一种活性纤维质硫铝酸盐水泥砂浆增强剂及其制备方法

摘要

本发明涉及一种活性纤维质硫铝酸盐水泥砂浆增强剂及其制备方法，所述增强剂为磷石膏晶须，其长径比为30‑90。其制备方法为：由磷石膏烘干球磨处理再煅烧后经水热反应制备得到半水磷石膏晶须，将半水磷石膏晶须再次煅烧得到活性纤维质硫铝酸盐水泥砂浆增强剂。本发明所提供的增强剂能明显提高硫铝酸盐水泥砂浆的早期强度和后期强度，尤其是早期强度，硫铝酸盐砂浆中活性纤维质硫铝酸盐水泥增强剂的掺量为1‑3wt％，能显著提高砂浆1d抗压强度20％以上。

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种活性纤维质硫铝酸盐水泥砂浆增强剂及其制备方法。

背景技术

混凝土是建筑工程中应用最广泛的材料，主要应用领域有道路、桥梁、水利水电、工业、民用建筑及军事工程。虽然混凝土具有价格较低、原材料丰富、使用方便、抗压强度高、应用范围广等一系列优点。但是，由于混凝土自身的设计缺陷以及环境等因素的影响，部分混凝土会出现腐蚀、碱骨料反应、冻融破坏，甚至出现裂缝，严重影响结构的稳定性和安全性。硫铝酸盐水泥具有早期强度高、高抗渗性、高抗冻性、强耐腐蚀性等优良性能，是目前应用比较广泛的一种水泥。

虽然，硫铝酸盐水泥具备各种优良性能，但其所制备的砂浆试块会出现后期强度倒缩现象。目前，针对如何缓解硫铝酸盐水泥砂浆后期强度倒缩这个问题，广大科研工作者进行了大量的研究，其中很重要的一类方式就是在硫酸盐水泥砂浆中掺加外加剂，以期在保证早期强度不损失的前提下提高硫铝酸盐水泥砂浆的后期强度。

常见的可以提高硫铝酸盐水泥强度的外加剂有碳酸锂、亚硝酸钙、硼酸、聚羧酸减水剂、密胺树脂减水剂、葡萄糖酸钠等，碳酸锂和亚硝酸钙对硫铝酸盐水泥的早期强度增加显著,但过多的掺入会导致硫铝酸盐水泥后期强度的降低；硼酸和聚羧酸减水剂在合适的掺量下能有效提高硫铝酸盐水泥的后期强度，但是早期强度有所降低；密胺树脂减水剂和葡萄糖酸钠的掺入能有效提高硫铝酸盐水泥的早期和后期强度，但密胺树脂减水剂成本较高，葡萄糖酸钠更多起缓凝作用，各龄期强度提升不显著。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种在保证早期强度不损失的前提下提高硫铝酸盐水泥砂浆后期强度的活性纤维质硫铝酸盐水泥砂浆增强剂及其制备方法，该增强剂能够有效提高硫铝酸盐水泥砂浆的早期强度和后期强度，改善硫铝酸盐水泥砂浆的表面泌水现象，增强硬化硫铝酸盐水泥砂浆的韧性，对于硫铝酸盐水泥砂浆的耐久性也有较好的改善作用。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种活性纤维质硫铝酸盐水泥砂浆增强剂，所述增强剂为磷石膏晶须，其长径比为30-90。

本发明还提供上述活性纤维质硫铝酸盐水泥砂浆增强剂的制备方法，步骤如下：由磷石膏烘干球磨处理再煅烧后经水热反应制备得到半水磷石膏晶须，将半水磷石膏晶须再次煅烧得到活性纤维质硫铝酸盐水泥砂浆增强剂。

按上述方案，具体步骤如下：

1)将磷石膏于40-60℃烘干，再球磨过400目筛使筛余小于1％，再于550±50℃煅烧2h，得到煅烧磷石膏；

2)将步骤1)所得煅烧磷石膏置于水热反应釜中，按固液质量比1:10-20加入混合溶液，其中混合溶液由丙三醇与去离子水按体积比0.4-0.6：1配制得到，在120-160℃下水热反应1-3h，所得产物离心洗涤干燥得到半水磷石膏晶须；

3)将步骤2)所得半水磷石膏晶须在200-600℃煅烧3h，得到活性纤维质硫铝酸盐水泥砂浆增强剂。

本发明还包括上述活性纤维质硫铝酸盐水泥砂浆增强剂在硫铝酸盐水泥砂浆中的应用，所述增强剂的掺量范围为1-3％。

以磷石膏为原料制备的硫酸钙晶须通常被简称为磷石膏晶须，是一种绿色环保材料，具备价格低廉、性能优良、应用广泛等特点。将改性磷石膏晶须应用于硫铝酸盐水泥中时，磷石膏晶须水化可以提供Ca²⁺、SO₄^2-，改善水泥的水化进程和水泥石结构；同时，改性磷石膏晶须中的无水死烧石膏还能发挥磷石膏晶须的微细纤维特性，增强硬化水泥砂浆的早期抗折强度，改善其抗压强度。

本发明所提供的活性纤维质硫铝酸盐水泥增强剂是一种无水可溶石膏晶须和无水死烧石膏晶须混合的活性纤维，既能发挥微细纤维增强增韧的特性，同时也能发挥硫酸盐对水泥活性的激发效果，硫铝酸盐水泥的主要矿物是C₂S和C₄AF，可水化产生溶解度较低的AFt，在水泥砂浆中以针状体析出，并可相互交错形成结晶体，使硫铝酸盐水泥石早期强度迅速增加，同时，在水化过程中产生的CSH凝胶又会填充在相互交叉的AFt骨架的孔隙中，使硬化体结构更加致密，从而力学强度进一步的提高，无水可溶石膏晶须可以水化形成Ca²⁺和SO₄^2‐，少量的Ca²⁺和SO₄^2‐可以促进的水化，从而使得被包裹的C₂S逐渐被释放出来，从而加快C₂S的水化，C₂S水化生成的Ca(OH)₂又可以与体系中的水化氧化铝、石膏等反应生成钙矾石，进一步加快C₂S的水化，使得水泥石结构比未掺晶须时更加致密，增强剂中的无水死烧石膏晶须，可以发挥微细纤维的特性，穿插在水泥石中，裂纹发展到晶须表面时，会被晶须所阻挡，在裂纹尖端形成闭合应力，有效消耗导致水泥材料破坏的能量，对硬化水泥浆体起到增韧效果，当在硫铝酸盐中掺加磷石膏晶须时，可以使得硫铝酸盐水泥中未水化的水泥颗粒的后期活性得到较大的激发，使得硫铝酸盐水泥砂浆具备较好的工作性能。

本发明的有益效果在于：本发明所提供的增强剂能明显提高硫铝酸盐水泥砂浆的早期强度和后期强度，尤其是早期强度，将本发明所述的增强剂按硫铝酸盐水泥质量分数的1‐3％掺入到水泥砂浆中，得到改性硫铝酸盐水泥砂浆，磷石膏晶须具备一定比例的无水可溶石膏和无水死烧石膏，能显著提高砂浆1d抗压强度21％以上，3d抗压强度增长较小，且28d抗压强度增长率仍能保持在14.7％以上，这是因为活性纤维发挥微细纤维的填充效应及增韧作用，又可发挥硫酸盐的特性，对体系的反应活性有良好的促进作用。

附图说明

图1为实施例所制备的基准样及实施例1、2、3砂浆试样的抗压强度图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例所用硫铝酸盐水泥为42.5快硬硫铝酸盐水泥。

实施例1

制备一种活性纤维质硫铝酸盐水泥砂浆增强剂，步骤如下：

1)将磷石膏于60℃烘干，再球磨过400目筛使筛余小于1％，再于550℃煅烧2h，得到煅烧磷石膏；

2)将步骤1)所得煅烧磷石膏置于水热反应釜中，按固液质量比1:20加入混合溶液，其中混合溶液由丙三醇与去离子水按体积比0.5：1配制得到，在140℃下水热反应2h，所得产物离心洗涤、干燥得到半水磷石膏晶须；

3)将步骤2)所得半水磷石膏晶须在200℃煅烧3h，得到活性纤维质硫铝酸盐水泥砂浆增强剂(即磷石膏晶须，其长径比为80.32)。

将上述制得的增强剂分别按水泥质量分数的1％，2％，3％掺量取代硫铝酸盐水泥，选取标准沙，按水灰比为0.5得到掺量为1％，2％，3％的砂浆试件。

基准样配制方法为：由普通硅酸盐水泥450g、标准砂1350g，按水灰比为0.5配制的水泥砂浆。

按照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》，用万能压力试验机测试基准样和本实施例所得砂浆试件的1天、3天和28天的抗压强度，测试结果见表1。

表1

表1说明：掺入本实施例增强剂相对于基准样而言，砂浆试件各龄期的抗压强度都得到了提升。基准样的1d、3d和28d抗压强度分别为25.2MPa、34.0MPa和44.0MPa。掺入本实施案例增强剂时，1d、3d和28d抗折强度最多可以达到32.5Mpa、41.4MPa和51.3MPa，较基准样分别提升了28.97％、21.76％和16.59％。

根据所测得的砂浆试块的28d抗折和抗压强度计算压折比，表征水泥砂浆的韧性。试件的28d压折比越低，表明试件的韧性越好，砂浆试件28d压折比测试结果见表2。

表2

表2说明：相对于基准样而言，采用本实施例增强剂28d压折比最多能从5.71降低到5.39，说明在硫铝酸盐水泥中添加增强剂后，硬化水泥砂浆的韧性得到了改善。

实施例2

采用与实施例1相似的方法制备活性纤维质硫铝酸盐水泥砂浆增强剂，不同之处在于步骤3)煅烧温度为400℃。

将上述制得的增强剂分别按水泥质量分数的1％，2％，3％掺量取代硫铝酸盐水泥，选取标准沙，按水灰比为0.5得到掺量1％，2％，3％的砂浆试件。

基准样配制方法与实施例1相同。

砂浆试件的性能测试结果见表3。

表3

表3说明：掺入本实施例增强剂相对于基准样而言，砂浆试件各龄期的抗压强度都得到了提升。掺入本实施案例增强剂时，1d、3d和28d抗折强度最多可以达到32.2Mpa、41.0MPa和52.6MPa，较基准样分别提升了27.78％、20.59％和19.55％.

砂浆试件28d压折比测试结果见表4。

表4

表4说明：相对于基准样而言，采用本实施例增强剂28d压折比最多能从5.71降低到5.34，说明在硫铝酸盐水泥中添加增强剂后，硬化水泥砂浆的韧性得到了改善。

实施例3

采用与实施例1相似的方法制备活性纤维质硫铝酸盐水泥砂浆增强剂，不同之处在于步骤3)煅烧温度为600℃。

将上述制得的增强剂分别按水泥质量分数的1％，2％，3％掺量取代硫铝酸盐水泥，选取标准沙，按水灰比为0.5得到掺量1％，2％，3％的砂浆试件。。

基准样配制方法与实施例1相同。

砂浆试件的性能测试结果见表5。

表5

表5说明：掺入本实施例增强剂相对于基准样而言，砂浆试件各龄期的抗压强度都得到了提升。掺入本实施案例增强剂时，1d、3d和28d抗折强度最多可以达到30.5Mpa、37.5MPa和50.5MPa，较基准样分别提升了21.03％、10.29％和14.77％。

砂浆试件28d压折比测试结果见表6。

表6

表6说明：相对于基准样而言，采用本实施例增强剂28d压折比最多能从5.71降低到5.40，说明在硫铝酸盐水泥中添加增强剂后，硬化水泥砂浆的韧性得到了改善。

如图1所示为本发明制备的基准样及实施例1、2、3砂浆试件(增强剂掺量为2％)的抗压强度对比图，可以看出，相对于基准样，加入本实施例制备的增强剂后，砂浆试件的1d，3d，28d抗压强度有一定提高。