[0001]
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高强无收缩道路硅酸盐水泥及其制备方法。
背景技术：
[0002]
高速铁路、高速公路、机场跑道作为国家交通运输的重要基础设施，承载着国家经济发展的枢纽作用，对国计民生至关重要。硅酸盐水泥作为高速铁路、高速公路、机场跑道等工程建设的重要基础原材料，是决定这些基础设施建设水平的关键因素。
[0003]
目前，国内外学者对道路工程用水泥的研究重点在提高水泥的抗折、耐磨性能，但关于道路水泥的抗裂性能提升方面的报道较少。根据gb/t 13693-2017《道路硅酸盐水泥》生产的道路硅酸盐水泥具有高强、高抗折、耐磨性优异的特点。相较于普通硅酸盐水泥，道路硅酸盐水泥对路面质量的提升作用更为显著。
[0004]
但是，众所周知，水泥作为一种水硬性胶凝材料，其物理化学特性决定其硬化过程一般表现为整体体积缩减，在这个过程中，易出现表观、深层裂缝，从而降低路面的强度性能。同时，侵蚀性离子可以通过这些裂缝快速侵入混凝土结构内部，加速水泥混凝土路面结构破坏，对高速铁路、高速公路、机场跑道等国家重点工程质量、安全极为不利。然而，目前的道路硅酸盐水泥尚不能有效解决路面混凝土开裂这一世界性难题。
[0005]
因此，为提升高速铁路、高速公路、机场跑道等路面混凝土的抗裂性，提出“补偿收缩+高抗裂道路硅酸盐水泥熟料矿物组成优化”的技术路线，设计开发了一种高抗裂道路硅酸盐水泥。
技术实现要素：
[0006]
本发明针对现有技术存在的缺陷，提出了一种具有高早强、高抗折、高耐磨等性能，同时具有优异的抗裂性能的高强无收缩道路硅酸盐水泥及其制备方法。
[0007]
为了达成上述目的，本发明提供了以下技术方案：含有如下重量百分比的各组分：高强无收缩道路硅酸盐熟料：52%~93%；补偿收缩组分：1%~10%；辅助胶凝材料：4%~30%；石膏：2%~8%。
[0008]
所述的高强无收缩道路硅酸盐熟料含有如下重量百分比的各组分：c3s：50%~65%；c2s：15%~30%；c3a：0%~8%；c4af：15%~22%。
[0009]
所述的补偿收缩组分为钢渣、钢渣粉、无水硫铝酸钙、氧化镁和/或氧化钙中的一
种或多种复配。
[0010]
所述的辅助胶凝材料为粉煤灰、矿粉、石灰石粉和/或硅灰中的一种或多种复配。
[0011]
所述的石膏为天然二水石膏和/或脱硫石膏中的一种或多种复配。
[0012]
所述的高强无收缩道路硅酸盐水泥的比表面积为300~380m2/kg。
[0013]
所述的高强无收缩道路硅酸盐水泥的制备方法，包括以下步骤：1）生料制备；将钙质原料、硅铝质原料和铁质校正原料混合、粉磨制成水泥生料；2）熟料制备；将水泥生料于1400~1500℃温度下煅烧20~50min，随后采用篦冷机至少以40℃/min的冷却速率冷却至室温，制得高强无收缩道路硅酸盐熟料；3）水泥制备；制得的水泥熟料与补偿收缩组分、辅助胶凝材料、石膏共同粉磨或分别粉磨、混合制成高强无收缩道路硅酸盐水泥。
[0014]
步骤1）中所述的钙质原料为cao含量≥45%的石灰石和/或电石渣中的一种或两种复配。
[0015]
步骤1）中所述的硅铝质原料为al2o3含量≥10%，sio2含量≥50%的页岩、黏土、粉煤灰中的一种或两种及以上复配。
[0016]
步骤1）中所述的铁质校正原料为fe2o3含量≥40%的铁矿石、铜矿渣、铁粉中的一种或两种及以上复配。
[0017]
本发明提出了“补偿收缩+高抗裂道路硅酸盐水泥熟料矿物组成优化”的技术路线，从水泥熟料和水泥制成两个方面统筹优化，通过调控水泥熟料的组分，并引入补偿收缩组分，进而显著降低水泥硬化过程的体积缩减量，提升制成路面混凝土的抗裂性。
[0018]
本发明中水泥熟料中的c4af（铁铝酸四钙）组分保证了路面混凝土的耐磨性能。水泥熟料中的c3s（硅酸三钙）和c2s（硅酸二钙）组分保证了路面混凝土的强度性能，其中前者起早期强度贡献、后者起后期强度贡献。
[0019]
路面混凝土的抗裂性一方面来源于熟料中的c4af（铁铝酸四钙，其水化产物具备增韧效果），另一方面，通过引入补偿收缩组分（即发生水化反应后会产生体积微膨胀的钢渣、钢渣粉、无水硫铝酸钙、氧化镁、氧化钙），降低了由于干燥收缩、化学减缩引起的收缩开裂问题。
[0020]
本发明的高强无收缩道路硅酸盐水泥制成混凝土路面后，同时兼具高强、高耐磨性能，其抗折性能、耐磨性能、抗裂性能优异，可以显著提升高速铁路、高速公路、机场跑道等国家重点道路工程的服役寿命，降低后期维护成本。
具体实施方式
[0021]
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的高强无收缩道路硅酸盐水泥其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
[0022]
实施例1一种高强无收缩道路硅酸盐水泥，由含有如下重量百分比的各组分组成：高强无收缩道路硅酸盐熟料：93%补偿收缩组分：1%
辅助胶凝材料：4%石膏：2%所述的高强无收缩道路硅酸盐熟料含有如下重量百分比的各组分：c3s：50%；c2s： 30%c3a：2%；c4af：18%所述的补偿收缩组分为无水硫铝酸钙。
[0023]
所述的辅助胶凝材料为粉煤灰。
[0024]
所述的石膏为天然二水石膏。
[0025]
所述的高强无收缩道路硅酸盐水泥的比表面积为340m2/kg。
[0026]
上述高强无收缩道路硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）生料制备。将钙质原料、硅铝质原料、铁质校正原料混合、粉磨制成水泥生料。
[0027]
2）熟料制备。将水泥生料于1450℃温度下煅烧30min，随后采用篦冷机以50℃/min的冷却速率冷却至室温，制得高强无收缩道路硅酸盐熟料。
[0028]
3）水泥制备。制得的水泥熟料与补偿收缩组分、辅助胶凝材料、石膏共同粉磨或分别粉磨、混合制成高强无收缩道路硅酸盐水泥。
[0029]
所述的钙质原料为cao含量≥45%的石灰石，硅铝质原料为al2o3含量≥10%，sio2含量≥50%的页岩，铁质校正原料为fe2o3含量≥40%的铜矿渣。
[0030]
按jc/t 2234-2014《水泥早期抗裂性试验方法》评估水泥的抗裂性能。按jc/t 603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》评估水泥的抗干缩性能，按gb/t 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（iso法）》评估水泥的强度性能。通过gb/t 12959-2008《水泥水化热测定方法》测定水泥水化放热量，其性能测试结果见表1。
[0031]
实施例2一种高强无收缩道路硅酸盐水泥，其特征在于，含有如下重量百分比的各组分：高强无收缩道路硅酸盐熟料：75%补偿收缩组分：5%辅助胶凝材料：15%石膏：5%所述的高强无收缩道路硅酸盐熟料含有如下重量百分比的各组分：c3s：55.0%；c2s：23.0%c3a：0.0%；c4af：22.0%所述的补偿收缩组份为钢渣粉。
[0032]
所述的辅助胶凝材料为s95矿粉。
[0033]
所述的石膏为天然二水石膏。
[0034]
所述的高强无收缩道路硅酸盐水泥的比表面积为320m2/kg。
[0035]
上述高强无收缩道路硅酸盐水泥的制备方法，包括以下步骤：
1）生料制备。将钙质原料、硅铝质原料、铁质校正原料混合、粉磨制成水泥生料。
[0036]
2）熟料制备。将水泥生料于1400℃温度下煅烧40min，随后采用篦冷机以40℃/min的冷却速率冷却至室温，制得高强无收缩道路硅酸盐熟料。
[0037]
3）水泥制备。制得的水泥熟料与补偿收缩组分、辅助胶凝材料、石膏共同粉磨或分别粉磨、混合制成高强无收缩道路硅酸盐水泥。
[0038]
进一步的，步骤1）中所述的钙质原料为cao含量≥45%的石灰石，硅铝质原料为al2o3含量≥10%，sio2含量≥50%的黏土，铁质校正原料为fe2o3含量≥40%的铁矿石。
[0039]
按jc/t 2234-2014《水泥早期抗裂性试验方法》评估水泥的抗裂性能。按jc/t 603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》评估水泥的抗干缩性能，按gb/t 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（iso法）》评估水泥的强度性能。通过gb/t 12959-2008《水泥水化热测定方法》测定水泥水化放热量，其性能测试结果见表1。
[0040]
实施例3一种高强无收缩道路硅酸盐水泥，其特征在于，含有如下重量百分比的各组分：高强无收缩道路硅酸盐熟料：65%；补偿收缩组分：7%；辅助胶凝材料：23%；石膏：5%。
[0041]
进一步的，所述的高强无收缩道路硅酸盐熟料含有如下重量百分比的各组分：c3s：58%；c2s：18%c3a：8%；c4af：16%。
[0042]
所述的补偿收缩组分为钢渣粉和无水硫铝酸钙，其质量比为1：1。
[0043]
所述的辅助胶凝材为石灰石粉。
[0044]
所述的石膏为脱硫石膏。
[0045]
所述的高强无收缩道路硅酸盐水泥的比表面积为360m2/kg。
[0046]
上述高强无收缩道路硅酸盐水泥的制备方法，包括以下步骤：1）生料制备。将钙质原料、硅铝质原料、铁质校正原料混合、粉磨制成水泥生料。
[0047]
2）熟料制备。将水泥生料于1500℃温度下煅烧20min随后采用篦冷机以60℃/min的冷却速率冷却至室温，制得高强无收缩道路硅酸盐熟料。
[0048]
3）水泥制备。制得的水泥熟料与补偿收缩组分、辅助胶凝材料、石膏共同粉磨或分别粉磨、混合制成高强无收缩道路硅酸盐水泥。
[0049]
步骤1）中所述的钙质原料为cao含量≥45%的电石渣，硅铝质原料为al2o3含量≥10%，sio2含量≥50%的粉煤灰，铁质校正原料为fe2o3含量≥40%的铁粉。
[0050]
按jc/t 2234-2014《水泥早期抗裂性试验方法》评估水泥的抗裂性能。按jc/t 603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》评估水泥的抗干缩性能，按gb/t 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（iso法）》评估水泥的强度性能。通过gb/t 12959-2008《水泥水化热测定方法》测定水泥水化放热量，其性能测试结果见表1。
[0051]
实施例4
一种高强无收缩道路硅酸盐水泥，其特征在于，含有如下重量百分比的各组分：高强无收缩道路硅酸盐熟料：58%；补偿收缩组分：8%；辅助胶凝材料：27%；石膏：7%。
[0052]
进一步的，所述的高强无收缩道路硅酸盐熟料含有如下重量百分比的各组分：c3s：61%；c2s：18%；c3a：6%；c4af：15%。
[0053]
所述的补偿收缩组分为氧化镁。
[0054]
所述的辅助胶凝材料为粉煤灰和硅灰，其质量比为5：1。
[0055]
所述的石膏为天然二水石膏和脱硫石膏，其质量比为1:2。
[0056]
所述的高强无收缩道路硅酸盐水泥的比表面积为380m2/kg。
[0057]
上述高强无收缩道路硅酸盐水泥的制备方法，包括以下步骤：1）生料制备。将钙质原料、硅铝质原料、铁质校正原料混合、粉磨制成水泥生料。
[0058]
2）熟料制备。将水泥生料于1450℃温度下煅烧50min随后采用篦冷机以50℃/min的冷却速率冷却至室温，制得高强无收缩道路硅酸盐熟料。
[0059]
3）水泥制备。制得的水泥熟料与补偿收缩组分、辅助胶凝材料、石膏共同粉磨或分别粉磨、混合制成高强无收缩道路硅酸盐水泥。
[0060]
步骤1）中所述的钙质原料为cao含量≥45%的石灰石和电石渣混合物，质量比为1：1，硅铝质原料为al2o3含量≥10%，sio2含量≥50%的粉煤灰和黏土，质量比为2:1，铁质校正原料为fe2o3含量≥40%的铜矿渣。
[0061]
按jc/t 2234-2014《水泥早期抗裂性试验方法》评估水泥的抗裂性能。按jc/t 603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》评估水泥的抗干缩性能，按gb/t 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（iso法）》评估水泥的强度性能。通过gb/t 12959-2008《水泥水化热测定方法》测定水泥水化放热量，其性能测试结果见表1。
[0062]
实施例5一种高强无收缩道路硅酸盐水泥，其特征在于，含有如下重量百分比的各组分：高强无收缩道路硅酸盐熟料：52%；补偿收缩组分：10%；辅助胶凝材料：30%；石膏：8%。
[0063]
进一步的，所述的高强无收缩道路硅酸盐熟料含有如下重量百分比的各组分：c3s：65%；c2s：15%；c3a：5%；c4af：15%。
[0064]
所述的补偿收缩组分为氧化镁和钢渣，其质量比为1：3。
[0065]
所述的辅助胶凝材料为粉煤灰和石灰石粉，其质量比为2：1。
[0066]
所述的石膏为天然二水石膏。
[0067]
所述的高强无收缩道路硅酸盐水泥的比表面积为300m2/kg。
[0068]
上述高强无收缩道路硅酸盐水泥的制备方法，包括以下步骤：1）生料制备。将钙质原料、硅铝质原料、铁质校正原料混合、粉磨制成水泥生料。
[0069]
2）熟料制备。将水泥生料于1450℃温度下煅烧30min随后采用篦冷机以60℃/min的冷却速率冷却至室温，制得高强无收缩道路硅酸盐熟料。
[0070]
3）水泥制备。制得的水泥熟料与补偿收缩组分、辅助胶凝材料、石膏共同粉磨或分别粉磨、混合制成高强无收缩道路硅酸盐水泥。
[0071]
步骤1）中所述的钙质原料为cao含量≥45%的石灰石和电石渣混合物，比例为2：1，硅铝质原料为al2o3含量≥10%，sio2含量≥50%的粉煤灰，铁质校正原料为fe2o3含量≥40%的铁矿石和铁粉，质量比为1:1。
[0072]
按jc/t 2234-2014《水泥早期抗裂性试验方法》评估水泥的抗裂性能。按jc/t 603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》评估水泥的抗干缩性能，按gb/t 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（iso法）》评估水泥的强度性能。通过gb/t 12959-2008《水泥水化热测定方法》测定水泥水化放热量，其性能测试结果见表1。
[0073]
c3a（铝酸三钙）的水化产物主要贡献早期强度，但干缩率较大，本案主要通过将其限制在较小比例，进一步降低水泥硬化后的干缩率。
[0074]
表1 实施例1-5所制备的高强无收缩道路硅酸盐水泥的物理性能以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。