CN110606713A - 一种高强轻集料混凝土及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强轻集料混凝土及其制备工艺。混凝土由包含以下重量份的原料制成：水108～136份、水泥308～326份、改性轻集料682～700份、骨料510～523份、掺合料68～140份和外加剂5～10份；其具有自重轻、强度高的优点；其制备方法为：将水泥、改性轻集料、骨料和掺合料混合均匀，得到干拌混合料，然后将水分批次加入干拌混合料内，搅拌均匀，最后加入外加剂，搅拌均匀，即可制得混凝土；本发明的制备方法具有步骤简单，易于实施的优点。

Description

一种高强轻集料混凝土及其制备工艺
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，更具体地说，它涉及一种高强轻集料混凝土及其制备工艺。
背景技术
轻集料混凝土，也称轻骨料混凝土，是指采用轻骨料的混凝土，其表观密度不大于1950kg/m3。轻骨料混凝土按细骨料不同，又分为全轻混凝土和砂轻混凝土，采用轻砂做细骨料的，称为全轻混凝土；由普通砂，或部分轻砂做细骨料的，称为砂轻混凝土。轻骨料混凝土具有轻质、高强、保温和耐火等特点，并且变形性能良好，弹性模量较低，在一般情况下收缩和徐变也较大。轻骨料混凝土应用于工业与民用建筑及其他工程，可减轻结构自重、节约材料用量、提高构件运输和吊装效率、减少地基荷载及改善建筑物功能等，适用于高层及大跨度建筑。
现有技术中，授权公告号为CN106316269B的专利供公开了一种轻集料混凝土，包括以下成份，按重量份数计，水泥96～100份、粉煤灰62～70份、陶粒86～92份、细骨料230～246份、减水剂3.0～3.4份、增效剂2.8～3.6份、单氟磷酸钠2.4～2.8份、海藻酸钠2.8～3.4份和水50～58份。该轻集料混凝土具有良好隔热保温功能且塌落度损失小。
上述中的现有技术方案存在以下缺陷：轻集料混凝土7d时的抗压强度为24.3MPa～26.4MPa,28d时的抗压强度为34.3MPa～35.6MPa,抗压强度太小，难以满足大型工程对强度和施工性能的要求，在很大程度上限制了轻集料混凝土的应用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的一在于提供一种高强轻集料混凝土，其具有自重轻、强度高、应用范围就广的优点。
本发明的第二个目的在于提供一种高强轻集料混凝土的制备工艺，其具制备过程简单，操作方便，易于实施，不产生副产物或危害环境的物质，环保，且原料利用率高，节约成本的优点。
为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：一种高强轻集料混凝土，所述混凝土由包含以下重量份的原料制成：
水108～136份、水泥308～326份、改性轻集料682～700份、骨料510～523份、掺合料68～140份和外加剂5～10份；
所述改性轻集料以改性剂对轻集料进行改性制得，所述改性剂包括氧化石墨烯、聚乙烯醇或羟丙基甲基纤维素中的任意一种；
所述骨料包括粗骨料和细骨料；
所述掺合料包括粉煤灰、硅灰、矿粉和沸石粉中的至少一种；
所述外加剂包括减水剂和其它添加剂中的一种或多种。
通过采用上述技术方案，混凝土的各组分原料相互配合，相互作用，制得的混凝土强度高、自重轻、弹性模量好，且应用范围广。以氧化石墨烯、聚乙烯醇或羟丙基甲基纤维素中的任意一种为改性剂对轻集料进行改性，可改善轻集料的性质，能减少轻集料上浮的情况，提高混凝土拌合物的匀质性，提高水泥－砂体系的分散性，减少水泥用量；能大幅度改善砂浆的可塑性和保水性，改善混凝土拌合物的流动性，延长可操作时间；能提高混凝土的抗压强度；且在一定程度上能防止裂纹扩展或能抵制形变。
本发明中，所述改性轻集料以改性剂对轻集料进行改性制得，进一步地，所述轻集料包括工业废料轻集料、天然轻集料或人造轻集料中的一种或几种，再进一步地，所述轻集料为工业废料轻集料。
通过采用上述技术方案，轻集料又称轻骨料，是堆积密度小于1200kg/m3多孔轻质集料的总称。天然轻集料如浮石、火山渣或多孔凝灰岩等；人造轻集料，如粘土陶粒、页岩陶粒、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石或沸石轻集料等；工业废料轻集料，如粉煤灰陶粒、膨胀矿渣珠、煤矸石陶粒、自燃煤矸石、多孔烧结料、煤渣或碎砖等。本发明中，选择工业废料轻集料作为轻集料，利用了工业废渣或城市废弃物，变废为宝，减少天然资源的开发和消耗，有利于保护环境，符合低碳经济和可持续发展经济的要求，本发明混凝土的开发和应用具有明显的经济效益和社会效益。本发明中，轻集料的表观密度为900kg/m3～1200kg/m3，堆积密度为400kg/m3～600kg/m3；控制轻集料的最大粒径，使得轻集料的最大粒径不大于20mm,从而可在一定程度上改善轻集料混凝土的容重、强度和耐久性等性能。
本发明中，所述改性剂包括氧化石墨烯、聚乙烯醇或羟丙基甲基纤维素中的任意一种；进一步地，所述改性剂为氧化石墨烯。
通过采用上述技术方案，氧化石墨烯掺入到混凝土中，氧化石墨烯纳米片层会对水泥水化晶体的形成起到模板作用，从而在微观结构上对水泥进行改善，以改变水化晶体的形状以及排列方式，从而起到提高混凝土的抗压强度的作用。羟丙基甲基纤维素，简称羟丙甲纤维素，是属于非离子型纤维素混合醚中的一个品种，溶于水及部分溶剂，在冷水中溶胀成澄清或微浑浊的胶体溶液；用羟丙基甲基纤维素对轻集料进行改性，可大幅度改善砂浆的可塑性和保水性，对防止裂纹有效果，可增强水泥强度，从而可增强混凝土的强度。聚乙烯醇，有机化合物，白色片状、絮状或粉末状固体，无味，溶于水；用聚乙烯醇改进轻集料，可改善混凝土拌合物的流动性和保水性，能增强混凝土的强度。
本发明中，所述骨料包括粗骨料和细骨料；进一步地，所述粗骨料包括碎石和卵石，所述细骨料包括砂。
通过采用上述技术方案，在混凝土中，砂、石起骨架作用，称为骨料或集料，其中粒径大于5mm的骨料称为粗骨料，粒径在4.75mm以下的骨料称为细骨料。细骨料是与粗骨料相对的建筑材料，细骨料是一种直径相对较小的骨料，混凝土中起骨架或填充作用的粒状松散材料。本发明中，粗骨料与细骨料的重量比为2：(3～5)。碎石是天然岩石、卵石或矿山废石经机械破碎、筛分制成的粒径大于5mm的岩石颗粒。卵石是由自然风化、水流搬运和分选、堆积而成的、粒径大于5mm的岩石颗粒。本发明中，碎石与卵石优选为连续粒级级配，且粒径为5mm～20mm的碎石与卵石，且碎石与卵石的重量比为3：(5～7)，细骨料优选为四川本地砂，粒径为0.15mm～4.75mm。
本发明中，所述掺合料包括粉煤灰、硅灰、矿粉和沸石粉中的至少一种；进一步地，所述掺合料为粉煤灰和沸石粉。
通过采用上述技术方案，混凝土掺合料，是为了改善混凝土性能，节约用水，调节混凝土强度等级，在混凝土拌合时掺入天然的或人工的能改善混凝土性能的粉状矿物质。粉煤灰可以改善水泥浆体基体的界面的密实度，减小基体表面的平均粗糙度，可有效阻止混凝土微结构变形，可增加混凝土的流动性，减少水泥的用量，增强混凝土的强度。微硅粉也叫硅灰或称凝聚硅灰，是铁合金在冶炼硅铁和工业硅(金属硅)时，矿热电炉内产生出大量挥发性很强的SiO2和Si气体，气体排放后与空气迅速氧化冷凝沉淀而成，是大工业冶炼中的副产物。
矿粉是将矿石粉碎加工后的产物，是用水淬高炉矿渣，经干燥，粉磨等工艺处理后得到的高细度、高活性粉料。沸石粉是天然的沸石岩磨细而成，颜色为浅绿色、白色，沸石粉含有一定量的活性SiO2和Si2O3，能与水泥的水化产物氢氧化钙作用，生成胶凝物质，改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土强度。本发明中，优先选择粉煤灰和沸石粉，且粉煤灰和沸石粉的重量比为(2～4)：1，能改善混凝土拌合物的黏度和工作性能，还能在一定程度上减少混凝土拌合物离析和泌水的现象，可有效提高混凝土的抗压强度，降低混凝土的成本，降低水化热，减少混凝土结构早期温度裂缝，提高混凝土密实度，提高抗渗和抗侵蚀能力。
本发明中，所述外加剂包括减水剂和其它添加剂中的一种或多种；进一步地，所述其它添加剂包括缓凝剂和流变优化剂。
通过采用上述技术方案，混凝土外加剂是在搅拌混凝土过程中掺入，占水泥质量5％以下的、能显著改善混凝土性能的化学物质。本发明中，减水剂优先选择聚羧酸减水剂，聚羧酸减水剂能防止混凝土坍落度损失而不引起明显缓凝，赋予了混凝土出色的施工和易性、良好的强度发展、优良的耐久性、较好的流动性和保持性；对混凝土增强效果显著；能降低混凝土收缩；且低掺量下发挥较高的塑化效果；有害物质含量极低，环保。本发明中，流变优化剂可以是Surpass 112混凝土流变优化剂，能提高混凝土的抗离析、抗泌水性能，改善混凝土的流变性及稳定性。缓凝剂，是一种降低水泥或石膏水化速度和水化热、延长凝结时间的添加剂。在混凝土中掺入缓凝剂，能延长水泥的水化硬化时间，使新拌混凝土能在较长时间内保持塑性，从而调节新拌混凝土的凝结时间。
本发明中，聚羧酸减水剂、流变优化剂和缓凝剂的重量比为(4～7)：3:1，聚羧酸减水剂、流变优化剂和缓凝剂相互配合，与混凝土中的其余组分相互作用，对混凝土的和易性有很大的影响，在不增加水泥用量的条件下,能使混凝土获得良好的和易性和流动性，还能有效地改善拌和物的粘聚性和保水性,同时能提高混凝土的强度和耐久性。
本发明中，选择细度较小的水泥，例如，细度在0.01mm～0.03mm,水泥颗粒越细，与水发生反应的表面积越大，因而水化反应速度较快，而且较完全，早期强度也越高，将水泥的细度控制在0.01mm～0.03mm，可提高水泥的细度，改善拌和物的粘聚性和保水性,减少泌水与离析现象。
为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：
一种高强轻集料混凝土的制备工艺包括如下步骤：
将水泥、改性轻集料、骨料和掺合料混合均匀，得到干拌混合料，然后将水分批次加入干拌混合料内，搅拌均匀，最后加入外加剂，搅拌均匀，即可制得混凝土。
通过采用上述技术方案，先将除水和外加剂以外的原料混合均匀，得到干拌混合料，再分批次加水，搅拌均匀，最后加入外加剂，混合均匀，即可制得混凝土。本发明中水可分2～4次加入，加水量依次减少，可避免加水过量的情况出现，便于拌合，混凝土的制备过程简单，操作方便，易于实施。
进一步地，所述改性轻集料的制备包括如下步骤：
将改性剂与水按(15～21)：100的比例混合得到混合液，然后将轻集料浸泡在混合液内20h～30h，直到轻集料完全吸收混合液，得到改性轻集料。
通过采用上述技术方案，将轻集料浸泡在混合液内时，使得混合液完全浸泡轻集料，改性轻集料的制备过程简单，操作方便，易于实施，制备过程中，不产生副产物或危害环境的物质，环保，有利于保护环境，且原料的利用率高，节约成本。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
第一、各组分原料相互配合，相互作用，制得的混凝土强度高、自重轻、弹性模量好，且应用范围广；
第二、以氧化石墨烯、聚乙烯醇或羟丙基甲基纤维素中的任意一种为改性剂对轻集料进行改性，可改善轻集料的性质，能减少轻集料上浮的情况，提高混凝土拌合物的匀质性，能大幅度改善砂浆的可塑性和保水性，改善混凝土拌合物的流动性，延长可操作时间，能提高混凝土的抗压强度；
第三、加入粉煤灰和沸石粉等掺合料，混凝土各组分相互作用，能改善混凝土拌合物的黏度和工作性能，能在一定程度上减少混凝土拌合物离析和泌水的现象，可有效提高混凝土的抗压强度，降低混凝土的成本。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
制备例制备例一改性轻集料的制备如下：
将170kg氧化石墨烯与1000kg水混合，得到混合液，然后将682kg工业废料轻集料浸泡在混合液内25h，直到工业废料轻集料完全吸收混合液，得到改性轻集料。
制备例二改性轻集料的制备如下：
将150kg聚乙烯醇与1000kg水混合，得到混合液，然后将700kg工业废料轻集料浸泡在混合液内20h，直到工业废料轻集料完全吸收混合液，得到改性轻集料。
制备例三改性轻集料的制备如下：
将210kg氧化石墨烯与1000kg水混合，得到混合液，然后将695kg工业废料轻集料浸泡在混合液内30h，直到工业废料轻集料完全吸收混合液，得到改性轻集料。
制备例四改性轻集料的制备如下：
将210kg氧化石墨烯与1000kg水混合，得到混合液，然后将233kg工业废料轻集料、233kg天然轻集料和234kg人造轻集料混合均匀，得到混合轻集料，然后将混合轻集料浸泡在混合液内30h，直到混合轻集料完全吸收混合液，即可得到改性轻集料。
制备例四改性轻集料的制备如下：
将210kg氧化石墨烯与1000kg水混合，得到混合液，然后将692kg天然轻集料浸泡在混合液内30h，直到天然轻集料完全吸收混合液，得到改性轻集料。
制备例五改性轻集料的制备如下：
将210kg氧化石墨烯与1000kg水混合，得到混合液，然后将692kg人造轻集料浸泡在混合液内30h，直到人造轻集料完全吸收混合液，得到改性轻集料。
实施例
实施例1
一种高强轻集料混凝土的制备工艺如下骤：
将326kg水泥、700kg改性轻集料(制备一制得)、44.83kg碎石、104.6kg卵石、373.57kg砂和68kg粉煤灰混合均匀，得到干拌混合料；然后将水分批次加入干拌混合料内，第一次加70kg水,第二次加35kg水,第三次加17kg水,第四次加13kg水,搅拌均匀，最后加入3.19kg聚羧酸减水剂、1.36kg流变优化剂和0.45kg缓凝剂，搅拌均匀，即可制得混凝土。
实施例2
一种高强轻集料混凝土的制备工艺如下骤：
将308kg水泥、692kg改性轻集料(制备一制得)、63.75kg碎石、106.25kg卵石、340kg砂、35kg粉煤灰、35kg硅灰、35kg矿粉和35kg沸石粉混合均匀，得到干拌混合料；然后将水分批次加入干拌混合料内，第一次加78kg水,第二次加30kg水,搅拌均匀，最后加入4kg聚羧酸减水剂、3kg流变优化剂和1kg缓凝剂，搅拌均匀，即可制得混凝土。
实施例3
一种高强轻集料混凝土的制备工艺如下骤：
将317kg水泥、682kg改性轻集料(制备一制得)、69.33kg碎石、138.67kg卵石、312kg砂、75kg粉煤灰和25kg沸石粉混合均匀，得到干拌混合料；然后将水分批次加入干拌混合料内，第一次加70kg水,第二次加35kg水,第三次加16kg水,搅拌均匀，最后加入6kg聚羧酸减水剂、3kg流变优化剂和1kg缓凝剂，搅拌均匀，即可制得混凝土。
实施例4
一种高强轻集料混凝土的制备工艺如下骤：
将317kg水泥、682kg改性轻集料(制备一制得)、173.3kg碎石、173.3kg卵石、173.3kg砂、50kg硅灰、50kg矿粉和25kg沸石粉混合均匀，得到干拌混合料；然后将水分批次加入干拌混合料内，第一次加70kg水,第二次加35kg水,第三次加16kg水,搅拌均匀，最后加入外加剂6kg聚羧酸减水剂和4kg流变优化剂，搅拌均匀，即可制得混凝土。
实施例5
一种高强轻集料混凝土的制备工艺如下骤：
将317kg水泥、682kg改性轻集料(制备四制得)、69.33kg碎石、138.67kg卵石、312kg砂、50kg粉煤灰和50kg硅灰混合均匀，得到干拌混合料；然后将水分批次加入干拌混合料内，第一次加70kg水,第二次加35kg水,第三次加16kg水,搅拌均匀，最后加入6kg聚羧酸减水剂和4kg缓凝剂，搅拌均匀，即可制得混凝土。
实施例6
一种高强轻集料混凝土的制备工艺如下骤：
将317kg水泥、682kg改性轻集料(制备五制得)、208kg碎石、312kg砂、60kg粉煤灰、20kg硅灰和10kg矿粉混合均匀，得到干拌混合料；然后将水分批次加入干拌混合料内，第一次加70kg水,第二次加35kg水,第三次加16kg水,搅拌均匀，最后加入3.3kg聚羧酸减水剂、3.3kg流变优化剂和3.4kg缓凝剂，搅拌均匀，即可制得混凝土。
实施例7
一种高强轻集料混凝土的制备工艺如下骤：
将317kg水泥、682kg改性轻集料(制备一制得)、208kg卵石、312kg砂、60kg硅灰和40kg沸石粉混合均匀，得到干拌混合料；然后将水分批次加入干拌混合料内，第一次加70kg水,第二次加35kg水,第三次加16kg水,搅拌均匀，最后加入6kg聚羧酸减水剂、3kg流变优化剂和1kg缓凝剂，搅拌均匀，即可制得混凝土。
实施例8
实施例8与实施例3的区别在于，实施例8中采用制备二中制得的改性轻集料，其余均与实施例3相同。
实施例9
实施例9与实施例3的区别在于，实施例9中采用制备三中制得的改性轻集料，其余均与实施例3相同。
对比例以实施例3作为参照组对比例1
对比例1与实施3的区别在于对比例1中用普通的工业废料轻集料代替改性轻集料，其它均与实施例3保持一致。
对比例2
对比例2与实施3的区别在于对比例2中用普通的天然轻集料代替改性轻集料，其它均与实施例3保持一致。
对比例3
对比例3与实施3的区别在于对比例3中不加入掺合料，其它均与实施例3保持一致。
对比例4
对比例4与实施3的区别在于对比例4中外加剂只有聚羧酸减水剂，其它均与实施例3保持一致。
性能检测试验
将实施例1～9和对比例1～4中所制得的高强度轻集料混凝土在(20±2)℃相对湿度95％以上的标准养护箱内进行养护，按照根据国家标准GB/T 50080～2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》检测实施例1～9和对比例1～4中所制得的高强度轻集料混凝土的基本力学性能，检测结果如表1所示。
表1混凝土的基本性能检测表
样品 7d抗压强度/MPa 28d抗压强度/MPa 表观密度/g/cm3 导热系数/w.m-1.k-1
实施例1 44.7 66.5 1862 0.41
实施例2 44.5 67.2 1854 0.36
实施例3 45.8 68.9 1874 0.42
实施例4 40.5 60.2 1851 0.44
实施例5 41.2 63.2 1841 0.40
实施例6 42.5 62.5 1892 0.42
实施例7 44.2 61.5 1880 0.42
实施例8 40.2 62.1 1852 0.42
实施例9 41.6 60.8 1842 0.42
对比例1 27.1 32.5 1711 0.52
对比例2 29.4 36.2 1705 0.50
对比例3 37.2 45.6 1925 0.51
对比例4 38.4 48.9 1965 0.49
从表1可以看出，根据本发明的配方和制备工艺制得的混凝土的强度在28天后达到C60混凝土的要求,强度得到很大的提升，适合应用在强度要求在C60的建筑工程中，拓宽了轻集料混凝土的应用范围；本发明制得的混凝土的表观密度较小，可减少混凝土的容重，减少承载；本发明制得的混凝土是导热系数较小，因此，本发明中制得的混凝土具有一定的保温隔热的效果；本发明中，各组分之间相互配合，相互作用，从而改善了混凝土的基本力学性能。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种高强轻集料混凝土，其特征在于，所述混凝土由包含以下重量份的原料制成：
水108～136份、水泥308～326份、改性轻集料682～700份、骨料510～523份、掺合料68～140份和外加剂5～10份；
所述改性轻集料以改性剂对轻集料进行改性制得，所述改性剂包括氧化石墨烯、聚乙烯醇或羟丙基甲基纤维素中的任意一种；
所述骨料包括粗骨料和细骨料；
所述掺合料包括粉煤灰、硅灰、矿粉和沸石粉中的至少一种；
所述外加剂包括减水剂和其它添加剂中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的一种高强轻集料混凝土，其特征在于，所述改性剂为氧化石墨烯。
3.根据权利要求1或2所述的一种高强轻集料混凝土，其特征在于，所述改性轻集料包括如下制备步骤：
将改性剂与水按（15～21）：100的比例混合得到混合液，然后将轻集料浸泡在混合液内20h～30h，直到轻集料完全吸收混合液，即可制得改性轻集料。
4.根据权利要求1所述的一种高强轻集料混凝土，其特征在于，所述轻集料包括工业废料轻集料、天然轻集料或人造轻集料中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的一种高强轻集料混凝土，其特征在于，所述轻集料为工业废料轻集料。
6.根据权利要求1所述的一种高强轻集料混凝土，其特征在于，所述粗骨料包括碎石和卵石，所述细骨料包括砂。
7.根据权利要求1所述的一种高强轻集料混凝土，其特征在于，所述掺合料为粉煤灰和沸石粉。
8.根据权利要求1所述的一种高强轻集料混凝土，其特征在于，所述其它添加剂包括缓凝剂和流变优化剂。
9.根据权利要求1～8任一项所述的一种高强轻集料混凝土的制备工艺，其特征在于，所述制备工艺包括如下步骤：
将水泥、改性轻集料、骨料和掺合料混合均匀，得到干拌混合料，然后将水分批次加入干拌混合料内，搅拌均匀，最后加入外加剂，搅拌均匀，即可制得混凝土。
10.根据权利要求9所述的一种高强轻集料混凝土，其特征在于，所述改性轻集料的制备包括如下步骤：
将改性剂与水按（15～21）：100的比例混合得到混合液，然后将轻集料浸泡在混合液内20h～30h，直到轻集料完全吸收混合液，得到改性轻集料。
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