專利名稱：高效能水泥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種建筑材料，特別是涉及一種在生產(chǎn)和使用的各階段均有好的效果和性能的水泥。
眾所周知，硅酸鹽水泥做為一種建筑材料廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，對人類文明進(jìn)步起到了重要基礎(chǔ)作用。隨著人們對水泥的深入研究和實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)硅酸鹽水泥配制的砼還有如下缺點(diǎn)一般應(yīng)用強(qiáng)度僅能達(dá)到骨料強(qiáng)度的1/3左右，耐磨性、抗?jié)B性、抗腐蝕性、抗堿集料反應(yīng)能力，離析、分層、不良的界面過渡區(qū)等性能不完全適應(yīng)現(xiàn)代化建筑工程。中國專利申請94104016·X提出一種高效能砼專用水泥，其特征是標(biāo)號大于525#(含525#)硅酸鹽水泥中加入改性材料，超塑化劑，膨脹性材料，按標(biāo)號大于525#(含525#)的硅酸鹽水泥60～80％，改性材料10～15％的比例混合粉磨到80μ篩篩余5％以下即成高效能砼專用水泥。該專利主要解決了高效能砼施工部門同時采購多種原材料和外加劑，在施工現(xiàn)場或砼攪拌站多次計量、計算、操作，工藝復(fù)雜，同時對施工管理要求較高，稍有疏忽就可能造成工程質(zhì)量事故的問題。
本發(fā)明的目的是公開一種在生產(chǎn)和使用各階段均有好的效果和性能的水泥，它同時滿足水泥生產(chǎn)階段高標(biāo)號、低能耗、低有害氣體排放、低成本、廢渣綜合利用量大、原料來源廣泛；水泥施工階段高可施工性(高流動性、高粘聚性)、適應(yīng)建筑業(yè)現(xiàn)代化、低噪聲污染、低成本；水泥石(砼)階段高耐久性(高耐磨、高抗腐蝕、高抗?jié)B、高抗凍、高抗堿集料反應(yīng))。
一種高效能水泥，由硅酸鹽水泥熟料、混合材、石膏、減水型外加劑按適當(dāng)比例，適當(dāng)外加劑存在形態(tài)，適當(dāng)各原料顆粒級配，適當(dāng)顆粒形狀組成。其特征在于按原料重量比熟料10～95％，混合材0～80％，石膏3～10％，減水型外加劑0～2.0％；減水性外加劑包裹在顆粒表面和嵌鑲在顆粒裂縫中；水泥各原料顆粒級配熟料、石膏、不包括高細(xì)(5μ以下)混合材的混合材，顆粒粒徑集中在3μ～30μ(3μ以下含量小于水泥總量15％，30μ以上含量小于水泥總量的15％)含量占水泥總量的50.0～100.0％。
高細(xì)混合材顆粒粒徑主要集中在5μ以下(勃氏比表面積=7500cm2/g～30000cm2/g)，含量占水泥總量的10.0～50.0％。
水泥顆粒形狀是接近球形的，或接近等邊長塊狀物的，水泥顆粒的平均球狀度大于0.60。
水泥熟料中的游離氧化鈣含量允許放寬到3.0％，但同時應(yīng)滿足水泥中游離氧化鈣含量小于1.8％。
水泥熟料中的氧化鎂含量允許放寬到10.0％，但同時應(yīng)滿足水泥中氧化鎂含量小于6.0％。
水泥中堿含量(換算成當(dāng)量Na2O)允許放寬到1.5％。
高效能水泥中使用的熟料是常規(guī)硅酸鹽水泥熟料，除游離氧化鈣、氧化鎂、堿含量三項指標(biāo)可以超標(biāo)外，其余性能必須符合所在國國家標(biāo)準(zhǔn)對硅酸鹽水泥熟料的要求?；旌喜氖侵阜卜纤趪鴩鴺?biāo)對水泥中允許使用混合材的所有混合材，但以無內(nèi)孔混合材性能較好。石膏是指凡符合所在國國標(biāo)水泥中允許使用石膏的所有石膏。減水型外加劑是指凡符合所在國國標(biāo)水泥中或砼中允許使用的所有減水型外加劑，但以萘磺酸鹽甲醛縮合物，水溶性密胺磺酸鹽甲醛縮合物效果較好，如與接枝共聚物復(fù)合使用效果更好。減水劑一般在施工現(xiàn)場或砼攪拌站加入，它除有操作復(fù)雜，施工管理要求較高缺點(diǎn)外，更重要的是它使減水劑的效能不能充分發(fā)揮，當(dāng)減水劑加入砼中后，首先溶解于水，再從溶液中向水泥顆粒表面吸附富集，在這個過程中，水已經(jīng)和水泥顆粒表面接觸，并立刻進(jìn)行了水化，產(chǎn)生了水化產(chǎn)物，這部分水化產(chǎn)物即增大了水泥漿體內(nèi)阻力，又吸附了一部分減水劑憎水基團(tuán)，還消耗了一部分水，因此造成減水劑用量增大，效果降低。當(dāng)減水劑在水泥粉磨時加入，在粉磨過程中，在鋼球鍛的擠壓、打擊、磨擦等機(jī)械力作用下，已均勻包裹在水泥顆粒表面和嵌入水泥顆粒凹下部分或裂縫中，當(dāng)砼施工時，水先和減水劑包裹層接觸而不是和水泥顆粒表面接觸，這樣就有效的減少了水泥水化用水和水化產(chǎn)物產(chǎn)生的內(nèi)阻力，使減水作用較好的發(fā)揮，減水劑在砼施工中直接加入改為在水泥粉磨時加入可以把高效減水劑減水率從15～25％提高到30～40％，減水效果增大60％以上。常規(guī)硅酸鹽水泥氧化鈣、二氧化硅重量比(簡寫c/s)約等于3，熟料煅燒時熱耗110％左右，二氧化碳排放的全部都是因碳酸鈣分解和分解需熱造成的，從節(jié)能和減少溫度效應(yīng)角度，應(yīng)降低水泥中c/s比。較高的c/s比還直接或簡接造成水泥石中氫氫化鈣晶體較多、較大；PH值較高；水化熱較多；減少了F-CaO,MgO，堿(Na2O、K2O)水化生成CSH(B)、MSH、R2OASH的機(jī)會；在集料界面過渡區(qū)形成氫氧化鈣晶體富集，以上現(xiàn)象均能造成水泥石均勻性變差，產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致水泥石強(qiáng)度降低，耐久性變差，從提高水泥石質(zhì)量角度也應(yīng)降低水泥中c/s比。水泥石最終產(chǎn)物是CSH(B)(c/s=0.78)為主和少量水石榴石時，水泥石的綜合性能較好，換算成水泥原料中參與水化反應(yīng)組份的化學(xué)成份重量比是0.78SiO2+0.55Al2O3+0.35Fe2O3+0.7SO3=CaO+1.4MgO+0.90(Na2O+0.66K2O)。水泥各原料顆粒級配，顆粒形狀應(yīng)滿足水泥水化反應(yīng)速度，流動性和粘聚性的要求，這三個參數(shù)有時是矛盾的。水泥越細(xì)，球狀度越小，空隙率越大，水泥水化反應(yīng)速度越快；水泥越細(xì)，球狀度越小，空隙率越小，小時水化性活性越大，粘聚性越大；而水泥球狀度越大，空隙率越小，小時水化活性越小，水泥流動性越好。常規(guī)水泥一般采用一級粉磨，顆粒范圍在0.5～100μ,30μ以上顆粒30％以上，有30％左右的水泥沒有參與水泥的水化過程，水泥的粘聚性較低，空隙率較高，造成需水量增大，砼分層、離析，不良的界面過渡區(qū)，導(dǎo)致砼施工性能降低，強(qiáng)度降低，耐久性變差。實(shí)踐證明，使泵送自流平砼不產(chǎn)生明顯分層、離析、使用的水泥3μ以下顆粒應(yīng)大于30％，但一級粉磨把水泥粉磨到粒徑3μ以下30％是不合理的。這是因為當(dāng)粉磨到此粒徑時，單位粉磨電耗大幅度提高，熟料顆粒3μ以下含量大幅度提高，砼在施工過程中就大量水化，絮凝，反而造成有效膠凝量減少，流動性降低，導(dǎo)致水泥石強(qiáng)度倒縮，耐久性變差。采用高強(qiáng)多功能水泥生產(chǎn)方法或高速自碰撞磨(物料主要依靠物料自身速度大于100米/秒互相自碰撞而粉碎的磨機(jī))可以有效的即減少熟料、石膏30μ以上顆粒含量，又減少3μ以下顆粒含量，從而導(dǎo)致水泥有效膠凝量增加，流動性提高，強(qiáng)度提高，還能大幅度降低單位粉磨電耗。把混合材(最容易實(shí)現(xiàn)是粉煤灰，這是因為粉煤灰本身粒徑就小于100μ，而且有較多殘?zhí)?，是?yōu)質(zhì)助磨劑，非常適應(yīng)微鋼鍛磨和高細(xì)選粉，如把礦渣、鋼渣、石灰石等混合材和粉煤灰混合粉磨，工藝就復(fù)雜化，粉磨電耗增大，但粉磨到同等細(xì)度時，水泥綜合性能提高)單獨(dú)磨到粒徑大部分在5μ以下(勃氏比表面積=7500cm2/g～30000cm2/g后再和水泥混合，能夠減少水泥空隙率，提高水泥漿體流動性，同時又提高粘聚性，從而使砼可施工性大大改善，還改善了水泥石孔結(jié)構(gòu)，界面結(jié)構(gòu)，減少了水泥石空隙率，從而導(dǎo)致水泥砼強(qiáng)度成倍提高，并從根本上改善水泥砼耐久性。常規(guī)水泥使用的熟料(此熟料指回轉(zhuǎn)窯熟料，如是立窯熟料，因檢驗的游離氧化鈣有的并不是真正意義上的游離氧化鈣，因此氧化鈣含量還能提高)中游離氧化鈣含量不能大于1.0％，否則，游離氧化鈣在水泥石硬化后水化，體積膨脹97％，引起水泥石破壞，但是高效能水泥85％以上粒徑小于30μ，大部分在15μ左右，水泥中摻入大量混合材，而且粒徑大部分小于5μ，水泥c/s比接近于1，以上條件使游離氧化鈣后期水化膨脹破壞力轉(zhuǎn)化成為補(bǔ)償水泥收縮力和使水泥石更加密實(shí)，成為提高水泥質(zhì)量的措施。熟料燒成時游離氧化鈣控制量由1.0％放寬到3.0％，能夠提高相同窯型熟料產(chǎn)量50％以上，燒成單位投資下降、熱耗、電耗降低，并且熟料易磨性提高，粉磨電耗也下降。常規(guī)水泥使用的熟料中氧化鎂含量不能大于5％，否則，氧化鎂在水泥石硬化后水化，體積膨脹118％，引起水泥石破壞。但高效能水泥85％以上粒徑小于30μ，大部分在15μ左右，水泥中摻有大量混合材，而且粒徑大部分小于5μ，水泥中c/s比接近于1，以上條件使氧化鎂后期水化膨脹破壞力轉(zhuǎn)化成補(bǔ)償水泥收縮力和水泥石更加密實(shí)，成為提高水泥質(zhì)量的措施。在特定礦山資源條件下，熟料中氧化鎂含量控制由5.0％提高到10.0％，有利于礦山資源有效利用，具有重大經(jīng)濟(jì)意義和環(huán)保意義。常規(guī)水泥中堿含量一般要求低于1.0％(換算成當(dāng)量Na2O)，在有活性集料地區(qū)，要求低于0.6％，否則，水泥中堿與集料中活性硅反應(yīng)生成堿-硅酸凝膠并吸水膨脹，使砼破壞。但高效能水泥中c/s比接近于1，而且混合材(含硅鋁部分)粒徑大部分小于5M，水泥的需水量較低。以上條件使高效能水泥中的堿在水化早期就能夠和鋁、硅生成穩(wěn)定的含堿礦物——含水霞石、含水沸石、含水云母，基本消耗了水泥中的堿，使堿集料反應(yīng)不能發(fā)生。高效能水泥配制高效能砼時一般水灰比低于0.35，砼的密實(shí)性大大提高，集料處于干燥狀態(tài)，減少了堿——硅膠吸水產(chǎn)生膨脹的可能性。在原料含堿較高地區(qū)或含活性集料地區(qū)，水泥中堿含量控制由0.6％提高到1.5％，有利于礦山資源有效利用，有利于降低砼成本，具有重大經(jīng)濟(jì)意義和環(huán)保意義。
結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明高效能水泥的性能水泥性能見表一，砼性能見表二。
看表一，對比序號1與3，可以看出高強(qiáng)多功能水泥生產(chǎn)方法生產(chǎn)的水泥流動性提高6％以上，強(qiáng)度提高20％以上，這是由于3μ以下和30μ以上熟料顆粒均少造成的。對比序號2與4，可以看出高強(qiáng)度多功能水泥生產(chǎn)方法(外加劑在粉磨時加入)生產(chǎn)的水泥流動性提高20％，強(qiáng)度提高50％以上，這是由于3μ以下30μ以上熟料顆粒均少和外加劑在粉磨時均勻包裹在熟料顆粒表面造成的。對比EPC-95、HPC-50、EPC-34、HPC-10可以看出，水泥強(qiáng)度與水泥中熟料含量關(guān)系不大，但和水泥各組份細(xì)度和需水量相關(guān)性較大，這一發(fā)現(xiàn)有利于降低單位水泥有害氣體二氧化碳排放量，大量綜合利用工業(yè)廢渣，具有重大經(jīng)濟(jì)和環(huán)保意義?？幢矶?，對比序號2與3、4可以看出，增大混大材摻加量(降低c/s比)是提高砼耐久性的關(guān)鍵措施?？幢硪?、表二，可以看出高效能水泥的明顯特征在于合理的各原料顆粒級配，合理的外加劑存在形態(tài)，合理的c/s比，從而使水泥密實(shí)性、均勻性大大提高，結(jié)果導(dǎo)致高效能水泥強(qiáng)度耐久性成倍提高。
高效能水泥是總結(jié)和吸收了二十世紀(jì)水泥工業(yè)，砼工業(yè)和綜合利用工業(yè)多項發(fā)現(xiàn)和科技成果，將其創(chuàng)造性的有機(jī)結(jié)合并且發(fā)展完善的新水泥，是水泥工業(yè)化以來第一次重大質(zhì)的飛躍，是極有發(fā)展前途的新水泥，尤其適應(yīng)于現(xiàn)代化施工和現(xiàn)代化高耐久性工程如大跨度橋梁、隧道、地下工程、海洋工程、水利工程、高速、高載荷公路、機(jī)場跑道、高層建筑、核反應(yīng)堆外殼、軍事工程，有毒有害廢物處理等特殊工程。材料質(zhì)的飛躍，必然導(dǎo)致施工的革新，下游產(chǎn)品質(zhì)的飛躍，產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)，具有很好的質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、社會效益，并使人類生存空間和生存質(zhì)量較大的得以拓展，能夠獲得現(xiàn)在無法完全預(yù)見的社會進(jìn)步。
水泥性能表一
注HPC——高效能水泥；85——硅酸鹽熟料摻入％；硅酸鹽水泥為常規(guī)粉磨(一級粉磨)；HPC為高強(qiáng)多功能水泥生產(chǎn)方法粉磨(二級粉磨)；高細(xì)混合材為磨細(xì)粉煤灰；抗壓強(qiáng)度成型水灰比按標(biāo)準(zhǔn)流動度需水量決定。
砼性能表二
權(quán)利要求
1.一種高效能水泥，由硅酸鹽水泥熟料、混合材、石膏，減水型外加劑按適當(dāng)比例，適當(dāng)外加劑存在形態(tài)，適當(dāng)各原料顆粒級配，適當(dāng)顆粒形狀組成。其特征在于按原料重量比熟料10～95％，混合材0～80％，石膏3～10％，減水型外加劑0～2.0％；減水性外加劑包裹在水泥顆粒表面和嵌鑲在顆粒裂縫中；水泥各原料顆粒級配是水泥熟料、石膏、不包括高細(xì)混合材的混合材，顆粒粒徑主要集中在3μ～30μ，含量占水泥總量的50.0～100.01％。
2.根據(jù)權(quán)利要求一所述的高效能水泥，其特征在于高效能水泥中的高細(xì)混合材顆粒粒徑主要集中在5μ以下，含量占水泥總量的10.0～50.0％。
3.根據(jù)權(quán)利要求一所述的高效能水泥，其特征在于高效能水泥顆粒形狀是接近球形或接近等邊長塊狀的，水泥顆粒的平均球狀度大于0.60。
4.根據(jù)權(quán)利要求一、二所述的高效能水泥，其特征在于高效能水泥顆粒的形狀是接近球形的或接近等邊長塊狀的，水泥顆粒的平均球狀度大于0.60。
全文摘要
一種高效能水泥，由硅酸鹽水泥熟料、混合材、石膏、減水型外加劑按重量比熟料∶混合材∶石膏∶減水劑外加劑＝10～95∶0～80∶3～10∶0～2.0，外加劑包裹在顆粒表面和嵌入裂縫中，各原料顆粒級配為熟料、石膏、粒徑主要集中在3～30μ，混合材或混合材的一部分粒徑主要集中在5μ以下，顆粒形狀是接近球形或是接近等邊長塊狀，平均球狀度大于0.60，水泥使用的熟料中游離氧化鈣允許放寬到3.0%，氧化鎂允許放寬到10.0%，堿含量允許放寬到1.5%。
文檔編號C04B28/04GK1238312SQ9810240
公開日1999年12月15日 申請日期1998年6月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月8日
發(fā)明者曹龍 申請人:曹龍