CN110194616A - 一种抗裂型碱矿渣混凝土及其制备 - Google Patents

一种抗裂型碱矿渣混凝土及其制备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗裂型碱矿渣混凝土，包括以下质量比原料配比：矿渣：微珠粉煤灰：CaO：Na2CO3：钢纤维：聚丙烯纤维：砂：石头：萘系减水剂：水=1：0.15~0.75：0.04~0.08：0.05~0.15：0.05~0.3：0.01~0.03：2~4：3.5~6.5：0.005~0.02：0.5~1.0。本发明的碱矿渣混凝土采用CaO和Na2CO3作为激发剂，减小了收缩；再加入适量的钢纤维和聚丙烯纤维，使得前期以及后期的抗裂性均提高，从而改善碱矿渣混凝土开裂的问题。而且工业固废矿渣为主要胶凝材料，变废为宝，成本比普通混凝土低。本发明具有良好的经济、社会和环保效益，适合大规模推广应用。

Description

一种抗裂型碱矿渣混凝土及其制备
技术领域
本发明属于土木工程中的建筑材料技术领域，具体涉及一种抗裂型碱矿渣混凝土及其制备方法。
背景技术
土木工程中的普通混凝土是指用水泥作胶凝材料，砂，石作骨料，然后与水（可含外加剂和掺合料）按一定比例配合，经搅拌而得的普通混凝土。目前，世界各地的道路、房屋和桥梁等各方面的建设均需要大量的混凝土。混凝土中的胶凝材料-水泥在生产过程中能耗高，会排放大量CO2，环保意义不够明显。
因此国内外有学者对碱矿渣混凝土进行了相关研究，碱矿渣混凝土的研究已经有一段历史了，最早是1957年，乌克兰基辅建筑工学院的维.德.格卢霍夫基教 授在研究沉积岩和变质岩地质资料的过程中发明了碱矿渣水泥与混凝土。碱矿渣混凝土具有强度高、硬化快和耐久性好等优点，其使用也较为方便，生产工艺简单、成本低和能源消耗少。他是利用化学激发方法充分激发矿渣的活性，以其作为混凝土的胶结材料代替水泥熟料。充分利用好碱矿渣混凝土就相当于充分利用好高炉炼铁过程中的副产品-矿渣，解决矿渣带来的占用大量土地，严重污染环境，影响人们健康等一系列问题。
很多学者想将碱矿渣混凝土进行实际工程应用，从而达到节省大量的资源和能源的目的。但是碱矿渣混凝土存在着抗碳化性能差、收缩大和易开裂等问题。这是限制碱矿渣混凝土实际应用的关键问题。聚丙烯纤维能有效阻止早期开裂，钢纤维具有弹性模量高、抗拉极限应变大和抗拉强度高等特点，能有效阻止后期开裂。在碱矿渣混凝土中加入适量的钢纤维和聚丙烯纤维，可使碱矿渣混凝土抗裂性能得到改善。在激发剂上，采用CaO和Na2CO3作为激发剂，其早期的pH值（碱性）较低，CaO和Na2CO3进行反应生成NaOH后，其pH值才提高。采用CaO和Na2CO3作为激发剂可以大大减小收缩，从而进一步改善碱矿渣混凝土的抗裂性。该碱矿渣混凝土掺入适量的微珠粉煤灰（矿物减水剂）和萘系减水剂（化学减水剂），同时采用CaO和Na2CO3作为激发剂，可降低期早期的pH值，减少收缩值，且满足其工作性的要求。CaO和Na2CO3作为激发剂与纤维优势互补，不仅能有效地降低碱矿渣混凝土收缩，而且性价比高，可促进碱矿渣混凝土的推广应用。
申请号为201611074274 .0的朱晶等人申请了一种聚丙烯纤维增强碱矿渣胶凝材料专利，该专利的制备过程为：首先调节水玻璃模数，将调好模数的水玻璃倒入含有矿渣的搅拌锅中搅拌1 min，加入称量后的水，再搅拌5~8 min。将称量好的聚丙烯纤维放入搅拌锅，再搅拌1 min，然后将搅拌好的材料倒入模具中，再放在混凝土振动台上震荡，至表面平整，无气泡逸出。该专利虽然能在一定程度上改善碱矿渣胶凝材料的脆性，但是采用水玻璃作为激发剂使用起来极其不方便，而且水玻璃价格比较贵，不适合实际工程应用。本发明采用CaO和Na2CO3作为激发剂，可与矿渣和微珠粉煤灰制备单组份碱激发胶凝材料，实际工程应用方便，经济性更好。
申请号为201611029239.7的朱晶等人申请了一种微细钢纤维增强碱矿渣胶凝材料及制备方法。该专利组成包括：矿渣、钾水玻璃、氢氧化钠、微细钢纤维和水，其重量份数为：矿渣55~78.25份、钾水玻璃10~19.30份、氢氧化钠0 .40~4 .60份、微细钢纤维0 .85~2.20份和水10.50~20份。该发明在胶凝材料中掺加适量的微细钢纤维，可提高其抗拉、抗弯强度，韧性和抗冲击强度。但是该发明使用钾水玻璃和微细钢纤维，使得成本大大增加，不适合工程应用。本发明采用价格更加低廉的CaO和Na2CO3作为激发剂，采用聚丙烯纤维替代微细钢纤维，使得经济性更好。
目前还没有将钢纤维、聚丙烯纤维、CaO和Na2CO3应用于碱矿渣混凝土中的相关专利和报道。本发明将采用单组份碱激发胶凝材料作为普通混凝土中水泥的替代品，以CaO和Na2CO3作为激发剂，制备出工作性良好，收缩小的碱矿渣混凝土，再掺入钢纤维和聚丙烯纤维提高碱矿渣混凝土的抗裂性。本发明涉及的抗裂型碱矿渣混凝土极具特色，而且有很高应用价值和推广应用前景。
发明内容
本发明针对普通硅酸盐水泥的消耗量非常之大以及碱矿渣混凝土存在着抗裂性差的缺点，提供一种抗裂型碱矿渣混凝土。本发明的碱矿渣混凝土以矿渣和微珠粉煤灰为胶凝材料的主要组分，减少普通硅酸盐水泥的消耗；以CaO和Na2CO3作为激发剂，以降低其早期pH值（提高流动性），且减小碱矿渣混凝土的收缩；再辅以钢纤维和聚丙烯纤维使得碱矿渣混凝土的抗裂性得到改善；再掺入萘系减水剂，制备出的混凝土坍落度达到180 mm。这些技术措施使所制备的碱矿渣混凝土收缩小、抗裂性好和经济效益较好。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种抗裂型碱矿渣混凝土，采用CaO和Na2CO3来激发矿渣和微珠粉煤灰的活性，并与砂和石子结合制备得到的碱矿渣混凝土收缩小，通过加入钢纤维和聚丙烯纤维使其抗裂性进一步得到提高。通过萘系减水剂和微珠粉煤灰的共同作用使其工作性得到显著改善。
一种抗裂型碱矿渣混凝土，包含以下原料：矿渣、微珠粉煤灰、CaO、Na2CO3、钢纤维、聚丙烯纤维、砂、石头、萘系减水剂和水。
一种抗裂型碱矿渣混凝土，原料按质量比的配比为：矿渣：微珠粉煤灰：CaO：Na2CO3：钢纤维：聚丙烯纤维：砂：石头：萘系减水剂：水=1：0.15~0.75：0.04~0.08：0.05~0.15：0.05~0.3：0.01~0.03：2~4：3.5~6.5：0.005~0.02：0.5~1.0。
上述矿渣比表面积为400~550 m2/kg。
上述微珠粉煤灰为球状，平均粒径为1~5μm。
上述CaO为分析纯（AR）等级，有效成分CaO≥98%。
上述Na2CO3为分析纯（AR）等级，有效成分Na2CO3≥99.8%。
上述钢纤维长度为13 mm，直径为0.2 mm，抗拉强度>2000 MPa。
上述聚丙烯纤维长度为6 mm，抗拉强度>300 MPa。
上述砂为河砂，粒径≤4.75 mm。
上述石子由大、中、小三种石子组成，其质量比=7~9:6~8:4~6，粒径分别为19~31mm、13~18 mm和5~12 mm。
上述萘系减水剂减水率18~25%，0.315 mm筛余细度<10%。
一种抗裂型碱矿渣混凝土的制备过程为：将矿渣、微珠粉煤灰、CaO、Na2CO3、钢纤维、聚丙烯纤维、砂和石子按质量比倒入混凝土搅拌机搅拌60s，将萘系减水剂溶于水中，将其倒入混凝土搅拌机中搅拌120 s，然后浇筑成模；静置1 天后拆模，然后放入温度为20±2℃，相对湿度为95%以上的标准养护室中养护28天。
矿渣的活性主要来自玻璃相成分，根据XRF检测结果可知，矿渣化学组成主要是以SiO2、CaO和Al2O3为主，CaO占35～40%，SiO2占25～35%，Al2O3占8～15%。CaO和Na2CO3作为矿渣和微珠粉煤灰的激发剂，当有水存在时，CaO、Na2CO3和水反应生成CaCO3和NaOH，生成的NaOH在溶液中产生大量的OH-，此时溶液中的pH值较高，矿渣和微珠粉煤灰中的Si-O-Si键、Si-O-Al键和Al-O-Al键在OH-作用下断裂，玻璃体结构解体，释放出(SiO4)4-、(AlO4)5-和Ca2+等离子进入溶液中。Ca2+与硅酸根离子和铝酸根离子通过缩聚作用产生C-S-H等凝胶，C-S-H等凝胶在未完全水化的矿渣、微珠粉煤灰和骨料起到胶凝连接的作用。砂和石子起到了“骨架作用”，支撑着整个体系。随着反应的进行，水化产物增加，使得整个结构更加致密，促使整个混凝土强度进一步提高。其中CaO和Na2CO3反应生成的CaCO3填充在浆体中，使得收缩减小。
与此同时，加入的钢纤维具有弹性模量高、抗拉极限应变和抗拉强度高等优良特性；在后期受力过程中，钢纤维抑制了裂缝的引发和扩展，从而能充分提高混凝土的抗拉强度。另外，钢纤维与硬化的浆体之间的粘结性能较好，由于碱矿渣混凝土后期破坏时，钢纤维大都是被拔出而不是拉断，所以碱矿渣混凝土的抗拉强度较高。在碱矿渣混凝土中加入适量的聚丙烯纤维和钢纤维，分别使碱矿渣混凝土早期和后期的抗裂性能得到改善；在加入聚丙烯纤维和钢纤维后，聚丙烯纤维和钢纤维的乱向分布阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生，从而减少了裂缝源的数量，并使裂缝尺寸变小，缓和了裂缝尖端应力集中程度；聚丙烯纤维和钢纤维的共同作用使得碱矿渣混凝土抗裂性能得到改善。
除此之外，材料中的微珠粉煤灰是由平均粒径在1～5μm的球状玻璃颗粒组成，具有滚珠效应，显著降低胶凝材料剪切应力，有利于提高胶凝材料的流动性和实际施工，其化学组成主要为SiO2和Al2O3，其中SiO2的含量是最高的，高达50～60%。微珠粉煤灰“滚珠效应”能改善混凝土的工作性，萘系减水剂的加入能起到一定的塑化作用，萘系减水剂具有较强的固液界面活性作用，可以迅速吸附到矿渣和微珠粉煤灰颗粒表面，增大了矿渣和微珠粉煤灰颗粒的静电斥力，所以适量萘系减水剂的加入对碱矿渣混凝土的工作性有一定的改善作用。
本发明的显著优点在于：
（1）本发明在碱矿渣混凝土中加入适量的钢纤维和聚丙烯纤维，使得碱矿渣混凝土的抗裂性能得到改善，为其实际工程的应用向前迈进了一步。
（2）本发明的抗裂型碱矿渣混凝土没有采用生产过程高能耗、且会排放CO2的普通硅酸盐水泥，充分利用了工业固体废弃物，具有很好的经济性和环保性。
（3）采用CaO和Na2CO3作为激发剂，制成单组分碱激发胶凝材料，延迟NaOH的生成，降低了其早期pH值，使得反应慢慢完成；这降低了碱矿渣混凝土的收缩值，从而达到抗裂的目的。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不仅限于此。
实施例1
一种抗裂型碱矿渣混凝土，原料按质量比配比为：矿渣：微珠粉煤灰：CaO：Na2CO3：钢纤维：聚丙烯纤维：砂：石头：萘系减水剂：水=1：0.15：0.04：0.05：0.05：0.01：2：3.5：0.02：0.5。矿渣比表面积为400 m2/kg。微珠粉煤灰为球状，平均粒径为2μm。CaO为分析纯（AR）等级，有效成分CaO≥98%。Na2CO3为分析纯（AR）等级，有效成分Na2CO3≥99.8%。钢纤维长度为13 mm，直径为0.2mm，抗拉强度>2000MPa。聚丙烯纤维长度为6 mm，抗拉强度>300 MPa。砂为河砂，粒径≤4.75mm。石子由大、中、小三种石子组成，其质量比=7:6:4，其粒径分别为19~31mm、13~18 mm和5~12 mm。萘系减水剂减水率18~25%，0.315 mm筛余细度<10%。
一种抗裂型碱矿渣混凝土的制备过程为：将矿渣、微珠粉煤灰、CaO、Na2CO3、钢纤维、聚丙烯纤维、砂和石子按质量比倒入混凝土搅拌机搅拌60s，将萘系减水剂溶于水中，将其倒入混凝土搅拌机中搅拌120 s。最后浇筑入模，静置1 天后拆模，然后放入温度为20±2℃，相对湿度为95%以上的标准养护室中养护28天。
本实施例制备的抗裂型碱矿渣混凝土的坍落度为190mm，抗压强度为38.5 MPa，按《水泥砂浆和混凝土干燥收缩开裂性能试验方法》（GB/T 29417-2012）测得的抗裂指数为0.92。
实施例2
一种抗裂型碱矿渣混凝土，原料按质量比配比为：矿渣：微珠粉煤灰：CaO：Na2CO3：钢纤维：聚丙烯纤维：砂：石头：萘系减水剂：水=1：0.75：0.06：0.1：0.175：0.03：3.0：6.5：0.01：1.0。矿渣比表面积为475 m2/kg。微珠粉煤灰为球状，平均粒径为2μm。CaO为分析纯（AR）等级，有效成分CaO≥98%。Na2CO3为分析纯（AR）等级，有效成分Na2CO3≥99.8%。钢纤维长度为13 mm，直径为0.2 mm，抗拉强度>2000 MPa。聚丙烯纤维长度为6 mm，抗拉强度>300 MPa。砂为河砂，粒径≤4.75 mm。石子由大、中、小三种石子组成，其质量比=8:7:5，其粒径分别为19~31 mm、13~18 mm和5~12 mm。萘系减水剂减水率18~25%，0.315 mm筛余细度<10%。
一种抗裂型碱矿渣混凝土的制备过程为：将矿渣、微珠粉煤灰、CaO、Na2CO3、钢纤维、聚丙烯纤维、砂和石子倒入混凝土搅拌机搅拌60s，将萘系减水剂溶于水中，将其倒入混凝土搅拌机中搅拌120s。最后浇筑入模，静置1 天后拆模，然后放入温度为20±2℃，相对湿度为95%以上的标准养护室中养护28天。
本实施例制备的抗裂型碱矿渣混凝土的坍落度为190mm，抗压强度为40.6MPa，按《水泥砂浆和混凝土干燥收缩开裂性能试验方法》（GB/T 29417-2012）测得的抗裂指数为0.81。
实施例3
一种抗裂型碱矿渣混凝土，原料按质量比配比为：矿渣：微珠粉煤灰：CaO：Na2CO3：钢纤维：聚丙烯纤维：砂：石头：萘系减水剂：水=1：0.45：0.08：0.15：0.3：0.02：4.0：5.0：0.005：0.75。矿渣比表面积为550 m2/kg。微珠粉煤灰为球状，平均粒径为2μm。CaO为分析纯（AR）等级，有效成分CaO≥98%。Na2CO3为分析纯（AR）等级，有效成分Na2CO3≥99.8%。钢纤维长度为13 mm，直径为0.2 mm，抗拉强度>2000 MPa。聚丙烯纤维长度为6 mm，抗拉强度>300 MPa。砂为河砂，粒径≤4.75 mm。石子由大、中、小三种石子组成，其质量比=9:8:6，其粒径分别为19~31 mm、13~18 mm和5~12 mm。萘系减水剂减水率18~25%，0.315 mm筛余细度<10%。
一种抗裂型碱矿渣混凝土的制备过程为：将矿渣、微珠粉煤灰、CaO、Na2CO3、钢纤维、聚丙烯纤维、砂和石子倒入混凝土搅拌机搅拌60s，将萘系减水剂溶于水中，将其倒入混凝土搅拌机中搅拌120s。最后浇筑入模，静置1 天后拆模，然后放入温度为20±2℃，相对湿度为95%以上的标准养护室中养护28天。
本实施例制备的抗裂型碱矿渣混凝土的坍落度为190mm，抗压强度为43.2MPa，按《水泥砂浆和混凝土干燥收缩开裂性能试验方法》（GB/T 29417-2012）测得的抗裂指数为0.75。
以上是本发明的实施例，进一步说明本发明，但是本发明不仅限于此。

Claims (10)

1.一种抗裂型碱矿渣混凝土，其特征在于：所述抗裂型碱矿渣混凝土包含以下原料：矿渣、微珠粉煤灰、CaO、Na2CO3、钢纤维、聚丙烯纤维、砂、石头、萘系减水剂和水。
2.根据权利要求1所述的一种抗裂型碱矿渣混凝土，其特征在于：所述原料按质量比的配比为：矿渣：微珠粉煤灰：CaO：Na2CO3：钢纤维：聚丙烯纤维：砂：石头：萘系减水剂：水=1：0.15~0.75：0.04~0.08：0.05~0.15：0.05~0.3：0.01~0.03：2~4：3.5~6.5：0.005~0.02：0.5~1.0。
3.根据权利要求1所述的一种抗裂型碱矿渣混凝土，其特征在于：所述矿渣比表面积为400~550 m2/kg。
4.根据权利要求1所述的一种抗裂型碱矿渣混凝土，其特征在于：所述微珠粉煤灰为球状，平均粒径为1~5 μm。
5.根据权利要求1所述的一种抗裂型碱矿渣混凝土，其特征在于：所述钢纤维长度为13mm，直径为0.2 mm，抗拉强度>2000 MPa。
6.根据权利要求1所述的一种抗裂型碱矿渣混凝土，其特征在于：所述聚丙烯纤维长度为6 mm，抗拉强度>300 MPa。
7.根据权利要求1所述的一种抗裂型碱矿渣混凝土，其特征在于：所述砂为河砂，粒径≤4.75 mm。
8.根据权利要求1所述的一种抗裂型碱矿渣混凝土，其特征在于：所述石子由大、中、小三种石子组成，其质量比=7~9:6~8:4~6，粒径分别为19~31 mm、13~18 mm和5~12 mm。
9.根据权利要求1所述的一种抗裂型碱矿渣混凝土，其特征在于：所述萘系减水剂减水率18~25%，0.315 mm筛余细度<10%。
10.如权利要求1所述的一种抗裂型碱矿渣混凝土得制备方法为：将矿渣、微珠粉煤灰、CaO、Na2CO3、钢纤维、聚丙烯纤维、砂和石子倒入混凝土搅拌机搅拌60 s，将萘系减水剂溶于水中，将其倒入混凝土搅拌机中搅拌120 s，然后浇筑成模；静置1天后拆模，然后放入温度为20±2 ℃，相对湿度为95%以上的标准养护室中养护28天。
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