CN106478018A - 一种生态环保型纳米水泥基复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种生态环保型纳米水泥基复合材料，该复合材料所用原材料的重量百分比为：水泥19.2%~26.9%；工业废渣11.5%~19.2%；纳米SiO2 0.38%~1.92%；纳米CaCO3 0.38%~1.92%；高效外加剂0.8%~1.2%；促凝剂A 0.4%~1.2%；普通河砂38.4%~57.7%；超细镀铜钢纤维3.0%~9.0%。本发明大大降低了材料成本，减低了水泥熟料的用量，有效利用了城市生活垃圾发电厂炉渣，有益于环境保护，同时外掺纳米组分SiO2和CaCO3，充分发挥了纳米SiO2的活性及纳米CaCO3的填充效应和增强效应，从而大幅度提高了水泥基复合材料的力学性能。

Description

一种生态环保型纳米水泥基复合材料
技术领域
本发明涉及一种采用城市生活垃圾发电厂炉渣等工业废渣取代水泥熟料、外掺纳米组分增强超高性能水泥基复合材料及其制备方法，属于建筑材料领域或基础工程建设领域。
背景技术
超高性能水泥基复合材料以其优异的静态力学性能、动态力学性能、阻裂效应的特殊优势以及优异的耐久性能而广泛用于土木、建筑、水利、交通、隧道、市政、国防防护等各个领域。目前，国外制备的超高性能水泥基复合材料多采用价格昂贵的超细粉体材料、价格高的微细金属纤维，制备技术采用的是蒸压或热水养护工艺，能耗大且在现场浇注很难施行，从而使得该材料的性价比低，制约了该材料在工程中的推广应用。
纳米材料与常规材料的区别不仅在于尺度的不同，最重要的是在于物理化学能的变化，纳米材料因具有粒径小、比表面积大、表面能高以及表面原子所占比例大等特点，而水泥硬化浆体中的水化硅酸钙凝胶具有纳米结构，水泥硬化浆体70％为纳米尺度的水化硅酸钙凝胶颗粒，此外，还有纳米尺寸的孤立孔、毛细孔，纳米材料可以填充水泥浆体的孔隙，因此纳米材料在水泥基材料中的应用具有良好的基础。纳米SiO2是一种无定形物质，具有巨大的比表面积和极强的火山灰活性、微集料填充效应和晶核作用，掺入水泥材料中后，可以与水泥水化产物中的Ca(OH)2进行二次水化反应，生成C-S-H凝胶，减少氢氧化钙的含量，因此可以增加混凝土的强度，纳米CaCO3具有很大的价格优势，其颗粒微小发挥了较高的物理填充效应。鉴于其微粒性和高活性，完全可以将纳米材料掺入到混凝土中。
因此，在目前提倡绿色环保、节能减排、可持续发展的国际大环境下，如何充分发挥纳米组分的增强效应，研制并生产出性价比高、低能耗、绿色环保的超高性能水泥基复合材料，具有显著的创新意义、现实意义和巨大的实际应用价值。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足和缺陷，有效和高效利用工业废渣，充分发挥纳米SiO2和CaCO3的火山灰活性、微集料填充效应和晶核作用，并采用微波促凝技术，节省养护时间和成本，提供一种生态环保、力学性能优异的生态环保型纳米水泥基复合材料，并为纳米材料在土木工程材料领域的利用开拓方向。
技术方案：本发明的生态环保型纳米水泥基复合材料，是由八大组分组成，其原材料配合比为：
其中：
水泥：水泥是强度等级52.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
工业废渣：是由超细粉煤灰、磨细矿粉、硅灰及城市生活垃圾发电厂炉渣中三种或四种组成的胶凝材料体系。其中，超细粉煤灰要求需水量比≤95％，烧失量≤5％，比表面积≥400m2/kg；磨细矿粉要求比表面积≥400m2/kg；硅灰要求SiO2含量≥90％，比表面积≥20000m2/kg；城市生活垃圾发电厂炉渣要求比表面积≥400m2/kg。
纳米SiO2：平均粒径为15-25nm，表面多孔型，SiO2含量大于99％。
纳米CaCO3：平均粒径为20-40nm，CaCO3含量大于98％。
高效外加剂：减水率≥40％的聚羧酸外加剂，固含量≥35％。
促凝剂A：含Al、Si、Ca、Fe等氧化物的粉体促凝外加剂。
普通河砂：要求最大粒径5mm，连续级配。
超细镀铜钢纤维：国产超细平直型镀铜钢纤维或超细异型钢纤维，直径d≤0.17mm、长度1≤13mm。
有益效果：本发明利用我国资源丰富的工业废渣(粉煤灰、矿渣、硅灰、城市生活垃圾发电厂炉渣)大掺量取代水泥熟料，同时外掺纳米组分(纳米SiO2、CaCO3)，实现纳米材料的均匀分散，充分发挥了纳米组分的火山灰活性、微集料填充效应和晶核作用，另外使用减水率40％以上的高效外加剂及国产的超细镀铜钢纤维，通过矿物掺和料、纳米组分、化学外加剂、钢纤维及其多元复合技术的有效和高效利用，大大促进了水泥基复合材料组成与结构的优化，使得复合材料结构更加致密，在简单成型工艺及微波促凝养护技术条件下，成功制备出了抗压强度在100MPa～200MPa，抗折强度20MPa～50MPa的生态型纳米超高性能水泥基复合材料。
本发明与同类技术相比具有性价比高、制备工艺简单、生态环保等优点，由于纳米组分与工业废渣的复合叠加作用及早期微波促凝养护条件，可使得水泥基复合材料力学性能在早期和后期都有提升，并且有效的改善了水泥基复合材料力学性能和耐久性能。
具体实施方式
本发明提出的生态型纳米超高性能水泥基复合材料的制备方法，具体步骤
如下：
1)按按配方比例称取所需的水泥、工业废渣、纳米材料、促凝剂A、普通河砂、钢纤维，干搅拌3-5分钟，使其混合均匀；
2)按配方比例称取高效外加剂和水，将其在容器中混合均匀；
3)将减水剂缓慢大加入到混合均匀的干料中，在搅拌机中搅拌5-8分钟，使其搅拌成流动性好的浆体；
4)将浆体浇入模具，进行振动成型并适当加以振捣；
5)微波养护(微波功率20-40kW，微波养护温度40-60℃)0.5-2min，自然冷却1小时后拆模，将试件进行自然养护。
具体涉及纳米增强组分在制备环保、高性能水泥基复合材料方面的应用，为纳米材料在混凝土领域内的应用开辟了方向，尤其采用了微波促凝技术，缩短了混凝土制品的养护周期并节约了成本，特别适合于预制构件，其制备的超高性能水泥基复合材料主要用于建筑工程、铁路、公路、桥梁、隧道、有特殊要求的薄壁结构等土木工程材料领域。
生态环保、强度高、韧性好、阻裂能力强的超高性能水泥基复合材料是由水泥、工业废渣、高效外加剂、促凝剂A普通河砂、超细镀铜钢纤维和水按一定比例混合均匀而成，根据应用需要，通过调整配方，可愿意获得所需要的性能。
结合本发明内容提供以下实施例：
以下按重量百分比计：
实施例1：
其中，工业废渣是由20％的硅灰和40％的粉煤灰和40％的城市生活垃圾发电厂炉渣组成，拌合水量为水泥与工业废渣总质量的17％，采用微波养护30秒后自然养护。上述组分按前述工艺制备得到的高性能水泥基复合材料，测得其力学性能如下：
抗压强度(90d)145.3MPa，抗折强度(90d)24.4MPa。
以下按重量百分比计：
实施例2：
其中，工业废渣是由33.3％的硅灰和33.3％的粉煤灰和33.3％的城市生活垃圾发电厂炉渣组成，拌合水量为水泥与工业废渣总质量的18％，采用微波养护60秒后自然养护。上述组分按前述工艺制备得到的高性能水泥基复合材料，测得其力学性能如下：
抗压强度(90d)182.8，抗折强度(90d)41.7MPa。
以下按重量百分比计：
实施例3：
其中，工业废渣是由40％的硅灰和30％的粉煤灰和30％的城市生活垃圾发电厂炉渣组成，拌合水量为水泥与工业废渣总质量的19％，采用微波养护60秒后自然养护。上述组分按前述工艺制备得到的高性能水泥基复合材料，测得其力学性能如下：
抗压强度(90d)192.4，抗折强度(90d)44.6MPa。
以下按重量百分比计：
实施例4：
其中，工业废渣是由30％的硅灰、30％的粉煤灰、20％的矿粉和20％的城市生活垃圾发电厂炉渣组成，拌合水量为水泥与工业废渣总质量的18％，采用微波养护90秒后自然养护。上述组分按前述工艺制备得到的高性能水泥基复合材料，测得其力学性能如下：
抗压强度(90d)238.2MPa，抗着强度56.8MPa。
以下按重量百分比计：
实施例5：
其中，工业废渣是由20％的硅灰、30％的粉煤灰和30％的矿粉和20％的城市生活垃圾发电厂炉渣组成，拌合水量为水泥与工业废渣总质量的18％，采用微波养护90秒后自然养护。上述组分按前述工艺制备得到的高性能水泥基复合材料，测得其力学性能如下：
抗压强度(90d)225.4MPa，抗着强度52.7MPa。

Claims (9)

1.一种生态环保型纳米水泥基复合材料，其特征在于，该复合材料所用原材料的重量百分比为：
2.根据权利要求1所述的生态环保型纳米水泥基复合材料，其特征在于，所述水泥是强度等级52.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的生态环保型纳米水泥基复合材料，其特征在于，所述工业废渣是I级粉煤灰、磨细矿粉、硅灰及城市生活垃圾发电厂炉渣中三种或四种组成的胶凝材料体系。
4.根据权利要求1所述的生态环保型纳米水泥基复合材料，其特征在于，所述纳米SiO2的平均粒径为15-25nm，表面多孔型，SiO2含量大于99％。
5.根据权利要求1所述的生态环保型纳米水泥基复合材料，其特征在于，所述纳米CaCO3的平均粒径为20-40nm，CaCO3含量大于98％。
6.根据权利要求1所述的生态环保型纳米水泥基复合材料，其特征在于，所述高效外加剂是减水率大于40％的聚羧酸系外加剂。
7.根据权利要求1所述的生态环保型纳米水泥基复合材料，其特征在于，所述促凝剂A是含Al、Si、Ca、Fe等氧化物的粉体促凝外加剂。
8.根据权利要求1所述的生态环保型纳米水泥基复合材料，其特征在于，所述河砂是最大粒径5mm的普通河砂。
9.根据权利要求1所述的生态环保型纳米水泥基复合材料，其特征在于，所述超细镀铜钢纤维是直径d≤0.17mm、长度1≤13mm的超细平直型镀铜钢纤维或超细异型钢纤维。
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