CN116715455A - 一种高抗裂型低热硅酸盐水泥及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高抗裂型低热硅酸盐水泥及其制备方法。属于建筑材料技术领域。按重量份计包括：81‑92份水泥熟料2‑7份石膏和1‑4份激发剂，还包括5‑17份调节材料；所述水泥熟料中矿物成分按重量百分比包含30‑40%的硅酸三钙、35‑45%的硅酸二钙、3‑8%的铝酸三钙和14‑17%的铁铝酸四钙，所述调节材料按重量百分比计包括：35‑46%的膨润土、31‑40%高吸水性树脂、10‑23%空心玻璃微珠和6‑18%醇胺助剂。本发明可实现低热硅酸盐水泥综合性能的显著提升，以降低严酷复杂环境下混凝土开裂风险。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高抗裂型低热硅酸盐水泥及其制备方法。
背景技术
低热硅酸盐水泥以硅酸二钙（C2S）为主导矿物，具有低水化热、高后期强、高耐侵蚀等性能特点，适用于水工大体积混凝土工程建设，对降低混凝土绝热温升效果显著，已经大规模应用于乌东德、白鹤滩等水工大坝建设，同时低热硅酸盐水泥也适用于铁路和公路工程中桥梁墩台塔柱、隧道衬砌等大体积混凝土构筑物。
随着我国重大工程建设向西部高原高海拔地区延伸，工程地处环境条件逐渐严酷并复杂，昼夜温差大、日照辐射强、常年干燥等环境突显，在此复杂条件下，水电、铁路和公路等混凝土易出现体积收缩变形大、水分散失快等导致混凝土结构易开裂、耐久性差等工程难题尤为突出。因此，如何全面提升低热硅酸盐水泥的低收缩和保水性能等综合性能，从而提升复杂环境条件下混凝土的抗裂性能，以满足我国重大工程高质量高耐久建设需求，成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对以上技术问题，提供了一种在严酷复杂环境下显著降低混凝土开裂风险的高抗裂型低热硅酸盐水泥及其制备方法。
本发明的技术方案是：按重量份计包括：81-92份水泥熟料2-7份石膏和1-4份激发剂，还包括5-17份调节材料；
所述水泥熟料中矿物成分按重量百分比包含30-40%的硅酸三钙、35-45%的硅酸二钙、3-8%的铝酸三钙和14-17%的铁铝酸四钙，
所述调节材料按重量百分比计包括：35-46%的膨润土、31-40%高吸水性树脂、10-23%空心玻璃微珠和6-18%醇胺助剂。
进一步地，所述石膏为天然石膏、脱硫石膏、磷石膏中的一种或多种复配。
进一步地，所述激发剂为纳米Al2O3、纳米SiO2的一种或多种，其尺寸范围在20~80nm。
进一步地，所述膨润土的比表面积≥600m2/kg。
进一步地，所述高吸水性树脂的有效保水率≥90%，吸液倍率≥25。
进一步地，所述膨润土和高吸水性树脂质量之比为1.2-1.5。
进一步地，所述空心玻璃微珠的真实密度为0.3~0.6g/cm3，粒径为50~150μm，抗压强度≥60MPa。
进一步地，所述醇胺助剂为二乙醇胺、二甲基乙醇胺、二异丙醇胺、三乙醇胺中的一种或多种复配。
进一步地，高抗裂型低热硅酸盐水泥的3d水化热≤200kj/kg，7d水化热≤230kj/kg，3d抗压强度≥22MPa，7d抗压强度≥30MPa，28d抗压强度≥50MPa，28d干缩率≤0.045%。
本发明一种高抗裂型低热硅酸盐水泥的制备方法，包括以下制备步骤，
1）、按重量百分比取膨润土、高吸水性树脂、空心玻璃微珠和醇胺助剂加入到去离子水中搅拌均匀，得到混合溶液；
2）、将步骤1得到的混合溶液加热蒸发水分后，放置真空干燥箱中充分干燥，得到所需的调节材料；
3）、按重量份取步骤2）得到的调节材料，以及水泥熟料、石膏和激发剂共同粉磨至比表面积300-350m2/kg，得到高抗裂型低热硅酸盐水泥。
本发明改变了传统硅酸盐水泥的组成模式，
首先，采用了纳米级的激发剂，有效诱发水泥熟料矿物的活性，加速水化反应，从而显著提高水泥强度。
其次，创新性地研制出水泥材料的“多维调节剂”，即由“膨润土、高吸水性树脂、空心玻璃微珠和醇胺助剂”组成的调节材料。利用膨润土的吸附性能，有效锁水，减少干燥环境下水分的损失速率，降低水泥因干燥失水而引起的收缩；利用高吸水性树脂吸水、“蓄水”的特性，在水泥浆溶液中起前期保水后期释水的作用；利用空心玻璃微珠导热系数低、强度高的特性，一是使其吸附在水泥微粒上，实现强度作用；二是在环境温差、湿度出现较大变化时，降低水泥砂浆或混凝土内部与外界环境的热量交换，有效降低因大温差和干燥环境导致水泥砂浆或混凝土水分的散失；利用醇胺助剂发挥络合作用，促进水泥矿物的水化反应，提升早期强度，同时还可以降低水泥浆孔溶液的表面张力，从而降低因水泥水化孔溶液减少产生的收缩应力，进而降低水泥干燥收缩率。
最后，在本发明的制备过程中，调节材料与水泥熟料和激发剂共同粉磨时，调节材料的三维结构将会被破坏成半三维结构，并可以均匀分布在水泥颗粒周围，形成四维双尺度（微米-纳米）紧密堆积结构，在配制水泥砂浆或混凝土时，水泥遇水后，空心玻璃微珠打开通道，一部分水会被膨润土和高吸水性树脂按照一定比例吸附锁住，一部分游离在孔隙中，随着激发剂和醇胺助剂促进水泥水化反应的发生，水泥强度不断发展。当水泥砂浆或混凝土处于大温差和干燥环境等环境中，空心玻璃微珠将会关闭通道降低水分散失，在水分不足情况下，1.2-1.5质量比的膨润土和高吸水性树脂将根据熟料矿物的水化速率进行调节，按照一定的速率释放出水分供水泥继续发生水化硬化反应，水泥强度持续增加。
本发明可实现低热硅酸盐水泥综合性能的显著提升，以降低严酷复杂环境下混凝土开裂风险。
具体实施方式
本发明的高抗裂型低热硅酸盐水泥：按重量份计包括：81-92份水泥熟料2-7份石膏和1-4份激发剂，还包括5-17份调节材料；
水泥熟料中矿物成分按重量百分比包含30-40%的硅酸三钙、35-45%的硅酸二钙、3-8%的铝酸三钙和14-17%的铁铝酸四钙，
调节材料按重量百分比计包括：35-46%的膨润土、31-40%高吸水性树脂、10-23%空心玻璃微珠和6-18%醇胺助剂。
石膏为天然石膏、脱硫石膏、磷石膏中的一种或多种复配。
激发剂为纳米Al2O3、纳米SiO2的一种或多种，其尺寸范围在20~80nm。纳米级的激发剂在其中发挥纳米效应，具有很高的表面活性，可有效诱发水泥熟料矿物加速与水发生水化反应，从而显著提高水泥强度。
膨润土的比表面积≥600m2/kg。膨润土具有良好的物理化学性能，其较强的吸附性能可有效锁水减少干燥环境下水分的损失速率，降低水泥因干燥失水而引起的收缩。
高吸水性树脂的有效保水率≥90%，吸液倍率≥25。高吸水性树脂是具有一定交联程度的高聚物，具有亲水基团、能大量吸收水分而溶胀又能保持住水分不外流，在碱性环境中，可缓慢释放水分，因此在水泥浆溶液中能够起到前期保水后期释水的作用。
膨润土和高吸水性树脂质量之比为1.2-1.5。尽管在本发明的基础方案限定了调节材料中膨润土、高吸水性树脂、空心玻璃微珠和醇胺助剂的质量百分比比例，但发明人进一步研究发现：当膨润土和高吸水性树脂的质量之比为1.2-1.5时，所制备的调节材料可根据低热硅酸盐水泥熟料主要矿物硅酸二钙的水化速率进行调节，按照一定的速率释放水泥水化所需的水分。
空心玻璃微珠的真实密度为0.3~0.6g/cm3，粒径为50~150μm，抗压强度≥60MPa。空心玻璃微珠具有质量轻、导热系数低、强度高和良好的化学稳定性等优点，因其较高的抗压和抗冲击性能，对水泥强度的持续发展不会带来负面影响，同时因其粒度比水泥小很多并产生静电吸附作用，当与水泥颗粒混合时，可以填充在水泥颗粒之间并包裹在水泥颗粒周围。因其具有较低的导热系数，当外界温湿度变化较大时，可降低水泥砂浆或混凝土内部与外界环境的热量交换，有效降低因大温差和干燥环境导致水泥砂浆或混凝土水分的散失。
醇胺助剂为二乙醇胺、二甲基乙醇胺、二异丙醇胺、三乙醇胺中的一种或多种复配。发挥络合作用可以促进水泥矿物的水化反应提升水泥早期强度，同时还可以降低水泥浆孔溶液的表面张力，从而降低因水泥水化孔溶液减少产生的收缩应力，进而降低水泥干燥收缩率。
本发明制得的高抗裂型低热硅酸盐水泥的3d水化热≤200kj/kg，7d水化热≤230kj/kg，3d抗压强度≥22MPa，7d抗压强度≥30MPa，28d抗压强度≥50MPa，28d干缩率≤0.045%。
本发明一种高抗裂型低热硅酸盐水泥的制备方法，包括以下制备步骤，
1）、按重量百分比取膨润土、高吸水性树脂、空心玻璃微珠和醇胺助剂加入到去离子水中搅拌均匀，得到混合溶液；
2）、将步骤1得到的混合溶液加热蒸发水分后，放置真空干燥箱中充分干燥，得到所需的调节材料；
3）、按重量份取步骤2）得到的调节材料，以及水泥熟料、石膏和激发剂共同粉磨至比表面积300-350m2/kg，得到高抗裂型低热硅酸盐水泥。
将膨润土、高吸水性树脂、空心玻璃微珠和醇胺助剂在去离子水中搅拌混合均匀后再去除水分，可以得到三维紧密结构的调节材料，即膨润土颗粒和高吸水性树脂在内层，外层为空心玻璃微珠，而醇胺助剂填充在二者之间。
再将调节材料与水泥熟料和激发剂共同粉磨时，调节材料的三维结构将会被破坏成半三维结构，并可以均匀分布在水泥颗粒周围，形成四维双尺度（微米-纳米）紧密堆积结构，即水泥颗粒在最内层，膨润土颗粒和高吸水性树脂在中间层，空心玻璃微珠在最外层，激发剂填充于水泥颗粒和膨润土颗粒之间并且与醇胺助剂相邻。
通过以上结构在配制水泥砂浆或混凝土时，水泥遇水后，空心玻璃微珠打开通道，一部分水会被膨润土和高吸水性树脂按照一定比例吸附锁住，一部分游离在孔隙中，随着激发剂和醇胺助剂促进水泥水化反应的发生，水泥强度不断发展。当水泥砂浆或混凝土处于大温差和干燥环境等环境中，空心玻璃微珠将会关闭通道降低水分散失，在水分不足情况下，1.2-1.5质量比的膨润土和高吸水性树脂将根据熟料矿物的水化速率进行调节，按照一定的速率释放出水分供水泥继续发生水化硬化反应，水泥强度持续增加。
实施例1
一种高抗裂型低热硅酸盐水泥，以质量份计的组成为：90份水泥熟料、5份调节材料、3份石膏和2份激发剂，其中调节材料的组成为按质量百分比计：膨润土43%、高吸水性树脂35%、空心玻璃微珠13%和醇胺助剂9%，在去离子水中搅拌混合均匀后再去除水分获得。
实施例2
一种高抗裂型低热硅酸盐水泥，以质量份计的组成为：85份水泥熟料、10份调节材料、4份石膏和1份激发剂， 其中调节材料的组成为按质量百分比计：膨润土40%、高吸水性树脂33%、空心玻璃微珠15%和醇胺助剂12%，在去离子水中搅拌混合均匀后再去除水分获得。
实施例3
一种高抗裂型低热硅酸盐水泥，以质量份计的组成为：80份水泥熟料、15份调节材料、2份石膏和3份激发剂，其中调节材料的组成为按质量百分比计：膨润土38%、高吸水性树脂32%、空心玻璃微珠19%和醇胺助剂11%，在去离子水中搅拌混合均匀后再去除水分获得。
应用本领域常规检测方法对实施例1-3的高抗裂型低热硅酸盐水泥进行性能测试，结果见表1。
表1高抗裂型低热硅酸盐水泥性能测试结果
通过实验数据可见，本发明的高抗裂型低热硅酸盐水泥3d水化热≤200kj/kg，7d水化热≤230kj/kg，3d抗压强度≥22MPa，7d抗压强度≥30MPa，28d抗压强度≥50MPa，28d干缩率≤0.045%，均优于普通低热硅酸盐水泥，实现了本发明的预期目标。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高抗裂型低热硅酸盐水泥，按重量份计包括：81-92份水泥熟料2-7份石膏和1-4份激发剂，其特征在于，还包括5-17份调节材料；
所述水泥熟料中矿物成分按重量百分比包含30-40%的硅酸三钙、35-45%的硅酸二钙、3-8%的铝酸三钙和14-17%的铁铝酸四钙，
所述调节材料按重量百分比计包括：35-46%的膨润土、31-40%高吸水性树脂、10-23%空心玻璃微珠和6-18%醇胺助剂。
2.根据权利要求1所述的一种高抗裂型低热硅酸盐水泥，其特征在于，所述石膏为天然石膏、脱硫石膏、磷石膏中的一种或多种复配。
3.根据权利要求1所述的一种高抗裂型低热硅酸盐水泥，其特征在于，所述激发剂为纳米Al2O3、纳米SiO2的一种或多种，其尺寸范围在20~80nm。
4.根据权利要求1所述的一种高抗裂型低热硅酸盐水泥，其特征在于，所述膨润土的比表面积≥600m2/kg。
5.根据权利要求1所述的一种高抗裂型低热硅酸盐水泥，其特征在于，所述高吸水性树脂的有效保水率≥90%，吸液倍率≥25。
6.根据权利要求1所述的一种高抗裂型低热硅酸盐水泥，其特征在于，所述膨润土和高吸水性树脂质量之比为1.2-1.5。
7.根据权利要求1所述的一种高抗裂型低热硅酸盐水泥，其特征在于，所述空心玻璃微珠的真实密度为0.3~0.6g/cm3，粒径为50~150μm，抗压强度≥60MPa。
8.根据权利要求1所述的一种高抗裂型低热硅酸盐水泥，其特征在于，所述醇胺助剂为二乙醇胺、二甲基乙醇胺、二异丙醇胺、三乙醇胺中的一种或多种复配。
9.根据权利要求1-8中任一所述的一种高抗裂型低热硅酸盐水泥，其特征在于，高抗裂型低热硅酸盐水泥的3d水化热≤200kj/kg，7d水化热≤230kj/kg，3d抗压强度≥22MPa，7d抗压强度≥30MPa，28d抗压强度≥50MPa，28d干缩率≤0.045%。
10.一种高抗裂型低热硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤，
1）、按重量百分比取膨润土、高吸水性树脂、空心玻璃微珠和醇胺助剂加入到去离子水中搅拌均匀，得到混合溶液；
2）、将步骤1得到的混合溶液加热蒸发水分后，放置真空干燥箱中充分干燥，得到所需的调节材料；
3）、按重量份取步骤2）得到的调节材料，以及水泥熟料、石膏和激发剂共同粉磨至比表面积300-350m2/kg，得到高抗裂型低热硅酸盐水泥。
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