一种亚微米钙矾石及其制备方法及作为早强剂在水泥基材料中的应用与流程

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种亚微米钙矾石及其制备方法及作为早强剂在水泥基材料中的应用。

背景技术：

硫铝酸盐水泥是主要的工程建筑材料，具有早期强度高、耐久性好，可在负温下水化，无毒，材料来源方便，价格低廉等优点。硫铝酸盐水泥呈现出向生态建筑材料发展的趋势，被广泛应用于冬季施工、铁路、水利工程等特殊领域。然而，在诸如客运专线锚固、水利修补等工程中，硫铝酸盐水泥的早期强度仍然不能满足要求。

工程中经常使用外加剂来提高水泥的抗压强度。目前常用的外加剂为碳酸锂等锂盐化合物，然而锂盐外加剂在使用过程中，存在后期(如3天后)强度倒缩等现象。近年来，越来越多的学者将超细材料应用于建筑领域来提高诸如强度、耐久性等方面的性能。如叶青等对纳米SiO₂在水泥基材料中的应用进行研究，结果表明纳米SiO₂具有比硅灰更高的火山灰活性，当纳米SiO₂掺量为2％-3％时，可以让水泥硬化浆体的强度提高约50％。

与其他纳米材料不同，钙矾石是水泥重要水产物之一，其分子式3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O，属三方晶系，呈柱状结构。在硫铝酸盐水泥水化产物中可达25％以上。目前尚无关于钙矾石作为早强剂在水泥基材料中应用的报道。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种亚微米钙矾石及其制备方法及作为早强剂在水泥基材料中的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种亚微米钙矾石，通过下述制备方法获得：将可与水互溶的有机溶剂与水混合作为溶剂，分别配制铝盐、钙盐、烧碱溶于上述溶剂的溶液，将三者同时倒入全返混爆式成核反应器中，进行成核反应2-3min，之后在20-50℃下回流晶化2-20h，离心洗涤至中性后干燥，得到亚微米钙矾石。

可与水互溶的有机溶剂与水的体积比例为1:1-10。

所述的可与水互溶的有机溶剂优选为甲醇、乙醇、丙酮、丙醇、丁醇或四氢呋喃。

配制铝盐、钙盐、烧碱的溶液时，钙盐溶液浓度为0.001-5mol/L，铝盐按混合后钙铝浓度比为1-8:1，烧碱按合成钙矾石完全沉淀所需量的95％-125％配成碱溶液，混合时三者等体积加入。

回流晶化的温度优选50℃。

离心洗涤时优选用热水离心洗涤8-10次。

干燥时于50-60℃优选55℃烘箱中进行。

所述亚微米钙矾石作为早强剂在水泥基材料中有很好的应用。

具体的，将亚微米钙矾石均匀分散于水中，并按照硫铝酸盐水泥质量的0.1％-5％添加亚微米钙矾石，搅拌混合均匀。

优选的，控制水灰比为0.29-1.0，优选0.6。

将亚微米钙矾石分散于水中时，可先将亚微米钙矾石加入水中搅拌，之后超声5分钟。

钙矾石的形成可控制水泥浆体的凝结时间并且在早期强度的形成方面起主要作用。因此，将亚微米钙矾石添加到硫铝酸盐水泥基注浆材料中，提供水泥水化产物的晶种，能够促进硫铝酸盐水泥的水化，从而促进各龄期强度的发展。从效果来看，将亚微米钙矾石添加到硫铝酸盐水泥中，不仅显著提高了1、3、7天的抗压强度，而且28天抗压强度也不产生倒缩。与空白基准样品相比，其1d抗压能力增加了120.5％-141.7％，3d抗压强度增加了62.6％-85.5％，7d时抗压能力增加了82.6％-96.7％，显著提高了注浆材料的各龄期的强度。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明制备亚微米钙矾石，制备方法简单，合成条件温和，易于操作，重复性好；将亚微米钙矾石添加到硫铝酸盐水泥基注浆材料中，能显著提高硫铝酸盐水泥各龄期的强度，特别是能显著提高水泥材料的早期强度，且后期强度不发生倒缩现象。

附图说明

图1为亚微米钙矾石粉体的XRD图；

图2为实施例1制得的亚微米钙矾石的SEM图；

图3为实施例2制得的亚微米钙矾石的SEM图。

具体实施方式

以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：

下述实施例中所用的原材料，如无特别说明，均为市售。

实施例1

亚微米钙矾石，制备方法如下：

称取14.16g Ca(NO₃)₂·4H₂O溶于煮沸冷却的去离子水(煮沸是为了排除水中二氧化碳的干扰)和丙酮的混合液(去离子水66.7ml，丙酮33.3ml)中；称取6.6642g Al₂(SO₄)₃·18H₂O溶于煮沸冷却的去离子水和丙酮的混合液(去离子水66.7ml，丙酮33.3ml)中；称取NaOH 24g(0.6mol)溶于另一份煮沸冷却的去离子水和丙酮的混合液中(去离子水66.7ml，丙酮33.3ml)；将三种溶液迅速于全返混爆发式成核反应器中混合，反应2min，然后将浆液在50℃下回流晶化10h,然后用热水离心洗涤8次，至pH值7左右，放入55℃烘箱中干燥，得到亚微米钙矾石。

称取60g上述制备的亚微米钙矾石溶于水中，搅拌10分钟并超声5分钟，按硫铝酸盐水泥质量的2％添加亚微米钙矾石，水灰比为0.6，搅拌混合均匀，最后成型。

实验结果表明，上述制备得到的硫铝酸盐水泥，其1d的抗压强度提升至300.7％，3d的抗压强度提升至917.9％，7d的抗压强度提升至175.4％，28天抗压强度提高至143.8％。

实施例2

亚微米钙矾石，制备方法如下：

称取14.16g Ca(NO₃)₂·4H₂O溶于煮沸冷却的去离子水和丙酮的混合液(去离子水75ml，丙酮25ml)中；称取6.6642g Al₂(SO₄)₃·18H₂O溶于煮沸冷却的去离子水和丙酮的混合液(去离子水75ml，丙酮25ml)中；称取NaOH 24g(0.6mol)溶于另一份煮沸冷却的去离子水和丙酮的混合液(去离子水75ml，丙酮25ml)中；将三种溶液迅速于全返混爆发式成核反应器中混合，反应3min,后将浆液在50℃下回流晶化10h,然后用热水离心洗涤10次，至pH值7左右，放入55℃烘箱中干燥，得到亚微米钙矾石。

称取60g上述制备的亚微米钙矾石溶于水中，搅拌10分钟并超声5分钟，按硫铝酸盐水泥质量的2％添加亚微米钙矾石，水灰比为0.6，搅拌混合均匀，最后成型。

实验结果表明，用上法制备得到的硫铝酸盐水泥，其1d的抗压强度提升至415.7％，3d的抗压强度提升至962.2％，7d的抗压强度提升至187.3％,28天抗压强度提升至150.8％。

表1为添加钙矾石的硫铝酸盐水泥各龄期的抗压强度。

表1

上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。