CN101891425A - 一种活性粉末混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种活性粉末混凝土及其制备方法。一种活性粉末混凝土，其特征在于它包括水泥、硅灰、碱活性石粉、砂、钢纤维、减水剂和水原材料；水泥、硅灰、碱活性石粉、砂、钢纤维、减水剂、水的重量比为(0.6～0.9)∶0.1∶(0.1～0.3)∶1∶(0.06～0.14)∶(0.02～0.025)∶(0.145～0.188)。所述的碱活性石粉为硅质岩磨细加工而成，具有碱活性，14天砂浆棒快速检测膨胀率＞0.20％，比表面积＞600m2/kg。本发明提高了石料资源的利用率，并且混凝土强度超过200MPa，无破坏性碱-集料反应的发生。

Description

一种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技术领域，具体涉及一种活性粉末混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土的碱-集料反应作为导致混凝土耐久性下降的重要原因之一，已在世界范围内造成了大量混凝土工程的破坏和巨大的经济损失。碱含量是指混凝土中等当量氧化钠的含量，以kg/m3计。当水泥含碱含量超过0.6wt％或混凝土中含碱量超过3.0kg/m3时，在潮湿环境下，碱活性集料将发生碱-集料反应，导致混凝土发生膨胀破坏。因为由碱-集料反应造成的开裂破坏难以阻止其继续发展和修补，所以被称为混凝土的“癌症”。
碱-集料反应有三个必要条件：集料中含有活性成分，并超过一定数量；混凝土中含碱量较高；有水分。从这三个必要条件出发，人们已经发现了一些防止碱-集料反应的抑制措施，例如：选择非碱活性集料；选择低碱水泥，并控制混凝土中总的含碱量；在混凝土中掺入适量的活性掺合料，如粉煤灰、硅灰等；在混凝土中掺入引气剂，使其中含有大量均匀分布的微笑气泡，可减小膨胀破坏作用；在条件允许时，采取防止外界水分渗入混凝土内部的措施等。在各国采取的大量预防碱-集料反应发生的措施中，使用非活性集料是最安全可靠的措施。因此，在混凝土界，人们通常不会采用碱活性集料来配制混凝土，而是使用无碱活性的优质集料，这在一方面降低了碱-集料反应发生的可能，但在另一方面也增加了一定的经济成本，同时也造成了一定的资源浪费。
活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete)是近年来发展起来的一种超高强、低脆性，空隙率低且具有高耐久性的新型水泥基复合材料，由法国Bouygues公司在1993年率先研制成功。活性粉末混凝土的基本设计思想是：通过提高材料组分的细度与活性，减少材料内部的缺陷(如：孔隙与微裂缝)，获得超高强度与高耐久性。根据这个原理，活性粉末混凝土所采用的原材料平均颗粒尺寸在0.1～1.0mm之间，目的是尽量减小混凝土中的孔间距，从而提高拌合物的密实度。世界上第一座以活性粉末混凝土为材料的步行桥位于加拿大魁北克省的Sherebrooke市，该桥由于采用活性粉末混凝土，大大减轻了自重，提高了在高湿度环境、频繁受除冰盐腐蚀与冻融循环作用下的结构耐久性能。Lafarge公司在美国Iowa州建造的Mars Hill桥，由于完全采用活性粉末混凝土材料建造，该桥2006年获得美国PCI学会两年一届的“第十届桥梁竞赛奖”，并被誉为“未来的桥梁”。
活性粉末混凝土虽然具有良好的力学性能和优异的耐久性，但毕竟问世的时间不长，关于活性粉末混凝土在碱-集料反应方面的研究较少，更没有人将具有碱活性的集料作为原料应用于活性粉末混凝土中。
发明内容
本发明的目的是提供一种活性粉末混凝土及其制备方法，该方法可提高硅质岩的利用率。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种活性粉末混凝土，其特征在于它包括水泥、硅灰、碱活性石粉、砂、钢纤维、减水剂和水原材料；水泥、硅灰、碱活性石粉、砂、钢纤维、减水剂、水的重量比为(0.6～0.9)∶0.1∶(0.1～0.3)∶1∶(0.06～0.14)∶(0.02～0.025)∶(0.145～0.188)。
所述的水泥为普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，强度等级≥42.5。
所述的硅灰的比表面积≥15000m2/kg，SiO2含量≥90％。
所述的碱活性石粉为硅质岩磨细加工而成，具有碱活性，14天砂浆棒快速检测膨胀率＞0.20％，比表面积＞600m2/kg。
所述的砂为天然河砂，细度为40～70目。
所述的钢纤维，长度为15～30mm，直径为0.2～0.4mm，抗拉强度为1000MPa级，即抗拉强度≥1000MPa。
所述的减水剂为聚羧酸系高效减水剂。
所述的水为自来水。
上述一种活性粉末混凝土的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)原材料的选取：按水泥、硅灰、碱活性石粉、砂、钢纤维、减水剂、水的重量比为(0.6～0.9)∶0.1∶(0.1～0.3)∶1∶(0.06～0.14)∶(0.02～0.025)∶(0.145～0.188)，选取水泥、硅灰、碱活性石粉、砂、钢纤维、减水剂和水，备用；
2)搅拌：首先将水泥、硅灰、碱活性石粉倒入搅拌机内，搅拌2～4分钟，加砂再搅拌1～2分钟，再加入钢纤维搅拌2～4分钟，加水和减水剂搅拌6～8分钟，得到混合料；
3)养护：混合料浇筑入模后24小时拆模，立即放入75～95℃、标准大气压的环境下，蒸养72小时，之后自然冷却。
利用碱活性石粉制备活性粉末混凝土的可行性分析：由于活性粉末混凝土的水胶比很低，通常在0.20以下，一方面，内部水分不足以使胶凝材料完全水化，混凝土内部无自由水存在；另一方面，活性粉末混凝土具有致密的微观结构，外界水分不能渗入。因此，本发明有效地控制了有水的环境，这也是碱-集料反应的三个必要条件之一；而且，碱活性石粉颗粒很细，并均匀地分布在活性粉末混凝土中，颗粒反应在材料中均匀分布，因而活性粉末混凝土不会因碱-集料反应而破坏。
本发明的有益效果是：将原来不能用的硅质岩通过制成石粉，使得成为可以使用的原材料；利用硅质岩(碱活性集料)粉磨制成石粉，来配制活性粉末混凝土，这种混凝土利用碱活性石粉替代了部分水泥，提高了石料资源的利用率，并且混凝土强度超过200MPa，无破坏性碱-集料反应的发生。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1～9：
一种利用碱活性石粉制备的活性粉末混凝土，各原材料所占重量比如表1所示。
表1活性粉末混凝土的原材料重量比和强度值
  编号   水泥   硅灰   碱活性石粉   砂   钢纤维   减水剂   水   抗压强度
  对比样1   0.9   0.1   0   1   0.06   0.025   0.145   224.6
  实施例1   0.8   0.1   0.1   1   0.06   0.025   0.145   228.1
  实施例2   0.7   0.1   0.2   1   0.06   0.025   0.145   231.4
  实施例3   0.6   0.1   0.3   1   0.06   0.025   0.145   222.5
  对比样2   0.9   0.1   0   1   0.10   0.025   0.145   245.3
  实施例4   0.8   0.1   0.1   1   0.10   0.025   0.145   244.5
  实施例5   0.7   0.1   0.2   1   0.10   0.025   0.145   248.8
  实施例6   0.6   0.1   0.3   1   0.10   0.025   0.145   228.4
  对比样3   0.9   0.1   0   1   0.14   0.025   0.145   260.4
  实施例7   0.8   0.1   0.1   1   0.14   0.025   0.145   270.3
  实施例8   0.7   0.1   0.2   1   0.14   0.025   0.145   272.4
  实施例9   0.6   0.1   0.3   1   0.14   0.025   0.145   244.5
碱活性石粉：来自贵州构皮滩水电站，为白云质玉髓硅质岩磨细加工而成，根据《水工混凝土骨料试验规范DL/T 5151-2001》，14天砂浆棒快速检测膨胀率为0.239％，为碱活性骨料，碱活性石粉的比表面积为653m2/kg；
水泥：普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5；
硅灰：比表面积为20000m2/kg，SiO2含量为95％；
砂：天然河砂，细度为50目；
钢纤维：鞍山市昌宏钢纤维厂生产，长度为18mm，直径为0.2mm，抗拉强度为1000MPa级；
减水剂：Sika公司聚羧酸系20HE-1高效减水剂，40％含固量；
水：自来水。
将上述活性粉末混凝土按如下步骤进行制备：
1)搅拌：首先将水泥、硅灰、碱活性石粉倒入搅拌机内，搅拌2分钟，加砂再搅拌2分钟，再加入钢纤维搅拌2分钟，加水和减水剂搅拌8分钟，得到混合料；
2)养护：混合料浇筑入模后24小时拆模，立即放入90℃、标准大气压的环境下，蒸养72小时，之后自然冷却。
得到的各组利用碱活性石粉制备的活性粉末混凝土，其强度值如表1所示。
为检验混凝土是否具有潜在的碱集料反应，参考《水工混凝土骨料试验规范DL/T5151-2001》，外加NaOH使水泥含碱当量达到1.25％，试件尺寸为275×75×75mm。按照以上重量比在室温为20±2℃的拌和成型试件，试件成型后连试模一起送入室温为20±1℃、相对湿度95％以上的养护箱中养护24±4小时后拆模，然后把试件放入室温为38±2℃的养护室中养护。在1周、2周、4周、13周、26周和52周龄期测量试件的长度变化。实验如表2所示，结果表明所有试件的1年龄期膨胀率均低于0.040％，没有发生破坏性碱-骨料反应膨胀。
表2混凝土棱柱体法试验结果(膨胀率％)
  编号   1周   2周   4周   13周   26周   52周
  对比样1   0.009   0.011   0.012   0.016   0.019   0.021
  实施例1   0.01   0.011   0.012   0.017   0.020   0.022
  实施例2   0.011   0.012   0.013   0.018   0.021   0.023
  实施例3   0.011   0.013   0.014   0.019   0.022   0.025
  对比样2   0.009   0.010   0.011   0.015   0.018   0.020
  实施例4   0.009   0.011   0.012   0.016   0.019   0.021
  实施例5   0.01   0.011   0.012   0.017   0.020   0.022
  实施例6   0.01   0.012   0.013   0.018   0.021   0.023
  对比样3   0.008   0.010   0.010   0.014   0.017   0.019
  实施例7   0.009   0.010   0.011   0.015   0.018   0.020
  实施例8   0.009   0.011   0.012   0.016   0.019   0.021
  实施例9   0.01   0.011   0.012   0.017   0.020   0.022
实施例10～18：
一种利用碱活性石粉制备的活性粉末混凝土，各原材料所占重量比如表3所示。
表3活性粉末混凝土的原材料重量比和强度值
  编号   水泥   硅灰   碱活性石粉   砂   钢纤维   减水剂   水   抗压强度
  对比样4   0.9   0.1   0   1   0.06   0.02   0.168   220.7
  实施例10   0.8   0.1   0.1   1   0.06   0.02   0.168   228.5
  实施例11   0.7   0.1   0.2   1   0.06   0.02   0.168   232.2
  实施例12   0.6   0.1   0.3   1   0.06   0.02   0.168   210.8
  对比样5   0.9   0.1   0   1   0.10   0.02   0.168   225.1
  实施例13   0.8   0.1   0.1   1   0.10   0.02   0.168   228.4
  实施例14   0.7   0.1   0.2   1   0.10   0.02   0.168   235.6
  实施例15   0.6   0.1   0.3   1   0.10   0.02   0.168   224.3
  对比样6   0.9   0.1   0   1   0.14   0.02   0.168   235.6
  实施例16   0.8   0.1   0.1   1   0.14   0.02   0.168   244.5
  实施例17   0.7   0.1   0.2   1   0.14   0.02   0.168   251.8
  实施例18   0.6   0.1   0.3   1   0.14   0.02   0.168   211.3
碱活性石粉：为白云质玉髓硅质岩磨细加工而成，根据《水工混凝土骨料试验规范DL/T5151-2001》，14天砂浆棒快速检测膨胀率为0.311％，为碱活性骨料，碱活性石粉的比表面积为610m2/kg；
水泥：硅酸盐水泥，强度等级为42.5；
硅灰：比表面积为15000m2/kg，SiO2含量为93％；
砂：天然河砂，细度为70目；
钢纤维：长度为15mm，直径为0.2mm，抗拉强度为1000MPa级；
减水剂：聚羧酸高效减水剂，固含量30％，减水率27％；
水：自来水。
将上述的利用碱活性石粉制备的活性粉末混凝土按如下步骤进行制备：
1)搅拌：首先将水泥、硅灰、碱活性石粉倒入搅拌机内，搅拌4分钟，加砂再搅拌1分钟，再加入钢纤维搅拌4分钟，加水和减水剂搅拌6分钟，得到混合料；
2)养护：混合料浇筑入模后24小时拆模，立即放入75℃、标准大气压的环境下，蒸养72小时，之后自然冷却。
得到的各组利用碱活性石粉制备的活性粉末混凝土，其强度值如表3所示。
为检验混凝土是否具有潜在的碱集料反应，参考《水工混凝土骨料试验规范DL/T5151-2001》，外加NaOH使水泥含碱当量达到1.25％，试件尺寸为275×75×75mm。按照以上重量比在室温为20±2℃的拌和成型试件，试件成型后连试模一起送入室温为20±1℃、相对湿度95％以上的养护箱中养护24±4小时后拆模，然后把试件放入室温为38±2℃的养护室中养护。在1周、2周、4周、13周、26周和52周龄期测量试件的长度变化。实验如表4所示，结果表明所有试件的1年龄期膨胀率均低于0.040％，没有发生破坏性碱-骨料反应膨胀。
表4混凝土棱柱体法试验结果(膨胀率％)
  编号   1周   2周   4周   13周   26周   52周
  对比样4   0.010   0.011   0.012   0.017   0.020   0.023
  实施例10   0.010   0.012   0.013   0.018   0.021   0.024
  实施例11   0.011   0.013   0.014   0.019   0.022   0.026
  实施例12   0.012   0.013   0.014   0.020   0.024   0.027
  对比样5   0.009   0.011   0.012   0.016   0.019   0.022
  实施例13   0.010   0.011   0.012   0.017   0.020   0.023
  实施例14   0.010   0.012   0.013   0.018   0.021   0.024
  实施例15   0.011   0.013   0.014   0.019   0.022   0.026
  对比样6   0.009   0.010   0.011   0.015   0.018   0.021
  实施例16   0.009   0.011   0.012   0.016   0.019   0.022
  实施例17   0.010   0.011   0.012   0.017   0.020   0.023
  实施例18   0.011   0.012   0.013   0.018   0.021   0.024
实施例19～27：
一种利用碱活性石粉制备的活性粉末混凝土，各原材料所占重量比如表5所示。
表5活性粉末混凝土的原材料重量比和强度值
  编号   水泥   硅灰   碱活性石粉   砂   钢纤维   减水剂   水   抗压强度
  对比样7   0.9   0.1   0   1   0.06   0.02   0.188   192.8
  实施例19   0.8   0.1   0.1   1   0.06   0.02   0.188   200.1
  实施例20   0.7   0.1   0.2   1   0.06   0.02   0.188   208.7
  实施例21   0.6   0.1   0.3   1   0.06   0.02   0.188   191.1
  对比样8   0.9   0.1   0   1   0.10   0.02   0.188   202.8
  实施例22   0.8   0.1   0.1   1   0.10   0.02   0.188   210.6
  实施例23   0.7   0.1   0.2   1   0.10   0.02   0.188   208.1
  实施例24   0.6   0.1   0.3   1   0.10   0.02   0.188   201.4
  对比样9   0.9   0.1   0   1   0.14   0.02   0.188   213.1
  实施例25   0.8   0.1   0.1   1   0.14   0.02   0.188   221.2
  实施例26   0.7   0.1   0.2   1   0.14   0.02   0.188   218.6
  实施例27   0.6   0.1   0.3   1   0.14   0.02   0.188   207.2
碱活性石粉：为白云质玉髓硅质岩磨细加工而成，根据《水工混凝土骨料试验规范DL/T5151-2001》，14天砂浆棒快速检测膨胀率为0.268％，为碱活性骨料，碱活性石粉的比表面积为720m2/kg；
水泥：普通硅酸盐水泥，强度等级为52.5；
硅灰：比表面积为22000m2/kg，SiO2含量为96％；
砂：天然河砂，细度为40目；
钢纤维：长度为30mm，直径为0.4mm，抗拉强度为1000MPa级；
减水剂：聚羧酸高效减水剂，固含量30％，减水率27％；
水：自来水。
将上述的利用碱活性石粉制备的活性粉末混凝土按如下步骤进行制备：
1)搅拌：首先将水泥、硅灰、碱活性石粉倒入搅拌机内，搅拌3分钟，加砂再搅拌2分钟，再加入钢纤维搅拌3分钟，加水和减水剂搅拌7分钟，得到混合料；
2)养护：混合料浇筑入模后24小时拆模，立即放入95℃、标准大气压的环境下，蒸养72小时，之后自然冷却。
得到的各组利用碱活性石粉制备的活性粉末混凝土，其强度值如表5所示。
为检验混凝土是否具有潜在的碱集料反应，参考《水工混凝土骨料试验规范DL/T5151-2001》，外加NaOH使水泥含碱当量达到1.25％，试件尺寸为275×75×75mm。按照以上重量比在室温为20±2℃的拌和成型试件，试件成型后连试模一起送入室温为20±1℃、相对湿度95％以上的养护箱中养护24±4小时后拆模，然后把试件放入室温为38±2℃的养护室中养护。在1周、2周、4周、13周、26周和52周龄期测量试件的长度变化。实验如表6所示，结果表明所有试件的1年龄期膨胀率均低于0.040％，没有发生破坏性碱-骨料反应膨胀。
表6混凝土棱柱体法试验结果(膨胀率％)
  编号   1周   2周   4周   13周   26周   52周
  对比样7   0.010   0.012   0.013   0.018   0.021   0.024
  实施例19   0.011   0.013   0.014   0.019   0.022   0.026
  实施例20   0.011   0.013   0.014   0.020   0.023   0.027
  实施例21   0.012   0.014   0.015   0.021   0.025   0.029
  对比样8   0.010   0.011   0.012   0.017   0.020   0.023
  实施例22   0.010   0.012   0.013   0.018   0.021   0.024
  实施例23   0.011   0.013   0.014   0.019   0.022   0.026
  实施例24   0.011   0.013   0.014   0.020   0.023   0.028
  对比样9   0.009   0.011   0.012   0.016   0.019   0.022
  实施例25   0.010   0.011   0.012   0.017   0.020   0.023
  实施例26   0.010   0.012   0.013   0.018   0.021   0.024
  实施例27   0.011   0.013   0.014   0.019   0.022   0.026

Claims (8)

1.一种活性粉末混凝土，其特征在于它包括水泥、硅灰、碱活性石粉、砂、钢纤维、减水剂和水原材料；水泥、硅灰、碱活性石粉、砂、钢纤维、减水剂、水的重量比为(0.6～0.9)∶0.1∶(0.1～0.3)∶1∶(0.06～0.14)∶(0.02～0.025)∶(0.145～0.188)。
2.根据权利要求1所述的一种活性粉末混凝土，其特征在于：所述的水泥为普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，强度等级≥42.5。
3.根据权利要求1所述的一种活性粉末混凝土，其特征在于：所述的硅灰的比表面积≥15000m2/kg，SiO2含量≥90％。
4.根据权利要求1所述的一种活性粉末混凝土，其特征在于：所述的碱活性石粉为硅质岩磨细加工而成，具有碱活性，14天砂浆棒快速检测膨胀率＞0.20％，比表面积＞600m2/kg。
5.根据权利要求1所述的一种活性粉末混凝土，其特征在于：所述的砂为天然河砂，细度为40～70目。
6.根据权利要求1所述的一种活性粉末混凝土，其特征在于：所述的钢纤维，长度为15～30mm，直径为0.2～0.4mm，抗拉强度为1000MPa级。
7.根据权利要求1所述的一种活性粉末混凝土，其特征在于：所述的减水剂为聚羧酸系高效减水剂。
8.如权利要求1所述的一种活性粉末混凝土的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)原材料的选取：按水泥、硅灰、碱活性石粉、砂、钢纤维、减水剂、水的重量比为(0.6～0.9)∶0.1∶(0.1～0.3)∶1∶(0.06～0.14)∶(0.02～0.025)∶(0.145～0.188)，选取水泥、硅灰、碱活性石粉、砂、钢纤维、减水剂和水，备用；
2)搅拌：首先将水泥、硅灰、碱活性石粉倒入搅拌机内，搅拌2～4分钟，加砂再搅拌1～2分钟，再加入钢纤维搅拌2～4分钟，加水和减水剂搅拌6～8分钟，得到混合料；
3)养护：混合料浇筑入模后24小时拆模，立即放入75～95℃、标准大气压的环境下，蒸养72小时，之后自然冷却。
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