專利名稱:高性能水泥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種建筑材料，特別是工程建設(shè)中使用的環(huán)保型高性能混凝土專用硅酸鹽水泥。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的粉煤灰硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥等非高性能混凝土專用水泥，摻入磨細(xì)礦粉顆粒直徑與水泥熟料相當(dāng)或者略大，磨細(xì)水泥熟料的同時(shí)比例加入礦粉，礦粉和熟料一起粉磨；它摻入磨細(xì)礦粉，是出于節(jié)省熟料和調(diào)節(jié)標(biāo)號(hào)的考慮，以降低性能為代價(jià)，如降低強(qiáng)度，增加泌水，增大需水量；磨熟料時(shí)不加減水劑。隨著基本建設(shè)工程節(jié)奏的加快，高性能混凝土這種二十世紀(jì)九十年代興起技術(shù)在基本建設(shè)工程中得到廣泛的應(yīng)用。但是，現(xiàn)在加工和生產(chǎn)高性能混凝土，采用的都是普通硅酸鹽水泥和硅酸鹽水泥，存在的缺陷是多次計(jì)量和加料，工序復(fù)雜，水泥石強(qiáng)度不高，環(huán)境污染嚴(yán)重，浪費(fèi)大量人力物力，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是要提供一種保證混凝土質(zhì)量，節(jié)約能源，減少污染、極大地發(fā)掘了水泥的抗壓和抗折潛能的高性能水泥。本發(fā)明所用的原材料及配方，按重量計(jì)磨細(xì)硅酸鹽水泥熟料1份，較粗磨細(xì)礦粉0.26-0.52份，較細(xì)磨細(xì)礦粉0.0-0.27份，高效減水劑或者減水型復(fù)合外加劑為熟料礦粉重0.5-5％；磨細(xì)硅酸鹽水泥熟料是由硅酸鈣、亞硅酸鈣、鋁酸鈣或者鐵鋁酸鈣和石膏組成，其中硅酸鈣、亞硅酸鈣、鋁酸鈣、鐵鋁酸鈣按重量計(jì)大于0.92份，石膏按重量計(jì)小于0.08份，較粗磨細(xì)礦粉的比表面積為磨細(xì)石膏熟料比表面積的2.4-5.8倍(較粗磨細(xì)礦粉的顆粒直徑為磨細(xì)石膏硅酸鹽熟料顆粒直徑的2.4分之一-5.8分之一)，較細(xì)磨細(xì)礦粉的比表面積為磨細(xì)石膏熟料比表面積的5.9-14倍(較細(xì)磨細(xì)礦粉的顆粒直徑為磨細(xì)石膏硅酸鹽熟料顆粒直徑的5.9分之一-14分之一)，高效減水劑或者減水型復(fù)合外加劑按熟料和礦粉重的0.5-5％加入。生產(chǎn)時(shí)，將上述高效減水劑或者減水型復(fù)合外加劑與硅酸鹽水泥熟料石膏一起混合粉磨，不同粒徑細(xì)度礦粉分別粉磨，最后將制成的磨細(xì)硅酸鹽水泥熟料和較粗磨細(xì)礦粉、較細(xì)磨細(xì)礦粉均勻混合?；蛘邔⑤^細(xì)礦粉磨到一定細(xì)度再加入較粗礦粉混磨，再加入水泥熟料、減水劑粉磨；即按照投入需要粉磨最細(xì)礦粉—粉磨—投入需要粉磨較粗礦粉—粉磨—投入高效減水劑或者減水型復(fù)合外加劑、水泥熟料、石膏—粉磨順序進(jìn)行投料粉磨。
如果出于調(diào)節(jié)水泥標(biāo)號(hào)的考慮，在粉磨減水劑、水泥熟料、生石膏時(shí)可以加入小于15％的礦物一起粉磨。
磨細(xì)礦粉是指高爐礦渣、石英砂、硅粉、石灰石、油頁巖、浮石凝灰?guī)r、粉煤灰、火山灰、固硫渣、陶粒等工業(yè)廢渣或者天然材料粉磨加工而成的比表面積為熟料比表面積2.4倍以上的礦粉；石膏指生石膏、半水石膏、天然硬石膏；加入的高效減水劑與水泥熟料要有適應(yīng)性，在有其他要求如緩凝、引氣要求時(shí)，可以加入減水型復(fù)合外加劑。
摻入磨細(xì)礦粉顆粒直徑要求及磨熟料時(shí)加減水劑是高性能水泥和普通水泥的根本區(qū)別的所在。
發(fā)明原理合理顆粒直徑、合理重量的較細(xì)一級(jí)集料用來填充到較粗一級(jí)集料堆積形成的空隙中，使集料間空隙達(dá)到最小，堆集密度達(dá)到最大，強(qiáng)度最高。把合理重量比例，合理粒徑比例材料相互混合，可以得到最大堆集密度混合料。關(guān)于材料間粒徑合理比例，我們分兩種情況進(jìn)行證明最小空隙率情況，最大空隙率情況。
同粒徑集料在最小空隙率26％情況下，相鄰球體間兩兩相切，緊密排列，平面示意圖如圖示設(shè)直徑為φ1＝2R圓球體A、B、C、兩兩相切，球心為A、B、C，內(nèi)切球體f直徑為φ2＝2r，則容易推出，球心平面內(nèi)3×R/2=3r+3R-33R/2]]>r=(23/3-1)R]]>r＝0.1547RR＝6.46r即φ1＝6.46φ2考慮到相切球體是立體的，則
φ1＝6.46φ2/sin60°，φ1＝7.46φ2考慮到水泥、磨細(xì)礦粉的不均勻性，同粒徑集料在最小空隙率26％情況下，大一級(jí)集料顆粒直徑至少是小一級(jí)集料顆粒直徑6.46倍以上，小一級(jí)集料才能填充到大一級(jí)集料的空隙中。
同粒徑集料在最大空隙率情況下48％，集料間行列式排列，設(shè)大的一級(jí)集料為φ1，小一級(jí)集料直徑為φ2，容易推出φ2＝0.415φ1即φ1＝2.4φ2也就是說同粒徑集料在最大空隙率情況下48％，只有上一級(jí)集料直徑是下一級(jí)集料直徑的2.4倍以上時(shí)，下一級(jí)集料才可能填充到上一級(jí)集料形成的空隙中。
集料間的空隙率從26％變化到48％，上一級(jí)集料和下一級(jí)集料直徑合理比例從6.46變化到2.4?？障堵试黾?％，上下級(jí)集料直徑合理比例約減少0.184。當(dāng)自密實(shí)集料間的空隙率為45％時(shí)，上一級(jí)集料和下一級(jí)集料直徑合理比例從2.4變化到φ1＝(2.4+0.184×3)φ2＝3.2φ2即在保證集料的填充效果情況下，大一級(jí)集料顆粒直徑至少是小一級(jí)集料顆粒直徑的3.2倍以上，小一級(jí)集料才能填充到大一級(jí)集料的空隙中。
集料單一粒徑定則由以上證明我們得出只要同種集料最大粒徑φmax與最小粒徑φmin之比小于2.4，即φmax/φmin＜2.4，我們就認(rèn)為這種集料為單一粒徑集料。我們把以上定則稱作集料單一粒徑定則。
從理論上說，混凝土最小水膠比為0.13。本發(fā)明易于施工的高性能混凝土水膠比0.18-0.40。水膠比0.18-0.40時(shí)，水泥石的空隙率35％-52％，大一級(jí)材料顆粒直徑應(yīng)該是小一級(jí)材料直徑2.4-4.8倍。由混凝土集料單一粒徑定則我們推知，2.4*2.4＝5.8，即大一級(jí)材料顆粒直徑應(yīng)該是小一級(jí)材料2.4-5.8倍。
關(guān)于最大與最小空隙率證明一設(shè)正六面體容器邊長為L，φ為卵石直徑，且假定卵石是等直徑球形的。
當(dāng)卵石直徑φ＝L時(shí)，容器可行列式排列卵石一個(gè)，卵石與容器六個(gè)面相切，卵石體積VL＝πL3/6當(dāng)卵石直徑φ＝L/2時(shí)，容器可行列式排列卵石23個(gè)，此時(shí)卵石總體積 ∑VL/2＝23×4π(L/4)3/6＝πL3/6當(dāng)卵石直徑φ＝L/3時(shí)，容器可行列式排列卵石33個(gè)，此時(shí)卵石總體積∑VL/3＝33×4π/3×(L/6)3＝πL3/6當(dāng)卵石直徑φ＝L/4時(shí)，容器可行列式排列卵石43個(gè)，此時(shí)卵石總體積∑VL/4＝43×4π/3×(L/8)3＝πL3/6當(dāng)卵石直徑φ＝L/5時(shí)，容器可行列式排列卵石53個(gè)，此時(shí)卵石總體積 ∑VL/5＝53×4π/3(L/10)3＝πL3/6同理，當(dāng)卵石直徑φ分別等于L/6、L/7、L/8、L/9、………L/n(n→+∞)，容器中可容行列式排列的卵石個(gè)數(shù)為63、73、83、93、……n3，卵石總體積均為∑VL/n＝n3×4π/3×(L/2n)3＝πL3/6
由于，卵石直徑分別為L、L/2、L/3、L/4、L/5、L/6、L/7、L/8、L/9、 …… L/n(n→+∞)時(shí)，無論容器中卵石個(gè)數(shù)多還是少，容器中行列式排列卵石的總體積均為∑V＝πL3/6，容器中空隙體積均為Ve＝L3-πL3/6＝(1-π/6)L3故，不論卵石直徑如何變化，只要卵石在容器中呈行列式排列，容器中卵石的空隙率均為e＝Ve/V×100％＝(1-π/6) L3/L3×100％＝47.64％≈48％證明二在同粒徑的任意相鄰集料間相切情況下，我們?nèi)匀患俣蠟槁咽衣咽堑戎睆角蛐蔚?，此時(shí)當(dāng)卵石直徑φ＝L時(shí)，與卵石相切球體被正六面體所切割，共有八個(gè)球被割成扇體，割球體弦長為(√3-1)×L/2，被切扇體體積V切體＝0.22×(L/2 n)3∑V割體＝0.22L3正六面體內(nèi)被割球體∑V割體和內(nèi)切球V球總體積∑V∑V＝V球+∑V割體＝4π/3×(L/2)3+0.22L3＝0.74L3此時(shí)空隙率e＝(1-0.74)×L3/L3×100％＝26％同理，我們可以證明當(dāng)卵石直徑φ＝L/2、L/3、L/4、L/5、L/6、L/7、L/8、L/9、……L/n(n→+∞)時(shí)，均有總體積∑V∑V＝∑V球+∑V割體＝0.74L3亦即e＝26％從以上證明可以得出只要同粒徑球體間的排列秩序相同，同一容器中，無論球體直徑是大還是小，容器中可容納的球體的總體積是一定的，即容器中可容納球體的空隙率是一定的。
當(dāng)我們把球體換成多面體時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)我們知道以上數(shù)學(xué)法推出結(jié)論仍然是成立的。因此我們得出只要同粒徑集料間的排列秩序相同，無論集料粒徑如何改變，同粒徑集料空隙率是一定值。我把集料間存在的以上規(guī)律稱作同排列等空隙定則。
關(guān)于最小水膠比由于水泥表觀密度2.65g/cm3，假設(shè)水泥顆粒直徑相同，最小空隙率26％，26％＝x/(x+1/2.65)x＝0.13即最小水膠比為0.13，這就是最小水膠比的證明。
關(guān)于磨細(xì)礦粉最大用量水膠比為0.4時(shí)，水泥石空隙率ee＝0.4/(0.4+1/2.65)*100％＝51.5％這就是比表面積為磨細(xì)石膏硅酸鹽熟料比表面積2.41-5.81倍的較粗磨細(xì)礦粉按重量計(jì)最大為0.52份的數(shù)學(xué)證明。
關(guān)于水泥石的強(qiáng)度運(yùn)用發(fā)明人創(chuàng)建的水泥混凝土箍勒力方程組R=Ro(1-em)]]>m＝log1.9100ee＝(W-0.36S)/V式中R為混凝土或者沙漿28天立方體強(qiáng)度，Ro為混凝土0空隙時(shí)強(qiáng)度，m指數(shù)，e混凝土空隙率，W用水量，S礦粉用量，V混凝土體積。驗(yàn)算得知
高性能水泥0.4水膠比水泥石最大空隙率e為e＝(W-0.36S)/V＝(0.4-0.26*0.36)/(1/2.65+0.4)＝39.4％m39＝log1.939.4＝5.72水泥石強(qiáng)度Rg=Ro(1-0.3945.72)=0.15Ro]]>普通水泥0.4水膠比水泥石空隙率e為52％，m52＝log1.952＝6.156Rp=Ro(1-0.526.156)=0.1Ro]]>Rg/Rp＝1.5水膠比0.4以下時(shí)，高性能水泥最少在普通水泥的基礎(chǔ)上提高50％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)學(xué)計(jì)算的結(jié)果相同。
高性能水泥0.24水膠比水泥石空隙率e為e＝(W-0.36S)/V＝[0.24-0.46*0.36]/(1/2.65+0.24)＝12％m12＝log1.912＝3.87高性能水泥水泥石強(qiáng)度Rg=Ro(1-0.123.87)=0.42Ro]]>普通水泥0.24水膠比水泥石空隙率e為e＝(W-0.36S)/V＝0.24/(1/2.65+0.24)＝38.9％m39＝log1.938.9＝5.70普通水泥水泥石強(qiáng)度Rp=Ro(1-0.3895.7)=0.15Ro]]>Rg/Rp＝0.42/0.15＝2.8
水膠比0.24時(shí)，高性能水泥在普通水泥的基礎(chǔ)上提高180％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)學(xué)計(jì)算的結(jié)果相同。
本發(fā)明與同標(biāo)號(hào)水泥相比，在水膠比0.4以下時(shí)，水泥石強(qiáng)度提高50％以上；在水膠比0.24時(shí)，水泥石強(qiáng)度提高180％以上。本發(fā)明減小施工現(xiàn)場工作量，節(jié)省人工和機(jī)械；極大地發(fā)揮高效減水劑作用，提高混凝土的塑性；減小混凝土的水膠比，磨細(xì)礦粉重量合適，顆粒直徑適當(dāng)；廢料利用率高，節(jié)約資源，減少CO2的排放和砂石料的開采，利于環(huán)境保護(hù)；用本高性能水泥制成的混凝土，必然節(jié)約大量基本建設(shè)投資。
具體實(shí)施方式實(shí)施例1優(yōu)選的高性能水泥，磨細(xì)硅酸鹽熟料和石膏1份(其中磨細(xì)硅酸鹽熟料大于0.92份，石膏小于0.08份)，比表面積為磨細(xì)石膏硅酸鹽熟料比表面積3.2-5倍的較粗磨細(xì)礦粉按重量計(jì)0.35-0.43份，比表面積為磨細(xì)石膏硅酸鹽熟料比表面積6-9倍的較細(xì)磨細(xì)礦粉按重量計(jì)0.11-0.18份，熟料及礦粉重1-5％的高效減水劑或者減水型復(fù)合外加劑。
將硅酸鹽水泥熟料、石膏和高效減水劑或者減水型復(fù)合外加劑一起混合粉磨，將其和較粗磨細(xì)礦粉、較細(xì)磨細(xì)礦粉均勻混合即可實(shí)現(xiàn)在水膠比0.24時(shí)，水泥石強(qiáng)度提高180％以上。
實(shí)施例2普通高性能水泥，磨細(xì)硅酸鹽熟料和石膏1份(其中磨細(xì)硅酸鹽熟料大于0.95份，石膏小于0.05份)，比表面積為磨細(xì)石膏硅酸鹽熟料比表面積2.4倍的較粗磨細(xì)礦粉按重量計(jì)0.26份，比表面積為磨細(xì)石膏硅酸鹽熟料比表面積5.9倍的較細(xì)磨細(xì)礦粉按重量計(jì)0份，熟料及礦粉重0.8-5％的高效減水劑或者減水型復(fù)合外加劑。
將硅酸鹽水泥熟料、石膏和高效減水劑或者減水型復(fù)合外加劑一起混合粉磨，將其和較粗磨細(xì)礦粉、較細(xì)磨細(xì)礦粉均勻混合即可實(shí)現(xiàn)在水膠比0.4以下時(shí)，水泥石強(qiáng)度提高50％以上。
權(quán)利要求
1.一種高性能水泥，由硅酸鹽熟料、石膏、較粗及較細(xì)磨細(xì)礦粉，高效減水劑組成，其特征在于按重量計(jì)，磨細(xì)硅酸鹽熟料和石膏1份(其中磨細(xì)硅酸鹽熟料大于0.92份，石膏小于0.08份)，比表面積為磨細(xì)石膏硅酸鹽熟料比表面積2.4-5.8倍的較粗磨細(xì)礦粉0.26-0.52份，比表面積為磨細(xì)石膏硅酸鹽熟料比表面積5.9-14倍的較細(xì)磨細(xì)礦粉0-0.27份，熟料及礦粉0.5-5％的高效減水劑或者減水型復(fù)合外加劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的高性能水泥，其特征在于磨細(xì)硅酸鹽熟料和石膏1份(其中磨細(xì)硅酸鹽熟料大于0.95份，石膏小于0.05份)，比表面積為磨細(xì)石膏硅酸鹽熟料比表面積3.2-5倍的較粗磨細(xì)礦粉0.35-0.43份，比表面積為磨細(xì)石膏硅酸鹽熟料比表面積6-9倍的較細(xì)磨細(xì)礦粉0.11-0.18份，熟料及礦粉1-5％的高效減水劑或者減水型復(fù)合外加劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的高性能水泥，其特征在于將硅酸鹽水泥熟料、石膏和高效減水劑或者減水型復(fù)合外加劑一起混合粉磨，將其和較粗磨細(xì)礦粉、較細(xì)磨細(xì)礦粉均勻混合。
專利摘要
一種高性能水泥，由硅酸鹽水泥熟料、適量石膏、較粗及較細(xì)磨細(xì)礦粉，高效減水劑或者減水型復(fù)合外加劑組成，磨細(xì)硅酸鹽水泥熟料和石膏1份，較粗磨細(xì)礦粉0.26－0.52份，較細(xì)磨細(xì)礦粉0.0－0.27份，熟料及礦粉重0.5－5％的高效減水劑。在水膠比0.4以下時(shí)，本發(fā)明與同標(biāo)號(hào)水泥相比，水泥石強(qiáng)度提高50％以上。本發(fā)明減小施工現(xiàn)場工作量，節(jié)省人工和機(jī)械；提高混凝土的塑性；廢料利用率高，節(jié)約資源，減少CO
文檔編號(hào)C04B7/04GK1994949SQ200610107329
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年10月19日
發(fā)明者王昱海 申請(qǐng)人:王昱海導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan