CN113248201A - 一种早强微膨胀超高性能混凝土及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种早强微膨胀超高性能混凝土及其制备方法和应用，属于建筑材料技术领域，包括：脱硫渣25～175份、粉煤灰25～175份、水泥600～905份、硅灰81～124份、砂子852～1200份、减水剂15～26份、钢纤维170～180份和水。本发明通过原材料改性，控制组分组成及各组分的用量，各组分配合作用，使得混凝土具有微膨胀性，且膨胀性能主要在早期释放，在后期趋于稳定，并具有较高的抗压强度。实施例的结果显示，本发明提供的混凝土的3d膨胀率为21.12με、7d膨胀率为61.16με、15d膨胀率为196.17με、28d膨胀率为196.68με，90d抗压强度为100.07MPa。

Description

一种早强微膨胀超高性能混凝土及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种早强微膨胀超高性能混凝土及其制备方法和应用。
背景技术
超高性能混凝土是新一代的水泥基土木工程材料，与传统混凝土相比，具有水胶比低、胶凝材料掺量较高、基体密实程度高等材料特性，它解决了结构工程向高度更高、跨度更大、荷载更重的方向发展的要求，同时适应了时代发展的要求，使混凝土性能得到了更大的提升。
但是，由于低水胶比和高水泥用量，超高性能混凝土在搅拌成型后的一两天内出现很高的自收缩变形，是早期开裂的潜在隐患，自收缩变形引起的裂缝在一定程度上降低了其耐久性，使其在建设领域的应用前景受到限制。目前现有技术中通常掺入粉煤灰以减少收缩，但无法补偿收缩达到微膨胀，早期开裂问题仍没有得到有效的解决。
因此，如何补充收缩达到微膨胀以解决混凝土早期开裂的问题成为现有技术的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种早强微膨胀超高性能混凝土及其制备方法和应用。本发明提供的混凝土具有微膨胀性、自密实、高强等优异性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种早强微膨胀超高性能混凝土，包括如下重量份数的组分：脱硫渣25～175份、粉煤灰25～175份、水泥600～905份、硅灰81～124份、砂子852～1200份、减水剂15～26份、钢纤维170～180份和水；所述早强微膨胀超高性能混凝土的水胶比为0.15～0.21。
优选地，所述脱硫渣的比表面积为600m2/kg以上。
优选地，所述粉煤灰的比表面积为590m2/kg以上，所述粉煤灰中粒径小于5μm的颗粒占90％以上。
优选地，所述硅灰为球型颗粒，所述硅灰的粒径为0.08～0.18μm。
优选地，所述砂子为河砂，所述砂子的细度模数为2.3～3.0。
优选地，所述钢纤维为直端型，所述钢纤维的长径比为60～80。
优选地，所述水泥为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥。
优选地，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
本发明提供了上述技术方案所述早强微膨胀超高性能混凝土的制备方法，包括：
(1)将水泥、脱硫渣、粉煤灰、砂子和硅灰混合，得到混合料A；
(2)将所述步骤(1)得到的混合料A与水和减水剂混合，得到混合料B；
(3)将所述步骤(2)得到的混合料B与钢纤维混合后养护，得到早强微膨胀超高性能混凝土。
本发明还提供了上述技术方案所述早强微膨胀超高性能混凝土或按照上述技术方案所述制备方法制备的早强微膨胀超高性能混凝土在建筑领域的应用。
本发明提供了一种早强微膨胀超高性能混凝土，包括如下重量份数的组分：脱硫渣25～175份、粉煤灰25～175份、水泥600～905份、硅灰81～124份、砂子852～1200份、减水剂15～26份、钢纤维170～180份和水；所述水胶比为0.15～0.21。本发明利用脱硫渣、粉煤灰、硅灰和水泥作为胶凝材料，脱硫渣具有自硬性、火山灰活性、膨胀性的特点可补偿混凝土收缩产生自膨胀；粉煤灰能够补充一部分混凝土的收缩，保证混凝土的和易性和强度；硅灰能够提高混凝土和易性和耐久性；钢纤维能够提高混凝土的拉伸强度和抗裂性。通过对原材料改性，并控制组分组成及各组分的用量，各组分配合作用，使得混凝土具有微膨胀性，且膨胀性能主要在早期释放，在后期趋于稳定，避免后期膨胀导致胀裂现象，并具有较高的抗压强度。实施例的结果显示，本发明提供的混凝土的3d膨胀率为21.12με、7d膨胀率为61.16με、15d膨胀率为196.17με、28d膨胀率为196.68με，90d抗压强度为100.07MPa。
具体实施方式
本发明提供了一种早强微膨胀超高性能混凝土，包括如下重量份数的组分：脱硫渣25～175份、粉煤灰25～175份、水泥600～905份、硅灰81～124份、砂子852～1200份、减水剂15～26份、钢纤维170～180份和水；所述早强微膨胀超高性能混凝土的水胶比为0.15～0.21。
按重量份数计，本发明提供的早强微膨胀超高性能混凝土包括脱硫渣25～175份，进一步优选为50～150份，更优选为70～120份，最优选为90～100份。在本发明中，所述脱硫渣自身具备火山活性，能够发挥较好的火山灰反应，而且具有一定的膨胀性，改善超高性能混凝土的收缩性，使其产生微膨胀，避免因收缩出现开裂问题，提高产品性能。本发明将脱硫渣的重量份数限定在上述范围内，能够使得产物具有合适的微膨胀率，提高产品的性能。
在本发明中，所述脱硫渣的比表面积优选为600m2/kg以上。本发明将脱硫渣的比表面积限定在上述范围内，能够降低脱硫渣的粒径，使膨胀集中在早期释放，且反应更加充分，形成的凝胶越多，越有利于提高产品强度，同时粒径较小其填充效应越好，进一步提高产品的性能。
在本发明中，所述脱硫渣优选为磨细脱硫渣。在本发明中，所述磨细脱硫渣优选由球磨机粉磨得到。在本发明中，所述粉磨的转速优选为1440rpm，所述粉磨的时间优选为60min。在本发明中，所述粉磨有利于脱硫渣中硬石膏的活化，使其在早期即可参与水化反应生成钙矾石，让膨胀在早期释放，避免后期膨胀导致产品胀裂，进一步提高产品性能。
本发明对所述脱硫渣的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的脱硫渣即可。在本发明中，所述脱硫渣优选来自山西平朔煤矸石电厂的煤矸石脱硫渣。在本发明中，所述脱硫渣来源广泛，且能够变废为宝，实现固体废弃物的资源化利用，节约成本。
以脱硫渣的质量为25～175份计，本发明提供的早强微膨胀超高性能混凝土包括粉煤灰25～175份，进一步优选为50～150份，更优选为70～120份，最优选为90～100份。在本发明中，所述粉煤灰作为胶凝材料，能够改善混凝土拌合物的和易性，增强混凝土的可泵性，同时含有大量的二氧化硅，能够促进水泥的二次水化生成更多的水化硅酸钙凝胶，提高产品的强度，同时能够补偿一部分混凝土的收缩，进一步提高产品性能。本发明将粉煤灰的重量份数限定在上述范围内，能够进一步提高产品的力学强度并减小收缩性。
在本发明中，所述粉煤灰的比表面积优选为590m2/kg以上。在本发明中，所述粉煤灰中优选粒径小于5μm的颗粒占90％以上。本发明将粉煤灰的比表面积限定在上述范围内，能够降低粉煤灰的粒径，使反应更加充分，形成的凝胶越多，越有利于提高产品强度，同时粒径较小其填充效应越好，进一步提高产品的性能。
在本发明中，所述粉煤灰优选为磨细粉煤灰。在本发明中，所述磨细粉煤灰优选经球磨机粉磨。在本发明中，所述粉磨的转速优选为1440rpm，所述粉磨的时间优选为30min。
以脱硫渣的质量为25～175份计，本发明提供的早强微膨胀超高性能混凝土包括水泥600～905份，进一步优选为700～900份，更优选为750～850份，最优选为780～820份。在本发明中，所述水泥作为主要的胶凝材料，形成混凝体基体。本发明将水泥的重量份数限定在上述范围内，能够与其他组分配合，形成较多的凝胶物质，提高产品的强度，并能减少收缩，具有微膨胀性能。
在本发明中，所述水泥优选为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥。在本发明中，所述水泥来源广泛，能够降低生产成本。
以脱硫渣的质量为25～175份计，本发明提供的早强微膨胀超高性能混凝土包括硅灰81～124份，进一步优选为90～120份，更优选为100～110份。在本发明中，所述硅灰中含有大量二氧化硅，能够促进水泥的二次水化生成更多的水化硅酸钙凝胶，提高产品的强度，同时能够补偿一部分混凝土的收缩，进一步提高产品性能。本发明将硅灰的重量份数限定在上述范围内，能够进一步提高产品的性能。
在本发明中，所述硅灰优选为球型颗粒。在本发明中，所述球型硅灰能够使混凝土具有较为合适的坍落度，便于施工。
在本发明中，所述硅灰的粒径优选为0.08～0.18μm，进一步优选为0.10～0.15μm，更优选为0.12～0.13μm。本发明将硅灰的粒径限定在上述范围内，能够与脱硫渣和粉煤灰的粒径形成适宜的级配，发挥更好的颗粒填充效应，使得产品具有自密实性能，进一步提高产品的力学性能。
以脱硫渣的质量为25～175份计，本发明提供的早强微膨胀超高性能混凝土包括砂子852～1200份，进一步优选为900～1150份，更优选为950～1100份，最优选为1000～1050份。在本发明中，所述砂子作为骨料，提高产品的强度。本发明将砂子的重量份数限定在上述范围内，能够使胶凝材料较为充分的包裹骨料，进一步提高产品的强度。
在本发明中，所述砂子优选为河砂。在本发明中，所述河砂来源广泛，能够降低生产成本。
在本发明中，所述砂子的细度模数优选为2.3～3.0。本发明将砂子的细度模数限定在上述范围内，能够保证从胶凝材料至骨料形成一个相对连续的粒径分布，又能保证产品具有良好的泵送性，进一步提高产品的性能。
以脱硫渣的质量为25～175份计，本发明提供的早强微膨胀超高性能混凝土包括减水剂15～26份，进一步优选为17～25份，更优选为19～23份，最优选为20～21份。本发明将减水剂的重量份数限定在上述范围内，能够有效减少用水量。
在本发明中，所述减水剂优选包括聚羧酸高效减水剂。在本发明中，所述聚羧酸高效减水剂与其他组分的相容性高，从而进一步提高产品性能。
以脱硫渣的质量为25～175份计，本发明提供的早强微膨胀超高性能混凝土包括钢纤维170～180份，进一步优选为172～178份，更优选为174～176份，最优选为175份。本发明将钢纤维的重量份数限定在上述范围内，能够在基体中形成牵拉作用，进一步提高产品的强度和抗裂性。
在本发明中，所述钢纤维优选为直端型钢纤维；所述钢纤维的长径比优选为60～80。本发明将钢纤维的形状和长径比限定在上述范围内，钢纤维具有较为适宜的长径比，能够较为均匀的分散在产品中，进一步提高产品的强度和抗裂性。
本发明提供的早强微膨胀超高性能混凝土包括水。在本发明中，所述早强微膨胀超高性能混凝土的水胶比为0.15～0.21，进一步优选为0.17～0.20，更优选为0.18～0.19。本发明将水胶比限定在上述范围内，能够使胶凝物质与水充分反应形成更多的凝胶，进一步提高产品的性能。
本发明利用脱硫渣、粉煤灰、硅灰和水泥作为胶凝材料，脱硫渣具有自硬性、火山灰活性、膨胀性的特点，可补偿混凝土收缩产生自膨胀，粉煤灰能够补偿一部分混凝土的收缩，保证混凝土的和易性和强度，硅灰能够提高混凝土和易性和耐久性，钢纤维能够提高混凝土的拉伸强度和抗裂性，控制组分组成及各组分的用量，各组分配合作用，使得混凝土具有微膨胀性，且膨胀性能主要在早期释放，在后期趋于稳定，避免后期膨胀导致胀裂现象，并具有较高的抗压强度；各组分来源广泛且能够变废为宝，降低生产成本。
本发明提供了上述技术方案所述早强微膨胀超高性能混凝土的制备方法，包括：
(1)将水泥、脱硫渣、粉煤灰、砂子和硅灰混合，得到混合料A；
(2)将所述步骤(1)得到的混合料A与水和减水剂混合，得到混合料B；
(3)将所述步骤(2)得到的混合料B与钢纤维混合后养护，得到早强微膨胀超高性能混凝土。
本发明将水泥、脱硫渣、粉煤灰、砂子和硅灰混合，得到混合料A。
本发明对所述水泥、脱硫渣、粉煤灰、砂子和硅灰的混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的物料混合的技术方案即可。在本发明中，所述混合优选在搅拌条件下进行，所述搅拌优选为机械搅拌。
得到混合料A后，本发明将所述混合料A与水和减水剂混合，得到混合料B。
本发明对所述混合料A与水和减水剂的混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的物料混合的技术方案即可。在本发明中，所述混合优选在搅拌条件下进行，所述搅拌优选为机械搅拌。
得到混合料B后，本发明将所述混合料B与钢纤维混合后养护，得到早强微膨胀超高性能混凝土。
本发明对所述混合料B与钢纤维的混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的物料混合的技术方案即可。在本发明中，所述混合优选在搅拌条件下进行，所述搅拌优选为机械搅拌。
在本发明中，所述养护的温度优选为室温，所述养护的终点优选为产品硬化完全。在本发明中，所述养护优选在薄膜覆盖条件下进行。
本发明通过分步加料的方式制备混凝土，能够使各组分混合的更加均匀，避免团聚，从而进一步提高产品的性能。
本发明还提供了上述技术方案所述早强微膨胀超高性能混凝土在建筑领域的应用。本发明对所述早强微膨胀超高性能混凝土在建筑领域的应用没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的早强微膨胀超高性能混凝土在建筑领域的应用的技术方案即可。
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
本实施例的各组分组成为：磨细脱硫渣29.3份、磨细粉煤灰29.3份、强度等级42.5普通硅酸盐水泥841.4份、硅灰100份(球型颗粒，粒径为0.08～0.18μm)、河砂1000份(细度模数2.3～3.0)、聚羧酸高效减水剂20份、钢纤维177.43份(直端型，长径比60～80)和水180份，水胶比为0.18；
所述磨细脱硫渣由脱硫渣在球磨机中1440rpm下粉磨60min，比表面积为611.94m2/kg以上，所述磨细粉煤灰由粉煤灰在球磨机中1440rpm下粉磨30min，比表面积为595.91m2/kg以上；所述脱硫渣为山西平朔煤矸石电厂的煤矸石脱硫渣，脱硫渣中的主要化学成分及质量百分比为：SiO240～45％，Al2O323～26％，CaO 9～11％，SO34～7％，Fe2O32～5％，MgO 1～3％；
制备方法为：将强度等级42.5普通硅酸盐水泥841.4kg、磨细脱硫渣29.3kg、磨细粉煤灰29.3kg、硅灰100kg和河砂1000kg在混合均匀，再加入聚羧酸高效减水剂20kg、水180kg混合均匀，最后加入钢纤维177.43kg混合均匀，倒入模具中使用薄膜覆盖常温养护，待硬化后脱模得到早强微膨胀超高性能混凝土。
实施例2
将实施例1中的各组分组成替换为：磨细脱硫渣120份、磨细粉煤灰120份、强度等级42.5普通硅酸盐水泥840份、硅灰120份(球型颗粒，粒径为0.08～0.18μm)、河砂1200份(细度模数2.3～3.0)、聚羧酸高效减水剂24份、钢纤维177.43份(直端型，长径比60～80)和水180份，水胶比为0.15，其他参数及制备方法均与实施例1相同。
实施例3
将实施例1中的各组分组成替换为：磨细脱硫渣100份、磨细粉煤灰100份、强度等级42.5普通硅酸盐水泥700份、硅灰100份(球型颗粒，粒径为0.08～0.18μm)、河砂1000份(细度模数2.3～3.0)、聚羧酸高效减水剂20份、钢纤维177.43份(直端型，长径比60～80)和水180份，水胶比为0.18，其他参数及制备方法均与实施例1相同。
实施例4
将实施例1中的各组分组成替换为：磨细脱硫渣85.71份、磨细粉煤灰85.71份、强度等级42.5普通硅酸盐水泥600份、硅灰85.71份(球型颗粒，粒径为0.08～0.18μm)、河砂857.14份(细度模数2.3～3.0)、聚羧酸高效减水剂17.14份、钢纤维177.43份(直端型，长径比60～80)和水180份，水胶比为0.21，其他参数及制备方法均与实施例1相同。
测试实施例1～4中制备的产品的抗压强度和膨胀率，结果列于表1中。
表1实施例1～4中制备的产品的抗压强度和膨胀率
性能 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
7d抗压强度/MPa 67.54 77.00 70.74 67.02
28d抗压强度/MPa 86.88 93.27 89.06 88.19
90d抗压强度/MPa 95.83 100.07 95.06 91.55
3d膨胀率/με 19.65 21.12 28.65 23.22
7d膨胀率/με 59.03 61.16 58.04 41.08
15d膨胀率/με 191.96 196.17 201.24 159.61
28d膨胀率/με 192.34 196.68 201.77 162.43
从表1中可以看出，本发明提供的混凝土产品具有微膨胀性，且膨胀性能主要在早期释放，在后期趋于稳定，避免后期膨胀导致胀裂现象，同时产品具有较高的抗压强度。
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)

1.一种早强微膨胀超高性能混凝土，包括如下重量份数的组分：脱硫渣25～175份、粉煤灰25～175份、水泥600～905份、硅灰81～124份、砂子852～1200份、减水剂15～26份、钢纤维170～180份和水；所述早强微膨胀超高性能混凝土的水胶比为0.15～0.21。
2.根据权利要求1所述的早强微膨胀超高性能混凝土，其特征在于，所述脱硫渣的比表面积为600m2/kg以上。
3.根据权利要求1所述的早强微膨胀超高性能混凝土，其特征在于，所述粉煤灰的比表面积为590m2/kg以上，所述粉煤灰中粒径小于5μm的颗粒占90％以上。
4.根据权利要求1所述的早强微膨胀超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰为球型颗粒，所述硅灰的粒径为0.08～0.18μm。
5.根据权利要求1所述的早强微膨胀超高性能混凝土，其特征在于，所述砂子为河砂，所述砂子的细度模数为2.3～3.0。
6.根据权利要求1所述的早强微膨胀超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维为直端型，所述钢纤维的长径比为60～80。
7.根据权利要求1所述的早强微膨胀超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥。
8.根据权利要求1所述的早强微膨胀超高性能混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
9.权利要求1～8任意一项所述早强微膨胀超高性能混凝土的制备方法，包括：
(1)将水泥、脱硫渣、粉煤灰、砂子和硅灰混合，得到混合料A；
(2)将所述步骤(1)得到的混合料A与水和减水剂混合，得到混合料B；
(3)将所述步骤(2)得到的混合料B与钢纤维混合后养护，得到早强微膨胀超高性能混凝土。
10.权利要求1～8任意一项所述早强微膨胀超高性能混凝土或权利要求9所述制备方法制备的早强微膨胀超高性能混凝土在建筑领域的应用。
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