專利名稱：一種硅酸鹽水泥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠抗氯鹽侵蝕的硅酸鹽水泥。
背景技術(shù)：
當(dāng)今世界上許多國家包括我國在內(nèi)，都存在大量以氯鹽腐蝕為主的鋼筋銹蝕破壞問題。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，大量的海洋工程如跨海大橋和深水碼頭等大量興建，海洋工程面臨的氯鹽侵蝕問題日益突出，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，海洋鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的耐久性問題引起越來越廣泛的關(guān)注。
對海洋工程的耐久性問題，國內(nèi)外目前的解決手段主要是采用高性能膠凝材料的配制技術(shù)，方法是采用添加活性礦物摻合料來改進膠凝材料的性能。如國外的丹麥、挪威、荷蘭、加拿大、澳大利亞、沙特阿拉伯、日本等國已相繼研究并在工程中使用。在國內(nèi)，中國港灣建設(shè)集團公司等從上世紀(jì)80年代開始，圍繞高性能混凝土配制技術(shù)與生產(chǎn)技術(shù)展開了一系列研究，并在洋山深水港、鹽田港、杭州灣跨海大橋等工程中已得到廣泛應(yīng)用。但是高性能混凝土的配制技術(shù)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，配制過程比較復(fù)雜，給施工以及工程質(zhì)量控制帶來諸多不便，也不利于節(jié)約成本。
近年來國際上出現(xiàn)了將配制高性能混凝土所需的混合膠凝材料納入特種水泥范疇的趨勢，如韓國正在研制以水泥、磨細(xì)礦渣粉和粉煤灰配制而成的混和水泥，加拿大跨越諾森伯蘭(Northumberland)海峽的聯(lián)盟大橋所使用的Type 10 SF水泥也是一種含10％硅粉的特種水泥。在國內(nèi)雖然有油井水泥、大壩水泥、抗硫酸鹽水泥等可滿足特種功能的特種水泥，但海洋工程領(lǐng)域所需的抗氯鹽特種水泥仍處于空白狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠抗氯鹽侵蝕的硅酸鹽水泥。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為，一種硅酸鹽水泥，其特征在于配料比為磨細(xì)水泥熟料20％～40％，磨細(xì)高爐礦渣粉54％～75％，硅粉3％～10％，輔助材料0.3％～5％。
本發(fā)明中的配料比為重量百分比，其中磨細(xì)硅酸鹽水泥熟料粉應(yīng)符合JC/T853中規(guī)定的各項指標(biāo)，并磨細(xì)至350m2/kg以上，且熟料中C3A≤8％，MgO≤5％，28天抗壓強度≥58MPa。
磨細(xì)高爐礦渣粉應(yīng)符合GB/T18046規(guī)定的28天活性指數(shù)大于95％，且比表面積≥400m2/kg。
硅粉應(yīng)符合GB/T18736中規(guī)定的28天活性指數(shù)大于85％，且比表面積≥1500Gm2/kg。
其中輔助材料應(yīng)為符合GB/T5483中規(guī)定的G類或A類二級以上的石膏或硬石膏。
該產(chǎn)品通過兩項特殊技術(shù)指標(biāo)的控制(熟料C3A≤8％，混凝土電通量≤1000庫侖)，產(chǎn)品一般的物理化學(xué)性能達到普通水泥的國家標(biāo)準(zhǔn)，而其抗氯離子侵蝕性能顯著優(yōu)于普通水泥，水化熱顯著低于普通水泥，滿足現(xiàn)代海洋工程和其它需要抗氯鹽性能工程的要求。
與以往的高性能混凝土所用的混合膠凝材料配制方法相比，抗氯鹽硅酸鹽水泥不僅在性能上優(yōu)于以往的配制材料，還可以使高性能混凝土的施工納入規(guī)范化管理，通過一系列標(biāo)準(zhǔn)文件的指定，得到性能優(yōu)越，質(zhì)量穩(wěn)定，價格合理，便于管理的特種水泥新品種。
具體實施例方式在高性能混凝土的配制中，摻合料作為第六組分，已成為必不可少的組分之一。礦物摻合料不僅賦予新拌混凝土優(yōu)良的施工性能和力學(xué)性能，更為重要的是顯著提高混凝土的抗氯鹽侵蝕性能。因此礦物摻合料的優(yōu)選是配制抗氯鹽硅酸鹽水泥的核心技術(shù)之一。
在配制高性能混凝土?xí)r，各種摻合料一般以單一組分摻入。礦渣易磨性差，價格也相對較高，但強度發(fā)展較快。磨細(xì)礦渣混凝土抗氯離子的滲透性能也比較好。摻加適量的硅粉可提高混凝土的抗氯離子滲透性，但硅粉價格較高，所以摻量受到限制。
通過復(fù)合摻加礦渣、硅粉等礦物摻合料及石膏等輔助成分，充分發(fā)揮不同摻合料的作用，達到疊加效應(yīng)，滿足抗氯離子滲透和低水化熱的要求。室內(nèi)試驗和現(xiàn)場應(yīng)用都取得了良好的效果。根據(jù)大量的試驗研究，為滿足上述要求，抗氯鹽硅酸鹽水泥的幾種主要成分需要滿足以下優(yōu)選原則(1)水泥中C3A的3天水化熱量約為C3S的3.7倍、C2S的17.7倍，7天的水化熱量則分別約為C3S的7倍和C2S的37倍；C3A的收縮率大約是C3S和C2S的3倍。C3S水化產(chǎn)生的Ca(OH)2量較大，而環(huán)境中的化學(xué)腐蝕介質(zhì)對混凝土的侵蝕對象主要是C3A和硅酸鹽礦物水化物中的Ca(OH)2。美國墾務(wù)局的R.Burrows研究表明在沒有活性骨料情況下堿含量會增加混凝土的開裂傾向。
為改善混凝土體積穩(wěn)定性、抗裂等性能以及降低水化熱，應(yīng)對水泥的C3A含量、比表面積、堿含量以及CaO含量等進行控制。通過控制水泥熟料的原料以及生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)滿足低水化熱要求的水泥。水泥占膠凝材料的總量控制在20％～40％，且熟料中C3A≤8％。
(2)磨細(xì)礦渣顆粒具有平滑而細(xì)致的表面，在攪拌初期吸附水量比水泥顆粒要少，因此在混凝土中摻入礦渣具有較好的流動性并有在一定程度減少混凝土的坍落度損失的作用。磨細(xì)礦渣混凝土的溫升與礦渣的摻量和磨細(xì)礦渣的細(xì)度有關(guān)。細(xì)度較大的礦渣，只有較高的摻量才能明顯降低混凝土的水化熱，磨細(xì)礦渣混凝土產(chǎn)生的水化熱速率比普通混凝土慢。為減少混凝土的熱量，美國混凝土學(xué)會(ACI)和美國礦渣水泥協(xié)會均推薦摻量為65％～70％。研究表明，大摻量礦渣微粉混凝土具有優(yōu)異抗氯離子擴散性能，礦渣微分的最大摻量在低水膠比的混凝土中可達膠凝材料總量的90％，其比表面積宜大于400m2/kg。
為確保海工混凝土的性能，該磨細(xì)礦渣粉占膠凝材料總量控制在54％～75％。
(3)硅粉是一種比表面積極大的超細(xì)粉，摻加適量的硅粉可提高混凝土強度并增加混凝土抗氯離子滲透性。硅粉摻量過大會影響混凝土拌合物的和易性，同時也會增大混凝土的收縮。硅粉占膠凝材料總量控制在3％～10％。
(4)輔助材料在熟料進行研磨時添加適量石膏可以起到助磨劑的作用，同時還可調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)時間。
由以上研究得到本發(fā)明的硅酸鹽水泥，其特征在于，所述硅酸鹽水泥的組分由磨細(xì)水泥熟料、磨細(xì)高爐礦渣粉、硅粉和輔助材料，它們的重量配料比為磨細(xì)水泥熟料20％～40％，磨細(xì)高爐礦渣粉54％～75％，硅粉3％～10％，輔助材料0.3％～5％。
其中磨細(xì)硅酸鹽水泥熟料粉應(yīng)符合JC/T853中規(guī)定的各項指標(biāo)，并磨細(xì)至比表面積≥350m2/kg，且熟料中C3A≤8％，MgO≤5％，28天抗壓強度≥58MPa。
表1是硅酸鹽磨細(xì)熟料制成的水泥的物理力學(xué)性能測試結(jié)果，其化學(xué)組成與礦物組成如表2、表3所示。
表1熟料的物理力學(xué)性能

表2熟料的主要化學(xué)組成(％)

表3熟料的主要礦物組成(％)

其中磨細(xì)高爐礦渣粉應(yīng)符合GB/T18046規(guī)定的28天活性指數(shù)大于95％，且比表面積≥400m2/kg。
硅粉應(yīng)符合GB/T18736中規(guī)定的28天活性指數(shù)大于85％，且比表面積≥15000m2/kg。
采用的活性摻合料磨細(xì)高爐礦渣粉和硅粉的物理力學(xué)特性和化學(xué)組成成分分別如表4和表5所示。
表4摻合料的物理與力學(xué)性能

表5摻合料的主要化學(xué)組成

其中輔助材料應(yīng)為符合GB/T5483中規(guī)定的G類或A類二級以上的石膏或硬石膏。
下面對此配方改善混凝土耐久性機理進行分析。
1、混凝土體系可理解為連續(xù)級配的顆粒堆積體系，粗集料間隙由細(xì)基料間隙填充，細(xì)基料間隙由水泥顆粒填充，水泥顆粒之間的間隙則需要更細(xì)的顆粒來填充。本發(fā)明中的礦渣顆粒粒徑比水泥顆粒粒徑小，水泥和外摻料經(jīng)過適當(dāng)比例的混和，就可能使凝膠材料具有良好的連續(xù)微級配。這種微集料效應(yīng)使水化過程中不同粒徑的凝膠材料顆?；ハ嗵畛洌瑥亩鴾p小復(fù)合膠凝材料體系凝結(jié)硬化后的總孔隙率，有利于增加混凝土的抗氯離子滲透性能。
2、選擇不同種類膠凝材料特性互補的摻合料組成的復(fù)合摻合料體系，可使膠凝材料在水化過程中相互誘導(dǎo)激發(fā)，提高了摻合料的膠凝活性。同時由于復(fù)合摻合料的微晶核效應(yīng)，改善了水化物在混凝土內(nèi)部空間的均勻分布。因此，“復(fù)合摻合料+純熟料水泥”體系的水化程度高于同齡期的純水泥體系，結(jié)構(gòu)致密，微觀結(jié)構(gòu)良好，從而顯著減少了連通的毛細(xì)管的數(shù)量，其抗?jié)B性能得到明顯改善。
3、界面效應(yīng)的影響?；炷猎跐矒v過程中，骨料周圍會形成一層水膜，造成了界面過濾區(qū)毛細(xì)孔體積大，Ca(OH)2晶體富集并擇優(yōu)取向，使界面過渡區(qū)成為混凝土中最薄弱的環(huán)節(jié)。摻入礦渣等摻合料可以減少混凝土中Ca(OH)2的形成，并抑制Ca(OH)2晶體在界面區(qū)生長。同時，各種摻合料的顆粒尺寸較小，保水性好，可抑制骨料周圍水膜的形成，從而改善界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)，使水化產(chǎn)物與骨料界面的粘結(jié)力增強，還有效改善了MgCl2、CaCl2等鹽類對混凝土的侵蝕。
以上三方面的綜合作用，使混凝土的具有致密的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的界面粘結(jié)性能，在表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能的同時，明顯地改善了混凝土的抗氯離子滲透的能力。
抗氯鹽硅酸鹽水泥混凝土的耐久性還包括抗碳化、抗凍融等方面。碳化是指空氣中的CO2氣滲透到混凝土內(nèi)，與其堿性物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，又稱中性化。影響中性化的主要原因有水泥品種、骨料品種、摻合料、化學(xué)外加劑以及配合比等。當(dāng)W/C＞0.65時，碳化速度很快；當(dāng)W/C＜0.40時，碳化基本不進行。岸谷孝一的經(jīng)驗，W/C小于0.38時，混凝土碳化速度接近于0；混凝土處于濕潤狀態(tài)，室外環(huán)境下基本不發(fā)生碳化?？紤]海洋高性能混凝土的水膠比較低，因此抗氯鹽硅酸鹽水泥混凝土的抗碳化性能可以滿足要求。
混凝土中的水結(jié)冰膨脹是混凝土早起凍結(jié)引起結(jié)構(gòu)受損的根本原因?；炷林凶杂伤陀?℃就開始結(jié)冰，毛細(xì)孔水的冰點低于0℃，孔徑越細(xì)，冰點越低，吸附水冰點更低。水化結(jié)合水在一般負(fù)溫下是不結(jié)冰的?？孤塞}硅酸鹽水泥配制的高性能混凝土的自由水含量很低，因此抗氯鹽硅酸鹽水泥混凝土的抗凍性能也能滿足海洋工程的要求。
經(jīng)過生產(chǎn)實踐證明抗氯鹽硅酸鹽水泥品質(zhì)具有成本低、抗氯離子性能好，施工方便、耐久性更好的特點。目前該項技術(shù)已成品產(chǎn)業(yè)化，通過上海市新產(chǎn)品鑒定，鑒定意見認(rèn)為“該產(chǎn)品配制的混凝土坍落度損失小，粘聚性好，無離析、泌水現(xiàn)象，可滿足泵送以及混凝土電通量小于1000庫侖的要求，且與減水劑的相容性好，通過對熟料C3A技術(shù)指標(biāo)的控制以及混和材料的品種和摻合比例的控制，使生產(chǎn)的水泥水化熱和混凝土電通量顯著低于普通水泥。與以往的海洋工程用膠凝材料的配制方法相比，抗氯鹽硅酸鹽水泥的成功研制，使海洋工程混凝土使用的膠凝材料有了穩(wěn)定的新水泥品種，可以提高工程質(zhì)量和施工速度，填補了國內(nèi)海洋工程用特種水泥的空白。”該抗氯鹽硅酸鹽水泥的具體技術(shù)指標(biāo)見表6。
表6抗氯鹽硅酸鹽水泥的品質(zhì)


本試驗分別進行ASTM C1202-97和NT BUILD443試驗。成型φ100×51mm的試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護到規(guī)定齡期后進行電滲透與擴散系數(shù)試驗。混凝土電滲透試驗按《混凝土抗氯離子滲透性標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》(ASTM C1202-97)進行試驗。氯離子擴散系數(shù)按NT BUILD 443方法進行。
除此之外，我們也進行了抗氯鹽硅酸鹽水泥的混凝土工作性、收縮、凝結(jié)時間等性能的試驗，并將空白的普通混凝土和抗氯鹽硅酸鹽水泥配制的混凝土做一個比較。同時，還對抗氯鹽硅酸鹽水泥的物理化學(xué)力學(xué)性能以及外加劑的相容性進行了試驗研究。
對海工混凝土抗氯離子擴散性、工作性和水化熱進行綜合考慮，根據(jù)膠凝材料優(yōu)選原則，采用不同組分比例及其它成分分別配制了膠凝材料為A、B、C、D、E、F。其配比如表7所示。
表7水泥配比(％)


混凝土配合比參數(shù)如下水膠比 0.35膠凝材料用量≥400kg/m3坍落度 160mm砂率0.37～0.41混凝土配合比如表8所示。
表8混凝土配合比(kg/m3)

表9為不同齡期混凝土抗壓強度試驗結(jié)果。表中編號表示采用不同配方的6個試樣的抗壓強度，試驗結(jié)果表明抗氯鹽硅酸鹽水泥所配制的混凝土力學(xué)性能完全可以滿足海洋工程的需要，這些配方可以配制C40以上的混凝土。
表9混凝土力學(xué)性能

不同配比的膠凝材料混凝土的快速氯離子電滲透試驗結(jié)果如表10所示。
表10混凝土的氯離子滲透性試驗

對氯離子抗侵蝕性能的評定，國內(nèi)外最常用的是以美國ASTMC1202快速電量測定方法，如表11所示。
表11電通量評定混凝土抗氯離子滲透性

普通混凝土的試驗結(jié)果一般為2000～3000庫侖，當(dāng)電通量達到1000庫侖以下，混凝土的氯離子滲透性被認(rèn)為是非常低，該混凝土被認(rèn)為具有高耐久性。從表10中可以看出，上述配合比混凝土的28天電通量都小于1000庫侖。
通過大量的室內(nèi)試驗，可以得知此水泥能夠根據(jù)不同的耐久性設(shè)計要求，配制出不同強度等級的抗氯鹽侵蝕的高性能混凝土，已形成強度等級為32.5和42.5等系列產(chǎn)品。同時，它還具有低水化熱的特點，Al所用配比的抗氯鹽水泥三天的水化熱為151.3J/g，7天為207.7約為普通水泥的50％，對大體積混凝土施工過程中的裂縫控制具有重要意義，特別適用于海港碼頭、跨海大橋和受氯鹽侵蝕的環(huán)境。
權(quán)利要求
1.一種硅酸鹽水泥，其特征在于配料比為磨細(xì)水泥熟料20％～40％，磨細(xì)高爐礦渣粉54％～75％，硅粉3％～10％，輔助材料0.3％～5％。
2.如權(quán)利要求1所述的硅酸鹽水泥，其特征在于磨細(xì)硅酸鹽水泥熟料粉符合JC/T853中規(guī)定的各項指標(biāo)，并磨細(xì)至比表面積≥350m2/kg，且熟料中C3A≤8％，MgO≤5％，28天抗壓強度≥58MPa。
3.如權(quán)利要求2所述的硅酸鹽水泥，其特征在于磨細(xì)硅酸鹽水泥熟料粉的化學(xué)組成為SiO2為20％～21％，F(xiàn)e2O3為4％～5％，Al2O3為5％～6％，CaO為65.5％～66.5％，MgO為1％～2％。
4.如權(quán)利要求2所述的硅酸鹽水泥，其特征在于磨細(xì)硅酸鹽水泥熟料粉的礦物組成為C3S為60％～64％，C2S為13％～15％，C3A為7％～10％，C4AF為14％～15％。
5.如權(quán)利要求1所述的硅酸鹽水泥，其特征在于磨細(xì)高爐礦渣粉的28天活性指數(shù)大于95％，且表面積≥400m2/kg。
6.如權(quán)利要求5所述的硅酸鹽水泥，其特征在于磨細(xì)高爐礦渣粉的化學(xué)組成包含SiO2為39％～41％，F(xiàn)e2O3為10％～12％，Al2O3為19％～21％，CaO為24％～26％，MgO為0.9％～1％，SO3為0.70％～1％，f·CaO為0.20％～1％。
7.如權(quán)利要求1所述的硅酸鹽水泥，其特征在于硅粉的28天活性指數(shù)大于85％，且比表面積≥15000m2/kg。
8.如權(quán)利要求7所述的硅酸鹽水泥，其特征在于硅粉的化學(xué)組成包含SiO2為96％～98％，F(xiàn)e2O3為0.50％～1％，Al2O3為0.10％～1％，CaO為0.5％～1％，MgO為0.20％～1％。
9.如權(quán)利要求1所述的硅酸鹽水泥，其特征在于輔助材料為石膏。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅酸鹽水泥，其特征在于配料比為磨細(xì)水泥熟料20％～40％，磨細(xì)高爐礦渣粉54％～75％，硅粉3％～10％，輔助材料0.3％～5％。其中熟料中C
文檔編號C04B7/02GK1876593SQ200510026529
公開日2006年12月13日 申請日期2005年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月7日
發(fā)明者胡力平, 徐貴銀, 戴民華, 馬勇, 周亞平, 王成啟, 項朝璧, 徐偉, 周國然, 金建昌, 王陸君, 時蓓玲, 蔡佩芳, 吳丹剛 申請人:上海第三航務(wù)工程局科學(xué)研究所, 上海建筑材料集團水泥有限公司