CN103253883B

CN103253883B - 一种水泥混凝土强度促进剂及其制备方法

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Publication number: CN103253883B
Application number: CN201310129259.1A
Authority: CN
Inventors: 水中和; 陆建鑫; 田素芳; 王桂明; 丁沙; 曾潇
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Guangdong Huihai Materials Co., Ltd
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2033-04-15
Also published as: CN103253883A

Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种提高水泥混凝土强度促进剂及其制备方法，它由水泥浆体脱水相、偏高岭土、磷石膏、及减水剂等原料制备而成，各组分所占重量份数为：水泥浆体脱水相10~60、偏高岭土15~70、磷石膏1~50、减水剂0.1~5。本发明使用固体废弃物为原料，使固废得到了充分和高附加值的利用，制备得到的水泥混凝土强度促进剂能有效提高水泥混凝土在早期和中后期的强度。用该混凝土强度促进剂替代5~15%的水泥用量，28d的强度比基准混凝土提高40％以上。本发明原材料成本低，使用方便，制备的水泥混凝土强度促进剂可广泛应用于港口码头、高速公路、铁路、桥梁和机场跑道等的抢修工程。

Description

一种水泥混凝土强度促进剂及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种水泥混凝土强度促进剂及其制备方法。

背景技术

高早强混凝土是伴随着建筑工程日益提高的施工要求和使用要求而产生发展的。近年来，随着现代建筑物的高层化、大跨化、轻量化、地下化以及使用环境的严酷化，对混凝土的强度和耐久性提出了更高的要求，使得高强度、高性能混凝土迅速发展。在工程建设中，提高工程质量和降低工程造价是普遍存在的一对矛盾，在保证工程质量的前提下，缩短施工工期不仅可以提前开放交通，而且可以降低大量的养护和施工费用。高强混凝土在国外应用较早，目前世界很多地区都已应用高达80MPa的混凝土。我国***早在“九五”期间重点推广应用的十项新技术中第四项即为“高强混凝土技术在结构工程中推广应用C50、C60高强混凝土，研制开发C70、C80混凝土”。但到目前为止，由于高强混凝土价格昂贵，其应用受到很大制约，一般来说高早强混凝土指早期强度(三天强度)达到标准强度80%以上的高强混凝土，使用常规地产材料配制高早强混凝土有一定难度，一般需用蒸养来实现早强，但费用高，后期强度不好，而用常规养护方法实现早强难度更大。

另一方面，混凝土结构物建设和拆除过程中产生了大量废弃物，我国每年因拆除建筑产生的建筑固体废弃物达3亿吨以上，其中大多数是废弃混凝土。然而，对于这些废旧混凝土的有效处理方法却不多，传统的处理方法主要是运往郊外露天堆放或填埋，这种低层次的利用实际上是一种资源的浪费；生产混凝土需要大量的矿料，矿山资源作为一种不可再生资源，需要加以保护。因此，将废弃混凝土进行再生利用，可以节省天然资源，减少废弃物堆放场地，保护环境，具有良好的社会效益和经济效益。

磷石膏是磷化工企业的工业废渣。我国每年排放量约8000万吨，累计堆积磷石膏已超过5亿吨，每生产1吨磷酸，将生成约5吨磷石膏，目前对磷石膏的利用率尚不足10%，磷石膏中所含氟化物、游离磷酸、P₂O₅、磷酸盐等杂质是导致磷石膏在堆存过程中造成环境污染的主要因素。磷石膏的大量堆存，不仅侵占了土地资源，由于风蚀、雨蚀造成了大气、水系及土壤的污染，长时间存放磷石膏，甚至对周边人民生命构成安全隐患。因此，磷石膏的处理成为亟待解决的难题。

我国高岭土资源以成因类型齐全、储量丰富、质地优良闻名于世。将高岭土进行适当的煅烧处理和粉磨后可以得到偏高岭土，偏高岭土中包含有大量的活性硅、铝，是一种非常有效的强度促进剂，但其吸水量大，易引起混凝土需水量增加，或降低混凝土的工作性，所以，其单独使用难以取得良好的综合效益。

发明内容

本发明提供了一种水泥混凝土强度促进剂及其制备方法，将可消耗建筑废弃物（废弃混凝土）和工业副产品（磷石膏）用来制备混凝土强度促进剂，使固废得到了充分和高附加值的利用，制备得到的水泥混凝土强度促进剂能有效提高水泥混凝土在早期和中后期的强度。

一种水泥混凝土强度促进剂，由水泥浆体脱水相、偏高岭土、磷石膏、及减水剂组成，组分按重量份数计为：水泥浆体脱水相10~60份、偏高岭土15~70份、磷石膏1~50份、及减水剂0.1~5份。

上述方案中，所述水泥浆体脱水相按如下方法制备得到：1）将废弃混凝土进行一定的分离和破碎，除去大块的集料，取水泥浆体；2）将水泥浆体粉磨至粒径小于0.075mm的粉料；3）将所得粉料在500~1000℃的温度下煅烧0.5~6小时，快速冷却至室温（冷却速度为50~120℃/min），得到水泥浆体脱水相；

上述方案中，所述偏高岭土按如下方法制备得到：1）首先将大块的高岭土放入球磨机中进行20~40min的粉磨，得到高岭土粉末；2）将高岭土粉末在550~1000℃的温度下煅烧1~6小时，冷却后，放入球磨机中进行20~30min的粉磨，至比表面积为8000~15000m²/kg，得偏高岭土；

上述方案中，所述磷石膏按如下方法制备得到：1）将原状的磷石膏在干燥箱中烘干至恒重；2）然后放入球磨机中粉磨10~30min，至比表面积为300~800 m²/kg；

上述方案中，所述减水剂为粉态萘系高效减水剂、氨基高效减水剂和聚羧酸系高效减水剂中的一种，其减水率≥25%。

本发明水泥混凝土强度促进剂由水泥浆体脱水相、偏高岭土、磷石膏及减水剂组成，其中废弃水泥浆体中水化产物含有大量的无定形C-S-H凝胶以及Ca(OH)₂、AFt、C₃AH₆等晶相物质。在加热过程中，随着温度的升高C-S-H凝胶逐渐分解、脱水。同时其结构发生显著变化，在此过程中，C-S-H凝胶Si-OH键以及Ca-OH键断裂、多聚物和低聚物向高聚物转变并伴随脱水，脱水生成的脱水相结构为无定形，处于介稳态，C-S-H凝胶结构解体形成β-CS结晶，脱水相具有很大的比表面积。Ca(OH)₂在加热过程中分解，生成氧化钙和水，而脱水后得到的CaO遇水后具有较快的反应速度，重新生成Ca(OH)₂。AFt加热分解为C₁₂A₇、CaO和CaSO₄，C₃AH₆脱水转变为C₁₂A₇H和Ca(OH)₂，其中Ca(OH)₂继续脱水生成CaO。因废弃水泥浆体的这些脱水相产物具有再水化的胶凝性能，与单纯的水泥相比，其组分反应更加迅速，此过程也促进水泥混凝土的凝结硬化过程，且脱水相水化生成的Ca(OH)₂提高了体系的碱度，为偏高岭土提供碱激发的环境。偏高岭土的加入能为体系提供活性SiO₂和Al₂O₃，活性SiO₂在水泥浆脱水相中CaO的激发下再次形成水硬性C-S-H凝胶，且偏高岭土中含有大量活性Al₂O₃，Al₂O₃在磷石膏中CaSO₄·2H₂O的激发下形成AFt，这种针棒状的AFt结构与C-S-H凝胶一起交织成紧密的网状结构，这为混凝土的早强又提供了一个有力支撑，且偏高岭土的微集料效应能进一步促进混凝土早期强度发展。由于废弃水泥浆体脱水相水化速度快，而磷石膏中的有害杂质氟化物、游离磷酸、P₂O₅、磷酸盐等可延缓水泥混凝土的凝结时间，且磷石膏中的CaSO₄·2H₂O也可激发脱水相的活性，利用两种原料的特性可以实现不同性能的优劣互补，促进水泥混凝土强度的发展。减水剂主要起到吸附、分散、润湿、润滑等表面活性作用，对水泥颗粒提供分散和流动性能，并通过减少水泥颗粒间摩擦阻力，降低水泥颗粒与水界面的自由能来增加新拌混凝土的和易性，其对水泥也有较为显著的缓凝作用，减少混凝土的坍落度损失。综上所述，本发明中涉及的水泥混凝土强度促进剂中，由于水泥浆体脱水相的比表面积大、结构疏松等特点，使其水化反应速度较快，并在整个体系中形成大量的小团状絮凝结构，这些絮凝结构为接下来水泥的水化提供了丰富的成核点，水泥水化的不断进行使最初的絮凝结构逐渐变成被水泥水化产物所包裹的水化基团。在上述水化基团的形成过程中，还未参与水化反应的偏高岭土颗粒将充分发挥其微集料效应，均匀地填充在水化基团的空隙中，使水化基团的结构更为密实。当水化基团发展到一定程度的时候，基团与基团之间将会出现价键的搭合，从而使整个反应体系形成一个有序的网络结构，有利于早期强度的发展；同时偏高岭土－磷石膏体系在后期逐步表现出补强作用，磷石膏在水化过程进行硫酸盐激发形成水化产物钙矾石，剩余部分被水化产物所包裹起集料填充作用；减水剂分子链的空间位阻效应、浸润作用可防止水泥颗粒的凝聚，使得体系具有更强的分散能力和更好的工作性能。

制备本发明的水泥混凝土强度促进剂的方法，它包括如下步骤：

1）制备得到水泥浆体脱水相、偏高岭土和磷石膏；

2）按重量份数称取水泥浆体脱水相、偏高岭土、磷石膏、及减水剂，置于混料机中混合均匀，得到水泥混凝土强度的促进剂。

有益效果：本发明用于制备水泥混凝土强度促进剂的原料中，水泥浆体脱水相由废弃混凝土制备而成，属建筑废弃物，磷石膏为工业副产品，属工业废弃物。本发明使固废得到了充分和高附加值的利用，制备得到的水泥混凝土强度促进剂能有效提高水泥混凝土在早期和中后期的强度，有利于水泥混凝土行业可持续发展战略，兼具社会环保、节能减排意义。

具体实施方式

以下结合附表和实施例进一步对本发明进行说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

一种水泥混凝土强度促进剂，它由水泥浆体脱水相、偏高岭土、磷石膏、及减水剂组成，其各组分重量百分比如表1所示，其中，水泥浆体脱水相按如下步骤制备得到：1）首先将废弃混凝土进行一定的分离和破碎，除去大块的集料，选取其中的废弃水泥浆体，然后再经过破碎、粉磨、筛分，取0.075mm筛子的筛下物，即为粉料；2）将所得粉料在750℃的温度下煅烧4小时，以50℃/min降温速率快速冷却至室温，得水泥浆体脱水相。偏高岭土按如下步骤制备得到：1）首先将大块的高岭土放入球磨机中进行30min的粉磨，得到高岭土粉末；2）将高岭土粉末在700℃的温度下煅烧6小时，冷却后放入球磨机中粉磨20min，至比表面积为10000m²/kg，得偏高岭土。磷石膏的制备过程为：1）将原状的磷石膏在干燥箱中烘干至恒重；2）然后放入球磨机中粉磨10min，至比表面积为326 m²/kg。选用的减水剂为粉态萘系高效减水剂，其减水率≥25%。

一种制备水泥混凝土强度促进剂的方法，包括如下步骤：1）制备得到水泥浆体脱水相、偏高岭土和磷石膏；2）按各组分重量百分比（见表1）取水泥浆体脱水相、偏高岭土、磷石膏及减水剂，置于混料机中混合均匀，得到水泥混凝土强度的促进剂。

按照表1中实施例1的配比制备水泥混凝土强度促进剂，以10%（重量）的添加量替代水泥加入到基准砂浆中，表2为水泥胶砂的配合比，按照GB-T17671-1999水泥胶砂强度检验方法，测定砂浆的抗压强度，结果见下表3。从表3结果看：与基准砂浆试样相比，添加水泥混凝土强度促进剂，在3d、7d和28d强度均比基准砂浆提高35%以上，其中3d的抗压强度达到了33MPa,7d的抗压强度达到49MPa，28d的抗压强度可高达67Mpa。综上所述，表3结果说明了：制备得到的水泥混凝土强度促进剂能有效提高水泥混凝土在早期和中后期的强度。

表1 水泥混凝土强度促进剂中各原料所占重量百分比

表2 水泥胶砂配合比(kg/m³)

表3 胶砂试样的抗压强度

实施例2：

一种水泥混凝土强度促进剂，其各组分重量百分比如表1所示，其中，水泥浆体脱水相按如下步骤制备得到：1）首先将废弃混凝土进行一定的分离和破碎，除去大块的集料，选取其中的废弃水泥浆体，然后再经过破碎、粉磨30min后，筛分，取0.075mm筛子的筛下物，即为粉料；2）将所得粉料在1000℃的温度下煅烧0.5小时，以80℃/min降温速率快速冷却至室温，得水泥浆体脱水相。偏高岭土按如下步骤制备得到：1）首先将大块的高岭土放入球磨机中进行20min的粉磨，得到高岭土粉末；2）将高岭土粉末在1000℃的温度下煅烧1小时，冷却后放入球磨机中粉磨20min，至比表面积为8000m²/kg，得到偏高岭土。磷石膏的制备过程为：1）将原状的磷石膏在干燥箱中烘干至恒重；2）然后放入球磨机中粉磨20min，至比表面积为536 m²/kg。选用的减水剂为氨基高效减水剂，其减水率≥25%。

本实施例制备水泥混凝土强度促进剂的方法，与实施例1相同。

按照表1中实施例2的配比制备水泥混凝土强度促进剂，以10%的添加量替代水泥加入到基准砂浆中，表2为水泥胶砂的配合比，按照GB-T17671-1999水泥胶砂强度检验方法，测定砂浆的抗压强度，结果见表3。从表3结果看：与基准砂浆相比，添加了水泥混凝土强度促进剂，其在3d的强度比基准混凝土提高48%，7d的强度提高了50%，28d的强度提高了45%。综上所述，表3结果说明了：制备得到的水泥混凝土强度促进剂能有效提高水泥混凝土在早期和中后期的强度。

实施例3-6：

一种水泥混凝土强度促进剂，其各组分重量百分比如表1所示，其中，水泥浆体脱水相按如下步骤制备得到：1）首先将废弃混凝土进行一定的分离和破碎，除去大块的集料，选取其中的废弃水泥浆体，然后再经过破碎、粉磨、筛分，取0.075mm筛子的筛下物，即为粉料；2）将所得粉料在500℃的温度下煅烧6小时，以120℃/min降温速率快速冷却至室温，得水泥浆体脱水相。偏高岭土按如下步骤制备得到：1）首先将大块的高岭土放入球磨机中进行40min的粉磨，得到高岭土粉末；2）将高岭土粉末在550℃的温度下煅烧4小时，快速冷却后放入球磨机中粉磨25min，至比表面积为15000m²/kg，得到偏高岭土。磷石膏的制备过程为：1）将原状的磷石膏在干燥箱中烘干至恒重；2）然后放入球磨机中粉磨30min，至比表面积为778 m²/kg。选用的减水剂为聚羧酸系高效减水剂，其减水率≥25%。

制备水泥混凝土强度促进剂的方法，与实施例1相同。

按照表1中实施例3-6的配比制备水泥混凝土强度促进剂，分别以10%的添加量替代水泥加入到3组基准砂浆中，表2为水泥胶砂的配合比，按照GB-T17671-1999水泥胶砂强度检验方法，分别测定砂浆的抗压强度，结果见表3。从表3结果看：与基准砂浆相比，添加了水泥混凝土强度促进剂，其在3d的强度比基准砂浆均提高35%以上，7d的强度均提高了42%以上，28d的强度均提高了46%以上。综上所述，表3结果说明了：制备得到的水泥混凝土强度促进剂能有效提高水泥混凝土在早期和中后期的强度。

实施例7-10：

选取实施例1制备得到的水泥混凝土强度促进剂，将其按5%、10%、15%分别替代水泥制备混凝土，成型脱模后在温度20℃、湿度98%的标准养护箱中养护，并根据GBT50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行3d、7d和28d抗压强度的测试，混凝土配合比及抗压强度见下表4。

混凝土抗压强度见下表4，从结果看：添加了水泥混凝土强度促进剂的混凝土，3d的抗压强度均达到了40MPa以上,7d的抗压强度均达到50Mpa以上，28d的抗压强度均在70MPa左右，其在3d、7d和28d的强度比基准混凝土强度均提高40%以上。综上所述，表4结果说明了：制备得到的水泥混凝土强度促进剂能有效提高水泥混凝土在早期和中后期的强度。

另外，所有实例中的坍落度均达到了180mm以上，可见添加了水泥混凝土强度促进剂的混凝土依然具有良好的工作性能。

表4 含混凝土强度促进剂的混凝土配合比及抗压强度

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种水泥混凝土强度促进剂，其特征在于它由水泥浆体脱水相、偏高岭土、

磷石膏、及减水剂组成，组分按重量份数计为：水泥浆体脱水相10~60份、偏高岭土15~70份、磷石膏1~50份、减水剂0.1~5份。

2.根据权利要求1所述的水泥混凝土强度促进剂，其特征在于，所述水泥浆体脱水相按如下步骤制备得到：1）将废弃混凝土进行分离和破碎，取水泥浆体；2）将水泥浆体粉磨为粒径小于0.075mm的粉料；3）将所得粉料在500~1000℃的温度下煅烧0.5~6小时，冷却至室温，得到水泥浆体脱水相。

3.根据权利要求1所述的水泥混凝土强度促进剂，其特征在于，所述偏高岭土按如下步骤制备得到：1）将高岭土放入球磨机中进行20~40min的粉磨，得到高岭土粉末；2）将高岭土粉末在550~1000℃的温度下煅烧1~6小时，冷却后，放入球磨机中粉磨至比表面积为8000~15000m²/kg，得到偏高岭土。

4. 根据权利要求1所述的水泥混凝土强度促进剂，其特征在于，所述磷石膏按如下步骤制备得到：1）将原状的磷石膏在干燥箱中烘干至恒重；2）然后放入球磨机中粉10~30min，至比表面积为300~800 m²/kg。

5. 根据权利要求1所述的水泥混凝土强度促进剂，其特征在于：所述减水剂为粉态萘系高效减水剂、氨基高效减水剂、及聚羧酸系高效减水剂中的一种。

6. 制备权利要求1所述的水泥混凝土强度促进剂的方法，其特征在于它包括如下步骤：

（1）制备得到水泥浆体脱水相、偏高岭土和磷石膏；

（2）按重量份数称取水泥浆体脱水相、偏高岭土、磷石膏、及减水剂，置于混料机中混合均匀，得到水泥混凝土强度的促进剂。