CN109437811A - 一种增强碱激发混凝土抗碳化能力的方法 - Google Patents

一种增强碱激发混凝土抗碳化能力的方法 Download PDF

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Abstract

一种增强碱激发混凝土抗碳化能力的方法，属于提高碱激发混凝土抗碳化能力的方法。该方法在制备碱激发混凝土时掺入5％—30％(胶凝材料质量比)P·O42.5级普通硅酸盐水泥，使水泥发生水化反应并在碱激发混凝土内生成大量Ca(OH)2，显著提升抗碳化物质含量，明显改善抗碳化能力，增强碱激发混凝土的耐久性。同时抗碳化能力的提升可以避免碱激发混凝土由于碳化反应引起抗压强度骤降，确保碱激发混凝土仍具有高强度优势。因此，Ca(OH)2内生成法消除了碱激发混凝土抗碳化能力不足的影响，实现了碱激发混凝土在工程中的应用，采用碱激发混凝土代替水泥混凝土，既可消除工业固体废弃物大量堆积所造成的环境污染问题，又可以缓解对硅酸盐水泥的过度依赖，减少对不可再生资源的过度消耗，对于我国这样一个能源紧缺和环境污染比较严重的国家具有重要的意义。

Description

一种增强碱激发混凝土抗碳化能力的方法
技术领域
一种增强碱激发混凝土抗碳化能力的方法
背景技术
碱激发混凝土是近年来发展起来的一种新型混凝土材料，由于其在诸多性能上优于水泥混凝土，所以碱激发混凝土已经成为国内外研究的热点问题。碱激发混凝土多以含硅酸盐或铝硅酸盐矿物的工业固体废物为主要原料，与其他矿物掺合料以及适量的碱硅酸盐溶液充分混合，在常温或蒸压条件下养护成型，是一类由铝硅酸盐胶凝成分粘结的材料。与水泥混凝土相比，碱激发混凝土不仅具有早强与高强的特点(养护3天抗压强度可达40MPa，养护28天可达70MPa)，而且还具有耐碱或盐的腐蚀、渗透率低等优点；同时制备碱激发混凝土的原材料不需要像生产水泥那样经过高温煅烧或烧结，而且聚合反应在常温条件就可以完成，能耗低，几乎无污染。最重要的是碱激发混凝土可以循环利用，所以碱激发混凝土是一种节能环保型建筑材料，在不久的将来大有取代水泥混凝土作为主要建筑材料的趋势。
然而研究表明，碱激发混凝土的抗碳化能力明显不足。由于空气中含有一定浓度的CO2(质量分数0.03％)，CO2通过扩散作用渗入碱激发混凝土内部，溶解在孔隙溶液中并形成H2CO3，H2CO3与碱性物质发生中和反应，引起碱激发混凝土内部碱度降低以及聚合产物(C-A-S-H与C-S-H凝胶)发生脱钙化反应。碱度降低将导致碱激发混凝土内部钢筋钝化膜的破坏，加速钢筋的锈蚀，造成承载能力的下降，严重影响碱激发混凝土的耐久性。同时聚合产物的脱钙化反应将诱发聚合产物的破坏，造成碱激发混凝土抗压强度的降低。因此，抗碳化能力的不足严重影响碱激发混凝土在工程中的应用，必须显著提高碱激发混凝土的抗碳化能力才能实现其作为主要建筑材料在工程中广泛应用的目的。
由于水泥在水化反应过程中生成大量可抵抗碳化作用的物质—Ca(OH)2(约占凝胶总量的20％)，所以水泥混凝土具有优良的抗碳化能力。本专利通过在制备碱激发混凝土时掺入适量的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，在碱激发混凝土内生成大量的Ca(OH)2，提升抗碳化物质的含量，达到显著改善抗碳化能力的目的。同时合理设计水泥掺入量，确保掺入的水泥既能起到显著改善碱激发混凝土抗碳化能力的目的，又能避免水泥掺入过量对聚合反应造成不利的影响。因此 Ca(OH)2内生成法可以显著提高碱激发混凝土的抗碳化能力，缓解碳化作用对抗压强度造成的影响，对碱激发混凝土在工程中的应用具有重要的意义。
发明内容
1.一种增强碱激发混凝土抗碳化能力的方法，其特征是：以碱激发矿渣混凝土为例，原料组成及其质量百分比如下：胶凝材料为高炉粒化矿渣微粉90％—65％(掺量297—214.5kg/m3)；磨细熟石灰粉5％(掺量16.5kg/m3)；P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥5％—30％(掺量16.5—99kg/m3)；细骨料为中粗砂(掺量651 kg/m3)；粗骨料为碎石(掺量1056kg/m3)；模数1-3的液态硅酸钠(掺量83.6-61.6 kg/m3)；片碱(掺量16.7-12.3kg/m3)；水(掺量96-114.2kg/m3)；其中矿渣可替换为粉煤灰、赤泥、偏高岭土以及垃圾灰等其他工业固体废弃物，用于碱激发混凝土的制备。
制备方法包括：称量配料及混料工艺与制备工艺，具体方法如下：
(1)称量配料及混料工艺：首先按照配合比将称量好的片碱溶解到试验用水中，搅拌并静置冷却；同时将矿渣微粉、熟石灰粉以及硅酸盐水泥进行称量配料，然后将三种胶凝材料放入混料机中混合5分钟，形成混合均匀的混合料。
(2)制备工艺：将冷却至室温的NaOH溶液加入搅拌锅，并加入混合料，先慢搅10秒然后快搅20秒。再加入液态硅酸钠与试验用砂并快搅30秒，最后加入碎石并快搅30秒即可准备成型。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述高炉粒化矿渣为符合GB/T18046-2008标准规定的S95级粒化高炉矿渣微粉，高炉粒化矿渣微粉的比表面积≥400m2/kg，其中粒径小于30μm的超细粒化高炉矿渣微粉占总质量的90％以上；
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述熟石灰是生石灰粉经充分消解、烘干后的熟石灰粉，0.08mm方孔筛的筛余量为0；
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的硅酸盐水泥为符合GB/T175-2007标准规定的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；
有益效果：由于采用了上述方案，所述的一种增强碱激发混凝土抗碳化能力的方法，具有以下有益效果：
1)显著提升碱激发混凝土的抗碳化能力
由于水泥的水化反应速率明显低于碱激发材料的聚合反应速率，当水泥水化生成Ca(OH)2时，聚合反应已经结束，所以水泥水化生成的Ca(OH)2能够避免聚合反应的吸收，确保生成的Ca(OH)2能够充分发挥抵抗碳化的作用。当发生碳化反应时，碱激发混凝土内生成的Ca(OH)2能够不断溶解，释放出大量的OH-，缓解孔隙液中pH的降低，使碱激发混凝土的抗碳化能力明显提升，增强了碱激发混凝土的耐久性。
2)有效缓解碱激发混凝土抗压强度的降低
由于碳化作用导致碱激发混凝土内的聚合产物(C-A-S-H与C-S-H凝胶)发生脱钙化反应，加速聚合产物的分解，造成碱激发混凝土抗压强度的骤降，严重影响碱激发混凝土在工程中的应用。硅酸盐水泥的掺入可以在碱激发混凝土内生成大量的Ca(OH)2，显著提高抗碳化物质的含量，明显增强碱激发混凝土的抗碳化能力。同时Ca(OH)2是碱性物质而聚合产物为中性物质，当发生碳化反应时，渗入碱激发混凝土内的CO2将优先与Ca(OH)2发生反应，避免了CO2与聚合产物的反应，有效缓解聚合产物的分解，有利于维持碱激发混凝土的高强度特性，对碱激发混凝土在工程中的应用具有重要意义。
3)缓解生产水泥带来的高耗能、高污染问题
随着科学的发展与科技的进步，环境保护问题与绿色建筑材料的发展越来越受到社会的重视，人们开始迫切的研发一种高性能、低能耗、无污染的建筑材料，以替代对水泥材料的需求。虽然碱激发混凝土具备高性能、低能耗、无污染的优点，然而抗碳化能力的不足与碳化反应引起抗压强度的骤降严重阻碍碱激发混凝土在工程中的应用。Ca(OH)2内生成法能够显著提高碱激发混凝土内抗碳化物质含量，明显提高抗碳化能力，避免碳化作用引起聚合产物发生脱钙化反应，导致抗压强度的骤降，同时确保碱激发混凝土能够在各种恶劣环境下服役，扩展了碱激发混凝土在工程中的应用范围，逐步实现对水泥混凝土的替代，缓解生产水泥带来的高耗能、高污染问题。
4)显著的环境效益和社会效益
Ca(OH)2内生成法能够显著增强碱激发混凝土的抗碳化能力，确保碱激发混凝土具有良好的耐久性，确保碱激发混凝土适合在工程中应用。同时碱激发混凝土是一种高性能、低能耗、无污染的建筑材料，采用工业废弃物矿渣、煤矸石、粉煤灰与垃圾灰等为主要原料制备碱激发混凝土，可以逐步实现对水泥材料的替代，减少对水泥材料的需求，而且大力开发碱激发混凝土的使用可以变废为宝，逐步消除工业固体废弃物大量堆积所带来的种种环境污染问题，所产生的环境效益和社会效益将无法估量。
优点：本发明通过Ca(OH)2内生成法提升了碱激发混凝土内抗碳化物质的含量，明显改善碱激发混凝土的抗碳化能力，有效降低碱激发混凝土内钢筋的锈蚀速率，确保碱激发混凝土具备良好的耐久性。同时抗碳化能力的增强有效避免了聚合产物的分解，确保碱激发混凝土具备良好的抗压强度。采用碱激发混凝土替代水泥混凝土可以减缓生产水泥对石灰石原材料的过快消耗，变废为宝，逐步消除生产水泥所带来的种种环境污染问题，提高工业废弃物的利用率、保护环境、具有显著的环境效益和社会效益。
具体实施方式
实施例1：一种增强碱激发混凝土抗碳化能力的方法，其特征是：原料组成及其质量百分比如下：以矿渣碱激发混凝土为例，胶凝材料为高炉粒化矿渣微粉 95％(掺量313.5kg/m3)；磨细熟石灰粉5％(掺量16.5kg/m3)；细骨料为中粗砂(掺量651kg/m3)；粗骨料为碎石(掺量1056kg/m3)；模数2.75的液态硅酸钠(掺量88 kg/m3)；片碱(NaOH掺量17.6kg/m3)；水(掺量92.4kg/m3)；以此为对照组，参照 GB/T 50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准进行加速碳化试验，碳化试验条件为：CO2质量分数为20％，温度为20±2℃，湿度为70± 5％。
实施例2：一种增强碱激发混凝土抗碳化能力的方法，其特征是：原料组成及其质量百分比如下：以矿渣碱激发混凝土为例，胶凝材料为高炉粒化矿渣微粉 90％(掺量300kg/m3)；磨细熟石灰粉5％(掺量16.5kg/m3)；P·O 42.5级普通硅酸盐水泥5％(掺量16.5kg/m3)；细骨料为中粗砂(掺量651kg/m3)；粗骨料为碎石 (掺量1056kg/m3)；模数2.75的液态硅酸钠(掺量83.6kg/m3)；片碱(NaOH掺量 16.7kg/m3)；水(掺量106.9kg/m3)；
实施例3：一种增强碱激发混凝土抗碳化能力的方法，其特征是：原料组成及其质量百分比如下：以矿渣碱激发混凝土为例，胶凝材料为高炉粒化矿渣微粉 75％(掺量247.5kg/m3)；磨细熟石灰粉5％(掺量70.4kg/m3)；P·O 42.5级普通硅酸盐水泥20％(掺量66kg/m3)；细骨料为中粗砂(掺量651kg/m3)；粗骨料为碎石(掺量1056kg/m3)；模数2.75的液态硅酸钠(掺量83.6kg/m3)；片碱(NaOH掺量14.1 kg/m3)；水(掺量96kg/m3)；
实施例4：一种增强碱激发混凝土抗碳化能力的方法，其特征是：原料组成及其质量百分比如下：以矿渣碱激发混凝土为例，胶凝材料为高炉粒化矿渣微粉 65％(掺量214.5kg/m3)；磨细熟石灰粉5％(掺量16.5kg/m3)；P·O 42.5级普通硅酸盐水泥30％(掺量99kg/m3)；细骨料为中粗砂(掺量651kg/m3)；粗骨料为碎石(掺量1056kg/m3)；模数2.75的液态硅酸钠(掺量61.6kg/m3)；片碱(NaOH掺量12.3 kg/m3)；水(掺量114.2kg/m3)；
制备方法包括：称量配料及混料工艺、制备工艺，具体方法如下：
(1)称量配料及混料工艺：首先按照配合比将称量好的片碱溶解到试验用水中，搅拌并静置冷却；同时将矿渣微粉、熟石灰粉以及硅酸盐水泥进行称量配料，然后将三种胶凝材料放入混料机中混合5分钟，形成混合均匀的混合料。
(2)制备工艺：将冷却至室温的NaOH溶液加入搅拌锅，并加入混合均匀的胶凝材料，先慢搅10秒然后快搅20秒。加入液态硅酸钠与试验用砂并快搅 30秒，最后加入碎石并快搅30秒即可准备成型。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述高炉粒化矿渣为符合GB/T18046-2008标准规定的S95级粒化高炉矿渣微粉，高炉粒化矿渣微粉的比表面积≥400m2/kg，其中粒径小于30μm的超细粒化高炉矿渣微粉占总质量的90％以上；
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述熟石灰是生石灰粉经充分消解、烘干后的熟石灰粉，0.08mm的方孔筛的筛余量为0；
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的硅酸盐水泥为符合GB/T175-2007标准规定P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；
由表1可以看出，未掺水泥时，碱激发混凝土C-1的抗碳化能力明显不足。经过7天加速碳化试验，碳化深度达到15.9mm，当加速碳化到第28天与60天，碳化深度分别上升到21.2mm与26.3mm。掺入5％的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥时，碱激发混凝土C-2的抗碳化能力有所改善，7天、28天与60天的碳化深度分别下降到13.6mm、17.1mm与20.7mm，比C-1分别降低了14.5％、19.3％与21.3％。
随着水泥掺量提升到20％，碱激发混凝土C-3的抗碳化能力明显提升。7天、 28天与60天的碳化深度进一步下降到10.4mm、12.9mm与15.6mm，比C-1 分别降低了34.6％、39.2％与40.7％。当水泥掺量提升到30％，碱激发混凝土C-4 的抗碳化能力继续提升，而且增长的幅度仍较明显。7天、28天与60天的碳化深度进一步下降到9.7mm、10.8mm与12.4mm，比C-1分别降低了39％、49.1％与52.9％。可以看出，随着水泥掺量的提升，碱激发混凝土的抗碳化能力得到不断改善。然而水泥掺入过量也会导致反应环境碱度降低，影响聚合反应的进行与聚合产物的形成，因此水泥的掺入量以小于等于胶凝材料的30％为宜。
表1碱激发混凝土配合比与碳化深度

Claims (4)

1.一种增强碱激发混凝土抗碳化能力的方法，其特征是：以碱激发矿渣混凝土为例，原料组成及其质量百分比如下：胶凝材料为高炉粒化矿渣微粉90％—65％(掺量297—214.5kg/m3)；磨细熟石灰粉5％(掺量16.5kg/m3)；P·O 42.5级普通硅酸盐水泥5％—30％(掺量16.5—99kg/m3)；细骨料为中粗砂(掺量651kg/m3)；粗骨料为碎石(掺量1056kg/m3)；模数1-3的液态硅酸钠(掺量83.6-61.6kg/m3)；片碱(NaOH掺量16.7-12.3kg/m3)；水(掺量96-114.2kg/m3)；其中矿渣可替换为粉煤灰、赤泥、偏高岭土与垃圾灰等其他工业固体废弃物，用于碱激发混凝土的制备；
制备方法包括：称量配料及混料工艺、制备工艺，具体方法如下：
(1)称量配料及混料工艺：首先按照配合比将称量好的片碱溶解到试验用水中，搅拌并静置冷却；同时将矿渣微粉、熟石灰粉以及硅酸盐水泥进行称量配料，然后将三种胶凝材料放入混料机中混合5分钟，形成混合均匀的混合料；
(2)制备工艺：将冷却至室温的NaOH溶液加入搅拌锅，并加入混合料，先慢搅10秒然后快搅20秒；然后加入液态硅酸钠与试验用砂并快搅30秒，最后加入碎石并快搅30秒即可准备成型。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述高炉粒化矿渣为符合GB/T18046-2008标准规定的S95级粒化高炉矿渣微粉，高炉粒化矿渣微粉的比表面积≥400m2/kg，其中粒径小于30μm的超细粒化高炉矿渣微粉占总质量的90％以上。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述熟石灰是生石灰粉经充分消解、烘干后的熟石灰粉，0.08mm的方孔筛的筛余量为0。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的硅酸盐水泥为符合GB/T 175-2007标准规定P·O 42.5级普通硅酸盐水泥。
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Application publication date: 20190308

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