一种偏高岭土‑磷石膏基增强型水泥基材料减缩剂及其制备方法

摘要

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种偏高岭土‑磷石膏基增强型水泥基材料减缩剂及其制备方法。该减缩剂包括以下重量百分含量的各组分：偏高岭土1％～50％，磷石膏为5％～80％，粉煤灰为5％～50％，多元醇型非离子表面活性剂为0.1％～5％。按配方将各组分混合成悬浮浆料后进行超声分散和干燥喷雾，得到减缩剂。通过各组分的协同作用，本发明所提供的偏高岭土‑磷石膏基增强型水泥基材料减缩剂在减小水泥基材料干缩、增加水泥基材料工作性能的同时可提升强度。

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种偏高岭土-磷石膏基增强型水泥基材料减缩剂及其制备方法。

背景技术

水泥基材料在水化过程中，随着材料水分的消耗和蒸发，水泥基材料会产生干缩。过大的干缩会导致微裂纹的产生。微裂纹是外界侵蚀离子(SO₄^2-，Cl^-，Mg²⁺，HCO₃^-等)进入水泥基材料内部的通道，其侵入会引起一系列的物理化学反应，造成混凝土的局部膨胀开裂、水化产物结构退化和钢筋锈蚀等问题，对水泥基材料破坏极大。因此，减小水泥基材料干缩以减少水泥基材料微裂纹产生，对提高建筑物寿命，增加建筑物安全系数尤为重要。目前，工程上主要通过添加减缩剂来解决水泥基材料的收缩过大的问题，但目前常用减缩剂一般不具备增强混凝土的功能，其引入甚至会造成新拌混凝土工作性和硬化混凝土强度一定程度的降低。如何减小水泥基材料干缩又不损害其力学性能和工作性能是相关研究人员关心的问题。关于水泥基材料干缩机理在当前仍无定论，最有说服力的主张之一是毛细管张力学说。毛细管学说基于拉普拉斯公式，对于球形液面，拉普拉斯公式的形式如下：

其中△P表示弯曲液面两侧的压力差，表现形式为毛细管压力；γ表示液体的表面张力；θ为液面凹液面与毛细孔壁的接触角；R为液面的曲率半径。由公式可知，△P与γ、θ和R有关。由此可知，可通过减小γ，增加θ和R来减小△P以减小水泥基材料收缩；并且，如何减少毛细孔的总量，以降低毛细管带来的总收缩力，也是有效的减小水泥基材料收缩的途径之一。

磷石膏是一种磷化工的废弃物，每生产1t磷酸，会产生5t左右的磷石膏废弃物，并且磷石膏堆存量呈逐年增加的趋势。磷石膏中二水石膏的含量达70％～90％，以及少量磷酸盐和氟化物。其中，含磷、氟的杂质对环境污染较大。目前，国内有很多企业已经开始了磷石膏的资源化利用，用于生产水泥缓凝剂、石膏砌块、石膏板等，但其消耗量不到磷石膏年产量的50％，所以，磷石膏的资源化利用空间巨大。目前，暂未见以偏高岭土和磷石膏为基质的减缩剂。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种偏高岭土-磷石膏基增强型水泥基材料减缩剂及其制备方法。本发明所提供的偏高岭土-磷石膏基增强型水泥基材料减缩剂在减小水泥基材料干缩，增加水泥基材料工作性能的同时可提升强度。其制备方法专用、简单、易于工业化生产。

本发明所提供的技术方案如下：

一种偏高岭土-磷石膏基增强型水泥基材料减缩剂，包括以下重量百分含量的各组分：偏高岭土1％～50％，磷石膏为5％～80％，粉煤灰为5％～50％，多元醇型非离子表面活性剂为0.1％～5％。

具体的，偏高岭土中Al₂O₃的含量在35％以上，平均粒径在10μm以下。

具体的，磷石膏中二水石膏的含量在70％以上，平均粒径在40μm以下。

具体的，粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰。

具体的，多元醇型非离子表面活性剂为聚乙二醇，平均分子量为6000～30000。

在上述技术方案中：

1)二水石膏可激发偏高岭土火山灰活性并促进钙矾石的生成，钙矾石的生成有利于增加早期强度，减小混凝土早期收缩。水泥水化的早期强度主要由钙矾石提供，并且钙矾石是一种膨胀相，磷石膏的引入促进钙矾石生成，提升早期强度和减小混凝土早期收缩；

2)偏高岭土是一种高活性矿物掺合料，能与水泥熟料水化产生的CH反应形成C-S-H凝胶，填充水泥基材料内部气孔和微裂纹，密实混凝土，提高致密性，增加混凝土强度和降低孔隙率。一方面，孔隙率的减小可降低失水引起的孔张力的总和；另一方面，孔隙率的降低减少了混凝土干燥过程中的失水量，二者协同作用，以降低混凝土收缩；

3)粉煤灰的引入，一方面可消除偏高岭土带来的需水量增加的问题，这是由于粉煤灰具有滚珠效应，可以平衡混凝土中偏高岭土的加入后导致的流动性降低的问题；另一方面，粉煤灰作为一种活性矿物掺合料，可与水泥水化生成的CH反应，生成C-S-H凝胶，密实混凝土，提升混凝土后期强度；

4)多元醇型非离子表面活性剂可吸附于偏高岭土颗粒表面，形成空间位阻，阻止偏高岭土颗粒团聚，促进偏高岭土的分散，以充分发挥偏高岭土的作用效果；同时，聚乙二醇的加入可降低孔溶液的表面张力，减小孔张力，以减小混凝土收缩；

通过各组分的协同作用，本发明所提供的偏高岭土-磷石膏基增强型水泥基材料减缩剂在减小水泥基材料干缩、增加水泥基材料工作性能的同时可提升强度。

本发明还提供了一种偏高岭土-磷石膏基增强型水泥基材料减缩剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将偏高岭土、磷石膏和多元醇型非离子表面活性剂混合后干磨，再加入粉煤灰，而后加水进行湿磨，得到偏高岭土基混合悬浮浆料；

2)将偏高岭土基混合悬浮浆料进行超声分散；

3)将超声分散后的偏高岭土基混合悬浮浆料进行喷雾干燥，得到偏高岭土-磷石膏基增强型水泥基材料减缩剂；

其中，以偏高岭土-磷石膏基增强型水泥基材料减缩剂的重量计，偏高岭土占1wt％～50wt％，磷石膏占5wt％～80wt％，粉煤灰占5wt％～50wt％，多元醇型非离子表面活性剂占0.1wt％～5wt％。

具体的，步骤1)中：

偏高岭土中Al₂O₃的含量在35％以上，平均粒径在10μm以下；

磷石膏中二水石膏的含量在70％以上，平均粒径在40μm以下；

粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；

湿磨用水的用量为粉煤灰总质量的0.8～3.0倍；

多元醇型非离子表面活性剂为聚乙二醇，其平均分子量为6000～30000。

具体的，步骤2)中：

超声分散温度为70～95℃，超声分散时间为5～20min。

在上述技术方案中，偏高岭土可显著增加水泥基材料强度，密实混凝土，减少毛细孔总量；二水石膏可激发偏高岭土火山灰活性并促进钙矾石的生成；粉煤灰用于抵消偏高岭土导致的需水量增加的问题；多元醇型非离子表面活性剂可降低孔溶液粘度表面张力(降低γ)和增大孔溶液与孔壁接触角(增加θ)。对配方体系各组分采用湿磨和超声分散可促进各种原材料颗粒的细化和均匀混合，优化多元醇型非离子表面活性剂在粉体颗粒表明表面的吸附，促进粉体的分散，使得减缩剂中各组分更好地发挥作用。减缩剂中各组分协同作用，使水泥基材料强度提高，收缩显著减小。

本发明的有益效果：

1)本发明所提供的偏高岭土-磷石膏基增强型水泥基材料减缩剂，作用效果显著，且后期对混凝土结构无不利影响。相较未使用本减缩剂的水泥基材料，使用了该减缩剂的水泥基材料流动度提升2％～10％，60d收缩率减小30％～80％，60d强度提升2％～25％。在减小水泥基材料干燥收缩，优化工作性能的同时提升了强度；

2)本发明将磷石膏固体废弃物用于生产水泥基材料减缩剂，将磷石膏从工业废弃物转化为工业原料，在创造经济效益的同时又保护了环境。

附图说明

图1是实施例1中各胶砂流动度柱状图。

图2是实施例1中各胶砂不同龄期胶砂强度变化曲线。

图3是实施例1中各胶砂不同龄期胶砂干燥收缩率变化曲线。

图4是实施例2中各胶砂流动度柱状图。

图5是实施例2中各胶砂不同龄期胶砂强度变化曲线。

图6是实施例2中各胶砂不同龄期胶砂干燥收缩率变化曲线。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

一种偏高岭土-磷石膏基增强型水泥基材料减缩剂，它由偏高岭土、磷石膏、粉煤灰和聚乙二醇组成。四者所占比重分别为30％、47％，22％和1％。

偏高岭土Al₂O₃含量为40.1％，平均粒径为5μm。

磷石膏为湖北宜化集团磷化工废物，二水石膏含量为87％。

粉煤灰为武汉市阳逻电厂Ⅰ级粉煤灰。

聚乙二醇为化学纯，平均分子量为20000。

偏高岭土-磷石膏基增强型水泥基材料减缩剂的制备方法为：先将偏高岭土、磷石膏和聚乙二醇三者置于球磨机中干磨30min，之后加入粉煤灰和占粉体总质量1.3倍的水，湿磨15min；而后将制得的悬浮浆料取出，80℃超声分散7分钟；最后将浆料喷雾干燥，制得减缩剂成品。

选定该种减缩剂的掺量为胶材质量的6％和10％。试验所用水泥为华新P.O 42.5水泥，砂为ISO标准砂，拌合水为自来水。水泥胶砂流动度检测按照GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测试方法进行》进行；强度检测按照GBT 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行；水泥胶砂干缩试件配比与强度检测配比相同，其余按照JC/T 603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》进行。基准胶砂、受检胶砂1(减缩剂掺量6％)和受检胶砂2(减缩剂掺量10％)配合比如表1所示。

表1 胶砂配合比

组别水泥/g减缩剂/g标准砂/g水/g基准胶砂45001350225受检胶砂1423271350225受检胶砂2405451350225

按照所述标准或方法分别测量基准胶砂和受检胶砂的流动度，3d、7d、28d、45d、60d抗压强度和4d、6d、10d、17d、24d、31d、38d、48d、60d收缩率。流动度测试结果如图1所示，强度测试结果如图2所示，干缩率测试结果如图3所示。

由图1可知，掺入6％和10％的减缩剂后，胶砂流动度分别提升4.3％和7.1％。

由图2可知，掺入6％和10％的减缩剂后，60d抗压强度分别提升4.3％和8.5％。

由图3可知，掺入6％和10％的减缩剂后，60d收缩率分别降低33.7％和38.5％。

可知，该减缩剂的作用效果与本专利公开范围相符。

实施例2

一种偏高岭土-磷石膏基增强型水泥基材料减缩剂，它由偏高岭土、磷石膏、粉煤灰和聚乙二醇组成。四者所占比重分别为42％、40％，16％和2％。

偏高岭土Al₂O₃含量为38.2％，平均粒径为3.2μm。

磷石膏为湖北宜化集团磷化工废物，二水石膏含量为90％。

粉煤灰为武汉市阳逻电厂Ⅰ级粉煤灰。

聚乙二醇为工业纯，平均分子量为30000。

偏高岭土-磷石膏基增强型水泥基材料减缩剂的制备方法为：先将偏高岭土、磷石膏和聚乙二醇三者置于球磨机中干磨20min，之后加入粉煤灰和占粉体总质量2.0倍的水，湿磨10min；而后将制得的悬浮浆料取出，70℃超声分散9分钟；最后将浆料喷雾干燥，制得减缩剂成品。

选定该种减缩剂的掺量为胶材质量的5％和13％。试验所用水泥为华新P.O 42.5水泥，砂为ISO标准砂，拌合水为自来水。胶砂配比如表2所示。

表2 胶砂配合比

组别水泥/g减缩剂/g标准砂/g水/g基准胶砂45001350225受检胶砂1427.522.51350225受检胶砂2391.558.51350225

按照实施例1中所述标准或方法分别测量基准胶砂和受检胶砂的流动度，3d、7d、28d、45d、60d抗压强度和4d、6d、10d、17d、24d、31d、38d、48d、60d收缩率。流动度测试结果如图4所示，强度测试结果如图5所示，干缩率测试结果如图6所示。

由图1可知，掺入5％和13％的减缩剂后，胶砂流动度分别提升4.8％和10.7％。

由图2可知，掺入5％和13％的减缩剂后，60d抗压强度分别提升14.4％和15.0％。

由图3可知，掺入5％和13％的减缩剂后，60d收缩率分别降低34.2％和41.0％。

可知，该减缩剂的作用效果与本专利公开范围相符。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。