CN113636813A - 活性粉末混凝土、其制备方法及其应用 - Google Patents

活性粉末混凝土、其制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种活性粉末混凝土、其制备方法及其应用，该活性粉末混凝土的成分以重量份计包括：水泥670～710份，硅灰80～120份，粉煤灰230～270份，石英砂1000～1050份，水170～220份，减水剂31～35份，钢纤维130～170份，纳米矿物60～80份，氧化石墨烯25～27份。其能够形成超密实的结构体系，具有较高的防水性，不易受外界物质的侵蚀，能够较好的抵抗氯离子的侵蚀，提高构件的耐久性，具有高强的抗压强度和抗拉强度。其抗压强度平均值在225‑270MPa，一些特定配比甚至能达到270MPa以上。该制备方法所用水泥量少、CO2排放量少，对环境友好，有利于工业化生产推广。

Description

活性粉末混凝土、其制备方法及其应用
技术领域
本发明属于混凝土材料技术领域，具体涉及一种活性粉末混凝土、其制备方法及其应用。
背景技术
现代建筑的高速发展，超大跨度和超高层建筑结构大量运用，建筑高度越高底层框架柱所承担的竖向荷载越大，这就使得框架柱截面过大、占用过多的使用面积和剪跨比小的短柱等问题。为满足工程结构轻质、高层、大跨度、良好腐蚀性、高耐久性等各方面的性能要求，使用高性能材料，可显著提高构件和结构的承载能力，降低材料用量，减少资源消耗和有利于可持续发展。
活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)是一种具有超高强度、高耐久性和高韧性的新型混凝土材料。RPC具有良好的力学性能，抗压强度可达100MPa以上，抗拉强度可达5MPa以上，断裂能高达12-40kJ/m2，其在大型桥梁、海洋工程、高层建筑、军事工程等多个领域开始运用。但是，目前制备的RPC强度为100-180MPa左右，更高强度的RPC配制方法尚未解决。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中活性粉末混凝土强度不足的缺陷，本发明提供一种活性粉末混凝土。
本发明的另一目的是提供一种上述活性粉末混凝土的制备方法。
本发明的第三个目的是提供一种上述活性粉末混凝土的应用。
技术方案：本发明所述的一种活性粉末混凝土，成分以重量份计包括：水泥670～710份，硅灰80～120份，粉煤灰230～270份，石英砂1000～1050份，水170～220份，减水剂31～35份，钢纤维130～170份，纳米矿物60～80份，氧化石墨烯25～28份。
该活性粉末混凝土基于最紧密堆积理论，采用石英砂代替粗骨料，纳米矿物作为纳米级填充料，优化颗粒级配，提高基体密实性，降低孔隙率，形成超密实的结构体系；加入氧化石墨烯，利用其中具有的大量的羟基、羧基等官能团，解决纳米矿物在混凝土中分散不均匀问题，充分发挥纳米矿物的反应活性和成核效应，提高凝胶的数量和均匀性，产生更加致密的微观结构；并且氧化石墨烯也能改善活性粉末混凝土的结晶产物，有利于形成规整、相似的晶体结构，减小大孔孔隙率，提高活性粉末混凝土材料的韧性；使用减水剂提高拌合物流动性，降低了RPC水胶比，促进水泥快速水化，提高RPC强度；加入钢纤维提高基体的强度、增强韧性，在RPC受力过程中，钢纤维也能有效抑制裂缝发展。
优选的，该活性粉末混凝土，成分以重量份计包括：水泥690～700份，硅灰100～110份，粉煤灰250～265份，石英砂1030～1050份，水210～220份，减水剂32～35份，钢纤维156～167份，纳米矿物70～75份，氧化石墨烯26～28份。
其中，所述水泥为普通硅酸盐水泥。
所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰。
所述硅灰为活性矿物掺合料，质量分数为93.3±1％，密度为2.12±0.1g/cm3，比表面积为18.1±0.2m2/g，粒径为0.1～0.3μm。
所述石英砂包括三种不同粒径石英砂混合，分别为30-45目、45-100目、100-150目。三者重量比例约为1.18:1.23:1，三者具有良好的颗粒级配。
所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水剂的pH值为6～8，减水率为25～40％，比重为1.08±0.02g/cm3，固形物含量为35～40％。
所述氧化石墨烯厚度为1～1.5纳米，延展尺寸为0.5～5微米。
所述钢纤维为镀铜钢纤维，平均长度为13mm，平均直径为0.18mm。
本发明提供的一种上述活性粉末混凝土的制备方法所采用的技术方案，包括如下步骤：
(1)将按重量份称取的石英砂和钢纤维投入到搅拌机中，搅拌均匀得混合料；
(2)将按重量份称取的水泥、粉煤灰、硅灰、纳米矿物投入到混合料中，经拌合均匀得到干料；
(3)按重量称取水和减水剂，将氧化石墨烯加入部分水和部分减水剂，经50Hz超声波分散40min，制得混合液；
(4)将剩余水、减水剂及步骤(3)中制得的混合液投入步骤(2)制得的干料中，搅拌均匀，既得。
本发明提供的上述活性粉末混凝土的应用采用的技术方案，包括如下步骤：
(1)浇模：将搅拌完成的活性粉末混凝土湿料浇筑于模具中，装模完毕后进行振捣，边振捣边抹平，待模具表面溢水时停止振捣，得到第一成型件；
(2)密封：将第一成型件表面密封，在室温条件下静置固化后拆模，得到水泥基材料成型件；
(3)热水养护：将水泥基材成型件进行热水养护，以2～3℃/min的升温速率由室温升温至130～150℃，养护2～4天。
有益效果：与现有技术相比，该活性粉末混凝土能够形成超密实的结构体系，具有较高的防水性，不易受外界物质的侵蚀，能够较好的抵抗氯离子的侵蚀，提高构件的耐久性，具有高强的抗压强度和抗拉强度。其抗压强度平均值在225-270MPa，一些特定配比甚至能达到270MPa以上。其制备方法所用水泥量少、CO2排放量少，主要材料之一粉煤灰为工业废弃物，是一种绿色、高性能混凝土材料，起到了资源再利用的作用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：成分为水泥690份，硅灰100份，粉煤灰250份，石英砂30-40目357份、45-100目373份、100-150目302份，钢纤维156份，水210份，减水剂32份，纳米矿物70份，氧化石墨烯26份。
其中，水泥选用绿杨牌P·O 52.5普通硅酸盐水泥。水泥的各项指标符合GB175-2007《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》的质量要求。
粉煤灰由灵寿县阔腾矿产品加工厂生产的Ⅰ级粉煤灰，其密度为2.6g/cm3，比表面积为600m2/kg。
硅灰选用上海胜阔化工科技有限公司生产的硅灰。SiO2含量为94％，堆积密度为330kg/m3，容重为1700kg/m3，平均粒径为0.2μm，比表面积为21.21m2/g，表观特征呈灰白色超细粉末状。
石英砂选用河北胜利石英砂厂有限公司生产的石英砂。
减水剂选用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，其pH值为6～8，减水率为25～40％，比重为1.08±0.02g/cm3，固形物含量为40％。
钢纤维选用北京中德新亚特种建材生产的平直型镀铜钢纤维，其平均长度为13mm，平均直径为0.18mm，抗拉强度2850MPa。
纳米矿物为纳米氧化硅，选用上海中冶新材料有限公司生产，粒径20～40nm，纯度99.9％，表观密度0.15g/cm3。
氧化石墨烯选用苏州碳丰石墨烯科技有限公司生产，氧化石墨烯厚度为1～1.5nm，延展尺寸为0.5～5微米。
将上述材料按照如下步骤制备活性粉末混凝土：
一、将按重量称取的石英砂和钢纤维投入到双轴卧轨式搅拌机中，搅拌均匀得混合料，搅拌时间为2min；
二、将按重量称取的水泥、粉煤灰、硅灰、纳米氧化硅投入到步骤一制得的混合料中，经拌合均匀得到干料，搅拌时间为3min；
三、按重量称取水和聚羧酸高性能减水剂，将氧化石墨烯加入适量的上述水和减水剂中，经50Hz超声波分散40min，制得混合液；
四、将剩余水、聚羧酸高性能减水剂及步骤三中制得的混合液投入步骤二制得的干料中，搅拌均匀，搅拌15min，所得即为本发明的活性粉末混凝土。
采用上述活性粉末混凝土制备试件，其制备成型养护方法按以下步骤进行：
一、浇模：将搅拌完成的石墨烯-纳米材料增强活性粉末混凝土湿料浇筑于100mm×100mm×100mm模具中，装模完毕后进行振捣，边振捣边抹平，待模具表面溢水时停止振捣，得到试件；
二、密封：将步骤一得到的试件表面用保鲜膜密封，在室温条件下静置24h，然后拆模，得到水泥基材料试件；
三、热水养护：将步骤二得到的试件进行热水养护，将水泥基材料试件以升温速率为2～3℃/min由室温升温至140℃，养护3天。
检测试验：
按国家标准普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T50081规定的方法测量RPC抗压强度和抗拉强度，抗压强度平均值能达到270MPa以上。如表1：
表1实施例1的活性粉末混凝土抗压强度
试块编号 抗压强度(MPa)
试块1 278.2
试块2 265.4
试块3 272.6
试块4 275.4
试块5 275
试块6 268.1
平均值 272.45
实施例2、实施例3除成分的配比外其他均与实施例1一致。
其中，实施例2的成分为水泥670份，硅灰105份，粉煤灰265份，石英砂30-40目377份，45-100目364份，100-150目291份，钢纤维167份，水198份，减水剂35份，纳米矿物74份，氧化石墨烯25份。
其抗压强度如表2所示：
表2实施例2的活性粉末混凝土抗压强度
试块编号 抗压强度(MPa)
试块1 228.3
试块2 233.6
试块3 218.4
平均值 226.8
实施例3的成分为水泥710份，硅灰110份，粉煤灰234份，石英砂30-40目381份，45-100目352份，100-150目294份，钢纤维151份，水218份，减水剂31份，纳米矿物68份，氧化石墨烯26份。
其抗压强度如表3所示：
表3实施例3的活性粉末混凝土抗压强度
试块编号 抗压强度(MPa)
试块1 254.2
试块2 244.7
试块3 262.6
平均值 253.8
可见，本发明的活性粉末混凝土抗压强度平均值在225-270MPa，在一些特定配比时甚至能达到270MPa以上。

Claims (10)

1.一种活性粉末混凝土，其特征在于，成分以重量份计包括：水泥670～710份，硅灰80～120份，粉煤灰230～270份，石英砂1000～1050份，水170～220份，减水剂31～35份，钢纤维130～170份，纳米矿物60～80份，氧化石墨烯25～28份。
2.根据权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰。
4.根据权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征在于，所述硅灰为活性矿物掺合料，质量分数为93.3±1％，密度为2.12±0.1g/cm3，比表面积为18.1±0.2m2/g，粒径为0.1～0.3μm。
5.根据权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征在于，所述石英砂包括三种不同粒径石英砂混合，分别为30-45目、45-100目、100-150目。
6.根据权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水剂的pH值为6～8，减水率为25～40％，比重为1.08±0.02g/cm3，固形物含量为35～40％。
7.根据权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征在于，所述氧化石墨烯厚度为1～1.5纳米，延展尺寸为0.5～5微米。
8.根据权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征在于，所述钢纤维为镀铜钢纤维，平均长度为13mm，平均直径为0.18mm。
9.一种根据权利要求1所述的活性粉末混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将按重量份称取的石英砂和钢纤维投入到搅拌机中，搅拌均匀得混合料；
(2)将按重量份称取的水泥、粉煤灰、硅灰、纳米矿物投入到混合料中，经拌合均匀得到干料；
(3)按重量称取水和减水剂，将氧化石墨烯加入部分水和部分减水剂，经50Hz超声波分散40min，制得混合液；
(4)将剩余水、减水剂及步骤(3)中制得的混合液投入步骤(2)制得的干料中，搅拌均匀，既得。
10.一种根据权利要求1所述的活性粉末混凝土的应用，其特征在于，包括如下步骤：
(1)浇模：将搅拌完成的活性粉末混凝土湿料浇筑于模具中，装模完毕后进行振捣，边振捣边抹平，待模具表面溢水时停止振捣，得到第一成型件；
(2)密封：将第一成型件表面密封，在室温条件下静置固化后拆模，得到水泥基材料成型件；
(3)热水养护：将水泥基材成型件进行热水养护，以2～3℃/min的升温速率由室温升温至130～150℃，养护2～4天。
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Application publication date: 20211112

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