本發(fā)明屬于建筑材料領(lǐng)域，涉及一種適用于含鋁礦物復(fù)合水泥體系體積穩(wěn)定性的調(diào)控方法。

背景技術(shù)：

隨著城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，混凝土材料在基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛?；炷两ㄖ陌踩院褪褂脡勖玫搅巳藗兊闹匾?。然而，混凝土建筑卻存在普遍的收縮開裂現(xiàn)象，在導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失的同時隱藏嚴(yán)重的安全隱患。目前針對混凝土收縮開裂最有效的解決方法之一是加入膨脹組分來緩解其因水泥水化反應(yīng)導(dǎo)致的自收縮。其中應(yīng)用最多的膨脹源是鈣礬石(水化硫鋁酸鈣，簡稱AFt)。其主要原理是水化反應(yīng)生成鈣礬石的過程中，組分體積增加，從而緩解因水泥水化過程引起的體積收縮現(xiàn)象，提高水泥混凝土的體積穩(wěn)定性。然而，加入過量的膨脹組分同樣存在水泥材料開裂的風(fēng)險，這也是實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常遇到的難題。因此調(diào)控膨脹組分的加入量及水泥材料的物相組成對體系體積穩(wěn)定性具有重要的意義。

目前已知水泥礦物中通過水化反應(yīng)可以生成鈣釩石的有C₃A、CSA及C₄AF,三種皆為含鋁礦物。且?guī)追N礦物生成鈣釩石的必要條件是水泥體系中應(yīng)含有一定量的石膏。由此可知，膨脹組分發(fā)釩石的生成條件為體系組成中含有含鋁礦物和石膏。鈣釩石作為最有效的膨脹源已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可，但大量研究表明雖然隨著鈣釩石的增加水泥體積有增大的趨勢，但鈣釩石的生成量與體系體積膨脹程度并無明顯的線性關(guān)系。因此，在實(shí)際應(yīng)用中人們只能通過經(jīng)驗(yàn)和嘗試確定水泥體系的最佳礦物組成配比來預(yù)防收縮劑膨脹開裂現(xiàn)象?？梢?，設(shè)計(jì)出一種可以調(diào)節(jié)水泥體系體積穩(wěn)定性的調(diào)控方法對實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決以上問題，提出一種適用于含鋁礦物復(fù)合水泥體系體積穩(wěn)定性的調(diào)控方法。調(diào)控方法中首先提出了由一個水泥礦物及石膏含量得到的系數(shù)K_G-Al，該系數(shù)與體積穩(wěn)定性密切相關(guān)。用該系數(shù)表示水泥體系中石膏與含鋁礦物的摩爾比，具體公式如下：其中，a_Gmol表示石膏的摩爾含量；a_Almol表示所有可能生成鈣釩石的含鋁礦物總量：a_Almol＝aC3A×0.7+aC4AF×0.25+aCSA。當(dāng)K_G-Al＜0.65時,復(fù)合水泥不會因?yàn)榕蛎浗M分的加入而產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。即通過調(diào)節(jié)水泥組成中礦物及石膏的含量，確保加入的膨脹組分在有效的緩解水泥自收縮現(xiàn)象的同時不會因?yàn)檫^量而導(dǎo)致開裂。

本發(fā)明的主要技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的，通過已知復(fù)合水泥的礦物組成，計(jì)算出該體系的K_G-Al值，通過改變復(fù)合水泥的組成配比，調(diào)控系數(shù)K_G-Al＜0.65。其中系數(shù)K_G-Al的定義及體積膨脹開裂臨界值范圍是根據(jù)水泥水化過程反應(yīng)程度與體系宏觀體積變化量之間的對應(yīng)關(guān)系而確定的。K_G-Al計(jì)算公式中各常數(shù)的確定與不同礦物水化程度密切相關(guān)。

通過測試不同組成的含鋁礦物復(fù)合水泥體系的水化程度及體積變化可知，水化初期(小于7天)反應(yīng)速率很快，14天后反應(yīng)趨于平緩，且引起膨脹的水化產(chǎn)物鈣釩石同樣是在水化早期生成的較多。因此K_G-Al值公式中的各常數(shù)取決于水化反應(yīng)14天時各含鋁礦物的反應(yīng)程度。水化反應(yīng)中不同礦物的反應(yīng)速率及反應(yīng)程度存在很大的差別。CSA反應(yīng)非常迅速，理論上認(rèn)為可以在水化初期CSA即反應(yīng)完全，且這一結(jié)論與實(shí)際測量值相符，因此確定CSA的反應(yīng)程度系數(shù)為1。同理，測定得到C₃A的反應(yīng)程度為0.7～0.74、C₄AF的反應(yīng)程度為0.22～0.26，綜合誤差及對系數(shù)K_G-Al的影響分別確定C₃A的反應(yīng)程度系數(shù)為0.7、C₄AF的反應(yīng)程度系數(shù)為0.25。從而得到了所有可能生成鈣釩石的含鋁礦物總量a_Almol：

a_Almol＝aC₃A×0.7+aC₄AF×0.25+aCSA

其中，aC₃A表示復(fù)合體系中C₃A的摩爾量；aC₄AF表示C₄AF的摩爾量；aCSA表示CSA的摩爾量。另一個重要因素石膏的含量可以直接通過體系中礦物含量的測定值得到。設(shè)計(jì)出K_G-Al值來表征復(fù)合水泥中石膏含量與含鋁礦物有效反應(yīng)量的摩爾比。

其中a_Gmol為所有種類石膏的總和，包括無水石膏、二水石膏等。

其中a_Almol表示所以參與反應(yīng)的含鋁礦物量。理論上同樣可以根據(jù)a_Almol的值來計(jì)算理論鈣釩石的生成量。但實(shí)際值與理論計(jì)算值存在一定的偏差，且不是所有的鈣釩石生成都會產(chǎn)生膨脹，因此鈣釩石的生成量與水泥體積膨脹程度并沒有明顯的定量關(guān)系，無法僅用a_Almol與水泥體積穩(wěn)定性建立聯(lián)系。目前已有研究中并沒有針對鈣釩石與水泥體積膨脹建立的任何定量關(guān)系。而對于影響水泥體積變化的因素討論也是眾說紛紜。我們通過大量的實(shí)驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)提出了該系數(shù)K_G-Al，且該系數(shù)包含的主要參數(shù)及因素皆得到了大量鈣釩石膨脹理論的支持。

在研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)K_G-Al與體積穩(wěn)定性密切相關(guān)。結(jié)合實(shí)際測量的水泥體系宏觀體積變化，發(fā)現(xiàn)K_G-Al存在一個臨界值：0.65。大于該臨界值水泥體系會因?yàn)榕蛎浗M分的加入而產(chǎn)生開裂現(xiàn)象；若在此臨界值內(nèi)，則可以確保體系體積的穩(wěn)定性。此方法適用于任何含鋁礦物復(fù)合水泥的組成設(shè)計(jì)。針對緩解水泥體系收縮開裂而研發(fā)的復(fù)合水泥，若體系的K_G-Al值越接近臨界值，則實(shí)際應(yīng)用效果越好。含鋁礦物復(fù)合水泥體系的值建議取0.63-0.65。

本發(fā)明的積極效果是：通過上述方法可以設(shè)計(jì)復(fù)合水泥組成，在最大限度的緩解水泥水化反應(yīng)自收縮現(xiàn)象的同時確保體系的體積穩(wěn)定性。實(shí)際應(yīng)用中可以明顯的簡化施工設(shè)計(jì)，提高經(jīng)濟(jì)效益及建筑材料的耐久性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明首次提出了一個水泥礦物及石膏組成與體積穩(wěn)定性相關(guān)的系數(shù)K_G-Al，即首次建立了含鋁復(fù)合水泥礦物組成與體積穩(wěn)定性的定量關(guān)系，并找到了因膨脹組分加入而導(dǎo)致開裂的水泥礦物組成臨界值0.65。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖2是實(shí)施例2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖3是實(shí)施例3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖4是實(shí)施例3的面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫圖

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

1、設(shè)計(jì)復(fù)合水泥體系P1的礦物組成如下[w％]：

2、K_G-Al值的計(jì)算

a_Almol＝aC₃A×0.7+aC₄AF×0.25+aCSA

＝0.01887

a_Gmol＝0.02829

3、體積膨脹變化量

體積膨脹試驗(yàn)中，水灰比0.35。水泥靜漿在10×10×40mm³的鋼模中成型，且末端放有端板以便測試其長度變化。然后，鋼模中的樣品在高濕度環(huán)境(相對濕度96％)下養(yǎng)護(hù)1天，24h后脫模并開始測量。接著，樣品浸沒在60-70g的去離子水中。使用精度為±1μm的伸長儀定期測量樣品的長度(～40mm)。所有實(shí)驗(yàn)均在20℃條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示：

此時K_G-Al值小于臨界值0.65，結(jié)果表明P1體系復(fù)合水泥在水養(yǎng)護(hù)條件下有輕微的膨脹現(xiàn)象產(chǎn)生，無開裂現(xiàn)象發(fā)生。

實(shí)施例2：

1、設(shè)計(jì)復(fù)合水泥體系P2礦物組成如下[w％]：

2、K_G-Al值的計(jì)算

a_Almol＝aC3A×0.7+aC4AF×0.25+aCSA

＝0.01934

a_Gmol＝0.03332

3、體積膨脹變化量

此時P2體系的K_G-Al值接近臨界值0.65，但仍小于臨界值。膨脹測試結(jié)果表明P2體系復(fù)合水泥在水養(yǎng)護(hù)條件下有較大的膨脹現(xiàn)象產(chǎn)生，仍無開裂現(xiàn)象發(fā)生。

實(shí)施例3：

1、設(shè)計(jì)復(fù)合水泥體系P3礦物組成如下[w％]：

2、K_G-Al值的計(jì)算

a_Almol＝aC3A×0.7+aC4AF×0.25+aCSA

＝0.01970

a_Gmol＝0.04583

3、體積膨脹變化量

此時P3體系的K_G-Al值大于臨界值0.65。膨脹測試結(jié)果表明P3體系復(fù)合水泥在早期產(chǎn)生了明顯的膨脹，但14天后膨脹率出現(xiàn)了一個增大的折點(diǎn)，分析原因可能是由于水泥過度膨脹導(dǎo)致開裂而引起的。通過28天的水養(yǎng)護(hù)測試，發(fā)現(xiàn)P3體系表面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫，如下圖4所示。