CN110128083B - 一种基于人工砂的高性能混凝土及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于人工砂的高性能混凝土及其制备方法和应用，涉及混凝土材料技术领域。该高性能混凝土，包括以下重量份的原料：水泥380～400份，生物质活性灰40～50份，硅灰25～40份，矿渣粉95～105份，人工砂740～830份，石子530～545份，0.16～2.5mm的连续纤维2～6份，石墨微球2～5份，石粉改性剂5～8份，外加剂8～10份，水205～225份。本发明的高性能混凝土具有C100高强性能，而且结构致密，耐久性好、抗渗和抗冻性能好。

Description

一种基于人工砂的高性能混凝土及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及混凝土材料技术领域，特别是涉及一种基于人工砂的高性能混凝土及其制备方法和应用。

背景技术

随着可持续发展观念在国人心中的不断加深，节能环保要求的不断提升，以装配式混凝土结构体系为代表的建筑工业得到了越来越多的重视，其应用也逐渐升温。预制装配式混凝土结构施工工期短、生产成本低、产品质量好，生产过程容易控制，大幅度提高了生产效率；预制装配式混凝土结构生产过程中能源消耗少、排污少、材料利用率高，符合绿色生产和持续性发展的要求。

砂石骨料是预制混凝土构件原材料的重要组成部分，其中用量较大的天然砂是短期内不可再生的资源，在不久的将来必定会出现资源短缺的问题，因此人们一直在寻求替代天然砂的材料。但是现有的代替天然砂的材料不适用于C100级的高强混凝土结构的制作，原因在于：这些材料的级配较差、粒形尖锐、表面粗糙，而且附带大量粒径小于0.075mm的石粉，如果按常规的配合比设计方法，会导致混凝土的和易性差，出现泌水等现象，无法正常施工，甚至影响混凝土的耐久性。

发明内容

基于此，有必要针对现有的代替天然砂的材料不适用于制作C100高性能混凝土的问题，提供一种基于人工砂的高性能混凝土及其制备方法。

一种基于人工砂的高性能混凝土，包括以下重量份的原料：

所述连续纤维的尺寸为0.16～2.5mm。

上述基于人工砂的高性能混凝土，原料中采用人工砂完全代替天然砂，大大减少天然砂的消耗，得到的混凝土具有C100高强性能，而且结构致密，耐久性好、抗渗和抗冻性能好；引入石墨微球，改善了混凝土的流动性，提高致密性，显著提高混凝土的抗渗性能和防水性能；利用生物质活性灰作为掺合料，具有良好的火山灰特性，其SiO₂含量很高，且呈非晶形，SiO₂与Ca(OH)₂在水合过程中反应形成额外的硅酸钙水合物凝胶，提高了混凝土的力学性能；以上材料协同作用，使得混凝土的性能大幅度提高。

在其中一个实施例中，所述水泥为P.O 42.5硅酸盐水泥，细度要求为0.08mm方孔筛筛余3％；所述硅灰的SiO₂含量＞92％，粒径＜2μm；所述矿渣粉为S95或S105级矿渣粉，比表面积≥600m²/kg。

在其中一个实施例中，所述生物质活性灰选自：谷壳灰、花生壳灰和玉米秸秆灰中的一种或多种；所述花生壳灰的SiO₂和Al₂O₃含量＞70％；所述玉米秸秆灰的SiO₂含量＞75％；谷壳灰的SiO₂含量＞92％，不定形SiO₂含量＞50％；制备所述生物质活性灰时的煅烧温度为590～640℃，保温时间为2～4h，得到的生物质活性灰的粒径＜10μm。其中，制备生物性灰时，600℃为最佳的煅烧温度，制备得到的生物质活性灰的比较面积较大，并且存在纳米态和非晶态SiO₂。

在其中一个实施例中，所述人工砂的细度模数为2.6～2.8，所述人工砂中的石粉含量≤12％。所述人工砂为符合国家标准《建设用砂》(GB/T 14684)中的Ⅱ区中砂。

在其中一个实施例中，所述人工砂包括以下重量份的级配人工砂：

在其中一个实施例中，所述石子为非碱活性的花岗岩、玄武岩或石灰岩；所述石子中针状颗粒和片状颗粒的含量≤8％，压碎值指标≤10％，含泥量≤1％，泥块含量≤0.2％，表观密度≥2700kg/m³；所述石子包括粒径为5～10mm、16～20mm和20～25mm的碎石，质量比为2～4：3～5：2～4。优选地，5～10mm、16～20mm和20～25mm的碎石的质量比为3：4：3。

在其中一个实施例中，所述连续纤维为聚丙烯纤维和/或碳纤维；所述石墨微球的碳含量≥98％，粒径＜1μm；所述石粉改性剂为小分子改性剂；所述外加剂为聚羧酸系，所述外加剂的固含量为40％～50％，减水率为40％～55％。所述外加剂为低引气、抗泥型超分散和高保塑的功能型外加剂。

本发明一方面还提供一种上述基于人工砂的高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：

制作复合掺合料：将生物质活性灰、硅灰、矿渣粉混合均匀，得到复合掺合料；

制作改性人工砂：将人工砂与石粉改性剂混合均匀，得到改性人工砂；

制作混合料：将改性人工砂、水泥、复合掺合料混合，加入石子和连续纤维，混合均匀，得到混合料；

制作混凝土：将混合料、石墨微球、外加剂和水混合均匀，得到基于人工砂的高性能混凝土。

上述制备方法得到的混凝土，具有高强度性能，结构致密，耐久性好、抗渗和抗冻性能好。

在其中一个实施例中，所述制作混合料的步骤具体为：依次加入改性人工砂、水泥和复合掺合料，搅拌30～60s，加入石子和连续纤维，搅拌30～60s，混合均匀，得到混合料；

所述制作混凝土的具体步骤为：向混合料中加入石墨微球、外加剂和水，搅拌2～3min，即得基于人工砂的高性能混凝土。

本发明一方面还提供一种上述基于人工砂的高性能混凝土在制作混凝土构件中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的基于人工砂的高性能混凝土，采用人工砂完全代替天然砂，大大减少天然砂的消耗，得到的混凝土具有C100高强性能，而且结构致密，耐久性好、抗渗和抗冻性能好；引入石墨微球，改善了混凝土的流动性，提高致密性，显著提高混凝土的抗渗性能和防水性能；利用生物质活性灰作为掺合料，具有良好的火山灰特性，其SiO₂含量很高，且呈非晶形，SiO₂与Ca(OH)₂在水合过程中反应形成额外的硅酸钙水合物凝胶，提高了混凝土的力学性能。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合较佳的实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1

一种混凝土，包括以下重量份的原料：

水泥400份，生物质活性灰45份，硅灰30份，矿渣粉100份，人工砂800份，石子540份，0.16～2.5mm的连续纤维4份，石墨微球4份，石粉改性剂6份，外加剂9份，水210份。

其中，水泥为P.O 42.5硅酸盐水泥，细度要求为0.08mm方孔筛筛余3％；

硅灰的SiO₂含量＞92％，粒径＜2μm；矿渣粉为S95级矿渣粉，比表面积≥600m²/kg；

生物质活性灰为谷壳灰、花生壳灰和玉米秸秆灰的混合物；生物质活性灰的粒径＜10μm；谷壳灰的SiO₂含量＞92％，花生壳灰的SiO₂和Al₂O₃含量＞70％，玉米秸秆灰的SiO₂含量＞75％；制备该生物质活性灰时的煅烧温度为600℃，保温时间为3h。

0.16～2.5mm的连续纤维为聚丙烯纤维和碳纤维的混合物；

石墨微球的碳含量≥98％，粒径＜1μm；

石粉改性剂为小分子改性剂；

外加剂的固含量为40％～50％,减水率为40～55％；

人工砂由以下粒径的级配人工砂组成：5000～2500μm、2500～1250μm、1250～630μm、630～315μm、315～160μm、160～80μm、80μm以下，质量比为8：14：20：30：14：9：7。

石子为非碱活性的花岗岩，石子中针状颗粒和片状颗粒的含量≤8％，压碎值指标≤10％，含泥量≤1％，泥块含量≤0.2％，表观密度≥2700kg/m³；石子由以下粒径的级配碎石组成：5～10mm、16～20mm和20～25mm，质量比为3：4：3。

上述基于人工砂的高性能混凝土，通过以下方法制备得到：

(1)将生物质活性灰、硅灰、矿渣粉混合均匀，得到复合掺合料；

(2)将人工砂与石粉改性剂混合均匀，得到改性人工砂；

(3)依次加入步骤(2)的改性人工砂、步骤(1)的复合掺合料混合，搅拌30～60s，加入石子和连续纤维，搅拌30～60s混合均匀，，得到混合料；

(4)向将步骤(3)的混合料中加入石墨微球、外加剂和水，搅拌2～3min，即得。

实施例2

一种混凝土，与实施例1的区别在于，原料及份数为：

水泥380份，生物质活性灰50份，硅灰25份，矿渣粉105份，人工砂740份，石子530份，0.16～2.5mm的连续纤维2份，石墨微球2份，石粉改性剂5份，外加剂8份，水225份。

实施例3

一种混凝土，与实施例1的区别在于，原料及份数为：

水泥400份，生物质活性灰40份，硅灰40份，矿渣粉95份，人工砂830份，石子545份，0.16～2.5mm的连续纤维6份，石墨微球5份，石粉改性剂8份；外加剂10份；水205份。

实施例4

一种混凝土，与实施例1的区别在于，原料及份数为：

水泥400份，生物质活性灰45份，硅灰30份，矿渣粉100份，人工砂800份，石子540份，0.16～2.5mm的连续纤维4份，石墨微球4份，石粉改性剂6份；外加剂9份；水210份。

制备生物质活性灰的煅烧温度为400℃。

实施例5

一种混凝土，与实施例1的区别在于，原料及份数为：

水泥400份，生物质活性灰45份，硅灰30份，矿渣粉100份，人工砂800份，石子540份，0.16～2.5mm的连续纤维4份，石墨微球4份，石粉改性剂6份，外加剂9份，水210份。

人工砂由以下粒径的级配人工砂组成：5000～2500μm、2500～1250μm、1250～630μm、630～315μm、315～160μm、160～80μm、80μm以下，质量比为9：14：19：30：14：9：6。

对比例1

一种混凝土，与实施例1的区别在于，原料及份数为：

水泥400份，生物质活性灰45份，硅灰30份，矿渣粉100份，人工砂800份，石子540份，0.16～2.5mm的连续纤维4份，石墨微球0.5份，石粉改性剂6份，外加剂9份，水210份。

实验例

对实施例和对比例的混凝土进行坍落度、含气量、抗压强度、氯离子扩散系数测试，测试方法为：

(1)坍落度、含气量测试按照国家标准《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080)；

(2)抗压强度测试按照国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081)；

(3)氯离子扩散系数测试按照国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082)。

测试结果如下表所示：

表1混凝土的性能测试结果

从上表可以看出，本发明实施例的产品具有很好的和易性、抗压强度和耐久性，而且其含气量低，氯离子扩散系数较小，说明本发明产品的致密性好。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于人工砂的高性能混凝土，其特征在于，包括以下重量份的原料：

水泥 380～400份，

生物质活性灰 40～50份，

硅灰 25～40份，

矿渣粉 95～105份，

人工砂 740～830份，

石子 530～545份，

连续纤维 2～6份，

石墨微球 2～5份，

石粉改性剂 5～8份，

外加剂 8～10份，

水 205～225份，

所述连续纤维的尺寸为0.16～2.5mm；

所述水泥为P.O 42.5硅酸盐水泥，细度要求为0.08mm方孔筛筛余3％；

所述生物质活性灰为谷壳灰、花生壳灰和玉米秸秆灰的混合物；所述生物质活性灰的粒径＜10μm；所述谷壳灰的SiO₂含量＞92％；所述花生壳灰的SiO₂和Al₂O₃含量＞70％；所述玉米秸秆灰的SiO₂含量＞75％；制备所述生物质活性灰时的煅烧温度为590～640℃，保温时间为2～4h；

所述石墨微球的碳含量≥98％，粒径＜1μm；

所述人工砂的细度模数为2.6～2.8，所述人工砂中的石粉含量≤12％；

所述人工砂包括以下重量份的级配人工砂：

5000～2500μm的人工砂 6～12份，

2500～1250μm的人工砂 10～18份，

1250～630μm的人工砂 16～24份，

630～315μm的人工砂 24～36份，

315～160μm的人工砂 10～18份，

160～80μm的人工砂 6～12份，

80μm以下的人工砂 6～8份。

2.根据权利要求1所述的基于人工砂的高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为P.O42.5硅酸盐水泥，细度要求为0.08mm方孔筛筛余3％；所述硅灰的SiO₂含量＞92％，粒径＜2μm；所述矿渣粉为S95或S105级矿渣粉，比表面积≥600m²/kg。

3.根据权利要求1所述的基于人工砂的高性能混凝土，其特征在于，所述石子为非碱活性的花岗岩、玄武岩或石灰岩；所述石子中针状颗粒和片状颗粒的含量≤8％，压碎值指标≤10％，含泥量≤1％，泥块含量≤0.2％，表观密度≥2700kg/m³；所述石子包括粒径为5～10mm、16～20mm和20～25mm的碎石，质量比为2～4：3～5：2～4。

4.根据权利要求1～3任一项所述的基于人工砂的高性能混凝土，其特征在于，所述连续纤维为聚丙烯纤维和/或碳纤维；所述石粉改性剂为小分子改性剂；所述外加剂的固含量为40％～50％，减水率为40～55％。

5.一种权利要求1～4任一项所述的基于人工砂的高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

制作复合掺合料：将生物质活性灰、硅灰、矿渣粉混合均匀，得到复合掺合料；

制作改性人工砂：将人工砂与石粉改性剂混合均匀，得到改性人工砂；

制作混合料：将改性人工砂、水泥、复合掺合料混合，加入石子和连续纤维，混合均匀，得到混合料；

制作混凝土：将混合料、石墨微球、外加剂和水混合均匀，得到基于人工砂的高性能混凝土。

6.根据权利要求5所述的基于人工砂的高性能混凝土的制备方法，其特征在于，所述制作混合料的步骤具体为：依次加入改性人工砂、水泥和复合掺合料，搅拌30～60s，加入石子和连续纤维，搅拌30～60s，混合均匀，得到混合料；

所述制作混凝土的具体步骤为：向混合料中加入石墨微球、外加剂和水，搅拌2～3min，即得基于人工砂的高性能混凝土。

7.一种权利要求1～4任一项所述的基于人工砂的高性能混凝土在制作混凝土构件中的应用。