专利名称:高性能水泥的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种建筑材料，特别是工程建设中使用的环保型高性能混凝土专用硅酸盐水泥。
背景技术：
现有的粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等非高性能混凝土专用水泥，掺入磨细矿粉颗粒直径与水泥熟料相当或者略大，磨细水泥熟料的同时比例加入矿粉，矿粉和熟料一起粉磨；它掺入磨细矿粉，是出于节省熟料和调节标号的考虑，以降低性能为代价，如降低强度，增加泌水，增大需水量；磨熟料时不加减水剂。随着基本建设工程节奏的加快，高性能混凝土这种二十世纪九十年代兴起技术在基本建设工程中得到广泛的应用。但是，现在加工和生产高性能混凝土，采用的都是普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥，存在的缺陷是多次计量和加料，工序复杂，水泥石强度不高，环境污染严重，浪费大量人力物力，成本较高。
发明内容本发明的目的就是要提供一种保证混凝土质量，节约能源，减少污染、极大地发掘了水泥的抗压和抗折潜能的高性能水泥。本发明所用的原材料及配方，按重量计磨细硅酸盐水泥熟料1份，较粗磨细矿粉0.26-0.52份，较细磨细矿粉0.0-0.27份，高效减水剂或者减水型复合外加剂为熟料矿粉重0.5-5％；磨细硅酸盐水泥熟料是由硅酸钙、亚硅酸钙、铝酸钙或者铁铝酸钙和石膏组成，其中硅酸钙、亚硅酸钙、铝酸钙、铁铝酸钙按重量计大于0.92份，石膏按重量计小于0.08份，较粗磨细矿粉的比表面积为磨细石膏熟料比表面积的2.4-5.8倍(较粗磨细矿粉的颗粒直径为磨细石膏硅酸盐熟料颗粒直径的2.4分之一-5.8分之一)，较细磨细矿粉的比表面积为磨细石膏熟料比表面积的5.9-14倍(较细磨细矿粉的颗粒直径为磨细石膏硅酸盐熟料颗粒直径的5.9分之一-14分之一)，高效减水剂或者减水型复合外加剂按熟料和矿粉重的0.5-5％加入。生产时，将上述高效减水剂或者减水型复合外加剂与硅酸盐水泥熟料石膏一起混合粉磨，不同粒径细度矿粉分别粉磨，最后将制成的磨细硅酸盐水泥熟料和较粗磨细矿粉、较细磨细矿粉均匀混合。或者将较细矿粉磨到一定细度再加入较粗矿粉混磨，再加入水泥熟料、减水剂粉磨；即按照投入需要粉磨最细矿粉—粉磨—投入需要粉磨较粗矿粉—粉磨—投入高效减水剂或者减水型复合外加剂、水泥熟料、石膏—粉磨顺序进行投料粉磨。
如果出于调节水泥标号的考虑，在粉磨减水剂、水泥熟料、生石膏时可以加入小于15％的矿物一起粉磨。
磨细矿粉是指高炉矿渣、石英砂、硅粉、石灰石、油页岩、浮石凝灰岩、粉煤灰、火山灰、固硫渣、陶粒等工业废渣或者天然材料粉磨加工而成的比表面积为熟料比表面积2.4倍以上的矿粉；石膏指生石膏、半水石膏、天然硬石膏；加入的高效减水剂与水泥熟料要有适应性，在有其他要求如缓凝、引气要求时，可以加入减水型复合外加剂。
掺入磨细矿粉颗粒直径要求及磨熟料时加减水剂是高性能水泥和普通水泥的根本区别的所在。
发明原理合理颗粒直径、合理重量的较细一级集料用来填充到较粗一级集料堆积形成的空隙中，使集料间空隙达到最小，堆集密度达到最大，强度最高。把合理重量比例，合理粒径比例材料相互混合，可以得到最大堆集密度混合料。关于材料间粒径合理比例，我们分两种情况进行证明最小空隙率情况，最大空隙率情况。
同粒径集料在最小空隙率26％情况下，相邻球体间两两相切，紧密排列，平面示意图如图示设直径为φ1＝2R圆球体A、B、C、两两相切，球心为A、B、C，内切球体f直径为φ2＝2r，则容易推出，球心平面内3×R/2=3r+3R-33R/2]]>r=(23/3-1)R]]>r＝0.1547RR＝6.46r即φ1＝6.46φ2考虑到相切球体是立体的，则
φ1＝6.46φ2/sin60°，φ1＝7.46φ2考虑到水泥、磨细矿粉的不均匀性，同粒径集料在最小空隙率26％情况下，大一级集料颗粒直径至少是小一级集料颗粒直径6.46倍以上，小一级集料才能填充到大一级集料的空隙中。
同粒径集料在最大空隙率情况下48％，集料间行列式排列，设大的一级集料为φ1，小一级集料直径为φ2，容易推出φ2＝0.415φ1即φ1＝2.4φ2也就是说同粒径集料在最大空隙率情况下48％，只有上一级集料直径是下一级集料直径的2.4倍以上时，下一级集料才可能填充到上一级集料形成的空隙中。
集料间的空隙率从26％变化到48％，上一级集料和下一级集料直径合理比例从6.46变化到2.4。空隙率增加1％，上下级集料直径合理比例约减少0.184。当自密实集料间的空隙率为45％时，上一级集料和下一级集料直径合理比例从2.4变化到φ1＝(2.4+0.184×3)φ2＝3.2φ2即在保证集料的填充效果情况下，大一级集料颗粒直径至少是小一级集料颗粒直径的3.2倍以上，小一级集料才能填充到大一级集料的空隙中。
集料单一粒径定则由以上证明我们得出只要同种集料最大粒径φmax与最小粒径φmin之比小于2.4，即φmax/φmin＜2.4，我们就认为这种集料为单一粒径集料。我们把以上定则称作集料单一粒径定则。
从理论上说，混凝土最小水胶比为0.13。本发明易于施工的高性能混凝土水胶比0.18-0.40。水胶比0.18-0.40时，水泥石的空隙率35％-52％，大一级材料颗粒直径应该是小一级材料直径2.4-4.8倍。由混凝土集料单一粒径定则我们推知，2.4*2.4＝5.8，即大一级材料颗粒直径应该是小一级材料2.4-5.8倍。
关于最大与最小空隙率证明一设正六面体容器边长为L，φ为卵石直径，且假定卵石是等直径球形的。
当卵石直径φ＝L时，容器可行列式排列卵石一个，卵石与容器六个面相切，卵石体积VL＝πL3/6当卵石直径φ＝L/2时，容器可行列式排列卵石23个，此时卵石总体积 ∑VL/2＝23×4π(L/4)3/6＝πL3/6当卵石直径φ＝L/3时，容器可行列式排列卵石33个，此时卵石总体积∑VL/3＝33×4π/3×(L/6)3＝πL3/6当卵石直径φ＝L/4时，容器可行列式排列卵石43个，此时卵石总体积∑VL/4＝43×4π/3×(L/8)3＝πL3/6当卵石直径φ＝L/5时，容器可行列式排列卵石53个，此时卵石总体积 ∑VL/5＝53×4π/3(L/10)3＝πL3/6同理，当卵石直径φ分别等于L/6、L/7、L/8、L/9、………L/n(n→+∞)，容器中可容行列式排列的卵石个数为63、73、83、93、……n3，卵石总体积均为∑VL/n＝n3×4π/3×(L/2n)3＝πL3/6
由于，卵石直径分别为L、L/2、L/3、L/4、L/5、L/6、L/7、L/8、L/9、 …… L/n(n→+∞)时，无论容器中卵石个数多还是少，容器中行列式排列卵石的总体积均为∑V＝πL3/6，容器中空隙体积均为Ve＝L3-πL3/6＝(1-π/6)L3故，不论卵石直径如何变化，只要卵石在容器中呈行列式排列，容器中卵石的空隙率均为e＝Ve/V×100％＝(1-π/6) L3/L3×100％＝47.64％≈48％证明二在同粒径的任意相邻集料间相切情况下，我们仍然假定集料为卵石，且卵石是等直径球形的，此时当卵石直径φ＝L时，与卵石相切球体被正六面体所切割，共有八个球被割成扇体，割球体弦长为(√3-1)×L/2，被切扇体体积V切体＝0.22×(L/2 n)3∑V割体＝0.22L3正六面体内被割球体∑V割体和内切球V球总体积∑V∑V＝V球+∑V割体＝4π/3×(L/2)3+0.22L3＝0.74L3此时空隙率e＝(1-0.74)×L3/L3×100％＝26％同理，我们可以证明当卵石直径φ＝L/2、L/3、L/4、L/5、L/6、L/7、L/8、L/9、……L/n(n→+∞)时，均有总体积∑V∑V＝∑V球+∑V割体＝0.74L3亦即e＝26％从以上证明可以得出只要同粒径球体间的排列秩序相同，同一容器中，无论球体直径是大还是小，容器中可容纳的球体的总体积是一定的，即容器中可容纳球体的空隙率是一定的。
当我们把球体换成多面体时，通过实验我们知道以上数学法推出结论仍然是成立的。因此我们得出只要同粒径集料间的排列秩序相同，无论集料粒径如何改变，同粒径集料空隙率是一定值。我把集料间存在的以上规律称作同排列等空隙定则。
关于最小水胶比由于水泥表观密度2.65g/cm3，假设水泥颗粒直径相同，最小空隙率26％，26％＝x/(x+1/2.65)x＝0.13即最小水胶比为0.13，这就是最小水胶比的证明。
关于磨细矿粉最大用量水胶比为0.4时，水泥石空隙率ee＝0.4/(0.4+1/2.65)*100％＝51.5％这就是比表面积为磨细石膏硅酸盐熟料比表面积2.41-5.81倍的较粗磨细矿粉按重量计最大为0.52份的数学证明。
关于水泥石的强度运用发明人创建的水泥混凝土箍勒力方程组R=Ro(1-em)]]>m＝log1.9100ee＝(W-0.36S)/V式中R为混凝土或者沙浆28天立方体强度，Ro为混凝土0空隙时强度，m指数，e混凝土空隙率，W用水量，S矿粉用量，V混凝土体积。验算得知
高性能水泥0.4水胶比水泥石最大空隙率e为e＝(W-0.36S)/V＝(0.4-0.26*0.36)/(1/2.65+0.4)＝39.4％m39＝log1.939.4＝5.72水泥石强度Rg=Ro(1-0.3945.72)=0.15Ro]]>普通水泥0.4水胶比水泥石空隙率e为52％，m52＝log1.952＝6.156Rp=Ro(1-0.526.156)=0.1Ro]]>Rg/Rp＝1.5水胶比0.4以下时，高性能水泥最少在普通水泥的基础上提高50％。实验结果与数学计算的结果相同。
高性能水泥0.24水胶比水泥石空隙率e为e＝(W-0.36S)/V＝[0.24-0.46*0.36]/(1/2.65+0.24)＝12％m12＝log1.912＝3.87高性能水泥水泥石强度Rg=Ro(1-0.123.87)=0.42Ro]]>普通水泥0.24水胶比水泥石空隙率e为e＝(W-0.36S)/V＝0.24/(1/2.65+0.24)＝38.9％m39＝log1.938.9＝5.70普通水泥水泥石强度Rp=Ro(1-0.3895.7)=0.15Ro]]>Rg/Rp＝0.42/0.15＝2.8
水胶比0.24时，高性能水泥在普通水泥的基础上提高180％。实验结果与数学计算的结果相同。
本发明与同标号水泥相比，在水胶比0.4以下时，水泥石强度提高50％以上；在水胶比0.24时，水泥石强度提高180％以上。本发明减小施工现场工作量，节省人工和机械；极大地发挥高效减水剂作用，提高混凝土的塑性；减小混凝土的水胶比，磨细矿粉重量合适，颗粒直径适当；废料利用率高，节约资源，减少CO2的排放和砂石料的开采，利于环境保护；用本高性能水泥制成的混凝土，必然节约大量基本建设投资。
具体实施方式实施例1优选的高性能水泥，磨细硅酸盐熟料和石膏1份(其中磨细硅酸盐熟料大于0.92份，石膏小于0.08份)，比表面积为磨细石膏硅酸盐熟料比表面积3.2-5倍的较粗磨细矿粉按重量计0.35-0.43份，比表面积为磨细石膏硅酸盐熟料比表面积6-9倍的较细磨细矿粉按重量计0.11-0.18份，熟料及矿粉重1-5％的高效减水剂或者减水型复合外加剂。
将硅酸盐水泥熟料、石膏和高效减水剂或者减水型复合外加剂一起混合粉磨，将其和较粗磨细矿粉、较细磨细矿粉均匀混合即可实现在水胶比0.24时，水泥石强度提高180％以上。
实施例2普通高性能水泥，磨细硅酸盐熟料和石膏1份(其中磨细硅酸盐熟料大于0.95份，石膏小于0.05份)，比表面积为磨细石膏硅酸盐熟料比表面积2.4倍的较粗磨细矿粉按重量计0.26份，比表面积为磨细石膏硅酸盐熟料比表面积5.9倍的较细磨细矿粉按重量计0份，熟料及矿粉重0.8-5％的高效减水剂或者减水型复合外加剂。
将硅酸盐水泥熟料、石膏和高效减水剂或者减水型复合外加剂一起混合粉磨，将其和较粗磨细矿粉、较细磨细矿粉均匀混合即可实现在水胶比0.4以下时，水泥石强度提高50％以上。
权利要求
1.一种高性能水泥，由硅酸盐熟料、石膏、较粗及较细磨细矿粉，高效减水剂组成，其特征在于按重量计，磨细硅酸盐熟料和石膏1份(其中磨细硅酸盐熟料大于0.92份，石膏小于0.08份)，比表面积为磨细石膏硅酸盐熟料比表面积2.4-5.8倍的较粗磨细矿粉0.26-0.52份，比表面积为磨细石膏硅酸盐熟料比表面积5.9-14倍的较细磨细矿粉0-0.27份，熟料及矿粉0.5-5％的高效减水剂或者减水型复合外加剂。
2.根据权利要求
1所述的高性能水泥，其特征在于磨细硅酸盐熟料和石膏1份(其中磨细硅酸盐熟料大于0.95份，石膏小于0.05份)，比表面积为磨细石膏硅酸盐熟料比表面积3.2-5倍的较粗磨细矿粉0.35-0.43份，比表面积为磨细石膏硅酸盐熟料比表面积6-9倍的较细磨细矿粉0.11-0.18份，熟料及矿粉1-5％的高效减水剂或者减水型复合外加剂。
3.根据权利要求
1所述的高性能水泥，其特征在于将硅酸盐水泥熟料、石膏和高效减水剂或者减水型复合外加剂一起混合粉磨，将其和较粗磨细矿粉、较细磨细矿粉均匀混合。
专利摘要
一种高性能水泥，由硅酸盐水泥熟料、适量石膏、较粗及较细磨细矿粉，高效减水剂或者减水型复合外加剂组成，磨细硅酸盐水泥熟料和石膏1份，较粗磨细矿粉0.26－0.52份，较细磨细矿粉0.0－0.27份，熟料及矿粉重0.5－5％的高效减水剂。在水胶比0.4以下时，本发明与同标号水泥相比，水泥石强度提高50％以上。本发明减小施工现场工作量，节省人工和机械；提高混凝土的塑性；废料利用率高，节约资源，减少CO
文档编号C04B7/04GK1994949SQ200610107329
公开日2007年7月11日 申请日期2006年10月19日
发明者王昱海 申请人:王昱海导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan