專利名稱：高性能水泥的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種建筑材料，特別是工程建設中使用的環(huán)保型高性能混凝土專用硅酸鹽水泥。
背景技術：
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、復合硅酸鹽水泥等非高性能混凝土專用水泥，摻入磨細礦粉顆粒直徑與水泥熟料相當或者略大，磨細水泥熟料的同時比例加入礦粉，礦粉和熟料一起粉磨；它摻入磨細礦粉，是出于節(jié)省熟料和調(diào)節(jié)標號的考慮，以降低性能為代價，如降低強度，增加泌水，增大需水量；磨熟料時不加減水劑。隨著基本建設工程節(jié)奏的加快，高性能混凝土這種二十世紀九十年代興起技術在基本建設工程中得到廣泛的應用。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量和加料，工序復雜，水泥石強度不高，環(huán)境污染嚴重，浪費大量人力物力，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，按重量計磨細硅酸鹽水泥熟料1份，較粗磨細礦粉0.26-0.52份，較細磨細礦粉0.0-0.27份，高效減水劑或者減水型復合外加劑為熟料礦粉重0.5-5％；磨細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、鐵鋁酸鈣按重量計大于0.92份，石膏按重量計小于0.08份，較粗磨細礦粉的比表面積為磨細石膏熟料比表面積的2.4-5.8倍(較粗磨細礦粉的顆粒直徑為磨細石膏硅酸鹽熟料顆粒直徑的2.4分之一-5.8分之一)，較細磨細礦粉的比表面積為磨細石膏熟料比表面積的5.9-14倍(較細磨細礦粉的顆粒直徑為磨細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合外加劑按熟料和礦粉重的0.5-5％加入。生產(chǎn)時，將上述高效減水劑或者減水型復合外加劑與硅酸鹽水泥熟料石膏一起混合粉磨，不同粒徑細度礦粉分別粉磨，最后將制成的磨細硅酸鹽水泥熟料和較粗磨細礦粉、較細磨細礦粉均勻混合?；蛘邔⑤^細礦粉磨到一定細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合外加劑、水泥熟料、石膏—粉磨順序進行投料粉磨。
如果出于調(diào)節(jié)水泥標號的考慮，在粉磨減水劑、水泥熟料、生石膏時可以加入小于15％的礦物一起粉磨。
磨細礦粉是指高爐礦渣、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性，在有其他要求如緩凝、引氣要求時，可以加入減水型復合外加劑。
摻入磨細礦粉顆粒直徑要求及磨熟料時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、合理重量的較細一級集料用來填充到較粗一級集料堆積形成的空隙中，使集料間空隙達到最小，堆集密度達到最大，強度最高。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。關于材料間粒徑合理比例，我們分兩種情況進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，大一級集料顆粒直徑至少是小一級集料顆粒直徑6.46倍以上，小一級集料才能填充到大一級集料的空隙中。
同粒徑集料在最大空隙率情況下48％，集料間行列式排列，設大的一級集料為φ1，小一級集料直徑為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％，只有上一級集料直徑是下一級集料直徑的2.4倍以上時，下一級集料才可能填充到上一級集料形成的空隙中。
集料間的空隙率從26％變化到48％，上一級集料和下一級集料直徑合理比例從6.46變化到2.4?？障堵试黾?％，上下級集料直徑合理比例約減少0.184。當自密實集料間的空隙率為45％時，上一級集料和下一級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，大一級集料顆粒直徑至少是小一級集料顆粒直徑的3.2倍以上，小一級集料才能填充到大一級集料的空隙中。
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，水泥石的空隙率35％-52％，大一級材料顆粒直徑應該是小一級材料直徑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，即大一級材料顆粒直徑應該是小一級材料2.4-5.8倍。
關于最大與最小空隙率證明一設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。
當卵石直徑φ＝L時，容器可行列式排列卵石一個，卵石與容器六個面相切，卵石體積VL＝πL3/6當卵石直徑φ＝L/2時，容器可行列式排列卵石23個，此時卵石總體積 ∑VL/2＝23×4π(L/4)3/6＝πL3/6當卵石直徑φ＝L/3時，容器可行列式排列卵石33個，此時卵石總體積∑VL/3＝33×4π/3×(L/6)3＝πL3/6當卵石直徑φ＝L/4時，容器可行列式排列卵石43個，此時卵石總體積∑VL/4＝43×4π/3×(L/8)3＝πL3/6當卵石直徑φ＝L/5時，容器可行列式排列卵石53個，此時卵石總體積 ∑VL/5＝53×4π/3(L/10)3＝πL3/6同理，當卵石直徑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，無論容器中卵石個數(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?，此時當卵石直徑φ＝L時，與卵石相切球體被正六面體所切割，共有八個球被割成扇體，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此時空隙率e＝(1-0.74)×L3/L3×100％＝26％同理，我們可以證明當卵石直徑φ＝L/2、L/3、L/4、L/5、L/6、L/7、L/8、L/9、……L/n(n→+∞)時，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。
當我們把球體換成多面體時，通過實驗我們知道以上數(shù)學法推出結論仍然是成立的。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。
關于最小水膠比由于水泥表觀密度2.65g/cm3，假設水泥顆粒直徑相同，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。
關于磨細礦粉最大用量水膠比為0.4時，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石膏硅酸鹽熟料比表面積2.41-5.81倍的較粗磨細礦粉按重量計最大為0.52份的數(shù)學證明。
關于水泥石的強度運用發(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天立方體強度，Ro為混凝土0空隙時強度，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，高性能水泥最少在普通水泥的基礎上提高50％。實驗結果與數(shù)學計算的結果相同。
高性能水泥0.24水膠比水泥石空隙率e為e＝(W-0.36S)/V＝
/(1/2.65+0.24)＝12％m12＝log1.912＝3.87高性能水泥水泥石強度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普通水泥水泥石強度Rp=Ro(1-0.3895.7)=0.15Ro]]>Rg/Rp＝0.42/0.15＝2.8
水膠比0.24時，高性能水泥在普通水泥的基礎上提高180％。實驗結果與數(shù)學計算的結果相同。
本發(fā)明與同標號水泥相比，在水膠比0.4以下時，水泥石強度提高50％以上；在水膠比0.24時，水泥石強度提高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，磨細礦粉重量合適，顆粒直徑適當；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；用本高性能水泥制成的混凝土，必然節(jié)約大量基本建設投資。
具體實施例方式
實施例1優(yōu)選的高性能水泥，磨細硅酸鹽熟料和石膏1份(其中磨細硅酸鹽熟料大于0.92份，石膏小于0.08份)，比表面積為磨細石膏硅酸鹽熟料比表面積3.2-5倍的較粗磨細礦粉按重量計0.35-0.43份，比表面積為磨細石膏硅酸鹽熟料比表面積6-9倍的較細磨細礦粉按重量計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合外加劑一起混合粉磨，將其和較粗磨細礦粉、較細磨細礦粉均勻混合即可實現(xiàn)在水膠比0.24時，水泥石強度提高180％以上。
實施例2普通高性能水泥，磨細硅酸鹽熟料和石膏1份(其中磨細硅酸鹽熟料大于0.95份，石膏小于0.05份)，比表面積為磨細石膏硅酸鹽熟料比表面積2.4倍的較粗磨細礦粉按重量計0.26份，比表面積為磨細石膏硅酸鹽熟料比表面積5.9倍的較細磨細礦粉按重量計0份，熟料及礦粉重0.8-5％的高效減水劑或者減水型復合外加劑。
將硅酸鹽水泥熟料、石膏和高效減水劑或者減水型復合外加劑一起混合粉磨，將其和較粗磨細礦粉、較細磨細礦粉均勻混合即可實現(xiàn)在水膠比0.4以下時，水泥石強度提高50％以上。
權利要求
1.一種高性能水泥，由硅酸鹽熟料、石膏、較粗及較細磨細礦粉，高效減水劑組成，其特征在于按重量計，磨細硅酸鹽熟料和石膏1份(其中磨細硅酸鹽熟料大于0.92份，石膏小于0.08份)，比表面積為磨細石膏硅酸鹽熟料比表面積2.4-5.8倍的較粗磨細礦粉0.26-0.52份，比表面積為磨細石膏硅酸鹽熟料比表面積5.9-14倍的較細磨細礦粉0-0.27份，熟料及礦粉0.5-5％的高效減水劑或者減水型復合外加劑。
2.根據(jù)權利要求1所述的高性能水泥，其特征在于磨細硅酸鹽熟料和石膏1份(其中磨細硅酸鹽熟料大于0.95份，石膏小于0.05份)，比表面積為磨細石膏硅酸鹽熟料比表面積3.2-5倍的較粗磨細礦粉0.35-0.43份，比表面積為磨細石膏硅酸鹽熟料比表面積6-9倍的較細磨細礦粉0.11-0.18份，熟料及礦粉1-5％的高效減水劑或者減水型復合外加劑。
3.根據(jù)權利要求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合外加劑一起混合粉磨，將其和較粗磨細礦粉、較細磨細礦粉均勻混合。
全文摘要
一種高性能水泥，由硅酸鹽水泥熟料、適量石膏、較粗及較細磨細礦粉，高效減水劑或者減水型復合外加劑組成，磨細硅酸鹽水泥熟料和石膏1份，較粗磨細礦粉0.26－0.52份，較細磨細礦粉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，本發(fā)明與同標號水泥相比，水泥石強度提高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C04B7/04GK1994949SQ200610107329
公開日2007年7月11日 申請日期2006年10月19日 優(yōu)先權日2006年10月19日
發(fā)明者王昱海 申請人:王昱海