一种偏高岭土基普通硅酸盐水泥砂浆增强剂及其制备方法与流程

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种偏高岭土基普通硅酸盐水泥砂浆增强剂及其制备方法。

背景技术：

混凝土是目前应用最广泛的建筑工程材料，主要应用领域有道路、桥梁、水利水电、工业、民用建筑及军事工程等。由于混凝土自身的设计缺陷以及环境等因素的影响，部分混凝土会出现腐蚀、碱骨料反应、冻融破坏，甚至出现裂缝，严重影响结构的稳定性和安全性。因此，提升混凝土强度、改善其耐久性一直以来都是研究的重点和热点。

偏高岭土是一种富含活性硅铝矿物的无机材料，由球磨的高岭土在适当温度(500-800℃)下煅烧后脱水制得，具有很强的火山灰活性，可用来制备致密高强、耐久性和耐腐蚀性能优异的混凝土材料。但在普通硅酸盐水泥砂浆中单独掺入偏高岭土时，在水化早期由于水泥水化产物包裹了偏高岭土颗粒，阻碍了水分子的迁移，使得偏高岭土的火山灰反应速度较慢，致使早期强度增长较慢。同时，随着水化反应的进行及反应产物的不断消耗，体系的碱度逐渐降低，有一部分偏高岭土的活性并没有得到激发，如何有效激发偏高岭土的活性有待进一步研究。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种偏高岭土基普通硅酸盐水泥砂浆增强剂及其制备方法，该增强剂能够有效地激发偏高岭土在水泥基材料中的火山灰活性，大幅提高水泥砂浆的早期强度和后期强度，改善其表面泌水现象，减少凝结时间，改善流动性，增强硬化水泥砂浆的韧性，对水泥混凝土的耐久性也有较好的改善效果。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种偏高岭土基普通硅酸盐水泥砂浆增强剂，所述增强剂由偏高岭土与改性活性纤维按质量比5:1-3混合得到；

所述改性活性纤维由烘干球磨处理的磷石膏煅烧后经水热反应制备得到磷石膏晶须，将磷石膏晶须再次煅烧得到。

按上述方案，所述偏高岭土由高岭土经球磨机球磨1-3小时，并在500-800℃下煅烧1-5h得到。

按上述方案，所述改性活性纤维长径比为30-90，其制备方法为：

1)将磷石膏先于40-60℃烘干，再球磨过400目筛，筛余小于1％，再于550±50℃煅烧2h，得到煅烧磷石膏；

2)将步骤1)所得煅烧磷石膏置于水热反应釜中，按固液质量比1:10-20加入混合溶液，其中混合溶液由丙三醇与去离子水按体积比0.4-0.6：1配制得到，在120-160℃下水热反应1-3h，所得产物离心洗涤干燥得到磷石膏晶须；

3)将步骤2)所得磷石膏晶须在200-600℃煅烧3h，得到改性活性纤维。

以磷石膏为原料制备的硫酸钙晶须通常被简称为磷石膏晶须，是一种绿色环保材料，具备价格低廉、性能优良、应用广泛等特点。水热法制备的磷石膏晶须通常为半水硫酸钙晶须，容易吸收空气中和水中的水分，形成二水石膏，导致晶体结构的破坏，因此应用前必须进行改性处理。将改性磷石膏晶须应用于偏高岭土-水泥的混合体系时，磷石膏晶须水化可以提供ca²⁺、so4^2-，在水泥体系的碱性条件下，可以与偏高岭土中的活性硅铝物质反应从而激发偏高岭土的火山灰活性，改善水泥的水化进程和水泥石结构，增强硬化水泥砂浆的早期抗折强度，改善其抗压强度；同时，改性磷石膏晶须中的无水死烧石膏还能发挥磷石膏晶须的微细纤维特性，对硬化水泥砂浆起到增强增韧效果。

本发明还提供上述偏高岭土基普通硅酸盐水泥砂浆增强剂的制备方法，其步骤如下：按比例称取偏高岭土和改性活性纤维，先将偏高岭土放入混料机中，再加入改性活性纤维进行混合，混合时间为30-90min，混合结束得到偏高岭土基普通硅酸盐水泥砂浆增强剂。

本发明还提供上述偏高岭土基普通硅酸盐水泥砂浆增强剂在普通硅酸盐水泥砂浆中的应用，所述增强剂的掺量范围为6-8％。

在机械作用下，增强剂改性活性纤维通过物理作用和化学作用吸附在偏高岭土的表面，进入团聚偏高岭土颗粒间隙，改性活性纤维具有两个功能：一是使团聚的偏高岭土充分分散，二是对偏高岭土颗粒的表面进行改性。

本发明的有益效果在于：1、本发明所制备的增强剂能明显提高普通硅酸盐水泥砂浆的早期强度和后期强度，普通硅酸盐砂浆中偏高岭土基普通硅酸盐水泥增强剂的掺量为6‐8wt％，能显著提高砂浆3d抗折强度40％以上，显著提高砂浆7d抗折强度15％以上，且28d抗折强度增长率仍能保持在20％以上。能显著提高砂浆3d抗压强度60％以上，显著提高砂浆7d抗压强度45％以上，且28d抗压强度增长率仍能保持在25％以上。这是因为偏高岭土作为一种矿物掺合料，其具备火山灰活性和微填充效应，能够显著提高混凝土的早期强度和后期耐久性，同时其中的活性纤维发挥了良好的改性效果，极大地激发了偏高岭土的活性；

2、偏高岭土基普通硅酸盐水泥增强剂利用偏高岭土和煅烧磷石膏晶须的共同作用，在发挥偏高岭土火山灰活性的同时，还能发挥磷石膏晶须微细纤维的增强增韧作用。偏高岭土具有较高比表面积和细度，具有火山灰效应以及微填充效应，掺加后可以改善混凝土拌和物的保水性能，使水泥砂浆的凝聚性能增加。单掺偏高岭土时，在水化早期由于水泥水化产物包裹了偏高岭土颗粒，阻碍了水分子的迁移，使得偏高岭土的火山灰反应速度较慢，致使早期强度增长较慢。同时，随着反应龄期的增长，体系中的碱度逐渐降低，偏高岭土的活性不能得到较好的激发。煅烧的磷石膏晶须是一种无水可溶石膏晶须和无水死烧石膏晶须混合的活性纤维。无水死烧石膏晶须的原子堆积较大，其晶格中不存在通道，晶体结构更加牢固，几乎不发生水化，能发挥纤维的特性，增加硬化水泥浆体的抗折强度；而无水可溶石膏晶须的晶格中与ca²⁺‐so4^2‐‐ca²⁺链平行的通道处于完全失水状态，比表面积较大，遇水时会强烈吸水，首先形成半水硫酸钙晶须，然后再进一步水化产生so4^2‐，发挥硫酸盐对偏高岭土活性的激发效果。因此，硬化水泥砂浆的各龄期抗折强度和抗压强度都能得到改善。当偏高岭土与磷石膏晶须充分混合时，可以使得偏高岭土的活性得到较大的激发，使得普通硅酸盐水泥砂浆具备较好的工作性能；

3、本发明能提高普通硅酸盐水泥砂浆的体积稳定性和耐久性，普通硅酸盐水泥砂浆中加入偏高岭土后，由于偏高岭土的火山灰效应以及微填充效应，能够提高制品的致密性，从而有效地降低体积收缩和提高混凝土的耐久性。偏高岭土基普通硅酸盐水泥砂浆增强剂的加入，既改善了普通硅酸盐水泥砂浆的工作性能，又提高了偏高岭土的反应活性，更有利于降低普通硅酸盐水泥砂浆的体积收缩和提高普通硅酸盐水泥砂浆的耐久性。

附图说明

图1为本发明制备的基准样、偏高岭土样及实施例1、2、3砂浆试件的抗折强度对比图；

图2为实施例制备的基准样、偏高岭土样及实施例1、2、3砂浆试件的抗压强度对比图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例所用偏高岭土制备方法为：高岭土经球磨机球磨2小时，并在800℃下煅烧3h得到偏高岭土。

所用改性活性纤维制备方法为：原料磷石膏在45℃下烘干，并于球磨机中球磨1h，过400目筛，筛余小于1％，取筛下物于550℃下煅烧了2h，升温速率为5℃/min，自然冷却得到煅烧磷石膏，然后将煅烧磷石膏置于水热反应釜中，按固液质量比1:20加入混合溶液，其中混合溶液由丙三醇与去离子水按体积比0.5：1配制得到，在140℃下水热反应2h，所得产物离心洗涤干燥得到磷石膏晶须，晶须的长径比为80.32，晶须的合成率为93.40％，所制备的磷石膏晶须分别在200℃、400℃和600℃下煅烧3h，得到200℃改性活性纤维、400℃改性活性纤维和600℃改性活性纤维。

实施例1

偏高岭土基普通硅酸盐水泥砂浆增强剂的制备方法，其特征在于：将经过烘干的偏高岭土放入混料机中，加入200℃改性活性纤维，混料时间为30-90min，得到偏高岭土基普通硅酸盐水泥砂浆增强剂，按质量份，由5份偏高岭土分别与1份，2份，3份改性活性纤维混料得到三种增强剂(对应于6％，7％，8％掺量)。

将上述制得的三种增强剂分别按6％，7％，8％掺量(5％的偏高岭土加1％，2％，3％的改性活性纤维)取代水泥，选取标准沙，按水灰比为0.5得到6％、7％、8％掺加的砂浆试件。

偏高岭土样制备方法：偏高岭土以5％等量取代水泥，选取标准沙，按水灰比为0.5配置砂浆。

基准样配制方法为：由普通硅酸盐水泥450g、标准砂1350g，按水灰比为0.5配制的水泥砂浆。

按照gb/t2429—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测试基准样、偏高岭土样、实施例1的增强剂的拌合物的流动度；按照gb/t17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》，用万能压力试验机测试基准样和实施例1的3天、7天和28天的抗折和抗压强度。

表1

表1说明：实施例1中砂浆试件的流动度相比同掺量为5％的偏高岭土而言，有一定的提高，最多能从185mm提升到195mm。这说明本实施例制备的偏高岭土基普通硅酸盐水泥砂浆增强剂对工作性能有一定的改善作用。掺入本实施例的增强剂相对于基准样及偏高岭土样而言，各龄期的抗折和抗压强度都得到了提升。基准样的3d、7d和28d抗折强度分别为5.5mpa、8.2mpa和9.1mpa，抗压强度分别为22.3mpa、37.6mpa和46.4mpa。掺入本实施例的增强剂时，3d、7d和28d抗折强度最多可以达到8.1mpa、10.1mpa和11.4mpa，较基准样分别提升了47.27％、23.17％和25.27％；3d、7d和28d抗压强度最多可以达到37.6mpa、58.5mpa和62.2mpa，较基准样分别提升了66.82％、44.41％和34.05％。

选择本实施例的增强剂的掺量为7％，以净浆作为考察对象，参照gb/t1346－2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》中水泥凝结时间的测定方法，分别测定基准样(p.o42.5水泥)、偏高岭土样和本实施例的增强剂(掺量均为7％等质量取代水泥)的初、终凝时间。

表2

表2说明：偏高岭土的掺入使得浆体的初、终凝时间都相应缩短。同时，本实施例制备的增强剂的加入还可以进一步缩短胶凝材料的凝结时间，其中初凝时间相对于基准样而言，缩短了44min，终凝时间缩短了48min。说明本发明对混凝土具有一定的促凝作用。

实施例2

偏高岭土基普通硅酸盐水泥砂浆增强剂的制备方法，其特征在于：将经过烘干的偏高岭土放入混料机中，加入400℃改性活性纤维，混料时间为30-90min，得到所述偏高岭土基普通硅酸盐水泥砂浆增强剂，按质量份，由5份偏高岭土分别与1份，2份，3份改性活性纤维混料得到三种增强剂(对应于6％，7％，8％掺量)。使用的时候，将制得的增强剂分别按6％，7％，8％掺量(5％的偏高岭土加1％，2％，3％的改性活性纤维)取代水泥，选取标准沙，按水灰比为0.5得到6％、7％、8％掺加的砂浆试件。

偏高岭土样和基准样配制方法同实施例1。

采用与实施例1相同的方法，用万能压力试验机测试基准样和本实施例6％、7％、8％掺加的砂浆试件的3天、7天和28天抗折和抗压强度。

表3

表3说明：本实施例中砂浆试件的流动度相比同掺量为5％的偏高岭土而言，有一定的提高，最多能从185mm提升到195mm。这说明本实施例制备的偏高岭土基普通硅酸盐水泥砂浆增强剂对工作性能有一定的改善作用。掺入本实施例的增强剂相对于基准样及偏高岭土样而言，各龄期的抗折和抗压强度都得到了提升。基准样的3d、7d和28d抗折强度分别为5.5mpa、8.2mpa和9.1mpa，抗压强度分别为22.3mpa、37.6mpa和46.4mpa。掺入本实施案例中的增强剂时，3d、7d和28d抗折强度最多可以达到8.3mpa、10.3mpa和11.5mpa，较基准样分别提升了50.91％、25.61％和26.37％；3d、7d和28d抗压强度最多可以达到37.4mpa、60.0mpa和62.6mpa，较基准样分别提升了67.71％、59.57％和34.91％。

选择本实施例制备的增强剂的掺量为7％，以净浆作为考察对象，参照gb/t1346－2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》中水泥凝结时间的测定方法，分别测定基准样(p.o42.5水泥)、偏高岭土样和本实施例的增强剂(掺量均为7％等质量取代水泥)的初、终凝时间。

表4

表4说明：偏高岭土的掺入使得浆体的初、终凝时间都相应缩短。同时，本实施例的增强剂的加入还可以进一步缩短胶凝材料的凝结时间，其中初凝时间相对于基准样而言，缩短了37min，终凝时间缩短了43min。说明本发明对混凝土具有一定的促凝作用。

实施例3

偏高岭土基普通硅酸盐水泥砂浆增强剂的制备方法，其特征在于：将经过烘干的偏高岭土放入混料机中，加入600℃改性活性纤维，混料时间为30-90min，得到所述偏高岭土基普通硅酸盐水泥砂浆增强剂，按质量份，由5份偏高岭土分别与1份，2份，3份改性活性纤维混料得到三种增强剂(对应于6％，7％，8％掺量)。使用的时候，将上述制得的三种增强剂分别按6％，7％，8％掺量(5％的偏高岭土加1％，2％，3％的改性活性纤维)取代水泥，选取标准沙，按水灰比为0.5得到6％、7％、8％掺加的砂浆试件。

偏高岭土样和基准样配制方法同实施例1。

采用与实施例1相同的方法，用万能压力试验机测试基准样和本实施例6％、7％、8％掺加的砂浆试件的3天、7天和28天抗折和抗压强度。

表5

表5说明：本实施例中砂浆试件的流动度相比同掺量为5％的偏高岭土而言，有一定的提高，最多能从185mm提升到195mm。这说明实施例3的偏高岭土基普通硅酸盐水泥砂浆增强剂对工作性能有一定的改善作用。掺入本实施例的增强剂相对于基准样及偏高岭土样而言，各龄期的抗折和抗压强度都得到了提升。基准样的3d、7d和28d抗折强度分别为5.5mpa、8.2mpa和9.1mpa，抗压强度分别为22.3mpa、37.6mpa和46.4mpa。掺入本实施案例中的增强剂后，3d、7d和28d抗折强度最多可以达到8.5mpa、10.5mpa和11.7mpa，较基准样分别提升了54.55％、28.05％和28.57％；3d、7d和28d抗压强度最多可以达到38.5mpa、58.8mpa和63.4mpa，较基准样分别提升了72.65％、56.38％和36.64％。

如图1所示为本发明制备的基准样、偏高岭土样及实施例1、2、3砂浆试件(增强剂掺量为7％)的抗折强度对比图，可以看出，相对于基准样，偏高岭土样的3d，7d，28d抗折强度均有所提高，加入本实施例制备的增强剂后，砂浆试件的3d，7d，28d抗折强度进一步提高。

图2为本发明制备的基准样、偏高岭土样及实施例1、2、3砂浆试件(增强剂掺量为7％)的抗压强度对比图，同样可以看出，本实施例制备的增强剂对砂浆试件的抗压强度也有明显的改进，改进效果优于偏高岭土。

选择本实施例的增强剂的掺量为7％，以净浆作为考察对象，参照gb/t1346－2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》中水泥凝结时间的测定方法，分别测定基准样(p.o42.5水泥)、偏高岭土样和本实施例的增强剂(掺量均为7％等质量取代水泥)的初、终凝时间。

表6

表6说明：偏高岭土的掺入使得浆体的初、终凝时间都相应缩短。同时，本实施例的增强剂的加入还可以进一步缩短胶凝材料的凝结时间，其中初凝时间相对于基准样而言，缩短了44min，终凝时间缩短了46min，说明本发明对混凝土具有一定的促凝作用。