一种改善碱矿渣水泥石开裂和吸水的外加剂及其使用方法与流程

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种改善碱矿渣水泥石开裂和吸水的外加剂及其使用方法。

背景技术：

碱矿渣水泥(aas)是用碱金属化合物激发磨细粒化高炉矿渣得到的一种新型水硬性胶凝材料。碱矿渣水泥石，强度高且耐腐蚀，其耐火性、抗氯盐侵蚀性等均优于通用硅酸盐水泥，但其干燥收缩较大，比通用硅酸盐水泥更容易造成浆体、砂浆或混凝土的开裂，导致其吸水性增大，最终诱发各种耐久性问题，这已成为制约碱矿渣水泥被广泛应用的技术“瓶颈”。由于碱矿渣水泥水化过程复杂，有序性较差的水化产物在形态及结构方面存在大量微观缺陷，这既是碱矿渣水泥石易变形，开裂的问题来源，也是其吸水性大的根本原因之一。

目前，解决碱矿渣水泥石开裂和吸水的方法如下：

(1)掺入金属离子膨胀剂，如通用硅酸盐水泥膨胀剂，其机理是形成具有较强膨胀作用的钙矾石，而在碱矿渣水泥高碱环境中，钙矾石难以形成，达不到预期膨胀的效果，且同时添加的ca(oh)2会使碱矿渣水泥的凝结过快。

(2)掺入减缩剂，以降低孔溶液的表面张力，但用于通用硅酸盐水泥的减缩剂在碱矿渣高碱环境中的适应性和稳定性不高。

(3)掺入矿物微粒，通过微集料的“钉扎效应”达到增韧目的，但掺入的无胶凝性的矿物颗粒会降低碱矿渣水泥的胶凝性，使其力学性能降低。

然而通过向碱矿渣水泥中掺加膨胀剂、减缩剂及矿物掺和料的方法并没有对该胶凝材料内部的微观缺陷进行改变，难以从根源上提高碱矿渣水泥石的抗裂性和降低吸水性。因此，急需一种在保证碱矿渣水泥石力学性能的前提下，能改善碱矿渣水泥石开裂和吸水的外加剂。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种改善碱矿渣水泥石开裂和吸水的外加剂，目的之二在于提供一种改善碱矿渣水泥石开裂和吸水的外加剂的使用方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种改善碱矿渣水泥石开裂和吸水的外加剂，按质量份计，所述外加剂由如下组份组成：硬脂酸盐40-70份、碱矿渣缓凝剂10-20份、有机硅5-10份、氢氧化钙45-60份。

优选地，按质量份计，所述外加剂由如下组份组成：硬脂酸盐40份、碱矿渣缓凝剂10份、有机硅5份、氢氧化钙45份。

优选地，按质量份计，所述外加剂由如下组份组成：硬脂酸盐50份、碱矿渣缓凝剂12份、有机硅6份、氢氧化钙50份。

优选地，按质量份计，所述外加剂由如下组份组成：硬脂酸盐60份、碱矿渣缓凝剂15份、有机硅8份、氢氧化钙55份。

优选地，按质量份计，所述外加剂由如下组份组成：硬脂酸盐70份、碱矿渣缓凝剂20份、有机硅10份、氢氧化钙60份。

优选地，所述硬脂酸盐为硬脂酸钙、硬脂酸钠、硬脂酸镁或硬脂酸锌中的一种。

2、所述的外加剂的使用方法，所述方法具体为：碱矿渣水泥中所述的外加剂的掺和量为4-8wt％。

优选地，碱矿渣水泥中所述的外加剂的掺和量为4wt％。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种改善碱矿渣水泥石开裂和吸水的外加剂及其使用方法，通过对该外加剂中各成分进行合理搭配及各成分用量的限定，使该外加剂能够显著改善碱矿渣水泥石的开裂问题，进而降低碱矿渣水泥石的吸水性，且该外加剂对碱矿渣水泥的力学性能没有负面影响，其合成方法简单，原材料易得，适合工业化生产。

该外加剂中各组分的作用如下：

硬脂酸盐：作为该外加剂的主成分，起改善碱矿渣水泥石微观缺陷和降低吸水的作用。作用机理为，硬脂酸盐具有表面活性作用，矿渣水化时，其吸附于水化产物凝胶颗粒表面，降低凝胶颗粒之间的交互作用和凝聚力，有利于水化产物(凝胶颗粒)的分散，进而加强凝胶颗粒空间网构的有序性，减少碱矿渣水泥石固相微结构的微观缺陷，从而提高碱矿渣水泥石的抗裂性。另外，吸附于碱矿渣水泥石的硬脂酸盐具有成膜特性，该膜层由大量烷基官能团构成，具有较强的疏水性，从而降低碱矿渣水泥石的吸水性。

碱矿渣缓凝剂：作为该外加剂的调凝组分。由重庆大学自主研发并获国家发明专利授权。硬脂酸盐对碱矿渣水泥早期水化的促进作用，使碱矿渣水泥浆体初凝提前，可操作时间减少。这是硬脂酸盐单独改性碱矿渣水泥石时的不足之一，为此在外加剂中引入碱矿渣缓凝剂，以保证碱矿渣水泥浆体的可操作性。同时，碱矿渣缓凝剂能够使碱矿渣水泥水化时有充足的凝结硬化时间，有利于水泥石微观结构的有序排列，其与硬脂酸盐的协调作用使微观缺陷进一步降低。

有机硅：作为该外加剂的消泡组分。硬脂酸盐的稳泡特性，使碱矿渣水泥搅拌成型时引入的气泡难以消除，碱矿渣水泥石的力学性能降低。这是硬脂酸盐改性碱矿渣水泥石时的另一不足之处，为此在外加剂中引入有机硅，以消减碱矿渣水泥石内部的气泡，提高水泥石的力学性能。另外，有机硅亦具有疏水性，其吸附于碱矿渣水泥石表面，进一步降低碱矿渣水泥石的吸水性。

氢氧化钙：作为该外加剂的分散组分。硬脂酸盐质轻难溶于水，在碱矿渣水泥浆中搅拌时会发生团聚，分散性较差，作用效率低。这是硬脂酸盐改性碱矿渣水泥石时的另一不足之处，为此将硬脂酸盐以上各组分与氢氧化钙混磨，以提高硬脂酸盐在碱矿渣水泥中的分散性及作用效率。另外，氢氧化钙能优化碱矿渣水泥石的孔径分布，降低毛细孔压力，进一步提高碱矿渣水泥的抗裂性。

通过以上各组分的协同作用，减少碱矿渣水泥石内部的微观缺陷，并在碱矿渣水泥石孔隙壁上引入憎水膜层，从根源上使碱矿渣水泥石的抗裂性提高，吸水性降低。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为碱矿渣水泥试件1、碱矿渣水泥试件1-1和碱矿渣水泥试件1-2抗压强度测试图；

图2为碱矿渣水泥试件1干燥前后干缩开裂情况对比图；(图中a为干燥前的照片，b均为干燥后的照片)

图3为碱矿渣水泥试件1-1干燥前后干缩开裂情况对比图；(图中a为干燥前的照片，b均为干燥后的照片)

图4为碱矿渣水泥试件1-2干燥前后干缩开裂情况对比图；(图中a为干燥前的照片，b均为干燥后的照片)

图5为碱矿渣水泥试件1、碱矿渣水泥试件1-1和碱矿渣水泥试件1-2干燥后在500倍下的扫描电镜图；(a为碱矿渣水泥试件1的扫描电镜图，b为碱矿渣水泥试件1-1的扫描电镜图，c为碱矿渣水泥试件1-2的扫描电镜图)

图6为碱矿渣水泥试件1、碱矿渣水泥试件1-1和碱矿渣水泥试件1-2干燥后孔径分布图；

图7为碱矿渣水泥试件1、碱矿渣水泥试件1-1和碱矿渣水泥试件1-2吸水性测试图；

图8为碱矿渣水泥试件1、碱矿渣水泥试件1-1和碱矿渣水泥试件1-2干燥后在5000倍下的扫描电镜图；(a为碱矿渣水泥试件1的扫描电镜图，b为碱矿渣水泥试件1-1的扫描电镜图，c为碱矿渣水泥试件1-2的扫描电镜图)

图9为碱矿渣水泥试件1、碱矿渣水泥试件1-1和碱矿渣水泥试件1-2孔隙曲折度测试图；

图10为碱矿渣水泥试件1、碱矿渣水泥试件2-1和碱矿渣水泥试件2-2抗压强度测试图；

图11为碱矿渣水泥试件2-1干燥前后干缩开裂情况对比图；(图中a为干燥前的照片，b均为干燥后的照片)

图12为碱矿渣水泥试件2-2干燥前后干缩开裂情况对比图；(图中a为干燥前的照片，b均为干燥后的照片)

图13为碱矿渣水泥试件1、碱矿渣水泥试件2-1和碱矿渣水泥试件2-2吸水性测试图；

图14为碱矿渣水泥试件1、碱矿渣水泥试件3-1和碱矿渣水泥试件3-2抗压强度测试图；

图15为碱矿渣水泥试件3-1干燥前后干缩开裂情况对比图；(图中a为干燥前的照片，b均为干燥后的照片)

图16为碱矿渣水泥试件3-2干燥前后干缩开裂情况对比图；(图中a为干燥前的照片，b均为干燥后的照片)

图17为碱矿渣水泥试件1、碱矿渣水泥试件3-1和碱矿渣水泥试件3-2吸水性测试图；

图18为碱矿渣水泥试件1、碱矿渣水泥试件4-1和碱矿渣水泥试件4-2抗压强度测试图；

图19为碱矿渣水泥试件4-1干燥前后干缩开裂情况对比图；(图中a为干燥前的照片，b均为干燥后的照片)

图20为碱矿渣水泥试件4-2干燥前后干缩开裂情况对比图；(图中a为干燥前的照片，b均为干燥后的照片)

图21为碱矿渣水泥试件1、碱矿渣水泥试件4-1和碱矿渣水泥试件4-2吸水性测试图。

具体实施方式

下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

对比实施例

制备碱矿渣水泥试件

使用净浆搅拌机，向矿渣中加入水和模数为1.5的水玻璃，慢搅30s，停10s将锅壁上的粉体刮入锅内，再快搅60s，然后将搅拌均匀的浆体成型，在相对湿度95％，温度20℃的养护箱中养护24h后脱模，并继续在养护箱中养护28天，获得碱矿渣水泥试件1，该碱矿渣水泥试件1的碱当量为5％，水胶比为0.45。

实施例1

1、制备一种改善碱矿渣水泥石开裂和吸水的外加剂

将40份硬脂酸钙、10份碱矿渣缓凝剂、5份有机硅和45份氢氧化钙混合后用球磨机粉磨30min，再经振动磨粉磨30min，制得改善碱激发矿渣水泥开裂和吸水的外加剂。

2、制备碱矿渣水泥试件

使用净浆搅拌机，首先将1中制备的外加剂和矿渣干拌30s，然后加入水和模数为1.5的水玻璃，慢搅30s，停10s将锅壁上的粉体刮入锅内，再快搅60s，然后将搅拌均匀的浆体成型，在相对湿度95％，温度20℃的养护箱中养护24h后脱模，并继续在养护箱中养护28天。制备的各碱矿渣水泥试件中外加剂的掺量、碱当量及水胶比参见表1。

表1

对试件1、试件1-1和1-2进行力学性能测试，测试结果见图1，由图1可知，相比未加入外加剂的碱矿渣水泥试件，加入了外加剂的碱矿渣水泥试件的抗压强度略有增加，且随着外加剂掺量的增多，强度减小程度变大，表明该外加剂对碱矿渣水泥石的力学性能有增强作用。

首先将试件1、试件1-1和1-2表层浮浆切除漏出内层浆体并拍照，然后将试件1、试件1-1和1-2放入40℃，相对湿度25％的烘箱中干燥48小时，再次拍照，对比干燥前后各试件裂缝的发展情况，结果见图2、图3和图4，其中，三幅图中a均为干燥前的照片，b均为干燥后的照片，对比图2、图3和图4可知，掺入外加剂后，碱矿渣水泥试件的干缩开裂得到了明显改善。

为了进一步观测外加剂对碱矿渣水泥试件干燥后干缩开裂的改善效果，用钳子从各试件上夹取长宽高约4-7mm的小块，在真空干燥箱中用40℃烘干48小时。用扫描电镜在500倍下观测外加剂对碱矿渣水泥试件干缩开裂的改善效果，结果如图5所示，图5中a为外加剂掺量为0％的碱矿渣水泥试件扫描电镜图，b为外加剂掺量为4％的碱矿渣水泥试件扫描电镜图，c为外加剂掺量为8％的碱矿渣水泥试件扫描电镜图，由图5中b和c中碱矿渣水泥试件的开裂程度明显小于a中碱矿渣水泥试件的开裂程度，进一步说明，掺入外加剂后，碱矿渣水泥试件的干缩开裂得到了明显改善。

毛细管张力是导致碱矿渣水泥干燥收缩开裂产生和增大的根本原因，毛细管张力学说认为，毛细管张力可表示为(拉普拉斯方程)：

式中—毛细管张力；

σ—液体表面张力；

r1，r2—毛细管水的曲率半径。由公式可见，影响的重要参数是σ和r。为此，用钳子再从各试件上夹取长宽高约4-7mm的小块，在真空干燥箱中用40℃烘干48小时，用mip测试了掺入外加剂后碱矿渣水泥试件的孔径分布变化，结果如图6所示，由图6可知，随着外加剂掺量的增加，碱矿渣水泥试件在9.1-21.1nm范围内的孔径分布逐渐增大，即r增大，使毛细管张力减小，说明干燥时碱矿渣水泥试件的收缩变形减小，开裂得到改善。

依据astmc1585测试试件1、试件1-1和1-2的吸水性，测试结果如图7所示，由图7可知，相比未加入外加剂的碱矿渣水泥试件，加入了外加剂的碱矿渣水泥试件的吸水性为未加入外加剂的碱矿渣水泥试件吸水性的1/5，说明外加剂能够有效改善碱矿渣水泥的吸水性。

为了进一步考察外加剂对碱矿渣水泥试件吸水性的改善作用，用扫描电镜在5000倍下观测碱矿渣水泥试件内部的形貌，结果如图8所示。图8中a为外加剂掺量为0％的碱矿渣水泥试件扫描电镜图，b为外加剂掺量为4％的碱矿渣水泥试件扫描电镜图，c为外加剂掺量为8％的碱矿渣水泥试件扫描电镜图，从图8中b和c可以看出，碱矿渣水泥试件的孔隙壁上有一层憎水膜层，该膜层使碱矿渣水泥石的吸水性大幅降低。

对试件1、试件1-1和1-2的孔隙结构的曲折度τ进行计算，计算公式如下：

式中：αen为滞留汞体积占最大进汞体积的百分数，由mip数据读出，计算结果如图9所示，由图9可知，碱矿渣水泥试件的孔隙曲折度随着外加剂掺入量的增多而变大，即水分在碱矿渣水泥试件的孔隙中的传输距离变大，进一步说明外加剂能够明显改善碱矿渣水泥试件的吸水性。

实施例2

1、制备一种改善碱矿渣水泥石开裂和吸水的外加剂

将50份硬脂酸钙、12份碱矿渣缓凝剂、6份有机硅和50份氢氧化钙混合后用球磨机粉磨30min，再经振动磨粉磨30min，制得改善碱激发矿渣水泥开裂和吸水的外加剂。

参见实施例1中制备碱矿渣水泥试件方法，以上述外加剂制备碱矿渣水泥试件，制得的试件分别为2-1和2-2。

对试件1、试件2-1和2-2进行力学性能测试，测试结果见图10，由图10可知，前14天，相比未加入外加剂的碱矿渣水泥试件，加入了外加剂的碱矿渣水泥试件的抗压强度略有增加，且随着外加剂掺量的增多，强度变化程度不大，说明外加剂对碱矿渣水泥石力学性能有增强作用。

首先将试件2-1和2-2表层浮浆切除漏出内层浆体并拍照，然后将试件2-1和2-2放入40℃，相对湿度25％的烘箱中干燥48小时，再次拍照，对比干燥前后各试件裂缝的发展情况，结果见图11和12，其中，两幅图中a均为干燥前的照片，b均为干燥后的照片，对比图2、图11和图12可知，掺入外加剂后，碱矿渣水泥试件的干缩开裂得到了明显改善。

依据astmc1585测试试件1、试件2-1和2-2的吸水性，测试结果如图13所示，由图13可知，碱矿渣水泥试件的吸水性随着外加剂掺入量的增多而减小，说明外加剂能够有效改善碱矿渣水泥的吸水性，其中，相比未加入外加剂的碱矿渣水泥试件，外加剂掺入量为8％的碱矿渣水泥试件的吸水性为未加入外加剂的碱矿渣水泥试件吸水性的1/5。

实施例3

1、制备一种改善碱矿渣水泥石开裂和吸水的外加剂

将60份硬脂酸钙、15份碱矿渣缓凝剂、8份有机硅和55份氢氧化钙混合后用球磨机粉磨30min，再经振动磨粉磨30min，制得改善碱激发矿渣水泥开裂和吸水的外加剂。

参见实施例1中制备碱矿渣水泥试件方法，以上述外加剂制备碱矿渣水泥试件，制得的试件分别为3-1和3-2。

对试件1、试件3-1和3-2进行力学性能测试，测试结果见图14，由图14可知，相比未加入外加剂的碱矿渣水泥试件，加入了外加剂的碱矿渣水泥试件的抗压强度略有增加，且随着外加剂掺量的增多，强度变化程度不大，表明该外加剂对碱矿渣水泥石力学性能有增强作用。

首先将试件3-1和3-2表层浮浆切除漏出内层浆体并拍照，然后将试件3-1和3-2放入40℃，相对湿度25％的烘箱中干燥48小时，再次拍照，对比干燥前后各试件裂缝的发展情况，结果见图15和16，其中，两幅图中a均为干燥前的照片，b均为干燥后的照片，对比图2、图15和图16可知，掺入外加剂后，碱矿渣水泥试件的干缩开裂得到了明显改善。

依据astmc1585测试试件1、试件3-1和3-2的吸水性，测试结果如图17所示，由图17可知，相比未加入外加剂的碱矿渣水泥试件，加入了外加剂的碱矿渣水泥试件的吸水性为未加入外加剂的碱矿渣水泥试件吸水性的1/5，说明外加剂能够有效改善碱矿渣水泥的吸水性。

实施例4

1、制备一种改善碱矿渣水泥石开裂和吸水的外加剂

将70份硬脂酸钙、20份碱矿渣缓凝剂、10份有机硅和60份氢氧化钙混合后用球磨机粉磨30min，再经振动磨粉磨30min，制得改善碱激发矿渣水泥开裂和吸水的外加剂。

参见实施例1中制备碱矿渣水泥试件方法，以上述外加剂制备碱矿渣水泥试件，制得的试件分别为4-1和4-2。

对试件1、试件4-1和4-2进行力学性能测试，测试结果见图18，由图18可知，当龄期为28天时，外加剂掺加量为8％的碱矿渣水泥试件的抗压强度与未加入外加剂的碱矿渣水泥试件的抗压强度基本持平，外加剂掺加量为4％的碱矿渣水泥试件的抗压强度高于未加入外加剂的碱矿渣水泥试件的抗压强度，说明外加剂对碱矿渣水泥后期强度的增长有利。

首先将试件4-1和4-2表层浮浆切除漏出内层浆体并拍照，然后将试件4-1和4-2放入40℃，相对湿度25％的烘箱中干燥48小时，再次拍照，对比干燥前后各试件裂缝的发展情况，结果见图19和20，其中，两幅图中a均为干燥前的照片，b均为干燥后的照片，对比图2、图19和图20可知，掺入外加剂后，碱矿渣水泥试件的干缩开裂得到了明显改善。

依据astmc1585测试试件1、试件4-1和4-2的吸水性，测试结果如图21所示，由图21可知，碱矿渣水泥试件的吸水性随着外加剂掺入量的增多而减小，说明外加剂能够有效改善碱矿渣水泥的吸水性，其中，相比未加入外加剂的碱矿渣水泥试件，外加剂掺入量为8％的碱矿渣水泥试件的吸水性为未加入外加剂的碱矿渣水泥试件吸水性的1/5。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。