CN103172322B

CN103172322B - 一种掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土及其制备方法

Info

Publication number: CN103172322B
Application number: CN201310047692.0A
Authority: CN
Inventors: 孙占兴; 聂法智; 贾伟进
Original assignee: BEIJING XINHANG BUILDING MATERIAL GROUP Co Ltd
Current assignee: Beijing Zhonglian Xinhang Building Materials Co ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2033-02-06
Also published as: CN103172322A

Abstract

本发明提供了一种掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土，包括水泥、硅灰、石英粉、砂子、水、减水剂和钢纤维、超活性矿渣粉；其中，所述超活性矿渣粉由如下方法制备得到：（1）将矿渣粉与第一研磨介质混合，在球磨机内研磨45~90min；（2）向所述步骤（1）中加入第二研磨介质，继续研磨180~480min，即制备得到本发明所述超活性矿渣粉；其中，所述第一研磨介质为直径为？60mm、？40mm、？20mm的钢球，以及直径为？20mm、？10mm的钢柱的混合物；所述第二研磨介质为直径为？20mm的钢球。本发明所述掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土在常压热养护条件下的抗压强度可以高达为260~300MPa，抗折强度为35~45MPa，远远高于现有技术中用于工程应用中的200MPa级活性粉末混凝土的抗压强度。

Description

一种掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土及其制备方法，属于建筑材料领域。

背景技术

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，简称RPC）是一种超高强、超高性能、低孔隙率的新型水泥基复合材料。它是根据最大密实性原理，剔除粗骨料，主要由水泥、石英粉、硅灰、砂子、钢纤维和高效减水剂搅拌混合成型后，再通过蒸养或蒸压养护而制成的。RPC的型号可按抗压强度分为200MPa级、500MPa级和800MPa级。目前，200MPa级的RPC材料已在部分工程中应用，而500MPa级和800MPa级则都处在实验室的试配阶段。

RPC的基本组成部分为活性粉末，其中，所述活性粉末主要是指水泥、硅灰和石英粉。采用上述活性粉末制备得到的RPC在使用过程中，由于活性粉末的水化热较高，在后期养护或使用过程中存在温度收缩和自收缩的问题，这样易导致RPC在使用过程中产生裂缝。此外，活性粉末中的石英粉只有在200℃以上和一定压力下进行高温蒸压养护时才具有反应活性，而在常压热养护（100℃及以下）条件下，石英粉的反应活性较低，使得其与水泥基体存在明显的界面过渡区，导致常压热养护条件下的活性粉末混凝土的抗压强度不高。而如果将RPC在200℃以上和一定压力条件下养护时，会导致该RPC的成本更高，更不利于其工业应用。为了不使RPC的成本太高，现有技术中通常将RPC在常压热养护条件下进行养护，这样也就导致200MPa级的RPC在实际工程应用中，其抗压强度较低，通常远低于200MPa。

诸如，中国专利文献CN101139192A公开了一种掺杂纤维材料的活性混凝土，其由水泥、硅灰、石英砂、石英粉、减水剂、钢纤维或聚丙烯纤维火钢纤维与聚丙烯纤维的混合物、水组成，其组分配比如下：水泥100份、硅灰20～30份、石英粉27～42份、石英砂100～120份，按混凝土总体积计算，钢纤维为1～2.5%，聚丙烯纤维为0.05～0.3%，按水泥和硅灰总和为100质量份计，减水剂为2～3份，水为22～27份。

上述技术中，通过在活性粉末混凝土中加入钢纤维或聚丙烯纤维或钢纤维与聚丙烯纤维混合物，钢纤维材料的加入可以改善RPC的延性，从而提高RPC的抗拉强度，聚丙烯纤维的加入可以提高RPC的抗折强度和韧性，在RPC中加入上述纤维材料后可以一定程度上减缓PRC后期养护过程中出现的收缩问题，从而在一定程度上解决RPC在使用过程中易于开裂的问题。但是上述技术中，仅在原有RPC中加入纤维材料，这样一方面会增加活性粉末混凝土的成本，另一方面，纤维材料只是在一定程度上解决了RPC易开裂问题，但是并没有改变活性粉末之间的反应活性，也就是该方法制备得到的RPC在常压热氧护条件下抗压强度也很低，经测试其抗压强度最高还不超过120MPa，远低于200MPa级活性混凝土的抗压强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中活性粉末混凝土成本高，且在实际工程应用中，活性粉末混凝土的抗压强度低的问题，进而提供一种通过掺加超活性矿渣粉而降低活性粉末混凝土的开裂性和成本、同时还能提高其常压热养护条件下的抗压强度的活性粉末混凝土及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土，包括水泥、硅灰、石英粉、砂子、水、减水剂和钢纤维，还包括超活性矿渣粉；

其中，所述超活性矿渣粉由如下方法制备得到：

（1）将矿渣粉与第一研磨介质混合，在球磨机内研磨45～90min；

（2）向所述步骤（1）中加入第二研磨介质，继续研磨180～480min，即制备得到本发明所述超活性矿渣粉；

其中，所述第一研磨介质为直径为的钢球，以及直径为的钢柱的混合物；

所述第二研磨介质为直径为的钢球。

以重量份数计，所述第一研磨介质与所述第二研磨介质添加量比为（7～9）：（1～3）。

在第一研磨介质内，以第一研磨介质的重量份数计，所述所述的钢球为20～35份、所述的钢球为5～15份，所述的钢球为10～25份；所述的钢柱为2～15份，所述所述的钢柱为3～20份。

以所述第一研磨介质和所述第二研磨介质总质量计，所述矿渣粉的添加量为5～25wt%。

所述掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土，包括如下重量份数的组分：

其中，所述钢纤维的掺入量为制备成型后的活性粉末混凝土的总体积的1.50%～2.50%。

所述钢纤维表面镀铜，所述钢纤维的形状为哑铃型和波浪型，钢纤维直径0.18～0.23mm，长度12～15mm，抗拉强度≥2000Mpa。

所述掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土，还包括聚丙烯纤维，所述聚丙烯纤维的掺入量为活性粉末混凝土的总体积的1.5～2.5%；所述聚丙烯纤维的形状为束状单丝，聚丙烯纤维的直径为18～20μm，长度为6～19mm。

所述超活性矿渣粉的比表面积为800～900m²/kg，7d的活性指数≥115%，28d的活性指数≥125%。

所述矿渣粉为S75级矿渣粉、S95级矿渣粉或S105级矿渣粉；

所述水泥为普通硅酸盐水泥，标号为P.O42.5或P.O52.5；

所述硅灰的表观密度为150～250kg/m³，比表面积20～28m²/g，平均粒径为0.1～0.3μm，所述硅灰中无定形SiO₂含量为85%～95%；

所述水为工业用水；

所述石英粉的粒径范围为5～25μm，所述石英粉中SiO₂含量≥99%；

所述砂子为天然河砂，粒径为200～600μm，平均粒径为300μm，细度模数为2.2～1.6，所述天然河砂中SiO₂的含量≥99%；

所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为20%～30%；

所述粉末混凝土的水胶比为0.20～0.23。

本发明还提供一种制备所述掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土的方法，包括如下步骤：

（1）将特定量的水泥、超活性矿渣粉、石英粉或特定量的水泥、超活性矿渣粉、石英粉和聚丙烯纤维混合均匀；

（2）将特定量的硅灰、石英砂以及钢纤维混合均匀；

（3）将特定量的减水剂溶于特定量的水中，得到减水剂水溶液；

（4）将上述减水剂水溶液总体积的三分之二加入至所述步骤（1）中的混合物中，搅拌均匀；

（5）将剩余的减水剂水溶液加入至所述步骤（2）中的混合物中，搅拌均匀；

（6）将所述步骤（4）中的混合物加入至所述步骤（3）中的混合物中，搅拌均匀，得到活性粉末混凝土。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明所述掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土，通过在活性粉末中加入超活性矿渣粉，其中，所述超活性矿渣粉的制备方法创造性地采用两步研磨，且通过控制每一步的研磨时间，同时在一步研磨后，不经过细粉筛选的矿渣粉内添加的钢球进行二步研磨，这样在球磨机内由于新加入的钢球与经第一步研磨后得到的比表面积较大（即粒径小）的矿渣粉共同作用于比表面积小（即粒径大）的矿渣粉上，使得研磨介质与比表面积较大的矿渣粉以及比表面积较小的矿渣粉之间的相互作用力改变，打破了现有技术中常出现的“粉磨-团聚”的动态平衡，从而可以制备得到比表面积为800～900m²/kg的超活性矿渣粉。所述超活性矿渣粉的活性远高于现有技术中矿渣粉的活性指数，28d活性指数≥125%，因此其代替部分水泥用于RPC时，可以极大地提高RPC中活性粉末的反应活性，尤其是，与活性粉末中的石英粉相互作用时，可以提高石英粉的活性，使石英粉在较低温度条件下，例如常压热养护（90～95℃）条件下，即可具有较高的反应活性。本发明所述掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土中，水泥、硅灰、石英粉以及超活性矿渣粉之间相互作用可以起到很好的协同促进作用，而加入钢纤维后，还解决了RPC易于开裂的问题。此外，在混RPC中同时掺入超活性矿渣粉、硅灰和石英粉，还可以减少水泥用量，大大降低了RPC的成本。本发明的活性粉末混凝土在常压热养护条件下的抗压强度可以高达为260～300MPa，抗折强度为35～45MPa，远远高于现有技术中用于工程应用中的200MPa级活性粉末混凝土的抗压强度。

（2）本发明所述掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土，进一步地，所述活性粉末混凝土中还包括聚丙烯纤维，由于本发明所述活性粉末混凝土中添加有超活性矿渣粉，该超活性矿渣粉具有很高的分散性能，其可以使活性粉末混凝土中的钢纤维和聚丙烯纤维更加均匀地分散于活性粉末混凝土中，从而改善活性粉末混凝土的受热收缩和自收缩问题，进而提高RPC的抗裂性能。超活性矿渣粉与聚丙烯纤维与钢纤维综合作用，可以提高RPC的抗压强度、抗折强度以及抗裂性能。

（3）本发明所述掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土制备方法，首先将水泥、超活性矿渣粉和石英粉混合均匀，使超活性矿渣粉可以充分作用于水泥和石英粉之间，这样可以提高三者之间的反应活性；将特定量的硅灰、石英砂以及钢纤维混合后，可以使钢纤维在硅灰和石英砂中得到充分分散；然后再分别向水泥、超活性矿渣粉和石英粉混合物和硅灰、石英砂以及钢纤维混合物中加入特定量的减水剂水溶液，使其分别充分混合均匀后，最后将硅灰、石英砂以及钢纤维的减水剂拌合物加入到水泥、超活性矿渣粉和石英粉的减水剂拌合物中，这种加料方式可以使各组分混合更加均匀，从而最大程度上提高各活性粉末之间的相互反应活性，便于在常压热养护中使RPC的抗压强度达到最大化。通过本发明所述方法制备得到的RPC，在常压热养护条件下的抗压强度达到为260～300MPa，抗折强度达到35～45MPa。具有生产工艺简单，RPC的成本低、施工方便等优点。

（4）本发明所述掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土制备方法，进一步地，将所述聚丙烯纤维首先与水泥、超活性矿渣粉和石英砂混合，可以消除聚丙烯纤维表面静电，更有利于聚丙烯纤维在RPC中的分散，而将钢纤维首先与砂子、硅灰混合，则有利于钢纤维在砂子、硅灰中的分散，综合作用，使得RPC中的钢纤维和聚丙烯纤维更加均匀地分散于活性粉末混凝土中，从而改善活性粉末混凝土的受热收缩和自收缩问题，进而提高RPC的抗裂性能。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明作进一步具体描述，但不局限于此。

实施例中所使用的原料若非特指，均为公知的、市售化工原料，具体为：

普通硅酸盐水泥：P.O42.5或P.O52.5，市售。

超活性矿渣粉，比表面积为800～900m²/kg，7d活性指数≥115%，28d活性指数≥125%，自制；

所述S75矿渣粉的比表面积≥300m²/kg，7d活性指数≥55%，28d活性指数≥75%，含水量≤1.0wt%，市售；

S95矿渣粉比表面积≥400m²/kg，7d活性指数≥75%，28d活性指数≥95%，含水量≤1.0wt%，市售；

S105矿渣粉比表面积≥500m²/kg，7d活性指数≥95%，28d活性指数≥105%，含水量≤1.0wt%，市售；

天然河砂，粒径为200～600μm，平均粒径为300μm，细度模数为2.2～1.6，所述天然河砂中SiO₂的含量≥99%，产地河北涿州；

硅灰，表观密度为150～250kg/m³，比表面积20～28m²/g，平均粒径为0.1～0.3μm，所述硅灰中无定形SiO₂含量为85%～95%，市售；

所述水为工业用水；

石英粉，粒径范围为5～25μm，所述石英粉中SiO₂含量≥99%，市售；

聚羧酸减水剂，减水率为20%～30%，市售；

钢纤维，形状为哑铃型或波浪型，钢纤维直径0.20～0.23mm，长度12～15mm，抗拉强度≥2000Mpa，市售；

聚丙烯纤维，形状为束状单丝，聚丙烯纤维的直径为18～20μm，长度为6～19mm，市售。

实施例1

本实施所述活性粉末混凝土A，包括1Kg水泥、0.32Kg超活性矿渣粉、0.2Kg硅灰、0.35Kg石英粉、1.25Kg天然河砂、0.38Kg工业用水、0.035Kg的减水剂和制备成型后的活性粉末混凝土体积的1.5%的钢纤维；其中所述超活性矿渣粉经如下步骤制备得到：

（1）将64kg的矿渣粉与12kg的第一研磨介质混合，其中，所述第一研磨介质为4kg的的的钢球，以及1kg的2kg的的钢柱的混合物；在球磨机内研磨55min；

（2）向所述步骤（1）中加入8kg第二研磨介质，其中所述第二研磨介质为直径为的钢球，继续研磨400min，即制备得到本发明所述超活性矿渣粉。

本实施例中所述活性粉末混凝土的制备方法如下：

（1）将上述特定量的聚羧酸盐减水剂溶于上述特定量的工业用水中，得到聚羧酸盐减水剂水溶液；

（2）将上述特定量的水泥、超活性矿渣粉和硅灰以及聚羧酸盐减水剂水溶液总体积的三分之二依次倒入搅拌锅中，搅拌5min；

（3）向所述步骤（2）中搅拌后的混合物中依次加入上述特定量的天然河砂和石英粉以及剩余的聚羧酸减水剂水溶液，搅拌5min，得到所述活性粉末混凝土A。

实施例2

本实施所述活性粉末混凝土B，包括1kg水泥、0.2kg超活性矿渣粉、0.21kg硅灰、0.36kg石英粉、1.27kg天然河砂、0.41kg工业用水、0.037kg聚羧酸盐的减水剂和制备成型后的活性粉末混凝土体积的1.7%的钢纤维；

其中，所述超活性矿渣粉经如下步骤制备得到：

（1）将4kg的S75级矿渣粉与56kg的第一研磨介质混合，其中所述第一研磨介质为28kg的钢球、4kg的钢球、2kg的钢球、1.6kg的钢柱、2.4kg的的钢柱的混合物，在球磨机内研磨45min；

（2）向所述步骤（1）中加入24kg的第二研磨介质，其中所述第二研磨介质为直径为的钢球，继续研磨480min，即制备得到本发明所述超活性矿渣粉。

本实施例中所述活性粉末混凝土的制备方法如下：

（1）将上述特定量的水泥、超活性矿渣粉、石英粉混合均匀；

（2）将上述特定量的硅灰、石英砂以及钢纤维混合均匀；

（3）将上述特定量的聚羧酸盐减水剂溶于特定量的水中，得到聚羧酸盐减水剂水溶液；

（4）将上述聚羧酸盐减水剂水溶液总体积的三分之二加入至所述步骤（1）中的混合物中，搅拌均匀；

（5）将剩余的聚羧酸盐减水剂水溶液加入至所述步骤（2）中的混合物中，搅拌均匀；

（6）将所述步骤（5）中的混合物加入至所述步骤（4）中的混合物中，搅拌均匀，得到所述活性粉末混凝土B。

实施例3

本实施所述活性粉末混凝土C，包括1kg水泥、0.25kg超活性矿渣粉、0.22Kg硅灰、0.370Kg石英粉、1.28Kg天然河砂、0.38Kg工业用水、0.038Kg的减水剂和制备成型后的活性粉末混凝土体积的1.8%的钢纤维；

其中，所述超活性矿渣粉经如下步骤制备得到：

（1）将5kg的S95级矿渣粉与16kg的第一研磨介质混合，其中所述第一研磨介质为6kg的钢球、2kg的钢球、2kg的钢球、2.6kg的钢柱、3.4kg的的钢柱的混合物，在球磨机内研磨60min；

（2）向所述步骤（1）中加入4kg的第二研磨介质，其中所述第二研磨介质为直径为的钢球，继续研磨300min，即制备得到本发明所述超活性矿渣粉。

本实施例中所述活性粉末混凝土的制备方法如下：

（2）将上述特定量的硅灰、石英砂以及钢纤维混合均匀；

（6）将所述步骤（5）中的混合物加入至所述步骤（4）中的混合物中，搅拌均匀，得到所述活性粉末混凝土C。

实施例4

本实施所述活性粉末混凝土D，包括1kg水泥、0.3kg超活性矿渣粉、0.23kg硅灰、0.35kg石英粉、1.25kg天然河砂、0.42kg工业用水、0.04kg的减水剂和制备成型后的活性粉末混凝土体积的2.0%的表面镀铜的钢纤维；

其中所述超活性矿渣粉经如下步骤制备得到：

（1）将6kg的S105级矿渣粉与36kg的第一研磨介质混合，其中所述第一研磨介质为8kg的钢球、6kg的钢球、8kg的钢球、6kg的钢柱、8kg的的钢柱的混合物，在球磨机内研磨75min；

（2）向所述步骤（1）中加入4kg的第二研磨介质，其中所述第二研磨介质为直径为的钢球，继续研磨180min，即制备得到本发明所述超活性矿渣粉。

本实施例中所述活性粉末混凝土的制备方法如下：

（2）将上述特定量的硅灰、石英砂以及钢纤维混合均匀；

（6）将所述步骤（5）中的混合物加入至所述步骤（4）中的混合物中，搅拌均匀，得到所述活性粉末混凝土D。

对比例

参照中国专利文献CN101139192A中所列举的实施方式制备掺杂有钢纤维和聚丙烯纤维的活性混凝土，具体是选取P.O42.5普通硅酸盐水泥1Kg、硅灰0.3Kg、石英粉0.27Kg、石英砂1.2Kg，按混凝土总体积计算，钢纤维为1.5%，聚丙烯纤维为0.2%，按水泥和硅灰总和为100质量份计，减水剂为30g，水胶比为0.27。

性能测定评价例

取上述实施例1至4制备的超活性矿渣粉及掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土以及对比例制备得到的活性粉末混凝土进行性能测试，测试结果见表1、表2。其中，所述活性粉末混凝土的养护方法和测试方法如下：

（1）首先将制备得到的活性粉末混凝土浇注于40mm×40mm×160mm的三联胶砂试模中和100mm×100mm×100mm的试模中，在振动台上振动8min(振动频率为50Hz)，震动成型；

（2）将上述振动成型的试件放入养护室养护，养护温度为20±2℃，湿度大于等于95%，养护24h;

（3）将上述养护24h后的试件脱模，放入蒸汽养护室进行蒸汽养护，养护温度是90～95℃，养护时间为72h；

（4）将上述养护后的活性粉末混凝土进行流动度、抗压强度、抗折强度，测试结果见表1。

表1超活性矿渣粉的性能测试结果

表2掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土拌合物性能

由上述实施例及表1可知，本发明所述的掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土的抗压强度高达270MPa，抗折强度达到42MPa。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。

Claims

1.一种掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土，其特征在于，包括如下重量份数的组分：

其中，钢纤维的掺入量为制备成型后的活性粉末混凝土的总体积的1.50％～2.50％；

其中，所述超活性矿渣粉由如下方法制备得到：

(1)将矿渣粉与第一研磨介质混合，在球磨机内研磨45～90min；

(2)向所述步骤(1)中加入第二研磨介质，继续研磨180～480min，即制备得到所述超活性矿渣粉；

所述第二研磨介质为直径为的钢球；

以重量份数计，所述第一研磨介质与所述第二研磨介质添加量比为(7～9)：(1～3)；

在第一研磨介质内，以第一研磨介质的重量份数计，所述的钢球为20～35份、所述的钢球为5～15份，所述的钢球为10～25份；所述的钢柱为2～15份，所述的钢柱为3～20份；

以所述第一研磨介质和所述第二研磨介质总质量计，所述矿渣粉的添加量为5～25wt％。

2.根据权利要求1所述掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土，其特征在于，还包括聚丙烯纤维，所述聚丙烯纤维的掺入量为活性粉末混凝土的总体积的1.50％～2.50％；所述聚丙烯纤维的形状为束状单丝，聚丙烯纤维的直径为18～20μm，长度为6～19mm。

3.根据权利要求1或2所述掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土，其特征在于，所述超活性矿渣粉的比表面积为800～900m²/kg，7d的活性指数≥115％，28d的活性指数≥125％。

4.根据权利要求1或2所述掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土，其特征在于，所述矿渣粉为S75级矿渣粉、S95级矿渣粉或S105级矿渣粉；

所述水泥为普通硅酸盐水泥，标号为P.O42.5或P.O52.5；

所述硅灰的表观密度为150～250kg/m³，比表面积20～28m²/g，平均粒径为0.1～0.3μm，所述硅灰中无定形SiO₂含量为85％～95％；

所述水为工业用水；

所述石英粉的粒径范围为5～25μm，所述石英粉中SiO₂含量≥99％；

所述砂子为天然河砂，粒径为200～600μm，平均粒径为300μm，细度数为2.2～1.6，所述天然河砂中SiO₂的含量≥99％；

所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为20％～30％；

所述粉末混凝土的水胶比为0.20～0.23。

5.一种制备权利要求1～4任一所述掺超活性矿渣粉的活性粉末混凝土的方法，包括如下步骤：

(1)将特定量的水泥、超活性矿渣粉、石英粉或特定量的水泥、超活性矿渣粉、石英粉和聚丙烯纤维混合均匀；

(2)将特定量的硅灰、砂子以及钢纤维混合均匀；

(3)将特定量的减水剂溶于特定量的水中，得到减水剂水溶液；

(4)将上述减水剂水溶液总体积的三分之二加入至所述步骤(1)中的混合物中，搅拌均匀；

(5)将剩余的减水剂水溶液加入至所述步骤(2)中的混合物中，搅拌均匀；

(6)将所述步骤(5)中的混合物加入至所述步骤(4)中的混合物中，搅拌均匀，得到活性粉末混凝土。