CN118221418A - 冷施工水泥基胶凝材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种冷施工水泥基胶凝材料及其制备方法与应用，通过采用复合水泥和超细矿物掺合料，并添加快硬剂、增效剂、纳米C‑S‑H晶核构成水化体系，并通过对原料组成进行调配，配合减水剂、内养护剂、缓凝剂作为外加剂，制备得到适用于低负温环境下可进行施工的冷施工水泥基胶凝材料，可解决‑20至‑30℃条件下胶凝材料性能发展缓慢的问题，冷施工技术可避免现场采用额外的保温措施，可用于在超低温环境下的建筑作业活动。
Description
技术领域
本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种冷施工水泥基胶凝材料及其制备方法与应用。
背景技术
高海拔、高寒地区为低负温环境，其中寒冷地区的最低月平均温度在-10℃-0℃，严寒地区甚至达到了≤-10℃。水泥基胶凝材料是超低温混凝土制备的关键组成，胶凝材料的早期性能发展决定了超低温混凝土的应用效果。在上述寒冷地区的冬季，长期的低温对混凝土的制备与施工造成了很大的影响，主要表现为负温环境下主要体现在拌合溶液结冰妨碍物料拌合以及浆体结冰破坏结构发展，导致强度降低，耐久性变差。
防冻剂和胶凝材料是超低温混凝土制备的两个关键因素，针对负温混凝土施工现有专利技术，采用不同种类防冻剂是必要手段，常用的氯盐和硝酸盐类(CN103496907A)防冻剂会显著影响钢筋混凝土的耐久性有机类防冻剂虽然效果比氯盐和硝酸盐类防冻剂差一些，但是对混凝土的耐久性几乎无影响。
物料预热、热水拌合或蒸汽养护、外加剂促凝增强等措施是当前冬期施工主要采取的技术方法，其成本较高且工艺繁琐。冷施工技术除溶液需做额外防冻措施外，其它与常温施工技术相同，可显著提高低负温环境下的施工效率，适用于我国东北及西北高原等寒冷地区。拌合溶液是冷施工技术的关键，其既要保证溶液自身及拌合试样在负温环境中不结冰，还要触发水泥水化反应并能支撑反应持续进行。适合的防冻剂可以达到上述效果。
胶凝材料是混凝土强度发展的主要贡献者，选取自身的水化早期放热量高，反应速率快的胶凝材料，例如硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥、磷酸盐水泥以及碱激发胶凝材料等在有机类防冻剂和化学外加剂的辅助下有望解决超低温混凝土的制备与施工难题，同时可以采用冷施工技术，避免现场额外的保温措施，可显著节省工期和建设成本。
然而，现有技术大多仅能解决-10℃以上低温环境的施工难题，且需要添加防冻剂，采用保温等措施，对于更低温度例如-20℃左右的施工环境则无法进行施工，虽然现有技术CN116854438A公开一种风电钢混塔架用超低温座浆料，可在-20℃条件下进行施工，然而其适用于风电基础安装，浆料无流动性，并不适用于其他工程施工场合，且并未公开重要组分非晶态铝酸钙的具体制备方法，高贝丽特硫铝酸盐水泥价格高，对于低于-20℃的更低温度能否满足施工需要还需进行进一步创新。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种冷施工水泥基胶凝材料及其制备方法与应用，具体的，本发明采用复合水泥和超细矿物掺合料，并添加快硬剂、增效剂、纳米C-S-H晶核构成水化体系，并通过对原料组成进行调配，配合减水剂、内养护剂、缓凝剂作为外加剂，制备得到适用于低负温环境下可进行施工的冷施工水泥基胶凝材料，可解决-20至-30℃条件下胶凝材料性能发展缓慢的问题，冷施工技术可避免现场采用额外的保温措施，可用于在超低温环境下的建筑作业活动。
具体的，本发明冷施工水泥基胶凝材料，由固相材料和液相材料按质量比(8-12):3组成。
其中，所述固相材料由以下重量份原料组成：水泥40-60份，快硬剂1-20份，超细矿物掺合料1-20份，增效剂0.1-10份，纳米C-S-H晶核0.1-10份，减水剂0.01-0.2份，内养护剂0.01-0.3份，缓凝剂0.02-0.5份。
更优选的，所述固相材料由以下重量份原料组成：水泥40-60份，快硬剂10-20份，超细矿物掺合料10-20份，增效剂1-10份，纳米C-S-H晶核1-10份，减水剂0.1-0.2份，内养护剂0.1-0.3份，缓凝剂0.2-0.5份。
优选的，所述水泥为磨细72.5级硫铝酸盐水泥与磨细52.5级白色硅酸盐水泥质量比(5-6.5):(3.5-5.5)的混合物。
更优选的，所述磨细72.5级硫铝酸盐水泥比表面积为650-700m2/kg，无水硫铝酸钙的含量不低于65％，贝利特含量不高于25％。
更优选的，所述磨细52.5级白色硅酸盐水泥比表面积为550-650m2/kg，阿利特不低于70％，贝利特含量不高于15％。
本发明采用复合水泥作为主要胶凝材料，磨细72.5级硫铝酸盐水泥早期水化放热速率高，磨细52.5级白色硅酸盐水泥水化提高硬化浆体的碱度，促进硫铝酸盐水泥中贝利特的低温水化。
优选的,所述快硬剂为质量比(7-7.5):(2.5-3.5)混合物。
更优选的，所述快硬剂比表面积为800-850cm2/g，所述非晶态铝酸钙矿物制备工艺为：将CaO和A l 2O3以质量比1:0.9-1.2均匀混合，于1500-1700℃煅烧，然后将熔融的液相通过压缩空气降温到1180-1200℃，再用水冷却到室温，粉磨至450-500cm2/g，即得。本发明特殊制备工艺制备得到的矿物为非晶态物质，与现有技术中的铝酸钙不同，现有技术中采用的铝酸钙C3A、C12A7等均为晶体物质，而本发明制备工艺可以使铝酸钙达到非晶态的目的，非晶率达到95％以上，非晶态物质由于其内部晶体排列不规则，结构长程无序，活性比对应的晶体物质更高，水化活性更高。
更优选的，将非晶态铝酸钙矿物和硬石膏按比例混合后，通过气流磨超细粉磨得到快硬剂。
优选的，超细矿物掺合料为矿粉和煅烧煤矸石质量比为(6-6.5):(3.5-4.5)的混合物。
优选的，所述煅烧煤矸石为煤矸石煅烧温度为800-850℃。煤矸石经过高温煅烧后自身反应活性较高，跟矿粉复合后具有较好的早期活性。
更优选的，所述超细矿物掺合料比表面积为1000cm2/g。更优选的，超细矿物掺合料经气流磨粉磨制得。
优选的，所述增效剂为超细氧化铝渣粉。
更优选的，所述超细氧化铝渣粉制备工艺为：将氧化铝渣粉磨至比表面积700-800cm2/g，即得。本发明添加经粉磨后制备的超细氧化铝渣粉对胶凝材料体系进行增强，一是超细氧化铝渣粉颗粒尺寸较小，比表面积大，可以起到填充胶凝空隙的作用，使硬化浆体更加密实，二是在非晶态铝酸钙矿物和硬石膏二元胶凝体系早期水化放热量高，高温时，超细氧化铝渣粉会与胶凝体系中的自由水反应生成水化铝酸钙凝胶产物，促进水化浆体早期力学性能的发展。
优选的，C-S-H晶核为聚合物共沉淀法合成纳米材料。
优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂，更优选的，所述减水剂为粉剂。
优选的，所述内养护材料为SAP吸水树脂颗粒，粒径为0.1-0.3mm。
优选的，所述缓凝剂为酒石酸和硼酸质量比1:(1.0-1.5)的混合物。
优选的，所述液相材料为甲醇、乙二醇和水质量比为1:3:(6-10)的混合物。本发明添加甲醇和乙二醇，研究表明，两者与水组成的拌合溶液可以充分保证-30℃条件还能触发水泥水化反应并能支撑反应持续进行。
本发明还涉及上述冷施工水泥基胶凝材料的制备方法，具体的，包括如下步骤：
1)按质量称取各原料，
2)将各原料混合，分别得液相材料和固相材料，
3)将液相材料和固相材料混合均匀，即得。
本发明还涉及上述冷施工水泥基胶凝材料在低负温环境下施工的应用，优选的，所述低负温环境为-20至-30℃。
本发明具有以下技术优势：
1)采用磨细72.5级硫铝酸盐水泥与磨细52.5级白色硅酸盐水泥作为主要胶凝材料，配合矿粉和煅烧煤矸石作为超细矿物掺合料，辅以非晶态铝酸钙矿物与硬石膏组成的快硬剂，超细氧化铝渣粉作为增效剂，并添加C-S-H晶核，提供充足水化成分和促进成分；
2)采用减水剂降低用水量，添加内养护剂实现水化过程持续补水，缓凝剂可调节凝结时间，满足胶凝材料施工性能；
3)采用甲醇和乙二醇对水进行改性得到液相材料，可以充分保证-30℃条件还能触发水泥水化反应并能支撑反应持续进行；
4)本发明冷施工水泥基胶凝材料制备工艺简单，存储方便，施工可靠；
5)本发明冷施工水泥基胶凝材料可满足-20℃以下环境施工需要，无需进行保温措施，无需添加防冻组分，不存在氯离子等有害成分。
具体实施方式
为表征本发明技术效果，制备冷施工水泥基胶凝材料，并对其性能进行检测。其中，初始流动度检测环境温度设定为-25℃，试件成型养护至规定龄期进行抗压强度和抗折强度检测，-1d表示在-25℃环境中养护1d，-3d表示在-25℃环境中养护3d，-7d+21d表示在-25℃环境中养护7d再转入标准条件养护21d。
所用原料中，磨细72.5级硫铝酸盐水泥比表面积为680m2/kg，磨细52.5级白色硅酸盐水泥比表面积为600m2/kg，快硬剂比表面积为800cm2/g，非晶态铝酸钙矿物制备工艺为：将CaO和Al2O3以质量比1:1.1均匀混合，于1700℃煅烧，然后将熔融的液相通过压缩空气降温到1200℃，再用水冷却到室温，粉磨至490cm2/g，即得，超细矿物掺合料比表面积为1000cm2/g，超细氧化铝渣粉比表面积780cm2/g，减水剂为聚羧酸粉体减水剂，所述内养护材料为SAP吸水树脂颗粒，粒径为0.1-0.3mm。
实施例1
冷施工水泥基胶凝材料，由固相材料和液相材料按质量比12:3组成；
所述固相材料由以下重量份原料组成：水泥50份，快硬剂18份，超细矿物掺合料16份，增效剂10份，纳米C-S-H晶核7份，减水剂0.12份，内养护剂0.1份，缓凝剂0.3份，水泥为磨细72.5级硫铝酸盐水泥与磨细52.5级白色硅酸盐水泥质量比6.5:3.5的混合物,快硬剂为非晶态铝酸钙矿物与硬石膏质量比7.5:2.5混合物，超细矿物掺合料为矿粉和煅烧煤矸石质量比为6:4的混合物，增效剂为超细氧化铝渣粉，缓凝剂为酒石酸和硼酸质量比1:1.1的混合物；
所述液相材料为甲醇、乙二醇和水质量比为1:3:10的混合物。
经检测，-25℃条件下，浆体初始流动度252mm，和易性良好，-1d抗压强度23.5MPa，-3d抗压强度42.6MPa，-7d+21d抗压强度78.4MPa，-7d+21d抗折强度8.4MPa。
实施例2
冷施工水泥基胶凝材料，由固相材料和液相材料按质量比9:3组成；
所述固相材料由以下重量份原料组成：水泥45份，快硬剂17份，超细矿物掺合料15份，增效剂8份，纳米C-S-H晶核10份，减水剂0.1份，内养护剂0.15份，缓凝剂0.25份，所述水泥为磨细72.5级硫铝酸盐水泥与磨细52.5级白色硅酸盐水泥质量比6.5:3.5的混合物,所述快硬剂为非晶态铝酸钙矿物与硬石膏质量比7.5:2.5混合物，超细矿物掺合料为矿粉和煅烧煤矸石质量比为6:4的混合物，所述增效剂为超细氧化铝渣粉，缓凝剂为酒石酸和硼酸质量比1:1.2的混合物；
所述液相材料为甲醇、乙二醇和水质量比为1:3:8的混合物。
经检测，-25℃条件下，浆体初始流动度250mm，和易性良好，-1d抗压强度26.0MPa，-3d抗压强度38.9MPa，-7d+21d抗压强度71.5MPa，-7d+21d抗折强度7.8MPa。
对比例1
水泥基胶凝材料，由固相材料和液相材料按质量比9:3组成；
所述固相材料由以下重量份原料组成：水泥45份，快硬剂17份，超细矿物掺合料23份，纳米C-S-H晶核10份，减水剂0.1份，内养护剂0.15份，缓凝剂0.25份，所述水泥为52.5级硫铝酸盐水泥与42.5级普通硅酸盐水泥质量比6.5:3.5的混合物,所述快硬剂为C3A矿物与硬石膏质量比7.5:2.5混合物，超细矿物掺合料为矿粉和煅烧煤矸石质量比为6:4的混合物，缓凝剂为酒石酸和硼酸质量比1:1.2的混合物；
所述液相材料为甲醇、乙二醇和水质量比为1:3:8的混合物。
经检测，-25℃条件下，浆体初始流动度200mm，-1d抗压强度7.2MPa，-3d抗压强度10.1MPa，-7d+21d抗压强度37.4MPa，-7d+21d抗折强度2.3MPa。
对比例2
水泥基胶凝材料，由固相材料和液相材料按质量比9:3组成；
所述固相材料由以下重量份原料组成：水泥45份，超细矿物掺合料32份，增效剂18份，减水剂0.1份，内养护剂0.15份，缓凝剂0.25份，所述水泥为磨细72.5级硫铝酸盐水泥与磨细52.5级白色硅酸盐水泥质量比6.5:3.5的混合物,超细矿物掺合料为粉煤灰和硅灰质量比为6:4的混合物，所述增效剂为超细氧化铝渣粉，缓凝剂为酒石酸和硼酸质量比1:1.2的混合物；
所述液相材料为甲醇、乙二醇和水质量比为1:3:8的混合物。
经检测，-25℃条件下，浆体初始流动度210mm，-1d抗压强度13.3MPa，-3d抗压强度21.7MPa，-7d+21d抗压强度32.0MPa，
-7d+21d抗折强度2.7MPa。
对比例3
水泥基胶凝材料，由固相材料和液相材料按质量比9:3组成；
所述固相材料由以下重量份原料组成：水泥45份，快硬剂17份，超细矿物掺合料15份，增效剂8份，纳米C-S-H晶核10份，减水剂0.1份，内养护剂0.15份，缓凝剂0.25份，所述水泥为磨细72.5级硫铝酸盐水泥,所述快硬剂为非晶态铝酸钙矿物与硬石膏质量比7.5:2.5混合物，超细矿物掺合料为矿粉和煅烧煤矸石质量比为6:4的混合物，所述增效剂为粉煤灰微珠，缓凝剂为酒石酸和硼酸质量比1:1.2的混合物；
所述液相材料为甲醇、乙二醇和水质量比为1:3:8的混合物。
经检测，-25℃条件下，浆体初始流动度190mm，-1d抗压强度10.4MPa，-3d抗压强度25.9MPa，-7d+21d抗压强度40.1MPa，
-7d+21d抗折强度3.4MPa。
对比例4
水泥基胶凝材料，由固相材料和液相材料按质量比9:3组成；
所述固相材料由以下重量份原料组成：水泥45份，超细矿物掺合料40份，增效剂15份，氯化钙1份，三乙醇胺2份，亚硝酸钠1份，减水剂0.1份，内养护剂0.15份，缓凝剂0.25份，所述水泥为52.5级硫铝酸盐水泥,超细矿物掺合料为粉煤灰和矿粉质量比为6:4的混合物，所述增效剂为硅灰，缓凝剂为酒石酸和硼酸质量比1:1.2的混合物；
所述液相材料为甲醇、乙二醇和水质量比为1:3:8的混合物。
经检测，-25℃条件下，浆体初始流动度170mm，-1d抗压强度3.5MPa，-3d抗压强度4.9MPa，-7d+21d抗压强度15.6MPa，-7d+21d抗折强度1.1MPa。
对比例5
水泥基胶凝材料，由固相材料和液相材料按质量比9:3组成；
所述固相材料由以下重量份原料组成：水泥45份，快硬剂17份，超细矿物掺合料15份，增效剂8份，纳米C-S-H晶核10份，减水剂0.1份，内养护剂0.15份，缓凝剂0.25份，所述水泥为磨细72.5级硫铝酸盐水泥与磨细52.5级白色硅酸盐水泥质量比6.5:3.5的混合物,所述快硬剂为非晶态铝酸钙矿物与硬石膏质量比7.5:2.5混合物，超细矿物掺合料为矿粉和煅烧煤矸石质量比为6:4的混合物，所述增效剂为超细氧化铝渣粉，缓凝剂为酒石酸和硼酸质量比1:1.2的混合物；
所述液相材料为水。
经检测，-25℃条件下，浆体初始流动度190mm，-1d抗压强度19.2MPa，-3d抗压强度27.1MPa，-7d+21d抗压强度44.2MPa，
-7d+21d抗折强度4.9MPa。
最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种冷施工水泥基胶凝材料，其特征在于，由固相材料和液相材料按质量比(8-12):3组成；
所述固相材料由以下重量份原料组成：水泥40-60份，快硬剂1-20份，超细矿物掺合料1-20份，增效剂0.1-10份，纳米C-S-H晶核0.1-10份，减水剂0.01-0.2份，内养护剂0.01-0.3份，缓凝剂0.02-0.5份，所述水泥为磨细72.5级硫铝酸盐水泥与磨细52.5级白色硅酸盐水泥质量比(5-6.5):(3.5-5.5)的混合物,所述快硬剂为非晶态铝酸钙矿物与硬石膏质量比(7-7.5):(2.5-3.5)混合物，超细矿物掺合料为矿粉和煅烧煤矸石质量比为(6-6.5):(3.5-4.5)的混合物，所述增效剂为超细氧化铝渣粉；
所述液相材料为甲醇、乙二醇和水质量比为1:3:(6-10)的混合物。
2.根据权利要求1所述冷施工水泥基胶凝材料，其特征在于，所述固相材料由以下重量份原料组成：水泥40-60份，快硬剂10-20份，超细矿物掺合料10-20份，增效剂1-10份，纳米C-S-H晶核1-10份，减水剂0.1-0.2份，内养护剂0.1-0.3份，缓凝剂0.2-0.5份。
3.根据权利要求1所述冷施工水泥基胶凝材料，其特征在于，所述磨细72.5级硫铝酸盐水泥比表面积为650-700m2/kg，无水硫铝酸钙的含量不低于65％，贝利特含量不高于25％；所述磨细52.5级白色硅酸盐水泥比表面积为550-650m2/kg，阿利特不低于70％，贝利特含量不高于15％。
4.根据权利要求1所述冷施工水泥基胶凝材料，其特征在于，所述快硬剂比表面积为800-850cm2/g，所述非晶态铝酸钙矿物制备工艺为：将CaO和Al 2O3以质量比1:0.9-1.2均匀混合，于1500-1700℃煅烧，然后将熔融的液相通过压缩空气降温到1180-1200℃，再用水冷却到室温，粉磨至450-500cm2/g，即得。
5.根据权利要求1所述冷施工水泥基胶凝材料，其特征在于，所述煅烧煤矸石为煤矸石煅烧温度为800-850℃，所述超细矿物掺合料比表面积为1000cm2/g。
6.根据权利要求1所述冷施工水泥基胶凝材料，其特征在于，所述超细氧化铝渣粉制备工艺为：将氧化铝渣粉磨至比表面积700-800cm2/g，即得。
7.根据权利要求1所述冷施工水泥基胶凝材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂，所述内养护材料为SAP吸水树脂颗粒，粒径为0.1-0.3mm。
8.根据权利要求1所述冷施工水泥基胶凝材料，其特征在于，所述缓凝剂为酒石酸和硼酸质量比1:(1.0-1.5)的混合物。
9.根据权利要求1-8任一项所述冷施工水泥基胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按质量称取各原料，
2)将各原料混合，分别得液相材料和固相材料，
3)将液相材料和固相材料混合均匀，即得。
10.根据权利要求1-8任一项所述冷施工水泥基胶凝材料在低负温环境下施工的应用。
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