CN1896024A - 一种高性能水泥与高性能混凝土及其制造方法 - Google Patents

一种高性能水泥与高性能混凝土及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种高性能水泥是由工业废渣、激活剂、功能调节剂和性能调节剂组成，可按3种工艺进行生产制得，勃氏比表面积300－550m2/kg，该水泥具有极好的流动性且经时损失小，水化热小，密实度高、耐久性好、早强高强等优异性能。由该种高性能水泥和集料水制得的高性能砼，不用砼外加剂和矿物细掺料可配制各等级高性能泵送砼，高性能砼的生产和施工异常简单。其砼具有施工性好，坍落度损失小、早强高强、密实抗渗、水化热低、耐久性好，同时其材料由于利用了大量工业废渣，对节约资源能源和环境保护具有积极促进作用。

Description

一种高性能水泥与高性能混凝土及其制造方法
技术领域
本发明属建筑材料领域，具体是指一种利用灰渣的高性能水泥与高性能混凝土及其制造方法。
背景技术
工业灰渣的利用一直是环境保护中的一个重大课题，纵观各行各业利废现状，唯有工程建设领域能消耗掉大量固体废弃物，因此使各种废渣最优化的应用于工程建筑领域，特别是用于附加值高的高性能水泥和混凝土是废渣价值最大化的极佳途径之一。现有的硅酸盐类水泥是按相关水泥标准进行生产，并非完全按工程中所用砼的性能特点进行生产，往往存在水泥性能与砼要求性能相脱节的地方，从而导致砼生产中水泥与外加剂相容性和很多水泥不好使用等众多问题，深为砼生产商和工程方头痛。其他大量利用工业灰渣的水泥除存在上述问题外，还有强度偏低、质量波动大，更不能单独与集料和水配制泵送砼和高性能砼。
高性能砼是砼发展的高级阶段，是现阶段砼技术的发展方向。虽然高性能砼有各种定义和说法，但为使社会可持续发展，高性能砼必须具有如下内涵：足够的耐久性和体积稳定性、高强度、高工作性、高抗渗性、低温升，同时要节约资源能源，降低环境负荷和经济性。目前配制高性能砼的方法是选用优质材料如高标号水泥、1种或几种矿物细掺料、高效减水剂及集料与水。材料品种多、配比计量繁琐，特别需要有相当专业基础的技术人员管理和控制质量。且在节约资源能源及利废的程度上不高。同时高性能砼配制成本较高，使得高性能砼固有的高耐久、高强度、易施工及安全使用寿命长和后续维护费用低带来的经济性难以体现出来。凡此种种，即造成了高性能砼未被大量有效应用的现状。因此材料与工程界迫切呼唤和需要一种与高性能砼相适应的经济性高性能水泥的出现，使得配制具备高强、大流动、超耐久、又经济的高性能砼就象配制普通砼一样，即用一种水泥材料与集料、水就可以了。
众所周知，水泥中熟料含量越高，消耗的资源与能源越多，带来的环境污染越严重，同时水泥水化热高，对砼耐久性不利，尽管其强度较高，仍难以被称为与高性能砼的内涵相对应的高性能水泥。然而水泥中熟料含量越小，虽然有利于砼的长期耐久性和环境负荷，但水泥强度低，无法满足施工生产，更称不上高性能水泥。因此与高性能砼相适应的高性能水泥应该具备如下特点：①水泥中熟料含量尽可能少，水泥水化热小，宜于大体积砼工程。②工业废渣利用率高。以上2点可达到节约资源和能源，保护环境的目的。③早强高强，宜于配制高标号砼。④标准稠度需水量小，流动度大且经时损失小，易于施工操作，既可泵又保塑性好不泌水，而且密实度高抗渗性好。⑤有害组分少，以满足高耐久性要求。
发明内容
本发明需解决的技术问题是：充分利用现有的灰渣资源，而开发一种水泥及混凝土材料，既能减轻资源和能源的消耗，又能保护环境并且该种水泥及混凝土的性能优良。
本发明所采用的技术方案：该高性能水泥是利用60-90重量份的废渣加上激活剂、功能调节剂以及性能调节剂进行粉磨配制而成。
适用的废渣为下列的一种或几种：粉煤灰、炉渣、水淬高炉矿渣、锰渣、硅渣、磷渣、钢渣等有潜在水硬活性又排量大的工业废渣和沸石矿、火山灰渣、石灰渣、烧粘土类材料等天然和人工火山灰材料。最好能有2种或2种以上的废渣材料，以弥补单一材料在粉磨时微细颗粒相对均匀而对强度等性能贡献不大的欠缺，以更好地发挥微细颗粒形貌超叠加效应。
所用激活剂首选为水泥熟料，主要是硅酸盐水泥熟料，也可使用硫铝酸盐等其它类水泥熟料。其用量为5-30重量份。其它激活剂为1-20重量份的石灰，以CaSO4为主要成份的石膏类材料1-6重量份。
功能调节剂为1-8重量份的硅灰、2-8重量份的石灰石。
性能调节剂用量为0.01-3重量份，包括木质素磺酸盐、改性木质素磺酸盐、聚磷酸钠、糖化钙、低聚糖、多元醇及其衍生物、羟基羧酸及其盐类、聚烷基芳基磺酸盐、氨基磺酸盐、聚羧酸类物质、磺化三聚氰胺甲醛缩合物、硫酸盐、硫铝酸盐、氯化物、亚硝酸盐、松香酸盐、碳酸盐、羧酸盐、水溶性树脂聚合物等至少二种。主要根据原材料性质和工程所需砼的等级性能要求确定。
该高性能水泥的制造方法，是将含水材料烘干后，可按下列三种工艺制得水泥成品：工艺I：所有原材料按配比粉磨至勃氏比表面积300-550m2/kg至成品；工艺II：难磨或硬度较大的材料与性能调节剂和功能调节剂中起助磨和改善粉体表面性能的材料一起破碎粉磨成合适比表面积的细粉，其余易磨的材料用磨机磨成适当比表面积的细粉，再按水泥等级要求与性能调节剂混合或二次混磨至成品，成品比表面积为300-550m2/kg；工艺III：部分性能调节剂和功能调节剂按工艺I和工艺II在磨头加入，剩余性能调节剂和功能调节剂在磨后与粉体混合或混磨，成品比表面积为300-550m2/kg。
由上述高性能水泥制成的高性能混凝土，它既可由该高性能水泥、集料及水配制而成，无需混凝土外加剂和矿物掺合料；又可根据施工要求，由该高性能水泥、普通水泥、矿物掺合料、集料及水配制成该高性能混凝土。
本发明的有益效果：本发明的高性能水泥具有极好的流动性，且有经时损失小，水化热小，密实度高、耐久性好、早强高强等优异性能。而高性能混凝土的生产和施工异常简单，具有施工性好、坍落度损失小、早强高强、密实抗渗、水化热低、耐久性好，同时其材料由于利用了大量工业废渣，对节约资源能源和环境保护具有积极的促进作用。
附图说明
图1为本发明生产工艺1的流程图；
图2为本发明生产工艺2的流程图；
图3为本发明生产工艺3的流程图；
具体实施方式
本发明应根据当地废渣资源情况进行废渣的分析对比和筛选，按其特点选择一定的激活剂，经试验确定激活剂的种类和适宜掺量。其中要进行各材料的易磨性试验，按颗粒大小进行搭配以达到最佳颗粒超叠加效果。在满足某些力学性能基础之上进行其它性能如流动性、经时损失、粘塑性、抗渗性、碳化与抗腐蚀介质侵蚀实验，再进行砼的试配，以满足各泵送高性能砼要求。据此在得出合适之材料配比与生产控制方案后进行工业大生产，并按检测结果进行不断改进完善。
本发明高性能水泥的生产可按下列三种工艺进行：
工艺I(见图1)：将含水材料烘干，水分最好控制在2％以下，大块材料经破碎或细碎后，与所选用全部材料经计量后入磨机粉磨，得高性能水泥。根据水泥等级将成品细度控制在勃氏比表面积300-550m2/kg。为提高产品质量，最好选用高效选粉机。
工艺II(见图2)：将含水材料烘干，水分最好控制在2％以下，难磨或硬度较大的材料与少量有助磨作用的材料一起破碎粉磨成合适比表面积的细粉，其余易磨的材料用磨机磨成适当比表面积的细粉，再按水泥等级要求与性能调节剂混合或二次混磨至成品。成品比表面积为300-550m2/kg，该工艺至少需2台以上磨机。
工艺III(见图3)：与工艺I和工艺II不同之处在于部分性能调节剂或功能调节剂既在磨头加入，又在磨后与磨好的微细粉混合或二次混磨而成。成品比表面积为300-550m2/kg。
该水泥生产时除原材料质量检验外的重要质量控制内容为：比表面积、流动度及经时损失、SO3含量、标准稠度、凝结时间、安定性、强度等。按特殊工程要求可增加其收缩或膨胀率、水化热等控制指标。
按所述工艺，可生产出不同等级的高性能水泥。但生产实践应用证明只需2种等级水泥即可满足C80以下各种砼包括泵送、灌浆、自流平砼和大体积及普通砼的生产和施工，即配制C50以下等级砼的高性能水泥和配制C50以上等级砼的高性能水泥。对于目前C60等级砼很少应用的地方，只需生产一种级别的高性能水泥即可满足配制要求。
用此高性能水泥可生产高性能砼、一般泵送砼、自流平砼和普通砼，按不同砼等级要求选取相应高性能水泥，按要求的坍落度和砼配合比加入集料和水即成。一般情况下无需再加各种砼外加剂和矿物细掺料如粉煤灰、矿粉、硅灰等材料。其特点是：砼的生产和质量控制很简单，经试验室试配后，生产上只需控制坍落度或加水量即可。
下面给出本发明的2个实施例：
实施例1：废渣为炉渣、锰渣、矿渣，用量70％，激活剂为硅酸盐水泥熟料、生石灰、硬石膏，用量26％，少量性能调节剂为石灰石3％、微量性能调节剂1％，大生产采用工艺I，其水泥性能检测结果见表1，水泥实质强度标号达52.5级。
表1
  比表面积m2/kg SO3(％)   标准稠度(％)   安全性   初凝时间h:m   终凝时间h:m   净浆流动度mm   胶砂流动度   三天强度MPa 二十八天强度MPa 水化热KJ/kg
426 2.3 21   合格 4:30 6:15   起始   2h   水灰比   mm   抗折   抗压   抗折   抗压   3天   7天
  220   185   0.39   190   6.5   31.4   9.6   61.3   115   150
用该水泥配C30和C45抗渗泵送砼只需用300kg/m3和400kg/m3水泥，控制砼初始坍落度170±10mm即可。其砼配比与性能见表2。
表2
设计强度等级           施工方式   坍落度(mm)   砂率(％)              材料用量(kg/m3)        实测坍落度mm       抗压强度(Mpa)
搅拌 运输 振捣 水泥 中砂 卵石 自来水 初始 1h 2h        实测值
  R7   R28
  C30P8   机械   机械   机械   160-180   42   300   830   1150   120   185   183   175   25.6   37.8
  C45P12   机械   机械   机械   160-180   40   400   748   1120   130   178   175   170   43.2   59.6
同时该砼有良好的经济性，本发明之C30砼的成本要比用其它水泥等材料配制相同C30砼低10元/m3左右，而C45要低20元左右。
实施例2：废渣为粉煤灰、矿渣、硅渣，用量73％，激活剂为硅酸盐水泥熟料、天然二水石膏，用量25％，微量性能调节剂2％，其中0.5％在磨头加入，其余1.5％在磨后加入，按工艺III进行生产，其成品性能见表3，水泥实质强度标号达72.5级。
表3
  比表面积m2/kg   SO3(％)   标准稠度(％)   安全性   初凝时间h:m   终凝时间h:m   净浆流动度mm   胶砂流动度   三天强度MPa   二十八天强度MPa   水化热KJ/kg
432 2.6 20   合格 5:00 6:30  起始   2h   水灰比 mm 抗折 抗压 抗折 抗压 3天   7天
 230   190   0.38   190   7.2   38.7   10.5   74.8   118   157
用该水泥配制C60P15泵送砼，只需水泥用量450kg/m3，砂率40％，控制初始坍落度170±10mm即可。其砼配比与性能如表4。
表4
设计强度等级 施工方式 坍落度(mm)   砂率(％) 材料用量(kg/m3) 实测坍落度mm 抗压强度(Mpa)
搅拌 运输 振捣   水泥   中砂 卵石   自来水   初始 1h 2h       实测值
  R7   R28
  C60P15   机械   机械   机械   160-180   40   450   722   1084   144   185   183   175   54.6   75.8
同样该C60砼成本同比要低30元/m3左右。
同时该泵送高性能砼的泵送阻力小，对管壁的磨损小，较一般泵送砼易于泵送。
本发明之高性能水泥与高性能砼，利用废渣量最高可达90％。生产高等级水泥与砼时可大量利用有较高活性的废渣混合材料，而生产较低等级或一般水泥与砼时可大量利用低活性废渣混合材，这大大拓宽了废渣的利用渠道和用量。更重要的是本发明之水泥与砼的性能特别优异，本发明充分发挥了微细颗粒形貌超叠加效应、微集料超叠加效应、高分子表面处理效应、超活化激发效应等多种机械、物理、化学和表面物理化学的效应，具有现代高级水泥如球形水泥、活化水泥、超细水泥和调粒水泥等的多种优良性能。同时水化热低，需水量小，流动性与保塑性好，水泥与砼密实度高，体积稳定性好。具有广阔的应用空间。
该水泥生产适用于有废渣资源的各水泥厂和粉磨站，由于大量利用工业废渣，并具有优异的性能。其水泥产品除适用于一般建筑工程外，特别适用于砼搅拌站、预制件厂等砼集中生产、输送、使用的场所。该高性能水泥与高性能砼适用于各种地下、水工抗渗工程，道路、桥梁、大坝、高层建筑等大体积、重荷载、高强度、超耐久砼工程。由于大量利用工业废渣，早强高强，生产施工简单，耐久性好，安全使用期长，体积稳定性好，将极大减少工程后续维护费用。

Claims (8)

1、一种高性能水泥，其特征在于：所述高性能水泥是利用60-90重量份的废渣加上激活剂、功能调节剂以及性能调节剂进行共同粉磨配制而成。
2、根据权利要求1所述的一种高性能水泥，其特征是废渣包括水淬高炉矿渣、锰渣、硅渣、磷渣、钢渣、粉煤灰、炉渣等工业废渣和沸石矿、火山灰渣、石灰渣、烧粘土类材料等天然和人工火山灰材料中的一种或几种。
3、根据权利要求1所述的一种高性能水泥，其特征是激活剂包括5-30重量份的水泥熟料，1-20重量份的石灰、1-6重量份的以CaSO4为主要成份的石膏类材料中的一种或几种。
4、根据权利要求1所述的一种高性能水泥，其特征是功能调节剂为1-8重量份的硅灰、2-8重量份的石灰石。
5、根据权利要求1所述的一种高性能水泥，其特征是性能调节剂为0.01-3重量份，包括木质素磺酸盐、改性木质素磺酸盐、聚磷酸钠、糖化钙、低聚糖、多元醇及其衍生物、羟基羧酸及其盐类、聚烷基芳基磺酸盐、氨基磺酸盐、聚羧酸类物质、磺化三聚氰胺甲醛缩合物、硫酸盐、硫铝酸盐、氯化物、亚硝酸盐、松香酸盐、碳酸盐、羧酸盐、水溶性树脂聚合物等至少二种及多种。
6、根据权利要求1所述的高性能水泥的制造方法，其特征是将含水材料烘干后，可按下列三种工艺制得水泥成品：工艺I：所有原材料按配比粉磨至勃氏比表面积300-550m2/kg至成品；工艺II：难磨或硬度较大的材料与性能调节剂和功能调节剂中起助磨和改善粉体表面性能的材料一起破碎粉磨成合适比表面积的细粉，其余易磨的材料用磨机磨成适当比表面积的细粉，再按水泥等级要求与性能调节剂混合或二次混磨至成品，成品比表面积为300-550m2/kg；工艺III：部分性能调节剂和功能调节剂按工艺I和工艺II在磨头加入，剩余性能调节剂和功能调节剂在磨后与粉体混合或混磨，成品比表面积为300-550m2/kg。
7、一种含有如权利要求1所述的高性能水泥的高性能混凝土，其特征在于它由该高性能水泥、集料及水配制而成。
8、一种含有如权利要求1所述的高性能水泥的高性能混凝土，其特征在于它由该高性能水泥、普通水泥、矿物掺合料、集料及水配制而成。
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