CN114716192B - 一种有机-无机复合改性制备低温早强型混凝土的方法 - Google Patents

一种有机-无机复合改性制备低温早强型混凝土的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种有机‑无机复合改性制备低温早强型混凝土的方法。其中，该发明包括以下步骤:1)将筛分后的电石渣粉末、建筑垃圾微粉粉末和支座砂浆废料粉末和水，分别与二乙醇单异丙醇胺、羟丙基甲基纤维素按照特定比例进行湿磨，得到电石渣纳米浆料A、建筑垃圾微粉纳米浆料B和支座砂浆废料纳米浆料C；2)取步骤1)中的纳米浆料A、B、C与水泥、CaBr2、河砂、石子、减水剂、拌合用水进行混合搅拌；3)经过振捣、成型、低温养护得到低温早强混凝土。本发明在低温条件下复配有机无机组分，所使用的二乙醇单异丙醇胺使C3A、C4AF分散良好且与无机组分适配性好，可显著提高水泥早期强度，缩短混凝土养护周期，加快施工进度和降低施工成本，可广泛应用于低温下工期紧需工程等。

Description

一种有机-无机复合改性制备低温早强型混凝土的方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种有机-无机复合改性制备低温早强型混凝土的方法。
背景技术
低温条件下，自然低温养护混凝土强度发展缓慢，严重影响混凝土工程施工进度。对于一些高墩、连续钢构桥梁等混凝土结构，低温养护措施的实施难度大、成本高。掺早强剂是加快混凝土强度发展的一种重要技术手段，且操作简单、成本低廉。
但传统早强剂主要存在以下问题：(1)增大后期强度损失。(2)增大收缩，易引起试件开裂。(3)引入SO42～增加硫酸盐侵蚀破坏风险，提高K+、Na+含量会出现盐析现象、增加碱集料反应的风险。(4)混凝土结构致密度低，抗渗、抗碳化等性能下降等问题。
先前关于早强剂的研究，多集中其在常温下的早强性能，低温下的研究较少，早强剂低温下的早强效果有限，工作性、耐久性影响的研究也比较缺乏。针对上述问题，在5℃条件下，兼顾混凝土早期强度、后期强度和耐久性，采用有机-无机复合技术，开发了一种无氯、无SO42～的新型低温早强剂，为环境和成本等方面都会带来有益效果。
CN110255949 A的专利公开了一种混凝土早强剂及其制备方法。其在一定程度上解决了低温环境中早强剂对混凝土早强效果不明显的问题。但该工艺所使用的硝酸盐,虽然能够起到一定的防冻效果,但防冻效果有限，无法适用于较低温度下的混凝土的防冻。并且还提高了混凝土的含碱量,易发生碱骨料反应,影响混凝土质量。
CN105293974 A的专利公开了一种混凝土复合超早强剂及其使用方法。其中的掺入了引气剂。引气剂虽然能够提高混凝土的耐低温性，但在混凝土中添加引气剂后,会使混凝土内形成很多密闭的气泡,气泡在混凝土内部占据一定空间,使混凝土截面减小,进而使混凝土的强度降低,在一定程度上限制了混凝土的使用。
CN110255949A的专利公开了一种混凝土早强剂及其制备方法。其使得早强剂在低温环境中使用时具有早强效果。其中掺入的硫酸铝属于硫酸盐系早强剂，由于会引起混凝土“泛霜”，以及存在碱骨料反应危害风险，其应用受到很大的限制。
本发明的优势：
本发明使用二乙醇单异丙醇胺和羟丙基甲基纤维素有机改性无机组分，并使用多固废协同制备低温早强型混凝土。通过纳米电石渣、纳米建筑垃圾微粉和纳米支座砂浆废料的晶核效应，来促进CH、C-S-H和AFt的生成，促进早期水化反应，致使早期强度提高。有利于实现环境保护和变废为宝的双重目的，并且工艺简单，成本低廉，比已有相关的混凝土早强剂相比，本发明的制造成本降低了35％以上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有机-无机复合改性制备低温早强型混凝土的方法，并用本方法解决低温下混凝土存在的强度缺陷问题。
步骤1：分别将电石渣、建筑垃圾微粉和支座砂浆废料进行干法研磨15～30min，通过筛分分别得到40～70μm、60～80μm和30～50μm的电石渣粉末a、建筑垃圾微粉粉末b和支座砂浆废料粉末c；
步骤2：将1～3份粉末a、3～9份拌合用水、0.3～1份二乙醇单异丙醇胺、0.02～0.03份羟丙基甲基纤维素进行混合，湿磨1.5～3.5h，得到电石渣纳米浆料A；
步骤3:将1.5～4.5份粉末b、3～9份拌合用水、1～2份二乙醇单异丙醇胺、0.03～0.06份羟丙基甲基纤维素进行混合，湿磨1～3h，得到建筑垃圾微粉纳米浆料B；
步骤4:将0.4～3份粉末c、0.8～6份拌合用水、0.3～1份二乙醇单异丙醇胺、0.02～0.03份羟丙基甲基纤维素进行混合，湿磨0.5～2.5h，得到支座砂浆废料纳米浆料C；
步骤5：取步骤2、3、4中的纳米浆料A、B、C与35～46份水泥、1～3份CaBr2、70～85份细骨料、70～90份粗骨料、2～4份减水剂、5～18份拌合用水进行混合搅拌，经过振捣、成型、低温养护得到低温早强混凝土。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和技术效果：
1.组分复配：本发明复配有机无机组分，用二乙醇单异丙醇胺作为绿色环保的助磨剂，其对C3A、C4AF可以起到良好的分散效果；同时使用羟丙基甲基纤维素作为分散剂，对纳米材料起到良好的分散效果。且都与无机组分适配性好，增大水泥水化速度，对水泥早期和后期强度均有显著提高作用。
2.促进早强：(1)在低温条件下通过纳米电石渣和CaBr2来提供Ca2+,使液相环境中的Ca2+处于过饱和状态，加快针状AFt的生成，促进水泥水化；(2)支座砂浆废料所提供的大量Al3+与OH-结合生成Al(OH)3胶体，胶体状的氢氧化铝比沉淀状物质更具形变能力，其与沉淀的配合来填充混凝土，可提高早期强度；其一定的形变能力不会将混凝土空隙卡死，有利于后期水化反应的进行。(3)同时两者共同作用生成了更多的C3A和C4AF，加快水化速率，形成更高的早期强度。
3.纳米晶核：湿磨后的纳米浆料在混凝土中形成大量成核位点，在水泥水化过程中诱导各类矿物离子向晶核迁移，促进CH、C-S-H和AFt的生成，同时水泥水化形成的C-S-H凝胶吸附在在晶核表面，加快水化前期水化产物的成核生长，从而提升早期强度。
4.适应性强：本发明所制备的低温早强型混凝土适应性强，在温度条件下性能波动很小，尤其在低温下具有良好的早强效果。
具体实施方式
对比例1(纯水泥组)：
一种有机-无机复合改性制备低温早强型混凝土的方法，包括以下步骤：
与42份水泥、76份细骨料、82份粗骨料、4份减水剂、16份拌合用水进行混合搅拌，经过振捣、成型、低温养护得到混凝土。
对比例2(无电石渣作用)：
一种有机-无机复合改性制备低温早强型混凝土的方法，包括以下步骤：
步骤1：分别将建筑垃圾微粉和支座砂浆废料进行干法研磨15～30min，通过筛分分别得到60～80μm和30～50μm的建筑垃圾微粉粉末b和支座砂浆废料粉末c；
步骤2:将2份粉末b、4份拌合用水、1份二乙醇单异丙醇胺、0.04份羟丙基甲基纤维素进行混合，湿磨1.5h，得到建筑垃圾微粉纳米浆料B；
步骤3:将0.8份粉末c、1.6份拌合用水、0.5份二乙醇单异丙醇胺、0.02份羟丙基甲基纤维素进行混合，湿磨1h，得到支座砂浆废料纳米浆料C；
步骤5：取步骤2、3中的纳米浆料B、C与39.2份水泥、76份细骨料、82份粗骨料、2份CaBr2、4份高效减水剂、10.4份拌合用水进行混合搅拌，经过振捣、成型、低温养护得到低温早强型混凝土。
对比例3(无建筑垃圾微粉作用)：
一种有机-无机复合改性制备低温早强型混凝土的方法，包括以下步骤：
步骤1：分别将电石渣和支座砂浆废料进行干法研磨15～30min，通过筛分分别得到40～70μm和30～50μm的电石渣粉末a和支座砂浆废料粉末c；
步骤2：将1.2份粉末a、3.6份拌合用水、0.5份二乙醇单异丙醇胺、0.02份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨2h，得到电石渣纳米浆料A；
步骤3：将0.8份粉末c、1.6份拌合用水、0.5份二乙醇单异丙醇胺、0.02份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨1h，得到支座砂浆废料纳米浆料C；
步骤4：取步骤2、3中的纳米浆料A、C与40份水泥、76份细骨料、82份粗骨料、2份CaBr2、4份减水剂、10.8份拌合用水进行混合搅拌，经过振捣、成型、低温养护得到低温早强型混凝土。
对比例4(无支座砂浆废料作用)：
一种有机-无机复合改性制备低温早强型混凝土的方法，包括以下步骤：
步骤1：分别将电石渣、建筑垃圾微粉进行干法研磨15～30min，通过筛分分别得到40～70μm、60～80μm的电石渣粉末a、建筑垃圾微粉粉末b；
步骤2：将1.2份粉末a、3.6份拌合用水、0.5份二乙醇单异丙醇胺、0.02份羟丙基甲基纤维素进行混合，湿磨2h，得到电石渣纳米浆料A；
步骤3：将:2份粉末b、4份拌合用水、0.5份二乙醇单异丙醇胺、0.04份羟丙基甲基纤维素进行混合，湿磨1.5h，得到建筑垃圾微粉纳米浆料B；
步骤4：取步骤2、3中的纳米浆料A、B与38.8份水泥、76份细骨料、82份粗骨料、2份CaBr2、4份高效减水剂、8.4份拌合用水进行混合搅拌，经过振捣、成型、低温养护得到低温早强型混凝土。
对比例5(无二乙醇单异丙醇胺作用)：
一种有机-无机复合改性制备低温早强型混凝土的方法，包括以下步骤：
步骤1：分别将电石渣、建筑垃圾微粉和支座砂浆废料进行干法研磨15～30min，通过筛分分别得到40～70μm、60～80μm和30～50μm的电石渣粉末a、建筑垃圾微粉粉末b和支座砂浆废料粉末c；
步骤2：将1.2份粉末a、3.6份拌合用水、0.02份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨2h，得到电石渣纳米浆料A；
步骤3:将2份粉末b、4份拌合用水、0.04份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨1.5h，得到建筑垃圾微粉纳米浆料B；
步骤4:将0.8份粉末c、1.6份拌合用水、0.02份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨1h，得到支座砂浆废料纳米浆料C；
步骤5：取步骤2、3、4中的纳米浆料A、B、C与38份水泥、76份细骨料、82份粗骨料、2份CaBr2、4份高效减水剂、6.8份拌合用水进行混合搅拌，经过振捣、成型、低温养护得到低温早强型混凝土。
对比例6(无CaBr2作用)：
一种有机-无机复合改性制备低温早强型混凝土的方法，包括以下步骤：
步骤1：分别将电石渣、建筑垃圾微粉和支座砂浆废料进行干法研磨15～30min，通过筛分分别得到40～70μm、60～80μm和30～50μm的电石渣粉末a、建筑垃圾微粉粉末b和支座砂浆废料粉末c；
步骤2：将1.2份粉末a、3.6份拌合用水、0.5份二乙醇单异丙醇胺、0.02份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨2h，得到电石渣纳米浆料A；
步骤3:将2份粉末b、4份拌合用水、1份二乙醇单异丙醇胺、0.04份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨1.5h，得到建筑垃圾微粉纳米浆料B；
步骤4:将0.8份粉末c、1.6份拌合用水、0.5份二乙醇单异丙醇胺、0.02份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨1h，得到支座砂浆废料纳米浆料C；
步骤5：取步骤2、3、4中的纳米浆料A、B、C与38份水泥、76份细骨料、82份粗骨料、4份高效减水剂、6.8份拌合用水进行混合搅拌，经过振捣、成型、低温养护得到低温早强型混凝土。
实施例1：
一种有机-无机复合改性制备低温早强型混凝土的方法，包括以下步骤：
步骤1：分别将电石渣、建筑垃圾微粉和支座砂浆废料进行干法研磨15～30min，通过筛分分别得到40～70μm、60～80μm和30～50μm的电石渣粉末a、建筑垃圾微粉粉末b和支座砂浆废料粉末c；
步骤2：将1.2份粉末a、3.6份拌合用水、0.5份二乙醇单异丙醇胺、0.02份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨2h，得到电石渣纳米浆料A；
步骤3:将1.7份粉末b、3.4份拌合用水、1份二乙醇单异丙醇胺、0.04份羟丙基甲基纤维素进行混合，湿磨1.5h，得到建筑垃圾微粉纳米浆料B；
步骤4:将0.4份粉末c、0.8份拌合用水、0.5份二乙醇单异丙醇胺、0.02份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨1h，得到支座砂浆废料纳米浆料C；
步骤5：取步骤2、3、4中的纳米浆料A、B、C与38.7份水泥、76份细骨料、82份粗骨料、2份CaBr2、4份高效减水剂、8.2份拌合用水进行混合搅拌，经过振捣、成型、低温养护得到低温早强型混凝土。
实施例2：
一种有机-无机复合改性制备低温早强型混凝土的方法，包括以下步骤：
步骤1：分别将电石渣、建筑垃圾微粉和支座砂浆废料进行干法研磨15～30min，通过筛分分别得到40～70μm、60～80μm和30～50μm的电石渣粉末a、建筑垃圾微粉粉末b和支座砂浆废料粉末c；
步骤2：将1.2份粉末a、3.6份拌合用水、0.5份二乙醇单异丙醇胺、0.02份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨2h，得到电石渣纳米浆料A；
步骤3:将2份粉末b、4份拌合用水、1份二乙醇单异丙醇胺、0.04份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨1.5h，得到建筑垃圾微粉纳米浆料B；
步骤4:将1.3份粉末c、2.6份拌合用水、0.5份二乙醇单异丙醇胺、0.02份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨1h，得到支座砂浆废料纳米浆料C；
步骤5：取步骤2、3、4中的纳米浆料A、B、C与37.5份水泥、76份细骨料、82份粗骨料、2份CaBr2、4份高效减水剂、5.8份拌合用水进行混合搅拌，经过振捣、成型、低温养护得到低温早强型混凝土。
实施例3：
一种有机-无机复合改性制备低温早强型混凝土的方法，包括以下步骤：
步骤1：分别将电石渣、建筑垃圾微粉和支座砂浆废料进行干法研磨15～30min，通过筛分分别得到40～70μm、60～80μm和30～50μm的电石渣粉末a、建筑垃圾微粉粉末b和支座砂浆废料粉末c；
步骤2：将1.2份粉末a、3.6份拌合用水、0.5份二乙醇单异丙醇胺、0.02份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨2h，得到电石渣纳米浆料A；
步骤3:将2份粉末b、4份拌合用水、1份二乙醇单异丙醇胺、0.04份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨1.5h，得到建筑垃圾微粉纳米浆料B；
步骤4:将0.8份粉末c、1.6份拌合用水、0.5份二乙醇单异丙醇胺、0.02份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨1h，得到支座砂浆废料纳米浆料C；
步骤5：取步骤2、3、4中的纳米浆料A、B、C与38份水泥、76份细骨料、82份粗骨料、2份CaBr2、4份高效减水剂、6.8份拌合用水进行混合搅拌，经过振捣、成型、低温养护得到低温早强型混凝土。
实施例4：
一种有机-无机复合改性制备低温早强型混凝土的方法，包括以下步骤：
步骤1：分别将电石渣、建筑垃圾微粉和支座砂浆废料进行干法研磨15～30min，通过筛分分别得到40～70μm、60～80μm和30～50μm的电石渣粉末a、建筑垃圾微粉粉末b和支座砂浆废料粉末c；
步骤2：将1.2份粉末a、3.6份拌合用水、0.5份二乙醇单异丙醇胺、0.02份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨2h，得到电石渣纳米浆料A；
步骤3:将2.5份粉末b、5份拌合用水、1份二乙醇单异丙醇胺、0.04份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨1.5h，得到建筑垃圾微粉纳米浆料B；
步骤4:将0.8份粉末c、1.6份拌合用水、0.5份二乙醇单异丙醇胺、0.02份羟丙基甲基纤维素进行混合,湿磨1h，得到支座砂浆废料纳米浆料C；
步骤5：取步骤2、3、4中的纳米浆料A、B、C与37.5份水泥、76份细骨料、82份粗骨料、2份CaBr2、4份高效减水剂、5.8份拌合用水进行混合搅拌，经过振捣、成型、低温养护得到低温早强型混凝土。
表1对比例1～6、实施例1～4中各组分及其重量份数
Figure BDA0003604894820000071
Figure BDA0003604894820000081
表2低温(-5℃)早强混凝土性能
Figure BDA0003604894820000082
表3常温(20℃)早强混凝土性能
Figure BDA0003604894820000091
由上述实验数据可以看出，本发明用有机-无机复合改性制备低温早强型混凝土的6组对比例、4组实施例，通过改变掺量，并分别控制纳米电石渣浆料、建筑垃圾微粉浆料、支座砂浆废料浆料、二乙醇单异丙醇胺、CaBr2五个变量，与纯水泥组对比发现，五个变量均能产生有益效果，且比纯水泥组强度提升幅度非常大，四组实施例12h强度提高了223％～269％；1d强度提高了276％～359％；7d强度提高了139％～179％；28d强度提高了131％～155％。可见对1d强度的提高最显著，同时对后期强度也有显著的提高作用。本发明制备的低温早强混凝土各龄期抗压强度、抗冻融循环性能等均优于对比样，具有良好的耐低温性能。
强度提高原因在于：(1)电石渣、建筑垃圾微粉和支座砂浆废料在湿磨的过程中，大量碱性离子溶出，例如Ca2+、Na+提高了浆体的pH和电导率，这些浆体特性有利于促进水泥的水化；(2)建筑垃圾微粉含有水泥的水化产物，富含C-S-H凝胶，具有制备C-S-H凝胶早强剂的巨大潜力，C-S-H晶种本身与水泥水化产物的组成与结构基本一致，使得水化产物C-S-H在该晶种表面的湿润角极小，导致成核势垒大幅度降低，从而缩短成核过程，促进水泥水化，使水化产物更快析晶，相互连接长大；同时C-S-H晶种表面含有大量的断键和结构缺陷，较高的表面自由能赋予C-S-H吸附离子和分子的能力，从而改善水泥石的孔结构。因此，湿磨制备的早强剂能快速有效地提升水泥基材料的早期强度。(3)纳米电石渣和CaBr2的掺入能够大幅提升浆体孔溶液离子浓度，有效改善低温环境下Ca(OH)2溶解度增大导致的水泥矿物反应迟缓问题，促进反应产物快速沉淀，推动水化反应进行。同时纳米电石渣使氢氧化钙在其表面吸附、结晶和生长，有助于消耗溶液中的Ca2+，进而促进水泥水化，对强度发展起到显著的贡献作用；(4)有机无机组分复配产生了良好的早强效果，用二乙醇单异丙醇胺作为绿色环保的助磨剂，其对C3A、C4AF可以起到良好的分散效果；同时使用羟丙基甲基纤维素作为分散剂，对纳米材料起到良好的分散效果。且都与无机组分适配性好，增大水泥水化速度，对水泥早期和后期强度均有显著提高作用。

Claims (7)

1.一种有机-无机复合改性制备低温早强型混凝土的方法，其特征在于，具体制备步骤如下：
步骤1：分别将电石渣、建筑垃圾微粉和支座砂浆废料进行干法研磨15～30min，通过筛分分别得到40～70μm、60～80μm和30～50μm的电石渣粉末a、建筑垃圾微粉粉末b和支座砂浆废料粉末c；
步骤2：将1～3份粉末a、3～9份拌合用水、0.3～1份二乙醇单异丙醇胺、0.02～0.03份羟丙基甲基纤维素进行混合，湿磨1.5～3.5h，得到电石渣纳米浆料A；
步骤3:将1.5～4.5份粉末b、3～9份拌合用水、1～2份二乙醇单异丙醇胺、0.03～0.06份羟丙基甲基纤维素进行混合，湿磨1～3h，得到建筑垃圾微粉纳米浆料B；
步骤4:将0.4～3份粉末c、0.8～6份拌合用水、0.3～1份二乙醇单异丙醇胺、0.02～0.03份羟丙基甲基纤维素进行混合，湿磨0.5～2.5h，得到支座砂浆废料纳米浆料C；
步骤5：取步骤2、3、4中的纳米浆料A、B、C与35～46份水泥、1～3份CaBr2、70～85份细骨料、70～90份粗骨料、2～4份减水剂、5～18份拌合用水进行混合搅拌，经过振捣、成型、低温养护得到低温早强混凝土。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1中，所述建筑垃圾微粉是建筑垃圾中的废混凝土经破碎、筛分和球磨而获得的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2、3、4中，球料比为3:1，研磨球为1.0～1.2mm，磨机转速为350～400r/min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2中，湿磨后的电石渣浆料粒径级配为150～250nm；其掺量为3％～8％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3中，建筑垃圾微粉浆料为350～500nm；用来替代步骤5中的部分胶凝材料，替代量为15％～25％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤4中，支座砂浆废料浆料为200～300nm；用来替代步骤5中的部分胶凝材料，替代量为5％～10％。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤5中，水泥为普通硅酸盐水泥，型号为P·I 52.5；水灰比为0.4～0.5；细骨料为河砂，粗骨料为碎石；细骨料粒径范围为0.2～1.5mm,粗骨料粒径范围为6～25mm；所述减水剂为三聚氰胺系高效减水剂或聚羧酸盐系高效减水剂。
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