CN110526609B - 一种核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料及其制备方法 - Google Patents

一种核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料及其制备方法 Download PDF

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    • C04B20/10—Coating or impregnating
    • C04B20/1055—Coating or impregnating with inorganic materials
    • C04B20/1077—Cements, e.g. waterglass

Abstract

本发明涉及一种核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料及其制备方法，该高强轻质骨料以轻质高强的圆球形粉煤灰陶粒为内核，硫铝酸盐水泥基胶凝材料包覆在粉煤灰陶粒表面形成多孔结构的外壳层。本发明选用适当的胶凝材料包覆粉煤灰陶粒制备得到核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料，增强了轻集料的承载能力，提高了轻集料混凝土的强度，并且通过普通硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰作为外掺剂，在改善硫铝酸盐水泥凝结时间过快，后期强度倒缩等缺陷的同时，加强了内核材料与外壳材料的粘结程度，明显提高了核壳型轻集料混凝土的整体强度，使轻集料混凝土得以更广泛的应用。

Description

一种核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料及其制备方法。
背景技术
随着现代建筑向大跨、高层的发展，为缩小结构断面、减轻结构自重、提高结构保温隔热性能，轻质、高强、耐久、可持续发展的建筑材料已成为土木工程界的重要研究课题，也是现代混凝土技术的重要发展方向之一。为解决上述问题，轻质高强骨料混凝土的研发与制备具有很大意义。
目前，混凝土中所用轻质骨料主要为人工烧制的陶粒材料。但现有的陶粒堆积密度过高，强度不足，保温效果不明显等原因导致其未能普遍应用。因此制备一种强度高，堆积密度低，保温性能好的轻质高强骨料具有现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料及其制备方法，该核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料制备的混凝土强度高、堆积密度低。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料，其以轻质高强的圆球形粉煤灰陶粒为内核，硫铝酸盐水泥基胶凝材料包覆在粉煤灰陶粒表面形成多孔结构的外壳层。
按上述方案，所述粉煤灰陶粒粒径为5～10mm，堆积密度为410～500kg/m3，筒压强度≥1.56MPa，1h吸水率＜15.0％。
按上述方案，所述外壳层厚度为1.8～2.4mm。
按上述方案，所述硫铝酸盐水泥基胶凝材料原料组分及质量份配比为：硫铝酸盐水泥100份，普通硅酸盐水泥5～15份，粉煤灰5～15份，硅灰2～6份，减水剂1份。
按上述方案，所述硫铝酸盐水泥强度等级为42.5，比表面积为350～370m2/kg，初凝时间为25～40min，终凝时间为180～240min，28d自由膨胀率为0.00～0.15％，标准稠度为25～30％。
按上述方案，所述普通硅酸盐水泥中C2S和C3S含量大于70％，CaO/SiO2≥2.0％，烧失量不大于1.5％，符合GB1752007通用硅酸盐水泥标准的要求。
按上述方案，所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其细度为0.45mm方孔筛筛余量不大于12％，烧失量不大于5％，需水量不大于95％，含水量不大于1％。
按上述方案，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为14～40％。
按上述方案，所述硅灰密度为2200kg/m3，堆积密度为200～350kg/m3，粒径小于1μm，比表面积为20000～25000㎡/kg。
本发明还提供上述核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料的制备方法，具体步骤如下：
1)按配比称取硫铝酸盐水泥基胶凝材料各原料组分，按水胶比0.38～0.40加水搅拌得到硫铝酸盐水泥基胶凝材料；
2)将粉煤灰陶粒经泡水预湿处理后置于糖衣锅中，然后将步骤1)所得硫铝酸盐水泥基胶凝材料喷涂在粉煤灰陶粒表面，通过成球工艺得到球状的坯料，并在成球过程中向锅内通以热风除去坯料表层水分，得到表面多孔、颗粒均匀的球状的坯料，再经养护得到核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料。
优选的是，步骤1)硫铝酸盐水泥基胶凝材料质量份配比为：硫铝酸盐水泥100份，普通硅酸盐水泥5份，粉煤灰5份，硅灰6份，减水剂1份。
按上述方案，步骤2)泡水预湿处理时间为1h。
按上述方案，步骤2)喷涂在粉煤灰陶粒表面的硫铝酸盐水泥基胶凝材料的厚度为1.8～2.4mm。
按上述方案，步骤2)养护条件为：温度20±3℃、相对湿度≥90％下进行标准养护28d。
本发明还包括上述核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料在制备轻质高强混凝土中的应用。
本发明先对粉煤灰陶粒进行预湿处理，这样既能防止陶粒被包裹后从水泥浆体中吸取水分，造成骨料界面间水灰比降低，也可在养护后期释放一部分水分，有利于水泥水化反应，提高混凝土抗压强度。当预湿时间超过1h后达到饱和吸水状态，陶粒的吸水率和抗压强度基本不再增加。然后在粉煤灰陶粒表面喷洒搅拌均匀的硫铝酸盐水泥基胶凝材料，采用糖衣包裹方法，在陶粒表面包裹一层厚度均匀的外壳材料，成球过程中向锅内通以热风除去表层水分，得到表面多孔、颗粒均匀的球状的坯料。
粉煤灰陶粒是一种多孔材料，其内部疏松多孔，脆性大，直接影响混凝土的强度，因其表面有一层以硅酸盐和铝酸盐玻璃体为主要组成的外壳具有潜在的化学活性，能与水泥水化产物CH发生化学反应。且预湿处理后的轻集料因多孔储水，在养护过程中，储存的水分释放，使轻集料周围的水泥石处于较长的水化硬化条件，反应过程更完全，轻集料与水泥石间的粘结强度更牢靠。本发明以圆球形粉煤灰陶粒为内核，硫铝酸盐水泥为外壳，制备核壳结构的硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料，改善陶粒作为混凝土轻骨料脆性大、强度底等缺点，增强轻集料与水泥石间的界面强度，明显提高轻集料混凝土的强度。
本发明的硫铝酸盐水泥基胶凝材料以硫铝酸盐水泥为主要材料，基于响应面法优化硫铝酸盐水泥体系性能研究，选取适当掺量的普通硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰部分替代硫铝酸盐水泥，用以改善硫铝酸盐水泥凝结时间过快，后期强度倒缩等缺陷，通过建立四元体系凝结时间和抗压强度预测模型，并对模型进行回归分析和方差分析，在保证胶凝材料3d抗压强度优良的同时28d抗压强度最佳。且因粉煤灰和硅灰颗粒极细，其细度和比表面积约为水泥的80～100倍，能使胶凝材料充分吸附在陶粒表面，增强外壳材料与内核材料的粘结强度。
本发明的有益效果在于：1、本发明选用适当的胶凝材料包覆粉煤灰陶粒制备得到核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料，增强了轻集料的承载能力，提高了轻集料混凝土的强度，并且通过普通硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰作为外掺剂，在改善硫铝酸盐水泥凝结时间过快，后期强度倒缩等缺陷的同时，加强了内核材料与外壳材料的粘结程度，明显提高了核壳型轻集料混凝土的整体强度，使轻集料混凝土得以更广泛的应用；2、本发明所述核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料制备工艺简单，易于实现。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料剖面SEM图；
图2为实施例1与对比例1所制备的高强轻质骨料外表面SEM图；
图3为实施例7所配制的轻质高强混凝土试件的抗压强度、干容重和湿容重测试图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明对比例及实施例所用圆球形粉煤灰陶粒粒径为10mm，堆积密度为464.6kg/m3，筒压强度2.12MPa，1h吸水率为10.78％；所用减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为30％；所用硫铝酸盐水泥强度等级为42.5，比表面积为354m2/kg，初凝时间为25～40min，终凝时间为180～240min，28d自由膨胀率为0.00～0.15％，标准稠度为25～30％；所用普通硅酸盐水泥中C2S和C3S含量为75％左右，烧失量不大于1.5％，符合GB1752007通用硅酸盐水泥标准；所用粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其细度为0.45mm方孔筛筛余量不大于12％，表观密度2240kg/m3，烧失量不大于5％，需水量不大于95％，含水量不大于1％；所用硅灰密度为2200kg/m3，粒径小于1μm，比表面积为20000～25000㎡/kg。
对比例1
一种核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料，具体制备方法如下：
1)按以下质量份配比称取原料组分：硫铝酸盐水泥100份、减水剂1份，按配比将上述原料置于搅拌机中搅拌均匀，然后按照水胶比0.38在室温条件下加入标准稠度用水量，继续搅拌至均匀得到硫铝酸盐水泥基胶凝材料；
2)将粉煤灰陶粒浸泡于自来水中，保持液面超过陶粒颗粒5cm±0.5mm，预湿处理1h达到饱和吸水状态后置于糖衣锅中，然后将步骤1)所得硫铝酸盐水泥基胶凝材料喷涂在粉煤灰陶粒表面直至包裹层厚度为2mm，然后通过成球工艺得到球状的坯料，再在温度20±3℃、相对湿度≥90％下养护28d得到核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料，记为SAC空白组。
对本对比例所得核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料的性能进行测试，测试结果见表1。
实施例1
一种核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料，具体制备方法如下：
1)按以下质量份配比称取原料组分：硫铝酸盐水泥100份、普通硅酸盐水泥5份、粉煤灰5份、硅灰6份、减水剂1份，按配比将上述原料置于搅拌机中搅拌均匀，然后按照水胶比0.38在室温条件下加入标准稠度用水量，继续搅拌至均匀得到硫铝酸盐水泥基胶凝材料；
2)将粉煤灰陶粒浸泡于自来水中，保持液面超过陶粒颗粒5cm±0.5mm。预湿处理1h达到饱和吸水状态后，置于糖衣锅中，然后将步骤1)所得硫铝酸盐水泥基胶凝材料喷涂在粉煤灰陶粒表面直至包裹层厚度为2mm，然后通过成球工艺得到球状的坯料，并在成球过程中向锅内通以热风除去坯料表层水分，得到表面多孔、颗粒均匀的球状的坯料，再在温度20±3℃、相对湿度≥90％下养护28d得到核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料。
对本实施例所得核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料的性能进行测试，测试结果见表1，轻质骨料剖面图见图1，可以看出，本实施例制备的高强轻质骨料为核壳结构，包裹层厚度约为2mm。图2为本实施例与对比例1所制备的高强轻质骨料外表面SEM图，可以发现，本实施例与对比例1所制备的高强轻质骨料外壳层均为多孔结构，SAC空白组存在较多的孔隙，本实施例制备的壳层表面更致密。
实施例2
一种核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料，具体制备方法如下：
1)按以下质量份配比称取原料组分：硫铝酸盐水泥100份、普通硅酸盐水泥10份、粉煤灰15份、硅灰2份、减水剂1份，按配比将上述原料置于搅拌机中搅拌均匀，然后按照水胶比0.38在室温条件下加入标准稠度用水量，继续搅拌至均匀得到硫铝酸盐水泥基胶凝材料；
2将粉煤灰陶粒浸泡于自来水中，保持液面超过陶粒颗粒5cm±0.5mm。预湿处理1h达到饱和吸水状态后，置于糖衣锅中，然后将步骤1)所得硫铝酸盐水泥基胶凝材料喷涂在粉煤灰陶粒表面直至包裹层厚度为2mm，然后通过成球工艺得到球状的坯料，并在成球过程中向锅内通以热风除去坯料表层水分，得到表面多孔、颗粒均匀的球状的坯料，再在温度20±3℃、相对湿度≥90％下养护28d得到核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料。
对本实施例所得核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料的性能进行测试，测试结果见表1。
实施例3
一种核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料，具体制备方法如下：
1)按以下质量份配比称取原料组分：硫铝酸盐水泥100份、普通硅酸盐水泥15份、粉煤灰10份、硅灰6份、减水剂1份，按配比将上述原料置于搅拌机中搅拌均匀，然后按照水胶比0.38在室温条件下加入标准稠度用水量，继续搅拌至均匀得到硫铝酸盐水泥基胶凝材料；
2)将粉煤灰陶粒浸泡于自来水中，保持液面超过陶粒颗粒5cm±0.5mm。预湿处理1h达到饱和吸水状态后，置于糖衣锅中，然后将步骤1)所得硫铝酸盐水泥基胶凝材料喷涂在粉煤灰陶粒表面直至包裹层厚度为2mm，然后通过成球工艺得到球状的坯料，并在成球过程中向锅内通以热风除去坯料表层水分，得到表面多孔、颗粒均匀的球状的坯料，再在温度20±3℃、相对湿度≥90％下养护28d得到核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料。
对本实施例所得核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料的性能进行测试，测试结果见表1。
实施例4
一种核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料，具体制备方法如下：
1)按以下质量份配比称取原料组分：硫铝酸盐水泥100份、普通硅酸盐水泥10份、粉煤灰15份、硅灰6份、减水剂1份，按配比将上述原料置于搅拌机中搅拌均匀，然后按照水胶比0.38在室温条件下加入标准稠度用水量，继续搅拌至均匀得到硫铝酸盐水泥基胶凝材料；
2)将粉煤灰陶粒浸泡于自来水中，保持液面超过陶粒颗粒5cm±0.5mm。预湿处理1h达到饱和吸水状态后，置于糖衣锅中，然后将步骤1)所得硫铝酸盐水泥基胶凝材料喷涂在粉煤灰陶粒表面直至包裹层厚度为2mm，然后通过成球工艺得到球状的坯料，并在成球过程中向锅内通以热风除去坯料表层水分，得到表面多孔、颗粒均匀的球状的坯料，再在温度20±3℃、相对湿度≥90％下养护28d得到核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料。
对本实施例所得核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料的性能进行测试，测试结果见表1。
实施例5
一种核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料，具体制备方法如下：
1)按以下质量份配比称取原料组分：硫铝酸盐水泥100份、普通硅酸盐水泥15份、粉煤灰5份、硅灰4份、减水剂1份，按配比将上述原料置于搅拌机中搅拌均匀，然后按照水胶比0.38在室温条件下加入标准稠度用水量，继续搅拌至均匀得到硫铝酸盐水泥基胶凝材料；
2)将粉煤灰陶粒浸泡于自来水中，保持液面超过陶粒颗粒5cm±0.5mm。预湿处理1h达到饱和吸水状态后，置于糖衣锅中，然后将步骤1)所得硫铝酸盐水泥基胶凝材料喷涂在粉煤灰陶粒表面直至包裹层厚度为2mm，然后通过成球工艺得到球状的坯料，并在成球过程中向锅内通以热风除去坯料表层水分，得到表面多孔、颗粒均匀的球状的坯料，再在温度20±3℃、相对湿度≥90％下养护28d得到核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料。
对本实施例所得核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料的性能进行测试，测试结果见表1。
实施例6
一种核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料，具体制备方法如下：
1)按以下质量份配比称取原料组分：硫铝酸盐水泥100份、普通硅酸盐水泥5份、粉煤灰10份、硅灰2份、减水剂1份，按配比将上述原料置于搅拌机中搅拌均匀，然后按照水胶比0.38在室温条件下加入标准稠度用水量，继续搅拌至均匀得到硫铝酸盐水泥基胶凝材料；
2)将粉煤灰陶粒浸泡于自来水中，保持液面超过陶粒颗粒5cm±0.5mm。预湿处理1h达到饱和吸水状态后，置于糖衣锅中，然后将步骤1)所得硫铝酸盐水泥基胶凝材料喷涂在粉煤灰陶粒表面直至包裹层厚度为2mm，然后通过成球工艺得到球状的坯料，并在成球过程中向锅内通以热风除去坯料表层水分，得到表面多孔、颗粒均匀的球状的坯料，再在温度20±3℃、相对湿度≥90％下养护28d得到核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料。
对本实施例所得核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料的性能进行测试，测试结果见表1。
表1实施例测试数据
Figure BDA0002187236280000081
实施例7
使用实施例1制备的轻质骨料(以下记为轻质骨料)制备轻质高强混凝土。选用标准砂或陶砂与轻质骨料组合配制不同骨料进行实验，制备的轻质高强混凝土质量配合比如表2所示。
表2配合比
Figure BDA0002187236280000082
注：W/B-水胶比，OPC-普通硅酸盐水泥，FA-粉煤灰，SF-硅灰，PC-减水剂，TS为轻质骨料、标准砂按质量比6：4混合，TT为轻质骨料、陶砂按质量比6：4混合，其中陶砂为粒径2～5mm的600级陶砂。0.8TS+0.2TT表示TS与TT按质量比0.8：0.2混合。
所配制的轻质高强混凝土试件的抗压强度、干容重和湿容重测试图见图3，其中TT0.2、TT0.4、TT0.6和TT0.8试件的强度和湿容重满足要求。采用实施例1制备的轻质骨料搭配标准砂及陶砂组合得到的混合细骨料，可制备出密度等级为1350kg/m3的LC30混凝土。测得TT0.2组的混凝土的导热系数为0.88W/(m·K)，其导热系数远低于普通混凝土的导热系数1.5W/(m·K)。

Claims (8)

1.一种核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料，其特征在于，其以轻质高强的圆球形粉煤灰陶粒为内核，硫铝酸盐水泥基胶凝材料包覆在粉煤灰陶粒表面形成多孔结构的外壳层，所述硫铝酸盐水泥基胶凝材料原料组分及质量份配比为：硫铝酸盐水泥100份，普通硅酸盐水泥5～15份，粉煤灰5～15份，硅灰2～6份，减水剂1份，所述外壳层厚度为1.8～2.4mm；
其制备方法具体步骤如下：
1)按配比称取硫铝酸盐水泥基胶凝材料各原料组分，按水胶比0.38～0.40加水搅拌得到硫铝酸盐水泥基胶凝材料；
2)将粉煤灰陶粒经泡水预湿处理后置于糖衣锅中，然后将步骤1)所得硫铝酸盐水泥基胶凝材料喷涂在粉煤灰陶粒表面，通过成球工艺得到球状的坯料，并在成球过程中向锅内通以热风除去坯料表层水分，得到表面多孔、颗粒均匀的球状的坯料，再经养护得到核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料。
2.根据权利要求1所述的核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料，其特征在于，所述粉煤灰陶粒粒径为5～10mm，堆积密度为410～500kg/m3，筒压强度≥1.56MPa，1h吸水率＜15.0％。
3.根据权利要求1所述的核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料，其特征在于，所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其细度为0.45mm方孔筛筛余量不大于12％，烧失量不大于5％，需水量不大于95％，含水量不大于1％。
4.根据权利要求1所述的核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为14～40％。
5.根据权利要求1所述的核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料，其特征在于，所述硅灰密度为2200kg/m3，堆积密度为200～350kg/m3，粒径小于1μm，比表面积为20000～25000㎡/kg。
6.一种权利要求1-5任一所述的核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)按配比称取硫铝酸盐水泥基胶凝材料各原料组分，按水胶比0.38～0.40加水搅拌得到硫铝酸盐水泥基胶凝材料；
2)将粉煤灰陶粒经泡水预湿处理后置于糖衣锅中，然后将步骤1)所得硫铝酸盐水泥基胶凝材料喷涂在粉煤灰陶粒表面，通过成球工艺得到球状的坯料，并在成球过程中向锅内通以热风除去坯料表层水分，得到表面多孔、颗粒均匀的球状的坯料，再经养护得到核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料。
7.根据权利要求6所述的核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料的制备方法，其特征在于，步骤2)养护条件为：温度20±3℃、相对湿度≥90％下进行标准养护28d。
8.一种权利要求1-5任一所述的核壳型硫铝酸盐水泥基高强轻质骨料在制备轻质高强混凝土中的应用。
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