CN113402242A - 一种蒸养碱激发矿渣混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种蒸养碱激发矿渣混凝土及其制备方法，在高寒地区工程中应用时，蒸养时间缩短了1‑2小时，不仅可以利用强度高、抗冻性好和抗氯离子侵蚀性能强的特点，提升构件的质量,适应极端气候条件，还可以解决成型养护时间和施工周期长的问题，缩短构件的蒸养、拆模时间，大幅增加模具周转率，缩短施工周期，缓解冬季施工带来的不利影响；同时，掺入20‑30％的粉煤灰取代矿渣，采用蒸养制度有效解决了碱激发混凝土收缩开裂的问题；另外，不使用水泥制备混凝土大大降低了能源消耗和碳排放量，节能环保，采用机制砂取代河砂，降低了自然资源的使用量，节约了生产成本，对建筑业的健康、可持续发展具有重要的意义。
Description
技术领域：
本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种蒸养碱激发矿渣混凝土及其制备方法，应用于高寒地区的建筑工程。
背景技术：
高寒地区的极端环境条件：海拔较高，气压较低、气温较低且昼夜温差较大，对混凝土的养护有诸多不利影响，使混凝土的力学性能下降，对28d及以上龄期的混凝土影响更为显著，同时，耐久性也会显著降低，混凝土早期长时间处在高寒地区中，会在硬化之前受到多次冻融，产生内部缺陷，造成混凝土强度及耐久性下降。并且，由于冰雪天气较多，交通路桥面上广泛使用的除冰盐使得混凝土极易遭受氯离子侵蚀，加剧混凝土结构的破坏。现有技术中，应用于高寒地区的混凝土普遍具有成型养护时间和施工周期长、力学性能、抗盐冻性能有所不足等问题，给高寒地区的冬季施工带来了许多不利影响，另外，原材料多采用河砂等天然资源，也给自然资源带来了一定的负担。
另外，建筑业属于重要支柱产业，是推动经济社会发展的重要力量，而传统的建筑材料普遍存在能源消耗高、环境污染重、自然资源短缺等严重问题：预测建筑能耗达峰年份为2042年，达峰峰值为12.18亿吨标准煤，预测建筑碳排放达峰年份为2039年，达峰峰值为24.11亿吨二氧化碳。固体废弃物的资源化利用也是亟待解决的社会关注性问题，硅酸钠碱泥是生产泡花碱后排放的工业残渣，属于高碱废渣，每年排放约400-500万吨，由于缺乏有效地回收利用途径，大多数碱泥输送到堆场，容易造成碱泥中的碱向地下渗透，造成土壤水体污染，对环境安全产生威胁。
碱激发胶凝材料是以磨细的高炉矿渣、粉煤灰、电热磷渣等工业废料或火山灰等天然矿物作为潜在胶凝材料组分，以碱化合物或含碱工业废渣作为激发剂反应生成的一类水硬性新型无机非金属胶凝材料，具有快硬、早强、环保等特点，扩展了水硬性胶凝材料的使用范围，在建筑材料领域备受关注。与普通硅酸盐水泥(P.O)相比较，碱激发胶凝材料制备工艺简单、无需烧制、能耗低、成本低、市场广，具有更好的力学性能和更突出的耐久性能，被认为是21世纪最具发展潜力的绿色可持续发展胶凝材料。然而，碱矿渣水泥和普通硅酸盐水泥的水化产物具有差异性，且水玻璃激发的矿渣混凝土易产生收缩开裂，给工程施工带来很大难度。
中国专利201910835458.1公开的一种蒸养碱激发水泥的制备方法,由工业碱、石灰石和硅铝酸钾钠原料混合、磨细至全过100目筛的细度，然后在氧化气氛中于1250-1350℃充分煅烧后急冷得到干燥熟料，磨细熟料至200目筛余≤10％的细度后混合钠水玻璃制得水泥；所述的硅铝酸钾钠原料指化学组成必含SiO2、Al2O3、Na2O和/或K2O的固体物质，要求其在1100℃氧化煅烧后的残余物中，SiO2+Al2O3+Na2O+K2O+CaO+MgO的质量占比不少于95.0％，且在SiO2+Al2O3+Na2O+K2O+CaO+MgO的总质量中，各组份含量分别为CaO：0-5.0％，MgO：0-2.0％，SiO2：50.0-75.0％，Al2O3：15.0-35.0％，Na2O+K2O：5.0-11.0％；所述的工业碱指烧碱和/或纯碱，其掺量按所含的Na2O与硅铝酸钾钠原料在1100℃氧化煅烧后的质量之比计为0-2.0％；所述的钠水玻璃为含水溶性SiO2和Na2O的原料，其掺量按所含SiO2+Na2O的质量计为熟料粉的3.0-12.0％，钠水玻璃的模数为1.0-3.2，其制备的水泥具有快速硬化、强度高、原料广泛、廉价、低耗和低碳排放及性能稳定易控等特点。
基于高寒地区对混凝土的各项性能和施工条件提出的更高要求，特别是高强混凝土的抗冻性和抗氯离子侵蚀性能，研发一种适合高寒地区冬季施工的高强、高耐久混凝土，对于高寒地区的建筑工程具有重要意义。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种蒸养碱激发矿渣混凝土及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明涉及的蒸养碱激发矿渣混凝土的原料包括激发剂、矿渣、粉煤灰、粗骨料和细骨料，激发剂、矿渣、粉煤灰、粗骨料和细骨料的质量比为71：119：30：259：239；其中，激发剂是模数为1.8或2.0的水玻璃；矿渣的级别为S95，含水量为0.5％，密度为2.83g/cm3，比表面积为422m2/kg，烧失量＜0.1％，活性指数为97％；粉煤灰的级别为Ⅱ级，含水量为0.5％，细度为21.9％，需水量比为99％，烧失量为5.9％，活性指数为78％；粗骨料为5-25mm连续级配的碎石；细骨料为连续级配的机制砂，含水率为2％，细度模数为2.9。
本发明涉及的蒸养碱激发矿渣混凝土中机制砂替代河砂达到60％，胶凝材料中粉煤灰、矿渣替代水泥达到100％，大大减少了河砂和水泥的用量，每方混凝土的成本降低了40元，节省比例为6.7％；同时，减少了环境污染与资源浪费，符合资源化利用的政策，对于促进建筑行业低碳可持续发展，建设节约型、环境友好型社会具有重要意义。
本发明涉及的蒸养碱激发矿渣混凝土制备方法的工艺过程为：
使用喷雾壶对粗骨料进行润湿，称取3kg矿渣，对搅拌机进行涮膛；
按照设定的配合比，在搅拌机中，首先加入粗骨料和细骨料搅拌60s，然后加入矿渣和粉煤灰搅拌60s，最后加入碱激发剂搅拌90s；
使用振动法装模，抹平，覆盖保鲜膜，在室内环境中静置1h后置于蒸养箱，蒸养箱的升温速度不超过15℃/h，升至60℃后恒温2h，降温，降温速度不超过15℃/h，降至室温后取出拆模，置于温度为20±2℃、相对湿度大于95％的标准养护室中养护一天时间，得到蒸养碱激发矿渣混凝土。
本发明与现有技术相比，在高寒地区工程中应用时，蒸养时间缩短了1-2小时，不仅可以利用强度高、抗冻性好和抗氯离子侵蚀性能强的特点，提升构件的质量,适应极端气候条件，还可以解决成型养护时间和施工周期长的问题，缩短构件的蒸养、拆模时间，大幅增加模具周转率，缩短施工周期，缓解冬季施工带来的不利影响；同时，掺入20-30％的粉煤灰取代矿渣，采用蒸养制度有效解决了碱激发混凝土收缩开裂的问题；另外，不使用水泥制备混凝土大大降低了能源消耗和碳排放量，节能环保，采用机制砂取代河砂，降低了自然资源的使用量，节约了生产成本，对建筑业的健康、可持续发展具有重要的意义。
附图说明：
图1为本发明涉及的试验试件抗压强度随时间变化的示意图。
图2为本发明涉及的试验试件收缩率随时间变化的示意图。
具体实施方式：
下面通过实施实例并结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1：
本实施例涉及的蒸养碱激发矿渣混凝土的原料包括激发剂、矿渣、粉煤灰、粗骨料和细骨料；粉煤灰的质量百分比为20-30％；细骨料为机制砂，利用机制砂取代属于非再生资源的河砂是保护自然资源的必要手段，机制砂的含水量对蒸养碱激发矿渣混凝土的力学性能、耐久性能有很大的影响，因此，机制砂的含水量优选2％。
本实施例涉及的蒸养碱激发矿渣混凝土制备方法的工艺过程为：
使用喷雾壶对粗骨料进行润湿，使其达到饱和面干效果，因为粗骨料吸水率较大，在拌制过程中会吸水，吸水过多会导致实际用水量与配合比中的用水量差距较大，产生误差，
称取3kg矿渣，
对搅拌机进行涮膛，防止在拌制过程中部分浆体黏附于搅拌机内壁，造成浆体量不足；
按照设定的配合比，在搅拌机中，首先加入粗骨料和细骨料搅拌60s，然后加入矿渣和粉煤灰进搅拌60s，最后加入碱激发剂搅拌90s；
使用振动法装模，抹平，覆盖保鲜膜，在室内环境中静置1小时后置于蒸养箱，静置时间根据气温调整，静置区最低温度不低于5℃，蒸养箱的升温速度不超过15℃/h，升至60℃后恒温2h，降温，降温速度不超过15℃/h，降至室温后取出拆模，置于温度为20±2℃、相对湿度大于95％的标准养护室中养护一天时间。
本实施例将蒸养试件和以室温养护24h后，置于标准养护室中养护相应龄期的对照试件进行对比试验：
抗压强度试验试件的尺寸为100mm×100mm×100mm；抗冻性试验采用快冻法进行，试验试件的尺寸为100mm×100mm×400mm，使用弹性模量和质量的变化表征混凝土抗冻性能；混凝土干缩试验试件的尺寸为100mm×100mm×515mm；混凝土抗氯离子渗透性能试验采用交流电阻率法、电通量法和RCM法三种试验方法，试验试件的直径为100±1)mm，高度为50±2mm；
试验试件的配合比如下表所示：
试验结果：
1.力学性能
试验试件的1天、3天、7天和28天强度如下标所示：
试验试件的抗压强度随时间变化情况如图1所示，可知，蒸养试件(7-Ⅰ、7-Ⅱ、8-Ⅲ)经过60℃的蒸养，1d抗压强度为28d抗压强度的80％，大幅度缩短了蒸养和拆模时间，增加了模具的周转率，提高了生产效率；而对照试件(7-Ⅲ、8-Ⅰ、8-Ⅱ)的前期抗压强度较低，1d抗压强度不足10MPa，但增长较快，7d抗压强度为28d抗压强度的80％；相同条件下，2.0模数的水玻璃激发强度较1.8模数的水玻璃激发强度高约20％；掺粉煤灰的抗压强度有一定程度的下降。
2.抗冻性能
抗冻性能测试方法参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的快冻法进行，通过50次、100次、125次、150次、175次和200次冻融循环后测量质量损失率和相对动弹性模量表征混凝土的抗冻性能，试验结果如下表所示：
可知，各试验试件在200次冻融循环后均满足质量损失率≤5％、相对动弹性不小于60％的规范要求，抗冻性能良好；与室温养护的对照试件相比，经过60℃蒸养后的蒸养试件的质量损失率下降速度明显小于室温养护，相对动弹下降速度亦小于室温养护。同时，在相同冻融循环次数下，60℃蒸养后的试件质量损失小于室温养护试件，相对动弹性模量大于室温养护试件。可见，经过蒸汽养护后的碱激发试件抗冻性能有明显提高；同条件下，掺粉煤灰会降低蒸养试件的抗冻性能，与抗压强度结果一致。
3.干缩性能
干缩试验结果如下表：
收缩率随时间变化情况如图2所示，可知，蒸养试件的早期干缩率较大，随着龄期不断增加干缩率逐渐趋于平缓。7-Ⅰ、7-Ⅱ、8-Ⅲ三组蒸养试件的收缩率明显小于其他三组对照试件，干缩较小，可见养护温度的提高有利于降低蒸养试件的早期收缩；当采用60℃养护时，蒸养试件的干缩率随着水玻璃模数的增大而增大，这是由于随着模数的提高，碱激发矿渣的水化产物C-S-H凝胶增多，凝胶孔增多，导致干缩增大。
4.抗氯离子渗透性能
蒸养试件的抗氯离子渗透性能通过交流电阻率法、电通量法和RCM法分别测量电阻率、电通量和氯离子迁移系数，结果如下表所示：
可知，三种试验方法皆显示蒸养试件经过60℃蒸养后，结构更加密实，抗氯离子渗透性能更好。
本实施例涉及的蒸养碱激发矿渣混凝土为混凝土内部提供碱性环境，有利于钢筋表面钝化膜的生成，减缓钢筋锈蚀现象，提高混凝土的抗氯离子渗透性、抗碳化性和耐腐蚀性能，应用于高寒地区，利用碱激发混凝土快硬、早强等特性，有效改善成型养护时间和施工周期长的问题，缩短构件的蒸养、拆模时间，大幅增加模具周转率，缓解冬季施工带来的不利影响，提高生产效率；碱激发矿物掺合料的活性效应，能够降低结构孔隙率，提高混凝土致密度；利用机制砂代替河砂，粉煤灰部分取代矿渣，采用蒸养机制进行养护，有效改善混凝土的工作性能、力学性能、抗冻性能和抗氯离子侵蚀性能，减少碱激发混凝土的收缩开裂，有效应对高寒地区的极端条件；同时，还降低了施工与生产成本，减少了环境污染和CO2的排放，实现了绿色减量化的工程应用。
本实施例涉及的蒸养碱激发矿渣混凝土与应用于高寒地区的普通高强混凝土相比，力学性能好的同时，抗冻性能和抗氯离子渗透性能更好，能够改善高寒地区气温低、盐渍土分布广泛的极端条件对工程建设带来的不利影响，蒸养机制下的多体系碱激发混凝土，改善了碱激发混凝土的干缩性能，能够延长混凝土结构寿命，大幅减少维修成本，另外，其早期强度高，一天拆模强度即可满足力学性能要求，大大缩短了冬季施工周期，提高了生产效率，降低了施工成本。
Claims (10)
1.一种蒸养碱激发矿渣混凝土，其特征在于，原料包括激发剂、矿渣、粉煤灰、粗骨料和细骨料。
2.根据权利要求1所述的一种蒸养碱激发矿渣混凝土，其特征在于，激发剂、矿渣、粉煤灰、粗骨料和细骨料的质量比为71：119：30：259：239。
3.根据权利要求1或2所述的一种蒸养碱激发矿渣混凝土，其特征在于，激发剂是模数为1.8或2.0的水玻璃。
4.根据权利要求1或2所述的一种蒸养碱激发矿渣混凝土，其特征在于，矿渣的级别为S95，含水量为0.5％，密度为2.83g/cm3，比表面积为422m2/kg，烧失量＜0.1％，活性指数为97％。
5.根据权利要求1或2所述的一种蒸养碱激发矿渣混凝土，其特征在于，粉煤灰的级别为Ⅱ级，含水量为0.5％，细度为21.9％，需水量比为99％，烧失量为5.9％，活性指数为78％。
6.根据权利要求1或2所述的一种蒸养碱激发矿渣混凝土，其特征在于，粗骨料为5-25mm连续级配的碎石。
7.根据权利要求1或2所述的一种蒸养碱激发矿渣混凝土，其特征在于，细骨料为连续级配的机制砂，含水率为2％，细度模数为2.9。
8.一种蒸养碱激发矿渣混凝土制备方法，其特征在于，工艺过程为：
对粗骨料进行润湿，对搅拌机进行涮膛，称取3kg矿渣；
按照设定的配合比，在搅拌机中，首先加入粗骨料和细骨料搅拌，然后加入矿渣和粉煤灰搅拌，最后加入碱激发剂搅拌；
装模，抹平，覆盖保鲜膜，在室内环境中静置1h后置于蒸养箱，蒸养箱的升温速度不超过15℃/h，升至60℃后恒温2h，降温，降温速度不超过15℃/h，降至室温后取出拆模，置于标准养护室中养护1d，得到蒸养碱激发矿渣混凝土。
9.根据权利要求8所述的一种蒸养碱激发矿渣混凝土制备方法，其特征在于，加入粗骨料和细骨料的搅拌时间为60s；加入矿渣和粉煤灰的搅拌时间为60s；加入碱激发剂的搅拌时间为90s。
10.根据权利要求8所述的一种蒸养碱激发矿渣混凝土制备方法，其特征在于，标准养护室的温度为20±2℃，相对湿度大于95％。
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