一种强度与体积稳定协调发展的无机胶凝材料及其应用

摘要

本发明涉及水泥基材料技术领域，具体涉及一种强度与体积稳定协调发展的无机胶凝材料及其应用。本发明提供的无机胶凝材料，矿物组成包括C3S、C2S、C3A、C4AF、及其中C3S与C2S质量的之和小于无机胶凝材料总质量的68％；C3A与的质量之和占所述无机胶凝材料总质量的16～18％。本发明所述无机胶凝材料兼具较高的强度及更好的体积稳定性，且调配方式更省时省力，对实际应用更具指导意义；此外，基于本发明所述无机胶凝材料兼具较高的强度及体积稳定性，将其应用于混凝土，可显著提高混凝土结构的耐久性。

权利要求

1.一种无机胶凝材料，其特征在于，矿物组成包括C3S、C2S、C3A、C4AF、 及 其中：C3S与C2S质量的之和小于无机胶凝材料总质量的68％；

C3A与 的质量之和占所述无机胶凝材料总质量的16～18％；

控制所述C3S在所述无机胶凝材料中质量百分比为20～25％；

控制所述C2S在所述无机胶凝材料中质量百分比为42～48％；

控制所述C3A相对所述无机胶凝材料的质量百分比为10～12％；

控制所述C4AF在所述无机胶凝材料中质量百分比为7～10％；

控制所述 在所述无机胶凝材料中质量百分比为5～8％；

控制所述 在所述无机胶凝材料中质量百分比为6～10％。

2.根据权利要求1所述的无机胶凝材料，其特征在于，所述无机胶凝材料包括如下重量份的组分：C3S(20～25)份、C2S(42～48)份、C3A(10～12)份、C4AF(7～10)份、份、 份。

3.根据权利要求2所述的无机胶凝材料，其特征在于，包括如下重量份的组分：C3S(22～

24)份、C2S(43～45)份、C3A(11～12)份、C4AF(8～9)份、 份、份。

4.根据权利要求2所述的无机胶凝材料，其特征在于，其化学成分为CaO‑SiO2‑Al2O3‑Fe2O3‑SO3五元体系，其中CaO(55～65)％、SiO2(19～21)％、Al2O3(5～8)％、Fe2O3(3～5)％、SO3(2～8)％，其他组成之和小于5％；

其他组成包括MgO、Na2O、TiO2、f‑CaO。

5.权利要求1‑4任一项所述无机胶凝材料在建设道路及桥梁、海洋工程、抢修工程中的应用。

6.一种混凝土结构，其特征在于，采用权利要求1‑4任一项所述无机胶凝材料。

说明书

一种强度与体积稳定协调发展的无机胶凝材料及其应用

技术领域

[0001] 本发明涉及水泥基材料技术领域，具体涉及一种强度与体积稳定协调发展的无机胶凝材料及其应用。

背景技术

[0002] 目前，水泥生产过程直接及间接产生的二氧化碳排放量较高，因此研发高性能无机胶凝材料，减少传统水泥熟料用量是当前水泥工业实现节能减排及可持续发展的重要途径之一。

[0003] 现有研究结果显示，在传统硅酸盐水泥矿相体系中引入其它矿物组成(如无水硫铝酸钙， )或调配复合水泥(如硅酸盐‑硫铝酸盐水泥体系)，被验证具有提高水泥的早期强度，同时提高水泥基材料体积稳定性等特性。

[0004] 现有复合水泥的调配方式分为两种：一种是从前端原料角度进行调配，通过设计原料配比，煅烧得到含有硅酸盐‑硫铝酸盐水泥体系所含矿物的单一体系的水泥熟料；另一种是从终端产物角度进行调配，直接将硅酸盐和硫铝酸盐两种不同体系的水泥熟料按设计配比进行复配。

[0005] 然而，现有复合水泥的调配方法存在以下问题：

[0006] (1)对于第一种前端原料调配方式，经常会在煅烧过程中生成不可控的副产物，且有效矿物(如无水硫铝酸钙)的煅烧温度与其他矿物的煅烧温度的温差较大，经常需要二次煅烧，煅烧工艺复杂且矿物组成稳定性较差，导致煅烧过程能耗较高。

[0007] (2)对于第二种后段产物调配方式，其虽避免了煅烧能耗高的问题，但由于不同种类、品次的硅酸盐和硫铝酸盐在矿物组成、含量方面皆有偏差，因此需要进行多次试验验证最佳配比，导致调配耗时长、操作繁琐；且根据经验来看，该方式在提高体积稳定性的同时会导致水泥基材料的抗压/抗折强度有所下降，尤其在水化后期可能出现强度发展不足、耐久性降低等问题。

发明内容

[0008] 第一方面，本发明提供一种新的无机胶凝材料，其兼具较高的强度与体积稳定性。

[0009] 本发明提供的无机胶凝材料，其矿物组成包括C3S、C2S、C3A、C4AF、 及 其中：C3S与C2S质量的之和小于无机胶凝材料总质量的68％；C3A与 的质量之和占所述无机胶凝材料总质量的16～18％。

[0010] 本发明从现有常见矿物组分中筛选出六种矿物作为复配组分，并在此基础上进一步控制C3S与C2S的质量之和占比及C3A与 的质量之和占比，通过控制两组比例关系，使所得无机胶凝材料兼具较高的强度与体积稳定性，从而可有效提高混凝土的耐久性。

[0011] 本发明通过合理设计矿物组成，以较简单的复合水泥组成设计显著提高实际应用中复合水泥的复配效率，并兼顾到水化早期、中期、后期强度的发展和体积稳定性，解决了原料调配方式存在的能耗高、煅烧工艺复杂、矿物稳定性较差等问题，以及后段产物调配方式存在的后期强度发展不足及倒缩等问题。

[0012] 本发明所述无机胶凝材料的耐久性的提高可有效减少水泥基材料长期需求量，进而实现从生产源头到应用全流程碳减排。

[0013] 进一步地，本发明通过对各矿物组分的含量的优化，以进一步提高所得无机胶凝材料的强度及体积稳定性。具体为：

[0014] 控制所述C3S在所述无机胶凝材料中质量百分比为20～25％。

[0015] 控制所述C2S在所述无机胶凝材料中质量百分比为42～48％。

[0016] 控制所述C3A相对所述无机胶凝材料的质量百分比为10～12％。

[0017] 控制所述C4AF在所述无机胶凝材料中质量百分比为7～10％。

[0018] 控制所述 在所述无机胶凝材料中质量百分比为5～8％。

[0019] 控制所述 在所述无机胶凝材料中质量百分比为6～10％。

[0020] 通过控制体系中上述各成分的含量范围及比例关系，使各矿物组分发挥协同作用，可以满足早、后期强度的稳定增长，同时有效缓解现有无机胶凝材料普遍存在的倒缩现象，具有更好的体积稳定性。

[0021] 作为本发明的具体实施方式之一，所述无机胶凝材料包括如下重量份的组分：C3S(20～25)份、C2S(42～48)份、C3A(10～12)份、C4AF(7～10)份、 (5～8)份、 (6～10)份。

[0022] 优选地，所述无机胶凝材料包括如下重量份的组分：C3S(22～24)份、C2S(43～45)份、C3A(11～12)份、C4AF(8～9)份、 (5～7)份、 (7～9)。

[0023] 本发明所述的无机胶凝材料中，其化学成分为CaO‑Al2O3‑SiO2‑Fe2O3‑SO3五元体系，其中CaO(55～65)％、SiO2(19～21)％、Al2O3(5～8)％、Fe2O3(3～5)％、SO3(2～8)％，其他组成(MgO、Na2O、TiO2、f‑CaO等)之和小于5％。

[0024] 本发明中所述无机胶凝材料中，所述C3S、C2S、C3A、C4AF、 及 均可通过市售购买或煅烧硅酸盐水泥熟料得到。

[0025] 其中 也可通过下述煅烧方法获得：将碳酸钙、氧化铝和CaSO4·2H2O的质量分数分别按照(1.5‑2)：(1.5‑2)：1比例混合，研磨成生料；将生料与水混合后压制成型，烘干，于1300‑1400℃烧制。

[0026] 第二方面，本发明提供上述无机胶凝材料在建设道路及桥梁、海洋工程、抢修工程中的应用。

[0027] 第三方面，本发明提供一种混凝土结构，其采用上述无机胶凝材料。

[0028] 本发明取得的有益效果如下：

[0029] 本发明通过筛选特定的六种矿物组分并优化其配比关系，使无机胶凝材料兼具较高的强度及更好的体积稳定性，取得突破性进展。虽然现有技术也公开了含有六种矿物组成的材料，但其中各矿物之间的比例关系与材料整体应用性能之间的关系作用一直未被研究清楚，因此，本发明提出的用于同时保证强度与体积稳定性两种性能协同发展的配比关系是非显而易见的。

[0030] 同时，本发明采用矿物组分调配方式，更省时省力，降低煅烧能耗，实现从生产源头制备到应用全流程碳减排，对实际应用更具指导意义；并对同样需要兼顾强度与体积稳定性的含有相似矿物组分的复合水泥设计也具有一定的参考价值。

[0031] 此外，基于本发明所述无机胶凝材料兼具较高的强度及体积稳定性，将其应用于混凝土，可显著提高混凝土结构的耐久性。

附图说明

[0032] 图1为混凝土限制膨胀率试验结果。

具体实施方式

[0033] 以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

[0034] 以下实施例中各组分均可通过市售购买或煅烧硅酸盐水泥熟料得到。

[0035] 其中 也可通过下述煅烧方法获得：

[0036] 将碳酸钙、氧化铝和CaSO4·2H2O的质量分数分别按照(1.5‑2)：(1.5‑2)：1比例混合，研磨成生料；将生料与水混合后压制成型，烘干，于1300‑1400℃烧制。

[0037] 实施例1‑3

[0038] 本实施例提供3组强度与体积稳定协调发展的无机胶凝材料，具体矿物组成如下：

[0039] 表1实施例无机胶凝材料矿物组成

[0040]

[0041] 其中，实施例1‑3的C3S与C2S的质量之和分别占所述无机胶凝材料总质量的66.2％、66.7％、65.7％；C3A与 的质量之和占所述无机胶凝材料总质量的17.2％、
16.9％、17.5％。

[0042] 对比例1

[0043] 本对比例提供一种无机胶凝材料，其矿物组成如表2中对比例1所示。其中，C3S与C2S的质量之和占所述无机胶凝材料总质量的71％；C3A与 的质量之和占所述无机胶凝材料总质量的14.4％。

[0044] 对比例2

[0045] 本对比例提供一种硅酸盐水泥，其矿物组成如表2中对比例2所示。其中，C3S与C2S的质量之和占所述无机胶凝材料总质量的78％；C3A的质量占所述无机胶凝材料总质量的7％。

[0046] 表2对比例1‑2无机胶凝材料矿物组成

[0047]

[0048] 效果对比试验

[0049] 1、抗压强度及体积稳定性

[0050] 将实施例1‑3及对比例1、对比例2所得无机胶凝材料进行测试，其强度及体积稳定性的结果如下：

[0051] 本测试采用国家标准GB/T17671‑1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测定水泥胶砂试样抗压强度。

[0052] 同时采用限制膨胀率试验验证应用不同无机胶凝材料的混凝土补偿收缩性能。水化14天时，试样养护条件由标准养护改为温度20±2℃，相对湿度60±2％的恒温恒湿养护。

[0053] 本测试采用国家标准GB/T50082‑2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测定试样抗冻性能、抗碳化性能、抗渗透性能。

[0054] 测试结果如下表及图1。

[0055] 表3抗压强度

[0056]

[0057] 结果显示，实施例1‑3所得无机胶凝材料兼具较高的抗压强度及体积稳定性，特别是表现出较高的早期强度。而对比例1由于匹配不当，难以得到较高的抗压强度及体积稳定性。

[0058] 对比例2为一种传统硅酸盐水泥熟料的矿物组成，其抗压强度及体积稳定性均不及对比例1及实施例1‑3。

[0059] 2、耐久性

[0060] 将实施例1、对比例1、对比例2所得无机胶凝材料分别应用于混凝土中，对所得混凝土试块的耐久性进行测试，其测试结果如下：

[0061] 表4耐久性测试

[0062]

[0063] 结果显示，与对比例1的各项耐久性测试结果相比，实施例1的抗碳化性能变化不明显，抗冻性能及抗渗性能都远高于对比例1的指标。相比普通硅酸盐水泥(对比例2)，实施例1抗渗性能与抗冻融性能皆提高45％以上，抗碳化性能无明显差异。

[0064] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。