CN110698218A - 一种固废免烧陶砂和超高性能混凝土及其制备方法和应用 - Google Patents

一种固废免烧陶砂和超高性能混凝土及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及混凝土材料技术领域，具体涉及一种固废免烧陶砂和超高性能混凝土及其制备方法和应用。本发明提供的固废免烧陶砂，包括以下重量百分比的制备原料：钢渣粉50～55％，矿渣粉5～15％，水泥5～10％，激发剂2～5％，发泡剂1～3％，水20～30％，以上各制备原料的重量百分比之和为100％；所述固废免烧陶砂的粒径在5mm以下。本发明以工业固废钢渣为主要原料，配合发泡剂、激发剂等原料，得到了具有轻质、高强、低吸水率、低成本和绿色环保的固废免烧陶砂；本发明提供的固废免烧陶砂具有5mm以下的连续级配，作为轻质细骨料在保证大塌落扩展度的同时可以降低超高性能混凝土的密度，适于制备轻质装配式饰面外墙板用混凝土。

Description

一种固废免烧陶砂和超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，具体涉及一种固废免烧陶砂和超高性能混凝土及其制备方法和应用。
背景技术
随着我国的国民经济和人民生活水平的提升，人们对生态文明建设理念越来越重视，对自然资源的保护利用也越来越重视，装饰混凝土的发展和应用满足了人们对物质文化的需求、对自然资源的保护和对建筑美感的追求。超高性能装饰混凝土的出现和发展给装饰混凝土领域带来了重大变革，市场需求量也日益增长。
但是现有用于装配式饰面外墙板的超高性能装饰混凝土(UHPC)是以天然骨料为原料，这些原料不仅消耗自然资源和破坏生态环境，而且制备的饰面外墙板具有自重大、高能耗、高成本和环保性差的缺点，难以满足生产和生活的实际需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固废免烧陶砂和超高性能混凝土及其制备方法和应用。本发明提供的固废免烧陶砂具有轻质、高强、低吸水率、低成本和绿色环保的优点，以该固废免烧陶砂为原料制备的超高性能混凝土具有较高的力学性能和耐久性，且更加环保。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种固废免烧陶砂，包括以下重量百分比的制备原料：
钢渣粉50～55％；
矿渣粉5～15％；
水泥5～10％；
激发剂2～5％；
发泡剂1～3％；
水20～30％；
以上各制备原料的重量百分比之和为100％；
所述固废免烧陶砂的粒径在5mm以下。
优选地，所述固废免烧陶砂的堆积密度为900～1000kg/m3，细度模数为2.8～3.0，筒压强度为7～10MPa，吸水率为6～8％。
本发明提供了一种超高性能混凝土，包括以下重量份数的制备原料：
水泥650～750份；
硅灰90～110份；
粉煤灰250～300份；
天然砂300～400份；
上述技术方案所述的固废免烧陶砂500～600份；
减水剂40～50份；
钢纤维160～180份；
水180～200份。
优选地，所述水泥的型号为P.O 42.5或P.O 52.5；所述硅灰中的SiO2含量大于95％。
优选地，所述粉煤灰为I级粉煤灰。
优选地，所述天然砂的细度模数为2.3～2.5；含泥量≤3.0％；泥块含量≤1.0％。
优选地，所述减水剂为聚羧酸减水剂，固含量≥40％，减水率≥30％。
优选地，所述钢纤维为表面镀铜的钢纤维，长径比为80。
本发明提供了上述技术方案所述超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将水泥、粉煤灰、硅灰和天然砂进行第一混合，得到第一混合料；
将所述第一混合料和减水剂、水进行第二混合，得到第二混合料；
将所述第二混合料和固废免烧陶砂进行第三混合，得到第三混合料；
将所述第三混合料和钢纤维进行第四混合，得到超高性能混凝土。
本发明提供了上述技术方案所述超高性能混凝土或采用上述技术方案所述制备方法制备得到的超高性能混凝土在装配式饰面外墙板中的应用。
本发明提供了一种固废免烧陶砂，包括以下重量百分比的制备原料：钢渣粉50～55％，矿渣粉5～15％，水泥5～10％，激发剂2～5％，发泡剂1～3％，水20～30％；以上各制备原料的重量百分比之和为100％；所述固废免烧陶砂的粒径在5mm以下。本发明以工业固废钢渣为主要原料，配合发泡剂、激发剂等原料，得到了具有轻质、高强、低吸水率、低成本和绿色环保的固废免烧陶砂；本发明提供的固废免烧陶砂具有5mm以下的连续级配，作为轻质细骨料在保证大塌落扩展度的同时可以降低超高性能混凝土的密度，适于制备轻质装配式饰面外墙板用混凝土。
本发明还提供了一种超高性能混凝土，包括以下重量份数的制备原料：水泥650～750份；硅灰90～110份；粉煤灰250～300份；天然砂300～400份；上述技术方案所述的固废免烧陶砂500～600份；减水剂40～50份；钢纤维160～180份；水180～200份。本发明提供的超高性能混凝土具有轻质、超高强、高韧性和高耐久性的优点，而且使用的原料更加环保，降低了生产成本，适宜工业化推广应用。本发明提供的超高性能混凝土的强度可达120MPa以上，密度可低至1900kg/m3以下。
本发明提供了所述超高性能混凝土的制备方法，制备工艺简单易操作，适宜规模化生产。
具体实施方式
本发明提供了一种固废免烧陶砂，包括以下重量百分比的制备原料：
钢渣粉50～55％；
矿渣粉5～15％；
水泥5～10％；
激发剂2～5％；
发泡剂1～3％；
水20～30％；
以上各制备原料的重量百分比之和为100％；
所述固废免烧陶砂的粒径在5mm以下。
在本发明中，若无特殊说明，所有的制备原料均为本领域技术人员所熟知的市售商品。
在本发明中，按重量百分比计，所述固废免烧陶砂的制备原料包括钢渣粉50～55％，优选为52～55％，更优选为53％。在本发明中，所述钢渣粉的来源优选为热闷钢渣；所述钢渣粉的具体组成优选为高碱度钢渣；所述钢渣粉的比表面积优选为400m2/kg。本发明以工业固废钢渣为主要原料，更加环保，且钢渣还具有较高的胶凝活性，能够很大程度的提高固废免烧陶砂的强度。
在本发明中，按重量百分比计，所述固废免烧陶砂的制备原料包括矿渣粉5～15％，优选为10～15％，更优选为15％。在本发明中，所述矿渣粉的比表面积优选为350～400kg/m3；所述矿渣粉的来源优选为钢铁冶炼过程中生成的以硅酸盐和硅铝酸盐为主要成分的熔融高炉矿渣。在本发明中，所述矿渣粉的作用是作为辅助胶凝材料提高免烧陶粒的强度。
在本发明中，按重量百分比计，所述固废免烧陶砂的制备原料包括水泥5～10％。在本发明中，所述水泥的型号优选为P.O 42.5或P.O 52.5。
在本发明中，按重量百分比计，所述固废免烧陶砂的制备原料包括激发剂2～5％，优选为2～5％，更优选为3％。在本发明中，所述激发剂优选为氢氧化钠或硅酸钠。在本发明中，所述激发剂的作用是激发钢渣的活性。
在本发明中，按重量百分比计，所述固废免烧陶砂的制备原料包括发泡剂1～3％，优选为2～3％，更优选为2％。在本发明中，所述发泡剂优选为铝粉。在本发明中，所述发泡剂用于调节固废免烧陶砂的密度。
在本发明中，按重量百分比计，所述固废免烧陶砂的制备原料包括水20～30％，优选为22～25％，更优选为23％。
在本发明中，所述固废免烧陶砂的粒径在5mm以下，具体优选为粒径0～5mm的连续级配；所述连续级配的具体分配情况优选为0～0.16mm为3～5wt.％；0.16～0.315mm为17～20wt.％；0.315～0.630mm为34～40wt.％；0.630～1.25mm为30～35wt.％；1.25～2.5mm为11～15wt.％；2.5～5.0mm为0～5wt.％。在本发明中，所述固废免烧陶砂的堆积密度优选为900～1000kg/m3，更优选为930kg/m3；细度模数优选为2.8～3.0，更优选为2.9；筒压强度优选为7～10MPa，更优选为8.9MPa；吸水率优选为6～8％，更优选为7.2％。
在本发明中，所述固废免烧陶砂的制备方法，优选包括以下步骤：将所述钢渣粉、矿渣粉、水泥、激发剂、发泡剂和水混合，经造粒、养护，得到所述固废免烧陶砂。在本发明中，所述造粒的具体工艺优选为将钢渣粉、矿渣粉、水泥和发泡剂混合搅拌20s，得到第一混合物料；将激发剂溶于1/3水后，将所得溶液投入所述第一混合物料中，搅拌60s，得到第二混合物料；将所述第二混合物料投入造粒机进行造粒，同时将剩余的2/3水在造粒过程中以喷淋水雾方式加入。在本发明中，所述养护的温度优选为20～30℃；相对湿度优选为60％以上；时间优选为7～14天。
本发明提供了一种超高性能混凝土，包括以下重量份数的制备原料：
水泥650～750份；
硅灰90～110份；
粉煤灰250～300份；
天然砂300～400份；
上述技术方案所述的固废免烧陶砂500～600份；
减水剂40～50份；
钢纤维160～180份；
水180～200份。
在本发明中，若无特殊说明，所有的制备原料均为本领域技术人员所熟知的市售商品。
在本发明中，按重量份数计，所述超高性能混凝土的制备原料包括水泥650～750份，优选为680～730份。在本发明中，所述水泥的型号优选为P.O 42.5或P.O 52.5，更优选为P.O 52.5。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，所述超高性能混凝土的制备原料包括硅灰90～110份，优选为100～110份。在本发明中，所述硅灰中的SiO2含量优选大于95％。在本发明中，水泥的平均粒径优选为20～30μm，小于10μm的粒子不多，因此，水泥粒子之间的填充性并不好，如果要提高胶凝材料(具体指水泥和粉煤灰)的密实度，必须在水泥中加入比水泥颗粒更细小的超细颗粒，并合理组配，超细粉体对改善硬化胶结体的孔结构、提高强度和耐久性都是十分有利的；因硅灰的平均粒径约为0.1μm，比水泥颗粒尺寸小约2个数量级，用硅灰取代部分水泥，可以降低水泥浆中水泥颗粒间的空隙，使密实度提高，强度增加；胶凝材料在最密实状态下的流动性也达到最佳；在减水剂的协同作用下，拌合过程中，极小的圆球形硅灰颗粒的表面覆盖了一层表面活性物质，与水泥粒子以及其他矿物掺合料粒子一样，使颗粒之间产生的斥力大于硅灰颗粒之间的凝聚力，硅灰颗粒的分散，进一步促进了水泥颗粒的分散，使得浆体的流动性增大；同时，由于球状的硅灰粒子远小于水泥粒子，它们在水泥颗粒之间起到“滚珠”作用，使水泥浆体的流动性增加，当硅灰的微细粒子填充于水泥粒子之间的空隙时，将原来填充于空隙之中的填充水置换出来，粒子之间的间隔水层加厚，得到的超高性能混凝土的流动性也提高了。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，所述超高性能混凝土的制备原料包括粉煤灰250～300份，优选为260～280份。在本发明中，所述粉煤灰优选为I级粉煤灰。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，所述超高性能混凝土的制备原料包括天然砂300～400份，优选为350～370份。在本发明中，所述天然砂的细度模数优选为2.3～2.5，更优选为2.3；含泥量优选≤3.0％，更优选为1.8％；泥块含量优选≤1.0％，更优选为0.2％。本发明选用III区级配的天然砂作为细骨料，天然砂可以填充固废免烧陶砂堆积时存在的缝隙，进而提高超高性能混凝土的密实度，使超高性能混凝土不易产生裂纹，且提高了力学性能和耐久性能。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，所述超高性能混凝土的制备原料包括上述技术方案所述的固废免烧陶砂500～600份，优选为520～580份，更优选为520～550份。在本发明中，固废免烧陶砂具有轻质、高强、低吸水率、低成本、绿色环保的优点，固废免烧陶砂作为轻质细骨料在保证大塌落扩展度的同时可以降低超高性能混凝土的密度，与其它原料配合得到的超高性能混凝土在提高强度的同时，降低了密度，适用于制备装配式饰面外墙板。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，所述超高性能混凝土的制备原料包括减水剂40～50份，优选为40～45份。在本发明中，所述减水剂优选为聚羧酸减水剂；固含量优选≥40％，更优选为41.3％；减水率优选≥30％，更优选为32.4％。在本发明中，聚羧酸减水剂分子中含有亲水基团(如羧基、磺酸基等阴离子基团)和憎水基团(如烷基)，是一种阴离子表面活性剂；当添加到胶凝材料浆体中时，形成胶凝材料、水、聚羧酸减水剂三者并存体系，使得胶凝材料颗粒能够分散开来，宏观表现为胶凝材料浆体具备一定的分散性能，提高胶凝材料的流动性，降低超高性能混凝土的收缩性能，提高超高性能混凝土的力学性能及耐久性能。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，所述超高性能混凝土的制备原料包括钢纤维160～180份，优选为170～175份。在本发明中，所述钢纤维优选为表面镀铜的钢纤维，长径比优选为80。在本发明中，钢纤维可改善超高性能混凝土脆性过大的问题，可以阻止混凝土内的裂纹扩展；钢纤维使混凝土在载荷情况下的破坏形式由微裂纹的扩展变成了钢纤维-混凝土过渡界面的破坏，加入钢纤维可以很大程度改善超高性能混凝土的韧性和抗拉性能。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，所述超高性能混凝土的制备原料包括水180～200份，优选为190～195份。
本发明提供了上述技术方案所述超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将水泥、粉煤灰、硅灰和天然砂进行第一混合，得到第一混合料；
将所述第一混合料和减水剂、水进行第二混合，得到第二混合料；
将所述第二混合料和上述技术方案所述的固废免烧陶砂进行第三混合，得到第三混合料；
将所述第三混合料和钢纤维进行第四混合，得到超高性能混凝土。
本发明采用上述加料顺序能够提升固废免烧陶砂与水泥石界面之间的粘结力，改善界面微观均匀性，减弱颗粒的团聚效应，改善过渡区水化物的分布情况，能够提高超高性能混凝土的力学性能及耐久性能；而且可以缩短超高性能混凝土的搅拌时间；其次，在最后阶段加入钢纤维，能够避免钢纤维结团。
在本发明中，所述第一混合、第二混合、第三混合和第四混合均独立地优选在搅拌条件下进行，本发明对各阶段搅拌的速率均没有特殊的要求，采用本领域技术人员所熟知的搅拌速率即可。在本发明中，所述第一混合的时间优选为90～120s，更优选为120s；所述第二混合的时间优选为150～180s，更优选为180s；所述第三混合的时间优选为120～150s，更优选为150s；所述第四混合的时间优选为60～90s，更优选为90s。本发明通过严格控制各阶段的混合时间以及总的混合时间，使得各原料混合均匀，气泡含量低，避免了纤维结块，提高了生产效率。
本发明提供了上述技术方案所述超高性能混凝土或采用上述技术方案所述制备方法制备得到的超高性能混凝土在装配式饰面外墙板中的应用。本发明采用所述超高性能混凝土制备轻质装配式饰面外墙板预制构件，使得预制构件的自重减小，且降低了成本降低，生产过程更加绿色环保。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
所述固废免烧陶砂的具体组成：钢渣粉50wt.％，矿渣粉15wt.％，水泥8wt.％，硅酸钠3wt.％，铝粉1wt.％，水23wt.％；
所述固废免烧陶粒的制备过程为：按上述配比称取钢渣粉、矿渣粉、水泥和铝粉混合搅拌20s，得到第一混合物料；将激发剂溶于1/3水后，将所得溶液投入所述第一混合物料中，搅拌60s，得到第二混合物料；将所述第二混合物料投入造粒机进行造粒，同时将剩余的2/3水在造粒过程中以喷淋水雾方式加入；在20℃以上、相对湿度60％以上的环境条件下，自然养护10天，得到固废免烧陶砂。
实施例2
所述固废免烧陶砂的具体组成：钢渣粉50wt.％，矿渣粉15wt.％，水泥8wt.％，硅酸钠3wt.％，铝粉2wt.％，水22wt.％；
按照实施例1所述制备方法制备所述固废免烧陶砂。
实施例3
所述固废免烧陶砂的具体组成：钢渣粉50wt.％，矿渣粉15wt.％，水泥8wt.％，硅酸钠3wt.％，铝粉3wt.％，水21wt.％；
按照实施例1所述制备方法制备所述固废免烧陶砂。
采用GB/T 17431.2-2010《轻集料及其试验方法第2部分：轻集料试验方法》中的方法，对实施例1～3制备的固废免烧陶砂进行性能测试，具体结果见表1。
表1实施例1～3制备的固废免烧陶砂的性能数据
编号 筒压强度/MPa 1h吸水率 堆积密度/kg/m<sup>3</sup>
实施例1 10.4 6.9 1050
实施例2 8.9 7.2 930
实施例3 8.1 8.2 910
制备原料：
水泥为P.O 52.5；
硅灰中的SiO2含量大于95％；
粉煤灰为I级粉煤灰；
天然砂细度模数为2.3，含泥量为1.8％，泥块含量0.2％；
固废免烧陶砂为实施例2制备的固废免烧陶砂，粒径0～5mm的连续级配，细度模数为2.9，堆积密度为930kg/m3，筒压强度为8.9MPa，吸水率为7.2％；
减水剂为聚羧酸减水剂，固含量为41.3％，减水率为32.4％；
钢纤维为表面镀铜的钢纤维，长径比为80。
实施例4
按重量份数计，本实施例所述超高性能混凝土的制备原料组成为：
水泥730份、粉煤灰280份、硅灰110份、天然砂370份、固废免烧陶砂520份、钢纤维175份、聚羧酸减水剂45份、水190份；
制备方法为：
(1)将水泥、粉煤灰、天然砂和硅灰加入强制式搅拌机中，干搅拌120s，得到第一混合料；
(2)将水和聚羧酸减水剂均匀加入所述第一混合料中，搅拌180s后，得到第二混合料；
(3)向上述第二混合料中缓慢加入固废免烧陶砂，搅拌120s，得到第三混合料；
(4)向上述第三混合料中缓慢加入钢纤维，搅拌60s，钢纤维被浆体很好包裹并分布均匀后出机，得到超高性能混凝土。
实施例5
按重量份数计，本实施例所述超高性能混凝土的制备原料组成为：
水泥730份、粉煤灰280份、硅灰110份、天然砂340份、固废免烧陶砂550份、钢纤维175份、聚羧酸减水剂45份、水195份；
制备方法为：
(1)将水泥、粉煤灰、天然砂和硅灰加入搅拌机中，干搅拌120s，得到第一混合料；
(2)将水和聚羧酸减水剂均匀加入所述第一混合料中，搅拌180s后，得到第二混合料；
(3)向上述第二混合料中缓慢加入固废免烧陶砂，搅拌120s，得到第三混合料；
(4)向上述第三混合料中缓慢加入钢纤维，搅拌60s，钢纤维被浆体很好包裹并分布均匀后出机，得到超高性能混凝土。
实施例6
按重量份数计，本实施例所述超高性能混凝土的制备原料组成为：
水泥730份、粉煤灰280份、硅灰110份、天然砂310份、固废免烧陶砂580份、钢纤维175份、聚羧酸减水剂45份、水200份；
制备方法为：
(1)将水泥、粉煤灰、天然砂和硅灰加入搅拌机中，干搅拌120s，得到第一混合料；
(2)将水和聚羧酸减水剂均匀加入所述第一混合料中，搅拌180s后，得到第二混合料；
(3)向上述第二混合料中缓慢加入固废免烧陶砂，搅拌120s，得到第三混合料；
(4)向上述第三混合料中缓慢加入钢纤维，搅拌60s，钢纤维被浆体很好包裹并分布均匀后出机，得到超高性能混凝土。
测试实施例4～6制备的超高性能混凝土的抗折强度、抗压强度和表观密度，所得结果见表2；其中，抗压强度、抗折强度的检测方法依据标准GB/T50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》；表观密度的检测方法依据标准GB/T50080《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》。
表2实施例4～6制备的超高性能混凝土的性能测试结果
抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 表观密度/kg/m<sup>3</sup>
实施例1 22.3 126.6 1880
实施例2 20.4 123.2 1830
实施例3 19.9 121.3 1810
由表2结果可知，本发明实施例4～6所得超高性能混凝土，随着固废免烧陶砂的掺量增加，混凝土密度降低，抗压强度和抗折强度略有降低，但是抗压强度都在120MPa以上，都能满足装配式饰面外墙板的基本要求，混凝土表观密度为1810～1880kg/m3，具有轻质的优点。由于本发明超高性能混凝土中固废免烧陶砂具有较大的掺量，不仅降低了单方混凝土的成本，还为固废免烧陶砂的应用提供一种新途径，具有良好的经济、环保和社会效益。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种固废免烧陶砂，其特征在于，包括以下重量百分比的制备原料：
钢渣粉50～55％；
矿渣粉5～15％；
水泥5～10％；
激发剂2～5％；
发泡剂1～3％；
水20～30％；
以上各制备原料的重量百分比之和为100％；
所述固废免烧陶砂的粒径在5mm以下。
2.根据权利要求1所述的固废免烧陶砂，其特征在于，所述固废免烧陶砂的堆积密度为900～1000kg/m3，细度模数为2.8～3.0，筒压强度为7～10MPa，吸水率为6～8％。
3.一种超高性能混凝土，其特征在于，包括以下重量份数的制备原料：
水泥650～750份；
硅灰90～110份；
粉煤灰250～300份；
天然砂300～400份；
权利要求1或2所述的固废免烧陶砂500～600份；
减水剂40～50份；
钢纤维160～180份；
水180～200份。
4.根据权利要求3所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥的型号为P.O 42.5或P.O 52.5；所述硅灰中的SiO2含量大于95％。
5.根据权利要求3所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为I级粉煤灰。
6.根据权利要求3所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述天然砂的细度模数为2.3～2.5；含泥量≤3.0％；泥块含量≤1.0％。
7.根据权利要求3所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂，固含量≥40％，减水率≥30％。
8.根据权利要求3所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维为表面镀铜的钢纤维，长径比为80。
9.权利要求3～8任一项所述超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将水泥、粉煤灰、硅灰和天然砂进行第一混合，得到第一混合料；
将所述第一混合料和减水剂、水进行第二混合，得到第二混合料；
将所述第二混合料和固废免烧陶砂进行第三混合，得到第三混合料；
将所述第三混合料和钢纤维进行第四混合，得到超高性能混凝土。
10.权利要求3～8任一项所述超高性能混凝土或采用权利要求9所述制备方法制备得到的超高性能混凝土在装配式饰面外墙板中的应用。
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