CN108046824A - 钢纤维增韧内养护高强硅酸盐陶粒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢纤维增韧内养护高强硅酸盐陶粒及其制备方法。所述陶粒的原材料由物料干粉与钢纤维组成，钢纤维的掺量占物料干粉体积的0.5%~3.0%，其中，物料干粉按质量百分比计，包括如下组分：粉煤灰12%~40%、生石灰25%~28%、硅藻土20%~50%、黄砂10%~15%，采用湿法成球，后经自然养护，水热合成即可得到钢纤维增韧内养护高强硅酸盐陶粒。所得陶粒筒压强度12MPa~28MPa、1h吸水率15%~30%、弹性模量显著提升，可用以配制LC45~LC80结构轻混凝土，本发明具有简化工序，节省设备、能源、原材料的优势，能够有效提高轻集料对混凝土的内养护效果，较好解决现有轻集料筒压强度不高，难以配制高标号轻集料混凝土的问题。

Description

钢纤维增韧内养护高强硅酸盐陶粒及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钢纤维增韧、并对砂浆基体有显著内养护作用的高强硅酸盐陶粒及制备方法，属于结构轻混凝土用人造轻粗集料生产领域。

技术背景

我国对轻混凝土尤其是轻集料研究起步较晚，传统生产工艺以粘土，页岩等为原料，采用回转窑于1100℃～1250℃的高温烧结制得。随着国家进一步推进墙体材料革新，在落实节约资源和保护环境基本国策，有效保护耕地和环境，节约资源，提高资源利用效率等政策的引导下，粘土陶粒将逐渐退出市场；粉煤灰陶粒由于其产品性能的局限性，2016年河南等地的粉煤灰陶粒处于半停产状态；虽然煤矸石、页岩陶粒也有一定发展，但是总体而言我国人造轻集料体系较为单一，主要以粘土、页岩和粉煤灰陶粒为主；且陶粒企业为提高产量，普遍生产300～400级轻质陶粒，筒压强度2.0MPa～4.5MPa；高强陶粒生产成本较高，限制其在我国的生产、研发和应用市场的开拓，造成目前我国高强陶粒品质单一，产能严重落后于西方发达国家的基本局面。

另一方面，由于陶粒生产过程中采用1100℃～1250℃高温焙烧技术，能耗颇大，约116kgce/m³。而2016年全国各种烧结陶粒生产能力据估计约850万m³，根据2014年《中美气候变化联合声明》，2030中国将在2005年基础上减排65％，2020年将在2005年基础上减排40％～45％的目标，高温烧结工艺势必急需改进。

内养护是指将轻集料作为储水载体，利用轻集料的吸水性，将一部分水储存在集料内部，在砂浆硬化后期，通过释放水分促进水泥水化以及水分补偿降低混凝土自干燥。其明显区别于膨胀剂补偿收缩技术、纤维阻裂技术等，是一种极具潜力的抑制混凝土早期开裂的前沿技术。高标号混凝土由于结构密实，传统的外部养护制度仅对混凝土表层养护，水分难以达到混凝土内部，使内部胶凝材料无法得到充分、及时养护，随着水化反应进行，混凝土内部产生自干燥现象，产生干燥收缩甚至开裂。通过内养护可显著增加混凝土内部相对湿度，抑制混凝土早期干燥收缩以及开裂，促进水泥水化，降低混凝土自干缩。然我国陶粒生产基本以高温烧结工艺为主，陶粒表面玻璃化，毛细孔较少，故吸水率较低，为2％～8％，因此作为内养护载体预储水量偏低，内养护效果不明显，在干燥的施工环境中，由于水分蒸发速率加快，内养护效果受到严重影响；若提高内养护效果，应需提高集料吸水率，以便增加集料预储水量，抑制混凝土早期开裂能力。

我国陶粒体系单一且集中生产轻质陶粒，结构用高强陶粒发展缓慢，仅仅占陶粒市场的2％～3％，限制了高强轻混凝土在我国的发展和推广；高强混凝土干燥收缩较大，不解决干燥收缩问题依旧会限制高强轻混凝土的利用。

现阶段我国轻集料行业面临三个问题：一是轻集料压碎指标偏低，生产能耗较大；二是轻集料弹性模量较低，导致轻混凝土较普通混凝土徐变较大，限制轻混凝土在预应力混凝土中应用；三是烧结轻集料作为内养护水载体预储水量偏低，吸水率为2％～8％，无法有效抑制高标号混凝土自干燥现象。如何提高轻集料压碎指标，降低生产能耗与成本，提高轻集料弹性模量与预储水量是本发明专利需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有较高筒压强度，高预储水量与低生产能耗的陶粒及其制备工艺。

实现本发明目的的技术方案是：

钢纤维增韧内养护高强硅酸盐陶粒，所述陶粒的原材料由物料干粉和钢纤维组成，钢纤维的掺量占物料干粉体积0.5％～3.0％，其中，物料干粉按质量百分比计，包括如下组分：粉煤灰12％～40％、生石灰25％～28％、硅藻土20％～50％、黄砂10％～15％。

进一步的，粉煤灰中的二氧化硅含量为40wt％～60wt％。

进一步的，生石灰中的有效氧化钙(A-CaO)含量为70wt％～80wt％。

进一步的，硅藻土中二氧化硅含量为85wt％～95wt％，硅藻土颗粒粒径≤0.06mm。

进一步的，黄砂的模数M为2.2～2.4。

进一步的，钢纤维的长度为0.5mm～10mm，长径比为5～100。

上述钢纤维增韧内养护高强硅酸盐陶粒的制备方法，包括如下步骤：

第一步：混合料制备

(1)将粉煤灰，生石灰放入强制式搅拌机，并加入占生石灰总质量5％～15％的水，搅拌2min～3min，待各种料混合均匀之后卸料，消化3h～4h得消化料；

(2)将消化料放入轮碾机轮碾3min～5min，待无明显结团颗粒后与黄砂一起加入强制式搅拌机中，并加入占消化料总质量13％～15％的水，搅拌3min～4min，待物料潮湿后，再将硅藻土与钢纤维一起加入强制式搅拌机，并加入占物料干粉与钢纤维总质量20％～35％的水，搅拌8min～15min，待各种物料混合均匀即得混合料；

第二步：混合料成球

成型方式采用湿法成球，将制备好的混合料放入成球机中，以0.5～0.9临界转速转动成球盘，至形成具有一定初始抗压强度的混合料球，将混合料球大小控制在5mm～20mm；

第三步：自然养护

将成型的混合料球放置保湿环境中堆放养护12h～48h，在此期间生石灰与粉煤灰发生部分预反应，生成硅酸盐矿物并使得混合料球具有良好的初始抗压强度；

第四步：水热合成

将自然养护之后的混合料球送入蒸压釜中，于1.0MPa饱和蒸汽压，180℃条件下，水热合成8h～10h，然后自然冷却至室温，即可得到托贝莫来石与CSH凝胶组成的钢纤维增韧硅酸盐陶粒。

进一步的，第一步中，加入占生石灰总质量5％～15％的水，搅拌2min～3min；加入占消化料质量13％～15％的水，搅拌3min～4min。

进一步的，第二步中，临界转速采用如下公式计算：临界转速其中，g为重力加速度，单位为m/s²；R为成球盘半径，单位为m。

本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本方法可得筒压强度为12MPa～28MPa的陶粒，作为轻混凝土粗集料，相较粉煤灰、页岩陶粒，可以大大提高轻混凝土抗压强度，适用配制LC45～LC80高标号结构用轻混凝土；2、本方法生产的陶粒由于采用硅藻土作为陶粒多孔反应形成剂，通过原位反应生成多孔水化硅酸钙凝胶，托贝莫来石，陶粒储水率达到15％～30％，作为轻混凝土粗集料，可以进一步提升内养护水引入量，有利于高标号轻混凝土内部水泥充分水化，降低自干缩，抑制由干缩引起的裂纹产生，提高耐久性；3、目前烧结陶粒如粉煤灰、页岩陶粒主要为1150℃～1250℃烧结制得，根据海南省地方标准DB46 282 2014《蒸压灰砂砖单位产品综合能耗与电耗限额》推算，其能耗约为116kgce/m³，而本发明中采用水热合成(1MPa，180℃保温8h)生产陶粒，能耗仅为24kgce/m³；与烧结陶粒相比，还可大大减少CO₂排放量，所以本发明与高温烧结相比具有节能环保的优势；4、本方法生产的陶粒弹性模量高于其它种类轻集料弹性模量，与砂浆基体弹性模量相近，具有良好的应变协调性能，对轻集料混凝土有着显著的强度提升效应。

附图说明

图1为轻集料混凝土受力模型示意图。

图2为本方法生产钢纤维增韧内养护高强硅酸盐陶粒的工艺流程图。

具体实施方式

本发明的原理：轻集料混凝土为轻集料与砂浆基体两相复合材料，其中轻集料弹性模量E_a小于砂浆基体弹性模量E_m，轻集料混凝土受力模型如图1(图1中斜线填充部分表示轻集料，不规则图形填充部分为砂浆基体)：

轻集料混凝土受外力作用时，分布在轻集料、砂浆以及混凝土中的应力应变具有以下关系：

ε_m＝ε_a＝ε_c (1)

σ_m≠σ_a≠σ_c (2)

σ_c＝σ_a·n+σ_m(1-n) (3)

注：其中n代表轻粗集料绝对体积；σ_m，σ_a，σ_c分别为砂浆基体、轻粗集料、混凝土内部应力；ε_m，ε_a，ε_c分别为砂浆基体、轻粗集料、混凝土内部应变；

轻集料、砂浆以及混凝土内部的应变相等而应力不相等，混凝土强度为轻集料与砂浆基体强度的线性函数，因为轻粗集料与砂浆应变相同，所以轻粗集料与砂浆间应力分配与各自弹性模量成正比关系：

高标号轻集料混凝土中，砂浆基体强度远大于轻粗集料强度，在混凝土达到强度极限之前，由于一部分轻粗集料颗粒所承担的应力超过了它的强度，轻粗集料率先破坏，继而混凝土失效。轻粗集料强度成为限制混凝土强度的关键因素，可以通过纤维增韧的方式提高轻集料的强度来提高混凝土的整体强度。

本发明原理是利用钢纤维增韧。短钢纤维作为强度较高的第二相颗粒，可以使得微裂纹绕过颗粒，增加裂纹扩展路径，从而增大了裂纹扩展阻力，有效阻碍微裂纹在陶粒内部的发展；长钢纤维可以迟滞裂纹产生，在裂纹扩展时，纤维的拔出会消耗大量形变能，同时还可以使得裂纹尖端的应力集中得到松弛，延缓了裂纹的扩展以此可以提高陶粒抗压强度；钢纤维复合陶粒基体可以有效提高陶粒弹性模量(陶粒基体弹性模量25GPa～31GPa，钢弹性模量196GPa～202GPa，复合材料混合律：E＝E_MV_M+E_fV_f，E_M，E_f分别为陶粒基体、纤维弹性模量；V_M，V_f分别为陶粒基体、纤维体积分数)，使得陶粒与砂浆基体具有良好的变形协调性。

本发明原理是内养护。采用具有火山灰活性、多孔结构的硅藻土作为硅质材料，利用硅藻土多孔结构、大比表面积特点，与消化石灰通过原位反应生成多孔的水化硅酸钙凝胶，托贝莫来石，可以显著提高陶粒内养护水引入量，作为混凝土粗集料可以起到内养护作用。由于结构轻混凝土标号较高，水泥用量较大，在随后水化过程中混凝土内部含水量会随水泥水化以及蒸发不断减少，造成水泥水化不充分，强度降低以及较大的自干缩；高标号混凝土致密性较好，传统外养护工艺水分难以渗透至混凝土内部，高吸水率陶粒作为粗集料可以在砂浆基体内部引入更多的内养护水，促进水泥充分水化，提高混凝土强度，降低甚至抑制高标号轻混凝土干缩。

本发明原理是利用离心变速成球，即在成球的不同阶段以不同倍数的临界转速成型。成球初期采用较低转速可以促进母球形成，中后期可以采用较高转速提高成球效率，便于增大成球盘筒壁对混合料球冲力以形成由表及里逐渐密实的密度梯度陶粒，提高混合料球初始强度。提高陶粒初始强度，便于陶粒运输，降低随后的水热合成过程中由于热量质量传输对陶粒的损害程度，提高成品率。

本发明原理是利用生石灰中含有的活性氧化钙、粉煤灰中氧化硅，氧化铝成分以及硅藻土中的二氧化硅在水热合成(1MPa，180℃保温8h)条件下原位反应生成多孔托贝莫来石，铝代托贝莫来石与CSH凝胶。由于托贝莫来石与CSH凝胶配合可得到硅酸盐矿物最高抗压强度，以此得到的硅酸盐陶粒可以满足作为结构轻混凝土的粗集料强度要求。

本发明的技术思路：①为进一步提高陶粒强度与弹性模量，应向陶粒中掺入钢纤维。可增韧增强硅酸盐陶粒，提高陶粒弹性模量，提高陶粒与砂浆基体的变形协调性；②为降低甚至抑制高标号轻混凝土干缩量，提高轻集料对砂浆基体的内养护效果，应采用硅藻土作为陶粒多孔反应形成剂，形成具有多孔结构的托贝莫来石以及水化硅酸钙凝胶，以此提高陶粒吸水率；③以生石灰作为钙质原料，粉煤灰以及硅藻土作为硅质原料，利用水热合成(1MPa，180℃保温8h～10h)以制备主要矿物相为水化硅酸钙凝胶(CSH)与托贝莫来石的陶粒，不仅降低能耗而且提高陶粒强度。

实施例一：

结合图2，此实施例中生石灰A-CaO为70％，钢纤维体积占比为0.5％；生石灰：粉煤灰：硅藻土：黄砂＝25.5:39.5:20:15；制得陶粒筒压强度为12MPa～16MPa,1h吸水率为15％～22％；

第一步：将152.9kg生石灰和237.1kg粉煤灰放入强制式搅拌机，搅拌的同时并喷水15.3kg(水质量占生石灰质量10％)，待料混合均匀且呈现潮湿状态时，卸料至消化仓消化3h，制成消化料待用；

第二步：将第一步制得的消化料放入轮碾机轮碾3min～5min，待无明显结团颗粒后与90kg黄砂一起加入强制式搅拌机并同时喷水50.7kg(水质量占消化料质量13％)搅拌3min～4min，待消化料与黄砂为潮湿状态时，加入47.5kg钢纤维搅拌与120kg粒径小于0.06mm硅藻土，并同时缓慢喷水129.5kg(水质量占物料干粉与钢纤维总质量20％)再搅拌8min～10min，待物料搅拌均匀后即得混合料；

第三步：将第二步制备好的混合料逐渐加入成球机，并以24r/min的转速(0.6倍临界转速)转动成球盘，待成球机内可形成直径为5mm～20mm大小的球体，将料球卸出；

第四步：将第三步制得的料球自然养护12h，以便熟石灰与粉煤灰发生一定的预反应，使得料球具有一定的初始抗压强度，利于料球运输与水热合成；

第五步：将第四步制得的料球送入蒸压釜中水热合成，蒸汽压1MPa，180℃水热合成8h；待冷却至室温，即得水热合成陶粒；

第六步：将第五步水热合成陶粒参照国标GB/T 17431.2-2010检测，检测合格后即得钢纤维增韧内养护高强硅酸盐陶粒。

实施例二：

结合图2，此实施例中生石灰A-CaO为75％，钢纤维体积占比为1.5％；生石灰：粉煤灰：硅藻土：黄砂＝25.6:36.4:25:13；制得陶粒筒压强度为18MPa～22MPa，1h吸水率为23％～25％；

第一步：将153.6kg生石灰和218.4kg粉煤灰放入强制式搅拌机，搅拌的同时并喷水15.4kg(水质量占生石灰质量10％)，待料混合均匀且呈现潮湿状态时，卸料至消化仓消化4h，制成消化料待用；

第二步：将第一步制得的消化料放入轮碾机轮碾3min～5min，待无明显结团颗粒后与78kg黄砂一起加入强制式搅拌机并同时喷水55.8kg(水质量占消化料质量15％)搅拌3min～4min，待消化料与黄砂为潮湿状态时，加入142.5kg钢纤维与150kg粒径小于0.06mm硅藻土，并同时缓慢喷水185.6kg(水质量占物料干粉与钢纤维总质量25％)搅拌10min～12min，待物料搅拌均匀后即得混合料；

第三步：将第二步制备好的混合料逐渐加入成球机，先以24r/min的转速(0.6倍临界转速)转动成球盘3min，再以32r/min的转速(0.8倍临界转速)转动成球盘，待成球机内可形成直径为5mm～20mm大小的球体，将料球卸出；

第四步：将第三步制得的料球自然养护24h，以便熟石灰与粉煤灰发生一定的预反应，使得料球具有一定的初始抗压强度，利于料球运输与水热合成；

第五步：将第四步制得的料球送入蒸压釜中水热合成，蒸汽压1MPa，180℃水热合成8h；待冷却至室温，即得水热合成陶粒；

第六步：将第五步水热合成陶粒参照国标GB/T 17431.2-2010检测，检测合格后即得钢纤维增韧内养护高强硅酸盐陶粒。

实施例三：

结合图2，此实施例中生石灰A-CaO为80％，钢纤维体积占比为1.5％；生石灰：粉煤灰：硅藻土：黄砂＝25.9:34.1:30:10；制得陶粒筒压强度为18MPa～22MPa，1h吸水率26％～30％；

第一步：将155.2kg生石灰和204.8kg粉煤灰放入强制式搅拌机，搅拌的同时并喷水23.3kg(水质量占生石灰质量15％)，待料混合均匀且呈现潮湿状态时，卸料至消化仓消化4h，制成消化料待用；

第二步：将第一步制得的消化料放入轮碾机轮碾3min～5min，待无明显结团颗粒后与60kg黄砂一起加入强制式搅拌机并同时喷水54kg(水质量占消化料质量15％)搅拌3min～4min，待消化料与黄砂为潮湿状态时，加入142.5kg钢纤维与180kg粒径小于0.06mm硅藻土，并同时缓慢喷水163.4kg(水质量占物料干粉与钢纤维总质量22％)搅拌10min～12min，待其搅拌均匀后即得混合料；

第三步：将第二步制备好的混合料逐渐加入成球机，先以24r/min的转速(0.6倍临界转速)转动成球盘4min，再以32r/min的转速(0.8倍临界转速)转动成球盘，待成球机内可形成直径为5mm～20mm大小的球体，将料球卸出；

第四步：将第三步制得的料球自然养护36h，以便熟石灰与粉煤灰发生一定的预反应，使得料球具有一定的初始抗压强度，以利于料球运输与水热合成；

第五步：将第四步制得的料球送入蒸压釜中水热合成，蒸汽压1MPa，180℃水热合成8h；待冷却至室温，即得水热合成陶粒；

第六步：将第五步水热合成陶粒参照国标GB/T 17431.2-2010检测，检测合格后即得钢纤维增韧内养护高强硅酸盐陶粒。

实施例四：

结合图2，此实施例中生石灰A-CaO为80％，钢纤维体积占比为3.0％；生石灰：粉煤灰：硅藻土：黄砂＝27:13:45:15；制得陶粒筒压强度为24MPa～28MPa,1h吸水率25％～30％；

第一步：将161.8kg生石灰和78.2kg粉煤灰放入强制式搅拌机，搅拌的同时并喷水32.4kg(水质量占生石灰质量15％)，待料混合均匀且呈现潮湿状态时，卸料至消化仓消化4h，制成消化料待用；

第二步：将第一步制得的消化料放入轮碾机轮碾3min～5min，待无明显结团颗粒后与90kg黄砂一起加入强制式搅拌机并同时喷水36kg(水质量占消化料质量15％)搅拌3min～4min，待消化料与黄砂为潮湿状态时，加入285kg钢纤维搅拌与270kg粒径小于0.06mm硅藻土，并同时缓慢喷水185.9kg(水质量占物料干粉与钢纤维总质量21％)搅拌13min～15min，待各物料搅拌均匀后即得混合料；

第三步：将第二步制备好的混合料逐渐加入成球机，先以24r/min的转速(0.6倍临界转速)转动成球盘4min，再以32r/min的转速(0.8倍临界转速)转动成球盘6min，再以36r/min的转速(0.9倍临界转速)转动成球盘，待成球机内可形成直径为5mm～20mm大小的球体，将料球卸出；

第四步：将第三步制得的料球自然养护48h，以便熟石灰与粉煤灰发生一定的预反应，使得料球具有一定的初始抗压强度，以利于料球运输与水热合成；

第五步：将第四步制得的料球送入蒸压釜中水热合成，蒸汽压1MPa，180℃水热合成10h；待冷却至室温，即得水热合成陶粒；

第六步：将第五步水热合成陶粒参照国标GB/T 17431.2-2010检测，检测合格后即得钢纤维增韧内养护高强硅酸盐陶粒。

表1各实施例中钢纤维增韧内养护硅酸盐陶粒性能

Claims (10)

1.钢纤维增韧内养护高强硅酸盐陶粒，其特征在于，所述陶粒主要矿物相为托贝莫来石、铝代托贝莫来石和水化硅酸钙凝胶。

2.如权利要求所述陶粒的，其特征在于，所述陶粒的原材料由物料干粉和钢纤维组成，钢纤维的掺量占物料干粉体积的0.5%~3.0%，其中，物料干粉按质量百分比计，包括如下组分：粉煤灰12%~40%、生石灰25%~28%、硅藻土20%~50%、黄砂10%~15%。

3.如权利要求2所述的陶粒，其特征在于，生石灰中有效氧化钙含量为70wt%~80%。

4.如权利要求2所述的陶粒，其特征在于，粉煤灰中二氧化硅含量为40wt%~60wt%。

5.如权利要求2所述的陶粒，其特征在于，硅藻土中二氧化硅含量为85wt%~95wt%，硅藻土颗粒粒径≤0.06mm。

6.如权利要求2所述的陶粒，其特征在于，黄砂的模数M为2.2~2.4。

7.如权利要求2所述的陶粒，其特征在于，钢纤维的长度为0.5mm~10mm，长径比为5~100。

8.如权利要求1-7任一所述的陶粒，其特征在于，所述陶粒由如下步骤制备：

第一步：混合料制备

（1）将粉煤灰，生石灰放入强制式搅拌机，并加入占生石灰总质量5%~15%的水，搅拌，待各种料混合均匀之后卸料，消化3h~4h得消化料；

（2）将消化料放入轮碾机轮碾3min~5min，待无明显结团颗粒后与黄砂一起加入强制式搅拌机中，并加入占消化料质量13%~15%的水，搅拌，待物料潮湿后，再将硅藻土与钢纤维一起加入强制式搅拌机，并加入占物料干粉与钢纤维总质量20%~35%的水，搅拌8min~15min，待各种物料混合均匀即得混合料；

第二步：混合料成球

采用湿法成球，将制备好的混合料放入成球机中，以0.5~0.9临界转速转动成球盘，混合料球大小控制在5mm~20mm；

第三步：自然养护

将成型的混合料球放置保湿环境中堆放养护12h~48h；

第四步：水热合成

将自然养护之后的混合料球送入蒸压釜中，于1.0MPa饱和蒸汽压，180±10℃条件下，保温8h~10h，然后自然冷却至室温，即可得到所述的陶粒。

9. 如权利要求1-7任一所述的陶粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：混合料制备

（1）将粉煤灰，生石灰放入强制式搅拌机，并加入占生石灰总质量5%~15%的水，搅拌，待各种料混合均匀之后卸料，消化3h~4h得消化料；

（2）将消化料放入轮碾机轮碾3min~5min，待无明显结团颗粒后与黄砂一起加入强制式搅拌机中，并加入占消化料质量13%~15%的水，搅拌，待物料潮湿后，再将硅藻土与钢纤维一起加入强制式搅拌机，并加入占物料干粉与钢纤维总质量20%~35%的水，搅拌8min~15min，待各种物料混合均匀即得混合料；

第二步：混合料成球

采用湿法成球，将制备好的混合料放入成球机中，以0.5~0.9临界转速转动成球盘，混合料球大小控制在5mm~20mm；

第三步：自然养护

将成型的混合料球放置保湿环境中堆放养护12h~48h；

第四步：水热合成

将自然养护之后的混合料球送入蒸压釜中，于1.0MPa饱和蒸汽压，180±10℃条件下，保温8h~10h，然后自然冷却至室温，即可得到所述的陶粒。

10.如权利要求9所述的制备方法制备的陶粒在配制标号为LC45~LC80结构轻混凝土中应用。