用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子及制备和应用

摘要

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种可用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子及其制备和应用。用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子，其特征是：它包括下列组份：(1)SiO2，(2)Al2O3，(3)Fe2O3，(4)FeO，(5)CaO或/和MgO，(6)K2O或/和Na2O；各组份所占总重量的百分比为：SiO2 55～65％，Al2O3 18～25％，Fe2O3 6～10％，FeO0.5～2％，CaO或/和MgO 4～6％，K2O或/和Na2O 2～5％，其中，CaO和MgO为4～6％时，CaO与MgO相互之间为任意配比，K2O和Na2O为2～5％时，K2O与Na2O相互之间为任意配比。本发明的释水因子能够在混凝土硬化过程中适时、定量地释放水分，以使混凝土的膨胀物化反应得以正常进行，从而解决封闭混凝土在后期膨胀量不足的技术难题。

说明书

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种可用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子及其制备和应用。

背景技术

在某些特殊工程背景下(如钢管混凝土、后浇带结构)出于结构安全设计或其他方面性能要求的考虑必须使混凝土产生一定量的体积膨胀。混凝土的体积膨胀是通过CaO、MgO、无水硫铝酸钙等膨胀源与水发生化学反应生成膨胀性物质而产生的，反应式见如下式1：

CaO型膨胀剂反应式：

MgO型膨胀剂反应式：

硫铝酸盐型膨胀剂(UEA)反应式：

显然，以上各种类型膨胀剂的膨胀反应前提是需要有充足的水，在缺水条件下混凝土不能产生的膨胀或产生的膨胀量不足。对于封闭混凝土(如钢管混凝土)外界水分不能进入混凝土内部，而混凝土内部的水分随着水泥水化逐渐减少，致使封闭混凝土在水化后期因缺少水分供应而不能产生设计的膨胀量，难以达到预期的设计目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子及其制备和应用，可解决封闭混凝土因后期缺水不能产生设计的膨胀量的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子，其特征是：它包括下列组份：(1)SiO₂，(2)Al₂O₃，(3)Fe₂O₃，(4)FeO，(5)CaO或/和MgO，(6)K₂O或/和Na₂O；各组份所占总重量的百分比为：SiO₂ 55～65％，Al₂O₃ 18～25％，Fe₂O₃ 6～10％，FeO 0.5～2％，CaO或/和MgO 4～6％，K₂O或/和Na₂O 2～5％，其中，CaO和MgO为4～6％时，CaO与MgO相互之间为任意配比，K₂O和Na₂O为2～5％时，K₂O与Na₂O相互之间为任意配比；并且各组份的含量满足下式：

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式2

式中：RO代表CaO或/和MgO，R₂O代表K₂O或/和Na₂O；

控制烧失量为总重量的3～5％。

上述可用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子的制备方法，其特征是包括如下步骤：

1)原料的选取：按各组份所占总重量的百分比为：SiO₂ 55～65％，Al₂O₃ 18～25％，Fe₂O₃6～10％，FeO 0.5～2％，CaO或/和MgO 4～6％，K₂O或/和Na₂O 2～5％，其中，CaO和MgO为4～6％时，CaO与MgO相互之间为任意配比，K₂O和Na₂O为2～5％时，K₂O与Na₂O相互之间为任意配比；并且各组份的含量满足下式：

$>\frac{}{}>=>3.5>~>10>,>$>

式中：RO代表CaO或/和MgO，R₂O代表K₂O或/和Na₂O；控制烧失量为总重量的3～5％；各组份所占总重量的百分比之和为100％选取原料；

2)将上述选取的原料混合搅拌，得混合料；

3)烧制：将混合料放入回转窑中，在1100～1300℃条件下焙烧15～20min；出炉温度控制在800～900℃，急冷至700℃，急冷时间为1～3min；700～400℃缓慢冷却，缓慢冷却时间为20～30min；400℃至室温采用急冷，急冷时间为1～3min；

4)破碎：冷却至室温后采用反击式破碎机或锤式破碎机破碎至25～75mm，堆放，即得产品。

得到的产品(即一种可用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子，以下简称释水因子)的性能指标为：

颗粒尺度：25～75mm；

表面形状：不规则颗粒形状，粒度系数1.2～1.4；

颗粒筒压强度：6.0MPa以上；

颗粒表观密度：1450～1450kg/m³；

吸水率(1h)：4～8％，根据工程需要进行选择。

用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子的应用：其特征是释水因子应用于混凝土中，

释水因子在使用前需在真空状态下饱水5～30min或在水池中饱水24h～36h；投料前要使释水因子保持饱和面干状态，将释水因子按等体积比例取代砂的方式掺入混凝土，释水因子的水分不计入混凝土的单位用水量中；释水因子应和其他砂石集料、水泥拌和均匀后才能投入减水剂；

释水因子的掺加量为Q，混凝土中砂的用量为S，释水因子的吸水率为x％，释水因子取代砂的体积率为n％；则释水因子的掺加量Q按式3计算：

Q＝S/2650×n％×1450×(1+x％)         式3

混凝土砂用量S₀按式4计算：

S₀＝S×(1-n％)                        式4

释水因子的尺度选择：

释水因子的尺度选择根据混凝土的强度大小和施工条件而定，混凝土的强度大于50MPa以上，释水因子应控制25～50mm；混凝土的强度小于50MPa时，可采用25～75mm的释水因子；释水因子的掺加量根据设计的混凝土膨胀量计算，掺量为砂用量的10～20％。

本发明提供了一种能够按需要预先储存定量水和在后期适时适量释水的颗粒介质，本发明将该颗粒介质定义为释水因子。

本发明的释水因子能够吸收水份，吸水率(1h)：4～8％，释水因子的水分在混凝土正常水化时不参与化学反应，前期混凝土的膨胀物化反应用水由自由水提供，在后期需要混凝土产生一定的膨胀量时，释水因子才定量释放出水，以维持混凝土膨胀反应进行。并且在提供或不提供水分的条件下都能与混凝土保持良好的粘结而不影响混凝土的其他性能。

本发明的释水因子能够在混凝土硬化过程中适时、定量地释放水分，以使混凝土的膨胀物化反应得以正常进行，从而解决封闭混凝土在后期膨胀量不足的技术难题。可实现对混凝土后期膨胀量的精确控制，从而有效补偿混凝土的收缩，提高混凝土结构的耐久性和安全性。

附图说明

图1是本发明实例1的1#～5#混凝土的膨胀曲线图

图2是本发明实例2的1#～4#混凝土的膨胀曲线图

具体实施方式

实例1：

用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子，它包括下列组份：(1)SiO₂，(2)Al₂O₃，(3)Fe₂O₃，(4)FeO，(5)CaO和MgO，(6)K₂O和Na₂O；各组份所占总重量的百分比为：SiO₂ 65％，Al₂O₃ 24.5％，Fe₂O₃ 6％，FeO 0.5％，CaO 2％，MgO 2％，K₂O 1％，Na₂O1％，各组份的含量满足下式：

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式中：RO代表CaO或/和MgO，R₂O代表K₂O或/和Na₂O；控制烧失量为总重量的3～5％。

上述可用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子的制备方法，包括如下步骤：

1)原料的选取：按各组份所占总重量的百分比为：SiO₂ 65％，Al₂O₃ 24.5％，Fe₂O₃ 6％，FeO 0.5％，CaO 2％，MgO 2％，K₂O 1％，Na₂O 1％，选取原料；

2)将上述选取原料混合搅拌，得混合料；

3)烧制：将混合料放入回转窑中，在1100～1300℃条件下焙烧15～20min；出炉温度控制在800～900℃，急冷至700℃，急冷时间为1～3min；700～400℃缓慢冷却，缓慢冷却时间为20～30min；400℃至室温采用急冷，急冷时间为1～3min；

4)破碎：冷却至室温后采用反击式破碎机或锤式破碎机破碎至25～75mm，堆放，即得产品。

得到的产品的性能指标为：

颗粒尺度：25～75mm；

表面形状：不规则颗粒形状，粒度系数1.2～1.4；

颗粒筒压强度：6.0MPa以上；

颗粒表观密度：1450～1450kg/m³；

吸水率(1h)：4～8％，根据工程需要进行选择。

实例2：

用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子，它包括下列组份：(1)SiO₂，(2)Al₂O₃，(3)Fe₂O₃，(4)FeO，(5)CaO和MgO，(6)K₂O和Na₂O；各组份所占总重量的百分比为：SiO₂ 55％，Al₂O₃ 25％，Fe₂O₃ 7％，FeO 2％，CaO 2％，MgO 4％，K₂O 2％，Na₂O 3％，各组份的含量满足下式：

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式中：RO代表CaO或/和MgO，R₂O代表K₂O或/和Na₂O；控制烧失量为总重量的3～5％。

上述可用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子的制备方法，包括如下步骤：

1)原料的选取：按各组份所占总重量的百分比为：SiO₂ 55％，Al₂O₃ 25％，Fe₂O₃ 7％，FeO 2％，CaO 2％，MgO 4％，K₂O 2％，Na₂O 3％，选取原料；

2)将上述选取原料混合搅拌，得混合料；

3)烧制：将混合料放入回转窑中，在1100～1300℃条件下焙烧15～20min；出炉温度控制在800～900℃，急冷至700℃，急冷时间为1～3min；700～400℃缓慢冷却，缓慢冷却时间为20～30min；400℃至室温采用急冷，急冷时间为1～3min；

4)破碎：冷却至室温后采用反击式破碎机或锤式破碎机破碎至25～75mm，堆放，即得产品。

得到的产品的性能指标为：

颗粒尺度：25～75mm；

表面形状：不规则颗粒形状，粒度系数1.2～1.4；

颗粒筒压强度：6.0MPa以上；

颗粒表观密度：1450～1450kg/m³；

吸水率(1h)：4～8％，根据工程需要进行选择。

实例3：

用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子，它包括下列组份：(1)SiO₂，(2)Al₂O₃，(3)Fe₂O₃，(4)FeO，(5)CaO和MgO，(6)K₂O和Na₂O；各组份所占总重量的百分比为：SiO₂ 61％，Al₂O₃ 22％，Fe₂O₃ 8％，FeO 1％，CaO 2％，MgO 2％，K₂O 2％，Na₂O 2％，各组份的含量满足下式：

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式中：RO代表CaO或/和MgO，R₂O代表K₂O或/和Na₂O；控制烧失量为总重量的3～5％。

上述可用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子的制备方法，包括如下步骤：

1)原料的选取：按各组份所占总重量的百分比为：SiO₂ 61％，Al₂O₃ 22％，Fe₂O₃ 8％，FeO 1％，CaO 2％，MgO 2％，K₂O 2％，Na₂O 2％，选取原料；

2)将上述选取原料混合搅拌，得混合料；

3)烧制：将混合料放入回转窑中，在1100～1300℃条件下焙烧15～20min；出炉温度控制在800～900℃，急冷至700℃，急冷时间为1～3min；700～400℃缓慢冷却，缓慢冷却时间为20～30min；400℃至室温采用急冷，急冷时间为1～3min；

4)破碎：冷却至室温后采用反击式破碎机或锤式破碎机破碎至25～75mm，堆放，即得产品。

得到的产品的性能指标为：

颗粒尺度：25～75mm；

表面形状：不规则颗粒形状，粒度系数1.2～1.4；

颗粒筒压强度：6.0MPa以上；

堆积密度：1450～1450kg/m³；

吸水率(1h)：4～8％，根据工程需要进行选择。

实例4：

用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子，它包括下列组份：(1)SiO₂，(2)Al₂O₃，(3)Fe₂O₃，(4)FeO，(5)CaO，(6)K₂O；各组份所占总重量的百分比为：SiO₂ 65％，Al₂O₃ 18.5％，Fe₂O₃ 10％，FeO 0.5％，CaO 4％，K₂O 2％，各组份的含量满足下式：

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式中：RO代表CaO，R₂O代表K₂O；控制烧失量为总重量的3～5％。

上述可用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子的制备方法，包括如下步骤：

1)原料的选取：按各组份所占总重量的百分比为：SiO₂ 65％，Al₂O₃ 18.5％，Fe₂O₃ 10％，FeO 0.5％，CaO 4％，K₂O 2％，选取原料；

2)将上述选取原料混合搅拌，得混合料；

3)烧制：将混合料放入回转窑中，在1100～1300℃条件下焙烧15～20min；出炉温度控制在800～900℃，急冷至700 ℃，急冷时间为1～3min；700～400℃缓慢冷却，缓慢冷却时间为20～30min；400℃至室温采用急冷，急冷时间为1～3min；

4)破碎：冷却至室温后采用反击式破碎机或锤式破碎机破碎至25～75mm，堆放，即得产品。

得到的产品的性能指标为：

颗粒尺度：25～75mm；

表面形状：不规则颗粒形状，粒度系数1.2～1.4；

颗粒筒压强度：6.0MPa以上；

堆积密度：1450～1450kg/m³；

吸水率(1h)：4～8％，根据工程需要进行选择。

实例5：

用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子，它包括下列组份：(1)SiO₂，(2)Al₂O₃，(3)Fe₂O₃，(4)FeO，(5)MgO，(6)Na₂O；各组份所占总重量的百分比为：SiO₂ 65％，Al₂O₃ 18％，Fe₂O₃ 6％，FeO 2％，MgO 6％，Na₂O 3％，各组份的含量满足下式：

$>\frac{}{}>=>3.5>~>10>$>

式中：RO代表MgO，R₂O代表Na₂O；控制烧失量为总重量的3～5％。

上述可用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子的制备方法，包括如下步骤：

1)原料的选取：按各组份所占总重量的百分比为：SiO₂ 65％，Al₂O₃ 18％，Fe₂O₃ 6％，FeO 2％，MgO 6％，Na₂O 3％，选取原料；

2)将上述选取原料混合搅拌，得混合料；

3)烧制：将混合料放入回转窑中，在1100～1300℃条件下焙烧15～20min；出炉温度控制在800～900℃，急冷至700℃，急冷时间为1～3min；700～400℃缓慢冷却，缓慢冷却时间为20～30min；400℃至室温采用急冷，急冷时间为1～3min；

4)破碎：冷却至室温后采用反击式破碎机或锤式破碎机破碎至25～75mm，堆放，即得产品。

得到的产品的性能指标为：

颗粒尺度：25～75mm；

表面形状：不规则颗粒形状，粒度系数1.2～1.4；

颗粒筒压强度：6.0MPa以上；

堆积密度：1450～1450kg/m³；

吸水率(1h)：4～8％，根据工程需要进行选择。

实例6：

用于控制封闭混凝土后期膨胀量的释水因子的应用：释水因子应用于混凝土中，

释水因子在使用前需在真空状态下饱水5～30min或在水池中饱水24h～36h；投料前要使释水因子保持饱和面干状态，将释水因子按等体积比例取代砂的方式掺入混凝土，释水因子的水分不计入混凝土的单位用水量中；释水因子应和其他砂石集料、水泥拌和均匀后才能投入减水剂；

释水因子的掺加量为Q，混凝土中砂的用量为S，释水因子的吸水率为x％，释水因子取代砂的体积率为n％；则释水因子的掺加量Q按式3计算：

Q＝S/2650×n％×1450×(1+x％)       式3

混凝土砂用量S₀按式4计算：

S₀＝S×(1-n％)                      式4

释水因子的尺度选择：

释水因子的尺度选择根据混凝土的强度大小和施工条件而定，混凝土的强度大于50MPa以上，释水因子应控制25～50mm；混凝土的强度小于50MPa时，可采用25～75mm的释水因子；释水因子的掺加量根据设计的混凝土膨胀量计算，掺量为砂用量的10～20％。

吸水率为8％的释水因子应用：

吸水率较高(6％～8％)的释水因子可用于配制C60高强膨胀混凝土。由表1可见，该类释水因子的掺入并没有使混凝土的强度有明显的降低。表1中1#、2#混凝土没有掺加释水因子，1#采用标准条件(相对湿度95％以上)养护，2#采用封闭条件养护。由图1可见，1#混凝土的28天膨胀率达到3.8×10^-4，2#混凝土的28天膨胀率只有2.3×10^-4，说明在封闭条件下混凝土的后期膨胀率非常低。在采用15％释水因子取代砂之后，混凝土在标准养护条件下的28天膨胀率(3#)达到了4.2×10^-4，即使在封闭条件下在采用了15％释水因子取代砂之后，混凝土(4#)的28天膨胀率达到3.2×10^-4。对比2#和4#混凝土，说明释水因子的加入，使混凝土在后期仍然保持了较好的膨胀率。继续提高释水因子的掺量(由15％提高到20％)，表中5#混凝土的28天膨胀率可达到3.5％，说明，随着释水因子掺量的提高混凝土的后期膨胀量可得到控制。

                              表1 C60混凝土配合比/Kg/m³

  编  号  水  泥  水    粉煤    灰    粗集料 砂 减水 剂    膨胀    剂  释水因子养护条件  抗压强度  /MPa  1#  460  185    70    1050 655 1.7％    55    -标准养护    69  2#  460  185    70    1050 655 1.7％    55    -封闭养护    66  3#  460  185    70    1050 557 1.7％    55    58标准养护    68  4#  460  185    70    1050 557 1.7％    55    58封闭养护    67  5#  460  185    70    1050 525 1.7％    55    77封闭养护    66

1#～5#混凝土的膨胀曲线如图1所示。

实例7：

吸水率为4％的释水因子应用：

吸水率较低(4％～6％)的释水因子可用于配制C40～C50高强膨胀混凝土。表2中1#、2#混凝土没有掺加释水因子，1#采用标准条件(相对湿度95％以上)养护，2#采用封闭条件养护。由图1可见，1#混凝土的28天膨胀率达到3.6×10^-4，2#混凝土的28天膨胀率只有2.3×10^-4，说明在封闭条件下混凝土的后期膨胀率非常低。在采用20％释水因子取代砂之后，混凝土在标准养护条件下的28天膨胀率(3#)达到了3.8×10^-4，即使在封闭条件下在采用了20％释水因子取代砂之后，混凝土(4#)的28天膨胀率达到3.3×10^-4。对比2#和4#混凝土，说明释水因子的加入，使混凝土在后期仍然保持了较好的膨胀率。说明释水因子的掺入可使混凝土的后期膨胀量得到有效控制。

                                表2 C50混凝土配合比/Kg/m³

  编  号  水泥  水    粉煤    灰 粗集 料 砂 减水 剂    膨胀    剂    释水    因子养护条件  抗压强度  /MPa  1#  410  185    80 1083 638 1.7％    55    -标准养护    58  2#  410  185    80 1083 638 1.7％    55    -封闭养护    56  3#  410  185    80 1083 510 1.7％    55    73标准养护    56  4#  410  185    80 1083 510 1.7％    55    73封闭养护    57

1#～4#混凝土的膨胀曲线如图2所示。