CN114180989A - 一种自制轻骨料、轻质超高强混凝土及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种自制轻骨料、轻质超高强混凝土及制备方法，属于建筑材料技术领域；所述自制轻骨料包括再生粗骨料和再生细骨料，所述再生粗骨料和再生细骨料均包括以下重量份的各组分：水泥500～600份，硅灰150～300份，玻璃微珠250～400份，聚羧酸减水剂25～40份，水160～180份。本发明的自制轻骨料的原料中不含有石英砂等密度大的物质，其表观密度可以小至1.25～1.45g/cm3；使用本发明的自制轻骨料可以大幅度降低混凝土的容重；使用本发明的自制轻骨料制备的混凝土在容量为1300～1500kg/m3的情况下，抗压强度可达到100～130MPa，60d干燥收缩小于300*10‑6。

Description

一种自制轻骨料、轻质超高强混凝土及制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种自制轻骨料、轻质超高强混凝土及制备方法。
背景技术
超高性能混凝土具有强度高、耐久性好、韧性好等特点，是最有创新性的水泥基工程材料之一。在超高层建筑、桥面铺装、桥梁加固维修等领域具有独特优势，具有广阔的应用前景。与普通混凝土不同，超高性能混凝土在设计过程中剔除粗骨料，这往往会导致超高性能混凝土存在较大的收缩问题，并且还存在成本高、自重大等问题。因此，降低超高性能混凝土的收缩和自重成为亟待研究的问题。
目前，采用陶粒、陶砂等作为轻骨料是降低混凝土密度的主要措施。然而，陶粒的筒压强度越高则密度越高，900级陶粒真密度已到达1800kg/m3。此外，陶粒的筒压强度有限，一般不超过15Mpa，已经不适宜用作配制超轻混凝土(容重≤1500kg/m3)；且陶粒存在有害孔隙缺陷，易存在与基体协调性的问题，会影响混凝土匀质性，从而影响混凝土的力学性能。中国专利CN113321467A利用陶粒等轻骨料配制超高性能混凝土虽然解决混凝土收缩变形大问题，但是容重已经达到2200kg/m3左右。中国专利CN109836096A公开了一种超高性能轻质混凝土及其制备方法，采用漂珠作为轻骨料，漂珠的真密度虽然小，但是直径最大仅为1mm，不满足粗骨料大于5mm定义，混凝土体系仍然自收缩大，不利于工程应用。中国专利CN111635198A公开了一种轻质超高强混凝土的设计制备方法，虽然采用了粒径5mm以上的粉煤灰陶粒作为粗骨料，粗骨料用量较少，仍然存在较大自收缩，同时容重达到1810kg/m3。中国专利CN111362635B公开了一种轻质超高强混凝土及其制备方法，使用Peek塑料颗粒作为粗骨料，原料难以获取且用量不足，虽然用有机高分子吸水树脂降低自收缩，同时容重也达到1600kg/m3以上。中国专利CN110183127A公开了一种自制低缺陷超高强轻骨料及其制备方法，采用了石英砂制备轻骨料，石英砂密度较大，为2.65g/cm3，且制备混凝土时又采用石英砂作为细骨料，制备得到的混凝土容重最大达到1890kg/m3；此外，石英砂没有反应活性，需要在200℃、1.55Mpa蒸压条件下才能激发活性，制备工艺繁琐。因此，如何协调混凝土强度与容重之间的平衡，在降低容重的同时提高粗骨料用量，降低混凝土自收缩，进一步提高混凝土的强度成为了当务之急。
发明内容
针对以上现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种自制轻骨料，本发明的自制轻骨料的表观密度小，可以大幅度降低混凝土的容重；此外，自制轻骨料的密度与超高性能混凝土的胶凝基体的密度相近，可避免两者密度差异导致骨料上浮或下沉，造成混凝土分层；提高混凝土的力学性能。
为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种自制轻骨料，所述自制轻骨料包括再生粗骨料和再生细骨料，所述再生粗骨料和再生细骨料均包括以下重量份的各组分：水泥500～600份，硅灰150～300份，玻璃微珠250～400份，聚羧酸减水剂25～40份，水160～180份；
本发明的自制轻骨料的原料中不含有石英砂等密度大的物质，其表观密度可以小至1.25～1.45g/cm3；使用本发明的自制轻骨料可以大幅度降低混凝土的容重；此外，自制轻骨料的密度与超高性能混凝土一般的胶凝基体的密度相近，可避免两者密度差异导致骨料上浮或下沉，造成混凝土分层；提高混凝土的力学性能。
优选的，所述自制轻骨料的表观密度为1.25～1.45g/cm3。
优选的，所述再生粗骨料的粒径为5～10mm，所述再生细骨料的粒径为2～4mm，所述再生粗骨料和再生细骨料的重量比为(2～6):1。
优选的，玻璃微珠为硼硅酸盐玻璃，真密度为0.4～0.65g/cm3，粒径为2～130μm。
本发明的另一目的是提供所述自制轻骨料的制备方法，包括以下步骤：
S1.按重量份称取各原料，先将所述水泥、硅灰和玻璃微珠搅拌均匀，再加入聚羧酸减水剂和水，搅拌均匀后成型得到试块；
S2.将S1所得的试块养护2d后拆模，然后常温下浸水养护5d后再进行破碎、筛分得到自制轻骨料，选取5～10mm的颗粒作为再生粗骨料，选取2～4mm的颗粒作为再生细骨料。
相比于现有技术将制得的骨料放在热水中养护，骨料的强度在前期全部被激发出来；本发明的自制轻骨料的制备方法中，试块拆模后在常温下浸水养护，强度在前期(养护期)未被完全激发，在后期可以和胶凝基体协同发展，从而增强两者之间的界面粘结强度。
本发明的再一目的是提供一种采用所述自制轻骨料制备的轻质超高强混凝土，包括以下重量份的各组分：水泥250～300份，微珠60～90份，矿渣粉60～90份，硅灰60～100份，粉煤灰空心球150～250份，自制轻骨料500～900份，聚乙烯醇纤维4～15份，减水剂25～40份，消泡剂0.04～0.08份，水120～140份。
优选的，所述微珠为粉煤灰微珠，比表面积≥1200m2/kg，中位径为1.8～2.3μm，28d活性指数≥75％，需水量比≤95％。
优选的，所述聚乙烯醇纤维的密度为1.2g/cm3，抗拉强度大于1600Mpa。
优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为25～40％，固含量为30～40％。
优选的，所述消泡剂为聚醚改性硅类消泡剂或有机硅类消泡剂中的一种。
优选的，所述水泥为P·I或P·O 52.5水泥中的一种；所述矿渣粉为S105矿渣粉；所述硅灰的比表面积≥23000m2/kg，SiO2含量≥95％，28d活性指数≥95％，需水量比≤110％。
优选的，所述粉煤灰空心球为粉煤灰中提取的薄壁空心玻璃微珠，细度为40～100目的和细度为20～40目的质量比为1：(2～5)，真密度0.60～0.70g/cm3。
本发明的再一目的是提供一种轻质超高强混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1.按重量份称取水泥、微珠、矿渣粉、硅灰和粉煤灰空心球，搅拌均匀；
S2.按重量份称取减水剂和消泡剂，加入步骤S1得到的混合物中，搅拌均匀；
S3.按重量份称取自制轻骨料，加入到步骤S2得到的混合物中，搅拌均匀，再加入聚乙烯醇纤维，搅拌均匀；
S4.常温成型后拆模，恒温水养即可得到轻质超高强混凝土。
本发明的自制轻骨料表观密度小，可以大幅度降低混凝土的容重；此外，自制轻骨料的密度与胶凝基体的密度相近，可避免两者密度差异导致骨料上浮或下沉，造成混凝土分层；提高混凝土的力学性能。
本发明的自制轻骨料与胶凝基体的强度协同发展，增强两者之间的界面粘结强度；自制轻骨料养护7d后，强度未被完全激发，从而在后期可以和胶凝基体协同发展；即，在后期自制轻骨料和胶凝基体的强度可以共同发展，从而增强两者之间的界面粘结强度。
本发明的自制轻骨料与胶凝基体的膨胀协调发展，自制轻骨料养护7d后再与胶凝基体混合制备混凝土。养护7d后，自制轻骨料的收缩率小，尺寸基本稳定；在自制轻骨料尺寸稳定的情况下，胶凝基体发生自收缩，在胶凝基体和自制轻骨料之间形成紧固效应，减少胶凝基体与自制轻骨料之间的界面过渡区，从而提升胶凝基体与自制轻骨料的界面强度，提升轻质高强混凝土的整体强度。
通过在混凝土中加入本发明的自制轻骨料，可以提高混凝土中粗骨料的用量，再生粗骨料的用量可以高达25wt％，可以大幅度降低混凝土的干燥收缩和自收缩，降低了体系收缩，并且同时大幅度降低了容重；使制得的轻质超高强混凝土在容量为1300～1500kg/m3的情况下，抗压强度可达到100～130MPa，60d干燥收缩小于300*10-6。
本发明自制轻骨料的孔隙率高，具有较高的吸水率，在混凝土后期硬化过程中，如果自制轻骨料中的含水量大于胶凝基体中的含水量时，发挥“微泵”效应，使自制轻骨料内部水分向外扩散，实现“内养护”，协同降低混凝土的干燥收缩和自收缩。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
(1)本发明的自制轻骨料表观密度小，且本发明的自制轻骨料包括粗骨料和细骨料，可以大幅度降低混凝土容重，使制备得到的混凝土的容重可以达到1300～1500kg/m3。
(2)通过利用本发明的自制轻骨料，可以提高混凝土中粗骨料的用量，粗骨料的含量可以高达25wt％，在降低容重的同时可以降低体系收缩。
(3)本发明自制轻骨料的表观密度与胶凝基体的密度相近，可以避免骨料上浮或下沉，提高混凝土的力学性能。
(4)本发明自制轻骨料的强度、膨胀与胶凝基体协同发展，提升自制轻骨料与胶凝基体的界面强度，提升轻质超高强混凝土的整体强度。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在以下实施例中，水泥采用P·I 52.5水泥；硅灰的比表面积为23000m2/kg，SiO2含量为96％，28d活性指数为105％，需水量比为107％；微珠为粉煤灰微珠，比表面积为1800m2/kg，中位径为2.0μm，28d活性指数为83％；所述矿渣粉为S105矿渣粉；聚乙烯醇纤维的密度为1.2g/cm3，长度为6～12mm，抗拉强度为1600Mpa；减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为35％，固含量为37％；消泡剂为聚醚改性硅消泡剂。
在以下是具体实施方式中，再生粗骨料的粒径为5～10mm，再生细骨料的粒径为2～4mm。
实施例1
本实施例提供一种自制轻骨料，包括再生粗骨料和再生细骨料，再生粗骨料和再生细骨料均包括以下重量份的原材料：水泥600份，硅灰200份、玻璃微珠300份，聚羧酸减水剂30份，水为180份。其中玻璃微珠为硼硅酸盐玻璃，真密度为0.65g/cm3，粒径为2～60μm；再生粗骨料和再生细骨料的重量比为5:1。
本实施例的自制轻骨料的制备方法，包括以下步骤：
S1.按重量份称取各原料，先将水泥、硅灰和玻璃微珠倒入搅拌机搅拌1min，再加入聚羧酸减水剂和水，搅拌5min后成型得到试块；
S2.将S1所得的试块养护2d后拆模，然后常温下浸水养护5d后再进行破碎、筛分得到自制轻骨料，选取5～10mm的颗粒作为再生粗骨料，选取2～4mm的颗粒作为再生细骨料。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，自制轻骨料包括以下重量份的原材料：水泥600份，硅灰300份、玻璃微珠250份，聚羧酸减水剂30份，水为160份。其中玻璃微珠为硼硅酸盐玻璃，真密度为0.50g/cm3，粒径为2～30μm；再生粗骨料和再生细骨料的重量比为4:1。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于，自制轻骨料包括以下重量份的原材料：水泥550份，硅灰250份、玻璃微珠320份，聚羧酸减水剂30份，水为160份。其中玻璃微珠为硼硅酸盐玻璃，真密度为0.65g/cm3，粒径为10～30μm；再生粗骨料和再生细骨料的重量比为2:1。
对比例1
对比例1与实施例2的区别在于，本对比例的自制轻骨料包括以下重量份的原材料：水泥600份，硅灰300份、玻璃微珠250份，聚羧酸减水剂30份，石英砂为200份，水为240份。
即本对比例与实施例2的区别在于，本对比例的自制轻骨料的原料中添加了石英砂。
对比例2
对比例2与实施例2的区别在于，本对比例的自制轻骨料包括以下重量份的原材料：水泥720份，硅灰200份、玻璃微珠230份，聚羧酸减水剂30份，水为170份。
对比例3
对比例3与实施例1的区别在于，本对比例的自制轻骨料的制备方法，包括以下步骤：
S1.按实施例1的重量份称取各原料，先将水泥、硅灰和玻璃微珠倒入搅拌机搅拌1min，再加入聚羧酸减水剂和水，搅拌5min后成型得到试块；
S2.将S1所得的试块养护2d后拆模，然后置于95℃热水中养护5d后再进行破碎、筛分得到自制轻骨料。
即本对比例的制备方法与实施例1的区别在于，拆模后将试块置于95℃热水中养护。
对实施例1～3和对比例1～2的自制轻骨料进行表观密度检测，并对再生粗骨料养护28d后进行压碎指标测试，结果如表1。
表1自制轻骨料的表观密度和压碎指标
Figure BDA0003362516390000051
Figure BDA0003362516390000061
从表1的数据可以看出，本发明实施例1～3的自制轻骨料的表观密度为1.30～1.35g/cm3。对比例1的自制轻骨料的原料中含有石英砂，制备的自制轻骨料的表观密度增大至1.60g/cm3，且石英砂没有反应活性，形成骨料的强度较低，压碎指标升高。对比例2中水泥的用量增大，导致制备的自制轻骨料的表观密度增大至1.62g/cm3；且与玻璃微珠、硅灰不能形成级配互补，导致形成骨料的强度较低，压碎指标也升高。
实施例4
本实施例提供一种轻质超高强混凝土，包括以下重量份的各组分：水泥300份，微珠60份、矿渣粉60份，硅灰90份，粉煤灰空心球180份，实施例1的自制轻骨料600份，聚乙烯醇纤维5份，减水剂28份，消泡剂0.06份，水130份；
粉煤灰空心球的真密度为0.68g/cm3，细度为40～100目的和细度为20～40目的质量比为1：3。
本实施例的轻质超高强混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1.按重量份称取各原材料，先将水泥、微珠、矿渣粉、硅灰和粉煤灰空心球，搅拌均匀；
S2.向步骤S1得到的混合物中加入减水剂和消泡剂，继续搅拌5min；
S3.向步骤S2得到的混合物中加入自制轻骨料，继续搅拌2min，再加入聚乙烯醇纤维，继续搅拌1min；
S4.常温成型后拆模，20±2℃下恒温水养即可得到轻质超高强混凝土。
实施例5
实施例5与实施例4的区别在于，本实施例的轻质超高强混凝土包括以下重量份的各组分：水泥250份，微珠60份、矿渣粉90份，硅灰100份，粉煤灰空心球200份，实施例2的自制轻骨料500份，聚乙烯醇纤维5份，减水剂30份，消泡剂0.06份，水140份；
粉煤灰空心球的真密度为0.65g/cm3，细度为40～100目的和细度为20～40目的质量比为1：4。
实施例6
实施例6与实施例4的区别在于，本实施例的轻质超高强混凝土包括以下重量份的各组分：水泥280份，微珠70份、矿渣粉90份，硅灰80份，粉煤灰空心球220份，实施例3的自制轻骨料600份，聚乙烯醇纤维10份，减水剂30份，消泡剂0.08份，水130份。
对比例4
对比例4与实施例5的区别在于，采用对比例1的自制轻骨料代替实施例1的自制轻骨料。
对比例5
对比例5与实施例5的区别在于，采用对比例2的自制轻骨料代替实施例1的自制轻骨料。
对比例6
对比例6与实施例4的区别在于，采用对比例3制备的自制轻骨料代替实施例1的自制轻骨料。
对比例7
本对比例与实施例4的区别在于，采用400份700级陶粒(粒径5～10mm)和200份700级陶砂(粒径2～4mm)代替实施例1的自制轻骨料，陶粒、陶砂的堆积密度为0.75g/cm3。
对实施例4～6及对比例4～7的轻质超高强混凝土进行相关的性能指标测试，测试结果见表2。
表2轻质超高强混凝土的性能测试结果
Figure BDA0003362516390000071
从表2的结果可以看出，采用本发明自制轻骨料制备的混凝土，在容重为1300～1500kg/m3的情况下，抗压强度可以达到108～130MPa，60d干燥收缩小于300*10-6。通过对比实施例5和对比例4可以发现，对比例4的自制轻骨料中增加了石英砂，石英砂的表观密度较大，增大了自制轻骨料的表观密度，使制备的混凝土的容重增大至1650kg/m3，且石英砂没有反应活性，制得的混凝土的抗压强度降低。对比例5的自制轻骨料中增大了水泥的用量，增大了自制轻骨料的表观密度，使制备的混凝土的容重增大至1680kg/m3，且与玻璃微珠、硅灰不能形成级配互补，导致形成骨料的强度较低，制得的混凝土的抗压强度降低。通过实施例4和对比例6可以发现，通过热水养护虽然可以快速提升自制轻骨料的强度，降低收缩率，但是在热养护期间，轻骨料的强度全部被激发出来，失去了与胶凝基体强度协同发展的机会，制得的混凝土的抗压强度仅为89MPa。通过实施例4和对比例7可以发现，采用陶粒、陶砂作为轻骨料制备混凝土，由于轻骨料的强度不高，制得的混凝土的抗压强度仅为68MPa。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种自制轻骨料，其特征在于，所述自制轻骨料包括再生粗骨料和再生细骨料，所述再生粗骨料和再生细骨料均包括以下重量份的各组分：水泥500～600份，硅灰150～300份，玻璃微珠250～400份，聚羧酸减水剂25～40份，水160～180份。
2.根据权利要求1所述的一种自制轻骨料，其特征在于，所述再生粗骨料的粒径为5～10mm，所述再生细骨料的粒径为2～4mm，所述再生粗骨料和再生细骨料的重量比为(2～6):1。
3.根据权利要求1所述的一种自制轻骨料，其特征在于，所述玻璃微珠为硼硅酸盐玻璃，真密度为0.4～0.65g/cm3，粒径为2～130μm。
4.权利要求1～3任一项所述的一种自制轻骨料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.按重量份称取各原料，先将所述水泥、硅灰和玻璃微珠搅拌均匀，再加入聚羧酸减水剂和水，搅拌均匀后成型得到试块；
S2.将S1所得的所述试块养护2d后拆模，然后浸水养护5d后再进行破碎、筛分得到自制轻骨料，选取5～10mm的颗粒作为再生粗骨料，选取2～4mm的颗粒作为再生细骨料。
5.一种采用权利要求1～3任一项所述的自制轻骨料制成的轻质超高强混凝土，其特征在于，包括以下重量份的各组分：水泥250～300份，微珠60～90份，矿渣粉60～90份，硅灰60～100份，粉煤灰空心球150～250份，自制轻骨料500～900份，聚乙烯醇纤维4～15份，减水剂25～40份，消泡剂0.04～0.08份，水120～140份。
6.根据权利要求5所述的一种轻质超高强混凝土，其特征在于，所述微珠为粉煤灰微珠，比表面积≥1200m2/kg，中位径为1.8～2.3μm，28d活性指数≥75％。
7.根据权利要求5所述的一种轻质超高强混凝土，其特征在于，所述聚乙烯醇纤维的密度为1.2g/cm3，抗拉强度大于1600Mpa。
8.根据权利要求5所述的一种轻质超高强混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为25～40％，固含量为30～40％。
9.根据权利要求5所述的一种轻质超高强混凝土，其特征在于，所述消泡剂为聚醚改性硅类消泡剂或有机硅类消泡剂中的一种。
10.权利要求5所述的一种轻质超高强混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.按重量份称取水泥、微珠、矿渣粉、硅灰和粉煤灰空心球，混合均匀；
S2.按重量份称取减水剂和消泡剂，加入步骤S1得到的混合物中，混合均匀；
S3.按重量份称取自制轻骨料，加入到步骤S2得到的混合物中，混合均匀，再加入聚乙烯醇纤维，混合均匀；
S4.常温成型后拆模，恒温水养即可得到轻质超高强混凝土。
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