CN102745928A - 一种高活性改性偏高岭土基混凝土矿物掺合料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高活性改性偏高岭土基混凝土矿物掺合料及其制备方法，由偏高岭土与复合改性剂混合制备而成，偏高岭土与复合改性剂的质量比为200：1—20：1，其中所述的复合改性剂由硬脂酸、硬脂酸钙与甲基硅油按照质量百分数依次为50%—85%、8%—25%和7%—25%混合配制而成，各组分的百分比之和为100%。本发明的优点在于：1）本发明明显提高混凝土的早期强度；2）本发明显著改善混凝土的工作性能，3）本发明能提高混凝土的抗渗透能力，4)本发明对不同种类的水泥和混凝土添加剂适应性良好。

Description

一种高活性改性偏高岭土基混凝土矿物掺合料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高活性改性偏高岭土基混凝土矿物掺合料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着科学技术和生成的发展，各种在严酷条件下使用的混凝土结构，如跨海大桥、海底隧道、海上采油平台、核反应堆等，以及各种有毒有害物质的处理的建造需要在不断增加。因此，无论是从工作性能还是耐久性能，对混凝土都有了更高的要求。目前，各种超细粉体的应用大大改善了混凝土各方面的性能，不仅能够显著提高混凝土的强度，而且极大地提高了微观结构方面的性能，改善了材料的耐久性能。然而，对于传统矿物掺和料，如硅灰、粉煤灰和矿粉中的一种或者两种组成，虽然应用较为成熟，但是也存在一定缺陷，例如硅灰的价格太高，需求量大于产量；粉煤灰的早期水化能力较差，单掺粉煤灰时对混凝土早期强度有一定的不利影响，且掺量过大时会加速混凝土碳化；矿渣在混凝土中作用的发挥受细度、温度影响较大。因此，偏高岭土作为一种新型的混凝土矿物掺合料越来越受到人们的关注。

目前，对于偏高岭土在于混凝土工程中的实际应用还未有报道，但作为新一代高活性辅助胶凝材料在国外的研究与应用正日趋活跃。偏高岭土具有优异的火山灰活性，能显著提高混凝土早期强度，同时后期强度也在不断增强。甚至有研究表明，偏高岭土活性高于硅灰，硅灰的导入混凝土的自收缩会增加，偏高岭土混凝土有补偿收缩的微膨胀性能。另外，掺偏高岭土混凝土减少泌水，加速水泥的水化，提高混凝土的密实度，从而增强混凝土的抗渗性能，提高耐久性。综合而言，偏高岭土的掺入能够显著改善混凝土各方面的性能。

然而，单掺偏高岭土时会对混凝土工作性能有显著的降低，甚至影响正常施工。为了保证偏高岭土混凝土的工作性能，有研究中在偏高岭土掺和料中直接混入固态减水剂作为复合型掺和料，这类前期复合的减水剂有可能跟水泥之间出现适应性不良的问题，并且有可能跟施工过程中使用的减水剂出现相互干扰的作用，因而此做法在实际应用过程中仍然存在问题。因此，如何提高偏高岭土混凝土的工作性能以及更有效地激发偏高岭土的火山灰活性，有待进一步研究，应用于实际工程之中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有更高火山灰活性以及良好的工作性能的偏高岭土基矿物掺合料及其制备方法，它能够更有效地激发偏高岭土的火山灰活性，尤其体现在早期强度方面，同时对于混凝土的工作性能也有较好的改善作用，且适应于不同种类的水泥和施工过程中减水剂。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种高活性改性偏高岭土基混凝土矿物掺合料，其由偏高岭土与复合改性剂混合制备而成，偏高岭土与复合改性剂的质量比为200：1—20：1，其中所述的复合改性剂由硬脂酸、硬脂酸钙与甲基硅油按照质量百分数依次为50%—85%、8%—25%和7%—25%混合配制而成，各组分的百分比之和为100%。

按上述方案，所述的偏高岭土为高岭土经过粉磨在500-1000℃的温度下煅烧0.5-6.0小时后冷却制得。

按上述方案，偏高岭土中SiO₂与Al₂O₃的质量百分含量之和≥50wt%，比表面积≥2300m²/kg。

高活性改性偏高岭土基混凝土矿物掺合料的制备方法，其特征在于包括有以下步骤：

1) 将偏高岭土置于100℃烘箱中24h；

2) 将步骤1）经烘干的偏高岭土放入陶瓷球磨机中，加入硬脂酸、硬脂酸钙和甲基硅油组成的复合改性剂，研磨时间为30-120min，得到改性偏高岭土，偏高岭土与复合改性剂的质量比为200：1—20：1，其中所述的硬脂酸、硬脂酸钙与甲基硅油按照质量百分数依次为50%—85%、8%—25%和7%—25%混合配制而成，各组分的百分比之和为100%。

按上述方案，所述的偏高岭土为高岭土经过粉磨在500-1000℃的温度下煅烧0.5-6.0小时后冷却制得.

按上述方案，偏高岭土中SiO₂与Al₂O₃的质量百分含量之和≥50wt%，比表面积≥2300m²/kg。

本发明的技术方案中，改性偏高岭土改性过程中，偏高岭土在机械作用下，改性剂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，它有两个显著的功能：一是使团聚的偏高岭土充分分散，二是对偏高岭土颗粒表面的改性。

本发明的优点在于：

1）本发明明显提高混凝土的早期强度，普通砂浆中改性偏高岭土基矿物掺合料的掺量为5wt%-10wt%，能显著提高砂浆7d强度10%以上，且28d强度增长率仍能保持在8%以上。当改性偏高岭土的掺量为5%时，7d抗压强度增长12%以上，相对于同等掺量未改性偏高岭土而言，其增长率为8%。而当改性偏高岭土的掺量达到10%，7d抗压强度增长14%以上，相对于同等掺量未改性偏高岭土而言，其增长率则为7%。偏高岭土作为一种混凝土矿物掺合料，由于其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。然而，由于结合在偏高岭土表面的改性剂的相互作用，使得改性偏高岭土更有效地分散于胶凝材料中，改性剂在水化过程中从改性偏高岭土表面释放出来，同时，由于硬脂酸能与钙离子结合生成不溶性的钙盐，这在一定程度上就加速了水泥水化反应，提高偏高岭土的二次水化作用，而在后期水化反应过程中逐渐将钙离子释放出来。因此，改性偏高岭土能够显著提高混凝土的早期强度；

2）本发明显著改善混凝土的工作性能，普通砂浆中偏高岭土的掺量为5wt%-10wt%时，其流动度下降在20mm-40mm左右。然而，掺入同等掺量的改性偏高岭土时，其流动度基本能够维持不变，甚至更高。偏高岭土颗粒表面由于与改性剂发生化学结合或物理吸附作用，使得改性偏高岭土表面含有大量的憎水基团，从而大大地降低了改性偏高岭土的润湿角。同时，在水泥水化过程中，改性剂能够从偏高岭土表面释放出来，而不影响偏高岭土的活性；

3）本发明能提高混凝土的抗渗透能力，普通混凝土中加入改性偏高岭土后，由于偏高岭土的火山灰效应以及微填充效应，能够大大提高混凝土的致密性。同时，从改性偏高岭土中释放出来的改性剂在混凝土表面形成一层致密的憎水膜，能有效的阻隔溶液和有害离子的侵入。因此，改性偏高岭土能够显著的提高混凝土的抗渗透能力，从而改善混凝土的耐久性能；

4)本发明对不同种类的水泥和混凝土添加剂适应性良好，工程实际中常常会出现减水剂与水泥出现相容性不良的现象，而本发明的改性偏高岭土对于各种外加剂和水泥的种类不会出现适应性不良的问题。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

一种高活性改性偏高岭土基混凝土矿物掺合料，它首先由高岭土经过粉磨在850℃的温度下煅烧2小时后冷却制得偏高岭土，其中，保证偏高岭土中SiO₂与Al₂O₃的质量百分含量之和≥50wt%，比表面积≥2300m²/kg，然后将偏高岭土置于100℃烘箱中24h，最后将偏高岭土、改性剂在球磨机中研磨30min得到改性偏高岭土，其中，偏高岭土与改性剂的质量比为50：1，所述的改性剂由硬脂酸、硬脂酸钙与甲基硅油的按照质量百分数依次为80%、10%和10%混合配制而成。

以砂浆试件作为考察对象，偏高岭土以及改性偏高岭土均以5%等量取代胶凝材料配置砂浆。选取标准砂，水灰比均为0.45。按照GB/T 2429—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测试基准样和实施例1的拌合物的流动度；按照GB/T 17671-1999 《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的3天、7天和28天抗压强度。

砂浆试件实施例1的流动度和强度实验结果见表1。

表1 砂浆试件的流动度和强度

表1说明了：实施例1改性偏高岭土的掺量为5%时，实施例中砂浆试件的流动度相比同等掺量的偏高岭土而言，有明显的提高。说明改性偏高岭土对工作性能有改善作用。实施例1与偏高岭土相对于基准样而言，3d、7d和28d强度均表现出明显的增长。而对比实施例1与偏高岭土的7d强度而言，强度增长率分别为8%，说明本发明对早期强度有促进作用，同时28d强度表明对后期强度发展并无影响。

实施例2：

一种高活性改性偏高岭土基混凝土矿物掺合料，它首先由高岭土经过粉磨在850℃的温度下煅烧2小时后冷却制得偏高岭土，其中，保证偏高岭土中SiO₂与Al₂O₃的质量百分含量之和≥50wt%，比表面积≥2300m²/kg，然后将偏高岭土置于100℃烘箱中24h，最后将偏高岭土、改性剂在球磨机中研磨30min得到改性偏高岭土，其中，偏高岭土与改性剂的质量比为100：1，所述的改性剂由硬脂酸、硬脂酸钙与甲基硅油的按照质量百分数依次为80%、10%和10%混合配制而成。

以砂浆试件作为考察对象，偏高岭土以及改性偏高岭土均以5%等量取代胶凝材料配置砂浆。选取标准砂，水灰比均为0.45。按照GB/T 2429—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测试基准样和实施例2的拌合物的流动度；按照GB/T 17671-1999 《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的3天、7天和28天抗压强度。

砂浆试件实施例2的流动度和强度实验结果见表2。

表2 砂浆试件的流动度和强度

表2说明了：实施例2中改性偏高岭土的掺量为5%时，实施例中砂浆试件的流动度相比同等掺量的偏高岭土而言有明显的提高，且超过基准样。这也表明改性偏高岭土对工作性能有明显改善作用。同时，对比实施例2试件与偏高岭土试件的7d强度而言，强度增长率为3.5%，说明本发明对早期强度有促进作用。

实施例3：

一种高活性改性偏高岭土基混凝土矿物掺合料，它首先由高岭土经过粉磨在650℃的温度下煅烧6小时后冷却制得偏高岭土，其中，保证偏高岭土中SiO₂与Al₂O₃的质量百分含量之和≥50wt%，比表面积≥2300m²/kg，然后将偏高岭土置于100℃烘箱中24h，最后将偏高岭土、改性剂在球磨机中研磨60min得到改性偏高岭土，其中，偏高岭土与改性剂的质量比为50：1，所述的改性剂由硬脂酸、硬脂酸钙与甲基硅油的按照质量百分数依次为50%、25%和25%混合配制而成。

以砂浆试件为考察对象，偏高岭土以及改性偏高岭土均以10%等量取代胶凝材料配置砂浆。选取标准砂，水灰比均为0.45。按照GB/T 2429—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测试基准样和实施例3的拌合物的流动度；按照GB/T 17671-1999 《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的3天、7天和28天抗压强度。

砂浆试件实施例3的流动度和强度实验结果见表3。

表3 砂浆试件的流动度和强度

表3说明了：实施例3中改性偏高岭土的掺量为10%时，其对流动度的改善作用相对于同等掺量的偏高岭土而言，仍比较明显。同时，就7d强度而言，实施例3相对于同等掺量的偏高岭土增长率达到8.2%。说明本发明不仅能够改善工作性能，而且能促进早期强度的增长。

实施例4：

一种高活性改性偏高岭土基混凝土矿物掺合料，它首先由高岭土经过粉磨在750℃的温度下煅烧4小时后冷却制得偏高岭土，其中，保证偏高岭土中SiO₂与Al₂O₃的质量百分含量之和≥50wt%，比表面积≥2300m²/kg，然后将偏高岭土置于100℃烘箱中24h，最后将偏高岭土、改性剂在球磨机中研磨45min得到改性偏高岭土，其中，偏高岭土与改性剂的质量比为200：3，所述的改性剂由硬脂酸、硬脂酸钙与甲基硅油的按照质量百分数依次为60%、15%和25%混合配制而成。

以砂浆试件为考察对象，偏高岭土以及改性偏高岭土均以10%等量取代胶凝材料配置砂浆。选取河砂(过2.36mm筛)，水灰比均为0.45，减水剂(萘系粉剂)掺量为2%。按照GB/T 2429—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测试基准样和实施例4的拌合物的流动度；按照GB/T 17671-1999 《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的7天和28天抗压强度。

表4砂浆试件的流动度和强度

表4说明了：实施例4中改性偏高岭土的掺量为10%，配合适量的外加剂使用时，其流动度仍有较为明显的改善作用。同时7d强度相对于同等掺量的偏高岭土试件增长了5.9%。说明本发明对外加剂具有良好的适应性。

Claims (6)

1.一种高活性改性偏高岭土基混凝土矿物掺合料，其由偏高岭土与复合改性剂混合制备而成，偏高岭土与复合改性剂的质量比为200：1—20：1，其中所述的复合改性剂由硬脂酸、硬脂酸钙与甲基硅油按照质量百分数依次为50%—85%、8%—25%和7%—25%混合配制而成，各组分的百分比之和为100%。

2.根据权利要求1所述的高活性改性偏高岭土基混凝土矿物掺合料，其特征在于：所述的偏高岭土为高岭土经过粉磨在500-1000℃的温度下煅烧0.5-6.0小时后冷却制得。

3.根据权利要求2所述的高活性改性偏高岭土基混凝土矿物掺合料，其特征在于：偏高岭土中SiO₂与Al₂O₃的质量百分含量之和≥50wt%，比表面积≥2300m²/kg。

4.权利要求1所述的高活性改性偏高岭土基混凝土矿物掺合料的制备方法，其特征在于包括有以下步骤：

1) 将偏高岭土置于100℃烘箱中24h；

2) 将步骤1）经烘干的偏高岭土放入陶瓷球磨机中，加入硬脂酸、硬脂酸钙和甲基硅油组成的复合改性剂，研磨时间为30-120min，得到改性偏高岭土，偏高岭土与复合改性剂的质量比为200：1—20：1，其中所述的硬脂酸、硬脂酸钙与甲基硅油按照质量百分数依次为50%—85%、8%—25%和7%—25%混合配制而成，各组分的百分比之和为100%。

5.根据权利要求4所述的高活性改性偏高岭土基混凝土矿物掺合料的制备方法，其特征在于：所述的偏高岭土为高岭土经过粉磨在500-1000℃的温度下煅烧0.5-6.0小时后冷却制得。

6.根据权利要求5所述的高活性改性偏高岭土基混凝土矿物掺合料的制备方法，其特征在于：偏高岭土中SiO₂与Al₂O₃的质量百分含量之和≥50wt%，比表面积≥2300m²/kg。