專利名稱：控制混凝土因堿-硅石反應(yīng)而膨脹的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于水泥組合物的摻和劑，該摻和劑包含可減少膨脹的鋰輝石。更詳細(xì)地說，本發(fā)明是涉及一種水泥摻和劑及摻和后所生成的改良水泥組合物，該組合物能抑制混凝土因堿-硅反應(yīng)而發(fā)生裂縫。
背景技術(shù)：
眾所周知，混凝土的變質(zhì)是由于某些水凝水泥成份與混凝土混合物骨料中所存在的成份之間的化學(xué)反應(yīng)引起的。眾所周知，某些物質(zhì)能與水泥中的堿性物質(zhì)起反應(yīng)。這些物質(zhì)包括各種形式的硅石，諸如蛋白石、玉髓、鱗石英和方晶石。例如，眾所周知，當(dāng)骨料中所固有的水合硅石在高PH值的情況下(高PH值是由于水泥中堿性化合物所帶來的羥基離子所引起的)與鈉或鉀接觸時，就生成了堿性硅酸鹽。堿也可源于外部，諸如防凍鹽和海水，同時也可源于內(nèi)部，諸如摻和劑、粉塵和耐堿的骨料。這種“堿硅石反應(yīng)”的堿性硅酸鹽產(chǎn)物會形成一種遇水就會膨脹的膨脹凝膠體，沉積在混凝土所含有的骨料顆粒內(nèi)部和表面。在潮濕的條件下，這種凝膠體的膨脹最終會產(chǎn)生足夠的壓力，導(dǎo)致混凝土塊產(chǎn)生有害的裂縫和膨脹為了防止這種“堿-硅石反應(yīng)”，日本公開于專利昭62-278151主張在制備混凝土的過程中，往水泥中加入Li2O。更具體是說，是往含有骨料的水凝水泥中加入0.01～5％重量的Li2O，上述骨料是會引發(fā)有害反應(yīng)的。已公開的鋰源包括氧化鋰云母、葉狀長石、氧化鋰輝石(即天然的鋰輝石礦，這是α-鋰輝石)，這些鋰中含有4～9.5％Li2O；和透鋰長石 據(jù)文獻報導(dǎo)，上述鋰源優(yōu)選的是以粉末的形式加入以便與水泥形成均勻的混合物。
美國專利3,331,695中公開了一種灰漿(水泥、砂和水)和水泥漿(水泥和水)的組合物，若往這種水泥組合物水泥中加入水泥粘結(jié)劑干重的0.1～20％的鋰輝石(LiAlSi2O6)，即可加快其固化速度。這項3,331,695專利的水泥組合物中不含有硅石型骨料，這種硅石型骨料能參與有害的堿-硅石反應(yīng)導(dǎo)致破裂和膨脹。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種能抑制堿-硅石反應(yīng)的水泥摻和劑。本發(fā)明的另一目的是提供一種能抑制因堿-硅石反應(yīng)而產(chǎn)生裂縫和膨脹的改良混凝上組合物。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種水泥的摻和劑，該摻和劑由經(jīng)熱處理的鋰輝石組成，下文將詳細(xì)描述，這種鋰輝石能抑制因堿-硅石反應(yīng)而引起的水泥膨脹，形成改良的水泥組合物。本發(fā)明還提出一種減少水泥膨脹的方法。
附圖簡述

圖1是一個曲線圖，比較了不同水泥組合物的膨脹效應(yīng)，一種水泥組合物含有未經(jīng)處理的鋰輝石，另一種水泥組合物含有本發(fā)明提出的熱處理的鋰輝石。
發(fā)明詳述在此和后面的權(quán)利要求中所用的“水泥組合物”一詞是指那些組合物，這些組合物中包含水凝水泥粘合劑和至少是足量的一種骨料，該骨料中含有一定量的硅石，其量足以引發(fā)堿-硅石反應(yīng)。這種骨料可以是，例如，粉塵、硅石塵霧、高爐礦渣和硅石含量高的粗粒骨料等。一般來說，可以用于本發(fā)明的水泥組合物是一種混凝土，該混凝土由水凝水泥(一般是硅酸鹽水泥)、細(xì)粒骨料(例如砂子)、粗粒骨料(例如粗砂)和水組成，雖然也可以使用由包含水凝水泥、硅石含量較高，能引起堿-硅石反應(yīng)的細(xì)骨料和水組成的灰漿。這種組合物可另外包含其它摻和劑，諸如消泡劑、加氣劑或脫氣劑、固化促進劑、固化抑制劑、減水劑、超級增塑劑及其它本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的用來改變組合物性質(zhì)的組份。本發(fā)明水泥組合物可由將所需量的某些材料，例如水凝水泥、水和細(xì)粒和/或粗粒骨料進行混合而成，其加入量和選用的材料按所需制備的特定水泥組合物要求而定。
會引起堿-硅石反應(yīng)膨脹的硅石最低含量因硅石類型和水泥組合物中硅石顆粒度的不同而異。例如，非常細(xì)的反應(yīng)性骨料(小于約45微米或小于325美國標(biāo)準(zhǔn)篩目)是不會膨脹的，但它是凝硬性的，因此，可加到水泥粘結(jié)劑中。另一方面，蛋白石—一種反應(yīng)性很強的水合硅石，當(dāng)其用量為2％左右時，或大于水泥組合物中骨料的總重量時就能引起膨脹。本領(lǐng)域技術(shù)人員采用已知的，諸如ASTM C-227或C-441等試驗方法很容易就能確定，所用的硅石類型和用量是否足以引起因堿-硅石反應(yīng)而導(dǎo)致的膨脹。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，天然鋰輝石按下述方法進行熱處理后會發(fā)生相轉(zhuǎn)變，從α-鋰輝石轉(zhuǎn)變成β-鋰輝石，這種鋰輝石能提供一種材料，該材料能顯著地減少水泥因堿-硅石反應(yīng)所引起的膨脹。
該鋰輝石應(yīng)加熱至至少1000℃，優(yōu)選的加熱至大約1100℃。優(yōu)選的是加熱至1200℃以上，但應(yīng)避免加熱至約1400℃以上，以免締合的礦物質(zhì)雜質(zhì)(脈石)熔融，這會導(dǎo)致因相轉(zhuǎn)變而引起結(jié)塊，而不是破裂。鋰輝石應(yīng)加熱至足夠長時間，使整個鋰輝石塊都得到熱處理，便其達到理想的熱處理溫度。因此，本發(fā)明以鋰輝石為基礎(chǔ)的水泥摻和劑是傳統(tǒng)的鋰輝石，該鋰輝石需加熱至至少1000℃，但不應(yīng)超過約1400℃，優(yōu)選的加熱溫度是約1100℃～約1200℃。
這種經(jīng)過熱處理的鋰輝石產(chǎn)品在摻入水泥組合物之前應(yīng)該是一種自由流動的粉末。經(jīng)熱處理的鋰輝石優(yōu)選的是研磨至大約1～10μm的顆粒度，其用量約為1～10％，以水泥組合物中所含的干水泥重量計，而優(yōu)選的用量是干水泥重量的2～6％左右?，F(xiàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，往水泥中加入這個數(shù)量的經(jīng)熱處理的鋰輝石后，基本上能抑制因堿-硅石反應(yīng)而發(fā)生的膨脹。例如，按ASTM-227方法測定，將膨脹率限制在約0.075％以下是容易達到的以下是后面實例中所用的測定方法概述。下文及實例中所用的全部份數(shù)和百分比，除非另有說明，都是以重量計，所舉的實施例只是用于闡明的目的，而并不是用來限制權(quán)利要求中所定義發(fā)明內(nèi)容按照ASTM C-109第10.1.1節(jié)方法制備灰漿。水/水泥比為0.485，砂/水泥比為2.75，其中10％重量的砂用CE Mmerals公司的-20+50TECOSIL熔融硅石取代。灰漿中加入了氫氧化鈉，總堿量以水泥的重量百分比表示，包括水泥中原來就存在的堿。
灰漿按ASTM C-305方法進行混合。使用一臺Hobart攪拌機，該攪拌機帶有符合所需尺寸的攪拌槳和料斗?；旌戏椒ㄈ缦隆獙⑺拥礁苫旌狭隙分小嗉拥搅隙分?，以緩慢速度起動攪拌機，運行30秒鐘—然后在30秒鐘過程中加入砂子，同時攪拌機慢速運行—攪拌機切換至中速運行30秒鐘—攪拌機停車1.5分鐘—在中速下最后攪拌1分鐘鋰輝石盛于一只直徑23/4″×11/8″的高鉑盤中，置于馬弗爐中在1050～1100℃下加熱約1小時。
按ASTM C-490第4節(jié)方法制做模子，但是模內(nèi)不涂礦物油。模子用厚聚乙烯薄膜做襯里。
澆鑄水泥棒后，模子按ASTM C-227，第8.1節(jié)方法貯存。模子中的水泥棒在73.4°F和100％濕度下貯存24小時。然后將水泥棒從模中脫下，按ASTM C-227，第8.2節(jié)方法，在100°F和100％、濕度下垂直地存放在一個金屬貯存箱中。該貯存箱在打開之前不進行冷卻。每隔7天監(jiān)測一次水液面，但箱子不必在每次測定之后都清洗。
水泥棒按ASTM C490，第4.5節(jié)方法用一只長度比例儀來測量，為簡化儀器的讀數(shù)起見，用Chicago Instrument公司的#DP×100型數(shù)字刻度盤來取代長度比例儀上的刻度盤。長度校準(zhǔn)器用符合ATM C-490，第4.53節(jié)方法的基準(zhǔn)棒來校準(zhǔn)。當(dāng)水泥棒從模中脫下來后就開始做第一次測量，這個測量值就用做基準(zhǔn)測量值。每隔7天測量一次，直至其膨脹率已達到很大，毫無疑問已發(fā)生破裂為止。當(dāng)膨脹率始終保持很小時，就可減少測量次數(shù)。膨脹率以起始長度測量值的變化百分比表示。
實施例按上述步驟制做水泥棒，在加入砂子后，但還沒有明顯的混合之前，就往攪拌料斗中分別加入不同數(shù)量熱處理的和未經(jīng)處理的鋰輝石。按上述ASTM C-227方法存放水泥棒，并觀察其膨脹情況。結(jié)果如圖1所示加入1％熱處理的鋰輝石可使膨脹率下降50％以上，加入2％和3％熱處理的鋰輝石就幾乎可以完全控制膨脹。與此對比，加入1％、2％和3％(以水泥計)未經(jīng)處理的鋰輝石(-325目)，對膨脹的影響甚微。
圖1形象地示出了該實施例的結(jié)果。圖中的每一點是代表4根水泥棒平均試驗值。該圖清楚表明，當(dāng)加入1％、2％和3％(重量)未處理的鋰輝石時，C-109水泥棒基本上不受影響，而采用本發(fā)明的熱處理鋰輝石，基本上抑制了膨脹。含熱處理的樣品(特別是那些含量為2％和3％(重量)的樣品)在12個月內(nèi)都基本上沒有發(fā)生膨脹。
權(quán)利要求
1.一種改良水泥，該水泥中包含約1～6％(重量)，經(jīng)熱處理的鋰輝石的水凝水泥，其中所述鋰輝石曾加熱至足以引起α-鋰輝石向β-鋰輝石的相轉(zhuǎn)變的溫度。
2.權(quán)利要求1的摻和劑，其中所述鋰輝石的加熱溫度至少約為1000℃。
3.權(quán)利要求1的摻和劑，其中所述鋰輝石的加熱溫度約為1100℃～1200℃。
4.一種水泥組合物，該組合物包含水凝水泥粘結(jié)劑，含有足夠量能與組合物中的堿起反應(yīng)發(fā)生膨脹的硅石的骨料，和鋰輝石，該鋰輝石曾加熱至足以引起α-鋰輝石向β-鋰輝石相轉(zhuǎn)變的溫度，鋰輝石的含量能有效地減少因硅石與堿反應(yīng)所引起的膨脹。
5.權(quán)利要求4的水泥組合物，其中的所述的鋰輝石被加熱到至少1000℃左右的溫度。
6.權(quán)利要求4的水泥組合物，其中所述鋰輝石加熱溫度約為1100℃～約1200℃。
7.權(quán)利要求4的水泥組合物，其中所述鋰輝石加入量，以組合物中水凝水泥的重量計約為1％～10％。
8.權(quán)利要求4的水泥組合物，其中所述鋰輝石的顆粒度約為1～10μm。
9.權(quán)利要求4的水泥組合物，其中所述鋰輝石曾被加熱到至少1000℃左右，其含量為組合物中水凝水泥重量的約2％～約6％，其顆粒度約為1～10μm。
10.權(quán)利要求4的水泥組合物，其中的組合物是一種混凝土，該混凝土中包含水凝水泥、細(xì)骨料、粗骨料和水，而至少有一種骨料含有足夠量能與堿發(fā)生反應(yīng)的硅石。
11.權(quán)利要求4的水泥組合物，其中的組合物是一種灰漿，該灰漿包含水凝水泥、細(xì)骨料和水，細(xì)骨料中含有足夠量能與堿發(fā)生反應(yīng)的硅石。
12.一種減少水泥組合物因堿-硅石反應(yīng)而引膨脹的方法，該方法包括往水泥組合物中加入鋰輝石，該水泥組合物中含有足夠量能與水泥中的堿發(fā)生反應(yīng)引起膨脹的硅石的骨料，其中所述鋰輝石加熱至足以引起α-鋰輝石向β-鋰輝石相轉(zhuǎn)變的溫度，鋰輝石的加入量能有效地減少因硅石與堿反應(yīng)的引起的膨脹。
13.權(quán)利要求12的方法，其中的鋰輝石加入量為水凝水泥重量的約1％～10％。
14.權(quán)利要求12的方法，其中的鋰輝石被加熱到至少約1000℃左右的溫度。
15.權(quán)利要求12的方法，其中鋰輝石的顆粒度約為1～10μm。
16.權(quán)利要求12的方法，其中所述鋰輝石曾被加熱到至少1000℃(左右，其加入量為被處理組合物中水凝水泥重量的約2％～6％，其顆粒度約為1～10μm。
全文摘要
一種水泥組合物,該組合物包含曾加熱到至少1000℃的鋰輝石,該鋰輝石能抑制混凝土因堿—硅石反應(yīng)而膨脹。本發(fā)明也提供一種減少水泥組合物膨脹的方法。
文檔編號C04B103/60GK1189815SQ96195243
公開日1998年8月5日 申請日期1996年3月4日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月10日
發(fā)明者J·M·加迪斯, E·M·加爾內(nèi)爾 申請人:格雷斯公司