CN114315207A

CN114315207A - 一种铁路混凝土用火成岩质矿物材料及其制备方法

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Publication number: CN114315207A
Application number: CN202111541724.3A
Authority: CN
Inventors: 谭盐宾; 谢永江; 王浩; 葛昕; 杨鲁; 李林香; 郑永杰; 齐婧
Original assignee: Beijing Tieke Construction Technology Co ltd; China Academy of Railway Sciences Corp Ltd CARS; Railway Engineering Research Institute of CARS
Current assignee: Beijing Tieke Construction Technology Co ltd; China Academy of Railway Sciences Corp Ltd CARS; Railway Engineering Research Institute of CARS
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种铁路混凝土用火成岩质矿物材料及其制备方法。一种铁路混凝土用火成岩质矿物材料是通过掺入助磨组分将火成岩质矿物母岩粉磨至一定细度后，再与抗吸附组分、孔隙调节组分和增强组分按一定比例混合而成，各组分质量比为火成岩质矿物母岩(73.5～89.95份)：助磨组分(0.05～1.5份)：抗吸附组分(1.5～4.5份)：孔隙调节组分(0.5～2.5份)：增强组分(8～18份)。本发明提出的一种铁路混凝土用火成岩质矿物材料及其制备方法所得到的矿物掺合料物理指标达到I级粉煤灰的指标要求；按适量掺量掺入混凝土中，可有效改善混凝土拌合物工作性能和长期耐久性能，并满足《铁路混凝土》(TB/T 3275‑2018)的技术要求。

Description

一种铁路混凝土用火成岩质矿物材料及其制备方法

技术领域

本发明属于混凝土矿物掺合料应用技术领域，具体涉及一种铁路混凝土用火成岩质矿物材料及其制备方法。

背景技术

矿物掺合料作为土木工程主体结构混凝土的重要组成材料，能显著改善混凝土和易性、提高混凝土强度和耐久性、有效降低混凝土成本，已成为混凝土胶凝材料中不可或缺的组分。传统常用矿物掺合料有工业副产品粉煤灰、矿渣粉、硅灰等，但随着我国基础建设的迅猛发展和环保措施的日益严格，传统粉煤灰、矿渣粉等资源日益紧张，特别是在以水利发电占主导的我国西南地区，由于缺少火力发电厂，粉煤灰资源更加稀缺。在整个川西和西藏地区，由于环保要求和工业发展程度低，这些区域传统矿物掺合料都非常紧缺，为满足工程建设需要，需从外省购运粉煤灰等材料，大大增加了工程建设成本。

在我国西南地区，如云南、四川和西藏三省，由于处于欧亚板块地震活跃带，古火山分布多，具有丰富的火成岩质矿物资源。研究表明，火成岩矿物具有与粉煤灰相似的化学组成，将其磨细加工至一定细度后具有一定的潜在水化活性，可代替粉煤灰用于生产混凝土。但火成岩矿物中多含有云母和绿泥石，上述材料的晶体均呈层状结构，会有效吸附聚羧酸减水剂PEO侧链而导致减水剂的减水率降低，且不利于混凝土工作性保持，使得外加剂适应性降低；有些火成岩质矿物中含有超过50％体积含量的气孔，将其作为混凝土掺合料极大的增加了需水量，不利于混凝土工作性能；此外，火成岩质矿物中无定型SiO₂含量较低，使得其水化活性较低，不利于混凝土后期强度发展，造成后期强度增长慢、混凝土密实度较差等问题。所以，将火成岩质材料作为混凝土矿物掺合料，需对其进行改性，才能有效的解决上述问题。专利文献CN 106082808 A公开了一种玄武岩纤维混凝土，其中火山灰用量为3～5份，粉煤灰用量为100～105份，从中可发现，该混凝土体系中矿物掺合料主要以粉煤灰为主，火山灰仅占矿物掺合料的3％～4.8％，所以并未高效利用火山灰。专利文献CN106242333 A公开了一种凝灰岩石粉掺合料的制备方法，其中将1000重量份的凝灰岩与0.13～1.3重量份的改性剂进行混合，改性剂由助磨组分、引气组分以及增稠组分组成。文中提到，由于凝灰岩为层状不规则形貌，使得混凝土工作性能不及粉煤灰，可见并没有改善磨细凝灰岩石粉混凝土的工作性能。

因此，在缺乏传统矿物掺合料的地区，为满足实际工程需要，制备出一种可替代传统粉煤灰、矿渣粉的成本较低、制备方法简单、性能优异的矿物掺合料迫在眉睫。通过本方法制备的一种火成岩质矿物材料，其细度小于10％、需水量比小于94％，其物理性能均满足GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中I级粉煤灰的技术要求，可替代粉煤灰用于混凝土生产，能有效解决缺乏高品质粉煤灰地区的使用难题，降低了该地区制备混凝土的生产成本，并对此类矿物掺合料的推广起到重要作用。

发明内容

本发明针对火成岩质矿物需水量大、坍落度损失大、后期水化活性低等问题进行改性，提出了一种铁路混凝土用火成岩质矿物材料及其制备方法。

一种铁路混凝土用火成岩质矿物材料及其制备方法，其特征在于使用助磨组分将火成岩质矿物母岩粉磨至一定细度后，再与抗吸附组分、孔隙调节组分和增强组分按一定比例混合而成，各组分所占质量比为：

火成岩质矿物母岩：73.5～89.95份；

助磨组分：0.05～1.5份；

抗吸附组分：1.5～4.5份；

孔隙调节组分：0.5～2.5份；

增强组分：8～18份；

其制备方法主要包括以下步骤：

首先将块状原料火成岩质矿物母岩投入球磨机中，随后按比例加入助磨组分，将火成岩质矿物母岩粉磨至一定比表面积，比表面积为400～900m²/kg，然后将粉磨后的磨细火成岩质矿物转入高速混料机中，同步按比例加入抗吸附组分、孔隙调节组分以及增强组分，经高速混合均匀后出料进入成品库，得到最终产品。

所述的火成岩质矿物母岩为流纹岩、安山岩、玄武岩、凝灰岩中的一种或两种组合物。

所述的助磨组分为二乙醇单异丙醇胺、二水石膏中的一种。

所述的抗吸附组分为聚丙烯酸钠、有机膦酸盐、小分子羧酸中的一种或两种组合物；其中，述聚丙烯酸钠的重均分子量为5000～12000；所述有机膦酸盐为聚天冬氨酸(PASP)、2-膦酸丁烷-1,2,4三羧酸四钠(PBTCA·Na₄)、双1,6-亚己基三胺五甲叉磷酸钠(BHMTPH·PN·Na₂)中的一种；所述小分子羧酸为酒石酸或柠檬酸中的一种。

所述的孔隙调节组分为可再分散性乳胶粉，包括醇酸-丙烯酸胶粉、含磷酸丙烯酸酯聚氨酯胶粉、硅丙胶粉、氟代聚丙烯酸酯胶粉中的一种或两种组合物；其中，所述醇酸-丙烯酸胶粉为醇酸树脂与丙烯酸酯共聚而成的可溶性胶粉；所述含磷酸丙烯酸酯聚氨酯胶粉为聚四氢呋喃二醇、甲苯二异氰酸酯、二羟甲基丙烯、丙烯酸羟乙酯共聚而成的可溶性胶粉；所述硅丙胶粉为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸、乙烯基三乙氧基硅烷共聚而成的可溶性胶粉；所述氟代聚丙烯酸酯胶粉为全氟烷基乙基丙烯酸酯、甲基丙烯酸醇酯、甲基丙烯酸二甲氨乙酯、丙烯酸羟丙酯共聚而成的可溶性胶粉。

所述的增强组分为硅灰、低热水泥熟料或纳米二氧化硅中的一种或混合物；其中，硅灰的二氧化硅含量不低于90％。

本发明提出的一种铁路混凝土用火成岩质矿物材料及其制备方法，具有以下有益效果：

1、助磨组分的掺加，能有效减少粉磨时间，并提高改性后火成岩质材料的早期水化活性。

2、抗吸附组分中聚丙烯酸钠、有机膦酸盐以及小分子羧酸会与火成岩质矿物中云母、绿泥石作用，较聚羧酸减水剂而优先吸附到云母和绿泥石层状结构中，使得聚羧酸减水剂的有效成分得以保留，最大限度的提高混凝土外加剂的适应性。

3、孔隙调节组分中可再分散性乳胶粉与水溶解后，一方面可以辅助减水剂分散磨细火成岩质矿物颗粒，另一方面可以有效封堵火成岩质矿物颗粒的孔隙，尤其是封堵连通孔隙，使得火成岩质矿物的需水量显著降低，有利于混凝土工作性能的改善。

4、增强组分可以提供水泥水化的活性位点，通过微集料效应和高火山灰反应活性而增加硬化水泥石的密实度，有效提高混凝土后期强度增长率和耐久性能。

5、本发明所述的一种铁路混凝土用火成岩质矿物材料及其制备方法，其生产工艺简单，制备成本低廉，能完全替代粉煤灰等传统混凝土矿物掺合料，有效缓解材料紧缺时期的供应局面，对不同结构部位的混凝土适应性广，具有广泛的使用前景。

具体实施例

实施例详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

具体实施例1

将89.95kg凝灰岩母岩与0.05kg二乙醇单异丙醇胺投入球磨机中，粉磨15min后出料进入高速混料机，同时往高速混料机中加入1.5kg聚丙烯酸钠、0.5kg醇酸-丙烯酸胶粉、6kg硅灰和2kg低热水泥熟料，经混合均匀后得到铁路混凝土用火成岩质矿物材料TKNP-1。

具体实施例2

将73.5kg安山岩母岩与1.5kg二水石膏投入球磨机中，粉磨15min后出料进入高速混料机，同时往高速混料机中加入4.5kg聚天冬氨酸、2.5kg含磷酸丙烯酸酯聚氨酯胶粉、13.5kg硅灰和4.5kg纳米二氧化硅，经混合均匀后，得到铁路混凝土用火成岩质矿物材料TKNP-2。

具体实施例3

将81.25kg玄武岩母岩与0.18kg二乙醇单异丙醇胺投入球磨机中，粉磨15min后出料进入高速混料机，同时往高速混料机中加入2.7kg 2-膦酸丁烷-1,2,4三羧酸四钠、1.8kg硅丙胶粉、10.2kg硅灰和3.87kg纳米二氧化硅，经混合均匀后，得到铁路混凝土用火成岩质矿物材料TKNP-3。

具体实施例4

将78.34kg流纹岩母岩与0.84kg二水石膏投入球磨机中，粉磨15min后出料进入高速混料机，同时往高速混料机中加入4.2kg双1,6-亚己基三胺五甲叉磷酸钠、0.92kg氟代聚丙烯酸酯胶粉、8.5kg硅灰和7.2kg低热水泥熟料，经混合均匀后，得到铁路混凝土用火成岩质矿物材料TKNP-4。

具体实施例5

将42.15kg凝灰岩母岩和40.11kg流纹岩母岩与0.13kg二乙醇胺异丙醇胺投入球磨机中，粉磨15min后出料进入高速混料机，同时往高速混料机中加入3.15kg酒石酸、1.84kg醇酸-丙烯酸胶粉、6.6kg硅灰和6.02kg低热水泥熟料，经混合均匀后，得到铁路混凝土用火成岩质矿物材料TKNP-5。

具体实施例6

将33.26kg安山岩母岩和45.21kg玄武岩母岩与1.4kg二水石膏投入球磨机中，粉磨15min后出料进入高速混料机，同时往高速混料机中加入3.3kg柠檬酸、1.16kg氟代聚丙烯酸酯胶粉、10.87kg硅灰和4.8kg纳米二氧化硅，经混合均匀后，得到铁路混凝土用火成岩质矿物材料TKNP-6。

具体实施例7

将80.5kg玄武岩母岩投入球磨机中，粉磨15min后出料进入高速混料机，同时往高速混料机中加入3.1kg聚丙烯酸钠、2.2kg醇酸-丙烯酸胶粉、11.5kg硅灰和2.7kg纳米二氧化硅，经混合均匀后，得到铁路混凝土用火成岩质矿物材料DB-1。

具体实施例8

将56.18kg安山岩母岩和20.25kg流纹岩母岩与0.27kg二乙醇单异丙醇胺投入球磨机中，粉磨15min后出料进入高速混料机，同时往高速混料机中加入2.45kg硅丙胶粉、18.25kg硅灰和2.6kg低热水泥熟料，经混合均匀后，得到铁路混凝土用火成岩质矿物材料DB-2。

具体实施例9

将82.88kg玄武岩母岩与1.15kg二水石膏投入球磨机中，粉磨15min后出料进入高速混料机，同时往高速混料机中加入2.85kg酒石酸、6.28kg硅灰和6.84kg纳米二氧化硅，经混合均匀后，得到铁路混凝土用火成岩质矿物材料DB-3。

具体实施例10

将93.57kg流纹岩母岩与0.95kg二乙醇单异丙醇胺投入球磨机中，粉磨15min后出料进入高速混料机，同时往高速混料机中加入3.18kg聚天冬氨酸、2.3kg氟代聚丙烯酸酯胶粉，经混合均匀后，得到铁路混凝土用火成岩质矿物材料DB-4。

实施效果：

粉体的物理指标测试：试验测定了按照各实施例制备的粉体物理指标，物理指标包括：细度、比表面积、需水量比以及28d、56d活性指数。其中，细度、需水量比以及28d、56d活性指数按照GB/T 1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》执行，比表面积按照GB/T8074-2008《水泥比表面积测定方法勃氏法》执行，其中以粉煤灰作为基准，试验结果见表1。

表1材料的物理指标测试结果

从表1可以看出，粉煤灰与TKNP-1～6试样，其细度、需水量比以及活性指数基本相当，其中采用本发明的方法制备的火成岩质矿物材料的比表面积和活性指数略高于粉煤灰，而细度和需水量比相差不大，按照本发明的火成岩质矿物材料物理指标均能满足I级粉煤灰的指标要求。从DB-1～4发现，制备过程中未使用助磨组分，粉磨的材料细度大，水化活性低；为掺加抗吸附组分或者孔隙调节组分时，材料的需水量比明显高于掺加的；为掺加增强组分的试样28d活性指数略高于粉煤灰的，但56d活性指数明显低于粉煤灰。

新拌混凝土性能测试：新拌混凝土性能按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》执行，分别测试新拌混凝土初始、1h和2h的坍落度和含气量。其中水泥为金隅P·O42.5，矿物掺合料分别为粉煤灰、TKNP-1、TKNP-2、TKNP-3、TKNP-4、TKNP-5、TKNP-6、DB-1、DB-2、DB-3和DB-4，细骨料为细度模数2.8的河砂，粗骨料为5-20mm连续级配碎石，减水剂为固含量为20％的聚羧酸型减水剂，混凝土配合比见表2，具体试验结果见表3。

表2混凝土试验配合比单位：kg

水泥	矿物掺合料	砂	石子	减水剂	水
						270	120	895	970	4.0	140

表3新拌混凝土工作性能测试结果

从表3中发现，掺加TKNP-1～6的混凝土工作性能与掺加粉煤灰的混凝土工作性能基本相当。从DB-1～4发现，火成岩质矿物材料制备过程中，未掺加助磨组分和增强组分对新拌混凝土工作性能影响不大；然而未掺加抗吸附组分和孔隙调节组分的试样作为混凝土矿物掺合料，制备的混凝土初始坍落度以及坍落度损失明显高于其他组分，1h后坍落度损失明显，无法满足施工现场的灌注要求。

硬化混凝土性能测试：混凝土力学性能按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》执行，分别测试硬化混凝土3d、7d、28d、56d抗压强度；混凝土电通量按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》执行，分别测试混凝土28d和56d的电通量；测试结果如表4所示。

表4硬化混凝土性能测试结果

从表4发现，掺加TKNP-1～6的硬化混凝土抗压强度与电通量与掺加粉煤灰的混凝土性能基本相当，其中掺加按照本发明制备的火成岩质矿物材料的硬化混凝土性能更优，后期强度更高。从DB-1～4发现，由于火成岩质矿物材料制备时未掺加助磨组分，导致颗粒较粗，水化活性较低，所以制备的混凝土力学性能和密实度较差；当制备过程中未掺加抗吸附组分和孔隙调节组分的矿物掺合料，对硬化混凝土抗压强度和电通量影响不大；当制备过程未掺加增强组分，明显降低了硬化混凝土的力学性能和密实度。

通过测试可得以下结论：火成岩质矿物材料中的助磨组分能增加粉磨效率，并能一定程度上提高混凝土的早期抗压强度；抗吸附组分能优先吸附在颗粒的层间，有效确保了减水剂的分散作用；孔隙调节组分改善了颗粒的孔结构，封闭了颗粒的孔隙尤其是连通孔隙，有效降低了材料颗粒的需水量；增强组分的掺加能显著提高火成岩质矿物材料活性，当其作为混凝土矿物掺合料时能提高混凝土后期力学性能和密实度。采用本发明制备的火成岩质矿物材料，其物理指标均能满足I级粉煤灰的指标要求，制备的混凝土各项性能指标均能满足设计文件以及相关标准的要求。

Claims

1.一种铁路混凝土用火成岩质矿物材料及其制备方法，其特征在于使用助磨组分将火成岩质矿物母岩粉磨至一定细度后，再与抗吸附组分、孔隙调节组分和增强组分按一定比例混合而成，各组分所占质量比为：

火成岩质矿物母岩：73.5～89.95份；

助磨组分：0.05～1.5份；

抗吸附组分：1.5～4.5份；

孔隙调节组分：0.5～2.5份；

增强组分：8～18份；

其制备方法主要包括以下步骤：

2.根据权利1所述的一种铁路混凝土用火成岩质矿物材料及其制备方法，其特征在于：所述的火成岩质矿物母岩为流纹岩、安山岩、玄武岩、凝灰岩中的一种或两种组合物。

3.根据权利1所述的一种铁路混凝土用火成岩质矿物材料及其制备方法，其特征在于：所述的助磨组分为二乙醇单异丙醇胺、二水石膏中的一种。

4.根据权利1所述的一种铁路混凝土用火成岩质矿物材料及其制备方法，其特征在于：所述的抗吸附组分为聚丙烯酸钠、有机膦酸盐、小分子羧酸中的一种或两种组合物；其中，述聚丙烯酸钠的重均分子量为5000～12000；所述有机膦酸盐为聚天冬氨酸(PASP)、2-膦酸丁烷-1,2,4三羧酸四钠(PBTCA·Na₄)、双1,6-亚己基三胺五甲叉磷酸钠(BHMTPH·PN·Na₂)中的一种；所述小分子羧酸为酒石酸或柠檬酸中的一种。

5.根据权利1所述的一种铁路混凝土用火成岩质矿物材料及其制备方法，其特征在于：所述的孔隙调节组分为可再分散性乳胶粉，包括醇酸-丙烯酸胶粉、含磷酸丙烯酸酯聚氨酯胶粉、硅丙胶粉、氟代聚丙烯酸酯胶粉中的一种或两种组合物；其中，所述醇酸-丙烯酸胶粉为醇酸树脂与丙烯酸酯共聚而成的可溶性胶粉；所述含磷酸丙烯酸酯聚氨酯胶粉为聚四氢呋喃二醇、甲苯二异氰酸酯、二羟甲基丙烯、丙烯酸羟乙酯共聚而成的可溶性胶粉；所述硅丙胶粉为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸、乙烯基三乙氧基硅烷共聚而成的可溶性胶粉；所述氟代聚丙烯酸酯胶粉为全氟烷基乙基丙烯酸酯、甲基丙烯酸醇酯、甲基丙烯酸二甲氨乙酯、丙烯酸羟丙酯共聚而成的可溶性胶粉。

6.根据权利1所述的一种铁路混凝土用火成岩质矿物材料及其制备方法，其特征在于：所述的增强组分为硅灰、低热水泥熟料或纳米二氧化硅中的一种或混合物；其中，硅灰的二氧化硅含量不低于90％。