CN113998954B - 改性复合超细粉道面混凝土、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种改性复合超细粉道面混凝土、制备方法及应用，包括以下步骤：首先以工业固体废弃物为原料进行粉磨；将纳米二氧化硅与粉磨得到的超细颗粒混合，在碱溶液的作用下进行超声分散，制得分散溶液；将得到的分散溶液用硅烷进行一定的自分散处理；最后按重量份，将水泥、自分散超细粉、细骨料、粗骨料、减水剂、水拌和处理，制得改性复合超细粉道面混凝土。本申请通过在混凝土中掺加超细粉外加剂，能够显著改善混凝土的工作性能和力学性能，减少塌落度经时损失；降低场道混凝土制备成本，具有较高的社会效益和经济效益。

Description

改性复合超细粉道面混凝土、制备方法及应用
技术领域：
本发明以超细粉为外加剂，利用纳米改性，制备高性能的场道混凝土，改善混凝土内部微观结构，提高混凝土后期强度增长率，使其具有优异的工作性能和力学性能；延长混凝土结构使用寿命，降低工程成本，节约不可再生资源，保护环境。具有一定的经济效益和社会效益，属于建筑材料领域，具体涉及改性复合超细粉道面混凝土、制备方法及应用。
技术背景：
随着经济全球化进程逐渐加快，我国民航事业也进入快速发展阶段。过去几年我国民航基础设施建设总投资4608亿元，创历史新高，新建、迁建运输机场43个，区域枢纽机场发展迅猛，全国千万级机场达39个。至2020年，我国民用机场总数约达244个。机场跑道作为飞机运行时的基础设施，其耐久性、力学性能以及经济效益是评价场道混凝土质量的重要指标。
机场道面在长久使用过程中，不仅会受到各种不同类型飞机荷载的作用，还会面临各类极端气候、环境变化以及道面本身材料的特性变化等，因此其承载力和耐久性是评价机场道面质量好坏的重要指标。目前我国机场道面主要有两种形式，一种是柔性道面，如沥青混凝土道面，具有无接缝、表面平整、维修经济简单等优点，但是使用寿命较短，大概在10～15年左右，同时抗油污性也较差。此外，由于我国交通用沥青资源较为匮乏，大部分原材料都来源于进口，高品质沥青价格较为昂贵，因此沥青混凝土道面在机场道面中的应用很少。另一种为刚性道面，如水泥混凝土道面，水泥混凝土具有较高的抗压、抗弯拉强度，良好的耐磨性和抗冲击能力，因此，水泥混凝土较为坚固耐久，使用寿命可达20～30年。且水泥混凝土道面表面粗糙易于刹车，养护费用小。基于这些优势，我国民用及军用机场建设中，大多数采用的是水泥混凝土刚性道面。据调查，水泥混凝土道面的结构形式约占我国机场道面比例的80％以上。
与柔性道面不同，水泥混凝土道面一旦出现局部破坏，若未及时处理，便会引发非常严重的后果，造成极大的经济和社会损失。因此，经济有效的提升场道混凝土工作性及力学性能对民航事业发展具有非常重要的意义。
近年来，超细粉体技术在国内外兴起。材料经超细化制成超细粉体后，除了拥有巨大的比表面积，具有较大的表面能之外，其力学、热力学及表面与界面特性也会发生奇特变化，掺入材料中使用时往往会产生出人意料的效果。尤其是力学性能可能会得到成倍的提高。超细矿物外加剂是一种具有高火山灰活性的超细粉体，简称“超细粉”。矿渣经超细化后，除了拥有很高的比表面积，也拥有较高的火山灰活性。将超细粉应用在水泥基材料中，可以降低水泥用量，减少对水泥原料石灰石的开采，有效降低有限自然资源的消耗速度，同时减少水泥生产过程中二氧化碳的排放量，降低对生态环境的破坏，从而对环境起到一定的保护作用。
发明内容
本发明针对如何提高场道混凝土工作性及耐久性的问题，提出了一种利用中低热水泥外加剂改善场道混凝土工作性的办法。该方法对超细粉进行一定的预处理，制得自分散超细粉颗粒，与其他胶凝材料粉体形成微级配效应，提高场道混凝土后期强度增长率，并通过掺加聚羧酸减水剂调控混凝土塌落度，使其具备更优异的工作性。
为了更好的解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种制备中低热水泥外加剂，以此提高固体废弃物利用率、提升混凝土工作性能的方法，具体包括以下步骤：
(1)常见工业固体废弃物材料(包括粉煤灰、矿渣、煤矸石、粘土砖、低碱赤泥等)，经干燥处理后，粉磨粒径至10μm以下，得到初始超细粉，
(2)提前24h配制碱激发剂溶液，按照一定比例称取初始超细粉与纳米二氧化硅，与碱激发剂溶液混合搅拌，制得单体乳液。常温下500W功率下超声分散处理20min，70-90℃下搅拌反应1.5-2h，反应结束后冷却至室温，制得纳米二氧化硅-超细粉分散溶液；
(3)将一定量硅烷和水加入烧杯，用搅拌器搅拌25-45min，搅拌时温度保持在80℃以上，以加速硅烷水化。将纳米二氧化硅-超细粉分散溶液加入烧杯，继续搅拌0.5-1h，反应结束后，冷却至室温，过滤。将固体采用无水乙醇、去离子水依次洗涤后，105℃下干燥处理，得到自分散超细粉颗粒。
(4)按计量比，将普通硅酸盐水泥、细骨料、粗骨料、减水剂以及上述制得的自分散超细粉颗粒，按照混凝土拌和国家标准进行搅拌，制得改性复合超细粉道面混凝土。
(5)将上述制得的改性复合超细粉道面混凝土材料进行力学性能进行测定。
(6)对上述道面混凝土试样进行定量XRD测试，分析改性超细粉对水化产物成分的影响。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述常见工业固体废弃物材料为粉煤灰、矿渣、煤矸石、粘土砖、低碱赤泥的一种或多种。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，纳米SiO2为初始超细粉质量的0.5wt％-2wt％。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，碱激发溶液为水玻璃和氢氧化钠混合溶液，水玻璃和氢氧化钠的比例为0.5～3.0。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述硅烷为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GOPTS)和十二烷基三甲氧基硅烷(DTMS)的一种。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，硅烷掺量为0.5wt％-1wt％，硅烷:水为0.35。
作为上述技术方案的优选，步骤(4)中，各原料掺量按照重量份计数，普通硅酸盐水泥315-480份，细骨料780份，粗骨料1077份，减水剂5.76份，水163份、自分散超细粉0-144份。
作为上述技术方案的优选，步骤(4)中，所述减水剂为液体聚羧酸减水剂。
一种改性复合超细粉道面混凝土，改性复合超细粉道面混凝土的组分为：
普通硅酸盐水泥315-480份，细骨料780份，粗骨料1077份，减水剂5.76份，水163份，自分散超细粉0-144份。
一种纳米改性复合超细粉道面混凝土应用，将改性复合超细粉道面混凝土应用在道面施工中。
本发明以在降低场道混凝土制备成本的同时优化混凝土工作性为目标，以自分散超细粉为水泥外加剂，制备得到具有优越性能的场道混凝土，具有以下优点：
1.基于独创的粉磨技术(磨机工艺技术参数和原材料配比)，实现超细粉的高效工业化生产，降低成本。超细粉的细度可调控性，可形成多品种多性能的产品。
2.超细粉颗粒粒径为亚微米级，比表面积高，可与水泥等粉体材料形成微级配效应，改善场道混凝土结构，提高混凝土密实性和匀质性，提升混凝土的施工性能和泵送性能。
3.超细粉具有较高的火山灰活性，能够与水泥水化产物进行二次化学反应，水化放热低，提高水泥石水化程度，促进水泥强度后期持续增长。
附图说明
图1为混凝土实施例水化28d样品XRD分析图谱。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明进行进一步说明。下述说明仅是示例性的，并不对其保护范围进行限定。
下列实施例中，水泥包括为中国国家标准GB-175规定的普通硅酸盐水泥；
下列实施例中，所用减水剂为聚羧酸减水剂，来自淄博双联；所用超细粉比表面积为700～900m2/kg，中位径≤5μm；河砂细度模数为2.8～3.0，含水率为3％。
本发明所使用的超细粉成分质量百分比具体如表1所示：
表1
Figure BDA0003376254170000041
其中，other为水泥混凝土行业最常见的氧化物，比如Cr2O3和CuO。
目前市面上的超细粉价格每吨在500-2000元不等，比表面积在800m2/kg左右。本专利基于独创的粉磨工艺参数和原材料配比，所制备的超细粉比表面积在700～900m2/kg，不仅细度可控，且每吨的价格仅为400～435元，可达到每立方混凝土降低成本3～15元/吨的效果，具有一定的经济效益。
本专利利用超细粉与水泥等粉体材料形成微级配效应，提高混凝土密实性和匀质性，降低混凝土孔隙率，改善混凝土微观结构；水化放热低，较普通硅酸盐水泥可降低46％；超细粉与水泥水化产物可进行二次化学反应，提高水泥石水化程度，促进水泥强度后期持续增长；超细粉颗粒粒度达亚微米级，比表面积高，具有较好的保水性与匀质性，不离析、不沁水，提升混凝土的施工性能和泵送性能。
实施例1
本实施例混凝土配合比以重量份计数，配比如下：
对比样：普通硅酸盐水泥480份，细骨料780份，粗骨料1077份，减水剂5.76份，水163份。将胶材及骨料倒入搅拌机匀速搅拌30s左右，混合均匀后，加入水和外加剂，混合120s后立即倒出，进行塌落度及塌落度损失测试。装模后进行养护，待后续强度测试。
实施例2
本实施例混凝土配合比以重量份计数，配比如下：
普通硅酸盐水泥384份，自分散超细粉96份，细骨料780份，碎石1077份，外加剂5.76份，水163份。将胶材及骨料倒入搅拌机匀速搅拌30s左右，混合均匀后，加入水和外加剂，混合120s后立即倒出，进行塌落度及塌落度损失测试。装模后进行养护，待后续强度测试。
实施例3
本实施例混凝土配合比以重量份计数，配比如下：
普通硅酸盐水泥336份，自分散超细粉144份，细骨料780份，粗骨料1077份，减水剂5.76份，水163份。将胶材及骨料倒入搅拌机匀速搅拌30s左右，混合均匀后，加入水和外加剂，混合120s后立即倒出，进行塌落度及塌落度损失测试。装模后进行养护，待后续强度测试。
实施例4
本实施例混凝土配合比以重量份计数，配比如下：
普通硅酸盐水泥315份，自分散超细粉135份，细骨料780份，粗骨料1077份，减水剂5.76份，水163份。将胶材及骨料倒入搅拌机匀速搅拌30s左右，混合均匀后，加入水和外加剂，混合120s后立即倒出，进行塌落度及塌落度损失测试。装模后进行养护，待后续强度测试。
按照上述配合比得到的混凝土塌落度、塌落度损失及各龄期强度分别如表2、表3所示：
表2.某绕城高速公路混凝土塌落度及塌落度损失
Figure BDA0003376254170000051
Figure BDA0003376254170000061
表3.某绕城高速公路混凝土强度
样品标号 3d强度/MPa 7d强度/MPa 14d强度/MPa 28d强度/MPa
1(对比样) 52.5 56.6 68.1 75.7
2 48.8 59.5 69.5 74.3
3 47.8 62 70.5 75.4
4 46.3 68.4 66.5 77.4
如表2数据所示，虽然超细粉的粒度达到亚微米级，但是混凝土需水量并未明显增加，混凝土塌落度也没有出现随着超细粉掺量的增加而下降的现象。同时在微级配作用下，超细粉改善了混凝土的保塌性和保水性，降低了混凝土粘度，使得混凝土拌合物的出机状态与浇筑状态基本保持一致，有效降低了1h塌落度损失。
如表3所示，样品1、2、3的3d强度随着超细粉掺量皆呈下降趋势，三组样品的7d、14、28d强度随超细粉掺量的增加，相对于对比样皆呈现明显的增大趋势。超细粉掺量为30％时，7d强度可增加17.25％。这是因为拌和混凝土中一开始的强度提升由水泥的水化反应支持。后期具有火山灰活性的超细粉与水泥水化产物进行二次水化反应，提高水泥石水化程度，促进了混凝土后期强度增长。
样品4的胶凝材料重量份为450，超细粉掺量为30％，与胶凝材料重量份480，超细粉掺量为0的样品1相比，7d强度增加了5％。因此，利用超细粉以降低水泥用量和胶凝材料总量的方式进行成本的降低是可行的。
图1为某绕城高速公路混凝土实施例水化28d样品XRD分析图谱。由图1分析得，水化产物中几乎没有六方板状Ca(OH)2晶体出现，大部分物相为碳酸钙、活性二氧化硅及氧化铝。随着超细粉掺量的增加，活性二氧化硅的衍射峰强度也呈明显增强的趋势。这是因为超细粉中的活性二氧化硅及氧化铝与水泥水化产生的Ca(OH)2发生二次水化反应，生成C-S-H凝胶，有利于提高混凝土强度。同时，超细粉颗粒在胶凝体系中分散并填充在水泥水化所产生的缝隙中，进一步提高了混凝土的致密度，也有利于混凝土强度的提高。且实施例1及实施例4中Calcite的峰强明显高于实施例2和实施例3，说明二次水化反应进行程度较高，这与所得28d强度数据中实施例1及实施例4强度高于实施例2和实施例3的结果也相符合。
综上，添加超细矿物外加剂的新拌混凝土1小时塌落度损失在10mm内，施工性能与泵送性能得到有效提高，节省劳动力成本；超细粉显著提高混凝土抗压强度，7天抗压强度最大增幅12MPa，14d最大增幅2MPa以上；降低水泥用量，预计降低每立方混凝土综合成本5.5元，具有一定的经济效益和显著的社会效益。
由上所述，基于独创的粉磨技术(磨机工艺技术参数和原材料配比)，实现超细粉的高效工业化生产，降低成本。超细粉的细度可调控性，可形成多品种多性能的产品。超细粉颗粒粒径为亚微米级，比表面积高，可与水泥等粉体材料形成微级配效应，改善场道混凝土结构，提高混凝土密实性和匀质性，提升混凝土的施工性能和泵送性能。超细粉具有较高的火山灰活性，能够与水泥水化产物进行二次化学反应，水化放热低，提高水泥石水化程度，促进水泥强度后期持续增长。
虽然已经对本发明的具体实施方案进行了描述，但是本发明的许多其他形式和改变对本领域技术人员而言是显而易见的。应理解所附权利要求和本发明通常涵盖本发明真实精神和范围内的所有这些明显的形式和改变。

Claims (6)

1.一种改性复合超细粉道面混凝土制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将工业固体废弃物材料，经干燥处理后，粉磨粒径至10μm以下，得到初始超细粉；
（2）提前24h配制碱激发剂溶液，按照一定比例称取初始超细粉与纳米二氧化硅，与碱激发剂溶液混合搅拌，制得单体乳液；常温下，对单体乳液采用500W功率超声分散处理20min后，70℃-90℃下搅拌反应1.5 h -2h，反应结束后冷却至室温，制得纳米二氧化硅-超细粉分散溶液；纳米二氧化硅为初始超细粉质量的0.5 wt %-2 wt %，碱激发剂溶液为水玻璃和氢氧化钠混合溶液，水玻璃和氢氧化钠的比例为0.5~3.0；
（3）将一定量硅烷和水加入烧杯，用搅拌器搅拌25 min -45 min，搅拌时温度保持在80 ℃以上，将纳米二氧化硅-超细粉分散溶液加入烧杯，继续搅拌 0.5 h -1 h ，反应结束后，冷却至室温，过滤，将过滤后的固体采用无水乙醇、去离子水依次洗涤后，在105℃下干燥处理，得到自分散超细粉颗粒；硅烷为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷和十二烷基三甲氧基硅烷中的一种；
（4）按计量比，将普通硅酸盐水泥、细骨料、粗骨料、减水剂、水以及上述制得的自分散超细粉颗粒，按照混凝土拌和国家标准进行搅拌，制得改性复合超细粉道面混凝土，其中，各原料掺量按照重量份计数，普通硅酸盐水泥315-480份，细骨料780份，粗骨料1077份，减水剂5.76份，水163份，自分散超细粉0-144份。
2.根据权利要求1所述的一种改性复合超细粉道面混凝土的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述工业固体废弃物为粉煤灰、矿渣中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种改性复合超细粉道面混凝土的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，硅烷掺量为0.5 wt %-1wt%，硅烷:水为0.35。
4.根据权利要求1所述的一种改性复合超细粉道面混凝土的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，减水剂为液体聚羧酸减水剂。
5.一种改性复合超细粉道面混凝土，其特征在于，改性复合超细粉道面混凝土的组分为：
普通硅酸盐水泥315-480份，细骨料780份，粗骨料1077份，减水剂5.76份，水163份，自分散超细粉0-144份。
6.根据权利要求1-5所述的任意一种纳米改性复合超细粉道面混凝土应用，其特征在于，将改性复合超细粉道面混凝土应用在道面施工中。
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