CN108689625A - 混凝土掺合料及其制备方法和混凝土 - Google Patents

混凝土掺合料及其制备方法和混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种混凝土掺合料及其制备方法和混凝土。本发明的混凝土掺合料，以所述混凝土掺合料的总质量为100％计，包含以下组分：金刚砂3‑8％，矿渣微粉13‑19％，硅渣8‑15％，粉煤灰21‑29％，重钙粉35‑44％，草木灰3‑8％。本发明提供的混凝土掺合料能够增强混凝土的强度，同时还能改善混凝土的耐久性与和易性。

Description

混凝土掺合料及其制备方法和混凝土
技术领域
本发明涉及一种混凝土掺合料及其制备方法和混凝土，属于建筑材料领域。
背景技术
混凝土是目前最主要的土木工程材料之一。它是由胶凝材料、颗粒状集料(也称为骨料)、水、以及必要时加入的外加剂和掺合料按一定比例配制，经均匀搅拌，密实成型，养护硬化而成的一种人工石材。随着现代建筑的高层化、轻型化、地下化及使用环境的严酷化，对高强度、高耐久性和较好的和易性的混凝土的需求日益增长，高性能混凝土成为科技工作者竞相研究的课题。其中，高性能混凝土的研究重点集中在混凝土结构设计、低水灰比、掺合料配比优化及高效外加剂的使用等几个方面。采用掺合料替代部分水泥的方式不仅能有效优化混凝土的性能，而且能降低混凝土的生产成本，同时还能实现对工业废弃物的综合利用，减少了环境污染。
专利申请CN106698991A公开了一种混凝土掺合料及其制备方法，该混凝土掺合料包括石灰石粉44-66份、粉煤灰24-36份、磷渣16-24份、硅灰4-6份，该混凝土掺合料能够提高混凝土的抗渗性。虽然该专利申请公开了混凝土掺合料中使用的石灰石粉的作用是增强混凝土的强度，但单一的一种成分对强度提高的作用是有限的，该专利申请并没有公开添加了混凝土掺合料所获得的混凝土的强度等级，并不能说明该专利申请所提供的混凝土能满足高层建筑物的高强度的需要。
专利申请CN103265196A公开了一种矿物掺合料及其制备方法和应用。该矿物掺合料含有超细固硫灰50-70重量％、粉煤灰10-30重量％、矿渣粉10-30重量％，其中超细固硫灰的D50为0.5-15μm、D90≤30μm，比表面积为450-1500m2/kg，28d活性指数≥75％，28d自硬性抗压强度为7-15MPa。该矿物掺合料比单一的粉煤灰在提高混凝土的强度方面的效果要好。但该专利申请没有公开混凝土的和易性及耐久性。
可以看出，现有技术中，虽然对于利用掺合料来提高混凝土的强度有了一定的研究，但对于强度的提高并不充分，且在提高强度的同时兼顾和易性、耐久性等方面也存在进一步改进的余地。
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的在于提供一种混凝土掺合料及其制备方法，所述混凝土掺合料能够增强混凝土的强度，同时还能改善混凝土的耐久性与和易性。
此外，本发明还提供了含有所述混凝土掺合料的混凝土。
用于解决问题的方案
本发明提供一种混凝土掺合料，以所述混凝土掺合料的总质量为100％计，包含以下组分：
金刚砂 3-8％，优选为3-7％；
矿渣微粉 13-19％，优选为14-17％；
硅渣 8-15％，优选为10-15％；
粉煤灰 21-29％，优选为22-28％；
重钙粉 35-44％，优选为36-42％；
草木灰 3-8％，优选为3-7％。
根据本发明的混凝土掺合料，所述金刚砂的比表面积为200-300m2/kg。
根据本发明的混凝土掺合料，所述矿渣微粉的比表面积为400-450m2/kg。
根据本发明的混凝土掺合料，所述硅渣的比表面积为300-350m2/kg。
根据本发明的混凝土掺合料，所述粉煤灰为F类粉煤灰。
根据本发明的混凝土掺合料，所述粉煤灰的比表面积为320-350m2/kg。
根据本发明的混凝土掺合料，所述重钙粉的比表面积为400-480m2/kg。
根据本发明的混凝土掺合料，所述草木灰为稻壳灰、秸秆灰、松柏灰中的一种或几种，优选为稻壳灰。
本发明还提供一种根据本发明的混凝土掺合料的制备方法，包括：将各组分按照规定的比例称量、混合均匀，得到所述的混凝土掺合料。
本发明还提供一种混凝土，包含根据本发明的混凝土掺合料。
发明的效果
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的混凝土掺合料可以代替部分作为凝胶材料的水泥，节约水泥用量30-60％(包括水泥砂浆)，降低水泥和混凝土工程成本；
(2)本发明的混凝土掺合料可以有效增强混凝土的抗压、抗拉、抗弯、抗剪强度；
(3)本发明的混凝土掺合料能显著降低混凝土的水化热，减小大体积混凝土温差变化及内应力，抑制温差而产生的裂缝；
(4)本发明的混凝土掺合料能减少混凝土的离析和泌水，改善混凝土的和易性；
(5)本发明的混凝土掺合料能抑制碱骨料反应，显著地提高了混凝土抗碱骨料反应的能力，增强混凝土的耐久性；
(6)本发明的混凝土掺合料中的矿渣微粉和粉煤灰以微集料的形式存在于混凝土中，能改善混凝土中的孔结构，使孔径得以细化和均化，提高了混凝土的抗渗性、抗海水侵蚀性、抗冻融性等耐久性；
(7)本发明的混凝土掺合料能有效提高混凝土的抗渗性和抗海水侵蚀性，尤其是抗硫酸盐的侵蚀性，特别适用于抗海水工程、地下工程和路面工程。
具体实施方式
本发明提供了一种混凝土掺合料，以所述混凝土掺合料的总质量为100％计，包含以下组分：
金刚砂 3-8％，优选为3-7％；
矿渣微粉 13-19％，优选为14-17％；
硅渣 8-15％，优选为10-15％；
粉煤灰 21-29％，优选为22-28％；
重钙粉 35-44％，优选为36-42％；
草木灰 3-8％，优选为3-7％。
本发明的混凝土掺合料中的金刚砂是一种无色粉状颗粒材料，由粘土中的二氧化硅与碳在高温下反应生成，具有高硬度(莫氏硬度约为7.5-9.5度)、高密度和强韧性的特点，能够使得含有本发明的混凝土掺合料的混凝土具有较高的抗压强度。另外，当本发明的混凝土掺合料拌合到混凝土中时，金刚砂与混凝土较好的结合，一方面，金刚砂可以提高水泥水化产物形成的网络空间结构的均匀性，使水泥石结构比较致密，另一方面，金刚砂还能改善混凝土的毛细结构，增加骨料与水泥浆之间的粘合力，也能加强混凝土的密实性，这两方面的共同作用使得混凝土具有较好的抗渗性和抗海水侵蚀性等耐久性。并且金刚砂还能使混凝土具有良好的和易性。
根据本发明的混凝土掺合料，以所述混凝土掺合料的总质量为100％计，所述的金刚砂的含量为3-8％，优选为3-7％。当所述的金刚砂的含量为3-8％时，使得混凝土掺合料能够有效提高混凝土的抗压强度和抗渗性、抗海水侵蚀性等耐久性及和易性。
根据本发明的混凝土掺合料，其中，所述的金刚砂的比表面积为200-300m2/kg。选择该比表面积的金刚砂，能够进一步改善混凝土中的孔结构，使孔径得以细化和均化，提高混凝土的抗渗性、抗海水侵蚀性等耐久性。
本发明的混凝土掺合料中的矿渣微粉是用水淬高炉矿渣，经干燥、粉磨等工艺处理后得到的粉料。所述的矿渣微粉一方面可以节约水泥用量30-60％(包括水泥砂浆)，大大降低混凝土工程成本，带来显著的经济效益，另一方面可以明显提高混凝土的性能，具体的：所述的矿渣微粉包含90％以上的活性成分，例如SiO2、CaO、Al2O3、MgO、Fe2O3，因此，具有较高的活性，能够增强混凝土的抗压强度，尤其是早期抗压强度。同时，由于所述的矿渣微粉具有高活性、高细度的特点，不仅能有效地抑制碱骨料反应，而且能细化水泥石平均孔径，提高浆体中微孔的比例，改善混凝土孔结构，从而加强混凝土的密实度，因此，能够有效提高混凝土的抗渗性、抗海水侵蚀性等耐久性，使得含有本发明的混凝土掺合料的混凝土特别适用于抗海水工程。另外，所述的矿渣微粉还能够显著降低混凝土的水化热，减小混凝土因水化热引起的升温，进而减少混凝土结构早期温度裂缝，适用于配置大体积混凝土。
根据本发明的混凝土掺合料，以所述混凝土掺合料的总质量为100％计，所述的矿渣微粉的含量为13-19％，优选为14-17％。当所述的矿渣微粉的含量为13-19％时，使得混凝土掺合料不仅能够有效提高混凝土的抗压强度和抗渗性、抗海水侵蚀性等耐久性及和易性，减少混凝土结构早期温度裂缝，而且还能够节约水泥用量，大大降低混凝土工程成本。
根据本发明的混凝土掺合料，其中，所述的矿渣微粉选自S105、S95、S75等级中的一种或几种。
根据本发明的混凝土掺合料，其中，所述的矿渣微粉的比表面积为400-450m2/kg。选择该比表面积范围的矿渣微粉更能有效发挥活性，进而增强混凝土的抗压强度。
本发明的混凝土掺合料中的硅渣是指原矿提炼之后的剩余部分，主要成分是SiO2，具有较高活性，能够提高混凝土的抗压、抗拉、抗弯、抗剪强度。同时，所述的硅渣还能使混凝土具有一定的保水性，可大大降低混凝土的泌水性能，改善混凝土的和易性。此外，所述的硅渣还能提高混凝土的耐久性。对于本发明所使用的硅渣的种类没有特别的限制，具体列举为工业硅渣、太阳能硅渣、半导体硅渣等。
根据本发明的混凝土掺合料，以所述混凝土掺合料的总质量为100％计，所述的硅渣的含量为8-15％，优选为10-15％。当所述的硅渣的含量为8-15％时，使得混凝土掺合料能够有效地提高混凝土的强度和保水性等和易性及耐久性。
根据本发明的混凝土掺合料，其中，所述的硅渣的比表面积为300-350m2/kg。选择该比表面积范围的硅渣，能够更有效地发挥硅渣的活性，进一步提高混凝土的强度。
本发明的混凝土掺合料中的粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，其颗粒呈多孔型蜂窝状组织。所述的粉煤灰一方面可以节约水泥用量10-15％(包括水泥砂浆)，大大降低混凝土工程成本，带来显著的经济效益，另一方面又可以改善和提高混凝土的性能，具体的：所述的粉煤灰的活性成分主要有SiO2和Al2O3，还包含有少量的FeO、Fe2O3、CaO、MgO、SO3、TiO2等，因此，所述的粉煤灰具有较高的活性，能够增强混凝土的抗压强度，尤其是后期抗压强度；同时，所述的粉煤灰还可以降低混凝土的水化热，减小混凝土因水化热引起的升温，对防止混凝土产生温度裂缝十分有利，适用于配置大体积混凝土；另外，所述的粉煤灰还能减少用水量，改善混凝土的和易性，增强混凝土的可泵性，减少混凝土的徐变，提高混凝土的抗渗性、抗冻融性等耐久性，增加混凝土的修饰性。
根据本发明的混凝土掺合料，以所述混凝土掺合料的总质量为100％计，所述的粉煤灰的含量为21-29％，优选为22-28％。当所述的粉煤灰的含量为21-29％时，使得混凝土掺合料不仅能够有效提高混凝土的综合性能，而且可以节约大量的水泥和细骨料，大大降低混凝土工程的成本。
根据本发明的混凝土掺合料，其中，所述的粉煤灰的比表面积为320-350m2/kg。选择该比表面积范围的粉煤灰更有利于粉煤灰活性的发挥，进而增强混凝土的抗压、抗拉、抗弯、抗剪强度。
根据本发明的混凝土掺合料，所述的粉煤灰为F类粉煤灰和/或C类粉煤灰，所述的F类粉煤灰为CaO含量低于10％的粉煤灰，所述的C类粉煤灰为CaO含量超过10％的粉煤灰。由于F类粉煤灰比C类粉煤灰使用时的水化热要低，能够减少混凝土产生的温度裂缝，因此，所述的粉煤灰优选为F类粉煤灰。
本发明的混凝土掺合料中的重钙粉是以优质的石灰石为原料，经研磨加工成的白色粉体，主要成分是CaCO3，约占75％以上。所述的重钙粉需水量小，具有明显的减水效应，合理掺用可以有效降低混凝土的用水量，改善混凝土的流动性等和易性。同时，所述的重钙粉还可以发挥微细填料的作用，显著改善混凝土的微细颗粒体系的级配组成，而且所述的重钙粉也具有一定的水化活性，对混凝土的早期水化具有促进作用，从而增加混凝土的强度和韧性。由于所述的重钙粉具有白度高、纯度好、色相柔及化学成分稳定等特点，因此，所述的重钙粉还能改善混凝土结构表面的美观性。
根据本发明的混凝土掺合料，以所述混凝土掺合料的总质量为100％计，所述的重钙粉的含量为35-44％，优选为36-42％。当所述的重钙粉的含量为35-44％时，使得混凝土掺合料能够有效提高混凝土的强度与和易性，同时还能改善混凝土结构表面的美观性。
根据本发明的混凝土掺合料，其中，所述的重钙粉的比表面积为400-480m2/kg，选择该比表面积范围的重钙粉可以增大混凝土的坍落度，保证混凝土具有良好的流动性能，从而改善混凝土的和易性，同时，有效减少混凝土中的孔隙率和干燥收缩率，提高混凝土的密实度，使得混凝土具有更好的抗渗性、抗海水侵蚀性等耐久性。
本发明的混凝土掺合料中的草木灰是植物(包括草本和木本植物)燃烧后的残余物，主要成分是K2CO3。添加草木灰有利于提高混凝土的抗压强度。而且所述的草木灰可以增大混凝土的密实度，提高混凝土的抗渗性、抗海水侵蚀性等耐久性，还可以增大混凝土的坍落度，保证混凝土具有良好的流动性能，从而改善混凝土的和易性。
根据本发明的混凝土掺合料，以所述混凝土掺合料的总质量为100％计，所述的草木灰的含量为3-8％，优选为3-7％。当所述的草木灰的含量为3-8％时，使得混凝土掺合料能够有效提高混凝土的抗压强度和抗渗性、抗海水侵蚀性等耐久性及和易性。
根据本发明的混凝土掺合料，其中，所述的草木灰为稻壳灰、秸秆灰、松柏灰中的一种或几种，优选为稻壳灰。
在不损害本发明的效果下，本发明的混凝土掺合料还可以根据需要含有其他的组分，列举为：脱硫石膏、超细固硫灰、锰渣、硅灰、硅钙渣等。
本发明还提供一种所述的混凝土掺合料得制备方法，包括：将本发明的混凝土掺合料的各组分按规定的比例称量、混合均匀，得到所述的混凝土掺合料。
本发明还提供一种混凝土，所述混凝土包含本发明的混凝土掺合料。
根据本发明的混凝土，其中，所述的混凝土还包含水泥。
根据本发明的混凝土，其中，所述的水泥选自通用硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥、砌筑水泥、道路硅酸盐水泥、铝酸盐水泥等中的一种或几种。
实施例
以下，列举实例，对本发明进行更具体的说明，但本发明并不仅限于这些实例。
实施例1
称量5质量份金刚砂(巩义市豫润海源净水材料有限公司，比表面积为250m2/kg，下同)，15质量份矿渣微粉(湖北鄂州鸿茂矿渣微粉有限公司，比表面积为400m2/kg，下同)，10质量份硅渣(安阳市华拓冶金有限责任公司，重新研磨到比表面积为350m2/kg，下同)，25质量份粉煤灰(华能阳逻电厂，比表面积为330m2/kg，下同)，40质量份重钙粉(黄石黄庭科技发展有限公司，比表面积为420m2/kg，下同)，5质量份稻壳灰(黄石黄庭科技发展有限公司，比表面积为120m2/kg，下同)，将各组分搅拌混合均匀，得到混凝土掺合料。
应用实施例1
将80质量份实施例1制得的混凝土掺合料，与270质量份水泥(黄石成美建材有限公司，下同)，924质量份机制砂，961质量份碎石，165质量份水投入混凝土搅拌机中进行搅拌，搅拌10分钟后卸出，然后将其浇筑在待成型模具中，进行1小时20℃下的预养护，然后，使用蒸汽养护槽用1小时升温至75℃，在最高温度75℃下进行3小时的蒸汽养护，然后，冷却至20℃，2小时后进行脱模，得到强度等级为C30的混凝土。
实施例2
称量5质量份金刚砂，16质量份矿渣微粉，13质量份硅渣，26质量份粉煤灰，36质量份重钙粉，4质量份稻壳灰，将各组分搅拌混合均匀，得到混凝土掺合料。
应用实施例2
除了使用实施例2的混凝土掺合料替换实施例1的混凝土掺合料，其他条件均与应用实施例1的相同。
实施例3
称量4质量份金刚砂，15质量份矿渣微粉，15质量份硅渣，22质量份粉煤灰，41质量份重钙粉，3质量份稻壳灰，将各组分搅拌混合均匀，得到混凝土掺合料。
应用实施例3
除了使用实施例3的混凝土掺合料替换实施例1的混凝土掺合料，其他条件均与应用实施例1的相同。
对比例1
称量2质量份金刚砂，20质量份矿渣微粉，8质量份硅渣，22质量份粉煤灰，42质量份重钙粉，6质量份稻壳灰，将各组分搅拌混合均匀，得到混凝土掺合料。
应用对比例1
除了使用对比例1的混凝土掺合料替换实施例1的混凝土掺合料，其他条件均与应用实施例1的相同。
对比例2
称量3质量份金刚砂、18质量份矿渣微粉，6质量份硅渣，30质量份粉煤灰，40质量份重钙粉，3质量份稻壳灰，将各组分搅拌混合均匀，得到混凝土掺合料。
应用对比例2
除了使用对比例2的混凝土掺合料替换实施例1的混凝土掺合料，其他条件均与应用实施例1的相同。
对比例3
称量4质量份的金刚砂，12质量份矿渣微粉，7质量份硅渣，28质量份粉煤灰，46质量份重钙粉，3质量份稻壳灰，将各组分搅拌混合均匀，得到混凝土掺合料。
应用对比例3
除了使用对比例3的混凝土掺合料替换实施例1的混凝土掺合料，其他条件均与应用实施例1的相同。
性能测试
获得的混凝土的各项性能通过下列方法测量。
1、抗压强度
将成型硬化后的混凝土在20℃的水中养护7天、28天后，采用CDT305-2抗压抗折一体化试验机测其抗压强度，参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》。
2、坍落度
混凝土的坍落度测试方法参照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》。
3、抗渗性
混凝土的抗渗性测试方法参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。
表1实施例1-3的混凝土掺合料的组成及应用实施例1-3的混凝土的性能测试
组分(％) 实施例1 实施例2 实施例3
金刚砂 5 5 4
矿渣微粉 15 16 15
硅渣 10 13 15
粉煤灰 25 26 22
重钙粉 40 36 41
稻壳灰 5 4 3
性能测试 应用实施例1 应用实施例2 应用实施例3
7d抗压强度(MPa) 28.4 27.1 25.8
28d抗压强度(MPa) 37.3 35.7 35.2
坍落度(mm) 190 200 180
抗渗等级 P10 P10 P8
表2对比例1-3的混凝土掺合料的组成及应用对比例1-3的混凝土的性能测试
组分(％) 对比例1 对比例2 对比例3
金刚砂 2 3 4
矿渣微粉 20 18 12
硅渣 8 6 7
粉煤灰 22 30 28
重钙粉 42 40 46
稻壳灰 6 3 3
性能 应用对比例1 应用对比例2 应用对比例3
7d抗压强度(MPa) 23.4 23.2 22.3
28d抗压强度(MPa) 31.7 31.1 30.4
坍落度(mm) 160 170 160
抗渗等级 P8 P8 P7
从表1可以看出，应用实施例1-3的混凝土具有较高的7d抗压强度、28d抗压强度，而且坍落度较大，表明混凝土的流动性较好，和易性较好，更易于施工，同时，混凝土的抗渗等级也较高，表明混凝土具有良好的耐久性。
从表2中对比例1的混凝土掺合料的组成和应用对比例1的混凝土的性能参数可以看出，对比例1的混凝土掺合料的金刚砂和矿渣微粉的含量不在本发明所述的范围内，相对于应用实施例1-3的混凝土而言，应用对比例1的混凝土具有较低的7d抗压强度、28d抗压强度，而且坍落度较小，表明混凝土的流动性较差，和易性较差，不利于施工。
从表2中对比例2的混凝土掺合料的组成和应用对比例2的混凝土的性能参数可以看出，对比例2的混凝土掺合料的硅渣和粉煤灰的含量不在本发明所述的范围内，相对于应用实施例1-3的混凝土而言，应用对比例2的混凝土具有较低的7d抗压强度、28d抗压强度，而且坍落度较小，表明混凝土的流动性较差，和易性较差，不利于施工。
从表2中对比例3的混凝土掺合料的组成和应用对比例3的混凝土的性能参数可以看出，对比例3的混凝土掺合料的矿渣微粉、硅渣、重钙粉的含量均不在本发明所述的范围内，相对于应用实施例1-3的混凝土而言，应用对比例3的混凝土具有较低的7d抗压强度、28d抗压强度，而且坍落度较小，表明混凝土的流动性较差，和易性较差，不利于施工，同时，混凝土的抗渗等级也较低，表明混凝土具有较差的耐久性。
产业上的可利用性
添加有本发明的混凝土掺合料形成的高性能混凝土可用于建造高层建筑、桥梁等。

Claims (10)

1.一种混凝土掺合料，其特征在于，以所述混凝土掺合料的总质量为100％计，包含以下组分：
2.根据权利要求1所述的混凝土掺合料，其特征在于，所述金刚砂的比表面积为200-300m2/kg。
3.根据权利要求1或2所述的混凝土掺合料，其特征在于，所述矿渣微粉的比表面积为400-450m2/kg。
4.根据权利要求1-3任一项所述的混凝土掺合料，其特征在于，所述硅渣的比表面积为300-350m2/kg。
5.根据权利要求1-4任一项所述的混凝土掺合料，其特征在于，所述粉煤灰为F类粉煤灰。
6.根据权利要求1-5任一项所述的混凝土掺合料，其特征在于，所述粉煤灰的比表面积为320-350m2/kg。
7.根据权利要求1-6任一项所述的混凝土掺合料，其特征在于，所述重钙粉的比表面积为400-480m2/kg。
8.根据权利要求1-7任一项所述的混凝土掺合料，其特征在于，所述草木灰为稻壳灰、秸秆灰、松柏灰中的一种或几种，优选为稻壳灰。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的混凝土掺合料的制备方法，其特征在于，包括：将各组分按照规定的比例称量、混合均匀，得到所述的混凝土掺合料。
10.一种混凝土，其特征在于，包含根据权利要求1-8任一项所述的混凝土掺合料。
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