CN110981299A

CN110981299A - 一种高性能地聚物混凝土及其制备方法

Info

Publication number: CN110981299A
Application number: CN201911203095.6A
Authority: CN
Inventors: 黄华; 郭梦雪; 杨世林; 高悦; 孙弘烨; 白豪; 丁航; 何山
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2020-04-10

Abstract

本发明涉及一种高性能地聚物混凝土及其制备方法。所公开的高性能地聚物混凝土由粉煤灰、矿渣微粉、氢氧化钠、水玻璃、减水剂、细骨料、粗骨料、钢纤维和聚丙烯纤维制备而成。所公开的制备方法是将配方量的各组分按照合理顺序加入拌和，其中聚丙烯纤维是在拌和过程中分两次加入，钢纤维是在混凝土浇筑过程分层铺设。本发明对改善地聚物混凝土的脆性、提升其延性，同时节约纤维用量等有显著作用。

Description

一种高性能地聚物混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，具体涉及到一种高性能地聚物混凝土及其制备方法。

背景技术

普通硅酸盐水泥在其生产使用过程中需要消耗大量的能源，同时产生大量的CO₂。地聚物混凝土作为一种新型非水泥基胶凝材料，是一种具有类似陶瓷特性的无机硅铝酸盐化合物。地聚物混凝土是通过激发富含硅、铝两种元素的材料(如偏高龄土、粉煤灰、矿渣等)制备而成。

相比于普通硅酸盐水泥，地聚物混泥土其具有性能优良、节能环保的特点。据统计，生产一吨地聚物排放的CO₂量是生产一吨水泥排放的CO₂量的 1/5左右，而且地聚物材料(浆料、砂浆、混凝土)已被证明具有与OPC(浆料、砂浆、混凝土)相当的性能甚至更优。地聚物混凝土不仅能降低造价，实现了工业废弃料的再循环，同时排放的废弃物也很大程度上降低。此外，地聚物的早期强度高，凝结速度快，具有低渗透性、良好的耐酸碱性能和耐火性能，在纤维加固、抗火、固化重金属等领域具有重要作用。

而目前的地聚物混凝土大多存在强度等级较低，弹性模量低，脆性突出。易发生剪切破坏等不足，极大地限制了其推广使用。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明的目的之一是提供一种一种高性能地聚物混凝土。

本发明提供的地聚物混凝土由以下原料制备而成：以每立方地聚物混凝土计：

优选的，本发明的地聚物混凝土由以下原料制备而成：以每立方地聚物混凝土计，

进一步，本发明的地聚物混凝土还包括：87.13kg/m³～113.68kg/m³的水。

本发明选优减水剂为萘系减水剂。

优选的，所述粉煤灰中的钙含量为2％～6％；所述矿渣微粉的密度为2.8 g/cm3～5g/cm3，比表面积400～500m2/kg，7d活性指标为大于70％，28d活性指标为大于90％；所述水玻璃模数为2～3.5，波美度为20～40Be；所述纤维长度值为9mm～13mm。

同时本发明提供了上述地聚物混凝土的制备方法。本发明所提供的制备方法包括：

步骤一，制备拌合料

将配方量的粉煤灰与矿渣微粉进行混合；之后加入配方量的细骨料与减水剂继续搅拌；接着在搅拌过程中加入部分配方量的聚丙烯纤维；然后加入配方量的粗骨料搅拌混合；继续在搅拌过程中加入剩余量的聚丙烯纤维；最后加入碱激发剂与水混合均匀后出料；所述碱性激发剂为配方量的氢氧化钠与水玻璃的混合物；

步骤二，浇筑混凝土

在模具中浇筑拌合料，浇筑过程中分次铺设钢纤维，浇筑完成后浇筑料中分布有一层或多层钢纤维。

可选的，步骤一中聚丙烯纤维的第一次加入量为配方量的一半。

可选的，步骤二中钢纤维浇筑过程中分两次铺设钢纤维，且两层钢纤维分别靠近浇筑的开始部位和结束部位。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明将钢纤维与聚丙烯纤维以不同分布形式加入上述的地聚物混凝土中，得到的混凝土28d抗压强度最高可达94.39Mpa，给出由钢纤维与聚丙烯纤维改性地聚物混凝土的最优配合比参数值。

本发明中的混凝土通过加入复合材料以及改变复合材料的分布形式来提高延性、降低脆性系数，且能够使用较少纤维量同纤维混杂时的性能相当或者更优，减少了施工造价。

具体实施方式

本发明的粉煤灰可以根据GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中的要求进行选择。

本发明的矿渣微粉可以根据GBT 18046-2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》中的相关要求进行选择。

水玻璃是一种水溶性硅酸盐，具有粘结力强、强度较高，耐酸性等特性。其化学式为R₂O·nSiO₂·xH₂O，式中R₂O为碱金属氧化物，一般为钠水玻璃与钾水玻璃；n为水玻璃模数，为SiO₂与R₂O摩尔数的比值，一般工业生产模数在1.8～4.0范围；x为水玻璃带结晶水的数量。本发明中通过加入氢氧化钠调节低模数的水玻璃。

本发明所用细骨料可根据JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》中的相关要求进行选择。例如：河砂、海砂、山砂、人工砂及混合砂等，细骨料的模数一般为2.6～2.9。

本发明的粗骨料可根据JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》中的相关要求进行选择，具体可采用碎石、卵石，粒径一般大于 4.75mm。

本发明的减水剂可根据GB 50119-2013《混凝土外加剂应用技术规范》中的相关要求进行选择，具体可选用普通减水剂、高效减水剂与聚羧酸系高性能减水剂。本发明优选萘系减水剂。

本发明所用钢纤维可根据JG/T 472-2015《钢纤维混凝土》附录A中的相关要求进行选用。

本发明所用的聚丙烯纤维可根据CECS 38:2004《纤维混凝土结构技术规程》中的相关规定进行选用，如直径为18～65μm、长度为4～19mm、密度为0.91g/cm³、抗拉强度为276～650N/mm²的聚丙烯纤维。

以下结合实例对本发明的高性能地聚物混凝土配合比及其配制方法做进一步的阐述，更容易地理解本发明的思想和实际意义，但实例并不能用来限定本发明的保护范围。

实施例1：

该实施例中多组地聚物混凝土的配合比如表3所示，其中：粉煤灰选用 I级低钙粉煤灰，粒径约0.032mm左右，具体参数详见表1；矿渣微粉采用 S95级粒化高炉矿渣微粉，该矿渣微分的具体参数详见表2；水玻璃选用模数3.25，波美度40Be，比重1.38，Na2O百分含量为8.38，SiO2百分含量为26.41的水玻璃；细骨料采用天然河砂，细度模数为2.7，属于中砂(2.3～3.0)；粗骨料选用采用粒径5mm～16mm的碎石；减水剂选用含固量≥92％，减水率12％～20％的萘系减水剂；钢纤维采用镀铜微钢纤维，规格为 WSF0213，直径为0.2mm，长度为13mm，长径比65，抗拉强度＞2850Mpa；聚丙烯纤维直径为30μm，密度为0.91g/cm3，长度有9mm、12mm，断裂强度为650Mpa。

表1

表2

各组地聚物混凝土的制备方法分别为：

GC-1组为不掺纤维的地聚物混凝土组，该组制备工艺为：混合拌匀粉煤灰与矿微粉30s，后投入细骨料与减水剂混合搅拌1min，投入粗骨料搅拌 1min，最后投入碱激发剂与水，搅拌2min，出料；

GC-P_0.05、GC-P_0.1、GC-S_0.5、GC-S_1.0、GC-S_1.5组为仅掺聚丙烯纤维(或钢纤维)的地聚物混凝土组，该组制备工艺为：混合拌匀粉煤灰与矿渣微粉30s，后投入细骨料与减水剂混合搅拌1min，搅拌过程中按配方量投入一半聚丙烯纤维(或钢纤维)，投入粗骨料搅拌1min，搅拌过程中按配方量投入一半聚丙烯纤维(或钢纤维)最后投入碱激发剂与水，搅拌2min，出料；

GC-LS_0.5、GC-LS_1.0、GC-LS_1.5组为层布式钢纤维的地聚物混凝土组，该组制备工艺为：混合拌匀粉煤灰与矿渣微粉30s，后投入细骨料与减水剂混合搅拌1min，投入粗骨料搅拌1min，最后投入碱激发剂与水，搅拌2min，出料。浇筑模具时按照配方量分上下两层均匀铺设钢纤维；

GC-LS_0.5P_0.05、GC-LS_0.5P_0.1、GC-LS_1.0P_0.1、GC-LS_1.0 P_0.1、GC-LS_1.5P_0.05、GC-LS_1.5P_0.1组为层布式钢-聚丙烯纤维的地聚物混凝土组，该组制备工艺为：混合拌匀粉煤灰与矿渣微粉30s，后投入细骨料与减水剂混合搅拌1min，搅拌过程中按配方量投入一半配方量聚丙烯纤维，投入粗骨料搅拌1min，搅拌过程中按配方量投入另一半配方量的聚丙烯纤维，最后投入碱激发剂与水，搅拌 2min，出料。浇筑模具中时按照配方量分上下两层均匀铺设钢纤维，上下两层距离试件顶部和底部的距离均为20mm；

GC-S_0.5P_0.05、GC-S_0.5P_0.1、GC-S_1.0P_0.1、GC-S_1.0 P_0.1、GC-S_1.5P_0.05、GC-S_1.5P_0.1组为纤维混杂方式混凝土组，该组制备工艺为：混合拌匀粉煤灰与矿渣微粉 30s，后投入细骨料与减水剂混合搅拌1min，搅拌过程中按配方量投入一半聚丙烯纤维与钢纤维，投入粗骨料搅拌1min，搅拌过程中按配方量投入另一半聚丙烯纤维与钢纤维，最后投入碱激发剂与水，搅拌2min，出料。

表3多组地聚物混凝土配合比

GC-1浇筑配制的试件抗压强度、劈裂抗拉强度测试结果如表4所示。多组配合比之间的力学性能结果对比如表5所示。

表中：f_cu,7、f_cu,28分别表示试件7d与28d的抗压强度值，f_ts,7、f_ts,28分别表示试件7d与28d的劈裂抗拉强度值；f_f为试件抗折强度；GC表示地聚物混凝土；P为聚丙烯纤维；S为钢纤维；L为纤维分布方式为层布式分布。抗压强度及劈裂抗拉强度测定方法用普通混凝土规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002。抗折强度测定方法用普通混凝土规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002。

GC-1表示配合比为第一组的地聚物混凝土；GC-LS_0.5表示纤维含量0.5％的层布式钢纤维地聚物混凝土；GC-LS_0.5P_0.05表示钢纤维含量0.5％，聚丙烯纤维含量0.05％的层布式钢纤维地聚物混凝土；GC-S_1.0P_0.1表示钢纤维含量 1.0％，聚丙烯纤维含量0.1％的以体积混杂的纤维地聚物混凝土，其他符号依次理推。

表4 GC-1试件抗压强度、劈裂抗拉强度值

表5多组配合比之间的力学性能结果对比

由上表4和5可以看出，仅加入钢纤维或聚丙烯纤维对地聚物混凝土抗压强度的影响不大，此外，对地聚物混凝土的劈裂抗拉强度及抗折强度的影响一般随着纤维量的增加而增加，然而以纤维混杂方式加入钢纤维的抗折强度出现下降，这是由于加入的纤维掺量较多，在混凝土搅拌过程中发生了团聚现象，占据了粗骨料及胶凝材料的空间，降低了地聚物混凝土的性能。尤其是，相比于纤维混杂式混凝土组，层布式钢纤维使用较少的纤维掺量可以同等程度或更好地程度改善地聚物混凝土的性能。

说明采用本发明的配合比与配制方法的高性能地聚物混凝土对改善地聚物混凝土脆性、提升地聚物混凝土的延性及在节省纤维使用量等方面具有显著作用。

对比例：

该对比例与组GC-LS_1.5P_0.05组的配方不同的是，不加减水剂：在搅拌过程中当投入粗细骨料后，固态原材料与液态原材料无法均匀混合，并产生速凝、结块现象，无法进行后续操作。

Claims

1.一种高性能地聚物混凝土，其特征在于，该地聚物混凝土由以下原料制备而成：以每立方地聚物混凝土计，

2.如权利要求1所述的高性能地聚物混凝土，其特征在于，该地聚物混凝土由以下原料制备而成：以每立方地聚物混凝土计，

3.如权利要求1或2所述的高性能地聚物混凝土，其特征在于，该地聚物混凝土还包括：87.13kg/m³～113.68kg/m³的水。

4.如权利要求1或2所述的高性能地聚物混凝土，其特征在于，所述减水剂为萘系减水剂。

5.如权利要求1或2所述的高性能地聚物混凝土，其特征在于，粉煤灰中的钙含量为2％～6％；所述矿渣微粉的密度为2.8g/cm3～5g/cm3，比表面积400～500m2/kg，7d活性指标为大于70％，28d活性指标为大于90％；所述水玻璃模数为2～3.5，波美度为20～40Be；所述纤维长度值为9mm～13mm。

6.权利要求1所述的聚物混凝土的制备方法，其特征在于，方法包括：

步骤一，制备拌合料：将配方量的粉煤灰与矿渣微粉进行混合；之后加入配方量的细骨料与减水剂继续搅拌；接着在搅拌过程中加入部分配方量的聚丙烯纤维；然后加入配方量的粗骨料搅拌混合；继续在搅拌过程中加入剩余量的聚丙烯纤维；最后加入碱激发剂与水混合均匀后出料；所述碱性激发剂为配方量的氢氧化钠与水玻璃的混合物；

步骤二，浇筑混凝土：在模具中浇筑拌合料，浇筑过程中分次铺设钢纤维，浇筑完成后混凝土中分布有一层或两层以上的钢纤维。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤一中聚丙烯纤维的第一次加入量为配方量的一半。

8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤二中钢纤维浇筑过程中分两次铺设钢纤维，且两层钢纤维分别靠近浇筑的开始部位和结束部位。