CN113816640B - 一种凝灰岩基复合矿物掺合料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种凝灰岩基复合矿物掺合料，各组分及其所占重量份数包括：煅烧凝灰岩粉50～60份，煅烧粉煤灰20～30份，石灰石粉5～10份，可再分散性乳胶粉3～5份，脱硫石膏5～10份，纳米SiO210～15份。本发明所得凝灰岩基复合矿物掺合料可有效降低外加剂的使用量，同时有效保证所得混凝土的流动性、工作性、力学性能、长期耐久性能以及混凝土的表观质量；有效实现低品质粉煤灰及低活性凝灰岩的资源化利用，具有良好的经济和环境效益，适合推广应用。

Description

一种凝灰岩基复合矿物掺合料及其制备方法
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种凝灰岩基复合矿物掺合料及其制备方法。
背景技术
随着土木工程行业的迅速崛起与发展，建筑行业也进入了飞速发展的阶段，同时对于建筑材料的需求也显著增大，其中混凝土作为建筑行业用量最大的建筑材料更是需求量极大，这也导致混凝土的价格上涨幅度较大，矿物掺合料作为混凝土的重要组成部分，同样需求很大。
现有的粉煤灰、矿粉、硅灰等矿物掺合料的基础研究较为成熟，但低品质粉煤灰所含碳的密度较小，加入混凝土中会上浮形成黑色的一层悬浮物，硬化后上表面有黑色物质，影响混凝土的外观；同时碳的吸附特性能够促进含碳悬浮物吸附大量的水分子，造成混凝土试块的上部水分极大，而下部水分较少，进而导致混凝土各组分分布不均匀等问题，降低了混凝土的力学性能；此外，低品质粉煤灰的含碳不仅增加了用水量，同时会吸附大量的减水剂，使得减水剂不能发挥其应有的减水作用，降低了混凝土拌合物的工作性能和耐久性能，只能通过进一步增加减水剂用量解决拌合物性能差的这一问题，这进一步增加了混凝土的生产成本。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有的粉煤灰、矿粉和硅灰等矿物掺合料品质波动大，混凝土外加剂的用量大等问题，提供一种凝灰岩基复合矿物掺合料，可有效降低外加剂的使用量，同时能够改善混凝土的流动性、粘聚性和保水性等工作性、力学性能、长期耐久性能以及混凝土的表观质量，适合推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种凝灰岩基复合矿物掺合料，各组分及其所占重量份数包括：煅烧凝灰岩粉 50～60份，煅烧粉煤灰 20～30份，石灰石粉 5～10份，可再分散性乳胶粉 3～5份，脱硫石膏5～10份，纳米SiO2 10～15份。
上述方案中，所述煅烧凝灰岩粉通过将凝灰岩在500～800℃煅烧0.5～1h，并粉磨至其比表面积为380～420 m2/kg而成。
上述方案中，所述凝灰岩中各组分及其所占质量百分比包括：SiO2 50～70%，Al2O3 20～30%，CaO 0～3%，MgO 0～1%，K2O 0～2%，Na2O 0～1%。
上述方案中，所述煅烧粉煤灰的制备步骤包括：首先将粉煤灰以5～10℃/min的升温速率加热至100～200℃保温10～20min；接着以3～5℃/min的升温速率加热至600～700℃保温20～30min；再以2～5℃/min的升温速率加热至900～960℃，保温40～60min；然后以10～15℃/min的降温速率降温至100～200℃保温20～30min，再以2～5℃/min的升温速率加热至900～960℃保温30～60min，以10～15℃/min的降温速率降温至室温，最后粉磨至其比表面积为400～600 m2/kg；本发明采用煅烧工艺，并对其煅烧工艺进行优化，采用梯度升温-降温-重新升温的煅烧制度，有效促进粉煤灰内部硅氧键和铝氧键的断裂，激发其潜在活性；同时可有效去除残碳，并有效防止残碳其他杂质反应生成惰性材料等问题，有效保证所得煅烧粉煤灰的活性及在混凝土中的使用性能。
上述方案中，所述粉煤灰的化学组成及其所占质量百分比包括：SiO2 25～45%，Al2O3 30～40%，Fe2O3 1～4%，CaO 1～3%，MgO 0～1%，K2O 0～1%，Na2O 0～1%，SO3 0～1%，TiO2 0～1%，残碳 2～8%。
上述方案中，通过将石灰石置于JO-31-4型颚式破碎机破碎，然后将石灰石碎屑置于YXQM-4L行星式球磨机在280r/min的转速条件下，粉磨得比表面积为500～700m2/kg的石灰石粉。
上述方案中，所述可再分散性乳胶粉为工业级产品，纯度为98%。
上述方案中，所述脱硫石膏的比表面积为360～420m2/kg。
上述方案中，所述纳米SiO2的比表面积233000～400000m2/kg。
上述一种凝灰岩基复合矿物掺合料的制备方法，包括如下步骤：
1）原材料的称取，各组分及其所占重量份数包括：煅烧凝灰岩粉50～60份，煅烧粉煤灰20～30份，石灰石粉5～10份，可再分散性乳胶粉3～5份，脱硫石膏5～10份，纳米SiO2 10～15份；
2）将称取的煅烧凝灰岩粉、煅烧粉煤灰、石灰石粉、可再分散性乳胶粉、脱硫石膏和纳米SiO2置于WLD～0.5系列卧式螺带混合机中混合均匀，即得所述凝灰岩基复合矿物掺合料。
上述方案中，所述混合时间为20~30min。
将上述方案所得凝灰岩基复合矿物掺合料应用于制备高性能混凝土，各组分及其所占重量份数包括：水泥 130~180份，凝灰岩基复合矿物掺合料 150~190份，砂 750~850份，碎石 1100~1200份，水 120~160份，外掺外加剂 3~6份（外加剂占胶凝材料的总量的比例为1.0-2.0%）。
上述方案中，所述水泥可选用P·O 42.5。
上述方案中，所用砂为天然砂，细度模数2.3~2.7属于二区中砂；所用碎石为卵石，其粒径为5~20mm；外加剂选用高性能减水剂，其固含为15~25%，减水率为25%~45%。
本发明的原理为：
本发明以凝灰岩和粉煤灰为主要的矿物掺合料的原材料，采用高温煅烧的活化改性手段，促进二者内部硅氧键和铝氧键的断裂，激发两者的潜在活性，同时进一步调控对粉煤灰的煅烧制度和条件，有效去除粉煤灰中残余碳并保障速所得粉煤灰的活性，有效减少粉煤灰因含残余碳对混凝土中水和外加剂的吸附增加等问题，改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的力学性能和耐久性能，同时还能降低生产成本；
引入的脱硫石膏进一步对高温煅烧后的凝灰岩和粉煤灰进行硫酸盐类活化，对两者潜在活性进行深层次激发活化，同时能够调节混凝土的凝结时间；活性钙质组分的石灰石粉有利于促进水泥熟料中C3S的水化生成大量疏松多孔的网络状高钙硅比的C-S-H凝胶和Ca (OH)2，提高胶凝体系的碱度；具有高火山灰活性的纳米SiO2进一步迅速与生成的Ca(OH)2发生二次水化发应，生成大量低钙硅比的C-S-H凝胶填充高钙硅比C-S-H凝胶的网络状空隙，增加水化产物之间的密实度；再分散性乳胶粉的引入能够填充低钙硅比C-S-H凝胶内部的空隙以及不同钙硅比之间的空隙，进一步降低水化产物之间的空隙，形成水泥浆体互穿三维空间网络结构，提高胶凝材料的致密度，从而改善复合胶凝材料的力学性能，此外，石灰石粉和纳米SiO2均具有一定的保水性能，两者配合能极大地改善混凝土拌合物的工作性能，同时提高混凝土硬化后的耐久性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1）本发明以煅烧凝灰岩粉和煅烧粉煤灰为主要原料，可实现低品质粉煤灰及低活性凝灰岩的资源化利用，具有良好的经济和环境效益；
2）利用本发明所得凝灰岩基复合矿物掺合料可有效降低外加剂的使用量，同时可进一步改善所得混凝土的工作性（流动性、粘聚性和保水性等）、力学性能、长期耐久性能以及混凝土的表观质量，适合推广应用。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中，采用的凝灰岩由中建西部建设伊宁厂提供，其主要化学组成及所占质量百分比包括：SiO2 69.4%，Al2O3 23.9%，CaO 3%，MgO 0.46%，K2O 1.16%，Na2O 0.32%。
以下实施例中，采用的煅烧凝灰岩粉通过将凝灰岩至于YX～1600XA型高温炉中在750℃高温煅烧1h，然后粉磨至其比表面积为420 m2/kg而成。
以下实施例中，采用的粉煤灰由中建西部建设中心厂提供，其主要化学组成及所占质量百分比包括：SiO2 41.93%，Al2O3 35.19%，Fe2O3 2.95%，CaO 3%，MgO 0.74%，K2O0.46%，Na2O 0.14%，SO3 0.24%，TiO2 0.38%，残碳8%。
采用的煅烧粉煤灰通过将粉煤灰先以10℃/min的升温速率加热至200℃，保温20min；接着以3℃/min的升温速率加热至600℃，保温30min；再以2℃/min的升温速率加热至900℃，保温60min；然后以10℃/min的降温速率降温至200℃，保温30min，再以2℃/min的升温速率加热至960℃，保温30min，以15℃/min的降温速率降温至20℃，最后将煅烧粉煤灰粉磨至其比表面积为600 m2/kg而成。
采用的石灰石粉比表面积为700m2/kg，通过将石灰石置于JO-31-4型颚式破碎机破碎，然后将石灰石碎屑置于YXQM-4L行星式球磨机在280r/min的转速条件下粉磨得到；
可再分散性乳胶粉为工业级，其纯度为98%；脱硫石膏比表面积为420m2/kg；纳米SiO2比表面积400000m2/kg。
采用的水泥可选用P·O 42.5；砂为天然砂，细度模数2.5属于二区中砂；石为卵石，其粒径为5~20mm；采用的外加剂为ZJ-2005型高性能减水剂，固含为18%，减水率为35%；水为自来水。
实施例1
一种凝灰岩基复合矿物掺合料，其制备方法包括如下步骤：
1）原材料的称取，各组分及其所占重量份数包括：煅烧凝灰岩粉50份，煅烧粉煤灰22份，石灰石粉10份，可再分散性乳胶粉3份，脱硫石膏5份，纳米SiO2 10份；
2）将称取的煅烧凝灰岩粉、煅烧粉煤灰、石灰石粉、可再分散性乳胶粉、脱硫石膏、纳米SiO2置于WLD～0.5系列卧式螺带混合机中混合20分钟，即得所述凝灰岩基复合矿物掺合料。
将本实施例所得凝灰岩基复合矿物掺合料应用于制备高性能混凝土，各组分及其所占重量分数为：水泥147份，凝灰岩基复合矿物掺合料172份，砂823份，碎石1127份，水128份；外掺4.0份的ZJ-2005型高性能减水剂，其中固含是18%，混凝土相关性能测试见表1。
实施例2
一种凝灰岩基复合矿物掺合料，其制备方法包括如下步骤：
1）原材料的称取，各组分及其所占重量份数包括：煅烧凝灰岩粉50份，煅烧粉煤灰22份，石灰石粉7份，可再分散性乳胶粉3份，脱硫石膏8份，纳米SiO2 10份；
2）将称取的煅烧凝灰岩粉、煅烧粉煤灰、石灰石粉、可再分散性乳胶粉、脱硫石膏、纳米SiO2置于WLD～0.5系列卧式螺带混合机中混合20分钟，即得所述凝灰岩基复合矿物掺合料。
将本实施例所得凝灰岩基复合矿物掺合料应用于制备高性能混凝土，各组分及其所占重量分数为：水泥147份，凝灰岩基复合矿物掺合料172份，砂子823份，石子1127份，水140份；外掺4.6份的ZJ-2005型高性能减水剂，其中固含是18%，混凝土相关性能测试见表1。
实施例3
一种凝灰岩基复合矿物掺合料，其制备方法包括如下步骤：
1）原材料的称取，各组分及其所占重量份数包括：煅烧凝灰岩粉50份，煅烧粉煤灰22份，石灰石粉5份，可再分散性乳胶粉3份，脱硫石膏5份，纳米SiO2 15份；
2）将称取的煅烧凝灰岩、煅烧粉煤灰、石灰石粉、可再分散性乳胶粉、脱硫石膏、纳米SiO2置于WLD～0.5系列卧式螺带混合机中混合20分钟，即得所述凝灰岩基复合矿物掺合料。
将本实施例所得凝灰岩基复合矿物掺合料应用于制备高性能混凝土，各组分及其所占重量分数为：水泥147份，凝灰岩基复合矿物掺合料172份，砂子823份，石子1127份，水124份；外掺3.8份的ZJ-2005型高性能减水剂，其中固含是18%，混凝土相关性能测试见表1。
实施例4
一种凝灰岩基复合矿物掺合料，其制备方法包括如下步骤：
1）原材料的称取，各组分及其所占重量份数包括：煅烧凝灰岩粉50份，煅烧粉煤灰22份，石灰石粉8份，可再分散性乳胶粉5份，脱硫石膏5份，纳米SiO2 10份；
2）将称取的煅烧凝灰岩、煅烧粉煤灰、石灰石粉、可再分散性乳胶粉、脱硫石膏、纳米SiO2置于WLD～0.5系列卧式螺带混合机中混合20分钟，即得所述凝灰岩基复合矿物掺合料。
将本实施例所得凝灰岩基复合矿物掺合料应用于制备高性能混凝土，各组分及其所占重量分数为：水泥147份，凝灰岩基复合矿物掺合料172份，砂子823份，碎石1127份，水134份；外掺4.2份的ZJ-2005型高性能减水剂，其中固含是18%，混凝土相关性能测试见表1。
实施例5
一种凝灰岩基复合矿物掺合料，其制备方法包括如下步骤：
1）原材料的称取，各组分及其所占重量份数包括：煅烧凝灰岩粉55份，煅烧粉煤灰22份，石灰石粉5份，可再分散性乳胶粉3份，脱硫石膏5份，纳米SiO2 10份；
2）将称取的煅烧凝灰岩、煅烧粉煤灰、石灰石粉、可再分散性乳胶粉、脱硫石膏、纳米SiO2置于WLD～0.5系列卧式螺带混合机中混合20分钟，即得所述凝灰岩基复合矿物掺合料。
将本实施例所得凝灰岩基复合矿物掺合料应用于制备高性能混凝土，各组分及其所占重量分数为：水泥147份，凝灰岩基复合矿物掺合料172份，砂子823份，碎石1127份，水126份；外掺4.2份的ZJ-2005型高性能减水剂，其中固含是18%，混凝土相关性能测试见表1。
实施例6
一种凝灰岩基复合矿物掺合料，其制备方法包括如下步骤：
1）原材料的称取，各组分及其所占重量份数包括：煅烧凝灰岩粉53份，煅烧粉煤灰22份，石灰石粉5份，可再分散性乳胶粉5份，脱硫石膏5份，纳米SiO2 10份；
2）将称取的煅烧凝灰岩、煅烧粉煤灰、石灰石粉、可再分散性乳胶粉、脱硫石膏、纳米SiO2置于WLD～0.5系列卧式螺带混合机中混合20分钟，即得所述凝灰岩基复合矿物掺合料。
将本实施例所得凝灰岩基复合矿物掺合料应用于制备高性能混凝土，各组分及其所占重量分数为：水泥147份，凝灰岩基复合矿物掺合料172份，砂子823份，碎石1127份，水127份；外掺4.2份的ZJ-2005型高性能减水剂，其中固含是18%，混凝土相关性能测试见表1。
对比例1
一种普通复合矿物掺合料，其制备方法如下步骤：
1）原材料的称取，各组分及其所占重量份数包括：粉煤灰50份，矿粉40份，硅灰10份；其中采用中建西部建设中心厂S75矿粉，比表面积386m2/kg;采用中建西部建设中心厂硅灰比表面积20000m2/kg.
2）将称取的粉煤灰、矿粉和硅灰管置于WLD～0.5系列卧式螺带混合机中混合20分钟，即得普通复合矿物掺合料。
将本实施例所得普通复合矿物掺合料应用于制备高性能混凝土，各组分及其所占重量分数为：水泥147份，复合矿物掺合料172份，砂子823份，石子1127份，水154份；外掺5.8份的ZJ～2005型高性能减水剂，其中固含是18%。
对比例2
一种凝灰岩基复合矿物掺合料，其制备方法包括如下步骤：
1）原材料的称取，各组分及其所占重量份数包括：煅烧凝灰岩粉53份，煅烧粉煤灰22份，石灰石粉5份，可再分散性乳胶粉5份，脱硫石膏5份，纳米SiO210份；其中煅烧粉煤灰通过将粉煤灰以10℃/min升温至960℃，保温90min后以10℃/min降温至20℃，然后粉磨至其比表面积为600 m2/kg而成。
2）将称取的煅烧凝灰岩、煅烧粉煤灰、石灰石粉、可再分散性乳胶粉、脱硫石膏、纳米SiO2置于WLD～0.5系列卧式螺带混合机中混合20分钟，即得所述凝灰岩基复合矿物掺合料。
将本实施例所得凝灰岩基复合矿物掺合料应用于制备高性能混凝土，各组分及其所占重量分数为：水泥147份，凝灰岩基复合矿物掺合料172份，砂子823份，碎石1127份，水127份；外掺4.2份的ZJ-2005型高性能减水剂，其中固含是18%，混凝土相关性能测试见表1。
表1利用实施例1~6和对比例1~2所得混凝土的性能测试结果
编号 流动性 粘聚性 表观质量 坍落/mm 扩展/mm 泌水率/% 3d抗压强度/MPa 28d抗压强度/MPa 90d收缩率/×10-6 90d碳化深度/mm
实施例1 较好 较好 色泽均匀 215 604 7 20 41 103 0.7
实施例2 良好 一般 色泽均匀 220 590 10 22 46 86 0.8
实施例3 较好 良好 色泽均匀 225 667 6 21 48 95 0.6
实施例4 良好 良好 色泽均匀 210 620 6 25 42 80 0.7
实施例5 较好 较好 色泽均匀 210 598 8 20 40 101 0.6
实施例6 较好 较好 色泽均匀 212 600 7 20 40 96 0.6
对比例1 差 差 表面有黑色物质 162 545 21 15 33 220 2.6
对比例2 一般 一般 色泽均匀 190 585 14 17 35 107 1.2
上述结果表明：直接利用上述粉煤灰所得普通矿物掺合料制备的混凝土所需拌合水量大，而且高性能减水剂的掺量高，混凝土的流动性、粘聚性和保水性差，同时硬化后混凝土的外观质量有黑色物质，混凝土的工作性能较差；对凝灰岩和粉煤灰进行煅烧并优化煅烧工艺所得复合凝灰岩基复合胶凝材可显著降低混凝土的拌合用水量和减水剂用量，且工作性能良好，未发现混凝土表面有黑色物质的现象，同时可极大地改善混凝土的力学性能和耐久性能
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围。

Claims (6)

1.一种凝灰岩基复合矿物掺合料，其特征在于，各组分及其所占重量份数包括：煅烧凝灰岩粉50～60份，煅烧粉煤灰20～30份，石灰石粉 5～10份，可再分散性乳胶粉3～5份，脱硫石膏5～10份，纳米SiO2 10～15份；
所述煅烧凝灰岩粉通过将凝灰岩在500～800℃煅烧0.5～1h，并粉磨至其比表面积为380～420 m2/kg而成；
所述煅烧粉煤灰的制备步骤包括：首先将粉煤灰加热至100～200℃保温10～20min；接着加热至600～700℃保温20～30min；再加热至900～960℃，保温40～60min；然后降温至100～200℃保温20～30min，再加热至900～960℃保温30～60min，降温至室温；最后粉磨至其比表面积为400～600 m2/kg；
所述煅烧粉煤灰中采用的粉煤灰的化学组成及其所占质量百分比包括：SiO2 25～45%，Al2O3 30～40%，Fe2O3 1～4%，CaO 1～3%，MgO 0～1%，K2O 0～1%，Na2O 0～1%，SO3 0～1%，TiO2 0～1%，残碳 2～8%。
2.权利要求1所述凝灰岩基复合矿物掺合料，其特征在于，所述石灰石粉的比表面积为500～700m2/kg。
3.权利要求1所述凝灰岩基复合矿物掺合料，其特征在于，所述脱硫石膏的比表面积为360～420m2/kg。
4.权利要求1所述凝灰岩基复合矿物掺合料，其特征在于，所述纳米SiO2的比表面积233000～400000m2/kg。
5.权利要求1~4任一项所述凝灰岩基复合矿物掺合料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）原材料的称取，各组分及其所占重量份数包括：煅烧凝灰岩粉50～60份，煅烧粉煤灰20～30份，石灰石粉5～10份，可再分散性乳胶粉3～5份，脱硫石膏5～10份，纳米SiO2 10～15份；
2）将称取的煅烧凝灰岩粉、煅烧粉煤灰、石灰石粉、可再分散性乳胶粉、脱硫石膏和纳米SiO2混合均匀，即得所述凝灰岩基复合矿物掺合料。
6.一种权利要求1~4任一项所述凝灰岩基复合矿物掺合料或权利要求5所述制备方法制备的凝灰岩基复合矿物掺合料在高性能混凝土中的应用，其特征在于，各组分及其所占重量份数包括：水泥 130~180份，凝灰岩基复合矿物掺合料 150~190份，砂 750~850份，碎石 1100~1200份，水 120~160份，外掺外加剂 3~6份。
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