CN107117882B - 一种活性粉末混凝土制品及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种活性粉末混凝土制品及其制备方法，本发明所述活性粉末混凝土制品的原料中包括水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、金尾矿砂、普通砂、钢纤维、减水剂和水，并对各原料的配比进行限定，使得本发明所述活性粉末混凝土制品具有抗压性、抗折性强、内部结构好，以及，在混凝土加工过程中流动性好，便于加工成型，施工性能好的优点。由于制备过程中混凝土的流动好，本发明所述制备方法可以容易地大规模生产活性粉末混凝土，同时，本发明所述方法还通过增加干搅拌的时间促进钢纤维在混凝土中的分布，通过热养护的方式提高混凝土制品中活性组分的活性，增强抗压性，提升力学性能。

Description

一种活性粉末混凝土制品及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土领域，具体而言，涉及一种活性粉末混凝土制品及其制备方法。
背景技术
活性粉末混凝土(RPC)是一种具有超高强、高韧性、低脆性、耐久性和体积稳定性良好的具有广阔应用前景的新型超高强混凝土，它是由水泥、粉煤灰、石英砂、硅灰、高效减水剂等组成，为了提高RPC的韧性和延性加入钢纤维，在RPC的凝结、硬化过程中采取适当的加压、加热等成型养护工艺，由于活性细粉占有较大比例，因此它被称为活性粉末混凝土。这种新型活性粉末混凝土不仅抗压和抗弯折强度高，而且体积稳定性和耐久性以及抗疲劳性都远远高于普通高强混凝土。因其优越的力学和使用性能，活性粉末混凝土在土木、核电等工程领域中有广阔的应用市场。
而由于大批混凝土工程的建设，用于制备活性粉末混凝土的细骨料，如石英砂、普通砂的资源日益短缺，因此，寻找新的建筑材料取代天然砂石材料成为学者们研究的一个重要课题。金尾矿砂就是用于替换细骨料的研究方向之一。
金尾矿砂是选矿厂在特定的经济技术条件下，将矿石磨细，选取有用成分后排放的废弃物。一般情况下，其属于工业废料，不但需要占用大量土地，还有发生坍塌事故的风向。因此，以金尾矿砂作为活性粉末混凝土的原料，代替或部分代替石英砂或普通砂，不但能够产生巨大的经济效益，而且具有消除安全隐患的作用。
但目前利用金尾矿砂制备的活性粉末混凝土具有抗压强度不高、流动性差、孔隙率大等缺陷，限制金尾矿砂在制备活性粉末混凝土材料中的应用。因此，本领域亟待对以金尾矿砂为原料的活性粉末混凝土的配方和制备方法进行调整和优化，获得性能良好的活性粉末混凝土制品，从而扩大金尾矿砂在本领域的应用。
另外，现有的活性粉末混凝土在制备时流动性差，施工难度大，不利于在工业上规模化生产活性粉末混凝土。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种活性粉末混凝土制品，该活性粉末混凝土制品不但具有抗压力和抗折力强、内部结构好的优点，还具有在制备过程中流动度好、易于施工的优点。
本发明的第二目的在于提供一种所述的活性粉末混凝土制品的制备方法，所述方法的操作简单，施工方便，易于在工业上大规模生产活性粉末混凝土。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种活性粉末混凝土制品，按重量份计，所述活性粉末混凝土制品包括以下原料：
凝胶材料100份、细骨料135～145份、钢纤维15～17份、减水剂1.7～1.9份和水18～22份，其中，按重量份计，每100份所述凝胶材料由75～80份水泥、12～14份硅灰和7～11份粉煤灰组成，每100份所述细骨料由12～14份石英砂、18～21份金尾矿砂和65～70份普通砂组成。
本发明上述活性粉末混凝土制品以石英砂、金尾矿砂和普通砂作为细骨料。首先，采用金尾矿砂代替一部分石英砂，能够降低成本，减少尾矿废料的堆积及由此带来的危害。其次，金尾矿砂和石英砂、普通砂三者在粉体颗粒的细度、颗粒级配和颗粒形状上能够很好地配合，减少沙粒之间的孔隙，使彼此堆积密实，从而提高混凝土制品的强度和密实性。本发明还进一步对金尾矿砂、石英砂和普通砂之间的配比，以及与其他原料之间的配比进行限定，使不同粒径原材料形成一个最大的密实体系，从而使三种骨料组分实现最紧密堆积，改善大掺量矿物细粉混凝土制品的孔结构，减少孔隙率。
本发明上述活性粉末混凝土制品还掺入硅灰，硅灰是铁合金在冶炼硅铁和工业硅时，矿热电炉内产生出大量挥发性很强的SiO2和Si气体，气体排放后与空气迅速氧化冷凝沉淀而成。硅灰能够通过填充效应和火山灰效应提高活性粉末混凝土的强度和密实度，通过孔隙溶液化学反应降低孔隙的碱金属离子浓度，消除混凝土内部孔隙。
本发明所述活性粉末混凝土制品的原料中还包括粉煤灰，粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。在混凝土中掺加粉煤灰节约大量的水泥、硅灰和细骨料的用量，降低成本，减少用水量，改善混凝土拌和物的和易性；增强混凝土的可泵性，减少混凝土的徐变，减少水化热、热能膨胀性，提高混凝土抗渗能力，增加混凝土的修饰性。
本发明所述活性粉末混凝土制品的原料还包括钢纤维，钢纤维是指用钢材的短纤维，将钢丝切断，并按照规定样式压制成两端弯钩，具有一定强度。加入钢纤维的混凝土其抗压强度、拉伸强度、抗弯强度、冲击强度、韧性、冲击韧性等性能均得到较大提高，但会降低拌合物的流动性。
本发明所述活性粉末混凝土制品的原料还包括减水剂，减水剂的加入能够使混凝土具有很好的耐久性、粘聚性，并且具有不泌水、不离析、和水泥适应性较好，坍落度经时损失小等特点。
本发明上述活性粉末混凝土制品对各原料的用量配比进行优化，使得混凝土制品不但具备优良的抗压性和抗折性，还在制备过程中具有良好的流动性，便于加工成型，提升施工性能。
在一些实施方式中，所述石英砂和金尾矿砂的质量比为37～46:54～63，或37～43：57～63，或37～40：60～63，优选地，40:60。
在一些实施方式中，所述普通砂与细骨料的质量比为0.65～0.7:1，优选地，0.65:1。
在一些实施方式中，所述粉煤灰与凝胶材料的质量比为0.07～0.09：1，优选地，0.09：1。
在一些实施方式中，按重量份计，所述活性粉末混凝土制品包括以下原料：
凝胶材料100份、细骨料140～145份、钢纤维16～17份、减水剂1.8～1.9份和水18～20份，其中，按重量份计，每100份所述凝胶材料由75～78份水泥、12～13份硅灰和9～11份粉煤灰组成，每100份所述细骨料由13～14份石英砂、19～21份金尾矿砂和65～68份普通砂组成。
在一些实施方式中，按重量份计，所述活性粉末混凝土制品包括以下原料：
凝胶材料100份、细骨料140～143份、钢纤维16～16.5份、减水剂1.8～1.85份和水19～20份，其中，按重量份计，每100份所述凝胶材料由75～77份水泥、12.5～13份硅灰和9～10份粉煤灰组成，每100份所述细骨料由13.5～14份石英砂、20～21份金尾矿砂和65～67份普通砂组成。
在一些实施方式中，按重量份计，所述活性粉末混凝土制品包括以下原料：
凝胶材料100份、细骨料135份、钢纤维15份、减水剂1.7份和水18份，其中，按重量份计，每100份所述凝胶材料由75份水泥、12份硅灰和7份粉煤灰组成，每100份所述细骨料由12份石英砂、18份金尾矿砂和65份普通砂组成。
在一些实施方式中，按重量份计，所述活性粉末混凝土制品包括以下原料：
凝胶材料100份、细骨料140份、钢纤维16.4份、减水剂1.8份和水20份，其中，按重量份计，每100份所述凝胶材料由78份水泥、13份硅灰和9份粉煤灰组成，每100份所述细骨料由14份石英砂、21份金尾矿砂和65份普通砂组成。
按重量份计，所述活性粉末混凝土制品包括以下原料：
凝胶材料100份、细骨料145份、钢纤维17份、减水剂1.9份和水22份，其中，按重量份计，每100份所述凝胶材料由80份水泥、14份硅灰和11份粉煤灰组成，每100份所述细骨料由14份石英砂、21份金尾矿砂和70份普通砂组成。
本发明对原料的配比进行进一步限定，有上述配比范围内的原料制备而成的活性粉末混凝土制品在抗压性、抗折性方面的性能更优异。
在一些实施方式中，所述活性粉末混凝土制品的原料还包括以下重量份的原料：引气剂0.0078～0.0117份，或引气剂0.009～0.0117份，或引气剂0.01～0.0117份；优选地，引气剂0.0078份、0.010份或0.0117份。
本发明上述活性粉末混凝土制品的原料还包括引气剂。引气剂能改善混凝土坍落度、流动性和可塑性，减少混凝土泌水和离析，提高混凝土的均质性，混凝土的热扩散及传导系数降低，提高了混凝土的体积稳定性，增强了野外结构的耐候性，延长了道路混凝土的使用寿命，大大提高了混凝土抗冻性、抗盐渍性、抗渗性、耐硫酸盐侵蚀及抗碱集料反应性能。
在一些实施方式中，所述石英砂的粒径在0.15～0.6mm，所述金尾矿砂的粒径为0.075～0.3mm，所述普通砂的粒径为0.15～1.18mm。
在一些实施方式中，所述水泥为普通硅酸盐水泥，优选地，所述普通硅酸盐水泥的硬度不低于42.5。
在一些实施方式中，所述减水剂选自木质素磺酸钠盐减水剂、萘系减水剂、脂肪族减水剂、氨基系减水剂、聚羧酸减水剂中的一种或多种；优选地，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
在一些实施方式中，所述钢纤维为直径为0.2～0.24mm之间，长度在10～14mm之间。
在一些实施方式中，所述引气剂选自松香树脂类引气剂、烷基苯磺酸盐类引气剂、脂肪醇磺酸盐类引气剂、皂苷类引气剂、蛋白质盐类引气剂和石油磺盐酸类引气剂中的一种或多种；优选地，所述引气剂为松香树脂类引气剂。
本发明还涉及上述活性粉末混凝土制品的制备方法，所述方法包括将各原料混合均匀、成型和热养护从而获得所述活性粉末混凝土制品的步骤。
本发明对活性粉末混凝土制品各原料的配比进行优化，所述混凝土的流动性好，易于加工，因此，本发明上述制备方法通过简单、易操作的步骤即可容易地获得活性粉末混凝土制品，适合大规模的工业化生产，同时，所述方法采用热养护，有利于提高活性粉末混凝土制品中活性组分的活性和抗压强度从而提升其力学性能。
在一些实施方式中，所述将各原料混合均匀的步骤具体为：先将金尾矿砂、石英砂和普通砂混合，加入1/3～1/2水搅拌，搅拌时间不超过30s；再加入硅灰搅拌20～40s；然后加入水泥、粉煤灰和钢纤维搅拌1～2min；最后加入余量水和减水剂，或水、减水剂和引气剂，搅拌5～7min。
在一些实施方式中，所述将各原料混合均匀的步骤具体为：先将金尾矿砂、石英砂和普通砂混合，加1/3水搅拌，搅拌30s；再加入硅灰搅拌30s；然后加入水泥、粉煤灰和钢纤维搅拌2min；最后加入余量水和减水剂，或水、减水剂和引气剂，搅拌6min。
本发明上述制备方法对投料的顺序以及搅拌时间进行优化，增加原料的干搅拌时间，在保证钢纤维进料的同时可使钢纤维尽可能的均匀分散，可以有效地减少钢纤维结团的想象。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)、本发明在RPC原料中用金尾矿砂代替一部分石英砂，用粉煤灰代替一部分硅灰，能够降低显著降低成本，同时还解决金尾矿砂作为废弃物占用大量土地的问题。
2)、本发明所述活性粉末混凝土制品的细骨料由金尾矿砂、石英砂和普通砂组成，三者在粉体颗粒的细度、颗粒级配和颗粒形状上能够互相配合，减少沙粒之间的孔隙，是沙粒彼此堆积密实，从而提高混凝土制品的强度和密实性，本发明还对金尾矿砂、石英砂和普通砂之间的配比以及与其他原料之间的配比，以及三种砂的粒径大小进行优化，使得所述细骨料之间能够形成最大的密实体系，实现最紧密堆积，改善混凝土制品的孔结构，减小孔隙率。
3)、本发明还对粉煤灰、胶砂比、减水剂和引气剂在原料中的配比进行优化，使得各原料组分在功能上能够更好地配合，不但增强活性粉末混凝土制品的抗压性、抗折性，降低孔隙率，改善混凝土的内部结构，还能够增强混凝土制备过程中的流动性，使混凝土便于加工成型，具有极好的施工性能。
4)、本发明对活性粉末混凝土制品各原料的配比进行优化，所述混凝土的流动性好，易于加工，因此，本发明上述制备方法通过简单、易操作的步骤即可容易地获得活性粉末混凝土制品，适合大规模的工业化生产，同时，所述方法采用热养护，有利于提高活性粉末混凝土制品中活性组分的活性和抗压强度从而提升其力学性能。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
参照以下方法制备活性粉末混凝土制品、测定其流动性、抗压性和抗折性
1、取料称量：根据配合比用电子天平和量筒分别称取以下原料，允许误差0.1g：
水泥608g、硅灰98.8g、粉煤灰53.2g、石英砂154.3g、金尾矿砂231.5g、普通砂716.6g、水152ml、减水剂13.7g、钢纤维124.8g，其中，所述水泥为宣化金隅水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥(P.O42.5)，所述石英砂的粒径在0.15～0.6mm之间，所述金尾矿砂的粒径在0.075～0.3mm之间，所述普通砂的粒径在0.15～1.18mm之间，所述减水剂为聚羧酸减水剂，所述钢纤维为细圆形，表面镀有金属铜，直径为0.22mm，长度在10mm～14mm。
2、实验前准备：把水泥胶砂搅拌机的搅拌锅和搅拌棒润湿。
3、砂混合：先将金尾矿砂在锅内碾碎，再加入石英砂和普通砂进行混合。
4、搅拌：打开搅拌机开关，同时在锅内倒入1/3的水，搅拌30s，然后加入硅灰，再搅拌30s，此时将水泥、粉煤灰倒入锅内，开始搅拌，慢慢加入钢纤维(2min之内加完)，2min时倒入剩余的水和减水剂(如果有引气剂，同时还加入引气剂)，搅拌6min，结束。
5、流动性测量：把刚搅拌好的混凝土制品装入胶砂流动度测定仪的模内，分两层，第一层装至锥圆高约2/3处，用捣棒自边缘至中心均匀捣实15次，接着装第二层，再将捣棒自边缘至中心均匀捣实15次，抹平，慢慢提起模具，打开振动开关，然后根据圆盘上刻度读出数据。
6、成型：在振动台上振动两次，并用捣棒捣实。
7、养护：先在标养室养护一天，拆模，再养护两天，最后在蒸养箱内养护24h。
8、测强：养护完成后，利用《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB.T50081-2002)进行RPC试块的抗压、抗折试验检测。
实施例2～8
参照实施例1所述方法制备实施例2～8的活性粉末混凝土，并检测其流动性、抗压性和抗折性，其区别仅在于各原料的配方如下表所示：
表1实施例2～8所述活性粉末混凝土制品的原料配比表
对比例1～9
参照实施例1所述方法制备对比例1～9的活性粉末混凝土，并检测其流动性、抗压性和抗折性，其区别仅在于各原料的配方如下表所示：
表2对比例1～8所述活性粉末混凝土制品的原料配比表
实验例1减水剂最佳掺量的确定
根据减水剂和水泥的相容性实验确定减水剂的最佳掺量，实验结果见表3，由此可见，减水剂在与凝胶材料的质量比在1.7～1.9:100的范围内流动情况良好，减水剂在与凝胶材料的质量比为1.8:100时，流动性最佳。
表3水泥相容性试验
实施例2颗粒级配
通过以下方式确定RPC原料中金尾矿砂、石英砂和普通砂的配比：
(1)将细度模数为0.6的金尾矿砂掺入细度模数为2.04的石英砂中，进行一级堆积，求出这两种骨料的最大堆积密度，数据见表4。具体一级堆积方法如下：利用四分法取样将石英砂、金尾矿砂两种骨料混合，以金尾矿砂取代石英砂的方式，求出混合后的最大单位重量，即为两种混合砂的最佳比例。根据表1所示数据可知，石英砂与金尾矿砂混合掺加的比例为4：6达到最大密实状态，紧密堆积密度为1374kg/m^3。
表4混合砂不同比例的堆积密度
(2)检测一级混合砂的颗粒级配是否级配良好，结果见表5。表5数据表明：混合砂的颗粒级配都未在Ⅲ区(Ⅲ区的砂为细砂及部分较细的中砂，保水性好)。
表5混合砂不同比例的累计筛余％
(3)由于混合砂的颗粒级配都未在Ⅲ区，需要加入普通砂，调整颗粒级配，使混合砂级配区达到良好。石英砂和金尾矿砂按4：6混合，然后再加入普通砂，调整混合砂的颗粒级配，使其符合Ⅲ区，结果见表6。
表6混合砂与普通砂的颗粒级配
(4)调整混合砂与普通砂的配比，制备活性粉末混凝土制品，并检测其抗压性、抗折性和流动性，具体配比参见表7，抗压性、抗折性和流动性的检测结果见表8。根据表8的检测结果可知，在细骨料中加入普通砂可以增强RPC的抗压强度和流动度，而对抗折强度的影响不规律。根据表8所示数据，在综合考虑抗压强度和流动性之后，得出混合砂与普通砂的最佳质量比为0.3～0.35:0.65～0.75。
表7混合砂与普通砂的配比
表8细骨料各组分配比对RPC抗压强度、抗折强度和流动度的影响
实施例3粉煤灰最佳掺量的确定
调整粉煤灰在凝胶材料中的配比，制备活性粉末混凝土制品，并检测其抗压性、抗折性和流动性，具体配比参见表9，检测结果见表10。根据表10的数据可知，随着粉煤灰掺量在体系中所占比例逐步增加，RPC抗压强度、抗折强度和流动度随着粉煤灰的掺量添加先升高后下降。综合考虑抗压强度、抗折强度和流动度，最后确定粉煤灰与胶凝材料的质量比为7～11：100时效果好，粉煤灰与胶凝材料的质量比为9:100时效果最佳。
表9粉煤灰掺量的配比方案
表10粉煤灰掺量与抗压强度、抗折强度和流动度的关系
实施例4引气剂最佳掺量的确定
在RPC原料中加入引气剂，调整引气剂的掺量，制备活性粉末混凝土制品，并检测其抗压性、抗折性和流动性，具体配比参见表11，抗压性、抗折性和流动性的检测结果见表12。根据表12所示数据可知，混凝土的流动性随着引气剂掺量的增加先上升后下降，但引气作用对混凝土的强度是不利的，随着引气剂的增加，抗折、抗压强度都有所降低。综合考虑RPC的工作性能，最后确定引气剂与凝胶材料的质量比为0.0078～0.0117:100，其中，二者最佳的质量比为0.0117:100。
表11引气剂掺量的配合比设计方案
表12引气剂掺量与抗压强度、抗折强度与流动度的关系
实施例5最佳砂胶比的确定
调整砂胶比(即细骨料与凝胶材料的质量比)，制备活性粉末混凝土制品，并检测其抗压性、抗折性和流动性，具体配比参见表13，抗压性、抗折性和流动性的检测结果见表14。根据表14的数据可知，随着胶砂比的增加，混凝土的抗压、抗折强度都有所增加，但混凝土的流动性下降。综合考虑RPC的工作性能，砂胶比在1.35～1.45之间为宜，当砂胶比为1.40时，RPC的工作性能最佳。
表13胶砂比的配比方案
表14不同胶砂比对RPC抗压强度、抗折强度和流动性的影响
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种活性粉末混凝土制品，其特征在于，按重量份计，所述活性粉末混凝土制品包括以下原料：
凝胶材料100份、细骨料135～145份、钢纤维15～17份、减水剂1.7～1.9份和水18～22份，其中，按重量份计，每100份所述凝胶材料由75～80份水泥、12～14份硅灰和7～11份粉煤灰组成，每100份所述细骨料由12～14份石英砂、18～21份金尾矿砂和65～70份普通砂组成；
按重量份计，所述活性粉末混凝土制品的原料还包括引气剂0.0078～0.0117份；
所述石英砂的粒径在0.15～0.6mm，所述金尾矿砂的粒径为0.075～0.3mm，所述普通砂的粒径为0.15～1.18mm；
所述减水剂为聚羧酸减水剂。
2.根据权利要求1所述的活性粉末混凝土制品，其特征在于，按重量份计，所述活性粉末混凝土制品包括以下原料：
凝胶材料100份、细骨料140份、钢纤维16.4份、减水剂1.8份和水20份，其中，按重量份计，每100份所述凝胶材料由78份水泥、13份硅灰和9份粉煤灰组成，每100份所述细骨料由14份石英砂、21份金尾矿砂和65份普通砂组成。
3.根据权利要求1或2所述的活性粉末混凝土制品，其特征在于，所述活性粉末混凝土制品的原料还包括以下重量份的原料：引气剂0.0117份。
4.根据权利要求1或2所述的活性粉末混凝土制品，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥。
5.根据权利要求4所述的活性粉末混凝土制品，其特征在于，所述普通硅酸盐水泥的硬度不低于42.5。
6.根据权利要求1或2所述的活性粉末混凝土制品，其特征在于，所述钢纤维为直径为0.2～0.24mm之间，长度在10～14mm之间。
7.根据权利要求1所述的活性粉末混凝土制品，其特征在于，所述引气剂选自松香树脂类引气剂、烷基苯磺酸盐类引气剂、脂肪醇磺酸盐类引气剂、皂苷类引气剂、蛋白质盐类引气剂和石油磺盐酸类引气剂中的一种或多种。
8.权利要求1～7任一项所述的活性粉末混凝土制品的制备方法，其特征在于，所述方法包括将各原料混合均匀、成型和热养护从而获得所述活性粉末混凝土制品的步骤。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述将各原料混合均匀的步骤具体为：先将金尾矿砂、石英砂和普通砂混合，加入1/3～1/2水搅拌，搅拌时间不超过30s；再加入硅灰搅拌20～40s；然后加入水泥、粉煤灰和钢纤维搅拌1～2min；最后加入余量水和减水剂，或水、减水剂和引气剂，搅拌5～7min。
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