CN112608112A - 一种抗裂型碱矿渣再生混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种抗裂型碱矿渣再生混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗裂型碱矿渣再生混凝土及其制备方法。本发明采用硫酸钠、硅酸钠和水泥作为复合激发剂，具有不易开裂和强度好等优点；采用饱和面干的再生粗骨料可返水起到内养护作用，减小材料的收缩，提高抗裂性能；采用氧化镁能够补偿碱矿渣混凝土的收缩，进一步减少开裂；采用PTB乳液可抑制材料内部微裂缝的发展，且具有较好的防水性和工作性；所使用的矿渣和再生骨料均为废物再利用，可减少垃圾填埋，有利于环境治理与保护。本发明具有较好的经济、社会和环保效益，适合大规模推广应用。

Description

一种抗裂型碱矿渣再生混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种抗裂型碱矿渣再生混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土目前已经成为运用最广泛且必不可少的建筑材料，但其引起的资源和环境问题也是日益突出，尤其是混凝土的主要原材料水泥在生产过程中会带来极其严重的环境污染。因此，研究“绿色环保”的新型胶凝材料，以替代普通硅酸盐水泥，是一项刻不容缓且具有实际工程应用意义的工作。碱矿渣再生混凝土（由矿渣、激发剂、再生骨料、天然砂石骨料等组成）作为普通混凝土的替代材料，具有强度高，硬化快，耐久性好等优点，已经引起相关学者和行业的广泛重视。此外，与普通水泥混凝土相比，碱矿渣再生混凝土取得较大的环保效益，其一方面大大减少由于生产水泥而产生的能源消耗和大气污染物的排放；另一方面，所采用的矿渣和再生骨料均为固体废弃物，可减少垃圾填埋，节约用地，有利于环境保护和治理。特别是目前天然砂石资源枯竭，甚至难以满足建设需求，而再生骨料（由废弃混凝土破碎、筛分而来）作为天然骨料的一个补充，可以有效地解决自然资源短缺和降低现有建设成本。因此，采用碱矿渣再生混凝土是实现绿色可持续发展的有效措施之一。然而，碱矿渣再生混凝土也存在收缩大、易开裂等问题，从而限制了其在实际工程中的应用。
专利CN110194616A的中国发明专利公开了一种抗裂型碱矿渣混凝土及其制备。该碱矿渣混凝土使用氧化钙、碳酸钠、微珠粉煤灰、矿渣、钢纤维和聚丙烯纤维等材料。然而，钢纤维和聚丙烯纤维材料成本高，施工和易性差，容易团结，且会产生生锈等问题。相比之下，本发明所采用硫酸钠、硅酸钠和水泥复合激发剂在满足强度的同时，可控制其早期的快速反应，降低收缩值，提高抗裂性能；所采用的饱和面干再生骨料可作为碱矿渣混凝土的内养护措施，进一步控制其开裂；所采用的氧化镁反应后微膨胀，能够补偿混凝土的收缩，从而减少裂缝的产生；所采用的PTB乳液可抑制混凝土内部微裂缝的产生，又可提高防水性和工作性。综上，本发明专利从多角度、多层次协同提升碱矿渣再生混凝土的抗裂性能，且强度好，工作性高，制备简单，施工方便，能够取得较好的经济和环境优势，具有较好的应用价值和推广前景。
发明内容
针对上述背景技术中存在的缺陷与问题，本发明提供了一种抗裂型碱矿渣再生混凝土及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供的是一种抗裂型碱矿渣再生混凝土及其制备方法。该碱矿渣再生混凝土由硫酸钠（Na2SO4）、液体硅酸钠（Na2SiO3）、水泥、矿渣、氧化镁（MgO）、再生粗骨料、天然粗骨料、砂、PTB乳液和水组成，各组分质量百分数为：Na2SO4 1%～2%、Na2SiO3 0.2%～0.4%、水泥0.7%~1.3%、矿渣11.9%～22%、MgO 0.3%～0.5%、再生粗骨料19.7%～25.5%、天然粗骨料19.7%～25.5%、砂20.6%～26.8%、PTB乳液1.6%～2.6%、水6.5%～11.2%，各组分质量百分数和为100%。
进一步地，所述的Na2SO4为颗粒状，纯度为99%。
进一步地，所述的Na2SiO3为液体状，用固体氢氧化钠调整后模数为1.2。
进一步地，所述的水泥为42.5R普通硅酸盐水泥。
进一步地，所述的矿渣为S95级粒化高炉矿渣粉；砂为石英砂，粒径为0.1～0.3mm。
进一步地，所述的氧化镁为白色固体状，粒径为1~10 μm。
进一步地，所述的再生粗骨料为饱和面干状，粒径为4.75 mm~31.5 mm，饱和面干吸水率为8.5%。
进一步地，所述的PTB乳液是乙烯-氯乙烯-乙烯酯产品，白色乳液状。其物理性能指标为粘性：80～120 mPa.s、固体含量：52±1wt%、比重：1.1、pH值：7～9。
所述的抗裂型碱矿渣再生混凝土的制备方法包括以下步骤：
（1）按上述比例分别计量各组成材料；
（2）将饱和面干的再生粗骨料、天然粗骨料、砂、矿渣、氧化镁和水泥倒入搅拌机中拌和1分钟，即得混合干料；
（3）将硫酸钠、硅酸钠和PTB乳液溶解在水中，搅拌2～3分钟，形成混合溶液；然后将混合溶液倒入混合干料中搅拌2～3分钟，然后浇筑成模；
（4）静置1天后拆模，然后放入温度为20±2℃，相对湿度为95%的标准养护室中养护28天。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）本发明采用的复合激发剂（硅酸钠、硫酸钠和水泥）在保证混凝土强度的同时，具有良好的抗裂性。本发明采用的硅酸钠激发剂有利于碱矿渣再生混凝土形成早期强度，但由于用量比普通硅酸钠激发矿渣混凝土少，因此早期快速反应得到控制，从而减少其收缩值；所掺入的水泥与水反应生成Ca(OH)2，Ca(OH)2与硫酸钠反应生成NaOH，NaOH能很好地激发矿渣的活性。另一方面，该配方延缓了NaOH的生成，从而保证碱矿渣再生混凝土的后期强度；同时NaOH的生成速率较为缓慢，因此可降低碱矿渣混凝土的快速反应，使其收缩值变小，从而提高碱矿渣再生混凝土的抗裂性能。
（2）所采用的饱和面干再生粗骨料在碱矿渣再生混凝土反应过程中由于孔结构内部湿度减小而不断返水，起到内养护的作用，从而减少碱矿渣再生混凝土的收缩值，进而提高其抗裂性能；同时再生粗骨料的不断返水也有助于提高碱矿渣再生混凝土的工作性。
（3）本发明采用的氧化镁与水反应生成氢氧化镁和类水滑石晶体，起到微膨胀和填充孔隙作用，能够补偿或抵消混凝土的收缩，从而减少裂缝的产生；同时增强碱矿渣再生混凝土的强度。
（4）本发明采用的PTB乳液在混凝土内部形成聚合物网状空间结构，抑制了材料内部微裂缝的发展，使孔隙结构密实；同时PTB乳液具有减水效果，使得碱矿渣再生混凝土具有较好的工作性和防水性。
（5）本发明所使用的矿渣和再生粗骨料为废物再利用，减少垃圾填埋，有利于环境治理与保护，具有很好的经济性和环保性。
综上，本发明从多角度、多层次协同提升碱矿渣再生混凝土的抗裂性能，且强度好，工作性高，制备简单，施工方便，能够取得较好的经济和环境优势，具有较好的应用价值和推广前景。
具体实施方式
本发明提供的是一种抗裂型碱矿渣再生混凝土及其制备方法。该碱矿渣再生混凝土由硫酸钠（Na2SO4）、硅酸钠（Na2SiO3）、水泥、矿渣、氧化镁（MgO）、再生粗骨料、天然粗骨料、砂、PTB乳液和水组成，各组分质量百分数为：Na2SO4 1%～2%、Na2SiO3 0.2%～0.4%、水泥0.7%~1.3%、矿渣11.9%～22%、MgO 0.3%～0.5%、再生粗骨料19.7%～25.5%、天然粗骨料19.7%～25.5%、砂20.6%～26.8%、PTB乳液1.6%～2.6%、水6.5%～11.2%，各组分质量百分数和为100%。
所述的抗裂型碱矿渣再生混凝土及其制备方法包括以下步骤：
（1）按上述比例分别计量各组成材料；
（2）将饱和面干的再生粗骨料、天然骨料、砂、矿渣、氧化镁和水泥倒入搅拌机中拌和1分钟，即得混合干料；
（3）将硫酸钠、硅酸钠和PTB乳液溶解在水中，搅拌2～3分钟，形成混合溶液；然后将混合溶液倒入混合干料中搅拌2～3分钟，然后浇筑成模；
（4）静置1天后拆模，然后放入温度为20±2℃，相对湿度为95%的标准养护室中养护28天。
实施例1
一种抗裂型碱矿渣再生混凝土主要由硫酸钠、硅酸钠、水泥、矿渣、氧化镁、再生粗骨料、天然粗骨料、砂、PTB乳液和水组成，各组分质量百分数为：Na2SO4 1.5%、Na2SiO30.3%、水泥1.0%、矿渣16.9%、MgO0.4%、再生粗骨料22.6%、天然粗骨料22.6%、砂23.7%、PTB乳液2.1%和水8.9%，各组分质量百分数和为100%。
该实施例的抗裂型碱矿渣再生混凝土的制备方法包括以下步骤：
（1）按上述比例分别计量各组成材料；
（2）将饱和面干的再生粗骨料、天然粗骨料、砂、矿渣、氧化镁和水泥倒入搅拌机中拌和1分钟，即得混合干料；
（3）将硫酸钠、硅酸钠和PTB乳液溶解在水中，搅拌2分钟，形成混合溶液；然后将混合溶液倒入混合干料中搅拌2分钟，然后浇筑成模；
（4）静置1天后拆模，然后放入温度为20±2℃，相对湿度为95%的标准养护室中养护28天。
按《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080-2016）进行检测，其塌落度为120 mm；按《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2016）进行测试，其28 d抗压强度和劈裂抗拉强度分别为40 MPa和3 MPa；按《水泥砂浆和混凝土干燥收缩开裂性能试验方法》（GB/T 29417-2012）测得的开裂指数为65%。
实施例2
一种抗裂型碱矿渣再生混凝土主要由硫酸钠、硅酸钠、水泥、矿渣、氧化镁、再生粗骨料、天然粗骨料、砂、PTB乳液和水组成，各组分质量百分数为：Na2SO4 1%、Na2SiO3 0.2%、水泥0.7%、矿渣11.9%、MgO 0.3%、再生粗骨料25.5%、天然粗骨料25.5%、砂26.8%、PTB乳液1.6%和水6.5%，各组分质量百分数和为100%。
该实施例抗裂型碱矿渣再生混凝土制备方法同实施例1。
该实施例抗裂型碱矿渣再生混凝土试验方法同实施例1。配制得到的碱矿渣再生混凝土塌落度为110 mm，28 d抗压强度和劈裂抗拉强度分别为36 MPa和2.8 MPa，开裂指数为73%。
实施例3
一种抗裂型碱矿渣再生混凝土主要由硫酸钠、硅酸钠、水泥、矿渣、氧化镁、再生粗骨料、天然粗骨料、砂、PTB乳液和水组成，各组分质量百分数为：Na2SO4 2%、Na2SiO3 0.4%、水泥1.3%、矿渣22%、MgO0.5%、再生粗骨料19.7%、天然粗骨料19.7%、砂20.6%、PTB乳液2.6%和水11.2%，各组分质量百分数和为100%。
该实施例抗裂型碱矿渣再生混凝土制备方法同实施例1。
该实施例抗裂型碱矿渣再生混凝土试验方法同实施例1。配制得到的碱矿渣再生混凝土塌落度为130 mm，28 d抗压强度和劈裂抗拉强度分别为44 MPa和3.2 MPa，开裂指数为60%。
对比例1（不添加硫酸钠和水泥）
一种碱矿渣再生混凝土主要由硅酸钠、矿渣、氧化镁、再生粗骨料、天然粗骨料、砂、PTB乳液和水组成，各组分质量百分数为：Na2SiO3 3%、矿渣12.0%、MgO0.3%、再生粗骨料25.5%、天然粗骨料25.5%、砂25.6%、PTB乳液1.6%和水6.5%，各组分质量百分数和为100%。
该对比例的抗裂型碱矿渣再生混凝土的制备方法包括以下步骤：
（1）按上述比例分别计量各组成材料；
（2）将饱和面干的再生粗骨料、天然粗骨料、砂、矿渣、氧化镁倒入搅拌机中拌和1分钟，即得混合干料；
（3）将硅酸钠和PTB乳液溶解在水中，搅拌2分钟，形成混合溶液；然后将混合溶液倒入混合干料中搅拌2分钟，然后浇筑成模；
（4）静置1天后拆模，然后放入温度为20±2℃，相对湿度为95%的标准养护室中养护28天。
该对比例抗裂型碱矿渣再生混凝土试验方法同实施例1。配制得到的碱矿渣再生混凝土塌落度为90 mm，28 d抗压强度和劈裂抗拉强度分别为38 MPa和2.9MPa，开裂指数为92%。
对比例2（再生粗骨料未经饱和面干处理）
一种抗裂型碱矿渣再生混凝土主要由硫酸钠、硅酸钠、水泥、矿渣、氧化镁、再生粗骨料（未经饱和面干处理）、天然粗骨料、砂、PTB乳液和水组成，各组分质量百分数为：Na2SO41%、Na2SiO3 0.2%、水泥0.7%、矿渣11.9%、MgO0.3%、再生粗骨料（未饱和面干）25.5%、天然粗骨料25.5%、砂26.8%、PTB乳液1.6%和水6.5%，各组分质量百分数和为100%。
该对比例的抗裂型碱矿渣再生混凝土的制备方法包括以下步骤：
（1）按上述比例分别计量各组成材料；
（2）将再生粗骨料（未经饱和面干处理）、天然粗骨料、砂、矿渣、氧化镁和水泥倒入搅拌机中拌和1分钟，即得混合干料；
（3）将硫酸钠、硅酸钠和PTB乳液溶解在水中，搅拌2分钟，形成混合溶液；然后将混合溶液倒入混合干料中搅拌2分钟，然后浇筑成模；
（4）静置1天后拆模，然后放入温度为20±2℃，相对湿度为95%的标准养护室中养护28天。
该对比例抗裂型碱矿渣再生混凝土试验方法同实施例1。配制得到的碱矿渣再生混凝土塌落度为100 mm，28 d抗压强度和劈裂抗拉强度分别为33 MPa和2.6 MPa，开裂指数为78%。
对比例3（不添加氧化镁）
一种抗裂型碱矿渣再生混凝土主要由硫酸钠、硅酸钠、水泥、矿渣、再生粗骨料、天然粗骨料、砂、PTB乳液和水组成，各组分质量百分数为：Na2SO4 1%、Na2SiO3 0.2%、水泥0.7%、矿渣11.9%、再生粗骨料25.5%、天然粗骨料25.5%、砂27.1%、PTB乳液1.6%和水6.5%，各组分质量百分数和为100%。
该对比例的抗裂型碱矿渣再生混凝土及其的制备方法包括以下步骤：
（1）按上述比例分别计量各组成材料；
（2）将饱和面干的再生粗骨料、天然粗骨料、砂、矿渣和水泥倒入搅拌机中拌和1分钟，即得混合干料；
（3）将硫酸钠、硅酸钠和PTB乳液溶解在水中，搅拌2分钟，形成混合溶液；然后将混合溶液倒入混合干料中搅拌2分钟，然后浇筑成模；
（4）静置1天后拆模，然后放入温度为20±2℃，相对湿度为95%的标准养护室中养护28天。
该对比例抗裂型碱矿渣再生混凝土试验方法同实施例1。配制得到的碱矿渣再生混凝土塌落度为110 mm，28 d抗压强度和劈裂抗拉强度分别为34 MPa和2.6 MPa，开裂指数为82%。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种抗裂型碱矿渣再生混凝土，其特征在于：该抗裂型碱矿渣再生混凝土，由硫酸钠、硅酸钠、水泥、矿渣、氧化镁、再生粗骨料、天然粗骨料、砂、PTB乳液和水组成，各组分质量百分数为：硫酸钠1%～2%、硅酸钠0.2%～0.4%、水泥0.7%~1.3%、矿渣11.9%～22%、氧化镁0.3%～0.5%、再生粗骨料19.7%～25.5%、天然粗骨料19.7%～25.5%、砂20.6%～26.8%、PTB乳液1.6%～2.6%、水6.5%～11.2%，各组分质量百分数和为100%。
2.根据权利要求1所述的抗裂型碱矿渣再生混凝土，其特征在于：所述的硫酸钠为颗粒状，纯度为99%。
3.根据权利要求1所述的抗裂型碱矿渣再生混凝土，其特征在于：所述的硅酸钠为液体状，用固体氢氧化钠调整后模数为1.2。
4.根据权利要求1所述的抗裂型碱矿渣再生混凝土，其特征在于：所述的水泥为42.5R普通硅酸盐水泥。
5.根据权利要求1所述的抗裂型碱矿渣再生混凝土，其特征在于：所述的矿渣为S95级粒化高炉矿渣粉。
6.根据权利要求1所述的抗裂型碱矿渣再生混凝土，其特征在于：所述的氧化镁为白色固体状，粒径为1~10 μm。
7.根据权利要求1所述的抗裂型碱矿渣再生混凝土，其特征在于：所述的再生粗骨料的粒径为4.75 mm~31.5 mm，饱和面干吸水率为8.5%。
8.根据权利要求1所述的抗裂型碱矿渣再生混凝土，其特征在于：所述的砂为石英砂，粒径为0.1～0.3mm。
9.根据权利要求1所述的抗裂型碱矿渣再生混凝土，其特征在于：所述的PTB乳液是乙烯-氯乙烯-乙烯酯产品，白色乳液状，其物理性能指标为粘性：80～120 mPa.s、固体含量：52±1wt%、比重：1.1、pH值：7～9。
10.根据权利要求1-9任一项所述的抗裂型碱矿渣再生混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）按上述比例分别计量各组成材料；
（2）将再生粗骨料、天然粗骨料、砂、矿渣、氧化镁和水泥倒入搅拌机中拌和1分钟得混合干料；
（3）将硫酸钠、硅酸钠和PTB乳液溶解在水中，搅拌2～3分钟，形成混合溶液；然后将混合溶液倒入混合干料中搅拌2～3分钟，然后浇筑成模；
（4）静置1天后拆模，然后放入温度为20±2℃，相对湿度为95%以上的标准养护室中养护28天。
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