一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥的制作方法
【專利摘要】本發明屬建筑材料【技術領域】，具體涉及一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥。本發明采用的原材料為：硅酸鹽水泥、礦渣粉、粉煤灰、硅灰、白炭黑及改性偏高嶺土，將上述原材料按一定重量比混合均勻即得所需產品。本發明具有制備工藝簡單，抗裂性能好等優點，能夠顯著改善混凝土的抗氯離子滲透性能，解決海洋環境中大體積水利工程混凝土的抗侵蝕能力問題，提高了海洋環境水利工程混凝土結構的耐久性、強度及其他工作性能。
【專利說明】一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥

【技術領域】
[0001] 本發明屬于建筑材料【技術領域】，具體涉及一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥。

【背景技術】
[0002] 近年來，我國港口、海岸防護、跨海大橋及海上鉆井平臺等海上工程建設發展很 快，這些海工混凝土結構在海洋環境中服役時長期受到海水的侵蝕與沖刷，所處環境非常 惡劣，因此，海工混凝土的耐久性越來越受到重視。
[0003] 海工混凝土最常見的破壞形式便是內部鋼筋銹蝕造成的混凝土保護層開裂和剝 落，其產生的原因在于海洋環境中的氯離子易擴散進入混凝土結構內部，并在鋼筋表面積 聚，當達到臨界濃度時就會破壞混凝土結構內的鋼筋表面的鈍化膜，致使鋼筋銹蝕并發生 體積膨脹，并最終導致混凝土的破壞。因此，提高混凝土的抗滲性能，防止氯離子的侵入，能 夠有效提1?混凝土的耐久性。
[0004] 為更有效地改善外部環境對混凝土的侵蝕作用并延長混凝土結構的使用壽命，通 常需要在混凝土耐久性設計和材料的選擇階段充分考慮保證足夠的混凝土保護層厚度和 使用高品質的混凝土。混凝土保護層厚度的增加能夠帶來一定的益處，因為這種做法能夠 有效阻礙侵蝕性介質的侵入并延長初始侵蝕產生的時間。然而事實上，由于力學性能和現 實原因，保護層厚度的增加是有限的，為了達到混凝土的理想力學性能和優異的耐久性，提 倡礦物摻合料在混凝土中的應用以提高混凝土抗氯離子滲透性能已得到越來越多工程技 術人員的認可。
[0005] 礦物摻合料，通常指火山灰質材料，主要成分是氧化硅、氧化鋁和其他有效礦物 質。礦物摻合料的火山灰質效應使其與對結構不利的氫氧化鈣發生反應，生成產物C-S-H 凝膠，此產物為極小粒子所組成的剛性凝膠材料，能夠提高結構的強度與密實度。常用的 礦物摻合料有粉煤灰、礦渣粉及硅灰等，這些礦物摻合料提高混凝土抗氯離子侵蝕的原因 主要包括以下兩個方面：1)礦物摻合料的添加有效優化了混凝土內部微觀結構，從而提高 了它對氯離子抗滲的擴散阻力；2)添加礦物摻合料后使得水泥的二次水化反應生成低堿性 C-S-H凝膠，能夠增強混凝土對氯離子的化學結合能力與物理吸附能力。但這些礦物摻合料 也存在一些不足，例如粉煤灰的早期水化能力差，單摻粉煤灰時對混凝土早期強度有一定 的不利影響；礦渣粉作用的發揮受細度和溫度等的影響較大；而硅灰則因價格太高而限制 了其應用范圍。由于各類礦物摻合料加入混凝土中均有利弊，所以礦物摻合料的摻入技術 也從單摻發展到多元復摻，從而使混凝土獲得更加優異的性能。白炭黑是近年來應用于混 凝土組成的一種納米材料，其粒徑為20nm-30nm，可以填充娃灰顆粒堆積后的更小空隙，填 充硬化混凝土內部的毛細孔，極大地改善混凝土的抗氯離子滲透性。
[0006] 本發明在結合上述三種礦物摻合料和白炭黑各自特征的基礎上，引入了另一種對 混凝土抗氯離子滲透性能具有顯著改善作用的礦物摻合料--改性偏高嶺土，并將這五種 活性礦物材料與硅酸鹽水泥按一定重量比混合制備出了一種海工水泥。本發明具有制備工 藝簡單、抗裂性能好、抗氯離子擴散性能好且滿足海工水泥常規物理力學性能等特點。


【發明內容】

[0007] 本發明的目的在于提供一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥，本發明能夠顯著改善 混凝土的抗氯離子滲透性能，解決海洋環境中大體積水利工程混凝土的抗侵蝕能力問題， 提高了海洋環境水利工程混凝土結構的耐久性、強度及其他工作性能。
[0008] 本發明提出的一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥，由硅酸鹽水泥、礦渣粉、粉煤 灰、硅灰、白炭黑及改性偏高嶺土組成，各組分的重量比為： 硅酸鹽水泥 100 礦渣粉 50-100 粉煤灰 15-35 硅灰 10-20 白炭黑 3-6 改性偏高嶺土 15-50 ; 所述改性偏高嶺土是由高嶺土在高溫下煅燒后經粉磨制備而成，其制備方法如下： 1) 將高嶺土與窯灰按重量比為9:1的比例混合均勻，隨后放入馬弗爐內； 2) 對馬弗爐的升溫速率進行設定，使樣品能在15min內從室溫升溫至800°C ±20°C，并 在此溫度范圍內保溫20min ; 3) 煅燒完畢后將樣品取出并在空氣中急冷，對樣品進行粉磨并使其細度滿足80 μ m篩 余量小于1. 〇%，即得所需的改性偏高嶺土。
[0009] 本發明中，所述的硅酸鹽水泥為強度等級為42. 5級硅酸鹽水泥或52. 5級硅酸鹽 水泥中的一種。
[0010] 本發明中，所述的礦渣粉為S95礦渣粉或S105礦渣粉中的一種。
[0011] 本發明中，所述的粉煤灰為I級粉煤灰。
[0012] 本發明中，所述硅灰的比表面積為20000m2/kg，其Si02含量不低于90%。
[0013] 本發明中，所述白炭黑的顆粒粒徑為20nm-30nm，其Si02含量不低于90%。
[0014] 本發明提出的一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥的制備方法，具體為：按前述重 量比稱取各組分并置于混合機中，攪拌均勻即可制得所需產品。
[0015] 本發明中，礦渣粉、粉煤灰、硅灰、白炭黑和改性偏高嶺土五種活性礦物材料在對 混凝土抗氯離子滲透性能的改善作用中起到了協同作用。其中，礦渣粉能夠改善混凝土抗 氯離子滲透性能不僅因為其具有礦物摻合料的火山灰質效應，還由于礦渣粉的活性需要堿 的激發，它可以吸收水泥中鉀、鈉等堿金屬，從而提高其界面強度及密實性。粉煤灰的顆粒 形態為球形，這一特征對于減少混凝土拌合物需水量和提高混凝土拌合物工作性能具有積 極的作用，特別是本發明中選用的I級粉煤灰，具有顯著的滾珠效應，能夠用以改善摻加硅 灰或改性偏高嶺土造成的混凝土工作性不良的問題。硅灰由極微小、表面光滑的玻璃態球 形顆粒組成并具有相當大的比表面積，能使水泥的微觀孔結構和界面區域更加致密。且其 主要化學成分Si0 2含量在90%以上，使得它的水化反應產物C-S-H凝膠的體積得到很大的 提高，更有效地改善了混凝土的抗氯離子滲透性能。白炭黑為納米級多孔硅質材料，既具有 良好的填充性，又具有優異的火山灰活性和吸附性。改性偏高嶺土能有效促進水泥水化作 用，提高混凝土強度并細化混凝土中的孔隙分布，進而提高混凝土的抗氯離子滲透性能。此 夕卜，由于改性偏高嶺土的主要化學成分為無定形態的A1203及Si02，能夠提供大量的、形成F 鹽(氯鋁酸鈣3CaO · A1203 · CaCl2 · 10H20)所需的鋁組分，因此能有效的對混凝土孔溶液中 的氯離子進行化學固化，進而減少游離態的氯離子，降低鋼筋銹蝕的幾率。
[0016] 本發明提出的一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥，其使用方法為，根據工程的實 際需求配制海工混凝土即可。
[0017] 本發明為一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥，本發明能夠顯著改善混凝土的抗氯 離子滲透性能，解決海洋環境中大體積水利工程混凝土的抗侵蝕能力問題，提高了海洋環 境水利工程混凝土結構的耐久性、強度及其他工作性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為海工水泥不同齡期XRD衍射圖。

【具體實施方式】
[0019] 本發明提供了 一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥，為使本發明的目的、技術方案 及效果更加清楚、明確，以下對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施 例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0020] 實施例1，一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥，按原材料重量比為42. 5級硅酸鹽 水泥100, S105礦渣粉50,粉煤灰35,硅灰10,白炭黑6及改性偏高嶺土 50稱取原材料，置 于攪拌機中機械混合均勻即得所需產品，記為C1。其中：改性偏高嶺土的制備方法如下： 1) 將高嶺土與窯灰按重量比為9:1的比例混合均勻，隨后放入馬弗爐內； 2) 對馬弗爐的升溫速率進行設定，使樣品能在15min內從室溫升溫至800°C ±20°C，并 在此溫度范圍內保溫20min ; 3) 煅燒完畢后將樣品取出并在空氣中急冷，對樣品進行粉磨并使其細度滿足80 μ m篩 余量小于1. 〇%，即得所需的改性偏高嶺土。
[0021] 根據GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中規定 的電通量法來反映混凝土的抗氯離子滲透性能，結果表明，由C1配制的海工混凝土試樣比 采用42. 5級硅酸鹽水泥配制的混凝土試樣的總電通量降低了 73. 6%。
[0022] 實施例2, 一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥，按原材料重量比為52. 5級硅酸鹽 水泥100, S95礦渣粉75,粉煤灰25,硅灰15,白炭黑5及改性偏高嶺土 35稱取原材料，置于 攪拌機中機械混合均勻即得所需產品，記為C2。改性偏高嶺土的制備方法同實施例1。根 據GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中規定的電通量法 來反映混凝土的抗氯離子滲透性能，結果表明，由C2配制的海工混凝土試樣比采用52. 5級 硅酸鹽水泥配制的混凝土試樣的總電通量降低了 73. 2%。
[0023] 實施例3, 一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥，按原材料重量比為52. 5級硅酸鹽 水泥100, S105礦渣粉75,粉煤灰25,硅灰20,白炭黑5及改性偏高嶺土 30稱取原材料，置 于攪拌機中機械混合均勻即得所需產品，記為C3。改性偏高嶺土的制備方法同實施例1。根 據GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中規定的電通量法 來反映混凝土的抗氯離子滲透性能，結果表明，由C3配制的海工混凝土試樣比采用52. 5級 硅酸鹽水泥配制的混凝土試樣的總電通量降低了 75. 1%。
[0024] 實施例4, 一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥制，按材料重量比為52. 5級硅酸鹽 水泥100, S95礦渣粉100,粉煤灰15,硅灰20,白炭黑3及改性偏高嶺土 15稱取原材料，置 于攪拌機中機械混合均勻即得所需產品，記為C4。改性偏高嶺土的制備方法同實施例1。根 據GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中規定的電通量法 來反映混凝土的抗氯離子滲透性能，結果表明，由C4配制的海工混凝土試樣比采用52. 5級 硅酸鹽水泥配制的混凝土試樣的總電通量降低了 72. 5%。
[0025] 實施例說明：為了揭示本發明改善混凝土抗氯離子滲透性能的機理，本發明人以 實施例1制得的海工水泥為原料配制了兩組凈漿試塊，其中空白組記為B，試驗組記為C1， W/C=0. 3,試驗組中加入了 3% (占膠凝材料的重量）的NaCl，兩組試塊7d及28d齡期的XRD 圖譜如圖1所示： 從圖1可以看出，試驗組的氫氧化鈣（CH)衍射峰明顯弱于空白組，且試驗組有F鹽生 成，其生成量隨齡期增長變化不大，這表明生成的F鹽較穩定，即氯離子被穩定地固化于F 鹽中，從而避免了氯離子侵蝕的危害。
[0026] 需要說明的是，本發明的應用不限于上述的舉例，對本領域普通技術人員來說，可 以根據上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保 護范圍。
【權利要求】
1. 一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥，其特征在于由硅酸鹽水泥、礦渣粉、粉煤灰、硅 灰、白炭黑及改性偏高嶺土組成，各組分的重量比為： 硅酸鹽水泥 100 礦渣粉 50-100 粉煤灰 15-35 硅灰 10-20 白炭黑 3-6 改性偏高嶺土 15-50 ; 其中：所述的改性偏高嶺土是由高嶺土在高溫下煅燒后經粉磨制備而成，其具體制備 方法如下： 1) 將高嶺土與窯灰按重量比為9:1的比例混合均勻，隨后放入馬弗爐內； 2) 對馬弗爐的升溫速率進行設定，使樣品能在15min內從室溫升溫至800°C ±20°C，并 在此溫度范圍內保溫20min ; 3) 煅燒完畢后將樣品取出并在空氣中急冷，對樣品進行粉磨并使其細度滿足80 μ m篩 余量小于1. 〇%，即得所需的改性偏高嶺土。
2. 根據權利要求1所述的一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥，其特征在于所述的硅酸 鹽水泥為強度等級為42. 5級硅酸鹽水泥或52. 5級硅酸鹽水泥中的一種。
3. 根據權利要求1所述的一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥，其特征在于所述的礦渣 粉為S95礦渣粉或S105礦渣粉中的一種。
4. 根據權利要求1所述的一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥，其特征在于所述的粉煤 灰為I級粉煤灰。
5. 根據權利要求1所述的一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥，其特征在于所述硅灰的 比表面積為20000m2/kg，其Si0 2含量不低于90%。
6. 根據權利要求1所述的一種摻加改性偏高嶺土的海工水泥，其特征在于所述白炭黑 的顆粒粒徑為20nm-30nm，其Si02含量不低于90%。
【文檔編號】C04B7/26GK104108890SQ201410347110
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月22日 優先權日:2014年7月22日
【發明者】孫振平, 水亮亮, 李春景, 楊旭, 楊海靜 申請人:同濟大學