CN115477483B - 一种碳化强化超硫酸盐水泥及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳化强化超硫酸盐水泥，按质量份由以下成分组成，矿粉60‑85份，石膏10‑35份，碱激发剂0‑10份，纳米二氧化硅0‑5份，减水剂0‑1份，聚酰胺‑胺树枝状大分子0‑1份。同时公开了其制备方法，该方法可以改性超硫酸盐碳化劣化的缺点，通过纳米改性技术实现超硫酸盐水泥的碳化强化。本发明可为超硫酸盐水泥的大规模推广应用提供技术支撑。

Description

一种碳化强化超硫酸盐水泥及其制备方法
技术领域
本发明属于水泥制备领域，具体涉及一种碳化强化超硫酸盐水泥及其制备方法。
背景技术
超硫酸盐水泥是一种由75%~85%（质量分数，下同）的矿渣、10%~20%的石膏等硫酸盐类及1%~5%的碱性成分（如熟料、氢氧化钙等），共同粉磨或分别粉磨再混合而制得的水硬性胶凝材料。其生产过程可以消纳大量工业废弃物，CO2排放量仅为硅酸盐水泥的10%，降低能耗80%~90%，是一种典型低碳胶凝材料。
超硫酸盐水泥的主要水化产物为晶体钙矾石（AFt）和胶体水化硅铝酸钙凝胶（C-A-S-H），其中AFt极易碳化分解，进而导致超硫酸盐水泥的整体结构劣化，出现起砂现象，严重制约超硫酸盐水泥的推广应用。
目前，主要通过降低水灰比，掺入碱性物质等。然而，降低水灰比仅可以延缓碳化劣化的过程，AFt的分解和碳化劣化现象仍然无法避免。掺入碱性物质可以在一定程度上增加超硫酸盐体系固化CO2的能力，延缓碳化速度；但是，过量的碱性物质将显著降低超硫酸盐水泥的力学性能。
发明内容
为了解决以上背景技术的不足，本发明提供一种碳化强化超硫酸盐水泥及其制备方法，该方法可以改性超硫酸盐碳化劣化的缺点，通过纳米改性技术实现超硫酸盐水泥的碳化强化。本发明可为超硫酸盐水泥的大规模推广应用提供技术支撑。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种碳化强化超硫酸盐水泥，按质量份由以下成分组成，矿粉60-85份，石膏10-35份，碱激发剂0-10份，纳米二氧化硅0-5份，减水剂0-1份，聚酰胺-胺树枝状大分子0-1份。
进一步地，一种碳化强化超硫酸盐水泥，按质量份由以下成分组成，矿粉70-80份，石膏15-25份，碱激发剂0-6份，纳米二氧化硅0-3份，减水剂0-0.5份，聚酰胺-胺树枝状大分子0-0.5份。
进一步地，聚酰胺-胺树枝状大分子为0.5代树状大分子，其合成方法为：准确称取乙二胺12.0g，在乙二醇中加入40g甲醇，然后在25℃下搅拌10 min；随后在25℃下缓慢滴加丙烯酸甲酯137.60g，滴加完毕后，使混合物在25℃下恒温反应24h；反应混合物在50℃、133.3 Pa的条件下减压蒸馏，得到乙二胺为核0.5 代树枝状大分子0.5-PAMAM。
上述所述的碳化强化超硫酸盐水泥的制备方法，包括以下步骤：
（1）纳米二氧化硅分散液的制备：使用超声波细胞粉碎机分散纳米二氧化硅，分散过程采用冰水浴降温；
（2）按配合比设计称量碱激发剂硅酸盐水泥、矿粉、石膏和减水剂、聚酰胺-胺树枝状大分子，并与纳米二氧化硅分散液在净浆搅拌机中充分搅拌，搅拌程序为先慢搅120s，停拌15s，然后快搅120s；搅拌均匀后养护，脱模；
（3）当试块养护至28d后，将其转移至碳化箱内碳化。碳化的条件为：温度18-22℃，相对湿度65%-75%，CO2浓度为5%。
本发明的有益效果为：
本发明提出了一种同时提高超硫酸盐水泥力学性能和抗碳化性能的方法：
1）降低超硫酸盐水泥中易碳化组分AFt的含量，增加产物中难碳化组分C-A-S-H凝胶的含量，提高抗碳化能力；
2）改性易碳化组分AFt的微纳结构，提高其抗碳化性能；
3）改性AFt的碳化产物的微结构，使其凝胶化，强化超硫酸盐水泥的整体结构。
附图说明
图1为各组样品的强度发展规律（T3表示碳化3天，T7表示碳化7天）。
具体实施方式
为了使技术领域的人员更好地理解本发明方案，并使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
（1）原材料：
石膏（天然石膏、脱硫石膏、磷石膏等）
矿粉（S95，S105等）
粉煤灰（一级或二级粉煤灰）
碱激发剂（通用硅酸盐水泥、熟石灰、生石灰等）
纳米二氧化硅（粒径5-100nm，SiO2含量大于99 %，比表面积大于200 m2/g）
减水剂（聚羧酸减水剂、萘系减水剂）
聚酰胺-胺（PAMAM）树枝状大分子
（2）样品制备方法：
纳米二氧化硅分散液的制备：使用超声波细胞粉碎机分散纳米二氧化硅，分散过程宜采用冰水浴降温。
0.5代树状大分子的合成：准确称取乙二胺12.0g（0.20 mol），在乙二醇中加入40g甲醇，然后在25℃下搅拌10 min；随后在25℃下缓慢滴加丙烯酸甲酯137.60g（1.60 mol），滴加完毕后，使混合物在25℃下恒温反应24h。反应混合物在50℃、133.3 Pa的条件下减压蒸馏，得到乙二胺为核0.5 代树枝状大分子0.5-PAMAM。
减水剂可以与纳米二氧化硅分散液一起制备，亦可以在搅拌时加入。
按配合比设计称量普通硅酸盐水泥（42.5）、矿粉、石膏和减水剂、0.5-PAMAM树枝状大分子，并与纳米二氧化硅分散液在净浆搅拌机中充分搅拌，搅拌程序为先慢搅120s，停拌15s，然后快搅120s。搅拌均匀后装入40mm×40mm×40mm的模具中，振实后转移至养护箱内（20±3℃，RH≥95%）养护，并于1d后脱模，当样品养护至一定龄期后，根据《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671-2021）测试试样的抗压强度。
当试块养护至28d后，将其转移至碳化箱内，在温度18-22℃，相对湿度65%-75%，CO2浓度为5%的环境下进行碳化，碳化一定龄期时，根据《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T17671-2021）测试试样的抗压强度。
由附图1可知，未掺入纳米二氧化硅和0.5-PAMAM树状大分子的常规超硫酸盐水泥碳化后，强度快速降低。单掺纳米二氧化硅（对比组1、2）可以显著提升超硫水泥的28天抗压强度，同时抗压强度随掺入纳米二氧化硅的量成正比，在掺入3%的纳米二氧化硅的情况下最佳（对比组2）。而且纳米二氧化硅改性超硫水泥碳化后，强度不降低反升，抗碳化性能提升显著。同时掺入纳米二氧化硅和0.5-PAMAM树状大分子（对比组3、4、5）将略微降低纳米二氧化硅改性超硫酸盐水泥的力学性能，但是可以显著提高碳化后的力学性能。其力学性能在掺入的0.5-PAMAM树状大分子的量为0.3%时达到最佳（对比组4）。
由此可知，纳米二氧化硅可以显著提升其力学性能，其主要作用是提升超硫酸盐水泥石中C-A-S-H凝胶的含量，进而提升力学和抗碳化性能；而0.5-PAMAM树状大分子的主要作用是使碳化产物凝胶化，而非晶体化，从而达到碳化强化的效果。

Claims (3)

1.一种碳化强化超硫酸盐水泥的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）纳米硅分散液的制备：使用超声波细胞粉碎机分散纳米SiO2，分散过程采用冰水浴降温；
（2）按配合比设计称量碱激发剂、硅酸盐水泥、矿粉、石膏和减水剂、聚酰胺-胺树枝状大分子，并与纳米分散液在净浆搅拌机中充分搅拌，搅拌程序为先慢搅120s，停拌15s，然后快搅120s；搅拌均匀后养护，脱模；
（3）当试块养护至28d后，将其转移至碳化箱内碳化；
其中，碳化强化超硫酸盐水泥按质量份由以下成分组成，矿粉60-85份，石膏10-35份，碱激发剂0-10份，纳米二氧化硅3-5份，减水剂0-1份，聚酰胺-胺树枝状大分子；聚酰胺-胺树枝状大分子用量为0.3%。
2.根据权利要求1所述的一种碳化强化超硫酸盐水泥的应用方法，其特征在于，聚酰胺-胺树枝状大分子为0.5代树状大分子，其合成方法为：准确称取乙二胺12.0g，在乙二醇中加入40g甲醇，然后在25℃下搅拌10 min；随后在25℃下缓慢滴加丙烯酸甲酯137.60g，滴加完毕后，使混合物在25℃下恒温反应24h；反应混合物在50℃、133.3 Pa的条件下减压蒸馏，得到乙二胺为核0.5 代树枝状大分子0.5-PAMAM。
3.根据权利要求1所述的碳化强化超硫酸盐水泥的应用方法，其特征在于，碳化的条件为：温度18-22℃，相对湿度65%-75%，CO2浓度为5%。
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