专利名称：高活性补偿收缩矿物掺合料及其制备方法
技术领域：
本发明属于无机非金属材料类，具体涉及一种对水泥混凝土具有补偿收缩作用的高活性矿物掺合料及其制备方法。
背景技术：
矿物掺合料在水泥混凝土中的应用，不仅提高了工业废渣的附加利用值，保护环境，降低混凝土成本，而且还大大改善了水泥混凝土的传统的性能，延长其使用寿命。但是，现有矿物掺合料如矿渣、硅灰、沸石粉、磷渣、偏高岭土、粉煤灰、煤矸石，尽管活性高，但利用其配制混凝土收缩较大、易开裂；而利用钢渣矿粉配制混凝土虽然具有补偿收缩作用，但由于其活性低，所以利用率相对较低。同时，对矿物掺合料而言，其在水泥混凝土中仅仅起到了填料、火山灰活性、降低用水量等作用，还远远不能达到对混凝土起到补偿收缩功能的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种即具有高活性又具有补偿收缩功能的高活性补偿收缩矿物掺合料及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是高活性补偿收缩矿物掺合料，它由钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏混合而成，其各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝(40～60％)∶(20～40％)∶(10～20％)∶(5～10％)，各组份之和为100％；钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏经混合、粉磨，得到勃氏比表面积为400～500m2/kg的干粉状具有高活性和补偿收缩功能的高活性补偿收缩矿物掺合料。
该高活性补偿收缩矿物掺合料采用以下三种方法之一制备1、高活性补偿收缩矿物掺合料的制备方法，包括如下步骤1).按各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝(40～60％)∶(20～40％)∶(10～20％)∶(5～10％)，选取钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏；2).将各种原料分别单独粉磨至比表面积为400～500m2/kg，然后进行混合，最后进行装包、密封、封存。
2、高活性补偿收缩矿物掺合料的制备方法，包括如下步骤1).按各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝(40～60％)∶(20～40％)∶(10～20％)∶(5～10％)，选取钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏；2).将各种原料分别单独粉磨至比表面积为200～400m2/kg，然后进行混合，将混合物粉磨至比表面积为400～500m2/kg，最后进行装包、密封、封存。
3、高活性补偿收缩矿物掺合料的制备方法，包括如下步骤1).按各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝(40～60％)∶(20～40％)∶(10～20％)∶(5～10％)，选取钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏；2).将各种原料分别粉碎至直径小于50mm，然后进行混合，将混合物粉磨达到比表面积为400～500m2/kg，最后进行装包、密封、封存。
高活性补偿收缩矿物掺合料的高活性和微膨胀原理可以认为如下硫铝酸盐水泥熟料与石膏在水的作用下可以立即进行以下反应
实际上，只要溶液内有适当浓度的钙离子、铝酸盐和硫酸盐离子，就能形成钙矾石。在一般情况下，铝酸盐离子由C3A、CA、C12A7、CA2等铝酸钙提供，二水石膏或无水石膏提供硫酸盐离子，硅酸钙(C3S、C2S)水化提供钙离子；而无水硫铝酸钙(3CaO·3Al2O3·CaSO4)则可同时提供上述各种离子。当液相中CaO浓度低时，Al2O3平衡浓度较高，钙矾石(AFt)析晶时的过饱和度小，析晶慢，晶形较大，并且远离原始固相表面，以分散状析出；而当液相中CaO浓度达到饱和时则相反，钙矾石很快团聚在原始固相表面以细小晶体呈辐射状析出。这两种钙矾石都具有使浆体膨胀的能力，不过前者分散填充在原来充水的空间，而后者以原始固相为依托，彼此交叉搭接，就具有更为显著的膨胀能力。同时，钢渣中的CaO、MgO和硫铝酸盐水泥熟料中2CaO·SiO2水化可以保持液相中Ca(OH)2的高浓度，铝胶在石膏和Ca(OH)2的作用下，生成AFt，达到补偿收缩效果，其化学反应过程可用下式表示钢渣与矿渣的复合作用机理为钢渣在水化早期主要作胶凝体系的微集料，水化后期生成部分的水化产物使液相碱性增加，同时矿渣在液相中发生水化，与Ca(OH)2、CaSO4反应生成C-S-H凝胶和AFt等晶体，是该体系网络骨架的主要来源；钢渣对矿渣的促进作用在于，一方面钢渣水化释放出Ca2+和OH-，其中Ca2+与低聚合度的硅酸反应，OH-促进矿渣的解聚；另一方面钢渣中晶体的诱导作用。钢渣与矿渣复合的水化产物主要有硅酸钙及其变体，其通式为CaO·Al2O3·xSiO2·yH2O矿物，简称为C-S-Al-H。在其间硫铝酸盐水泥熟料与石膏反应生成的铝胶也可以加快钢渣的Ca2+融解，促进钢渣的水化，使体系的反应活性得到提高。
钢渣中含有f-CaO、f-MgO，而CaO、MgO和水进行化学反应时，其固相的绝对体积反应后分别比反应前增加了77％、97.92％，但就CaO、MgO-H2O系统来说，反应后的总体积会因为化学减缩而减少。事实上，所有的胶凝材料(包括水泥、石膏等)，当和水进行化学反应时，都不可避免地产生了化学减缩。然而在实际中，CaO、MgO-H2O体系进行拌和后体积确实增大了，产生如此显著的体积膨胀的原因可以从两方面加以分析(1)水化过程中两类物质转移是否匹配。一是水分子(或OH-)进入CaO、MgO粒子内部，并与之发生水化反应，生成水化产物；二是水化反应产物向原来充水空间转移。(2)孔隙体积增量。固相体积的增加引起孔隙体积的增加可用简单的几何模型来加以近似的说明如图1。图1中小球—固相最初体积；大球—固相最终体积；小球之间的间隔—孔隙的最初体积；划有斜线的部分—孔隙体积增量；包括斜线部分的球之间的间隔-孔隙的最终体积。
其化学反应方程式如下
但由于钢渣经过1650℃的高温锻烧后，其中的f-CaO、f-MgO处于死烧状态，所以水化活性较低，但当其比表面积达到一定数值之后，其水化活性可以得到提高，因此本发明特别规定了钢渣粉的比表面积。对AFt与该体系中f-CaO、f-MgO作为膨胀源而言，其膨胀时间的不同从而保证了该矿物掺合料能够持续膨胀，因为AFt的生成主要发生在水化早期，而氧化钙膨胀时间提前于氧化镁，所以f-CaO的膨胀时间可以认为是在中期，而f-MgO则可以认为是在后期，从而到达可持续膨胀的功能。
本发明利用钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏制备出一种具有补偿收缩功能的高活性混凝土矿物掺合料。该体系中的四种成分相互作用、协调发展，其利用硫铝酸盐水泥熟料和石膏早期反应生成钙矾石的补偿收缩功能以及钢渣中f-CaO、f-MgO后期水化后的体积膨胀性能，产生与水泥在不同水化历程的收缩特性相对应的膨胀规律，有效治理混凝土的早期、晚期收缩和开裂，提高抗渗性能及建筑工程的耐久性；同时发挥体系中矿渣的高活性，从而使得其即具有高活性也具有持续膨胀补偿收缩的功能。该高活性补偿收缩矿物掺合料的活性指数和膨胀率指标可分别达到活性指数≥80％(强度比值)；28d膨胀率0.03～0.05％；180d膨胀率0.01～0.03％。
图1是本发明孔隙体积增量效应图具体实施方式
实例1高活性补偿收缩矿物掺合料，它由钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏混合而成，其各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝40％∶40％∶15％∶5％。
上述高活性补偿收缩矿物掺合料的制备方法，包括如下步骤1).按各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝40％∶40％∶15％∶5％，选取钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏；2).将各种原料分别单独粉磨至比表面积为400～500m2/kg，然后进行混合均匀，最后进行装包、密封、封存。
该高活性补偿收缩矿物掺合料的活性指数和膨胀率指标可分别达到活性指数≥80％(强度比值)；28d膨胀率0.03～0.05％；180d膨胀率0.01～0.03％。
高活性补偿收缩矿物掺合料必须处于干燥防潮的条件下，否则会结块失效。
实例2高活性补偿收缩矿物掺合料，它由钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏混合而成，其各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝45％∶35％∶14％∶6％。
上述高活性补偿收缩矿物掺合料的制备方法，包括如下步骤1).按各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝45％∶35％∶14％∶6％，选取钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏；2).将各种原料分别单独粉磨至比表面积为200m2/kg，然后进行混合，将混合物粉磨至比表面积400～500m2/kg，最后进行装包、密封、封存。
该高活性补偿收缩矿物掺合料的活性指数和膨胀率指标可分别达到活性指数≥80％(强度比值)；28d膨胀率0.03～0.05％；180d膨胀率0.01～0.03％。
实例3高活性补偿收缩矿物掺合料，它由钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏混合而成，其各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝46％∶30％∶18％∶6％。
上述高活性补偿收缩矿物掺合料的制备方法，包括如下步骤1).按各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝46％∶30％∶18％∶6％，选取钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏；2).将各种原料分别粉碎至直径小于50mm，然后进行混合，将混合物粉磨达到比表面积为400～500m2/kg，最后进行装包、密封、封存。
该高活性补偿收缩矿物掺合料的活性指数和膨胀率指标可分别达到活性指数≥80％(强度比值)；28d膨胀率0.03～0.05％；180d膨胀率0.01～0.03％。
实例4高活性补偿收缩矿物掺合料，它由钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏混合而成，其各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝50％∶20％∶20％∶10％。
上述高活性补偿收缩矿物掺合料的制备方法，包括如下步骤1).按各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝50％∶20％∶20％∶10％，选取钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏；2).将各种原料分别单独粉磨至比表面积为400～500m2/kg，然后进行混合均匀，最后进行装包、密封、封存。
该高活性补偿收缩矿物掺合料的活性指数和膨胀率指标可分别达到活性指数≥80％(强度比值)；28d膨胀率0.03～0.05％；180d膨胀率0.01～0.03％。
实例5高活性补偿收缩矿物掺合料，它由钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏混合而成，其各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝55％∶24％∶13％∶8％。
上述高活性补偿收缩矿物掺合料的制备方法，包括如下步骤1).按各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝55％∶24％∶13％∶8％，选取钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏；2).将各种原料分别单独粉磨至比表面积为300m2/kg，然后进行混合，将混合物粉磨至比表面积400～500m2/kg，最后进行装包、密封、封存。
该高活性补偿收缩矿物掺合料的活性指数和膨胀率指标可分别达到活性指数≥80％(强度比值)；28d膨胀率0.03～0.05％；180d膨胀率0.01～0.03％。
实例6高活性补偿收缩矿物掺合料，它由钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏混合而成，其各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝60％∶20％∶10％∶10％。
上述高活性补偿收缩矿物掺合料的制备方法，包括如下步骤1).按各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝60％∶20％∶10％∶10％，选取钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏；2).将各种原料分别粉碎至直径小于50mm，然后混合，将混合物粉磨达到比表面积为400～500m2/kg，最后进行装包、密封、封存。
该高活性补偿收缩矿物掺合料的活性指数和膨胀率指标可分别达到活性指数≥80％(强度比值)；28d膨胀率0.03～0.05％；180d膨胀率0.01～0.03％。
本发明应用实例作为水泥混凝土的矿物掺和料在混凝土中掺入5％～30％的高活性补偿收缩矿物掺合料，可得到具有很好力学性能和微膨胀性能的水泥混凝土材料。其步骤为先按计量称好水泥、高活性补偿收缩矿物掺和料、石、砂、水、固体减水外加剂FDN，然后将水泥、高活性补偿收缩矿物掺和料、石、砂、固体减水外加剂分别倒入搅拌容器中，干拌30s使其混合均匀，然后将水徐徐倒入搅拌容器中搅拌30s，确保搅拌均匀后倒出成型，在振动台上振动30s，进行标养到龄期后按照国标测试其强度，自由膨胀率。部分实验结果如表1。
表1 掺高活性补偿收缩矿物掺合料混凝土配合比
权利要求
1.高活性补偿收缩矿物掺合料，其特征是它由钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏混合而成，其各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝40～60％∶20～40％∶10～20％∶5～10％，各组份之和为100％；钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏经混合、粉磨，得到勃氏比表面积为400～500m2/kg的干粉状具有高活性和补偿收缩功能的高活性补偿收缩矿物掺合料。
2.如权利要求1所述的高活性补偿收缩矿物掺合料的制备方法，其特征是包括如下步骤1).按各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝40～60％∶20～40％∶10～20％∶5～10％，选取钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏；2).将各种原料分别单独粉磨至比表面积为400～500m2/kg，然后进行混合，最后进行装包、密封、封存。
3.如权利要求1所述的高活性补偿收缩矿物掺合料的制备方法，其特征是包括如下步骤1).按各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝40～60％∶20～40％∶10～20％∶5～10％，选取钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏；2).将各种原料分别单独粉磨至比表面积为200～400m2/kg，然后进行混合，将混合物粉磨至比表面积为400～500m2/kg，最后进行装包、密封、封存。
4.如权利要求1所述的高活性补偿收缩矿物掺合料的制备方法，其特征是包括如下步骤1).按各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝40～60％∶20～40％∶10～20％∶5～10％，选取钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏；2).将各种原料分别粉碎至直径小于50mm，然后进行混合，将混合物粉磨达到比表面积为400～500m2/kg，最后进行装包、密封、封存。
全文摘要
本发明涉及一种对水泥混凝土具有补偿收缩作用的高活性矿物掺合料及其制备方法。高活性补偿收缩矿物掺合料，它由钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏混合而成，其各组份质量配比为钢渣∶矿渣∶硫铝酸盐水泥熟料∶石膏＝40～60％∶20～40％∶10～20％∶5～10％，各组份之和为100％；钢渣、矿渣、硫铝酸盐水泥熟料和石膏经混合、粉磨，得到勃氏比表面积为400～500m
文档编号C04B22/00GK1699249SQ200510018820
公开日2005年11月23日 申请日期2005年5月31日 优先权日2005年5月31日
发明者胡曙光, 丁庆军, 王红喜, 吕林女, 何永佳, 彭波, 王发洲, 陈平 申请人:武汉理工大学