CN112777975A - 一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土，包括52.5级硅酸盐水泥、改性火山灰岩粉、矿渣粉、硅灰、偏高岭土、石英砂、聚羧酸系减水剂、硅酸镁、氧化石墨烯、聚羧酸改性纳米C‑S‑H、水。本发明中利用改性火山灰岩粉增强了超高性能混凝土具有流动性好、强度高以及制备成本低等特点，从而有助于提高本发明制备的超高性能混凝土的知名度以及市场的竞争力。因此，采用本发明制备的超高性能混凝土是一款综合性能高的混凝土。

Description

一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土。

背景技术

超高性能混凝土，简称为UHPC，其以超高力学强度、超高韧性和优异的耐久性等性能，广泛受到工程应用者与混凝土材料研究者的青睐。目前，与超高性能混凝土相关的研究工作，如UHPC的性能指标、试验方法、应用技术规程，以及预混料产品的标准正在逐步实施中，预计超高性能混凝土将迎来更加蓬勃的发展。

制备超高性能混凝土的原材料主要有52.5级及以上强度等级硅酸盐水泥、硅灰、矿渣粉、粉煤灰、石英砂、钢纤维和外加剂等。其中硅酸盐水泥、硅灰、矿渣粉与粉煤灰作为胶凝材料，在适宜比例下，材料颗粒可形成最紧密堆积，与拌和水反应生成如C-S-H凝胶、氢氧化钙、钙矾石等水化产物，使得材料可胶结石英砂、钢纤维等材料。然而，超高性能混凝土的制备所需胶凝材料一般品质较高，大大增加了制备成本，限制了超高性能混凝土在建筑工程的应用范围。

火山灰岩作为一种矿藏资源在我国储量丰富，分布广泛。火山灰岩晶相结构以石英、钾长石、斜长石及金属矿物为主。火山灰岩活性矿物比例均在75％以上，其中三氧化二铝(Al2O)在12％左右，烧失量可低至0.2％。利用火山灰岩磨制的粉体火山灰岩粉制备超高性能混凝土可直接降低水泥的消耗量，有益于我国矿产资源的合理化配置，降低碳排放，亦可大幅度降低超高性能混凝土的制备成本，对推动UHPC的在建筑工程应用，实现可持续发展有积极作用。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种塑化效果好、流动性好以及制备成本低含有改性火山灰岩粉的超高性能混凝土。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土，按重量份计，包括以下组分：

优选地，所述矿渣粉的表面积为300-350m²/kg、含水量不大于1％以及烧失量不大于2％。

优选地，所述硅灰的平均粒径为1-3μm，容重为1650-1750kg/m³；其中，硅灰中粒径为小于1μm的硅灰的质量为硅灰质量的80％。

优选地，所述偏高岭土的活性指数大于110、烧失量小于0.7％以及平均粒径为10-20μm。

优选地，所述石英砂由平均粒径为20-40目的石英砂、平均粒径为40-70目的石英砂和平均粒径为70-140目的石英砂按质量比为6:3:1组成。优选地，所述氧化石墨烯的浓度为3.0％，所述羧酸改性纳米C-S-H的平均粒径为40-80nm。而氧化石墨烯的浓度为3.0％时可有效抑制超高性能混凝土裂缝扩展，提高超高性能混凝土抗拉性能；羧酸改性纳米C-S-H的平均粒径为40-80nm时可有效激发改性火山灰粉、矿渣粉与偏高岭土的活性，提高超高混凝土早期力学强度。

优选地，所述改性火山灰岩粉用助磨剂、表面活性剂和活性激发剂对平均粒径为3mm的火山灰岩粉改性后获得；其中，获得的改性火山灰岩粉的比表面积为500-550m²/kg。

优选地，所述助磨剂由三乙醇胺、乙二醇和二乙醇胺组成，所述表面改性剂由高级脂肪酸、钛酸酯和有机铬组成，所述活性激活剂由氢氧化钠和水玻璃组成；其中，按重量份计，所述三乙醇胺、乙二醇、二乙醇胺、高级脂肪酸、钛酸酯、有机铬、氢氧化钠、水玻璃和火山灰岩粉各组分分别为：0.01-0.04份、0.01-0.03份、0.01-0.03份、0.01-0.04份、0.02-0.05份、0.02-0.05份、2-5份、1-3份、100份。

优选地，所述水玻璃的模数为1；所述氢氧化钠的质量浓度为40％。

优选地，所述改性火山灰岩粉的制备方法具体包括以下步骤：

步骤1、将火山灰岩石通过三级破碎获得平均粒径为3mm的火山灰岩石粉；

步骤2、将步骤1获得的火山灰岩石粉放入到球磨机中，并依次往球磨机中加入三乙醇胺、乙二醇和二乙醇胺，并研磨20-40min；然后再往球磨机中加入水玻璃和氢氧化钠，再继续研磨1h；

步骤3、在步骤2的基础上，当粉磨1h后，继续往粉磨机中加入高级脂肪酸、钛酸酯和有机铬并继续粉磨，直至改性火山灰岩石粉的比表面积为(500-550)m²/kg。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

(1)本发明中利用改性火山灰岩粉的超高性能混凝土具有流动性好、强度高以及制备成本低等特点，从而有助于提高本发明制备的超高性能混凝土的知名度以及市场的竞争力。因此，本发明所述的超高性能混凝土是一款综合性能高的混凝土。

(2)本发明中通过对矿渣粉、硅灰、偏高岭土以及石英砂的进行限定，一方面确保本发明中所用的矿渣粉、硅灰、偏高岭土本身具有足够的活性，同时还能确保改性火山灰岩粉也具有足够的活性。另一方面，通过对矿渣粉、硅灰、偏高岭土以及石英砂的粒径进行限定，有利于组成超高性能混凝土中的各种粉体颗粒紧密堆积，从而提供本发明中所述的超高性能混凝土的力学强度。

(3)本发明中的改性火山灰岩粉制备过程中加入了由三乙醇胺、二乙醇胺与乙二醇组成的助磨剂，一方面，该助磨剂可优先吸附于火山灰岩粉的表面，降低表面能，同时助磨剂分子还可吸附于固体物料裂缝内壁上，阻止裂缝闭合、促进裂缝的扩大，从而起到助磨作用；另一方面，还可促进52.5级硅酸盐水泥颗粒的离子溶出，加速水泥熟料矿物相硅酸三钙的早期水化。而激发剂水玻璃(硅酸钠模数1)与氢氧化钠溶液不仅让颗粒与碱激发组分充分接触，分散均匀，也使得碱激发剂分子在颗粒表面裂缝处汇集，随着颗粒表面能的累积，火山灰岩粉的反应活性得到显著提升。本发明中的高级脂肪酸、钛酸酯与有机铬表面改性剂可优先吸附于多孔的火山灰岩粉颗粒表面，降低聚羧酸系减水剂的对改性火山灰岩粉的吸附，提高了聚羧酸系减水剂的塑化效果，同时火山灰岩粉颗粒表面亲水基团增加了颗粒间的流动性，提高了利用改性火山灰岩粉制备超高性能混凝土的流动性。

具体实施方式

1、52.5级硅酸盐水泥：

本发明中的52.5级硅酸盐水泥的比表面积不小于450m²/Kg、初凝时间不小于45min以及初凝时间不大于400min。

2、聚羧酸改性纳米C-S-H：

本发明中的聚羧酸改性纳米C-S-H是指用聚羧酸改性的纳米水化硅酸钙。

3、火山灰岩粉的制备：

本发明中的3mm的火山灰岩粉通过三级破碎制得，具体包括以下三级破碎：

步骤S1、将火山灰岩放入颚式破碎机，破碎至粒径小于300mm的火山灰岩颗粒。

步骤S2、将步骤S1获得的火山灰岩颗粒用圆锥破碎机进一步破碎，获得平均粒径小于30mm的火山灰岩小颗粒。

步骤S3、将步骤S2获得的火山灰岩小颗粒用辑压机碾碎至粒径3mm的火山灰岩粉。

下述实施例中的火山灰岩粉均采用上述方法进行制备。

实施例

下面结合实施例对本发明的技术方案进一步进行清楚、完整地描述，其中，本发明实施例所用原材料均为市售。

实施例1

一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土，按重量份计，包括以下各组分：

将上述各组分混合搅拌2-3min后，得到超高性能混凝土，并将该实施例中获得的超高性能混凝土进行扩展度、保持性和抗压强度的性能测试，其性能测试结果如表1所示。

具体地，矿渣粉的表面积为300-350m²/kg、含水量不大于1％、烧失量不大于2％。硅灰的平均粒径为1-3μm、容重为1650-1750kg/m³；其中，粒径为小于1μm的硅灰的质量为硅灰质量的80％。偏高岭土的活性指数大于110、烧失量小于0.7％、平均粒径为10-μm。石英砂由平均粒径为20目的石英砂、平均粒径为40目的石英砂和平均粒径为70目的石英砂按质量比为6:3:1组成。氧化石墨烯的浓度为3.0％，所述羧酸改性纳米C-S-H的平均粒径为40nm。改性火山灰岩粉用助磨剂、表面活性剂和活性激发剂对平均粒径为3mm的火山灰岩粉改性后获得，改性火山灰岩粉的制备具体包括以下步骤：

步骤1、采用上述通过将火山灰岩石通过三级破碎获得平均粒径为3mm的火山灰岩石粉。

步骤2、按重量份计，将步骤1获得的火山灰岩石粉100份放入到球磨机中，并按重量份计依次往球磨机中加入三乙醇胺0.01份、乙二醇0.01份和二乙醇胺0.01份，并粉磨20min；然后再往球磨机中加入水玻璃1份和氢氧化钠2份，再继续研磨1h；其中，水玻璃的模数为1，氢氧化钠的质量浓度为40％。

步骤3、在步骤2的基础上，当粉磨1h后，按重量份计，继续往粉磨机中加入高级脂肪酸0.01份、钛酸酯0.02份和有机铬0.02份并继续粉磨，直至获得比表面积在500m²/kg的改性火山灰岩粉。

实施例2

一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土，按重量份计，包括以下各组分：

将上述各组分混合搅拌2-3min后，得到超高性能混凝土，并将该实施例中获得的超高性能混凝土进行扩展度、保持性和抗压强度的性能测试，其性能测试结果如表1所示。

具体地，矿渣粉的表面积为300-350m²/kg、含水量不大于1％、烧失量不大于2％。硅灰的平均粒径为1-3μm、容重为1650-1750kg/m³；其中，粒径为小于1μm的硅灰的质量为硅灰质量的80％。偏高岭土的活性指数大于110、烧失量小于0.7％、平均粒径为20μm。石英砂由平均粒径为40目的石英砂、平均粒径为70目的石英砂和平均粒径为140目的石英砂按质量比为6:3:1组成。氧化石墨烯的浓度为3.0％，所述羧酸改性纳米C-S-H的平均粒径为80nm。改性火山灰岩粉用助磨剂、表面活性剂和活性激发剂对平均粒径为3mm的火山灰岩粉改性后获得，改性火山灰岩粉的制备具体包括以下步骤：

步骤1、采用上述通过将火山灰岩石通过三级破碎获得平均粒径为3mm的火山灰岩石粉。

步骤2、按重量份计，将步骤1获得的火山灰岩石粉100份放入到球磨机中，并按重量份计依次往球磨机中加入三乙醇胺0.04份、乙二醇0.03份和二乙醇胺0.03份，并粉磨40min；然后再往球磨机中加入水玻璃3份和氢氧化钠5份，再继续研磨1h；其中，水玻璃的模数为1，氢氧化钠的质量浓度为40％。

步骤3、在步骤2的基础上，当粉磨1h后，按重量份计，继续往粉磨机中加入高级脂肪酸0.04份、钛酸酯0.05份和有机铬0.05份并继续粉磨，直至获得比表面积在550m²/kg的改性火山灰岩粉。

实施例3

一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土，按重量份计，包括以下各组分：

将上述各组分混合搅拌2-3min后，得到超高性能混凝土，并将该实施例中获得的超高性能混凝土进行扩展度、保持性和抗压强度的性能测试，其性能测试结果如表1所示。

具体地，矿渣粉的表面积为300-350m²/kg、含水量不大于1％、烧失量不大于2％。硅灰的平均粒径为1-3μm、容重为1650-1750kg/m³；其中，粒径为小于1μm的硅灰的质量为硅灰质量的80％。偏高岭土的活性指数大于110、烧失量小于0.7％、平均粒径为15μm。石英砂由平均粒径为30目的石英砂、平均粒径为55目的石英砂和平均粒径为105140目的石英砂按质量比为6:3:1组成。氧化石墨烯的浓度为3.0％，所述羧酸改性纳米C-S-H的平均粒径为6080nm。改性火山灰岩粉用助磨剂、表面活性剂和活性激发剂对平均粒径为3mm的火山灰岩粉改性后获得，改性火山灰岩粉的制备具体包括以下步骤：

步骤1、采用上述通过将火山灰岩石通过三级破碎获得平均粒径为3mm的火山灰岩石粉。

步骤2、按重量份计，将步骤1获得的火山灰岩石粉100份放入到球磨机中，并按重量份计依次往球磨机中加入三乙醇胺0.03份、乙二醇0.02份和二乙醇胺0.02份，并粉磨30min；然后再往球磨机中加入水玻璃2份和氢氧化钠4份，再继续研磨1h；其中，水玻璃的模数为1，氢氧化钠的质量浓度为40％。

步骤3、在步骤2的基础上，当粉磨1h后，按重量份计，继续往粉磨机中加入高级脂肪酸0.02份、钛酸酯0.04份和有机铬0.04份并继续粉磨，直至获得比表面积在520m²/kg的改性火山灰岩粉。

对比例1

一种混凝土，按重量份计，包括以下各组分：

将上述各组分混合搅拌2-3min后，得到超高性能混凝土，并将该实施例中获得的超高性能混凝土进行扩展度、保持性和抗压强度的性能测试，其性能测试结果如表1所示。

数据分析：

将上述实施例1-3获得的高性能混凝土进行扩展度、保持性和抗压强度的性能测试。扩展度及其保持性按照GB8076-2008《混凝土外加剂》标准规定的方法进行测试，抗压强度按照GB/T 31387-2015《活性粉末混凝土》规定的方法进行测试。其性能测试结果如表1所示。

表1各实施例获得的高性能混凝土性能测试表

综上所述，本发明解决现有技术中的技术缺陷。本发明通过加入改性火山灰岩粉，提高了高性能混凝土的塑化效果和流动性，并同时降低了其制备成本，从而有助于提高本发明制备的超高性能混凝土的知名度以及市场的竞争力。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，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。

Claims (10)

1.一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土，其特征在于，按重量份计，包括以下组分：

2.根据权利要求1所述的一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土，其特征在于，所述矿渣粉的表面积为300-350m²/kg、含水量不大于1％以及烧失量不大于2％。

3.根据权利要求1所述的一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰的平均粒径为1-3μm，容重为1650-1750kg/m³；其中，硅灰中粒径为小于1μm的硅灰的质量为硅灰质量的80％。

4.根据权利要求1所述的一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土，其特征在于，所述偏高岭土的活性指数大于110、烧失量小于0.7％以及平均粒径为10-20μm。

5.根据权利要求1所述的一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土，其特征在于，所述石英砂由平均粒径为20-40目的石英砂、平均粒径为40-70目的石英砂和平均粒径为70-140目的石英砂按质量比为6:3:1组成。

6.根据权利要求1所述的一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土，其特征在于，所述氧化石墨烯的浓度为3.0％，所述羧酸改性纳米C-S-H的平均粒径为40-80nm。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土，其特征在于，所述改性火山灰岩粉用助磨剂、表面活性剂和活性激发剂对平均粒径为3mm的火山灰岩粉改性后获得；其中，获得的改性火山灰岩粉的比表面积为500-550m²/kg。

8.根据权利要求7所述的一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土，其特征在于，所述助磨剂由三乙醇胺、乙二醇和二乙醇胺组成，所述表面改性剂由高级脂肪酸、钛酸酯和有机铬组成，所述活性激活剂由氢氧化钠和水玻璃组成；其中，按重量份计，所述三乙醇胺、乙二醇、二乙醇胺、高级脂肪酸、钛酸酯、有机铬、氢氧化钠、水玻璃和火山灰岩粉各组分分别为：0.01-0.04份、0.01-0.03份、0.01-0.03份、0.01-0.04份、0.02-0.05份、0.02-0.05份、2-5份、1-3份、100份。

9.根据权利要求8所述的一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土，其特征在于，所述水玻璃的模数为1；所述氢氧化钠的质量浓度为40％。

10.根据权利要求9所述的一种利用改性火山灰岩粉制备的超高性能混凝土，其特征在于，所述改性火山灰岩粉的制备方法具体包括以下步骤：

步骤1、将火山灰岩石通过三级破碎获得平均粒径为3mm的火山灰岩石粉；

步骤2、将步骤1获得的火山灰岩石粉放入到球磨机中，并依次往球磨机中加入三乙醇胺、乙二醇和二乙醇胺，并研磨20-40min；然后再往球磨机中加入水玻璃和氢氧化钠，再继续研磨1h；

步骤3、在步骤2的基础上，当粉磨1h后，继续往粉磨机中加入高级脂肪酸、钛酸酯和有机铬并继续粉磨，直至改性火山灰岩石粉的比表面积为(500-550)m²/kg。