CN103242015A

CN103242015A - 一种掺磷渣活性粉末混凝土及制备方法

Info

Publication number: CN103242015A
Application number: CN2013101574668A
Authority: CN
Inventors: 彭艳周; 彭刚; 徐港; 柯锦; 唐俊峰; 肖文; 李念; 孙珩; 张丹; 周怡龙
Original assignee: China Three Gorges University CTGU
Current assignee: China Three Gorges University CTGU
Priority date: 2013-04-28
Filing date: 2013-04-28
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2033-04-28
Also published as: CN103242015B

Abstract

本发明在利用磷渣粉的胶凝性能基础上，通过材料的复合技术，用磷渣粉、硅灰、水泥、石英砂、钢纤维，在常压80～95℃蒸汽养护条件下制得了高抗压强度的活性粉末混凝土。本发明得到的活性粉末混凝土抗压强度≥180MPa、抗折强度≥25MPa，属于RPC200级。同时，其抗冻等级≥F350，氯离子迁移系数（RCM法）D_RCM≤1.0×10^-13m²/s，抗氯离子渗透性能达RCM-V级，具有优良的抗冻性和抗氯离子渗透性，促进磷渣的高效率利用，节约资源能源、保护环境。

Description

一种掺磷渣活性粉末混凝土及制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，属于一种具有超高强度和超高耐久性的水泥基复合材料，具体涉及一种掺磷渣粉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)是法国Pierre Richard等人在20世纪90年代率先研制成功的一种新型超高性能水泥基复合材料。由于其超高的力学性能和优异的耐久性，在现代土木、石油、核电、市政、海洋工程及军事设施等工程中具有非常广阔的应用前景。

RPC的超高性能与所用活性组分及成型养护工艺密切相关。研究资料表明，传统RPC的活性组分主要是水泥、硅灰和石英粉，其单方混凝土的水泥用量比普通混凝土高得多（通常800～1000kg/m³），硅灰掺量20%以上，石英粉掺量达18％，致使其成本较高。此外，有时在制备过程中还需采用预压、高温(200～250℃)等成型和养护方式，对成型设备的要求较高，导致RPC成本更高、能耗更大，一定程度上限制了其推广应用。因此，使用与实际应用相符、且满足RPC制备原理的活性组分，设法降低RPC材料中水泥、硅灰和石英粉的用量，采用适宜的养护制度，是我国活性粉末混凝土研究与应用的重要方向之一。

有研究者在水泥基体中复合使用其他活性矿物，在降低RPC成本等方面进行了有益的工作。研究成果起到了降低RPC成本、节约资源能源、保护环境的作用，但所用活性材料主要限于超细矿渣粉、超细粉煤灰及硅灰等，而且，其中仍然包括石英粉。有研究表明，活性粉末混凝土中的磨细石英粉在200℃及以上的高温蒸压养护时才能观测到明显的反应迹象，而在常压蒸汽养护（100℃及以下）条件下，石英粉的反应活性很低，这就使得常压蒸汽养护条件下制备的RPC材料中，石英粉颗粒与水泥石基体存在明显的界面过渡区。另外，虽然硅灰和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，如我国硅灰资源匮乏，价格昂贵，目前已不能满足混凝土工程的需求。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。

磷渣是黄磷工业产生的废渣。我国各地磷渣的化学成分相似，主要为SiO₂、CaO、Al₂O₃等，其中，SiO₂、CaO总量大多在85%以上，SiO₂/CaO比（硅钙比）为0.8～1.4。熔融磷渣采用水淬冷却时，形成粒化磷渣，具有与粒化高炉矿渣相似的玻璃体结构，其玻璃体含量高达90%以上。因此，从化学组成看，粒化磷渣（以下简称磷渣）具有潜在的胶凝性，具备作为活性组分用于RPC材料中的条件。但是，目前尚未见将磷渣作为活性组分用于RPC的文献报道。这一方面是由于磷渣中Al₂O₃含量较低、含有一定量P₂O₅、F等成分，使其活性，尤其是早期活性较低；另一方面也由于在磷渣对高强、超高强混凝土材料的水化硬化特征及其对微观结构的影响规律和机理等方面缺乏更深入、系统的理论研究与创新。

发明内容

本发明的目的在于提供一种掺磷渣活性粉末混凝土及其制备方法。

在利用磷渣粉的胶凝性能基础上，通过材料的复合技术，用磷渣粉、硅灰、水泥、石英砂、钢纤维，在常压80～95℃蒸汽养护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、抗折强度≥25MPa，属于RPC200级。同时，其抗冻等级≥F350，氯离子迁移系数（RCM法）D_RCM≤1.0×10^-13m²/s，抗氯离子渗透性能达RCM-V级，具有优良的抗冻性和抗氯离子渗透性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：掺磷渣活性粉末混凝土，其材料由水泥、磷渣粉、硅灰、减水剂、石英砂、拌和水及钢纤维经一定成型和养护工艺制备得到。各组分的质量配比为：水泥45～60份；磷渣粉25～40份；硅灰10～18份；减水剂2～3份；石英砂90～110份；拌和水14～16份；钢纤维7.8～23.4份；且水泥、磷渣粉、硅灰3种组分的总量为100份；减水剂、石英砂、拌和水、钢纤维为占水泥、磷渣粉、硅灰的重量份。其中水泥为硅酸盐水泥，其28d抗压强度≥50MPa；磷渣粉的比表面积≥390m²/kg，流动度比≥95%，P₂O₅含量≤3.5%；硅灰的比表面积≥18000m²/kg，SiO₂含量≥90％；减水剂为非缓凝型聚羧酸系高性能减水剂，减水率≥30％；石英砂的粒径范围0.16～0.63mm；钢纤维直径0.2mm左右，长度为13mm，长径比＞55，抗拉强度≥1800MPa。

为了实现上述目的，本发明是这样实现的：掺磷渣活性粉末混凝土可采用以下两种方法之一制备：

1.将称好的水泥、磷渣粉、硅灰、石英砂和钢纤维加入搅拌机中干拌2-3min，缓慢地倒入减水剂与水的混合液，继续搅拌至出现浆体；搅拌均匀后将拌和物浇注于试模内，在混凝土试验用振动台上振动150～200s成型，并置于温度20±2℃、相对湿度95%以上的条件下养护，2d后脱模；将脱模后的混凝土移入混凝土蒸汽养护设备中，在3～4h内缓慢匀速地升温至80～95℃并恒温养护72～96h，待其缓慢冷却至室温后，即得产品，其抗压强度≥180MPa、抗折强度≥25MPa，同时，其抗冻等级≥F350，氯离子迁移系数（RCM法）D_RCM≤1.0×10^-13m²/s，抗氯离子渗透性能达RCM-V级，具有优良的抗冻性和抗氯离子渗透性。

2.将称好的水泥、磷渣粉、硅灰和石英砂加入搅拌机中干拌2-3min，缓慢倒入减水剂与水的混合液，继续搅拌直至出现浆体，再均匀撒入钢纤维并继续搅拌；搅拌均匀后将拌和物浇注于试模内，在混凝土试验室用振动台上振动150-200s成型，并置于温度(20±2)℃、相对湿度95%以上的条件下进行养护，2d后脱模；将脱模后的混凝土移入混凝土蒸汽养护设备中，在3～4h内缓慢匀速地升温至80～95℃并恒温养护72h～96h，待其缓慢冷却至室温后，即得产品。其抗压强度≥180MPa、抗折强度≥25MPa，同时，其抗冻等级≥F350，氯离子迁移系数（RCM法）D_RCM≤1.0×10^-13m²/s，抗氯离子渗透性能达RCM-V级，具有优良的抗冻性和抗氯离子渗透性。

本发明的显著特点和优点是，采用磷渣粉代替石英粉、部分水泥和硅灰，于80～95℃的常压蒸汽养护条件下制得了抗压强度200MPa级的活性粉末混凝土，它具有优良的抗冻性和抗氯离子渗透性。本发明同时还能促进磷渣的高效率利用，节约资源能源、保护环境。

具体实施方式

实例1（本实例中有两个产品，其编号分别记为1-1，1-2）：

掺磷渣粉活性粉末混凝土，它由水泥、磷渣粉、硅灰、减水剂、石英砂、拌和水和钢纤维采用以下方法制备得到：

1）原料的称量：按表1所示的配比称取各组分。其中，水泥为P.O42.5，其28d抗压强度51.0MPa；磷渣粉比表面积397m²/kg，流动度比96%；硅灰的比表面积20000m²/kg，SiO₂含量91％；减水剂为非缓凝型聚羧酸系高性能减水剂，减水率30％；石英砂粒径范围0.16～0.63mm；钢纤维为表面镀铜平直微细钢纤维，直径0.2mm，长度为13mm，抗拉强度2800MPa。

表1掺磷渣活性粉末混凝土的配合比（表中所示为各组分质量的份数）

编号	水泥	磷渣粉	硅灰	石英砂	钢纤维	水	减水剂
								1-1	60	25	15	90	7.8	14	2.5
1-2	60	25	15	90	7.8	16	2

2）搅拌、浇注成型：将称好的水泥、磷渣粉、硅灰、石英砂和钢纤维加入搅拌机中干拌2-3min，缓慢地倒入减水剂与水的混合液，继续搅拌至出现浆体；搅拌均匀后将拌和物浇注于三联试模(40mm×40mm×160mm)内，在混凝土试验用振动台上振动180s成型，并置于温度(20±2)℃、相对湿度95%以上的恒温恒湿标准养护箱中，2d后脱模。

3）养护：将脱模后的混凝土移入混凝土蒸汽养护设备中，在3h内缓慢匀速地升温至80℃并恒温养护96h，待其缓慢冷却至室温后，即得产品，产品实施结果见表2。

表2实例1中各产品的实施结果

实例2（本实例中亦有两个产品，其编号分别记为2-1，2-2）：

掺磷渣活性粉末混凝土，它由水泥、磷渣粉、硅灰、减水剂、石英砂、拌和水及钢纤维采用以下方法制备得到：

1）原料的称量：按表3所示的配比称取各组分。

表3掺磷渣活性粉末混凝土的配合比（表中所示为各组分质量的份数）

编号	水泥	磷渣粉	硅灰	石英砂	钢纤维	水	减水剂
								2-1	50	35	15	100	15.6	14	2.5
2-2	50	35	15	100	15.6	16	2

其中，水泥为P.O52.5水泥，28d抗压强度58.3MPa；磷渣粉比表面积397m²/kg；流动度比96%；硅灰的比表面积20000m²/kg，SiO₂含量96.9％；减水剂为非缓凝型聚羧酸系高性能减水剂，减水率30％；石英砂粒径范围0.16～0.63mm；钢纤维为表面镀铜平直微细钢纤维，直径0.2mm，长度为13mm，抗拉强度2800MPa。

3）养护：将脱模后的混凝土移入混凝土蒸汽养护设备中，在4h内缓慢匀速地升温至95℃并恒温养护72h，待其缓慢冷却至室温后，即得产品。

具体实施结果见表4。

表4实例2中各掺磷渣活性粉末混凝土产品的实施结果

实例3（本实例中仍有两个产品，其编号分别记为3-1，3-2）：

1）原料的称量：按表5所示的配比称取各组分。其中，水泥为PO52.5水泥，28d抗压强度58.3MPa；磷渣粉比表面积423m²/kg；流动度比98%；硅灰的比表面积20000m²/kg，SiO₂含量96.9％；减水剂为非缓凝型聚羧酸系高性能减水剂，减水率30％；石英砂粒径范围0.16～0.63mm；钢纤维为表面镀铜平直微细钢纤维，直径0.2mm，长度为13mm，抗拉强度2800MPa。

表5掺磷渣活性粉末混凝土的配合比（表中所示为各组分质量的份数）

编号	水泥	磷渣粉	硅灰	石英砂	钢纤维	水	减水剂
								3-1	45	40	15	110	23.4	14	3
3-2	45	40	15	110	23.4	16	2.5

2）搅拌、浇注成型：

将称好的水泥、磷渣粉、硅灰和石英砂加入搅拌机中干拌2-3min，缓慢倒入减水剂与水的混合液，继续搅拌直至出现浆体，再均匀撒入钢纤维并继续搅拌；搅拌均匀后将拌和物浇注于试模内，在混凝土试验室用振动台上振动150-200s成型，并置于温度(20±2)℃、相对湿度95%以上的条件下进行养护，2d后脱模。

具体实施结果见表6。

表6实例3中各掺磷渣活性粉末混凝土产品的实施结果

Claims

1.一种掺磷渣活性粉末混凝土，由水泥、磷渣粉、硅灰、减水剂、石英砂、水和钢纤维为原料制备而成，其特征在于，各组分的质量配比为：水泥45～60份，磷渣粉25～40份，硅灰10～18份，水泥、磷渣粉和硅灰三种组分的总量为100份；减水剂2～3份，石英砂90～110份，水14～16份，钢纤维7.8～23.4份，其中，减水剂、石英砂、水、钢纤维为占水泥、磷渣粉和硅粉的总重量。

2.根据权利要求1所述的掺磷渣活性粉末混凝土，其特征在于，水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，28天抗压强度≥50MPa，磷渣粉的比表面积≥390m²/kg，流动度比≥95%，P₂O₅含量≤3.5%，硅灰的比表面积≥18000m²/kg，其SiO₂含量≥90％。

3.根据权利要求1所述的掺磷渣活性粉末混凝土，其特征在于，硅灰的比表面积≥18000m²/kg，其SiO₂含量≥90％，减水剂为非缓凝型聚羧酸系高性能减水剂，其减水率≥30％，石英砂粒径范围0.16～0.63mm，钢纤维直径0.2mm左右，长度为13mm，长径比＞55，抗拉强度≥1800MPa。

4.一种制备权利要求1中掺磷渣活性粉末混凝土的方法，其特征在于，1）物料的充分混合：将称好的水泥、磷渣粉、硅灰、石英砂和钢纤维依次加入搅拌机中干拌2-3min；再缓慢倒入减水剂与水的混合液，继续搅拌直至出现浆体；2）浇注成型：将搅拌均匀后的拌和物浇注于40mm×40mm×160mm三联试模内，在混凝土试验用振动台上振动150-200s成型，置于温度20±2℃、相对湿度95%以上的条件下养护，2d后脱模；3）养护：将脱模后的混凝土移入混凝土蒸汽养护设备中，在3-4h内缓慢匀速地升温至80～95℃并恒温养护72～96h，待其缓慢冷却至室温后，即得产品。

5.一种制备权利要求1中掺磷渣活性粉末混凝土的方法，其特征在于，1）物料的充分混合：将称好的水泥、磷渣粉、硅灰和石英砂依次加入搅拌机中干拌2-3min；缓慢倒入减水剂与水的混合液，继续搅拌直至出现浆体，再均匀撒入钢纤维并继续搅拌；2）浇注成型：将搅拌均匀后的拌和物浇注于40mm×40mm×160mm三联试模内，在混凝土试验用振动台上振动150-200s成型，置于温度20±2℃、相对湿度95%以上的条件下进行养护，2d后脱模；3）养护：将脱模后的混凝土移入混凝土蒸汽养护设备中，在3-4h内缓慢匀速地升温至80～95℃并恒温养护72～96h，待其缓慢冷却至室温后，即得产品。

6.根据权利要求8或9中所制备的掺磷渣活性粉末混凝土，其特征在于掺磷渣活性粉末混凝土的抗压强度≥180MPa，抗折强度≥25MPa。

7.根据权利要求8或9中所制备的掺磷渣活性粉末混凝土，其特征在于掺磷渣活性粉末混凝土的抗冻等级≥F350，氯离子迁移系数D_RCM≤1.0×10^-13m²/s，抗氯离子渗透性能达RCM-V级。