納米水泥制備方法及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種納米水泥制備方法及應(yīng)用，包括以下步驟：首先按重量百分比配備納米水泥原料，然后攪拌均勻，納米水泥原料包括重量百分比為1~80%的石灰石、1~80%的硅灰、0~88%的普通硅酸鹽水泥、2~50%的硝酸和8~50%的尿素；再置入熔爐中加熱到至納米水泥原料燃燒；燃燒完畢，控制冷卻速度在3~10分鐘之內(nèi)急速冷卻至室溫，得到以硅酸三鈣為主要成分的爐渣；自然冷卻至室溫，得到以硅酸二鈣為主要成分的爐渣；將冷卻后的爐渣研磨，得到納米水泥。以硅酸二鈣為主的納米水泥用于作為超細(xì)摻合料，以硅酸三鈣為主的納米水泥，可作為摻合料或單獨(dú)作為速凝水泥使用。
【專利說明】納米水泥制備方法及應(yīng)用
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】本發(fā)明涉及建筑用水泥的制備和應(yīng)用，具體是涉及用于實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)外墻、隧道和軍事防爆等高強(qiáng)度水泥以及用于對高速公路與機(jī)場等建筑工程進(jìn)行修補(bǔ)的速凝水泥的制備。
[0002]【背景技術(shù)】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工程建設(shè)的規(guī)模與投資越來越大，混凝土建筑物的使用范圍也在日益擴(kuò)展。與此同時，在人口增長和資源短缺、環(huán)境污染的威脅下，建筑物越來越向著超高層化、超大跨化方向發(fā)展。這些工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)要求材料具有高強(qiáng)度。傳統(tǒng)的混凝土技術(shù)已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代工程的要求，需要研究與發(fā)展新的高強(qiáng)度的水泥混凝土材料。
[0003]在發(fā)展高強(qiáng)混凝土的同時，混凝土的耐久性是另一個需要重視的方面。高強(qiáng)度不等于高耐久性。尤其在嚴(yán)酷環(huán)境下使用混凝土，如:海上石油平臺、跨海大橋、海底隧道、污水管道和盛裝有害化學(xué)物的容器等，由于受到周圍環(huán)境的侵襲，耐久性成了需要著重考慮的因素。目前，重大基礎(chǔ)設(shè)施以前所未有的規(guī)模高速發(fā)展。濱海環(huán)境中，從跨海大橋、地鐵隧道、港口碼頭到標(biāo)志性公共建筑和商住工程無不經(jīng)受著腐蝕劣化的直接作用。惡劣的腐蝕環(huán)境致使許多建于90年代的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)未達(dá)到期望使用壽命前，過早地進(jìn)入大規(guī)模維修、拆除階段。與內(nèi)陸常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，濱海工程結(jié)構(gòu)附加了腐蝕作用的長期侵蝕，體現(xiàn)了作用類別的多樣性、作用效應(yīng)的涌現(xiàn)性特征以及作用對象的廣泛性。
[0004]為了同時實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高耐久性，發(fā)展均布超細(xì)顆粒致密體系是一條有效的途徑。利用顆粒的密實(shí)堆積原理，摻入超細(xì)的摻合料，借助于摻合料的微填充效應(yīng)，使得水泥石膠凝物質(zhì)的組成與多孔結(jié)構(gòu)得到充分改善，密實(shí)性得到進(jìn)一步提高，從而極大地提高了水泥混凝土的強(qiáng)度。
[0005]超細(xì)摻合料的摻入，對提高混凝土的耐久性作用也非常明顯。摻入高性能混凝土中的礦物摻合料在以超細(xì)狀態(tài)摻入時，它們填充在水泥粒子之間和界面的空隙中，使水泥石結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)更為致密，阻斷了可能形成的滲透通路，使混凝土的抗?jié)B性大幅度提高，這樣，水和侵蝕介質(zhì)難以進(jìn)入混凝土的內(nèi)部，故而大大提高了耐久性。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中，高性能混凝土中的摻合料大致有兩種，一種是有別于普通混凝土中的摻合料。作為高性能混凝土第六組分的摻合料，普遍常用的是品質(zhì)優(yōu)良的硅灰或經(jīng)過再加工的工業(yè)副產(chǎn)品——粉煤灰或水淬礦渣，其細(xì)度一般達(dá)到400-800m2/kg，甚至達(dá)到1200m2/kgo這種礦物摻合料可能帶來的負(fù)面影響是:使得混凝土的堿度降低，抗碳化能力減弱，從而引起保護(hù)鋼筋的能力下降。另一種是納米水泥，例如Halim等人提出了一種利用含有鈣和硅的有機(jī)物合成納米水泥的途徑，見[Halim SC, Brunner TJ, Grass RN,Bohner M， Stark WJ.Preparat1n of an ultra fast binding cement from calciumsilicate-based mixed oxide nanoparticles.Nanotechnology.2007;18 (39):395701]，所生產(chǎn)的納米水泥可以作為摻合料使用。然而，由于這種納米水泥的有機(jī)反應(yīng)原料成本過高，不可能用于量產(chǎn)。
[0007]速凝水泥適用于鐵路、公路、軍工、地鐵、城市、地下空間建筑，各類型隧道、礦山、井巷、護(hù)坡及搶險(xiǎn)加固工程，擁有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，可以用于機(jī)場道路搶修:當(dāng)對使用極為頻繁的交通路面，如高速公路與機(jī)場進(jìn)行修補(bǔ)時，其封閉交通的時間以及所造成的影響，應(yīng)控制在最低限度為宜，所用水泥既需要具有足夠長的工作壽命，而在澆灌后又需要盡快發(fā)展強(qiáng)度和提供可靠性。再例如，速凝水泥可以用于民用工程、地下室和隧道工程的止水堵漏，混凝土路面的修補(bǔ)等。
[0008]目前速凝水泥主要有以下幾種:
I)用硫鋁酸鹽水泥，不足之處是:引入硫酸根，對耐久性不利。
[0009]2)添加速凝劑，例如以鋁酸鈉為主要成分的速凝劑，以鋁酸鈣、氟鋁酸鈣等為主要成分的速凝劑，以硅酸鹽(NaS12)為主要成分的速凝劑等，引入的成分同樣混凝土的耐久性不利。
[0010]因此，目前也迫切需要一種能克服上述不足之處的速凝水泥。
[0011]
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種利用低溫化學(xué)合成技術(shù)生產(chǎn)出一系列納米水泥材料，以硅酸二鈣為主的納米水泥用于作為超細(xì)摻合料，一方面填充混凝土的納米級微孔，利用密實(shí)堆積原理提高混凝土的性能；另一方面在水化過程后期繼續(xù)水化，阻斷連通通道，起到進(jìn)一步增強(qiáng)和防滲的作用。以硅酸三鈣為主的納米水泥，由于硅酸三鈣的水化速度相對較快，粒徑減小之后水化活性進(jìn)一步增強(qiáng)，從而使得水化速度進(jìn)一步加快。因此，一方面可作為摻合料使用，調(diào)節(jié)初凝和終凝時間，并節(jié)省水泥用量；另一方面也可單獨(dú)使用，用作一種新型的速凝水泥。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種納米水泥制備方法，包括以下步驟，
按照重量百分比配備納米水泥原料，然后將納米水泥原料在攪拌機(jī)中攪拌均勻，所述納米水泥原料包括重量百分比為廣80%的石灰石、f 80%的硅灰、0-88%的普通硅酸鹽水泥、2~50%的硝酸和8~50%的尿素；
將攪拌均勻的納米水泥原料置入熔爐中加熱到300°C~1000°C至納米水泥原料燃燒；燃燒完畢，控制冷卻速度在3~10分鐘之內(nèi)急速冷卻至室溫，得到以硅酸三鈣為主要成分的爐渣；自然冷卻至室溫，得到以硅酸二鈣為主要成分的爐渣；
利用球磨機(jī)將冷卻后的爐渣研磨至45 μ m方孔篩篩余不大于30%，得到納米水泥。
[0013]根據(jù)上述方法制備的納米水泥，其中，急速冷卻得到的以硅酸三鈣為主要成分的納米水泥單獨(dú)作為水泥或者作為摻合料拌合在普通硅酸鹽水泥中使用。自然冷卻得到的以硅酸二鈣為主要成分的納米水泥作為摻合料拌合在普通硅酸鹽水泥中使用。
[0014]本發(fā)明方法的技術(shù)效果在于:
1.降低了燒結(jié)過程中的能源消耗和成本。本發(fā)明方法中納米水泥原料的起燃溫度通常在幾百度，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)水泥工藝的燒結(jié)溫度(約1400 ° C)，因此燒結(jié)所需能量和成本極大降低。
[0015]2.降低了研磨過程中的能源消耗和成本。在燒結(jié)過程中，絕大部分顆粒已經(jīng)達(dá)到納米量級，少量為多孔的大顆粒，因此只需將燒成的爐渣稍加研磨，就能夠達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(研磨至45 μ m方孔篩篩余不大于30%)，極大地降低了研磨能耗和成本。
[0016]本發(fā)明方法制備的納米水泥作為外加劑即摻合料使用，具有以下技術(shù)效果:
1.具有納米級的尺寸，可以作為超細(xì)顆粒填充在水泥的空隙中，利用水泥成分本身的顆粒尺寸分布實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度增強(qiáng)，提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性；其成分和傳統(tǒng)水泥的主要成分相同，因而不會引入偏酸性物質(zhì)破壞混凝土的耐久性。
[0017]2.由于納米多孔結(jié)構(gòu)的存在，故保水性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)混凝土的內(nèi)養(yǎng)護(hù)(在養(yǎng)護(hù)的過程中，緩慢釋放微孔中的水分，從而實(shí)現(xiàn)混凝土從內(nèi)部進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，效果遠(yuǎn)優(yōu)于外部養(yǎng)護(hù))。
[0018]3.混凝土水化早期，利用填充孔隙對原有水泥混凝土起到強(qiáng)度增強(qiáng)作用，在水化后期又能作為反應(yīng)產(chǎn)物與水反應(yīng)，形成水化硅酸鈣，從而強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)。
[0019]4.抗?jié)B作用:納米水泥顆?？梢蕴畛浼{米量級微孔隙，結(jié)合其他粒徑的摻合物如粉煤灰、硅灰等，可以增強(qiáng)混凝土的致密度，提高抗?jié)B功能。
[0020]以硅酸三鈣為主的納米水泥單獨(dú)作為水泥使用，具有以下技術(shù)效果:
1.具有速凝水泥的作用，能快速修補(bǔ)混凝土裂縫。
[0021]2.能減少水泥用量，原因如下:首先，只有水化的水泥才對骨料起到粘合作用，起到類似膠水的粘接作用。其次，傳統(tǒng)水泥的水化從表面向里面進(jìn)行，當(dāng)表面形成致密的水化物時，由于水分不能進(jìn)一步進(jìn)入，從而形成未水化的水泥內(nèi)核，這個內(nèi)核并未起到水泥的粘合作用，因而是一種浪費(fèi)。而納米水泥由于顆粒小，遇水水化完全，在形成致密的結(jié)構(gòu)之前已經(jīng)完全形成水化產(chǎn)物，因此，可以減少水泥用量，避免了未水化的內(nèi)核造成的浪費(fèi)。
【專利附圖】

【附圖說明】 [0022]圖1是利用本發(fā)明方法所制得的不含載體的納米水泥的截面電子顯微鏡(背散射)照片；
圖2是利用本發(fā)明方法所制得的含載體的納米水泥的截面電子顯微鏡(背散射)照片； 圖3是普通硅酸鹽水泥的截面電子顯微鏡(背散射)照片；
圖4是利用本發(fā)明方法制得的納米水泥一種實(shí)施例的X射線衍射圖譜；
圖5是利用本發(fā)明方法制得的納米水泥另一種實(shí)施例的X射線衍射圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明為一種納米水泥制備方法，包括以下步驟:配備納米水泥原料，然后將納米水泥原料在攪拌機(jī)中攪拌均勻，所述納米水泥原料包括但不限于重量百分比為廣80%的石灰石、I~80%的硅灰、0~88%的普通硅酸鹽水泥、2~50%的硝酸和8~50%的尿素；將攪拌均勻的納米水泥原料置入熔爐中加熱到300°C~1000°C至納米水泥原料燃燒；燃燒完畢，控制冷卻速度在3~10分鐘之內(nèi)急速冷卻至室溫，得到以硅酸三鈣為主要成分的爐渣；自然冷卻至室溫，得到以硅酸二鈣為主要成分的爐渣；利用球磨機(jī)將冷卻后的爐渣研磨至45 μ m方孔篩篩余不大于30%，得到納米水泥。納米水泥原料中，石灰石和硅灰為有效化學(xué)成分，硝酸和尿素為燃燒劑，普通硅酸鹽水泥為載體。
[0024]所述納米水泥原料中，石灰石的重量百分比優(yōu)選為If 20%。所述納米水泥原料中，硅灰的重量百分比優(yōu)選為4~7%。所述普通硅酸鹽水泥的重量百分比優(yōu)選為33%。所述硝酸和尿素的優(yōu)選重量百分比均為38%。所述納米水泥原料中，還可包括重量百分比為50%以下的水。
[0025]控溫急速冷卻得到的以硅酸三鈣為主要成分的納米水泥單獨(dú)作為水泥使用。自然冷卻得到的以硅酸二鈣為主要成分的納米水泥作為摻合料拌合在水泥或者砂漿中使用。
[0026]實(shí)施例一(無載體):原料組分如下:
【權(quán)利要求】
1.一種納米水泥制備方法，其特征在于:包括以下步驟， 首先按重量百分比配備納米水泥原料，然后將納米水泥原料在攪拌機(jī)中攪拌均勻，所述納米水泥原料包括重量百分比為1-80%的石灰石、1-80%的硅灰、0-88%的普通硅酸鹽水泥、2~50%的硝酸和8~50%的尿素； 將攪拌均勻的納米水泥原料置入熔爐中加熱到300°C~1000°C至納米水泥原料燃燒； 燃燒完畢，控制冷卻速度在3~10分鐘之內(nèi)急速冷卻至室溫，得到以硅酸三鈣為主要成分的爐渣；自然冷卻至室溫，得到以硅酸二鈣為主要成分的爐渣； 將冷卻后的爐渣研磨至45 μ m方孔篩篩余不大于30%，得到納米水泥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米水泥制備方法，其特征在于:所述納米水泥原料中，石灰石的重量百分比為18- 20%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米水泥制備方法，其特征在于:所述納米水泥原料中，硅灰的重量百分比為4~7%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米水泥制備方法，其特征在于:所述普通硅酸鹽水泥的重量百分比為33%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米水泥制備方法，其特征在于:所述硝酸的重量百分比為38%，所述尿素的重量百分比為38%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米水泥制備方法，其特征在于:所述納米水泥原料中，還可包括重量百分比為50%以下的水。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法制備的納米水泥，其特征在于:急速冷卻得到的以硅酸三鈣為主要成分的納米水泥單獨(dú)作為水泥或者作為摻合料拌合在普通硅酸鹽水泥中使用。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法制備的納米水泥，其特征在于:自然冷卻得到的以硅酸二鈣為主要成分的納米水泥作為摻合料拌合在普通硅酸鹽水泥中使用。
【文檔編號】B82Y30/00GK104030582SQ201310599849
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】孫紅芳 申請人:孫紅芳