CN106517987A - 微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料及制备方法 - Google Patents

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王晓东
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Abstract

一种微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料及制备方法。传统生产的水泥，与具有更高的强度的碱矿渣胶凝材料比，需要更高的水化热和更大的能耗。一种微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，其组成包括：矿渣、钾水玻璃、氢氧化钠、微细钢纤维和水，其重量份数为：矿渣55~78.25份、钾水玻璃10~19.30份、氢氧化钠0.40~4.60份、微细钢纤维0.85~2.20份和水10.50~20份。本发明申请涉及建材领域，特别涉及应用于微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料及制备方法。

Description

微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料及制备方法
技术领域：
本发明申请涉及一种建材领域，尤其涉及一种微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料及制备方法。
背景技术：
碱矿渣胶凝材料是以工业废弃物高炉矿渣作为主要原材料，碱性化合物或碱工业废料作为激发剂激发而成的胶凝材料。与传统水泥相比，碱矿渣胶凝材料具有更高的强度，更低的水化热和更小的能耗等优势。从材料性能层面看，碱矿渣胶凝材料有更好的快硬性、抗冻性、抗腐蚀性、护筋性等优异的性能。从生产工艺层面看，碱矿渣胶凝材料具有生产工艺简单、投资少，矿渣利用率高、污染小的突出优点，目前已经成为建筑领域的研究热点。本文为研究，碱矿渣胶凝材料中掺入不同质量分数的粗、细钢纤维在常温下，不同养护天数下的抗压抗折强度。
发明内容：
本发明的目的是提供一种微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料及制备方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，其组成包括：矿渣、钾水玻璃、氢氧化钠、微细钢纤维和水，其重量份数为：矿渣55~78.25份、钾水玻璃10~19.30份、氢氧化钠0.40~4.60份、微细钢纤维0.85~2.20份和水10.50~20份。
所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，其重量份数为：矿渣55份、钾水玻璃19.30份、氢氧化钠4.60份、微细钢纤维1.10份和水20份。
所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，矿渣78.25份、钾水玻璃10份、氢氧化钠0.40份、微细钢纤维0.85份和水10.50份。
所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，矿渣66.5份、钾水玻璃12.80份、氢氧化钠3份、微细钢纤维2.20份和水15.50份。
所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，矿渣66份、钾水玻璃13份、氢氧化钠3.50份、微细钢纤维2.10份和水15.40份。
所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，所述的矿渣，其化学成分主要有：二氧化硅36.9% 氧化铝15.66% 氧化钙37.57% 氧化镁9.3% 氧化铁0.36%；活性指标主要为：质量系数=1.69 碱性系数=0.97 活度系数=0.42。
所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，所述的钾水玻璃，钾水玻璃俗称泡花碱，质地粘稠，一般显青灰色或者淡黄色，这是由于其中含有杂质，若无杂质，则是无色透明，可溶于水，主要成分是碱金属硅酸盐，化学式为，其波美度46.3，密度1.465，模数1，质量分数(%)含氧化钾15.98%、二氧化硅28.15%。
所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，所述的氢氧化钠，氢氧化钠（），苛性钠，俗称火碱、烧碱，是一种无色透明晶体，易溶于水，溶于水后溶液呈强碱性，具有强腐蚀性，易吸收空气中的水蒸气和二氧化碳，所以不宜长期暴露在空气中，防止其潮解变质。
所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，所述的钢纤维，常用截面为圆形的长直钢纤维，其长度为10～60mm，直径为0.2～0.6mm，长径比为30mm～100mm；为增加钢纤维和胶凝材料的界面粘结，可选用各种异形的钢纤维，其截面有矩形、锯齿形、弯月形的；截面尺寸沿长度而交替变化的；波形的；圆圈状的；端部放大的或带弯钩的等。
利用所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料的制备方法，所述的制备方法按如下步骤操作：（1）依据确定好的比例用衡器称量各种原料的质量；（2）在反应容器中，放入钾水玻璃，再将称量好的氢氧化钠颗粒倒入称量好的钾水玻璃中，用玻璃搅拌棒搅拌均匀，直至氢氧化钠完全溶解，即溶液中没有悬浮白色絮状物，再将盛装有调整好模数的钾水玻璃的反应容器，放置在阴凉干燥通风处静置1.5h，释放溶解氢氧化钠所产生的热量，直到溶液温度降至常温：（3）将称量好的矿渣放入搅拌锅中，与静置好的钾水玻璃混合，然后用搅拌机低速慢搅1min左右，期间将称量好的水倒入，用玻璃搅拌棒继续搅拌，使得水、钾水玻璃和矿渣充分溶解，继续用搅拌机低速慢搅约2~8min，直到胶凝材料混合均匀；（4）胶凝材料混合均匀后将称量好的微细钢纤维加入，继续用搅拌机低速慢搅约1min，得溶性微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料；（5）对溶性微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料注入相应尺寸的模具中，然后在混凝土振动台上震荡，排出其中的气泡，最后包上一层保鲜膜进行养护，完成规定的养护时间既得凝固微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料。
本发明的有益效果：
1.本发明的碱矿渣胶凝材料，与传统水泥相比，碱矿渣胶凝材料具有更高的强度，更低的水化热和更小的能耗等优势。
本发明的碱矿渣胶凝材料，从材料性能层面看，碱矿渣胶凝材料有更好的快硬性、抗冻性、抗腐蚀性、护筋性等优异的性能。
本发明的碱矿渣胶凝材料，从生产工艺层面看，碱矿渣胶凝材料具有生产工艺简单、投资少，矿渣利用率高、污染小的突出优点，目前已经成为建筑领域的研究热点。
本发明的碱矿渣胶凝材料，为增加钢纤维和胶凝材料的界面粘结，可选用各种异形的钢纤维，其截面有矩形、锯齿形、弯月形的；截面尺寸沿长度而交替变化的；波形的；圆圈状的；端部放大的或带弯钩的等。
本发明的碱矿渣胶凝材料，所采用的钢纤维可用冷拔钢丝切断、薄钢板剪切、钢块或钢锭铣削以及熔钢抽纱等方法制造。
本发明的碱矿渣胶凝材料，在胶凝材料中掺加适量的微细钢纤维，可提高其抗拉、抗弯强度，并大幅度地提高其韧性和抗冲击强度。
本发明的碱矿渣胶凝材料，通过微细钢纤维在基体内的均匀分布，减轻了基体的质量；提高了基体本身的抗折、抗压强度，减少了基体的脆性断裂，增加了基体的延性，提高了基体的抗拉性。
附图说明：
附图1是本发明的掺入微细钢纤维的碱矿渣胶凝材料胶砂件抗折强度的列表。
附图2是本发明的掺入微细钢纤维3%的碱矿渣胶凝材料胶砂件抗压强度列表。
附图3是本发明的不同掺入量的微钢纤维碱矿渣胶凝材料哑铃件抗拉强度列表。
附图4是本发明的试件抗压强度随养护龄期的变化示意图。
图中：a —碱含量14%，水用量32%；b —碱含量12%，水用量35%
具体实施方式：
实施例1：
一种微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，其组成包括：矿渣、钾水玻璃、氢氧化钠、微细钢纤维和水，其重量份数为：矿渣55~78.25份、钾水玻璃10~19.30份、氢氧化钠0.40~4.60份、微细钢纤维0.85~2.20份和水10.50~20份。
实施例2：
根据实施例1所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，其重量份数为：矿渣55份、钾水玻璃19.30份、氢氧化钠4.60份、微细钢纤维1.10份和水20份。
实施例3：
根据实施例1所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，矿渣78.25份、钾水玻璃10份、氢氧化钠0.40份、微细钢纤维0.85份和水10.50份。
实施例4：
根据实施例1所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，矿渣66.5份、钾水玻璃12.80份、氢氧化钠3份、微细钢纤维2.20份和水15.50份。
实施例5：
根据实施例1所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，矿渣66份、钾水玻璃13份、氢氧化钠3.50份、微细钢纤维2.10份和水15.40份。
实施例6：
根据实施例1或2或3或4或5所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，所述的矿渣，为市售产品，其化学成分主要有：二氧化硅36.9% 氧化铝15.66% 氧化钙37.57% 氧化镁9.3% 氧化铁0.36%；活性指标主要为：质量系数=1.69 碱性系数=0.97 活度系数=0.42。
实施例7：
根据实施例1或2或3或4或5所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，所述的钾水玻璃，为市售产品，钾水玻璃俗称泡花碱，质地粘稠，一般显青灰色或者淡黄色，这是由于其中含有杂质，若无杂质，则是无色透明，可溶于水，主要成分是碱金属硅酸盐，化学式为，其波美度46.3，密度1.465，模数1，质量分数(%)含氧化钾15.98%、二氧化硅28.15%。
实施例8：
根据实施例1或2或3或4或5所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，所述的氢氧化钠，为市售产品，氢氧化钠（），苛性钠，俗称火碱、烧碱，是一种无色透明晶体，易溶于水，溶于水后溶液呈强碱性，具有强腐蚀性，易吸收空气中的水蒸气和二氧化碳，所以不宜长期暴露在空气中，防止其潮解变质。
实施例9：
根据实施例1或2或3或4或5所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，所述的钢纤维，为市售产品，常用截面为圆形的长直钢纤维，其长度为10～60mm，直径为0.2～0.6mm，长径比为30mm～100mm；为增加钢纤维和胶凝材料的界面粘结，可选用各种异形的钢纤维，其截面有矩形、锯齿形、弯月形的；截面尺寸沿长度而交替变化的；波形的；圆圈状的；端部放大的或带弯钩的等。
实施例10：
一种实施例1至9之一所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料的制备方法，所述的制备方法按如下步骤操作：（1）依据确定好的比例用衡器称量各种原料的质量；（2）在反应容器中，放入钾水玻璃，再将称量好的氢氧化钠颗粒倒入称量好的钾水玻璃中，用玻璃搅拌棒搅拌均匀，直至氢氧化钠完全溶解，即溶液中没有悬浮白色絮状物，再将盛装有调整好模数的钾水玻璃的反应容器放置在阴凉干燥通风处静置1.5h，释放溶解氢氧化钠所产生的热量，直到溶液温度降至常温：（3）将称量好的矿渣放入搅拌锅中，与静置好的钾水玻璃混合，然后用搅拌机低速慢搅1min左右，期间将称量好的水倒入，用玻璃搅拌棒继续搅拌，使得水、钾水玻璃和矿渣充分溶解，继续用搅拌机低速慢搅约2~8min，直到胶凝材料混合均匀；（4）胶凝材料混合均匀后将称量好的微细钢纤维加入，继续用搅拌机低速慢搅约1min，得溶性微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料；（5）对溶性微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料注入相应尺寸的模具中，然后在混凝土振动台上震荡，排出其中的气泡，最后包上一层保鲜膜进行养护，完成规定的养护时间既得凝固微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料。
实施例11：
根据实施例1至10之一所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料及制备方法，其强度变化规律的测定可以用抗折强度、抗压强度和立方体抗压强度来衡量；所述的抗折强度，根据《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》规定，胶砂件抗折强度按下式计算：
式中:
为碱矿渣胶凝材料的抗折强度（MPa）；
为施加于试件跨中的破坏荷载（N）；
L为两圆柱支撑之间的距离（此处取100mm）；
b为棱柱体试件的截面边长（此处取40mm）；
具体实验步骤如下：
（1）首先按前述的制备方法制作实验样件；
（2）打开HYE-300B型水泥抗压抗折恒应力试验机，调试到抗折模式，调整跨距（100mm）、截面边长（40mm）、加载速率（0.25kN/s）；
（3）将试件放置在试验机上，让试件成型的两个侧面作为试验的抗折面，试件底面紧靠试验机上的两个金属突起，以确保试件与圆柱支撑垂直；
（4）点击开始按钮，开始试验。
一组试验取得三个测定值，试件的抗折强度取三个测定值的平均值；若有实验值大于或小于平均值的10%，那么应该舍弃此值，取剩余值的平均值来作为试件的抗折强度值；试验结果精确到0.01MPa。
实施例12：
根据实施例1至10之一所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料及制备方法，其强度变化规律的测定可以用抗折强度、抗压强度和立方体抗压强度来衡量；所述的抗压强度，根据《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》规定，胶砂件抗压强度按下式计算：
式中：
为碱矿渣胶凝材料胶砂件的抗压强度（MPa）；
为试件破坏荷载（N）；
A为试件承压面积（此处取40mm40mm）；
具体实验步骤如下：
（1）首先按前述的制备方法制作实验样件；
（2）将试验机调试到抗压模式，放置好标准抗压夹具，调整受压面积（40mm40mm）、加载速率（0.25kN/s）；
（3）40mm40mm160mm试件在进行完抗折试验后，会折断成两半，取其中一半水平放置在标准抗压夹具中，将试件底面紧贴夹具一侧的两个金属突起，确保受压面积为40mm40mm，试件成型的两个侧面作为受压面；
（4）点击开始按钮，开始试验。
实施例13：
根据实施例1至10之一所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料及制备方法，其强度变化规律的测定可以用抗折强度、抗压强度和立方体抗压强度来衡量；所述的立方体抗压强度，根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）规定，立方体试件抗压强度按下式计算：
式中：
为碱矿渣胶凝材料立方体试件的抗压强度（MPa）；
为试件破坏荷载（N）；
A为试件承压面积（此处取100mm100mm）；
具体实验步骤如下：
（1）打开电液式压力试验机；
（2）将试件放置在试验机上，让试件成型的两个侧面作为试验的抗压面，将试件底面与试验机下压板上的对角线对齐，确保试件对中放置在试验机正中间；
（3）调零，逆时针旋转给油阀，开始试验。试验中通过控制给油阀确保试验机加载速率在0.3kN/s以下；
（4）当试验机显示力值持续变小时，迅速顺时针旋转关闭给油阀，逆时针旋转打开回油阀，按“峰值”按钮，获得试验压力值。
一组试验取得3个测定值，立方体试件的抗压强度取3个测定值的平均值。若有一个实验值大于或小于平均值的10%，那么应该舍弃此值，取剩余值的平均值来作为立方体试件的抗压强度值；试验结果精确到0.01MPa。
实施例14：
根据实施例1至10之一所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料及制备方法，所述的试件抗折强度随养护龄期的变化曲线见附图3，掺入微细钢纤维之后的抗拉强度明显高于基体的抗拉强度，并且随着掺入量的增加和龄期的增长，抗拉强度也有明显的提高；并且在试验现象中可观察到基体在破坏时常出现脆性断裂，加入微细钢纤维之后，仅出裂缝但未拉断，随着掺入量的增加，基体的延性也有所提高。

Claims (10)

1.一种微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，其组成包括：矿渣、钾水玻璃、氢氧化钠、微细钢纤维和水，其特征是：其重量份数为：矿渣55~78.25份、钾水玻璃10~19.30份、氢氧化钠0.40~4.60份、微细钢纤维0.85~2.20份和水10.50~20份。
2.根据权利要求1所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，其特征是：其重量份数为：矿渣55份、钾水玻璃19.30份、氢氧化钠4.60份、微细钢纤维1.10份和水20份。
3.根据权利要求1所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，其特征是：矿渣78.25份、钾水玻璃10份、氢氧化钠0.40份、微细钢纤维0.85份和水10.50份。
4.根据权利要求1所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，其特征是：矿渣66.5份、钾水玻璃12.80份、氢氧化钠3份、微细钢纤维2.20份和水15.50份。
5.根据权利要求1所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，其特征是：矿渣66份、钾水玻璃13份、氢氧化钠3.50份、微细钢纤维2.10份和水15.40份。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，其特征是：所述的矿渣，其化学成分主要有：二氧化硅36.9% 氧化铝15.66% 氧化钙37.57% 氧化镁9.3%氧化铁0.36%；活性指标主要为：质量系数=1.69 碱性系数=0.97 活度系数=0.42。
7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，其特征是：所述的钾水玻璃，钾水玻璃俗称泡花碱，质地粘稠，显青灰色或者淡黄色或无色透明，可溶于水，主要成分是碱金属硅酸盐，化学式为，其波美度46.3，密度1.465，模数1，质量分数(%)含氧化钾15.98%、二氧化硅28.15%。
8.根据权利要求1或2或3或4或5所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，其特征是：所述的氢氧化钠，氢氧化钠（），苛性钠，俗称火碱、烧碱，是一种无色透明晶体，易溶于水，溶于水后溶液呈强碱性，具有强腐蚀性，易吸收空气中的水蒸气和二氧化碳，所以不宜长期暴露在空气中，防止其潮解变质。
9.根据权利要求1或2或3或4或5所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料，其特征是：所述的钢纤维，是截面为圆形的长直钢纤维，其长度为10～60mm，直径为0.2～0.6mm，长径比为30mm～100mm；为增加钢纤维和胶凝材料的界面粘结，选用各种异形的钢纤维，其截面有矩形、锯齿形、弯月形的；截面尺寸沿长度而交替变化的；波形的；圆圈状的；端部放大的或带弯钩的。
10.一种利用权利要求1至9之一所述的微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料的制备方法，其特征是：所述的制备方法按如下步骤操作：（1）依据确定好的比例用衡器称量各种原料的质量；（2）在反应容器中，放入钾水玻璃，再将称量好的氢氧化钠颗粒倒入称量好的钾水玻璃中，用玻璃搅拌棒搅拌均匀，直至氢氧化钠完全溶解，即溶液中没有悬浮白色絮状物，再将盛装有调整好模数的钾水玻璃的反应容器，放置在阴凉干燥通风处静置1.5h，释放溶解氢氧化钠所产生的热量，直到溶液温度降至常温：（3）将称量好的矿渣放入搅拌锅中，与静置好的钾水玻璃混合，然后用搅拌机低速慢搅1min左右，期间将称量好的水倒入，用玻璃搅拌棒继续搅拌，使得水、钾水玻璃和矿渣充分溶解，继续用搅拌机低速慢搅约2~8min，直到胶凝材料混合均匀；（4）胶凝材料混合均匀后将称量好的微细钢纤维加入，继续用搅拌机低速慢搅约1min，得溶性微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料；（5）对溶性微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料注入相应尺寸的模具中，然后在混凝土振动台上震荡，排出其中的气泡，最后包上一层保鲜膜进行养护，完成规定的养护时间既得凝固微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料。
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