CN104030582A - 纳米水泥制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米水泥制备方法及应用，包括以下步骤：首先按重量百分比配备纳米水泥原料，然后搅拌均匀，纳米水泥原料包括重量百分比为1~80%的石灰石、1~80%的硅灰、0~88%的普通硅酸盐水泥、2~50%的硝酸和8~50%的尿素；再置入熔炉中加热到至纳米水泥原料燃烧；燃烧完毕，控制冷却速度在3~10分钟之内急速冷却至室温，得到以硅酸三钙为主要成分的炉渣；自然冷却至室温，得到以硅酸二钙为主要成分的炉渣；将冷却后的炉渣研磨，得到纳米水泥。以硅酸二钙为主的纳米水泥用于作为超细掺合料，以硅酸三钙为主的纳米水泥，可作为掺合料或单独作为速凝水泥使用。
Description
技术领域 本发明涉及建筑用水泥的制备和应用，具体是涉及用于实现建筑结构内外墙、隧道和军事防爆等高强度水泥以及用于对高速公路与机场等建筑工程进行修补的速凝水泥的制备。
背景技术 随着科学技术的发展，现代工程建设的规模与投资越来越大，混凝土建筑物的使用范围也在日益扩展。与此同时，在人口增长和资源短缺、环境污染的威胁下，建筑物越来越向着超高层化、超大跨化方向发展。这些工程结构的特点要求材料具有高强度。传统的混凝土技术已经无法适应现代工程的要求，需要研究与发展新的高强度的水泥混凝土材料。
在发展高强混凝土的同时，混凝土的耐久性是另一个需要重视的方面。高强度不等于高耐久性。尤其在严酷环境下使用混凝土，如：海上石油平台、跨海大桥、海底隧道、污水管道和盛装有害化学物的容器等，由于受到周围环境的侵袭，耐久性成了需要着重考虑的因素。目前，重大基础设施以前所未有的规模高速发展。滨海环境中，从跨海大桥、地铁隧道、港口码头到标志性公共建筑和商住工程无不经受着腐蚀劣化的直接作用。恶劣的腐蚀环境致使许多建于90年代的钢筋混凝土结构在远未达到期望使用寿命前，过早地进入大规模维修、拆除阶段。与内陆常规结构相比，滨海工程结构附加了腐蚀作用的长期侵蚀，体现了作用类别的多样性、作用效应的涌现性特征以及作用对象的广泛性。
为了同时实现高强度和高耐久性，发展均布超细颗粒致密体系是一条有效的途径。利用颗粒的密实堆积原理，掺入超细的掺合料，借助于掺合料的微填充效应，使得水泥石胶凝物质的组成与多孔结构得到充分改善，密实性得到进一步提高，从而极大地提高了水泥混凝土的强度。
超细掺合料的掺入，对提高混凝土的耐久性作用也非常明显。掺入高性能混凝土中的矿物掺合料在以超细状态掺入时，它们填充在水泥粒子之间和界面的空隙中，使水泥石结构和界面结构更为致密，阻断了可能形成的渗透通路，使混凝土的抗渗性大幅度提高，这样，水和侵蚀介质难以进入混凝土的内部，故而大大提高了耐久性。
现有技术中，高性能混凝土中的掺合料大致有两种，一种是有别于普通混凝土中的掺合料。作为高性能混凝土第六组分的掺合料，普遍常用的是品质优良的硅灰或经过再加工的工业副产品——粉煤灰或水淬矿渣，其细度一般达到400-800m2/kg，甚至达到1200m2/kg。这种矿物掺合料可能带来的负面影响是：使得混凝土的碱度降低，抗碳化能力减弱，从而引起保护钢筋的能力下降。另一种是纳米水泥，例如Halim等人提出了一种利用含有钙和硅的有机物合成纳米水泥的途径，见 [Halim SC, Brunner TJ, Grass RN, Bohner M, Stark WJ. Preparation of an ultra fast binding cement from calcium silicate-based mixed oxide nanoparticles. Nanotechnology. 2007;18(39):395701]，所生产的纳米水泥可以作为掺合料使用。然而，由于这种纳米水泥的有机反应原料成本过高，不可能用于量产。
速凝水泥适用于铁路、公路、军工、地铁、城市、地下空间建筑，各类型隧道、矿山、井巷、护坡及抢险加固工程，拥有广泛的应用领域。例如，可以用于机场道路抢修：当对使用极为频繁的交通路面，如高速公路与机场进行修补时，其封闭交通的时间以及所造成的影响，应控制在最低限度为宜，所用水泥既需要具有足够长的工作寿命，而在浇灌后又需要尽快发展强度和提供可靠性。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，混凝土路面的修补等。
目前速凝水泥主要有以下几种：
1）用硫铝酸盐水泥，不足之处是：引入硫酸根，对耐久性不利。
2）添加速凝剂，例如以铝酸钠为主要成分的速凝剂，以铝酸钙、氟铝酸钙等为主要成分的速凝剂，以硅酸盐 (NaSiO2)为主要成分的速凝剂等，引入的成分同样混凝土的耐久性不利。
因此，目前也迫切需要一种能克服上述不足之处的速凝水泥。
发明内容 本发明要解决的技术问题在于避免现有技术的不足之处，提供一种利用低温化学合成技术生产出一系列纳米水泥材料，以硅酸二钙为主的纳米水泥用于作为超细掺合料，一方面填充混凝土的纳米级微孔，利用密实堆积原理提高混凝土的性能；另一方面在水化过程后期继续水化，阻断连通通道，起到进一步增强和防渗的作用。以硅酸三钙为主的纳米水泥，由于硅酸三钙的水化速度相对较快，粒径减小之后水化活性进一步增强，从而使得水化速度进一步加快。因此，一方面可作为掺合料使用，调节初凝和终凝时间，并节省水泥用量；另一方面也可单独使用，用作一种新型的速凝水泥。
本发明的技术方案如下：
一种纳米水泥制备方法，包括以下步骤，
按照重量百分比配备纳米水泥原料，然后将纳米水泥原料在搅拌机中搅拌均匀，所述纳米水泥原料包括重量百分比为1~80%的石灰石、1~80%的硅灰、0~88%的普通硅酸盐水泥、2~50%的硝酸和8~50%的尿素；
将搅拌均匀的纳米水泥原料置入熔炉中加热到300℃~1000℃至纳米水泥原料燃烧；
燃烧完毕，控制冷却速度在3~10分钟之内急速冷却至室温，得到以硅酸三钙为主要成分的炉渣；自然冷却至室温，得到以硅酸二钙为主要成分的炉渣；
利用球磨机将冷却后的炉渣研磨至45μm方孔筛筛余不大于30%，得到纳米水泥。
根据上述方法制备的纳米水泥，其中，急速冷却得到的以硅酸三钙为主要成分的纳米水泥单独作为水泥或者作为掺合料拌合在普通硅酸盐水泥中使用。自然冷却得到的以硅酸二钙为主要成分的纳米水泥作为掺合料拌合在普通硅酸盐水泥中使用。
本发明方法的技术效果在于：
1. 降低了烧结过程中的能源消耗和成本。本发明方法中纳米水泥原料的起燃温度通常在几百度，远低于传统水泥工艺的烧结温度（约1400 °C），因此烧结所需能量和成本极大降低。
2. 降低了研磨过程中的能源消耗和成本。在烧结过程中，绝大部分颗粒已经达到纳米量级，少量为多孔的大颗粒，因此只需将烧成的炉渣稍加研磨，就能够达到技术标准（研磨至45μm方孔筛筛余不大于30%），极大地降低了研磨能耗和成本。
本发明方法制备的纳米水泥作为外加剂即掺合料使用，具有以下技术效果：
1.具有纳米级的尺寸，可以作为超细颗粒填充在水泥的空隙中，利用水泥成分本身的颗粒尺寸分布实现强度增强，提高混凝土的强度和耐久性；其成分和传统水泥的主要成分相同，因而不会引入偏酸性物质破坏混凝土的耐久性。
2.由于纳米多孔结构的存在，故保水性强，可实现混凝土的内养护（在养护的过程中，缓慢释放微孔中的水分，从而实现混凝土从内部进行养护，效果远优于外部养护）。
3.混凝土水化早期，利用填充孔隙对原有水泥混凝土起到强度增强作用，在水化后期又能作为反应产物与水反应，形成水化硅酸钙，从而强度进一步增强。
4.抗渗作用：纳米水泥颗粒可以填充纳米量级微孔隙，结合其他粒径的掺合物如粉煤灰、硅灰等，可以增强混凝土的致密度，提高抗渗功能。
以硅酸三钙为主的纳米水泥单独作为水泥使用，具有以下技术效果：
1. 具有速凝水泥的作用，能快速修补混凝土裂缝。
2．能减少水泥用量，原因如下：首先，只有水化的水泥才对骨料起到粘合作用，起到类似胶水的粘接作用。其次，传统水泥的水化从表面向里面进行，当表面形成致密的水化物时，由于水分不能进一步进入，从而形成未水化的水泥内核，这个内核并未起到水泥的粘合作用，因而是一种浪费。而纳米水泥由于颗粒小，遇水水化完全，在形成致密的结构之前已经完全形成水化产物，因此，可以减少水泥用量，避免了未水化的内核造成的浪费。
附图说明
图1是利用本发明方法所制得的不含载体的纳米水泥的截面电子显微镜（背散射）照片；
图2是利用本发明方法所制得的含载体的纳米水泥的截面电子显微镜（背散射）照片；
图3是普通硅酸盐水泥的截面电子显微镜（背散射）照片；
图4是利用本发明方法制得的纳米水泥一种实施例的X射线衍射图谱；
图5是利用本发明方法制得的纳米水泥另一种实施例的X射线衍射图谱。
具体实施方式
本发明为一种纳米水泥制备方法，包括以下步骤：配备纳米水泥原料，然后将纳米水泥原料在搅拌机中搅拌均匀，所述纳米水泥原料包括但不限于重量百分比为1~80%的石灰石、1~80%的硅灰、0~88%的普通硅酸盐水泥、2~50%的硝酸和8~50%的尿素；将搅拌均匀的纳米水泥原料置入熔炉中加热到300℃~1000℃至纳米水泥原料燃烧；燃烧完毕，控制冷却速度在3~10分钟之内急速冷却至室温，得到以硅酸三钙为主要成分的炉渣；自然冷却至室温，得到以硅酸二钙为主要成分的炉渣；利用球磨机将冷却后的炉渣研磨至45μm方孔筛筛余不大于30%，得到纳米水泥。纳米水泥原料中，石灰石和硅灰为有效化学成分，硝酸和尿素为燃烧剂，普通硅酸盐水泥为载体。
所述纳米水泥原料中，石灰石的重量百分比优选为18~20%。所述纳米水泥原料中，硅灰的重量百分比优选为4~7%。所述普通硅酸盐水泥的重量百分比优选为33%。所述硝酸和尿素的优选重量百分比均为38%。所述纳米水泥原料中，还可包括重量百分比为50%以下的水。
控温急速冷却得到的以硅酸三钙为主要成分的纳米水泥单独作为水泥使用。自然冷却得到的以硅酸二钙为主要成分的纳米水泥作为掺合料拌合在水泥或者砂浆中使用。
实施例一（无载体）：
原料组分如下：
| 石灰石 | 硅灰 | 尿素 | 硝酸 | 水 | |
| 含量（%） | 10.92 | 4.16 | 47.21 | 23.33 | 14.38 |
将搅拌均匀的纳米水泥原料置入熔炉中加热到300℃~1000℃至上述纳米水泥原料燃烧；燃烧完毕，自然冷却至室温，得到以硅酸二钙为主要成分的炉渣；利用球磨机将冷却后的炉渣研磨至45μm方孔筛筛余不大于30%，得到纳米水泥。该纳米水泥截面的电子显微镜（背散射）照片如图1所示，与传统的水泥（如图3所示）相比，利用本发明方法制得的纳米水泥粒径小得多。所述纳米水泥的X射线衍射图谱如图4所示，图4中B-代表硅酸二钙，W代表钙硅石， P代表假钙硅石，L代表石灰石， C代表生石灰，Z代表二氧化锆。经过标定和精修分析，得到所述纳米水泥的组分重量百分比（不含载体）如下：
| 硅酸二钙 | 钙硅石 | 假钙硅石 | 石灰石 | 生石灰 | 其他 | |
| 含量（%） | 71.17 | 21.13 | 1.14 | 3.65 | 1.65 | 1.26 |
从上表可知，可以确定该方法制得的纳米水泥中约71.17%的成分为硅酸二钙，是水泥的主要成分之一。
实施例二（无载体）：
原料组分如下：
| 石灰石 | 硅灰 | 尿素 | 硝酸 | 水 | 载体 | |
| 含量（%） | 9.36 | 3.57 | 40.46 | 20.00 | 12.32 | 12.29 |
将搅拌均匀的上述纳米水泥原料置入熔炉中加热到300℃~1000℃至上述纳米水泥原料燃烧；燃烧完毕，自然冷却至室温，得到以硅酸二钙为主要成分的炉渣；利用球磨机将冷却后的炉渣研磨至45μm方孔筛筛余不大于30%，得到纳米水泥。该纳米水泥截面的电子显微镜（背散射）照片如图2所示，与传统的水泥（如图3所示）相比，利用本发明方法制得的纳米水泥粒径小得多。所述纳米水泥的X射线衍射图谱如图5所示，图5中A代表硅酸三钙，B代表硅酸二钙，L代表石灰石，F代表铝铁酸四钙、L代表石灰石、M代表氧化镁，G’代表无水石膏, C代表生石灰。经过标定和精修分析，得到所述纳米水泥的组分重量百分比（含载体）如下：
| 硅酸三钙 | 硅酸二钙 | 铝铁酸四钙 | 石灰石 | 生石灰 | 无水石膏 | 其它 | |
| 含量（%） | 26.57 | 47.12 | 7.35 | 14.38 | 1.94 | 1.91 | 0.73 |
从上表可知，可以确定该方法制得的纳米水泥中约47.12%的成分是硅酸二钙，26.57%的成分是硅酸三该，是水泥的主要成分之一。
实施例三（无载体）
原料组分如下：
| 石灰石 | 硅灰 | 尿素 | 硝酸 | 水 | |
| 含量（%） | 10.92 | 4.16 | 47.21 | 23.33 | 14.38 |
本实施例中，制备步骤与实施例和实施例二基本相同。不同的是，本实施例中的冷却是控温快速冷却，在 3分钟左右冷却到100度以下。由于对冷却速度进行了控制，高温下生成的介稳态硅酸三钙得以保存下来。最后得到的纳米水泥中，成分以硅酸三该为主。主要各组分及含量为如下：
| 硅酸三钙 | 硅酸二钙 | 钙硅石 | 石灰石 | 其它 | |
| 含量（%） | 60 | 20 | 10 | 3 | 7 |
当改变制备参数时（各反应物的含量，升降温速度），在无载体时，预计得到的纳米水泥成分范围（无载体）如下：
硅酸三钙:0~90%
硅酸二钙：5~80%
钙硅石: 0~30%
石灰石: 0~40%
其他：0.1~20%
有载体时，改变制备参数时（各反应物的含量，升降温速度），预计得到的纳米水泥成分范围（含载体）如下：
硅酸三钙:0~90%
硅酸二钙：5~80%
铝酸三钙：0~15%
铝铁酸四钙：1~20%
钙硅石: 0~30%
石灰石: 0~40%
其他：0.1~20%
以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种纳米水泥制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
首先按重量百分比配备纳米水泥原料，然后将纳米水泥原料在搅拌机中搅拌均匀，所述纳米水泥原料包括重量百分比为1~80%的石灰石、1~80%的硅灰、0~88%的普通硅酸盐水泥、2~50%的硝酸和8~50%的尿素；
将搅拌均匀的纳米水泥原料置入熔炉中加热到300℃~1000℃至纳米水泥原料燃烧；
燃烧完毕，控制冷却速度在3~10分钟之内急速冷却至室温，得到以硅酸三钙为主要成分的炉渣；自然冷却至室温，得到以硅酸二钙为主要成分的炉渣；
将冷却后的炉渣研磨至45μm方孔筛筛余不大于30%，得到纳米水泥。
2.根据权利要求1所述的纳米水泥制备方法，其特征在于：所述纳米水泥原料中，石灰石的重量百分比为18~20%。
3.根据权利要求1所述的纳米水泥制备方法，其特征在于：所述纳米水泥原料中，硅灰的重量百分比为4~7%。
4.根据权利要求1所述的纳米水泥制备方法，其特征在于：所述普通硅酸盐水泥的重量百分比为33%。
5.根据权利要求1所述的纳米水泥制备方法，其特征在于：所述硝酸的重量百分比为38%，所述尿素的重量百分比为38%。
6.根据权利要求1所述的纳米水泥制备方法，其特征在于：所述纳米水泥原料中，还可包括重量百分比为50%以下的水。
7.根据权利要求1所述的方法制备的纳米水泥，其特征在于：急速冷却得到的以硅酸三钙为主要成分的纳米水泥单独作为水泥或者作为掺合料拌合在普通硅酸盐水泥中使用。
8.根据权利要求1所述的方法制备的纳米水泥，其特征在于：自然冷却得到的以硅酸二钙为主要成分的纳米水泥作为掺合料拌合在普通硅酸盐水泥中使用。
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| CN201310599849.0A CN104030582A (zh) | 2013-11-25 | 2013-11-25 | 纳米水泥制备方法及应用 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104402266A (zh) * | 2014-11-13 | 2015-03-11 | 深圳大学 | 一种水泥掺合料的制备方法及应用 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101730668A (zh) * | 2007-02-26 | 2010-06-09 | 纳米动力学公司 | 水泥以及制备水泥的方法 |
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2013
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| CN104402266A (zh) * | 2014-11-13 | 2015-03-11 | 深圳大学 | 一种水泥掺合料的制备方法及应用 |
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