一种水化硅酸钙晶种的制备方法及其使用方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 105753000 A(43)申请公布日 2016.07.13

(21)申请号 201610107928.9(22)申请日 2016.02.29

(71)申请人 同济大学

地址 200092 上海市杨浦区四平路1239号(72)发明人 孙振平　杨海静　水亮亮　杨旭　

冀言亮　曾文波　郭二飞　刘毅　(74)专利代理机构 上海正旦专利代理有限公司

31200

代理人 张磊(51)Int.Cl.

C01B 33/24(2006.01)C04B 22/08(2006.01)C04B 103/12(2006.01)

权利要求书1页 说明书3页

()发明名称

一种水化硅酸钙晶种的制备方法及其使用方法

(57)摘要

本发明涉及一种水化硅酸钙晶种的制备方法及其使用方法。用于制备水化硅酸钙晶种的材料包括钙质材料、硅质材料、去离子水、分散剂、无水乙醇和氢氧化钠。本发明采用的钙质材料为氧化钙，硅质材料为硅酸钠和硅藻土中的一种，分散剂为聚羧酸系高分子聚合物。控制的要素包括钙硅比、水固比、分散剂用量、反应温度、反应压力和反应时间。本发明产品适用于采用混合材水泥作为胶凝体系的建筑工程，对混合材水泥基材料早期强度发展具有明显地促进作用，扩大混合材水泥的应用范围，不仅缓解了固废排放的困境，还降低了水泥生产成本，减少了水泥生产过程中废弃物的排放量，有利于水泥的低碳化和绿色化发展，具有良好的环境保护效益和社会经济效益。

CN 105753000 ACN 105753000 A

权　利　要　求　书

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1.一种水化硅酸钙晶种的制备方法，其特征在于采用水热法，水化硅酸钙晶种的材料由钙质材料、硅质材料、去离子水、分散剂、无水乙醇和氢氧化钠组成，具体步骤如下：（1）按照Ca/Si、W/S和D/S准确称量钙质材料、硅质材料、去离子水和分散剂，将钙质材料和硅质材料与去离子水混合，加入氢氧化钠调整体系pH值大于13，加入分散剂；其中：钙硅比（Ca/Si，钙元素与硅元素的物质的量之比）为0.5-2.5，水固比（W/S，去离子水质量与钙质材料和硅质材料质量之和的比）为1-20，分散剂用量（D/S，分散剂折固质量与钙质材料和硅质材料质量之和的比）为0.1%-0.5%；（2）将步骤（1）得到的混合体系置于蒸压釜中，设置相应的温度、压力，使反应持续相应的时间；所述反应温度为(50-180)℃，反应压力为(0.1-0.9)MPa，反应时间为(2-10)h；（3）反应结束后，将步骤（2）得到的产物用无水乙醇和蒸馏水洗涤、过滤，重复3次；（4）将步骤（3）得到的产物在80℃真空干燥箱中烘干至恒重后，即得到水化硅酸钙晶种。

2.根据权利要求1所述的一种水化硅酸钙晶种的制备方法，其特征在于步骤（1）中Ca/Si、W/S和D/S的范围分别为0.9-1.5、5-10和0.3%-0.5%。

3.根据权利要求1所述的一种水化硅酸钙晶种的制备方法，其特征在于步骤（2）中反应温度、反应压力和反应时间的较佳范围分别为(80-150)℃、(0.1-0.5)MPa和(6-10)h。

4.根据权利要求1所述的一种水化硅酸钙晶种的制备方法，其特征在于所述钙质材料为高纯氧化钙，每100g氧化钙中约含1.78mol钙元素。

5.根据权利要求1所述的一种水化硅酸钙晶种的制备方法，其特征在于所述硅质材料为硅酸钠或硅藻土中的一种，硅酸钠的化学分子式为Na2SiO3·9H2O，每100g硅酸钠中约含0.35mol硅元素，硅藻土的平均粒径约为(30-40)μm，每100g硅藻土中含1.38mol硅元素。

6.根据权利要求1所述的一种水化硅酸钙晶种的制备方法，其特征在于所述去离子水中CO2含量为0。

7.根据权利要求1所述的一种水化硅酸钙晶种的制备方法，其特征在于所述分散剂为聚羧酸系高分子聚合物，固含量为40%。

8.一种如权利要求1所述制备方法得到的水化硅酸钙晶种在混合材水泥基材料中的使用方法，其特征在于水化硅酸钙晶种的掺量为混合材水泥基材料的1.0%-5.0%（质量分数），较佳掺量为2.0%。

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一种水化硅酸钙晶种的制备方法及其使用方法

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技术领域

[0001]本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种水化硅酸钙晶种的制备方法及其使用方法。

背景技术

[0002]混凝土是当今世界最主要的建筑材料，水泥是混凝土的主要组成材料之一。目前我国水泥消耗量约占全球的60%，烧制水泥的过程中会排放大量废弃物，这对我国的环境保护工作无疑是一项巨大挑战。立足于可持续发展战略，从节约能源、资源消耗，减少工业废料排放和保护自然环境等角度考虑，要求混凝土及其原材料的开发、生产和建筑施工作业等既能满足基本的建设需求，又不危及后代人的延续生存环境。第十四届国际水泥化学大会也指出：绿色发展已经成为社会生态文明和人类进步的共同需要和共同期待，低碳水泥和绿色发展既是提升人们生活幸福指数、促进社会文明和环境美好的需要，也是水泥行业进一步发展的必须。

[0003]将水泥熟料与一定量的活性混合材料共同磨制可得到混合材水泥。常用的水泥活性混合材料包括粒化高炉矿渣及其矿渣粉、粉煤灰和火山灰质混合材料。利用活性混合材制备水泥，一方面解决了工业废渣的排放问题，另一方面也可以改善水泥性能，降低水泥的生产成本，减少生产水泥过程中废气物的排放。但混合材水泥的早期强度较低，强度增长速度较慢，抗冻性差，这严重制约了混合材水泥在工程中的应用。实际工程中，常采用早强剂来提高水泥的早期强度。然而一般的早强剂在提高早期强度的同时，也对混凝土的长期性能产生诸多不良影响，例如后期强度的降低，氯盐早强剂引起的钢筋腐蚀，钾盐和钠盐早强剂造成的碱骨料反应等。

[0004]在完全水化的硅酸盐水泥石中，水化硅酸钙约占60%-70%。水泥水化过程中，水化硅酸钙以凝胶和晶体状态填充孔隙，使水泥强度得以增长。科研工作者通过长期研究，证明水化硅酸钙提供强度的机理包括成核和生长两个过程。在混凝土制备过程中加入水化硅酸钙晶种，可节约水化硅酸钙的成核时间，加快水泥水化进程，从而促进水泥早期强度的发展。

[0005]通过固相直接反应法和水热法可制备水化硅酸钙晶种。固相直接反应法产物生成率较低，含有较多杂质，早强效果并不理想，一般不被采用。采用水热法制备的水化硅酸钙晶种易于团聚，较大尺寸的水化硅酸钙晶种难以起到促进水泥水化的作用。聚羧酸系高分子聚合物可通过空间位阻效应在水泥基材料体系中发挥其良好的分散作用。[0006]综上所述，本发明在水热法的基础上，选择聚羧酸系高分子聚合物作为分散剂，提出一种水化硅酸钙晶种的制备工艺并将其用于混合材水泥基材料，具有重大的经济、环境和社会意义。

发明内容

[0007]本发明的目的在于提供一种颗粒分散性好且早强效果优异的水化硅酸钙晶种的

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制备方法及其在混合材水泥基材料中的使用方法。

[0008]本发明提出的一种水化硅酸钙晶种的制备方法，采用水热法，水化硅酸钙晶种的材料由钙质材料、硅质材料、去离子水、分散剂、无水乙醇和氢氧化钠组成，具体步骤如下：

（1）按照Ca/Si、W/S和D/S准确称量钙质材料、硅质材料、去离子水和分散剂，将钙质材料和硅质材料与去离子水混合，加入氢氧化钠调整体系pH值大于13，加入分散剂；其中：钙硅比（Ca/Si，钙元素与硅元素的物质的量之比）为0.5-2.5，水固比（W/S，去离子水质量与钙质材料和硅质材料质量之和的比）为1-20，分散剂用量（D/S，分散剂折固质量与钙质材料和硅质材料质量之和的比）为0.1%-0.5%；

（2）将步骤（1）得到的混合体系置于蒸压釜中，设置相应的温度、压力，使反应持续相应的时间；所述反应温度为(50-180)℃，反应压力为(0.1-0.9)MPa，反应时间为(2-10)h；

过滤，重复3次；（3）反应结束后，将步骤（2）得到的产物用无水乙醇和蒸馏水洗涤、

（4）将步骤（3）得到的产物在80℃真空干燥箱中烘干至恒重后，即得到水化硅酸钙晶种。

[0009]本发明中，步骤（1）中Ca/Si、W/S和D/S的较佳范围分别为0.9-1.5、 5-10和0.3%-0.5%。

[0010]本发明中，步骤（2）中反应温度、反应压力和反应时间的较佳范围分别为(80-150)℃、(0.1-0.5)MPa和(6-10)h。[0011]本发明中，所述钙质材料为高纯氧化钙，每100g氧化钙中约含1.78mol钙元素。[0012]本发明中，所述硅质材料为硅酸钠或硅藻土中的一种。硅酸钠的化学分子式为Na2SiO3·9H2O，每100g硅酸钠中约含0.35mol硅元素。硅藻土的平均粒径约为(30-40)μm，每100g硅藻土中约含1.38mol硅元素。[0013]本发明中，所述去离子水中CO2含量为0。[0014]本发明中，所述分散剂为聚羧酸系高分子聚合物，固含量为40%。[0015]本发明中，采用钙质材料和硅质材料通过水热法制备出了分散性好且早强效果优异的水化硅酸钙晶种，制备工艺简单，产品性能稳定，具有良好的应用前景。[0016]本发明制备的水化硅酸钙晶种与其他类型的早强剂相比，在提高混合材水泥基材料早期强度的同时，并不会牺牲其后期强度，且不会对混合材水泥基材料的耐久性产生不利影响。

[0017]本发明制备的水化硅酸钙晶种用于混合材水泥基材料时，适宜掺量为混合材水泥基材料的1.0%-5.0%（质量分数），较佳掺量为2.0%。[0018]本发明可供工厂大规模生产，并广泛应用于各种混合材水泥基材料中，包括矿渣水泥、粉煤灰水泥和火山灰水泥。

[0019]本发明选用矿渣水泥制备净浆测试水化硅酸钙的性能，所用矿渣水泥的性能指标见表1。

具体实施方式

[0020]下面通过实施例进一步说明本发明。[0021]实施例1，一种水化硅酸钙晶种的制备方法，以氧化钙、硅藻土、去离子水和分散剂为原料，钙硅比为0.5，水固比为1，分散剂用量为0.1%，反应温度为50℃，反应压力为

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0.9MPa，反应时间为10h。各原料的质量比分别为：氧化钙取100，硅藻土取258，去离子水取358，分散剂取0.。按发明内容中所述步骤进行制备，即得产物（记为C-S-H-1）。将矿渣水泥与C-S-H-1按照100:1的质量之比充分混合，采用0.35的水胶比制备净浆。性能测试结果见表1。

[0022]实施例2，一种水化硅酸钙晶种的制备方法，以氧化钙、硅藻土和去离子水为原料，钙硅比为1.2，水固比为10，分散剂用量为0.3%，反应温度为120℃，反应压力为0.3MPa，反应时间为6h。各原料的质量比分别为：氧化钙取100，硅酸钠取108，去离子水取2080，分散剂取1.56。按发明内容中所述步骤进行制备，即得产物（记为C-S-H-2）。将矿渣水泥与C-S-H-2按照100:2的质量之比充分混合，采用0.35的水胶比制备净浆。性能测试结果见表1。[0023]实施例3，一种水化硅酸钙晶种的制备方法，以氧化钙、硅酸钠和去离子水为原料，钙硅比为2.5，水固比为20，分散剂用量为0.5%，反应温度为180℃，反应压力为0.1MPa，反应时间为2h。各原料的质量比分别为：氧化钙取100，硅酸钠取204，去离子水取6080，分散剂取3.8。按发明内容中所述步骤进行制备，即得产物（记为C-S-H-3）。将矿渣水泥与C-S-H-3按照100:5的质量之比充分混合，采用0.35的水胶比制备净浆。性能测试结果见表1。[0024]表1 实施例性能测试结果

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