CN104072091A

CN104072091A - 一种磷酸镁水泥再生骨料结构混凝土及其制备方法

Info

Publication number: CN104072091A
Application number: CN201410242455.4A
Authority: CN
Inventors: 尹红宇; 荀勇; 杨建明; 孙帅; 支正东
Original assignee: Yangcheng Institute of Technology
Current assignee: Yangcheng Institute of Technology; Yancheng Institute of Technology
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2014-10-01

Abstract

本发明公开了一种磷酸镁水泥再生骨料结构混凝土及其制备方法，其各组分的重量百分比为：氧化镁12～30%、磷酸盐8～20%、复合缓凝剂2～10%、掺合料5～15%、再生细骨料5～20%、再生粗骨料5～30%、天然细骨料0～10%、天然粗骨料0～15%，水为余量；磷酸镁水泥保证了混凝土较高的早期强度、收缩率小和较强的粘结性能及良好的抗腐蚀性能，掺合料保证了混凝土强度的稳定增长并改善了耐久性和体积稳定性。本发明的效果是该混凝土材料适用于结构混凝土及高性能再生骨料混凝土，可用于硫酸盐侵蚀、海水侵蚀、高温环境和低温环境等恶劣条件下的土木工程；实现了对废弃混凝土的高效利用，降低天然砂石料的开采，降低工程造价、达到利废环保的目的。

Description

一种磷酸镁水泥再生骨料结构混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域混凝土类，涉及一种利用磷酸盐水泥和再生骨料制备的结构混凝土及高性能再生混凝土及其制备方法。

背景技术

围绕我国基础设施建设和城市化进程，一方面，混凝土市场需求逐年增加，造成严重的原材料资源短缺；另一方面，废弃混凝土除小部分被用作建筑物和道路的基础垫层外，大部分被运往郊区，采用堆放或填埋的方式进行处理。建筑垃圾对城市发展和人居环境造成了严重的危害。因此，废弃混凝土再生利用具有重大的工程价值与环保意义。

将废弃混凝土进行破碎、分解、清洗并分级处理后，将不同大小的颗粒按一定的比例、级配混合形成再生混凝土骨料，简称再生骨料。再生骨料主要由表面包裹着水泥砂浆的颗粒（大部分），水泥砂浆颗粒（部分）及天然颗粒（少量），与天然骨料相比，由于内在损伤和砂浆组分，再生骨料具有压碎值高、吸水率高、表观密度小、界面粘结力差等性质，导致再生混凝土的强度、收缩性能及耐久性能等较普通混凝土差，制约其在沿海、除冰盐等恶劣环境下混凝土结构中的应用。

再生混凝土材料及其在结构中应用主要集中在再生粗骨料方面，各国也相继出台了一些有关再生混凝土结构设计的实用性规范。北京市地方标准《再生混凝土结构设计规程》（DB11/T 803-2011），综合考虑再生混凝土质量和再生粗骨料取代率过高对再生混凝土性能的影响，规定再生混凝土的再生粗骨料取代率宜为30%-50%，限制再生细骨料的使用，主要是由于再生细骨料作为结构混凝土的使用目前依然存在许多难以克服的技术问题。

因此，努力扩大再生骨料的应用范围，提高废弃混凝土的再生利用率，对于我国经济的长期可持续发展无疑具有重要的社会意义。

磷酸镁水泥(MPC)是由氧化镁、磷酸盐和外加剂等按照一定比例，在酸性条件下通过酸碱化学反应及物理作用生成的以磷酸盐为黏结相的无机胶凝材料，具备高早强、高体积稳定性、粘结性强、硬化体偏中性和良好的耐久性等硅酸盐类胶凝材料和陶瓷材料的特点。磷酸镁水泥中的磷酸盐能与废弃硬化水泥浆体中的硅酸盐晶体或未水化的熟料颗粒及矿物掺合料颗粒反应生成磷酸钙类胶凝性产物，因此在与硬化硅酸盐水泥浆体界面附近，除了物理粘结作用处，还存在很强的化学粘结作用，大大提高了界面粘结强度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对现有硅酸盐水泥再生混凝土强度低、收缩大、界面粘结性能差、耐久性差及再生骨料取代率低等问题，针对磷酸镁水泥基材料凝结快、水化热大量集中释放和后期强度倒缩等问题，提供一种磷酸镁水泥再生骨料结构混凝土，其具有早期强度高、收缩率小、高体积稳定性、粘结性强、硬化体偏中性、良好的抗火性能和耐久性等特点，适用于结构混凝土及高性能再生骨料混凝土，可用于硫酸盐侵蚀、海水侵蚀、高温环境和低温环境等恶劣条件下的土木建筑工程；该发明制备工艺简单、使用方便、节能环保。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明采用以下技术方案：

一种磷酸镁水泥再生骨料结构混凝土，其特征在于主要由氧化镁、磷酸盐、复合缓凝剂、矿物掺合料、再生骨料、天然骨料和水按一定重量比例配制而成，其制备方法，包括以下步骤：

（1）各组分的重量百分比为：氧化镁12～30%、磷酸盐8～20%、复合缓凝剂2～10%、掺合料5～15%、再生细骨料5～20%、再生粗骨料5～30%、天然细骨料0～10%、天然粗骨料0～15%，水为余量；

进一步的，所述所述氧化镁为死烧氧化镁粉，其MgO 的质量分数大于 90％，比表面积2.0～2.4m2/kg；

进一步的，所述磷酸盐为磷酸二氢钾和磷酸二氢钠的一种或两种；

进一步的，所述复合缓凝剂为四硼酸钠、十二水合磷酸氢二钠和无机氯盐中的一种或两种以上，无机氯盐为氯化钠、氯化钾中的一种或两种；通过调节复合缓凝剂中的四硼酸钠、十二水合磷酸氢二钠和氯化物的含量，控制磷酸镁水泥浆体的凝结时间在10 分钟～ 6 小时的范围内。

进一步的，所述细骨料为再生细骨料和天然砂中的一种或两种, 再生细骨料取代天然细骨料20%-100%；

进一步的，所述粗骨料为再生粗骨料和天然碎石或卵石中的一种或两种，再生粗骨料取代天然粗骨料20%-100%；

进一步的，所述掺合料为粉煤灰、石灰石粉、矿渣粉、偏高岭土、硅灰中的一种或两种以上；

（2）按上述比例将氧化镁、磷酸盐、复合缓凝剂、掺合料均匀混合，得到磷酸盐水泥基材；

（3）将搅拌机内表面润湿，加入再生粗、细骨料和一部分水，搅拌2-3分钟；

（4）再生骨料吸水后，将磷酸盐水泥基材、天然骨料和其余部分水加入搅拌均匀，硬化后形成磷酸盐再生骨料结构混凝土。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明所用的基材为磷酸盐水泥，该水泥具有早期硬化快，强度高、收缩小、体积稳定、抗腐蚀性能好等特点。磷酸盐能与废弃硬化水泥浆体中的硅酸盐晶体或未水化的熟料颗粒及矿物掺合料颗粒反应生成磷酸钙类胶凝性产物，存在物理粘结作用和化学粘结作用，从而大幅度增强界面粘结性能，达到明显提高混凝土力学性能和耐久性性能的效果。本发明采用再生骨料取代天然骨料，且取代率高，降低混凝土材料的工程造价、节约成本、达到利废环保的目的。

附图说明：

图1 是磷酸镁水泥再生骨料混凝土制备工艺流程。

图2 是磷酸钾镁水泥硬化体（60 d）的SEM图。

图3 是磷酸钾镁水泥硬化体与普通硅酸盐水泥硬化体界面（60 d）的SEM图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1 是磷酸镁水泥再生骨料混凝土制备工艺流程。

一种磷酸镁水泥再生骨料结构混凝土，其特征在于主要由氧化镁、磷酸盐、复合缓凝剂、矿物掺合料、再生骨料、天然骨料和水按一定重量比例配制而成。

实施例1

本实施例磷酸镁水泥再生骨料结构混凝土各组分的重量百分比为：氧化镁18.6%、磷酸二氢钾5.4%、磷酸二氢钠2.5%、复合缓凝剂2.4%、掺合料粉煤灰2.8%、石灰石粉2.8%、再生细骨料13.3%、砂13.3、再生粗骨料15.1%、碎石15.1%、水7.9%；其中，复合缓凝剂质量比为四硼酸钠：十二水合磷酸氢二钠：无机氯盐=2 ：6 ：3；

按上述比例将氧化镁、磷酸盐、复合缓凝剂、掺合料均匀混合，得到磷酸盐水泥基材；将搅拌机内表面润湿，加入再生粗、细骨料和一部分水，搅拌2-3分钟；再生骨料吸水后，将磷酸盐水泥基材、天然骨料和其余部分水加入搅拌均匀，硬化后形成磷酸盐再生骨料结构混凝土。

实施例2

本实施例磷酸镁水泥再生骨料结构混凝土各组分的重量百分比为：氧化镁18.5%、磷酸二氢钾7.9%、复合缓凝剂2.4%、掺合料粉煤灰2.7%、石灰石粉2.7%、再生细骨料21.3%、砂5.3、再生粗骨料24.2%、碎石6.1%、水8.9%；其中，复合缓凝剂质量比为四硼酸钠：十二水合磷酸氢二钠：无机氯盐=2 ：6 ：3；

实施例3

本实施例磷酸镁水泥再生骨料结构混凝土各组分的重量百分比为：氧化镁18.5%、磷酸二氢钾7.9%、复合缓凝剂2.4%、掺合料粉煤灰2.7%、石灰石粉2.7%、再生细骨料26.6%、再生粗骨料30.2%、水8.9%；其中，复合缓凝剂质量比为四硼酸钠：十二水合磷酸氢二钠：无机氯盐=2 ：6 ：3；

实施例4

本实施例磷酸镁水泥再生骨料结构混凝土各组分的重量百分比为：氧化镁21.7%、磷酸二氢钾9.2%、复合缓凝剂2.8%、掺合料粉煤灰2.8%、硅粉3.2%、再生细骨料10.1%、砂10.1%、再生粗骨料24.6%、碎石6.1%、水8.9%；其中，复合缓凝剂质量比为四硼酸钠：十二水合磷酸氢二钠：无机氯盐=2 ：6 ：3；

实施例5

本实施例磷酸镁水泥再生骨料结构混凝土各组分的重量百分比为：氧化镁21.7%、磷酸二氢钾9.2%、复合缓凝剂2.8%、掺合料粉煤灰3.2%、硅粉3.2%、再生细骨料16.2%、砂4.1%、再生粗骨料15.4%、碎石15.4%、水8.9%；其中，复合缓凝剂质量比为四硼酸钠：十二水合磷酸氢二钠：无机氯盐=2 ：6 ：3；

实施例6

本实施例磷酸镁水泥再生骨料结构混凝土各组分的重量百分比为：氧化镁21.7%、磷酸二氢钾9.2%、复合缓凝剂2.8%、掺合料粉煤灰3.2%、硅粉3.2%、再生细骨料20.2%、再生粗骨料30.8%、水8.9%；其中，复合缓凝剂质量比为四硼酸钠：十二水合磷酸氢二钠：无机氯盐=2 ：6 ：3；

基于以上方法步骤，制备了6组磷酸镁水泥再生骨料结构混凝土，测试其终凝时间；在自然空气中养护，测试其1d、3d、28d 的抗压强度和3d、60d收缩应变，如表1所示。

表1 磷酸镁水泥再生骨料混凝土的性能

由表1可见，磷酸镁水泥再生骨料结构混凝土的终凝时间大于40分钟，能够满足工程施工操作要求；1d强度达28d强度的40%以上，3d强度达28d强度65%以上，满足工程对混凝土早期强度的要求；28d磷酸镁水泥再生混凝土的抗压强度均在50Mpa 以上，强度最高达到68.2Mpa，大幅度提高现有硅酸盐再生混凝土的强度。磷酸镁水泥再生骨料结构混凝土在水化60d 内的收缩变形与普通硅酸盐混凝土相比 ( 如硅酸盐水泥混凝土的收缩应变为(30 ～ 50)×10^-4)，磷酸镁再生骨料结构混凝土的收缩变形降低了一个数量级。

图2为实施例2双掺适量石灰石粉和粉煤灰的磷酸钾镁水泥硬化体的断面形貌图（60 d）。由图2可见，水化产物主要由片状晶体水化产物、无定形的玻璃体水化产物以及未水化的MgO颗粒组成，MgO颗粒与周围的水化产物结合紧密，晶体水化产物和玻璃体水化产物之间存在少量的间隙，玻璃体中有一些裂纹。CaCO3颗粒和球状粉煤灰颗粒嵌填在玻璃体水化产物中，粉煤灰的活性效应不仅使磷酸钾镁水泥体系的早期水化反应速度加快，还使粉煤灰球形颗粒与周围的水化产物结合紧密，CaCO3颗粒和粉煤灰球形颗粒的填充作用和微集料作用使磷酸钾镁水泥体系的结构趋于致密，

图3为实施例2双掺石灰石粉和粉煤灰的磷酸钾镁水泥硬化体与再生骨料表面硅酸盐水泥硬化体的粘结界面微观形貌，由图3可见，两种硬化体结合界面呈凹凸状，界面结合紧密，几乎没有缝隙和缺陷。

表2 磷酸钾镁水泥硬化体与硅酸盐水泥硬化体的界面处

点1、点2和点3 的元素组成和质量分布的EDS结果

在图3取标记点1、2和3部位进行EDS分析，所得元素组成和质量分布见表2；点1由Mg、K、P和O元素组成，即为主要水化产物MKP；点2即由Ca、Si、Al、Mg、K、P、O等元素组成，与点1比较，增加了Ca、Si、AI元素，且Mg、K、P元素的含量降低约1/2，而元素Ca的含量达到了元素Mg含量的2倍，元素Si含量与元素K的含量接近，元素Al的含量相对较低，即由硅酸盐水泥的主要水化产物和磷酸盐组成；点3由Ca、Si、Al、Fe、Mg、K和O元素组成，与点2比较，少了P元素，增加了Fe元素，且Ca、Si、Al含量进一步提高，Mg元素降低较多，即为硅酸盐水泥的主要水化产物组成。很显然磷酸钾镁水泥及其水化产物已渗入硅酸盐水泥硬化体表面。

试验表明，磷酸钾镁水泥硬化体与再生骨料界面粘结力主要来源于两固相界面的范德华分子引力、机械咬合力和化学作用力。再生骨料表面包裹硅酸盐水泥硬化体具有一定的粗糙度，可增加界面的接触面积，使范德华分子引力和机械咬合力提高；此外，磷酸盐能与硅酸盐混凝土中的Ca(OH)₂或CaCO₃反应生成具有胶凝性的磷酸钙类产物，在粘结界面附近存在很强的化学粘结作用。由此，磷酸钾镁水泥硬化体与再生骨料表面硬化硅酸盐水泥浆体界面附近，除了物理粘结作用外，还存在很强的化学粘结作用，大大提高了界面粘结强度。

应该理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种磷酸镁水泥再生骨料结构混凝土，其特征在于主要由氧化镁、磷酸盐、复合缓凝剂、掺合料、再生骨料、天然骨料和水按一定重量比例配制而成，各组分的重量百分比为：氧化镁12～30%、磷酸盐8～20%、复合缓凝剂2～10%、掺合料5～15%、再生细骨料5～20%、再生粗骨料5～30%、天然细骨料0～10%、天然粗骨料0～15%，水为余量。

2.所述氧化镁为死烧氧化镁粉，其MgO 的质量分数大于 90％，比表面积2.0-2.4m2/kg。

3.所述磷酸盐为磷酸二氢钾和磷酸二氢钠的一种或两种。

4.所述复合缓凝剂为四硼酸钠、十二水合磷酸氢二钠和无机氯盐中的一种或两种以上，无机氯盐为氯化钠、氯化钾中的一种或两种。

5.所述细骨料为再生细骨料和天然砂中的一种或两种, 再生细骨料取代天然细骨料20%-100%。

6.所述粗骨料为再生粗骨料和天然碎石或卵石中的一种或两种，再生粗骨料取代天然粗骨料20%-100%。

7.所述掺合料为粉煤灰、石灰石粉、矿渣粉、偏高岭土、硅灰中的一种或两种以上。

8.磷酸镁水泥再生骨料结构混凝土制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据权利要求1确定混凝土组分及其用量；

（3）将搅拌机内表面润湿，加入再生粗、细骨料和一部分水，搅拌2-3分钟；（4）再生骨料吸水后，将磷酸盐水泥基材、天然骨料和其余部分水加入搅拌均匀，硬化后形成磷酸盐再生骨料结构混凝土。