CN101486554A - 一种低成本活性粉末混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

活性粉末混凝土，由质量比为0.52～0.58∶0.16～0.18∶0.10～0.16∶0.13～0.16∶0.012～0.018∶0.9～1.1∶0.14～0.18∶0.156～0.234的硅酸盐水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、高效减水剂、河砂、拌和水及钢纤维制得。其制法为：将各组份依次加入搅拌机中搅拌均匀后成型，并在养护后，以15～20℃/h的升温速度升温至80～90℃并恒温养护72～96h，随后在不高于20℃/h的冷却速度下冷却至室温后，得到活性粉末混凝土产品。本发明采用钢渣粉、粉煤灰等工业废料代替石英粉、部分水泥和硅灰，采用细河砂代替石英砂，在常压100℃以下养护条件下制备200级活性粉末混凝土，不仅可以显著降低原料成本和成型养护成本，而且还由于使用了较大量工业废渣，对于节约资源能源、保护环境和促进可持续发展也具有重要作用。

Description

一种低成本活性粉末混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种低成本、含有大量工业废料的活性粉末混凝土及其制备方法。

背景技术

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)是上世纪90年代由法国Bouygues公司率先研制成功的一种新型超高性能水泥基复合材料。它是根据最大密实堆积原理，优化颗粒级配，通过使用高活性、高细度的火山灰材料并剔除粗骨料等手段，达到所含微裂纹和孔隙等缺陷最小，以获得超高强度与优异的耐久性。在其凝结硬化过程中，采取预压、加热等养护成型工艺以进一步提高其力学性能；掺入微钢纤维以改善RPC的延性、提高其抗拉强度。由于RPC材料的超高力学性能和优异耐久性，在现代土木工程中具有广阔的应用前景。在国外，如法国、美国、加拿大等国，活性粉末混凝土材料已经用于实际工程，我国不少科研机构也开展了对活性粉末混凝土的开发与应用研究。

活性粉末是RPC的基本组成部分。由国外RPC研究与应用情况可知，其活性粉末主要是水泥、硅灰和石英粉，其中单方混凝土水泥用量高(通常800～1000kg/m³)，硅灰掺量达20％以上，石英粉掺量达18％，不仅导致RPC的水化热较高，温度收缩和自收缩较大，增加RPC收缩开裂的危险性，影响其耐久性，而且也会增加RPC的原料成本。同时，在制备过程中采用预压、高温(200～250℃)等成型养护方式，对成型设备的要求较高，致使RPC生产养护成本也较高、能耗更大，阻碍了这一性能优异的新型材料的推广和应用。因此，设法降低RPC材料中的水泥用量，减少自收缩和因水化热引起的温度收缩，寻找和采用与实际应用相符且满足RPC配制原则的活性材料和适宜的养护制度，是我国活性粉末混凝土研究的重要方向之一。

国内有研究者采用磨细粉煤灰、超细矿渣等掺合料代替部分硅灰制备活性粉末混凝土，在一定程度上起到了降低成本、节约资源能源的作用。但是，其活性粉末中仍使用了大量的石英粉，且细集料为石英砂，因而原料成本仍然较高。此外，有研究表明，活性粉末混凝土中的磨细石英粉在200℃以上和一定的压力下进行高温蒸压养护时才能观测到明显的反应迹象，而在常压热养护(100℃及以下)条件下，石英粉的反应活性较低，这就使得其与水泥石基体存在明显的界面过渡区。另一方面，虽然硅灰和磨细矿渣粉是目前公认效果最佳的活性材料，但由于它们数量有限，目前已不能满足水泥混凝土工程的需求。对于其它活性材料，如火山灰、硅藻土、沸石粉、浮石粉和稻壳灰等，也存在资源分布与总数不足的问题。而相对分布广、数量多的工业废渣，如钢渣等，由于其本身组成波动大，同时也缺乏更深入的理论研究及理论创新，高效率的利用技术尚未成熟，实际利用率较低。

发明内容

针对以上主要问题，本发明的目的在于提供一种低成本活性粉末混凝土及其制备方法。

它在充分利用钢渣粉的特性与胶凝性能的基础上，通过材料复合技术，用磨细钢渣粉并辅以超细粉煤灰代替石英粉、部分水泥和硅灰，同时采用一定细度的天然河砂代替石英砂，在常压热养护(低于100℃)条件下制备活性粉末混凝土。本发明得到的活性粉末混凝土抗压强度180MPa以上，属于RPC200级(抗压强度170～230MPa)。本发明不仅可以明显降低活性粉末混凝土的原料成本和养护成本，对于活性粉末混凝土在我国的推广和应用具有重要意义，而且还由于使用了较大量工业废渣，因而对于节约资源能源、保护环境和促进可持续发展也具有重要作用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：活性粉末混凝土，由水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、高效减水剂、河砂、拌和水和钢纤维制得；其中，水泥∶钢渣粉∶粉煤灰∶硅灰∶高效减水剂∶河砂∶拌和水∶钢纤维的质量配比为：(0.52～0.58)∶(0.16～0.18)：(0.10～0.16)∶(0.13～0.16)∶(0.012～0.018)∶(0.9～1.1)∶(0.14～0.18)∶(0.156～0.234)，且水泥、钢渣粉、粉煤灰和硅灰四种组份之和为1，高效减水剂的质量配比以其固含量计；水泥为强度等级不低于42.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；钢渣粉的碱度系数K_a(CaO/(SiO₂+P₂O₅))≥3.0，比表面积≥450m²/kg；粉煤灰的比表面积≥600m²/kg，需水量比不大于95％；硅灰的比表面积≥20000m²/kg，SiO₂含量≥86％；高效减水剂的减水率≥30％；河砂粒径范围0.16～0.63mm；钢纤维直径0.18～0.21mm，长径比大于60，抗拉强度≥1800MPa。

上述活性粉末混凝土可采用以下两种方法之一制备：

1.低成本活性粉末混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1)选取水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、高效减水剂、河砂、拌和水及钢纤维；其中，水泥为强度等级不低于42.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；钢渣粉的碱度系数K_a(CaO/(SiO₂+P₂O₅))≥3.0，比表面积≥450m²/kg；粉煤灰的比表面积≥600m²/kg，需水量比不大于95％；硅灰的比表面积≥20000m²/kg，SiO₂含量≥86％；高效减水剂的减水率≥30％；河砂粒径范围0.16～0.63mm；钢纤维直径0.18～0.21mm，长径比大于60，抗拉强度≥1800MPa；

2)按各组份质量配比称取各组份。各组份配比为：水泥∶钢渣粉∶粉煤灰∶硅灰∶高效减水剂∶河砂∶拌和水∶钢纤维＝(0.52～0.58)∶(0.16～0.18)∶(0.10～0.16)∶(0.13～0.16)∶(0.012～0.018)∶(0.9～1.1)∶(0.14～0.18)∶(0.156～0.234)，其中，水泥、钢渣粉、粉煤灰及硅灰四种组份之和为1，高效减水剂的质量配比以其固含量计。将称好后的水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰和河砂依次加入搅拌机中干拌均匀，再加入称好的拌和水(溶有称好的高效减水剂)继续搅拌至均匀，然后均匀撒入钢纤维后继续搅拌。拌均后将拌和物浇注于模具或模板内，经振动(使用混凝土振动台或混凝土振捣器)排除拌和物中包裹的气泡，并成型得混凝土试件，用不透水的薄膜覆盖试件表面以防止水分散失，并在温度为(20±5)℃的环境中静置1d后拆模；

3)将拆模后的试件在温度为(20±2)℃、相对湿度不低于95％的条件下养护至4d龄期，然后移入混凝土养护设备中，并以15～20℃/h的升温速度升温至80～90℃并恒温养护72～96h，随后在不高于20℃/h的冷却速度下冷却至室温后，即得产品，其抗压强度180MPa以上。

2低成本活性粉末混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1)选取水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、高效减水剂、河砂、拌和水及钢纤维；其中，水泥为强度等级不低于42.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；钢渣粉的碱度系数K_a(CaO/(SiO₂+P₂O₅))≥3.0，比表面积≥450m²/kg；粉煤灰的比表面积≥600m²/kg，需水量比不大于95％；硅灰的比表面积≥20000m²/kg，SiO₂含量≥86％；高效减水剂的减水率≥30％；河砂粒径范围0.16～0.63mm；钢纤维直径0.18～0.21mm，长径比大于60，抗拉强度≥1800MPa；

2)按各组份质量配比称取各组份。各组份配比为：水泥∶钢渣粉∶粉煤灰∶硅灰∶高效减水剂∶河砂∶拌和水∶钢纤维＝(0.52～0.58)∶(0.16～0.18)∶(0.10～0.16)∶(0.13～0.16)∶(0.012～0.018)∶(0.9～1.1)∶(0.14～0.18)∶(0.156～0.234)，其中，水泥、钢渣粉、粉煤灰及硅灰四种组份之和为1，高效减水剂的质量配比以其固含量计。将称好后的水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、河砂及钢纤维加入搅拌机中干拌均匀，再加入称好的拌和水(溶有称好的高效减水剂)继续搅拌。搅拌均匀后将拌和物浇注于模具或模板内，经振动(使用混凝土振动台或混凝土振捣器)排除拌和物中包裹的气泡，并成型得混凝土试件，用不透水的薄膜覆盖试件表面以防止水分散失，并在温度为(20±5)℃的环境中静置1d后拆模；

3)将拆模后的试件在温度为(20±2)℃、相对湿度不低于95％的条件下养护至4d龄期，然后移入混凝土养护设备中，并以15～20℃/h的升温速度升温至80～90℃并恒温养护72～96h，随后在不高于20℃/h的冷却速度下冷却至室温后，即得产品，其抗压强度180MPa以上。

本发明的显著特点和优点是，采用钢渣粉、粉煤灰等工业废料代替石英粉、部分水泥和硅灰，采用细河砂代替石英砂，在常压100℃以下养护条件下制得了200级活性粉末混凝土。因而，不仅可以显著降低活性粉末混凝土的原料成本和成型养护成本，有利于活性粉末混凝土在我国的推广和应用，而且还由于使用了较大量工业废渣，对于节约资源能源、保护环境和促进可持续发展也具有重要作用。

具体实施方式

实例1：

低成本活性粉末混凝土，它由水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、高效减水剂、河砂、拌和水及钢纤维采用以下方法制备得到：

1)选取水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、聚羧酸高效减水剂、河砂、拌和水及钢纤维。其中，水泥为葛洲坝股份有限公司生产的P.I42.5，28d抗压强度57.3MPa，抗折强度6.5MPa；钢渣粉为武钢绿色冶金渣有限公司生产，碱度系数K_a(CaO/(SiO₂+P₂O₅))为3.2，比表面积541m²/kg；粉煤灰为武汉青山电厂I级粉煤灰经球磨机粉磨至比表面积659m²/kg，需水量比90％；硅灰由武汉浩源化学建材有限公司提供，比表面积20000m²/kg，平均粒径0.1μm，SiO₂含量大于91％；高效减水剂为武汉浩源化学建材有限公司生产的聚羧酸高效减水剂PC100—NR，固含量25％，减水率35％；河砂为巴河中砂，经筛洗并烘干，粒径0.16～0.63mm；拌和用水为洁净自来水；钢纤维为表面镀铜平直钢纤维，武汉新途工程纤维制造有限公司生产，直径0.21mm，长度为13mm，抗拉强度2800MPa；

2)按各组份的质量配比称取各组份。其各组份的质量配比如表1所示，其中，水泥、钢渣粉、粉煤灰及硅灰四种组份之和为1，高效减水剂的质量配比以其固含量计；将称好后的水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰和河砂依次加入搅拌机中干拌均匀，再加入称好的拌和水(溶有称好的高效减水剂)继续搅拌至均匀，再均匀撒入钢纤维后继续搅拌。搅均后将拌和物浇注于(40mm×40mm×160mm)模具内，在混凝土振动台(振动频率50Hz)上振动120s以排除拌和物中包裹的气泡，并成型得混凝土试件，立即在试件表面盖上塑料薄膜并置于标准养护室中，1d后拆模；

3)拆模后的试件置于(20±2)℃的水中养护至4d龄期，再移入混凝土快速养护箱中，以15℃/h的升温速度升温至80℃并恒温养护96h，然后在等温的热水中以20℃/h的降温速度冷却至室温，即得低成本活性粉末混凝土，其抗压强度180MPa以上。具体实施结果见表1。

表1 低成本活性粉末混凝土的各组份质量配比及实施结果

实例2：

低成本活性粉末混凝土，它由水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、高效减水剂、河砂、拌和水及钢纤维采用以下方法制备得到：

1)选取水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、高浓型萘系高效减水剂、河砂、拌和水及钢纤维。其中，水泥为葛洲坝股份有限公司生产的P.O52.5，3d抗压强度29.6MPa，28d抗压强度61.5MPa；钢渣粉为武钢绿色冶金渣有限公司生产，碱度系数K_a(CaO/(SiO₂+P₂O₅))为3.4，比表面积514m²/kg；粉煤灰为武汉阳逻电厂I级粉煤灰经球磨机粉磨至比表面积694m²/kg，需水量比90％；硅灰由武汉浩源化学建材有限公司提供，比表面积21000m²/kg，平均粒径0.09μm，SiO₂含量92％；高效减水剂为广东湛江外加剂厂生产的高浓型萘系高效减水剂FDN，固含量33％，减水率30％；河砂为巴河中砂，经筛洗并烘干，粒径范围0.16～0.63mm；拌和水为洁净自来水；钢纤维为武汉新途工程纤维制造有限公司生产的表面镀铜平直钢纤维，直径0.18mm，长度13mm，抗拉强度1800MPa；

2)按各组份的质量配比称取各组份，其各组份的质量配比如表2所示。将称好后的水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、河砂及钢纤维依次加入搅拌机中干拌均匀，再加入称好的拌和水(溶有称好的高效减水剂)继续搅拌。搅均后将拌和物浇注于(40mm×40mm×160mm)模具内，在混凝土振动台(振动频率50Hz)上振动120s以排除拌和物中包裹的气泡，并成型得混凝土试件，立即在试件表面盖上塑料薄膜并置于标准养护室中，1d后拆模；

3)将拆模后的试件在(20±2)℃的水中养护至4d龄期，再移入混凝土快速养护箱中，在18℃/h的升温速度升温至90℃并恒温养护72h，然后在等温的热水中以20℃/h的冷却速度冷却至室温，即得低成本活性粉末混凝土，其抗压强度180MPa以上。具体实施结果见表2。

表2 低成本活性粉末混凝土的各组份质量配比及实施结果

实例3：

低成本活性粉末混凝土，它由水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、高效减水剂、河砂、拌和水及钢纤维采用以下方法制备得到：

1)选取水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、可溶性树脂型高效减水剂、河砂、拌和水及钢纤维。其中，水泥为葛洲坝股份有限公司生产的P.O52.5水泥，3d抗压强度31.6MPa，28d抗压强度67.5MPa；钢渣粉为武钢绿色冶金渣有限公司生产，碱度系数K_a(CaO/(SiO₂+P₂O₅))为3.2，比表面积541m²/kg；粉煤灰为武汉青山电厂I级粉煤灰经球磨机粉磨至比表面积659m²/kg，需水量比90％；硅灰由武汉浩源化学建材有限公司提供，比表面积22000m²/kg，平均粒径0.09μm，SiO₂含量92％；高效减水剂为北京城建集团构件厂生产的可溶性树脂型高效减水剂DSF—2，固含量31％，减水率30％；河砂为巴河中砂，经筛洗并烘干，粒径范围0.16～0.63mm；拌和水为洁净自来水；钢纤维为武汉新途工程纤维制造有限公司生产的表面镀铜平直钢纤维，直径0.2mm，长度13mm，抗拉强度1800MPa；

2)按各组份的质量配比称取各组份，其各组份的质量配比如表3所示。将称好后的水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、河砂依次加入搅拌机中干拌均匀，再加入称好的拌和水(溶有称好的高效减水剂)继续搅拌至均匀，再均匀地撒入钢纤维继续搅拌。搅均后将拌和物浇注于(40mm×40mm×160mm)模具内，在混凝土振动台(振动频率50Hz)上振动120s以排除拌和物中包裹的气泡，并成型得混凝土试件，随后在试件表面盖上塑料薄膜并置于标准养护室中，1d后拆模；

3)拆模后的试件置于(20±2)℃的水中养护至4d龄期，再移入混凝土快速养护箱中以20℃/h的升温速度升温至90℃并恒温养护72h，然后在等温的热水中以20℃/h的冷却速度冷却至室温，即得低成本活性粉末混凝土，其抗压强度190MPa以上。具体实施结果见表3。

表3 低成本活性粉末混凝土的各组份质量配比及实施结果

Claims (3)

1.活性粉末混凝土，由水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、高效减水剂、河砂、拌和水和钢纤维制得；其中，水泥∶钢渣粉∶粉煤灰∶硅灰∶高效减水剂∶河砂∶拌和水∶钢纤维的质量配比为：(0.52～0.58)∶(0.16～0.18)∶(0.10～0.16)∶(0.13～0.16)∶(0.012～0.018)∶(0.9～1.1)∶(0.14～0.18)∶(0.156～0.234)，且水泥、钢渣粉、粉煤灰和硅灰四种组份之和为1，高效减水剂的质量配比以其固含量计；水泥为强度等级不低于42.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；钢渣粉的碱度系数K_a≥3.0，比表面积≥450m²/kg；粉煤灰的比表面积≥600m²/kg，需水量比不大于95％；硅灰的比表面积≥20000m²/kg，SiO₂含量≥86％；高效减水剂的减水率≥30％；河砂粒径范围0.16～0.63mm；钢纤维直径0.18～0.21mm，长径比大于60，抗拉强度≥1800MPa。

2.权利要求1所述的活性粉末混凝土的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)选取水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、高效减水剂、河砂、拌和水及钢纤维；其中，水泥为强度等级不低于42.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；钢渣粉的碱度系数Ka(CaO/(SiO₂+P₂O₅))≥3.0，比表面积≥450m²/kg；粉煤灰的比表面积≥600m²/kg，需水量比不大于95％；硅灰的比表面积≥20000m²/kg，SiO₂含量≥86％；高效减水剂的减水率≥30％；河砂粒径范围0.16～0.63mm；钢纤维直径0.18～0.21mm，长径比>60，抗拉强度≥1800MPa；

2)按各组份质量配比称取各组份，各组份配比为：水泥∶钢渣粉∶粉煤灰∶硅灰∶高效减水剂∶河砂∶拌和水∶钢纤维＝(0.52～0.58)∶(0.16～0.18)∶(0.10～0.16)：(0.13～0.16)∶(0.012～0.018)∶(0.9～1.1)∶(0.14～0.18)∶(0.156～0.234)，其中，水泥、钢渣粉、粉煤灰及硅灰四种组份之和为1，且高效减水剂的质量配比以其固含量计；将称量好的水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰和河砂依次加入搅拌机中干拌均匀，然后加入溶有高效减水剂的拌和水继续搅拌至均匀，再均匀撒入钢纤维后继续搅拌，拌均后将拌和物浇注于模具或模板内，振动排除拌和物中包裹的气泡，成型得混凝土试件，用不透水的薄膜覆盖试件表面，并在温度为(20±5)℃的环境中静置1d后拆模；

3)将步骤2)拆模后得到的试件在温度为(20±2)℃、相对湿度不低于95％的条件下养护至4d龄期，然后移入混凝土养护设备中，并以15～20℃/h的升温速度升温至80～90℃并恒温养护72～96h，随后在不高于20℃/h的冷却速度下冷却至室温后，得到活性粉末混凝土产品。

3.权利要求1所述的活性粉末混凝土的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)选取水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、高效减水剂、河砂、拌和水及钢纤维；其中，水泥为强度等级不低于42.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；钢渣粉的碱度系数K_a≥3.0，比表面积≥450m²/kg；粉煤灰的比表面积≥600m²/kg，需水量比不大于95％；硅灰的比表面积≥20000m²/kg，SiO₂含量≥86％；高效减水剂的减水率≥30％；河砂粒径范围0.16～0.63mm；钢纤维直径0.18～0.21mm，长径比>60，抗拉强度≥1800MPa；

2)按各组份质量配比称取各组份。各组份配比为：水泥∶钢渣粉∶粉煤灰∶硅灰∶高效减水剂∶河砂∶拌和水∶钢纤维＝(0.52～0.58)∶(0.16～0.18)∶(0.10～0.16)∶(0.13～0.16)∶(0.012～0.018)∶(0.9～1.1)∶(0.14～0.18)∶(0.156～0.234)，其中，水泥、钢渣粉、粉煤灰及硅灰四种组份之和为1，且高效减水剂的质量配比以其固含量计；将称好后的水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、河砂及钢纤维加入搅拌机中干拌均匀，再加入溶有高效减水剂的拌和水继续搅拌；搅拌均匀后将拌和物浇注于模具或模板内，经振动排除拌和物中包裹的气泡，成型得混凝土试件，用不透水的薄膜覆盖试件表面，并在温度为(20±5)℃的环境中静置1d后拆模；

3)将步骤2)拆模后得到的试件在温度为(20±2)℃、相对湿度不低于95％的条件下养护至4d龄期，然后移入混凝土养护设备中，并以15～20℃/h的升温速度升温至80～90℃并恒温养护72～96h，随后在不高于20℃/h的冷却速度下冷却至室温后，得到活性粉末混凝土产品。