CN111003991A - 轻质高强硅酸盐陶粒混凝土 - Google Patents

轻质高强硅酸盐陶粒混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻质高强硅酸盐陶粒混凝土，每立方米组成如下：胶凝材料450kg、粗骨料陶粒768~810kg、细骨料河砂674~735kg、水113~135kg和高性能减水剂4~5kg，其中，胶凝材料包括水泥320~400kg、粉煤灰25~98kg和硅灰25~38kg，水胶比为0.25~0.3。本发明提出采用蒸压硅酸盐陶粒作粗骨料，可制备出密度小于2000kg/m3、强度大于70MPa的混凝土，具有强度离散性小，性能优异等优点。

Description

轻质高强硅酸盐陶粒混凝土
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，具体属于一种强度大于70MPa、密度小于2000kg/m3的轻质高强硅酸盐陶粒混凝土。
背景技术
根据国标《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51-2002)可知轻骨料混凝土强度等级最高仅为LC60，无法达到甚至超过70MPa。这是因为轻骨料(诸如烧胀页岩或粘土陶粒、膨胀矿渣珠、自然煤矸石等)筒压强度较低，一般在6～8MPa，限制了轻骨料混凝土强度向更高强度(例如超过70MPa)的发展。
发明内容
本发明的目的是制备一种强度超过70MPa、密度低于2000kg/m3轻质高强硅酸盐陶粒混凝土。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种强度超过70MPa、密度低于2000kg/m3的轻质高强硅酸盐陶粒混凝土，每立方米组成如下：胶凝材料450kg、粗骨料陶粒768～810kg、细骨料河砂674～735kg、水113～135kg和高性能减水剂4～5kg，其中，胶凝材料包括水泥320～400kg、粉煤灰25～98kg和硅灰25～38kg，水胶比(水与胶凝材料的质量比)为0.25～0.3。
较佳的，所述水泥采用普通硅酸盐水泥，水泥标号PⅡ52.5级。
较佳的，所述的河砂的细度模数M 2.4～2.7。
较佳的，所述粉煤灰300目筛余小于10％。
较佳的，所述硅灰中的二氧化硅含量大于90wt％。
较佳的，所述陶粒为蒸压硅酸盐陶粒，具体特征如下：由薄壳和内核组成；粒径范围5～16mm，干表观密度1750～1800kg/m3，平均筒压强度不低于10MPa，1小时吸水率为10～20％，10克陶粒在200ml水振荡12小时后pH值9～10、Ca2+浓度12～15mg/l。
较佳的，所述高性能减水剂为聚羧酸系减水剂，减水率≥30％。
上述轻质高强陶粒混凝土的制备方法，包括如下步骤：根据配合比，将陶粒置于水中预吸水1小时以上，使用前使陶粒处于饱和面干状态；根据配合比称量其余各组分，依次向搅拌机中加入饱和面干陶粒、硅灰、粉煤灰、河砂、1/5水并搅拌60～90秒；再向搅拌机中加入水泥、剩余水和高性能减水剂，搅拌90～120秒，成型、养护。
较佳的，置于温度20±2℃、湿度>95％的标准养护箱中养护28天。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)提出采用蒸压硅酸盐陶粒作轻粗骨料制备强度大于70MPa、密度低于2000kg/m3轻质高强混凝土,可为《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51-2002)提供一种强度大于70MPa的新型轻质高强混凝土。
2)硅酸盐陶粒干表观密度1750～1800kg/m3，1小时吸水率10％～20％，预湿1小时后，陶粒湿表观密度增加至1925～2160kg/m3水泥浆密度2087～2180kg/m3。水泥浆密度与陶粒湿表观密度平均差异91kg/m3。这两者之间较小的密度差异使得硅酸盐陶粒在水泥浆内部分布均匀，不会发生陶粒上浮、分层现象，从而使混凝土拌合物比较均匀。其次，硅灰、粉煤灰比表面积大，可增大水泥浆体的粘度，进一步增加了混凝土拌合物的均匀性。因此，制备的硅酸盐陶粒强度离散性小，性能优异。
3)蒸压硅酸盐陶粒混凝土轻质高强，在相同基体下，可等体积取代石子，减少了对石子的开采，能有效的保护环境和自然资源。
4)强度大于70MPa、密度低于2000kg/m3轻质高强硅酸盐陶粒混凝土完全可以满足现代工程向大跨度和高层方向发展的需要。
5)采用胶凝材料(硅灰和粉煤灰)包陶粒法制备混凝土，可在饱和面干陶粒表面粘附一层胶凝材料(粉煤灰和硅灰)壳层，该壳层可使陶粒与水泥砂浆能牢固的粘结在一起，提升了陶粒与水泥砂浆之间的粘结力，从而提高混凝土强度。
附图说明
图1为本发明所述的的轻质高强硅酸盐陶粒混凝土的制备流程图，图中abcdefg代表加料先后顺序。
图2为蒸压硅酸盐陶粒组成部分示意图。
图3为蒸压硅酸盐陶粒的壳层XRD图。
图4为蒸压硅酸盐陶粒的壳层SEM形貌图。
图5为蒸压硅酸盐陶粒与水泥砂浆基体粘结示意图。
图6为携带附加水的陶粒(a)和陶粒内部附加水(b)向砂浆基体扩散示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
本发明所述的蒸压硅酸盐陶粒是在水热合成蒸压养护工艺下获得的轻集料，具体步骤如下：
第一步，混合料制备
将占生石灰5％～15wt％的水加入到石英尾泥，生石灰，铅锌尾矿砂中，搅拌2min～3min，混合均匀之后卸料，消化3h～4h；再经行星式轮碾搅拌机碾压搅拌3min～5min；加入水泥，搅拌3min～5min，得到干混合料；继续加入占干混合料总质量20％～30％的水，搅拌3min～5min，混合均匀即得混合料，其中，混合料中，铅锌尾矿砂含量为15wt％，粒径为0.03～0.63mm；水泥含量为10％，水泥标号PⅡ52.5级；石英尾泥和生石灰总量为75％，其钙硅比为0.4～0.6；
第二步，造粒成球
将混合料放入成球盘中成球，直至球核长大为5mm～16mm，以该球核作为内核，在内核上撒干粉制备壳层，其中，壳层占内核质量的4wt％，干粉由15wt％水泥和85wt％粉煤灰组成；
第三步，自然养护
将混合料球放置潮湿环境中堆放养护12h～48h；
第四步，水热合成
将自然养护之后的混合料球送入蒸压釜中，于1.0MPa饱和蒸汽压，180℃条件下，水热合成8h，然后自然冷却至室温，即可得到蒸压硅酸盐陶粒，其壳层的XRD和SEM如图3和图4。
该陶粒由薄壳和内核组成；粒径范围5～16mm；表观密度1750～1800kg/m3；平均筒压强度大于10MPa；1小时吸水率10～20％、10克陶粒在200ml水振荡12小时后水溶液PH值9～10、Ca2+浓度12～15mg/l。将其作为混凝土的粗骨料，应用其具备火山灰活性的壳层可增强水泥砂浆基体与陶粒之间的界面过渡区；应用其可蓄水的多孔特性，达到对水泥砂浆的内养护作用，使水泥在低水胶比下充分水化；应用水化硅酸钙的水解使陶粒内部的蓄水呈碱性和释放Ca2+的特性，达到再次激发粉煤灰的火山灰效应的目的。因此，用蒸压硅酸盐陶粒制备混凝土，有制备出强度大于70MPa、密度低于2000kg/m3轻质高强混凝土的潜能。
本发明所述的轻质高强陶粒混凝土按照表1进行设计。
表1硅酸盐陶粒混凝土配合比设计方案(kg/m3)
Figure BDA0002288732960000041
结合图1，基于表1，本发明所述的轻质高强陶粒混凝土的制备方法，包括如下步骤：
第一步：预湿陶粒
根据配合比，将称量好的陶粒预吸水1小时以上，使用前使陶粒处于饱和面干状态，不影响新拌混凝土拌合物的和易性。
第二步：制备陶粒混凝土拌合物
根据配合比称量其余各组分。依次向搅拌机中加入饱和面干陶粒、硅灰、粉煤灰、河砂、1/5水并搅拌60～90秒；再向搅拌机中加入水泥、水和减水剂的混合液搅拌90～120秒，完成陶粒混凝土拌合物的制备。
第三步：成型陶粒混凝土试块
将搅拌均匀的陶粒混凝土拌合物一次性装入模具中，置于振动台上振动至试块表面溢浆为止，刮去多余混凝土并抹平，完成试块成型。在已成型好的试块上覆盖塑料保鲜膜，置于室内环境24小时后拆模。
第四步：标准养护陶粒混凝土试块
将拆模后的试块置于温度20±2℃、湿度>95％的标准养护箱中养护至28天，可得轻质高强陶粒混凝土。
第五步：强度测试
根据国家标准(GB/T50081-2002)混凝土试块测试方法，测定混凝土试块28天抗压强度和干表观密度。
本发明的创新性原理体现在如下四个方面：
1、硅酸盐陶粒的壳层对混凝土强度提高机制
硅酸盐陶粒由薄壳和内核组成，含毛细孔道，可蓄水，示意图如图2所示。壳层由钙质材料和具备火山灰活性效应的粉煤灰制备而成，经过蒸压之后其XRD如图3所示。可以发现，壳层产物主要为托贝莫来石(5CaO·6SiO2·5H2O)、石英(SiO2)、莫来石(3Al2O3·2SiO2)和硅铝玻璃体。硅铝玻璃体具有火山灰活性，可与水泥水化产物Ca(OH)2发生反应生成水化硅酸钙，增强水泥砂浆基体和陶粒之间的粘结。通过图4壳层形貌可以发现，新生成的水化产物托贝莫来石呈纤维状结构，可与水泥砂浆基体中的水化硅酸钙、水泥颗粒等形成镶嵌结构，加强了陶粒和水泥砂浆基体之间粘结，示意图如图5所示。
2、硅酸盐陶粒改善界面过渡区结构和碱性激发效果
本发明中的硅酸盐陶粒在使用前预湿1小时以上，可携带81～153kg的附加水，示意图如图6(a)所示。在混凝土水化后期，砂浆基体内部湿度不断降低情况下，陶粒内部附加水会在湿度梯度的作用下缓慢的向砂浆基体扩散(示意图如图6(b)所示)，促使砂浆基体内部水化更充分，改善陶粒与水泥砂浆基体之间的界面过渡区结构，从而提高混凝土强度。水化硅酸钙是本发明使用的硅酸盐陶粒矿物组成的一部分。在陶粒内部毛细孔道蓄水时，水化硅酸钙在水溶液中有微弱的水解作用，可向毛细孔道溶液中释放Ca2+并使这种溶液呈碱性。该特性可再次激发粉煤灰火山灰效应。
3、料浆密度调整法
本发明使用的硅酸盐陶粒干表观密度1750～1800kg/m3，1小时吸水率10％～20％。使用前，陶粒预湿1小时以上。陶粒湿表观密度增加至1925～2160kg/m3。水泥浆密度2087～2180kg/m3。水泥浆密度与陶粒湿表观密度平均差异91kg/m3。这两者之间较小的密度差异使得硅酸盐陶粒在水泥浆内部分布均匀，不会发生陶粒上浮、分层现象，从而使混凝土拌合物更均匀。其次，硅灰、粉煤灰比表面积大，可增大水泥浆体的粘度，阻碍陶粒上浮、分层，进一步增强了混凝土拌合物的均匀性。因此，制备的硅酸盐陶粒混凝土强度离散性小，性能优异。
4、胶凝材料包陶粒法
本发明采用胶凝材料(粉煤灰和硅灰)包陶粒法制备技术。在饱和面干陶粒表面粘附一层胶凝材料(粉煤灰和硅灰)壳层，该壳层可使陶粒与水泥砂浆能牢固的粘结在一起，可提升陶粒与水泥砂浆之间的粘结力，从而提高混凝土强度。
各实施例中选用材料为水泥、粉煤灰、硅灰、陶粒、河砂和减水剂，各技术参数如表2所示：
表2混凝土配合比材料技术参数
Figure BDA0002288732960000051
Figure BDA0002288732960000061
注*陶粒密度是干表观密度。
实施例1
强度等级LC70、密度小于2000kg/m3的轻质高强硅酸盐陶粒混凝土每立方米组成如表3所示。
表3 LC70混凝土配合比设计
Figure BDA0002288732960000062
陶粒混凝土制备过程包括如下部分：
第一步：预湿陶粒
按照配合比，称量768kg陶粒并将陶粒预吸水1小时以上，使用前使陶粒处于饱和面干状态。
第二步：制备陶粒混凝土拌合物
根据配合比称量其余各组分。依次向搅拌机中加入饱和面干陶粒、32kg硅灰、98kg粉煤灰、698kg河砂、27kg水并搅拌60～90秒；再向搅拌机中加入320kg水泥、108kg水和4.2kg减水剂的混合液搅拌90～120秒，完成陶粒混凝土拌合物的制备。
第三步：成型陶粒混凝土试块
将搅拌均匀的陶粒混凝土拌合物一次性装入模具中，置于振动台上振动至试块表面溢浆为止，刮去多余混凝土并抹平，完成试块成型。在已成型好的试块上覆盖塑料保鲜膜，置于室内环境24小时后拆模。
第四步：标准养护陶粒混凝土试块
将拆模后的试块置于温度20±2℃、湿度>95％的标准养护箱中养护至28天，可得轻质高强陶粒混凝土。
第五步：强度测试
根据国家标准(GB/T50081-2002)混凝土试块抗压强度测试方法，对养护至28天的试块进行抗压强度测试，测得陶粒混凝土立方体抗压强度72MPa，干表观密度1937kg/m3。
实施例2：
强度等级LC70、密度小于2000kg/m3的轻质高强硅酸盐陶粒混凝土每立方米组成如表4所示。
表4 LC70混凝土配合比设计
Figure BDA0002288732960000071
陶粒混凝土制备过程包括如下部分：
第一步：预湿陶粒
按照配合比，称量788kg陶粒并将陶粒预吸水1小时以上，使用前使陶粒处于饱和面干状态。
第二步：制备陶粒混凝土拌合物
根据配合比称量其余各组分。依次向搅拌机中加入饱和面干陶粒、20kg硅灰、50kg粉煤灰、674kg河砂、27kg水并搅拌60～90秒；再向搅拌机中加入380kg水泥、108kg水和4kg减水剂的混合液搅拌90～120秒，完成陶粒混凝土拌合物的制备。
第三步：成型陶粒混凝土试块
将搅拌均匀的陶粒混凝土拌合物一次性装入模具中，置于振动台上振动至试块表面溢浆为止，刮去多余混凝土并抹平，完成试块成型。在已成型好的试块上覆盖塑料保鲜膜，置于室内环境24小时后拆模。
第四步：标准养护陶粒混凝土试块
将拆模后的试块置于温度20±2℃、湿度>95％的标准养护箱中养护至28天，可得轻质高强陶粒混凝土。
第五步：强度测试
根据国家标准(GB/T50081-2002)混凝土试块抗压强度测试方法，对养护至28天的试块进行抗压强度测试，测得陶粒混凝土立方体抗压强度74MPa，干表观密度1940kg/m3。
实施例3：
强度等级LC80、密度低于2000kg/m3轻质高强硅酸盐陶粒混凝土每立方米组成如表5所示。
表5 LC80混凝土配合比设计
Figure BDA0002288732960000081
陶粒混凝土制备过程包括如下部分：
第一步：预湿陶粒
按照配合比，称量810kg陶粒并将陶粒预吸水1小时以上，使用前使陶粒处于饱和面干状态。
第二步：制备陶粒混凝土拌合物
根据配合比称量其余各组分。依次向搅拌机中加入饱和面干陶粒、38kg硅灰、32kg粉煤灰、726kg河砂、23kg水并搅拌60～90秒；再向搅拌机中加入380kg水泥、90kg水和4.7kg减水剂的混合液搅拌90～120秒，完成陶粒混凝土拌合物的制备。
第三步：成型硅酸盐陶粒混凝土试块
将搅拌均匀的陶粒混凝土拌合物一次性装入模具中，置于振动台上振动至试块表面溢浆为止，刮去多余混凝土并抹平，完成试块成型。在已成型好的试块上覆盖塑料保鲜膜，置于室内环境24小时后拆模。
第四步：标准养护陶粒混凝土试块
将拆模后的试块置于温度20±2℃、湿度>95％的标准养护箱中养护至28天，可得轻质高强陶粒混凝土。
第五步：强度测试
根据国家标准(GB/T50081-2002)混凝土试块抗压强度测试方法，对养护至28天的试块进行抗压强度测试，测得陶粒混凝土立方体抗压强度为81MPa,干表观密度1986kg/m3。
实施例4：
强度等级LC80、密度低于2000kg/m3轻质高强硅酸盐陶粒混凝土每立方米组分如表6所示。
表6 LC80混凝土配合比设计
Figure BDA0002288732960000091
陶粒混凝土制备过程包括如下部分：
第一步：预湿陶粒
按照配合比，称量810kg陶粒并将陶粒预吸水1小时以上，使用前使陶粒处于饱和面干状态。
第二步：制备陶粒混凝土拌合物
根据配合比称量其余各组分。依次向搅拌机中加入饱和面干陶粒、25kg硅灰、25kg粉煤灰、735kg河砂、23kg水并搅拌60～90秒；再向搅拌机中加入400kg水泥、90kg水和5kg减水剂的混合液搅拌90～120秒，完成陶粒混凝土拌合物的制备。
第三步：成型陶粒混凝土试块
将搅拌均匀的陶粒混凝土拌合物一次性装入模具中，置于振动台上振动至试块表面溢浆为止，刮去多余混凝土并抹平，完成试块成型。在已成型好的试块上覆盖塑料保鲜膜，置于室内环境24小时后拆模。
第四步：标准养护陶粒混凝土试块
将拆模后的试块置于温度20±2℃、湿度>95％的标准养护箱中养护至28天，可得轻质高强壳层陶粒混凝土。
第五步：强度测试
根据国家标准(GB/T50081-2002)混凝土试块抗压强度测试方法，对养护至28天的试块进行抗压强度测试，测得陶粒混凝土立方体抗压强度为83MPa,干表观密度1998kg/m3。
测得以上各实施例的陶粒混凝土标准养护至28天的立方体抗压强度和干表观密度，实验数据如下表7所示。
表7各实施例中混凝土试块抗压强度和干表观密度数据
Figure BDA0002288732960000101
。

Claims (9)

1.一种强度超过70MPa、密度低于2000kg/m3的轻质高强硅酸盐陶粒混凝土，其特征在于，每立方米组成如下：胶凝材料450kg、粗骨料陶粒768～810kg、细骨料河砂674～735kg、水113～135kg和高性能减水剂4～5kg，其中，胶凝材料包括水泥320～400kg、粉煤灰25～98kg和硅灰25～38kg，水胶比为0.25～0.3。
2.如权利要求1所述的陶粒混凝土，其特征在于，所述水泥采用标号PⅡ52.5级的普通硅酸盐水泥。
3.如权利要求1所述的陶粒混凝土，其特征在于，所述的河砂的细度模数M 2.4～2.7。
4.如权利要求1所述的陶粒混凝土，其特征在于，所述粉煤灰300目筛余小于10％。
5.如权利要求1所述的陶粒混凝土，其特征在于，所述硅灰中的二氧化硅含量大于90wt％。
6.如权利要求1所述的陶粒混凝土，其特征在于，所述陶粒为蒸压硅酸盐陶粒，具体特征如下：由薄壳和内核组成；粒径范围5～16mm，干表观密度1750～1800kg/m3，平均筒压强度不低于10MPa，1小时吸水率为10～20％，10克陶粒在200ml水振荡12小时后pH值9～10、Ca2+浓度12～15mg/l。
7.如权利要求1所述的陶粒混凝土，其特征在于，所述高性能减水剂为聚羧酸系减水剂，减水率≥30％。
8.如权利要求1-7任一所述的陶粒混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将陶粒置于水中预吸水1小时以上，使用前使陶粒处于饱和面干状态；依次向搅拌机中加入饱和面干陶粒、硅灰、粉煤灰、河砂、1/5水并搅拌60～90秒；再向搅拌机中加入水泥、剩余水和高性能减水剂，搅拌90～120秒，成型、养护。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，置于温度20±2℃、湿度>95％的标准养护箱中养护28天。
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