专利名称：低收缩低水化热抗裂水泥的制作方法
技术领域：
本发明涉及建筑材料领域，特别是一种通过添加大量工业废渣和微量化学外加剂制备的低收缩、低水化热抗裂水泥。
背景技术：
早期水化速率过快，水化放热量和化学收缩率大是传统硅酸盐水泥的一个主要缺陷。一方面，它直接影响到混凝土工作性能，导致坍落度损失过快，泵送施工困难，影响混凝土浇注成型质量；其次，对于大体积混凝土或高强混凝土来说，因早期水化放热快和自收缩(化学收缩)大而引起的早期开裂已成为长期困扰工程界与学术界的一大难题。可以说，硅酸盐水泥的早期水化放热和化学收缩率大直接影响着混凝土工程的长期性能和耐久性。针对这一问题，很多研究机构都投入了大量的物力和人力进行研究解决，但效果并不理想。
目前主要采取的解决办法有三种第一种是使用缓凝剂，这种方法经常用于配制泵送混凝土以防止其坍落度损失过快，但是当其缓凝作用失效后，还会加速水泥水化速度，不能有效改善其抗裂性能，同时缓凝剂与水泥间还存在适应性问题，当掺量不当时会出现缓凝失效或长时间不凝的现象；第二种是简单掺加矿物掺合料，目前使用最多掺量较大的是单掺磨细矿渣粉的方法，它在一定程度上降低了混凝土早期水化放热量，但大量实验表明矿渣细粉掺入并不能降低甚至增加了早期自收缩和干燥收缩，抗裂效果不佳，同时矿渣粉产量有限，必须结合使用其它矿物掺合料以节约成本；第三种是掺加膨胀剂，目前很多膨胀剂都存在着膨胀过程与水泥的收缩过程在时间上不一致现象，后期膨胀作用消失，混凝土在早期和后期的体积变化差值同样很大，容易开裂，另外膨胀剂掺入后会增加早期水化放热量，其膨胀作用只有在有充分的外部水养护条件下才能发挥，因而此方法对提高实际应用中的混凝土结构的抗裂作用有限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为克服上述现有技术的不足，提供一种低收缩低水化热抗裂水泥，该类水泥早期水化速率缓慢，水化放热量和化学收缩率明显降低，在提高水泥早期抗裂性能和提高耐久性等方面具有很好的使用性能。同时其制备工艺简单，适于工业化生产，从而为推动其大规模应用于建筑工程以提高结构耐久性和使用寿命做出贡献。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下一种低收缩低水化热抗裂水泥，该水泥是按质量份数为纯硅酸盐水泥40～50份、矿渣+氟石膏粉10～30份、钢渣粉20～40份和硫酸锌粉0.2～0.3份配制的混合物，其中矿渣粉与氟石膏粉的质量比为9∶1。
其中所述的纯硅酸盐水泥可采用C3S含量高于55％的高活性熟料和天然石膏混合制得的水泥，其强度标号在52.5以上。
所述的矿渣粉是治炼生铁时排出的熔融渣，经粉磨后，得到的勃氏比表面积为400～500m2/kg、(CaO+MgO)/(SiO2+TiO2)质量比大于1的干粉。
所述的钢渣粉是转炉钢渣，经除铁工艺并磨细制成的勃氏比表面积为400～500m2/kg、游离CaO质量含量为2～3％、MgO质量含量为5～7％的干粉。
所述的氟石膏粉是勃氏比表面积大于400m2/kg，CaSO4含量大于85％的干粉。
本发明的低收缩低水化热抗裂水泥的制备方法是首先将矿渣粉与氟石膏粉按质量比9∶1称取混合均匀；然后按质量比称取纯硅酸盐水泥40～50份、矿渣+氟石膏粉10～30份、钢渣粉20～40份和硫酸锌粉0.2～0.3份，混合均匀即得到低收缩低水化热抗裂水泥。
本发明提供的低收缩低水化热抗裂水泥与现有技术相比，具有如下主要优点其一.水泥早期水化速度明显减慢，水泥的水化放热速率和放热总量明显降低，水泥浆体长时间保持塑性，初凝时间延长，既降低了工作性损失，又能减轻水泥混凝土早期温度开裂趋势。由于水泥中掺入50～60％的矿渣粉和钢渣粉，水泥熟料数量明显减少，反应速度最快也是导致工作性损失的最主要矿物C3A数量变得更少；同时硫酸锌中的锌离子与水泥水化产物反应生成不溶性络合物覆盖在水泥粒子表面，阻碍水泥水化，因此水泥浆体凝结时间延长，工作性损失明显减少，克服了实际工程中因坍落度损失造成的混凝土泵送困难，保证了施工质量。与此相对应，早期最先参加水化反应的C3A、C3S数量减少和锌盐的缓凝作用，使水泥早期水化放热速率和放热总量明显降低，从而大大减少了因集中放热造成的早期热裂缝。
其二.早龄期胶凝材料体系的化学收缩量明显减少，避免或减轻了低水灰比混凝土常常因早期自收缩大而产生的开裂。一方面，矿渣粉和钢渣粉的大量掺入代替硅酸盐水泥，使胶凝材料的整体水化反应过程滞后，早期化学收缩速率延缓；同时氟石膏、矿渣粉和钢渣粉中的硫酸钙、游离CaO、MgO和铁粉等与水结合后产生一定的微膨胀作用，生成的钙矾石系列晶体在水泥石结构中形成坚实骨架，水泥石结构的致密度提高，对体积收缩产生抑制作用。
其三.基于次第水化调控技术，使水泥熟料、矿渣粉和钢渣粉分别在胶凝材料水化的早、中、后龄期作为主要强度来源发挥作用，保证了所制备的水泥在添加大量工业废渣的同时具备良好的早期和长期力学强度，具有明显的环保效益和经济效益。高活性的水泥熟料与水接触后很快反应，促使材料体系早期结构形成，保证了水泥早期强度满足施工要求。水泥水化后产生的氢氧化钙和掺加的氟石膏对矿渣粉起着激活作用，加快了矿渣粉的水化反应速率，使其主要在3～28天龄期内参加水化反应，加之水泥熟料的不断水化，保证了此期间内水泥石强度发展；另一方面，大量游离氢氧化钙在此期间被矿渣粉水化反应吸收，消除了硅酸盐水泥中存在的大量氢氧化钙晶体的定向生长，提高了水泥石的致密性和强度。钢渣的活性相对较低，其中包含有大量的C2S矿物，水化速率较慢，主要在7天以后发挥作用，与未反应的矿渣粉一起继续参与水化，消耗游离氢氧化钙，改善水泥石孔结构，从而保证了水泥石在28天龄期后强度和抗渗性能不断增长，提高耐久性。
同时，本发明提供的制备低收缩低水化热抗裂水泥的方法，具有生产工艺简单、操作方便、易于推广和适于工业化生产的诸多优点。
具体实施例方式
本发明是一种利用多种工业废渣制备低收缩低水化热抗裂水泥，其原材料包括纯硅酸盐水泥、矿渣粉、钢渣粉、氟石膏和硫酸锌，并且由以下方法制成首先将矿渣粉、氟石膏按质量比9∶1称取混合均匀；然后再将纯硅酸盐水泥、矿渣+氟石膏粉、钢渣粉和硫酸锌按质量比40～50、10～30、20～40、0.2～0.3称取各组份(见表一)，经混合均匀得到。
其中所述的纯硅酸盐水泥可采用C3S含量高于55％的高活性熟料和天然石膏混合制得的水泥，其强度标号在52.5以上，以保证所制得水泥早期强度发展。矿渣粉可采用治炼生铁时排出的熔融渣，经喷水急速冷却处理后成为0.5～5mm大小的颗粒渣，经自然堆放后，再经烘干、破碎、粉磨后，制成勃氏比表面积为400～500m2/kg、(CaO+MgO)/(SiO2+TiO2)质量比大于1的碱性矿渣干粉。钢渣粉可采用转炉钢渣，在经若干次水淋并饱水浸泡3个月后，经自然堆放至水份重量含量低于20％，再经破碎、筛选、烘干和粉磨工序，并在各工序前进行除铁工艺制成的勃氏比表面积为400～500m2/kg、游离CaO质量含量为2～3％、MgO质量含量为5～7％的干粉。氟石膏可采用氢氟酸生产工业中产生的副产品，预先经烘干并筛选为粒径为0～3mm的颗粒及粉料混合体，再经过粉磨加工成勃氏比表面积大于400m2/kg，CaSO4含量大于85％的干粉。硫酸锌可采用工业品无水硫酸锌粉末。
下面通过实施例及试验数据进行详细说明。
实施例1～7是本发明的低收缩低水化热抗水泥配方例，其配方见表1以表1中的实施例号1、2、4、6的配料方案为四个独立的实施例，分别测量了水泥的凝结时间、抗压强度、水化热和化学收缩量。其中凝结时间依据国标GB1346-89的方法进行测试；水化热依据GB2022-80的方法进行测试；化学收缩采用水泥-水体系减缩试验方法，测量了胶凝材料体系28天龄期内的化学收缩值；抗压强度采用水胶比为0.3的水泥净浆，试件尺寸为20×20×20mm，成型后浸入水中在室温下养护，测试了3、7、28、90天的抗压强度。测量结果分别见表2～表5。
表1 低收缩低水化热抗水泥配制方案(质量比)
表2 低收缩低水化热抗裂水泥的凝结时间(分钟)
由表2可见，本发明水泥的凝结时间比纯硅酸盐水泥明显延长，初凝时间在6～8小时，初凝与终凝时间间距较短，终凝时间在10小时之内。从而有利于所配制混凝土长时间保持塑性，减少坍落度损失，便于长距离运输和泵送施工；同时施工结束后混凝土会快速凝结硬化，保证强度发展，不影响工期。
由表3数据可见，本发明的水泥早期水化放热速率慢，水泥水化温峰出现时间明显推迟，3d水化放热比纯硅酸盐水泥降低30％左右，从而明显减轻了水泥混凝土早期温度开裂趋势。
表3 低收缩低水化热抗裂水泥的水化热
表4 低收缩低水化热抗裂水泥的化学收缩(ml/kg)
表5 低收缩低水化热抗裂水泥的抗压强度(MPa)
表4的数据表明本发明水泥化学收缩量小，特别是7天前化学收缩量不到纯硅酸盐水泥的50％，因而大大提高了水泥早龄期的体积稳定性和抗裂性能。
从表5数据可见，本发明水泥的早期强度发展较慢，但后期强度增长较多，到90天时强度与基准纯硅酸盐水泥相当。因而有利于混凝土结构发育完善，水泥石结构致密度高，对于混凝土工程的耐久性和长期使用寿命有利。
综上所述，由于本发明应用了大量工业废渣，控制各原材料的含量范围，充分发挥了不同废渣之间的协同作用，因而本发明水泥具有早期水化放热速率慢，工作性损失小，化学收缩量小，后期强度和耐久性高以及明显的环保效益的特点，特别适用于要求早期水化热低和抗裂性要求较高的大体积混凝土工程，如水坝、桥梁、高层建筑基础等，也可用于抗腐蚀和抗渗要求较高的工程。
权利要求
1.一种低收缩低水化热抗裂水泥，其特征在于该水泥是按质量份数为纯硅酸盐水泥40～50份、矿渣+氟石膏粉10～30份、钢渣粉20～40份和硫酸锌粉0.2～0.3份配制的混合物，其中矿渣粉与氟石膏粉的质量比为9∶1。
2.根据权利要求1所述的水泥，其特征在于纯硅酸盐水泥可采用C3S含量高于55％的高活性熟料和天然石膏混合制得的水泥，其强度标号在52.5以上。
3.根据权利要求1所述的水泥，其特征在于矿渣粉是治炼生铁时排出的熔融渣，经粉磨后，得到的勃氏比表面积为400～500m2/kg、(CaO+MgO)/(SiO2+TiO2)质量比大于1的干粉。
4.根据权利要求1所述的水泥，其特征在于钢渣粉是转炉钢渣，经除铁工艺并磨细制成的勃氏比表面积为400～500m2/kg、游离CaO质量含量为2～3％、MgO质量含量为5～7％的干粉。
5.根据权利要求1所述的水泥，其特征在于氟石膏粉是勃氏比表面积大于400m2/kg，CaSO4含量大于85％的干粉。
6.权利要求1所述的低收缩低水化热抗裂水泥的制备方法，其特征在于首先将矿渣粉与氟石膏粉按质量比9∶1称取混合均匀；然后按质量比称取纯硅酸盐水泥40～50份、矿渣+氟石膏粉10～30份、钢渣粉20～40份和硫酸锌粉0.2～0.3份，混合均匀即得到低收缩低水化热抗裂水泥。
全文摘要
本发明公开了一种低收缩低水化热抗裂水泥。该水泥包括纯硅酸盐水泥、矿渣粉、钢渣粉、氟石膏和硫酸锌，并且由以下方法制成首先将矿渣粉、氟石膏按质量比9∶1称取混合均匀；然后再将纯硅酸盐水泥、矿渣+氟石膏粉、钢渣粉和硫酸锌按质量比40～50、10～30、20～40、0.2～0.3称取各组份，经混合均匀而成。本水泥具有早期水化放热速率慢，工作性损失小，化学收缩量小，后期强度和耐久性高的优点，可用于要求早期水化热低和抗裂性要求较高的大体积混凝土工程，如水坝、桥梁、高层建筑基础等，也可用于抗腐蚀和抗渗要求较高的工程。同时，由于吸纳了大量不同种类的工业废渣，具有明显的环保效益。
文档编号C04B7/14GK1609032SQ20041006106
公开日2005年4月27日 申请日期2004年11月9日 优先权日2004年11月9日
发明者马保国, 高小建, 朱洪波 申请人:武汉理工大学