专利名称：一种用聚乙烯醇溶液合成硅酸三钙单矿物的方法
技术领域：
本发明属建筑材料技术领域，具体涉及一种用聚乙烯醇溶液合成硅酸三钙(C3S)单矿物的方法。
背景技术：
随着人类建筑文明的迅速发展，人们对建筑物的耐久性提出了更高的要求，而胶凝材料的性能对建筑构件的强度、耐久性等产生着举足轻重的影响。硅酸盐水泥作为迄今为止最好的且用量最大的水硬性胶凝材料，其产生胶凝性能的本质是水泥熟料矿物水化产生的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶形成网状结构。在传统硅酸盐 水泥熟料中C3S矿物是水泥强度的主要来源，其含量一般为50%飞0%(质量分数)，因而C3S的水化、凝结和硬化等行为，尤其是在不同条件下所形成水化产物C-S-H的微结构的差异，将直接影响水泥基材料的使用性能。因此，在实验室条件下合成高纯度的C3S并研究C3S单矿物的水化以及主要水化产物C-S-H凝胶微观结构的形成过程，对于从纳米尺度揭示水泥基材料的本构关系是十分必要的。水泥熟料主要是由C3S、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)和铁铝酸四钙(C4AF)等矿物组成的固溶体。水泥烧结过程中，当煅烧温度达到ioo(Tiio(rc时，由固相反应首先形成C2S,紧接着形成C3A和C4AF,当煅烧温度达到1450°C，C3A和C4AF处于熔融状态，C2S经固相反应吸收CaO形成C3S。可见，合成纯C3S矿物具有相当大的难度，通常不能得到高纯度的C3S矿物，而是C3S、C2S和f-CaO的固溶体。传统C3S固相合成法是将SiO2和CaO按照化学计量粉磨并混合均匀，在压力机下成型，然后在1600°C高温下煅烧8h以上并重复研磨、压制、煅烧3飞次而成。而通常采用矿化剂(如氧化铜、硫酸钙、氟化钙)等来降低烧成温度或者使某些晶型单矿物晶体在室温下可以稳定存在的作法又会在水泥熟料矿物中引入除设计产物以外的物相。并且，在固相法中，由于原料均为固态粉末状混合，可能导致反应物混合不均匀，在煅烧过程中离子扩散困难，因此烧结的温度高、时间长、能耗大，特别是最后产物中f-CaO含量仍偏高，且含有(^。本发明为一种用聚乙烯醇溶液合成硅酸三钙单矿物的方法。在该方法中，聚乙烯醇作为混合金属离子的溶液中离子的搬运载体，使金属离子之间具有良好的均匀分布性，有效防止了溶液中离子的凝聚，以及溶液析晶等行为。与传统合成方法相比，本方法具有步骤简单，烧结温度低，产品纯度高，合成效率高等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用聚乙烯醇溶液合成硅酸三钙(C3S)单矿物的方法。本发明提出的用聚乙烯醇溶液合成硅酸三钙单矿物的方法，基于湿法化学合成技术之一的溶胶-凝胶合成技术，只要工艺控制得当，可得到纯度较高的C3S，并且合成效率较闻。本发明提出的一种用聚乙烯醇溶液合成C3S单矿物的方法，具体步骤如下(I)按质量比精确称取Ca(NO3)2 · 4H20、SiO2溶胶、硝酸溶液、聚乙烯醇溶液和水。(2)反应物溶解在磁力搅拌机上，以5(T60°C加热，将Ca(NO3)2 · 4H20加入水中，加热搅拌2(T30min至完全溶解；用硝酸溶液调节溶液pH值至I. 9^2. 2，加入SiO2溶胶，力口热搅拌20 30min至完全溶解。(3)凝胶前驱体形成把磁力搅拌机加热温度调节为8(T90°C，将聚乙烯醇溶液添加到溶液中，加热搅拌2(T30min至混合均匀；所得混合均匀溶胶溶液继续搅拌加热3 5h，水分不断蒸发，形成凝胶前驱体。(4)凝胶的干燥将凝胶前驱体放在150°C烘箱中，干燥24h，粉磨并保存在干燥器中。(5)煅烧将干燥凝胶粉末以3°C /min的升温速率开始煅烧，当温度升至700°C时，恒温lh，继续升温至1400°C，恒温2h，于室温下冷却即得到白色固状C3S粉末。其中各 组分的重量比如下
(Ca (NO3) 2 · 4H20100
SiO2 溶胶33. 9
硝酸溶液O. 9 I. 2
聚乙烯醇溶液47 124
水450 550。本发明中，所用Ca (NO3) 2 · 4H20为市售的分析纯试剂。本发明中，SiO2溶胶的质量分数为25%。本发明中，所用硝酸溶液的质量分数为30%。本发明中，所用聚乙烯醇溶液的质量分数为10%。聚乙烯醇的聚合度为35(Γ800。本发明中，所用水为去离子水。本发明中，用聚乙烯醇溶液合成C3S单矿物的方法，其显著特点是聚乙烯醇作为混合金属离子溶液中离子的搬运载体，把金属阳离子包裹在聚合物网络中，这种空间位阻效应有效地防止了溶液中阳离子的聚集以及析晶行为，使金属离子之间具有良好的均匀分布性；并且，由于最后煅烧的反应物为干燥凝胶粉末，具有较高的比表面积，热量能够较易输送到反应物内部，最高煅烧温度只需1400°C，且只需煅烧一次。与传统固相合成方法相t匕，用聚乙烯醇溶液合成C3S单矿物的方法不需要反复的压片煅烧，不会出现反应物混合不均匀的问题，具有步骤简单，烧结温度低，产品纯度高，合成效率高等优点。采用本发明的技术所合成的C3S矿物，经X-射线衍射分析，在X-射线衍射图谱中发现C3S的特征峰非常明显，峰值强度高。
图I C3S的X射线衍射图谱。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。实施例1，一种用聚乙烯醇溶液合成硅酸三钙(C3S)单矿物的方法，其原料重量比为=Ca(NO3)2 ·4Η20 100、Si02溶胶33. 9、硝酸溶液O. 9、聚乙烯醇(聚合度350)溶液47和水450。采用如下合成方法在磁力搅拌机上，以60°C加热，将Ca (NO3)2 ·4Η20加入水中，加热搅拌20min至完全溶解；用硝酸溶液调节溶液pH值为2. 2，加入SiO2溶胶，加热搅拌20min至完全溶解；把磁力搅拌机加热温度调节为90°C,加入聚乙烯醇溶液,加热搅拌20min至混合均匀；所得混合均匀溶胶溶液继续搅拌加热3h，水分不断蒸发，形成凝胶前驱体；将凝胶前驱体放在150°C烘箱中，干燥24h，粉磨并保存在干燥器中；将干燥凝胶粉末以3°C /min的升温速率开始煅烧，当温度升至700°C时，恒温lh，继续升温至1400°C，恒温2h，于室温下冷却即得到白色固状C3S粉末。采用甘油-酒精法测得该C3S粉末中f-CaO的含量为O. 0641%,而传统固相合成方法中f-CaO的最低范围为O. 249Γ0. 77%。实施例2，一种用聚乙烯醇溶液合成硅酸三钙(C3S)单矿物的方法，其原料重量比为=Ca(NO3)2 ·4Η20 100、Si02溶胶33. 9、硝酸溶液I. O、聚乙烯醇(聚合度500)溶液70和水480。采用如下合成方法在磁力搅拌机上，以50°C加热，将Ca (NO3)2 ·4Η20加入水中，加热搅拌30min至完全溶解；用硝酸溶液调节溶液pH值至2. 1，加入SiO2溶胶，加热搅拌30min至完全溶解；把磁力搅拌机加热温度调节为80°C,加入聚乙烯醇溶液,加热搅拌30min至混合 均匀；所得混合均匀溶胶溶液继续搅拌加热5h，水分不断蒸发，形成凝胶前驱体；将凝胶前驱体放在150°C烘箱中，干燥24h，粉磨并保存在干燥器中；将干燥凝胶粉末以3°C /min的升温速率开始煅烧，当温度升至700°C时，恒温lh，继续升温至1400°C，恒温2h，于室温下冷却即得到白色固状C3S粉末。采用甘油-酒精法测得该C3S粉末中f-CaO的含量为O. 0589%,而传统固相合成方法最终产物中f-CaO的最低范围为O. 249Γ0. 77%。实施例3，一种用聚乙烯醇溶液合成硅酸三钙(C3S)单矿物的方法，其原料重量比为=Ca(NO3)2 ·4Η20 100、5102溶胶33.9、硝酸溶液1. I、聚乙烯醇(聚合度650)溶液100和水520。采用如下合成方法在磁力搅拌机上，以53°C加热，将Ca(NO3)2 · 4H20加入水中，加热搅拌28min至完全溶解；用硝酸溶液调节溶液pH值至2. 0，加入SiO2溶胶，加热搅拌28min至完全溶解；把磁力搅拌机加热温度调节为83°C，加入聚乙烯醇溶液，加热搅拌28min至混合均匀；所得混合均匀溶胶溶液继续搅拌加热4. 5h，水分不断蒸发，形成凝胶前驱体；将凝胶前驱体放在150°C烘箱中，干燥24h，粉磨并保存在干燥器中；将干燥凝胶粉末以3°C /min的升温速率开始煅烧，当温度升至700°C时，恒温lh，继续升温至1400°C，恒温2h，于室温下冷却即得到白色固状C3S粉末。采用甘油-酒精法测得该C3S粉末中f-CaO的含量为
0.0927%，而传统固相合成方法最终产物中f-CaO的最低范围为0. 24% 0. 77%。实施例4，一种用聚乙烯醇溶液合成硅酸三钙(C3S)单矿物的方法，其原料重量比为=Ca(NO3)2 ·4Η20 100、Si02溶胶33. 9、硝酸溶液I. 2、聚乙烯醇(聚合度800)溶液124和水550。采用如下合成方法在磁力搅拌机上，以57°C加热，将Ca (NO3)2 ·4Η20加入水中，加热搅拌24min至完全溶解；用硝酸溶液调节溶液pH值至I. 9，加入SiO2溶胶，加热搅拌24min至完全溶解；把磁力搅拌机加热温度调节为87 V,加入聚乙烯醇溶液,加热搅拌24min至混合均匀；所得混合均匀溶胶溶液继续搅拌加热4h，水分不断蒸发，形成凝胶前驱体；将凝胶前驱体放在150°C烘箱中，干燥24h，粉磨并保存在干燥器中；将干燥凝胶粉末以3°C /min的升温速率开始煅烧，当温度升至700°C时，恒温lh，继续升温至1400°C，恒温2h，于室温下冷却即得到白色固状C3S粉末。采用甘油-酒精法测得该C3S粉末中f-CaO的含量为0. 0836%,而传统固相合成方法最终产物中f-CaO的最低范围为0. 249Γ0. 77%。
权利要求
1.一种用聚乙烯醇溶液合成C3S单矿物的方法，其特征在于具体步骤如下 (1)按质量比精确称取Ca(NO3)2· 4H20、SiO2溶胶、硝酸溶液、聚乙烯醇溶液和水； (2)反应物溶解在磁力搅拌机上，以5(T60°C加热，将Ca(NO3)2· 4H20加入水中，加热搅拌2(T30min至完全溶解；用硝酸溶液调节溶液pH值至I. 9^2. 2，加入SiO2溶胶，加热搅拌20 30min至完全溶解； (3)凝胶前驱体形成把磁力搅拌机加热温度调节为8(T90°C，将聚乙烯醇溶液添加到溶液中，加热搅拌2(T30min至混合均匀；所得混合均匀溶胶溶液继续搅拌加热3 5h，水分不断蒸发，形成凝胶前驱体； (4)凝胶的干燥将凝胶前驱体放在150°C烘箱中，干燥24h，粉磨并保存在干燥器中； (5)煅烧将干燥凝胶粉末以3°C/min的升温速率开始煅烧，当温度升至700°C时，恒温lh，继续升温至1400°C，恒温2h，于室温下冷却即得到白色固状C3S粉末；其中各组分的重量比如下 (Ca (NO3) 2 · 4H20100 SiO2 溶胶33. 9 硝酸溶液O. 9 I. 2 聚乙烯醇溶液47 124 水450 550。
2.根据权利要求I所述的用聚乙烯醇溶液合成C3S单矿物的方法，其特征在于所用Ca(NO3)2 · 4H20为分析纯试剂。
3.根据权利要求I所述的用聚乙烯醇溶液合成C3S单矿物的方法，其特征在于SiO2溶胶的质量分数为25%。
4.根据权利要求I所述的用聚乙烯醇溶液合成C3S单矿物的方法，其特征在于所用硝酸溶液的质量分数为30%。
5.根据权利要求I所述的用聚乙烯醇溶液合成C3S单矿物的方法，其特征在于所用聚乙烯醇溶液的质量分数为10%，聚乙烯醇的聚合度为35(Γ800。
6.根据权利要求I所述的用聚乙烯醇溶液合成C3S单矿物的方法，其特征在于所用水为去离子水。
全文摘要
本发明属建筑材料技术领域，具体涉及一种用聚乙烯醇溶液合成硅酸三钙(C3S)单矿物的方法。本合成方法中用到的原料包括四水硝酸钙、二氧化硅溶胶、硝酸溶液、聚乙烯醇溶液和水。与传统的C3S合成方法相比，用聚乙烯醇溶液合成C3S的方法能够在较低的烧结温度下一次性获得纯度相对较高，比表面积较大，活性较强的C3S单矿物。这种方法合成的C3S结晶温度相对较低，能够降低合成过程中的耗能，具有一定的环保效应；与传统方法的多次烧成相比，一次即可烧成，减少烧结次数，带来时间效益；同时烧结产物的高比表面积也能够促进C3S的凝结硬化速度和强度增长。
文档编号C01B33/24GK102887523SQ20121034971
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月20日 优先权日2012年9月20日
发明者孙振平, 李奇, 俞洋 申请人:同济大学