本發(fā)明屬于建筑材料，尤其涉及一種基于熱力學(xué)計(jì)算的硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥配制方法。

背景技術(shù)：

1、水泥工業(yè)的co2排放量占人類活動(dòng)產(chǎn)生的co2總排放量的8％，同時(shí)水泥工業(yè)中約63％的co2排放量來(lái)源于水泥生產(chǎn)過(guò)程的石灰石分解。特別是在硅酸鹽水泥熟料生產(chǎn)過(guò)程中，需要煅燒更多的石灰石，排放的co2量也大，因此發(fā)展非硅酸鹽水泥體系對(duì)建筑行業(yè)的節(jié)能減排具有重要意義。相比于硅酸鹽水泥，硫鋁酸鹽水泥的需要煅燒的石灰石量較少，煅燒溫度要低100℃～150℃，能夠減少27％～37％的能源消耗，相應(yīng)地，減少18％～48％的co2排放。硅酸鹽水泥因其具有凝結(jié)硬化快、早期強(qiáng)度及后期強(qiáng)度高、抗凍性好、抗碳化性能好和耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。硫鋁酸鹽水泥具有高抗凍性能、良好的耐腐蝕性能、高抗?jié)B性能和高早強(qiáng)性能等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于搶修搶建修補(bǔ)工程、低溫施工工程、抗海水腐蝕工程中。

2、隨著研究者們對(duì)水泥化學(xué)理論研究的逐漸深入和檢測(cè)手段的進(jìn)步，人們開(kāi)始著手于對(duì)兩種及兩種以上水泥進(jìn)行復(fù)合配制，旨在將兩種水泥的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，從而制備出具有優(yōu)異綜合性能的復(fù)合膠凝體系，并降低石灰石消耗量，減少碳排放。然而，在硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥的設(shè)計(jì)過(guò)程中，究竟需要多少硫酸鹽去匹配硫鋁酸鈣不得而知，以往的研究者都是采用正交試驗(yàn)法去試驗(yàn)最佳的無(wú)水石膏摻量，效率低，成本高。

3、為了最大限度地提高硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥礦相設(shè)計(jì)過(guò)程中的效率，同時(shí)最大限度地提高性能，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：傳統(tǒng)的水泥配合比設(shè)計(jì)方法多以試錯(cuò)法為準(zhǔn)，成本高且效率低。針對(duì)現(xiàn)有硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥配制技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、效率高的基于熱力學(xué)計(jì)算的硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥配制方法。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明的一種基于熱力學(xué)計(jì)算的硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥配制方法，包括以下步驟：

3、硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥由硅酸鹽熟料、硫鋁酸鹽熟料和無(wú)水石膏組成；

4、通過(guò)吉布斯能量最小化熱力學(xué)模擬軟件(gems，gibbs?energy?minimizationsoftware)，建立氫氧化鈣-硫鋁酸鈣-無(wú)水石膏三元體系的水化產(chǎn)物隨時(shí)間演變的過(guò)程圖，得到當(dāng)無(wú)水石膏/硫鋁酸鈣的摩爾比為m＝8時(shí)，水化產(chǎn)物中無(wú)單硫型水化硫鋁酸鈣的生成；再依據(jù)氫氧化鈣是c3s和c2s水化得到、無(wú)水硫鋁酸鈣由硫鋁酸鹽熟料提供，并根據(jù)測(cè)量得到的某硅酸鹽水泥熟料、某硫鋁酸鹽水泥熟料礦相組成，即可反算得到硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥配比，確定硅酸鹽熟料、硫鋁酸鹽熟料和無(wú)水石膏的比例。

5、進(jìn)一步地，通過(guò)吉布斯能量最小化熱力學(xué)模擬軟件(gems，gibbs?energyminimization?software)建立氫氧化鈣-硫鋁酸鈣-無(wú)水石膏三元體系的水化產(chǎn)物隨時(shí)間演變的過(guò)程圖。

6、進(jìn)一步地，所述硅酸鹽熟料中無(wú)石膏的摻入；所述的硫鋁酸鹽熟料中石膏的摻入。

7、進(jìn)一步地，硫鋁酸鹽熟料中的硫鋁酸鈣含量超過(guò)60wt.％。

8、進(jìn)一步地，硅酸鹽熟料的比表面積分別為350m2/kg～450m2/kg，d50為10μm～50μm。

9、進(jìn)一步地，硫鋁酸鹽熟料的比表面積分別為350m2/kg～450m2/kg；d50為10μm～50μm。

10、進(jìn)一步地，本發(fā)明的硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥是由硅酸鹽熟料、硫鋁酸鹽熟料、無(wú)水石膏按一定比例混合均勻而成，可根據(jù)應(yīng)用需要，通過(guò)調(diào)整發(fā)明配方，獲得所需要的性能。所述硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥由三大組分組成，其比例為：

11、硅酸鹽熟料：65wt.％～75wt.％

12、硫鋁酸鹽熟料：10wt.％～30wt.％

13、無(wú)水石膏：5wt.％～25wt.％

14、進(jìn)一步地，所述硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥強(qiáng)度測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)砂漿由以下方法制備：稱取原材料；硅酸鹽熟料、硫鋁酸鹽熟料、無(wú)水石膏混合，然后依次加入水、砂子，混合均勻后，即得砂漿。

15、具體的，根據(jù)設(shè)計(jì)配比稱取原材料：將稱取的粉料放入攪拌鍋中低速干攪3min；然后將水一次性倒入攪拌鍋中，先低速攪拌30s，再低速攪拌30s的過(guò)程中同時(shí)加砂子，再高速攪拌30s，中間停90s將攪拌鍋邊壁上的砂漿刮落，再高速攪拌60s，得到混合均勻的新拌砂漿。

16、上述方案中，攪拌容器為gb/t?17671中推薦的水泥膠砂攪拌鍋，所述的低速攪拌速度為140r/min，高速攪拌速度為285r/min。

17、上述硫鋁酸鈣改性-硅酸鹽砂漿制備完成后，置于相對(duì)濕度≥95％，溫度為20℃±2℃環(huán)境中養(yǎng)護(hù)。

18、具體的，基于熱力學(xué)計(jì)算的硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥配制方法，包括以下步驟：

19、(1)按設(shè)計(jì)的m值為2～10配方比例稱取所需的硅酸鹽熟料、硫鋁酸鹽熟料和無(wú)水石膏等原料，攪拌1分鐘，使它們均勻地混合在一起；

20、(2)水灰比為0.5，將水緩慢加入到經(jīng)步驟(1)混合均勻的粉料中，在攪拌的過(guò)程中加入gb/t?17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(iso法)》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)砂，水泥與標(biāo)準(zhǔn)砂質(zhì)量比為1:3，之后采用高剪切模式高速攪拌2分鐘，形成可塑性的漿體，澆入模具中，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)；

21、(3)脫模后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，在溫度20℃±1℃，濕度95％±1％?rh條件下養(yǎng)護(hù)至1d、3d、7d和28d后，按gb/t?17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(iso法)》，測(cè)試砂漿強(qiáng)度。

22、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明利用gems熱力學(xué)模擬軟件計(jì)算得到了不同m值的硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥配合比，相比傳統(tǒng)的水泥配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中采用的試錯(cuò)法或正交試驗(yàn)法，大幅提高了設(shè)計(jì)效率和降低了試錯(cuò)成本。由于在硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥的組成中引入了更多的無(wú)水石膏，相比于傳統(tǒng)硅酸鹽水泥，早期可以生成大量的鈣礬石，可提升約50％的早期強(qiáng)度。

23、由于硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥中引入的大量硫酸鹽，使得硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物中幾乎無(wú)單硫型水化硫鋁酸鈣的生成，大幅提升了后期強(qiáng)度。若采用此方法設(shè)計(jì)并制備硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥，一方面可大幅提升設(shè)計(jì)效率和降低試錯(cuò)成本；另一方面，硫鋁酸鹽部分替代硅酸鹽水泥，可減少硅酸鹽水泥生產(chǎn)導(dǎo)致的二氧化碳排放，同時(shí)由于早期強(qiáng)度的大幅提高和凝結(jié)時(shí)間的縮短，可考慮用于3d打印混凝土中。此外，由于強(qiáng)度等級(jí)的提高，在保持同一強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，還可大幅減少水泥等膠凝材料的用量。

技術(shù)特征：

1.一種基于熱力學(xué)計(jì)算的硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥配制方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱力學(xué)計(jì)算的硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥配制方法，其特征在于，通過(guò)吉布斯能量最小化熱力學(xué)模擬軟件建立氫氧化鈣-無(wú)水硫鋁酸鈣-無(wú)水石膏三元體系的水化產(chǎn)物隨時(shí)間演變的過(guò)程圖。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱力學(xué)計(jì)算的硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥配制方法，其特征在于，所述硅酸鹽熟料中無(wú)石膏摻入；所述的硫鋁酸鹽熟料中無(wú)石膏摻入。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱力學(xué)計(jì)算的硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥配制方法，其特征在于，m＝8時(shí)，水化產(chǎn)物中無(wú)單硫型水化硫鋁酸鈣生成。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱力學(xué)計(jì)算的硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥配制方法，其特征在于，配制所用原料硫鋁酸鹽水泥熟料中的硫鋁酸鈣含量大于60wt％。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱力學(xué)計(jì)算的硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥配制方法，其特征在于，配制所用原料硅酸鹽水泥熟料的比表面積為350m2/kg～450m2/kg，d50為10μm～50μm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱力學(xué)計(jì)算的硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥配制方法，其特征在于，配制所用原料硫鋁酸鹽水泥熟料的比表面積為350m2/kg～450m2/kg；d50為10μm～50μm。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱力學(xué)計(jì)算的硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥配制方法，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于熱力學(xué)計(jì)算的硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥配制方法，包括以下步驟：硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥由硅酸鹽熟料、硫鋁酸鹽熟料和無(wú)水石膏組成，首先采用吉布斯能量最小化熱力學(xué)模擬軟件，建立氫氧化鈣?無(wú)水硫鋁酸鈣?無(wú)水石膏三元體系的水化產(chǎn)物隨時(shí)間演變的過(guò)程圖，得到當(dāng)無(wú)水石膏/硫鋁酸鈣的摩爾比為8時(shí)，水化產(chǎn)物中無(wú)單硫型水化硫鋁酸鈣的生成，這樣就能使得力學(xué)強(qiáng)度盡可能高。再通過(guò)氫氧化鈣是C<subgt;3</subgt;S和C<subgt;2</subgt;S水化得到、無(wú)水硫鋁酸鈣由硫鋁酸鹽熟料提供，即可反算得到硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥配方，避免了傳統(tǒng)配方設(shè)計(jì)依靠經(jīng)驗(yàn)和試錯(cuò)，最終制備得到了力學(xué)強(qiáng)度高、孔隙率低和穩(wěn)定性好的硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥。

技術(shù)研發(fā)人員：錢(qián)春香,謝雨冬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30