一种掺加改性偏高岭土的海工水泥的制作方法
【专利摘要】本发明属建筑材料【技术领域】，具体涉及一种掺加改性偏高岭土的海工水泥。本发明采用的原材料为：硅酸盐水泥、矿渣粉、粉煤灰、硅灰、白炭黑及改性偏高岭土，将上述原材料按一定重量比混合均匀即得所需产品。本发明具有制备工艺简单，抗裂性能好等优点，能够显著改善混凝土的抗氯离子渗透性能，解决海洋环境中大体积水利工程混凝土的抗侵蚀能力问题，提高了海洋环境水利工程混凝土结构的耐久性、强度及其他工作性能。
【专利说明】一种掺加改性偏高岭土的海工水泥
【技术领域】
[0001] 本发明属于建筑材料【技术领域】，具体涉及一种掺加改性偏高岭土的海工水泥。
【背景技术】
[0002] 近年来，我国港口、海岸防护、跨海大桥及海上钻井平台等海上工程建设发展很 快，这些海工混凝土结构在海洋环境中服役时长期受到海水的侵蚀与冲刷，所处环境非常 恶劣，因此，海工混凝土的耐久性越来越受到重视。
[0003] 海工混凝土最常见的破坏形式便是内部钢筋锈蚀造成的混凝土保护层开裂和剥 落，其产生的原因在于海洋环境中的氯离子易扩散进入混凝土结构内部，并在钢筋表面积 聚，当达到临界浓度时就会破坏混凝土结构内的钢筋表面的钝化膜，致使钢筋锈蚀并发生 体积膨胀，并最终导致混凝土的破坏。因此，提高混凝土的抗渗性能，防止氯离子的侵入，能 够有效提1?混凝土的耐久性。
[0004] 为更有效地改善外部环境对混凝土的侵蚀作用并延长混凝土结构的使用寿命，通 常需要在混凝土耐久性设计和材料的选择阶段充分考虑保证足够的混凝土保护层厚度和 使用高品质的混凝土。混凝土保护层厚度的增加能够带来一定的益处，因为这种做法能够 有效阻碍侵蚀性介质的侵入并延长初始侵蚀产生的时间。然而事实上，由于力学性能和现 实原因，保护层厚度的增加是有限的，为了达到混凝土的理想力学性能和优异的耐久性，提 倡矿物掺合料在混凝土中的应用以提高混凝土抗氯离子渗透性能已得到越来越多工程技 术人员的认可。
[0005] 矿物掺合料，通常指火山灰质材料，主要成分是氧化硅、氧化铝和其他有效矿物 质。矿物掺合料的火山灰质效应使其与对结构不利的氢氧化钙发生反应，生成产物C-S-H 凝胶，此产物为极小粒子所组成的刚性凝胶材料，能够提高结构的强度与密实度。常用的 矿物掺合料有粉煤灰、矿渣粉及硅灰等，这些矿物掺合料提高混凝土抗氯离子侵蚀的原因 主要包括以下两个方面：1)矿物掺合料的添加有效优化了混凝土内部微观结构，从而提高 了它对氯离子抗渗的扩散阻力；2)添加矿物掺合料后使得水泥的二次水化反应生成低碱性 C-S-H凝胶，能够增强混凝土对氯离子的化学结合能力与物理吸附能力。但这些矿物掺合料 也存在一些不足，例如粉煤灰的早期水化能力差，单掺粉煤灰时对混凝土早期强度有一定 的不利影响；矿渣粉作用的发挥受细度和温度等的影响较大；而硅灰则因价格太高而限制 了其应用范围。由于各类矿物掺合料加入混凝土中均有利弊，所以矿物掺合料的掺入技术 也从单掺发展到多元复掺，从而使混凝土获得更加优异的性能。白炭黑是近年来应用于混 凝土组成的一种纳米材料，其粒径为20nm-30nm，可以填充娃灰颗粒堆积后的更小空隙，填 充硬化混凝土内部的毛细孔，极大地改善混凝土的抗氯离子渗透性。
[0006] 本发明在结合上述三种矿物掺合料和白炭黑各自特征的基础上，引入了另一种对 混凝土抗氯离子渗透性能具有显著改善作用的矿物掺合料--改性偏高岭土，并将这五种 活性矿物材料与硅酸盐水泥按一定重量比混合制备出了一种海工水泥。本发明具有制备工 艺简单、抗裂性能好、抗氯离子扩散性能好且满足海工水泥常规物理力学性能等特点。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种掺加改性偏高岭土的海工水泥，本发明能够显著改善 混凝土的抗氯离子渗透性能，解决海洋环境中大体积水利工程混凝土的抗侵蚀能力问题， 提高了海洋环境水利工程混凝土结构的耐久性、强度及其他工作性能。
[0008] 本发明提出的一种掺加改性偏高岭土的海工水泥，由硅酸盐水泥、矿渣粉、粉煤 灰、硅灰、白炭黑及改性偏高岭土组成，各组分的重量比为： 硅酸盐水泥 100 矿渣粉 50-100 粉煤灰 15-35 硅灰 10-20 白炭黑 3-6 改性偏高岭土 15-50 ; 所述改性偏高岭土是由高岭土在高温下煅烧后经粉磨制备而成，其制备方法如下： 1) 将高岭土与窑灰按重量比为9:1的比例混合均匀，随后放入马弗炉内； 2) 对马弗炉的升温速率进行设定，使样品能在15min内从室温升温至800°C ±20°C，并 在此温度范围内保温20min ; 3) 煅烧完毕后将样品取出并在空气中急冷，对样品进行粉磨并使其细度满足80 μ m筛 余量小于1. 〇%，即得所需的改性偏高岭土。
[0009] 本发明中，所述的硅酸盐水泥为强度等级为42. 5级硅酸盐水泥或52. 5级硅酸盐 水泥中的一种。
[0010] 本发明中，所述的矿渣粉为S95矿渣粉或S105矿渣粉中的一种。
[0011] 本发明中，所述的粉煤灰为I级粉煤灰。
[0012] 本发明中，所述硅灰的比表面积为20000m2/kg，其Si02含量不低于90%。
[0013] 本发明中，所述白炭黑的颗粒粒径为20nm-30nm，其Si02含量不低于90%。
[0014] 本发明提出的一种掺加改性偏高岭土的海工水泥的制备方法，具体为：按前述重 量比称取各组分并置于混合机中，搅拌均匀即可制得所需产品。
[0015] 本发明中，矿渣粉、粉煤灰、硅灰、白炭黑和改性偏高岭土五种活性矿物材料在对 混凝土抗氯离子渗透性能的改善作用中起到了协同作用。其中，矿渣粉能够改善混凝土抗 氯离子渗透性能不仅因为其具有矿物掺合料的火山灰质效应，还由于矿渣粉的活性需要碱 的激发，它可以吸收水泥中钾、钠等碱金属，从而提高其界面强度及密实性。粉煤灰的颗粒 形态为球形，这一特征对于减少混凝土拌合物需水量和提高混凝土拌合物工作性能具有积 极的作用，特别是本发明中选用的I级粉煤灰，具有显著的滚珠效应，能够用以改善掺加硅 灰或改性偏高岭土造成的混凝土工作性不良的问题。硅灰由极微小、表面光滑的玻璃态球 形颗粒组成并具有相当大的比表面积，能使水泥的微观孔结构和界面区域更加致密。且其 主要化学成分Si0 2含量在90%以上，使得它的水化反应产物C-S-H凝胶的体积得到很大的 提高，更有效地改善了混凝土的抗氯离子渗透性能。白炭黑为纳米级多孔硅质材料，既具有 良好的填充性，又具有优异的火山灰活性和吸附性。改性偏高岭土能有效促进水泥水化作 用，提高混凝土强度并细化混凝土中的孔隙分布，进而提高混凝土的抗氯离子渗透性能。此 夕卜，由于改性偏高岭土的主要化学成分为无定形态的A1203及Si02，能够提供大量的、形成F 盐(氯铝酸钙3CaO · A1203 · CaCl2 · 10H20)所需的铝组分，因此能有效的对混凝土孔溶液中 的氯离子进行化学固化，进而减少游离态的氯离子，降低钢筋锈蚀的几率。
[0016] 本发明提出的一种掺加改性偏高岭土的海工水泥，其使用方法为，根据工程的实 际需求配制海工混凝土即可。
[0017] 本发明为一种掺加改性偏高岭土的海工水泥，本发明能够显著改善混凝土的抗氯 离子渗透性能，解决海洋环境中大体积水利工程混凝土的抗侵蚀能力问题，提高了海洋环 境水利工程混凝土结构的耐久性、强度及其他工作性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1为海工水泥不同龄期XRD衍射图。
【具体实施方式】
[0019] 本发明提供了 一种掺加改性偏高岭土的海工水泥，为使本发明的目的、技术方案 及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施 例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0020] 实施例1，一种掺加改性偏高岭土的海工水泥，按原材料重量比为42. 5级硅酸盐 水泥100, S105矿渣粉50,粉煤灰35,硅灰10,白炭黑6及改性偏高岭土 50称取原材料，置 于搅拌机中机械混合均匀即得所需产品，记为C1。其中：改性偏高岭土的制备方法如下： 1) 将高岭土与窑灰按重量比为9:1的比例混合均匀，随后放入马弗炉内； 2) 对马弗炉的升温速率进行设定，使样品能在15min内从室温升温至800°C ±20°C，并 在此温度范围内保温20min ; 3) 煅烧完毕后将样品取出并在空气中急冷，对样品进行粉磨并使其细度满足80 μ m筛 余量小于1. 〇%，即得所需的改性偏高岭土。
[0021] 根据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中规定 的电通量法来反映混凝土的抗氯离子渗透性能，结果表明，由C1配制的海工混凝土试样比 采用42. 5级硅酸盐水泥配制的混凝土试样的总电通量降低了 73. 6%。
[0022] 实施例2, 一种掺加改性偏高岭土的海工水泥，按原材料重量比为52. 5级硅酸盐 水泥100, S95矿渣粉75,粉煤灰25,硅灰15,白炭黑5及改性偏高岭土 35称取原材料，置于 搅拌机中机械混合均匀即得所需产品，记为C2。改性偏高岭土的制备方法同实施例1。根 据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中规定的电通量法 来反映混凝土的抗氯离子渗透性能，结果表明，由C2配制的海工混凝土试样比采用52. 5级 硅酸盐水泥配制的混凝土试样的总电通量降低了 73. 2%。
[0023] 实施例3, 一种掺加改性偏高岭土的海工水泥，按原材料重量比为52. 5级硅酸盐 水泥100, S105矿渣粉75,粉煤灰25,硅灰20,白炭黑5及改性偏高岭土 30称取原材料，置 于搅拌机中机械混合均匀即得所需产品，记为C3。改性偏高岭土的制备方法同实施例1。根 据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中规定的电通量法 来反映混凝土的抗氯离子渗透性能，结果表明，由C3配制的海工混凝土试样比采用52. 5级 硅酸盐水泥配制的混凝土试样的总电通量降低了 75. 1%。
[0024] 实施例4, 一种掺加改性偏高岭土的海工水泥制，按材料重量比为52. 5级硅酸盐 水泥100, S95矿渣粉100,粉煤灰15,硅灰20,白炭黑3及改性偏高岭土 15称取原材料，置 于搅拌机中机械混合均匀即得所需产品，记为C4。改性偏高岭土的制备方法同实施例1。根 据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中规定的电通量法 来反映混凝土的抗氯离子渗透性能，结果表明，由C4配制的海工混凝土试样比采用52. 5级 硅酸盐水泥配制的混凝土试样的总电通量降低了 72. 5%。
[0025] 实施例说明：为了揭示本发明改善混凝土抗氯离子渗透性能的机理，本发明人以 实施例1制得的海工水泥为原料配制了两组净浆试块，其中空白组记为B，试验组记为C1， W/C=0. 3,试验组中加入了 3% (占胶凝材料的重量）的NaCl，两组试块7d及28d龄期的XRD 图谱如图1所示： 从图1可以看出，试验组的氢氧化钙（CH)衍射峰明显弱于空白组，且试验组有F盐生 成，其生成量随龄期增长变化不大，这表明生成的F盐较稳定，即氯离子被稳定地固化于F 盐中，从而避免了氯离子侵蚀的危害。
[0026] 需要说明的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可 以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保 护范围。
【权利要求】
1. 一种掺加改性偏高岭土的海工水泥，其特征在于由硅酸盐水泥、矿渣粉、粉煤灰、硅 灰、白炭黑及改性偏高岭土组成，各组分的重量比为： 硅酸盐水泥 100 矿渣粉 50-100 粉煤灰 15-35 硅灰 10-20 白炭黑 3-6 改性偏高岭土 15-50 ; 其中：所述的改性偏高岭土是由高岭土在高温下煅烧后经粉磨制备而成，其具体制备 方法如下： 1) 将高岭土与窑灰按重量比为9:1的比例混合均匀，随后放入马弗炉内； 2) 对马弗炉的升温速率进行设定，使样品能在15min内从室温升温至800°C ±20°C，并 在此温度范围内保温20min ; 3) 煅烧完毕后将样品取出并在空气中急冷，对样品进行粉磨并使其细度满足80 μ m筛 余量小于1. 〇%，即得所需的改性偏高岭土。
2. 根据权利要求1所述的一种掺加改性偏高岭土的海工水泥，其特征在于所述的硅酸 盐水泥为强度等级为42. 5级硅酸盐水泥或52. 5级硅酸盐水泥中的一种。
3. 根据权利要求1所述的一种掺加改性偏高岭土的海工水泥，其特征在于所述的矿渣 粉为S95矿渣粉或S105矿渣粉中的一种。
4. 根据权利要求1所述的一种掺加改性偏高岭土的海工水泥，其特征在于所述的粉煤 灰为I级粉煤灰。
5. 根据权利要求1所述的一种掺加改性偏高岭土的海工水泥，其特征在于所述硅灰的 比表面积为20000m2/kg，其Si0 2含量不低于90%。
6. 根据权利要求1所述的一种掺加改性偏高岭土的海工水泥，其特征在于所述白炭黑 的颗粒粒径为20nm-30nm，其Si02含量不低于90%。
【文档编号】C04B7/26GK104108890SQ201410347110
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】孙振平, 水亮亮, 李春景, 杨旭, 杨海静 申请人:同济大学