CN113998929A - 一种高性能地聚合物混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种高性能地聚合物混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能地聚合物混凝土及其制备方法。所述地聚合物混凝土包括如下质量份数的原料：矿粉1550～1600份，硅灰155～165份，粉煤灰250～270份，细骨料500～1200份，陶瓷球骨料200～800份，激发剂867～892份，纤维78～234份，减水剂20～24份，水0～109份。本发明将陶瓷球与钢纤维共同掺入地聚合物混凝土中，利用纤维能够有效阻碍混凝土内部微裂缝的形成，显著改善混凝土的抗拉、抗弯及抗冲击性能以及陶瓷球骨料能够抑制地聚合物混凝土的自收缩现象，促进混凝土体积稳定性和耐久性好、硬度高、密度小的性能，与混凝土其他原料共同复配，有效改善现有地聚合物混凝土自收缩和脆性大的缺陷。

Description

一种高性能地聚合物混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，具体涉及一种高性能地聚合物混凝土及其制备方法。
背景技术
地聚合物是由富含铝和硅元素的多种铝硅酸盐材料混合在一起组成的一种新型绿色粘结材料。铝硅酸盐材料主要由工业副产品，如粉煤灰、高炉矿渣、硅灰、偏高岭土、粘土等天然来源组成。由于其极低的碳足迹，地聚合物被认为是一种理想的建筑材料，而地聚合物混凝土是由地聚合物在碱激发剂作用下活化而成，是在高温条件下固化形成的一种新型地聚合物混凝土，有着高强度、低渗透性以及良好的耐久性等优点。但是经目前的研究表明，这类混凝土依然存在脆性大、体积稳定性差等缺点，而且这类混凝土在实际应用中破坏形式往往表现出突然性破环，使得其应用范围有所限制。因此，为满足当前需要，配置出可以克服脆性大和体积稳定差等缺点的地聚合物混凝土，就显得非常重要。
地聚合物混凝土是当前绿色混凝土材料领域内研究的热点，虽然已有少量工程应用，目前主要集中在实验室的力学性能研究，还没有一个可用的标准配合比，且现有地聚合物混凝土的脆性差，很容易产生裂缝，且自收缩现象严重，严重限制了其在实际工程中的应用。
发明内容
针对上述现有技术的缺点，本发明提供一种高性能地聚合物混凝土及其制备方法。本发明将陶瓷球与钢纤维共同掺入地聚合物混凝土中，有效改善现有地聚合物混凝土自收缩和脆性大的缺陷。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种高性能地聚合物混凝土，所述地聚合物混凝土包括如下质量份数的原料：矿粉1550～1600份，硅灰155～165份，粉煤灰250～270份，细骨料500～1200份，陶瓷球骨料200～800份，激发剂867～892份，纤维78～234份，减水剂20～24份，水0～109份。
本发明加入纤维，能够有效阻碍混凝土内部微裂缝的形成，显著改善混凝土的抗拉、抗弯及抗冲击性能；同时加入陶瓷球骨料有以下优势：(1)能够抑制地聚合物混凝土的自收缩现象，促进混凝土体积稳定性；(2)陶瓷球骨料的弹性模量约为地聚合物混凝土弹性模量的4～6倍，耐久性好、硬度高；(3)本发明所用陶瓷球骨料密度比混凝土密度小，可以减轻地聚合物混凝土自身重量。本发明将陶瓷球与钢纤维共同掺入地聚合物混凝土中，有效改善现有地聚合物混凝土自收缩和脆性大的缺陷。
作为本发明的优选实施方式，所述地聚合物混凝土包括如下质量份数的原料：矿粉1580份，硅灰160份，粉煤灰260份，细骨料780份，陶瓷球骨料480份，激发剂880份，纤维156份，减水剂20份，水106份。
本发明通过大量试验探索，所述原料在上述的配比下，所制备的地聚合物混凝土的体积稳定性和力学强度最好。
作为本发明的优选实施方式，所述陶瓷球骨料的化学成分中三氧化二铝和二氧化硅的总质量含量为93％以上，所述陶瓷球骨料为粒径2-4mm、粒径5-7mm、粒径8-12mm中的至少一种粒径的陶瓷球骨料组成。
陶瓷球骨料由一种或多种粒径的陶瓷球骨料组成，可以加强混凝土的密实度。
作为本发明的优选实施方式，所述矿粉为S95级高炉矿渣，所述粉煤灰为F级粉煤灰。
作为本发明的优选实施方式，所述硅灰的比表面积≥15000m2/kg，需水量≤125％，化学成分中二氧化硅含量≥90％。
作为本发明的优选实施方式，所述细骨料为石英砂，化学成分中二氧化硅含量≥97％，所述石英砂的粒径为0.03mm～1mm。
更优选地，所述石英砂由粒径0.4～0.8mm的石英砂、粒径0.2-0.4mm的石英砂、粒径0.03-0.2mm的石英砂组成。
细骨料由不同粒径的石英砂组成，可以提高细骨料级配，提升混凝土的密实度。
作为本发明的优选实施方式，所述激发剂为氢氧化钠固体和硅酸钠溶液的混合物，所述氢氧化钠与硅酸钠的质量比为10-15:28-36；所述氢氧化钠固体的纯度为98％以上，所述硅酸钠溶液中硅酸钠模数为1-3。
作为本发明的优选实施方式，所述纤维为钢纤维，所述钢纤维为圆截面钢纤维，直径为0.1mm-0.5mm，长度为10mm-30mm。
本发明选用圆截面钢纤维主要是因为钢纤维对所述地聚合物混凝土的力学性能提升最为明显。
作为本发明的优选实施方式，所述减水剂为聚羧酸类高效减水剂。
本发明还要求保护所述高性能地聚合物混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)将细骨料、矿粉和粉煤灰混合形成组分A；将激发剂、减水剂和水混合形成组分B；
(2)将组分A搅拌再加入组分B混合，得到浆体；
(3)将陶瓷球骨料加入浆体中，然后加入钢纤维，混合均匀后得到所述高性能地聚合物混凝土。
本发明所述高性能地聚合物混凝土的实施方式包括如下步骤：
将高性能地聚合物混凝土倒入模具中，在温度为25±5℃，湿度为50±5％的环境中养护24小时后拆模具，再放入温度为90℃的蒸汽环境中养护48小时，最后在温度为25±5℃下养护28小时，得到成品。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明加入纤维，能够有效阻碍混凝土内部微裂缝的形成，显著改善混凝土的抗拉、抗弯及抗冲击性能；同时加入陶瓷球骨料有以下优势：(1)能够抑制地聚合物混凝土的自收缩现象，促进混凝土体积稳定性；(2)陶瓷球骨料的弹性模量约为地聚合物混凝土弹性模量的4～6倍，耐久性好、硬度高；(3)本发明所用陶瓷球骨料密度比混凝土密度小，可以减轻地聚合物混凝土自身重量。本发明将陶瓷球与钢纤维共同掺入地聚合物混凝土中，有效改善现有地聚合物混凝土自收缩和脆性大的缺陷。而且，本发明所述地聚合物混凝土仅使用常规原材料，不需要特殊原材料，制造成本较低。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例和对比例中，所述矿粉为S95级高炉矿渣；所述硅灰的比表面积≥15000m2/kg，需水量≤125％，化学成分中二氧化硅含量≥90％；所述粉煤灰为F级粉煤灰；所述细骨料由粒径0.4～0.8mm的石英砂、粒径0.2-0.4mm的石英砂、粒径0.03-0.2mm的石英砂组成，粒径0.4～0.8mm的石英砂为粗砂，粒径0.2-0.4mm的石英砂为中砂，粒径0.03-0.2mm的石英砂为细沙；所述陶瓷球骨料的化学成分中三氧化二铝和二氧化硅的总含量为93％以上；所述激发剂为氢氧化钠固体和硅酸钠溶液的混合物，所述氢氧化钠固体的纯度为98％以上，所述硅酸钠溶液中硅酸钠模数为1-3；所述钢纤维为圆截面钢纤维，直径为0.12mm，长度为10mm；所述减水剂为聚羧酸类高效减水剂。
实施例1
本发明一种高性能地聚合物混凝土的实施例，所述高性能地聚合物混凝土包括如下质量份数的原料：
矿粉1580份，硅灰160份，粉煤灰260份，细骨料1040份，粒径6mm的陶瓷球骨料200份，激发剂880份，钢纤维195份，减水剂24份，水106份；所述激发剂为氢氧化钠120份和硅酸钠溶液760份的混合物；所述细骨料包含粗砂174份、中砂346份、细沙520份。
所述高性能地聚合物混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)将细骨料、矿粉、粉煤灰和硅灰混合形成组分A；将激发剂、减水剂和水混合形成组分B；
(2)将组分A搅拌2分钟再加入组分B搅拌3-5分钟混合均匀，得到浆体；
(3)将陶瓷球骨料加入浆体中，然后加入钢纤维，混合均匀后得到所述高性能地聚合物混凝土。
实施例2
本发明一种高性能地聚合物混凝土的实施例，所述高性能地聚合物混凝土包括如下质量份数的原料：
矿粉1580份，硅灰160份，粉煤灰260份，细骨料860份，粒径6mm的陶瓷球骨料400份，激发剂880份，钢纤维156份，减水剂23份，水84份；所述激发剂为氢氧化钠120份和硅酸钠溶液760份的混合物；所述细骨料包含粗砂142份、中砂288份、细沙430份。
所述高性能地聚合物混凝土的制备方法与实施例1相同。
实施例3
本发明一种高性能地聚合物混凝土的实施例，所述高性能地聚合物混凝土包括如下质量份数的原料：
矿粉1580份，硅灰160份，粉煤灰260份，细骨料680份，粒径6mm的陶瓷球骨料600份，激发剂880份，钢纤维120份，减水剂22份，水56份；所述激发剂为氢氧化钠120份和硅酸钠溶液760份的混合物；所述细骨料包含粗砂112份、中砂228份、细沙340份。
所述高性能地聚合物混凝土的制备方法与实施例1相同。
实施例4
本发明一种高性能地聚合物混凝土的实施例，所述高性能地聚合物混凝土包括如下质量份数的原料：
矿粉1580份，硅灰160份，粉煤灰260份，细骨料500份，粒径6mm的陶瓷球骨料800份，激发剂880份，钢纤维78份，减水剂20份，水24份；所述激发剂为氢氧化钠120份和硅酸钠溶液760份的混合物；所述细骨料包含粗砂82份、中砂168份、细沙250份。
所述高性能地聚合物混凝土的制备方法与实施例1相同。
实施例5
本发明一种高性能地聚合物混凝土的实施例，所述高性能地聚合物混凝土包括如下质量份数的原料：
矿粉1572份，硅灰162份，粉煤灰266份，细骨料680份，粒径3mm的陶瓷球骨料300份，粒径6mm的陶瓷球骨料200份，粒径10mm的陶瓷球骨料100份，激发剂880份，钢纤维117份，减水剂23份，水56份；所述激发剂为氢氧化钠120份和硅酸钠溶液760份的混合物；所述细骨料包含粗砂112份、中砂228份、细沙340份。
所述高性能地聚合物混凝土的制备方法与实施例1相同。
实施例6
本发明一种高性能地聚合物混凝土的实施例，所述高性能地聚合物混凝土包括如下质量份数的原料：
矿粉1572份，硅灰162份，粉煤灰266份，细骨料860份，粒径3mm的陶瓷球骨料200份，直径6mm的陶瓷球133份，直径10mm的陶瓷球67份，激发剂880份，钢纤维156份，减水剂22份，水84份；所述激发剂为氢氧化钠120份和硅酸钠溶液760份的混合物；所述细骨料包含粗砂142份、中砂288份、细沙430份。
所述高性能地聚合物混凝土的制备方法与实施例1相同。
实施例7
本发明一种高性能地聚合物混凝土的实施例，所述高性能地聚合物混凝土包括如下质量份数的原料：
矿粉1572份，硅灰162份，粉煤灰266份，细骨料510份，粒径3mm的陶瓷球骨料375份，粒径6mm的陶瓷球骨料250份，粒径10mm的陶瓷球骨料125份，激发剂880份，钢纤维78份，减水剂21份，水30份；所述激发剂为氢氧化钠120份和硅酸钠溶液760份的混合物；所述细骨料包含粗砂85份、中砂170份、细沙255份。
所述高性能地聚合物混凝土的制备方法与实施例1相同。
实施例8
本发明一种高性能地聚合物混凝土的实施例，所述高性能地聚合物混凝土包括如下质量份数的原料：
矿粉1580份，硅灰160份，粉煤灰260份，细骨料780份，粒径3mm的陶瓷球骨料280份，粒径6mm的陶瓷球骨料133份，粒径10mm的陶瓷球骨料67份，激发剂880份，钢纤维156份，减水剂20份，水106份；所述激发剂为氢氧化钠120份和硅酸钠溶液760份的混合物；所述细骨料包含粗砂375份、中砂280份、细沙125份。
所述高性能地聚合物混凝土的制备方法与实施例1相同。
实施例9
矿粉1550份，硅灰165份，粉煤灰250份，细骨料1200份，粒径3mm的陶瓷球骨料280份，粒径6mm的陶瓷球骨料133份，粒径10mm的陶瓷球骨料67份，激发剂880份，钢纤维234份，减水剂20份，水5份；所述激发剂为氢氧化钠120份和硅酸钠溶液760份的混合物；所述细骨料包含粗砂400份、中砂600份、细沙200份。
所述高性能地聚合物混凝土的制备方法与实施例1相同。
实施例10
矿粉1600份，硅灰155份，粉煤灰270份，细骨料780份，3mm的陶瓷球骨料280份，粒径6mm的陶瓷球骨料133份，粒径10mm的陶瓷球骨料67份，激发剂880份，钢纤维156份，减水剂20份，水106份；所述激发剂为氢氧化钠120份和硅酸钠溶液760份的混合物；所述细骨料包含粗砂375份、中砂280份、细沙125份。
所述高性能地聚合物混凝土的制备方法与实施例1相同。
实施例11
本发明一种高性能地聚合物混凝土的实施例，所述高性能地聚合物混凝土包括如下质量份数的原料：
矿粉1580份，硅灰160份，粉煤灰260份，细骨料1040份，粒径3mm的陶瓷球骨料100份，粒径6mm的陶瓷球骨料33份，粒径10mm的陶瓷球骨料67份，激发剂880份，钢纤维200份，减水剂24份，水106份；所述激发剂为氢氧化钠120份和硅酸钠溶液760份的混合物；所述细骨料包含粗砂174份、中砂346份、细沙520份。
所述高性能地聚合物混凝土的制备方法与实施例1相同。
实施例12
本发明一种高性能地聚合物混凝土的实施例与实施例1唯一不同的是：陶瓷球骨料为粒径6mm的陶瓷球400份。
实施例13
本发明一种高性能地聚合物混凝土的实施例与实施例1唯一不同的是：陶瓷球骨料为粒径6mm的陶瓷球600份。
实施例14
本发明一种高性能地聚合物混凝土的实施例与实施例1唯一不同的是：陶瓷球骨料为粒径6mm的陶瓷球800份。
对比例1
本发明一种高性能地聚合物混凝土的对比例，所述高性能地聚合物混凝土包括如下质量份数的原料：
矿粉1580份，硅灰160份，粉煤灰260份，细骨料780份，5-31mm连续级配石子480份，激发剂880份，钢纤维156份，减水剂20份，水106份；所述激发剂为氢氧化钠120份和硅酸钠溶液760份的混合物；所述细骨料包含粗砂125份、中砂280份、细沙275份。
所述高性能地聚合物混凝土的制备方法与实施例1相同。
对比例2
本发明一种高性能地聚合物混凝土的实施例，所述高性能地聚合物混凝土包括如下质量份数的原料：
矿粉1580份，硅灰160份，粉煤灰260份，细骨料780份，粒径3mm的陶瓷球骨料280份，粒径6mm的陶瓷球骨料133份，粒径10mm的陶瓷球骨料67份，激发剂880份，玄武岩纤维156份，减水剂20份，水106份；所述激发剂为氢氧化钠120份和硅酸钠溶液760份的混合物；所述细骨料包含粗砂125份、中砂280份、细沙375份。
所述高性能地聚合物混凝土的制备方法与实施例1相同。
对比例3
本发明一种高性能地聚合物混凝土的对比例与实施例1唯一不同的是：陶瓷球骨料为粒径6mm的陶瓷球1000份。
效果例
将实施例1-14、对比例1-3所制备的高性能地聚合物混凝土分别进行施工，测试高性能地聚合物混凝土成品7天和28天的抗压强度。
本发明所述高性能地聚合物混凝土的实施方式包括如下步骤：将高性能地聚合物混凝土倒入模具中，在温度为25±5℃，湿度为50±5％的环境中养护24小时后拆模具，再放入温度为90℃的蒸汽环境中养护48小时，最后在温度为25±5℃下养护28小时，得到成品。
表1高性能地聚合物混凝土成品的抗压强度
组别 7天抗压强度/MPa 28天抗压强度/MPa
实施例1 134 142
实施例2 136 146
实施例3 128 135
实施例4 112 120
实施例5 120 127
实施例6 130 138
实施例7 118 126
实施例8 138 151
实施例9 110 116
实施例10 131 140
实施例11 133 146
实施例12 127 134
实施例13 120 128
实施例14 104 115
对比例1 100 122
对比例2 102 108
对比例3 96 105
根据表1的数据，本发明实施例1-14所述高性能地聚合物混凝土的7天以及28天的抗压强度较强。实施例8与对比例1-2的数据比较，说明本发明加入陶瓷球骨料能够改善混凝土的强度，同时对比例2仅将钢纤维替换为玄武岩纤维，材料的抗压强度显著降低，说明钢纤维能够有效阻碍混凝土内部微裂缝的形成，显著改善混凝土的抗拉、抗弯及抗冲击性能。根据对比例3所述混凝土的抗压强度远低于实施例，说明陶瓷球骨料的添加量在本发明限定范围内具有较好的抗压强度，若超过一定量，混凝土的抗压强度显著下降。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种高性能地聚合物混凝土，其特征在于，所述地聚合物混凝土包括如下质量份数的原料：矿粉1550～1600份，硅灰155～165份，粉煤灰250～270份，细骨料500～1200份，陶瓷球骨料200～800份，激发剂867～892份，纤维78～234份，减水剂20～24份，水0～109份。
2.如权利要求1所述高性能地聚合物混凝土，其特征在于，所述地聚合物混凝土包括如下质量份数的原料：矿粉1580份，硅灰160份，粉煤灰260份，细骨料780份，陶瓷球骨料480份，激发剂880份，纤维156份，减水剂20份，水106份。
3.如权利要求1或2所述高性能地聚合物混凝土，其特征在于，所述陶瓷球骨料的化学成分中三氧化二铝和二氧化硅的总质量含量为93％以上，所述陶瓷球骨料为粒径2-4mm、粒径5-7mm、粒径8-12mm中的至少一种粒径的陶瓷球骨料组成。
4.如权利要求1或2所述高性能地聚合物混凝土，其特征在于，所述矿粉为S95级高炉矿渣，所述粉煤灰为F级粉煤灰，所述减水剂为聚羧酸类高效减水剂。
5.如权利要求1或2所述高性能地聚合物混凝土，其特征在于，所述硅灰的比表面积≥15000m2/kg，需水量≤125％，化学成分中二氧化硅含量≥90％。
6.如权利要求1或2所述高性能地聚合物混凝土，其特征在于，所述细骨料为石英砂，化学成分中二氧化硅含量≥97％，所述石英砂的粒径为0.03mm～1mm。
7.如权利要求6所述高性能地聚合物混凝土，其特征在于，所述石英砂由粒径0.4～0.8mm的石英砂、粒径0.2-0.4mm的石英砂、粒径0.03-0.2mm的石英砂组成。
8.如权利要求1或2所述高性能地聚合物混凝土，其特征在于，所述激发剂为氢氧化钠固体和硅酸钠溶液的混合物，所述氢氧化钠与硅酸钠的质量比为10-15:28-36；所述氢氧化钠固体的纯度为98％以上，所述硅酸钠溶液中硅酸钠模数为1-3。
9.如权利要求1所述高性能地聚合物混凝土，其特征在于，所述纤维为钢纤维，所述钢纤维为圆截面钢纤维，直径为0.1mm-0.5mm，长度为10mm-30mm。
10.如权利要求1或2所述高性能地聚合物混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将细骨料、矿粉、粉煤灰和硅灰混合形成组分A；将激发剂、减水剂和水混合形成组分B；
(2)将组分A搅拌再加入组分B混合，得到浆体；
(3)将陶瓷球骨料加入浆体中，然后加入钢纤维，混合均匀后得到所述高性能地聚合物混凝土。
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