玻璃体组成，其中无定形二氧化硅以Q0型为主；碱性激发剂采用分析纯硫酸钠试剂，其掺量为胶凝材料的2.5％，所述凝胶材料包括铝酸盐水泥和矿渣粉；拌合水的加入量为固体粉末总质量的40％，所述固体粉末包括铝酸盐水泥、矿渣粉和硫酸钠试剂。
对比例1
将铝酸盐水泥和拌合水置于10℃环境中静置24h，以便后续水化反应温度的控制。将铝酸盐水泥与拌和水搅拌均匀，倒入尺寸为40×40×40mm3六联模具中振实成型，用铲刀抹平水泥浆体成型面后覆盖PE保鲜膜，再将水泥浆体置于10℃下养护24h后脱模，得到的立方体试块移入40℃水浴中分别继续养护3d和60d，测试其抗压强度和表观孔隙率。
对比例2
与对比例1的区别在于将铝酸盐水泥、矿渣粉和拌合水置于10℃环境中静置24h，以便后续水化反应温度的控制。将铝酸盐水泥和矿渣粉按质量比7：3混合均匀后加入拌和水搅拌均匀。
对比例3
与对比例2的区别在于将铝酸盐水泥和矿渣粉按质量比5：5混合后与拌和水搅拌均匀。
实施例1
将铝酸盐水泥、矿渣粉、硫酸钠试剂和拌合水置于10℃环境中静置24h，以便后续水化反应温度的控制。将铝酸盐水泥、矿渣粉、硫酸钠试剂按质量比70：30：2.5充分混合，加入拌合水搅拌均匀后，倒入尺寸为40×40×40mm3六联模具中振实成型，用铲刀抹平水泥浆体成型面后覆盖PE保鲜膜，再将水泥浆体置于10℃下养护24h后脱模，得到的立方体试块移入40℃水浴中分别继续养护3d和60d，测试其抗压强度和表观孔隙率。
实施例2
将铝酸盐水泥、矿渣粉、硫酸钠试剂和拌合水置于15℃环境中静置24h，以便后续水化反应温度的控制。将铝酸盐水泥、矿渣粉、硫酸钠试剂按质量比70：30：2.5充分混合，加入拌合水搅拌均匀后，倒入尺寸为40×40×40mm3六联模具中振实成型，用铲刀抹平水泥浆体成型面后覆盖PE保鲜膜，再将水泥浆体置于15℃下养护24h后脱模，得到的立方体试块移入40℃水浴中分别继续养护3d和60d，测试其抗压强度和表观孔隙率。
实施例3
将铝酸盐水泥、矿渣粉、硫酸钠试剂和拌合水置于19℃环境中静置24h，以便后续水化反应温度的控制。将铝酸盐水泥、矿渣粉、硫酸钠试剂按质量比70：30：2.5充分混合，加入拌合水搅拌均匀后，倒入尺寸为40×40×40mm3六联模具中振实成型，用铲刀抹平水泥浆体成型面后覆盖PE保鲜膜，再将水泥浆体置于19℃下养护24h后脱模，得到的立方体试块移入40℃水浴中分别继续养护3d和60d，测试其抗压强度和表观孔隙率。
实施例4
将铝酸盐水泥、矿渣粉、硫酸钠试剂和拌合水置于25℃环境中静置24h，以便后续水化反应温度的控制。将铝酸盐水泥、矿渣粉、硫酸钠试剂按质量比70：30：2.5充分混合，加入拌合水搅拌均匀后，倒入尺寸为40×40×40mm3六联模具中振实成型，用铲刀抹平水泥浆体成型面后覆盖PE保鲜膜，再将水泥浆体置于25℃下养护24h后脱模，得到的立方体试块移入40℃水浴中分别继续养护3d和60d，测试其抗压强度和表观孔隙率。
抗压强度测试方法参照GB/T 17671-1999，加载速率为0.6kN/s；表观孔隙率测试方法参照ASTM C380-00，采用煤油作为浸渍液。
表1各组分配合比与早期养护温度
配比 对比例1 对比例2 对比例3 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
铝酸盐水泥 100 70 50 70 70 70 70
矿渣粉 30 50 30 30 30 30
硫酸钠 2.5 2.5 2.5 2.5
早期养护温度 10℃ 10℃ 10℃ 10℃ 15℃ 20℃ 25℃
表2抗压强度和表观孔隙率数据
Figure BDA0003857281600000061
从表2中对比例1～3可以看出，在40℃湿热养护条件下，纯铝酸盐水泥浆体早期(3d)强度高达96MPa，但后期(60d)水泥浆体孔隙率明显增加导致强度出现大幅倒缩。掺入矿渣粉通过形成C2ASH8能够部分抑制后期强度倒缩，但矿渣粉水化反应活性相对较低，导致复合水泥浆体早期强度随着矿渣粉掺量增加而明显下降。对比实施例1和对比例3可以看出，硫酸钠的掺入能够有效促进早期和后期强度提升，主要由于碱性激发剂的存在能够提高水泥浆体孔溶液pH值，促进矿渣中无定型硅溶出并与早期低温水化形成的CAH10反应形成稳定产物C2ASH8和凝胶状AH3，有助于水泥基体致密微结构的形成和强度提升见附图1。对比实施例1～4可以得出，早期低温养护有利于复合水泥浆体孔隙率降低和强度提升。在10℃和25℃养护条件下，铝酸盐水泥分别水化形成CAH10和C2AH8。与C2AH8相比，CAH10与矿渣中溶出的硅反应更能促进C2ASH8形成，有效抑制C3AH6生成，见附图2。因此，矿渣粉复合铝酸盐水泥基材料通过早期低温诱导形成CAH10，并在碱性激发剂激发作用下，促进矿渣粉中无定型硅溶出并与CAH10反应形成稳定态C2ASH8和凝胶状AH3，实现C3AH6高效抑制，有助于矿渣粉复合铝酸盐水泥基材料性能的提升。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种铝酸盐水泥基材料强度性能提升的方法，其特征在于，铝酸盐水泥基材料包括铝酸盐水泥、硅质矿物掺合料、碱性激发剂和拌合水；
方法包括以下制备步骤：
步骤一：将铝酸盐水泥、硅质矿物掺合料、碱性激发剂和拌合水置于低温环境中静置；
步骤二：将碱性激发剂与拌和水混合并搅拌均匀，制得碱性激发剂水溶液；
步骤三：将铝酸盐水泥和硅质矿物掺合料充分混合后，加入碱性激发剂水溶液；
步骤四：充分搅拌后成型，抹平水泥浆体成型面后覆盖保鲜膜；
步骤五：将步骤四中的水泥浆体立即置于低温养护环境中养护；所述低温养护环境是指养护温度范围为5～19℃，湿度大于96％。
2.根据权利要求1所述的铝酸盐水泥基材料强度性能提升的方法，其特征在于，所述铝酸盐水泥的主要矿物为铝酸一钙，同时含有二铝酸一钙、硅铝酸二钙和硫酸钙，粒径分布为：D10≤5μm，D50≤15μm，D90≤100μm，密度为3000-3300kg/m3，比表面积不小于300m2/kg，粒径1～80μm，其化学组成按质量份计：Al2O3 50～60份，CaO 30～40份，SiO2 3～7份。
3.根据权利要求1所述的铝酸盐水泥基材料强度性能提升的方法，其特征在于，所述硅质矿物掺合料为矿渣粉、钢渣粉、煅烧黏土及硅灰中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的铝酸盐水泥基材料强度性能提升的方法，其特征在于，所述碱性激发剂包括硫酸钠、硝酸钠、碳酸钠、硅酸钠中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的铝酸盐水泥基材料强度性能提升的方法，其特征在于，步骤五中所述低温养护环境是指养护温度为15℃，湿度大于96％。
6.根据权利要求1所述的铝酸盐水泥基材料强度性能提升的方法，其特征在于，所述硅质矿物掺合料为粒化高炉矿渣粉，主要由玻璃体组成，其对应等级大于等于S95，其粒径分布为：D10≤2μm，D50≤10μm，D90≤80μm，密度为2650-2800kg/m3，比表面积大于400～800m2/kg，烧失量≤2％，其化学组成按质量份计：CaO 30～45份，SiO2 27～37份，Al2O3 9～20份，所述SiO2以Q0型为主。
7.根据权利要求1所述的铝酸盐水泥基材料强度性能提升的方法，其特征在于，拌合水的加入量不超过铝酸盐水泥、硅质矿物掺合料和碱性激发剂总质量的40％。
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