一种适用于含铝矿物复合水泥体系体积稳定性的调控方法

摘要

一种适用于含铝矿物复合水泥体系体积稳定性的调控方法，属于建筑材料领域。提出了一个系数KG‑Al，用于表征复合水泥中石膏含量与含铝矿物有效反应量的摩尔比，该系数与水泥体积稳定性密切相关。建立了含铝复合水泥矿物组成与体积稳定性的定量关系，确定了系数KG‑Al的临界值为0.65。通过设计含铝矿物复合水泥的组成，使其满足KG‑Al＜0.65的条件。此方法可预防因膨胀组分加入而导致的开裂现象，在有效改善复合水泥体系自收缩的同时提高体系的体积稳定性。其中，aGmol表示石膏的摩尔含量；aAlmol＝aC3A×0.7+aC4AF×0.25+aCSA。

权利要求

1.一种适用于含铝矿物复合水泥体系体积稳定性的调控方法，其特征在于：提出系数KG-Al，通过设计含铝矿物复合水泥的组成，使其满足KG-Al＜0.65的条件；

用KG-Al表示水泥体系中石膏与含铝矿物的摩尔比，具体公式如下：其中，aGmol表示石膏的摩尔含量；aAlmol＝aC3A×0.7+aC4AF×

0.25+aCSA；其中，aC3A表示复合体系中C3A的摩尔量；aC4AF表示C4AF的摩尔量；aCSA表示CSA的摩尔量。

2.根据权利要求1所述的一种适用于含铝矿物复合水泥体系体积稳定性的调控方法，其特征在于：含铝矿物复合水泥体系的KG-Al值越接近临界值0.65，则应用效果越好。

3.根据权利要求1所述的一种适用于含铝矿物复合水泥体系体积稳定性的调控方法，其特征在于：含铝矿物复合水泥体系的KG-Al值0.63-0.65，且不包括0.65。

说明书

一种适用于含铝矿物复合水泥体系体积稳定性的调控方法

技术领域

[0001] 本发明属于建筑材料领域，涉及一种适用于含铝矿物复合水泥体系体积稳定性的调控方法。

背景技术

[0002] 随着城市化进程的迅速发展，混凝土材料在基础建设领域应用广泛。混凝土建筑的安全性和使用寿命得到了人们的重视。然而，混凝土建筑却存在普遍的收缩开裂现象，在导致经济损失的同时隐藏严重的安全隐患。目前针对混凝土收缩开裂最有效的解决方法之一是加入膨胀组分来缓解其因水泥水化反应导致的自收缩。其中应用最多的膨胀源是钙矾石(水化硫铝酸钙，简称AFt)。其主要原理是水化反应生成钙矾石的过程中，组分体积增加，从而缓解因水泥水化过程引起的体积收缩现象，提高水泥混凝土的体积稳定性。然而，加入过量的膨胀组分同样存在水泥材料开裂的风险，这也是实际应用中经常遇到的难题。因此调控膨胀组分的加入量及水泥材料的物相组成对体系体积稳定性具有重要的意义。

[0003] 目前已知水泥矿物中通过水化反应可以生成钙钒石的有C3A、CSA及C4AF,三种皆为含铝矿物。且几种矿物生成钙钒石的必要条件是水泥体系中应含有一定量的石膏。由此可知，膨胀组分发钒石的生成条件为体系组成中含有含铝矿物和石膏。钙钒石作为最有效的膨胀源已经得到了广泛的认可，但大量研究表明虽然随着钙钒石的增加水泥体积有增大的趋势，但钙钒石的生成量与体系体积膨胀程度并无明显的线性关系。因此，在实际应用中人们只能通过经验和尝试确定水泥体系的最佳矿物组成配比来预防收缩剂膨胀开裂现象。可见，设计出一种可以调节水泥体系体积稳定性的调控方法对实际应用具有指导作用。

发明内容

[0004] 本发明的目的是解决以上问题，提出一种适用于含铝矿物复合水泥体系体积稳定性的调控方法。调控方法中首先提出了由一个水泥矿物及石膏含量得到的系数KG-Al，该系数与体积稳定性密切相关。用该系数表示水泥体系中石膏与含铝矿物的摩尔比，具体公式如下： 其中，aGmol表示石膏的摩尔含量；aAlmol表示所有可能生成钙钒石的含铝矿物总量：aAlmol＝aC3A×0.7+aC4AF×0.25+aCSA。当KG-Al＜0.65时,复合水泥不会因为膨胀组分的加入而产生开裂现象。即通过调节水泥组成中矿物及石膏的含量，确保加入的膨胀组分在有效的缓解水泥自收缩现象的同时不会因为过量而导致开裂。

[0005] 本发明的主要技术方案是这样实现的，通过已知复合水泥的矿物组成，计算出该体系的KG-Al值，通过改变复合水泥的组成配比，调控系数KG-Al＜0.65。其中系数KG-Al的定义及体积膨胀开裂临界值范围是根据水泥水化过程反应程度与体系宏观体积变化量之间的对应关系而确定的。KG-Al计算公式中各常数的确定与不同矿物水化程度密切相关。

[0006] 通过测试不同组成的含铝矿物复合水泥体系的水化程度及体积变化可知，水化初期(小于7天)反应速率很快，14天后反应趋于平缓，且引起膨胀的水化产物钙钒石同样是在水化早期生成的较多。因此KG-Al值公式中的各常数取决于水化反应14天时各含铝矿物的反应程度。水化反应中不同矿物的反应速率及反应程度存在很大的差别。CSA反应非常迅速，理论上认为可以在水化初期CSA即反应完全，且这一结论与实际测量值相符，因此确定CSA的反应程度系数为1。同理，测定得到C3A的反应程度为0.7～0.74、C4AF的反应程度为0.22～0.26，综合误差及对系数KG-Al的影响分别确定C3A的反应程度系数为0.7、C4AF的反应程度系数为0.25。从而得到了所有可能生成钙钒石的含铝矿物总量aAlmol：

[0007] aAlmol＝aC3A×0.7+aC4AF×0.25+aCSA

[0008] 其中，aC3A表示复合体系中C3A的摩尔量；aC4AF表示C4AF的摩尔量；aCSA表示CSA的摩尔量。另一个重要因素石膏的含量可以直接通过体系中矿物含量的测定值得到。设计出KG-Al值来表征复合水泥中石膏含量与含铝矿物有效反应量的摩尔比。

[0009]

[0010] 其中aGmol为所有种类石膏的总和，包括无水石膏、二水石膏等。

[0011] 其中aAlmol表示所以参与反应的含铝矿物量。理论上同样可以根据aAlmol的值来计算理论钙钒石的生成量。但实际值与理论计算值存在一定的偏差，且不是所有的钙钒石生成都会产生膨胀，因此钙钒石的生成量与水泥体积膨胀程度并没有明显的定量关系，无法仅用aAlmol与水泥体积稳定性建立联系。目前已有研究中并没有针对钙钒石与水泥体积膨胀建立的任何定量关系。而对于影响水泥体积变化的因素讨论也是众说纷纭。我们通过大量的实验及实际应用经验提出了该系数KG-Al，且该系数包含的主要参数及因素皆得到了大量钙钒石膨胀理论的支持。

[0012] 在研究过程中，我们发现KG-Al与体积稳定性密切相关。结合实际测量的水泥体系宏观体积变化，发现KG-Al存在一个临界值：0.65。大于该临界值水泥体系会因为膨胀组分的加入而产生开裂现象；若在此临界值内，则可以确保体系体积的稳定性。此方法适用于任何含铝矿物复合水泥的组成设计。针对缓解水泥体系收缩开裂而研发的复合水泥，若体系的KG-Al值越接近临界值，则实际应用效果越好。含铝矿物复合水泥体系的值建议取0.63-0.65。

[0013] 本发明的积极效果是：通过上述方法可以设计复合水泥组成，在最大限度的缓解水泥水化反应自收缩现象的同时确保体系的体积稳定性。实际应用中可以明显的简化施工设计，提高经济效益及建筑材料的耐久性。

[0014] 与现有技术相比，本发明首次提出了一个水泥矿物及石膏组成与体积稳定性相关的系数KG-Al，即首次建立了含铝复合水泥矿物组成与体积稳定性的定量关系，并找到了因膨胀组分加入而导致开裂的水泥矿物组成临界值0.65。

附图说明

[0015] 图1是实施例1的实验结果图

[0016] 图2是实施例2的实验结果图

[0017] 图3是实施例3的实验结果图

[0018] 图4是实施例3的面出现网状裂缝图

具体实施方式

[0019] 实施例1：

[0020] 1、设计复合水泥体系P1的矿物组成如下[w％]：

[0021]

[0022] 2、KG-Al值的计算

[0023] aAlmol＝aC3A×0.7+aC4AF×0.25+aCSA

[0024] ＝0.01887

[0025] aGmol＝0.02829

[0026]

[0027] 3、体积膨胀变化量

[0028] 体积膨胀试验中，水灰比0.35。水泥静浆在10×10×40mm3的钢模中成型，且末端放有端板以便测试其长度变化。然后，钢模中的样品在高湿度环境(相对湿度96％)下养护1天，24h后脱模并开始测量。接着，样品浸没在60-70g的去离子水中。使用精度为±1μm的伸长仪定期测量样品的长度(～40mm)。所有实验均在20℃条件下进行。实验结果如图1所示：

[0029] 此时KG-Al值小于临界值0.65，结果表明P1体系复合水泥在水养护条件下有轻微的膨胀现象产生，无开裂现象发生。

[0030] 实施例2：

[0031] 1、设计复合水泥体系P2矿物组成如下[w％]：

[0032]

[0033] 2、KG-Al值的计算

[0034] aAlmol＝aC3A×0.7+aC4AF×0.25+aCSA

[0035] ＝0.01934

[0036] aGmol＝0.03332

[0037]

[0038] 3、体积膨胀变化量

[0039] 此时P2体系的KG-Al值接近临界值0.65，但仍小于临界值。膨胀测试结果表明P2体系复合水泥在水养护条件下有较大的膨胀现象产生，仍无开裂现象发生。

[0040] 实施例3：

[0041] 1、设计复合水泥体系P3矿物组成如下[w％]：

[0042]

[0043] 2、KG-Al值的计算

[0044] aAlmol＝aC3A×0.7+aC4AF×0.25+aCSA

[0045] ＝0.01970

[0046] aGmol＝0.04583

[0047]

[0048] 3、体积膨胀变化量

[0049] 此时P3体系的KG-Al值大于临界值0.65。膨胀测试结果表明P3体系复合水泥在早期产生了明显的膨胀，但14天后膨胀率出现了一个增大的折点，分析原因可能是由于水泥过度膨胀导致开裂而引起的。通过28天的水养护测试，发现P3体系表面出现网状裂缝，如下图4所示。