CN114751689A - 一种增强抗碱化凝灰岩混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强抗碱化凝灰岩混凝土的制备方法，包括如下步骤：1)以水泥、凝灰岩粉、粉煤灰、矿粉、石灰石粉、砂、石和水为主要原料，将称取的原料拌合均匀，静置、拆模，得混凝土坯体；2)将所得混凝土坯体进行干燥、一次碳化蒸压养护；然后进行标准养护；3)将经步骤2)所得混凝土试件进行干燥、二次碳化蒸压养护，即得所述增强抗碱化凝灰岩混凝土。本发明在有效降低混凝土的外观泛碱问题的基础上，可同步提升所得混凝土的强度、提高耐久性能；同时可充分利用工业CO2废气，达到节能减排的目的；具有重要的经济和环境效益。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种增强抗碱化凝灰岩混凝土及其制备方法。
背景技术
众所周知，水泥是混凝土不可或缺的重要组成部分，控制混凝土生产成本是亟待解决的重要问题。
同时，在混凝土中的水泥掺量必须合理的控制，否则混凝土的外观会产生明显的泛碱等问题。目前，解决混凝土泛碱问题的主要方法是掺入大量品质较好的粉煤灰和矿粉等矿物掺合料代替水泥，但针对粉煤灰和矿粉来源质量较差等施工条件，对解决泛碱问题具有一定的技术难度，同时也会带来混凝土强度的损失等问题；此外，通过在混凝土表面涂覆防护剂也可一定程度上解决泛碱问题，但涉及的生产工艺复杂，不方便施工，同时会增加生产成本。如何有效解决混凝土泛碱现象与强度之间的矛盾是亟待解决的一个棘手问题。
发明内容
本发明的主要针对现有的混凝土为了达到高强或增强的目的，通常需要大掺量水泥进而导致混凝土泛碱等问题，提供一种增强抗碱化凝灰岩混凝土及其制备方法，在有效降低混凝土的外观泛碱问题的基础上，同步增进强度、提高耐久性能；同时可充分利用工业CO2等废气，达到节能减排的目的。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种增强抗碱化凝灰岩混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)以水泥、凝灰岩粉、粉煤灰、矿粉、石灰石粉、砂、石和水为主要原料，将称取的原料拌合均匀，静置、拆模，得混凝土坯体；
2)将所得混凝土坯体进行干燥、在二氧化碳气氛下进行一次蒸压养护；然后进行标准养护；
3)将经步骤2)所得混凝土试件进行干燥、在二氧化碳气氛下进行二次蒸压养护，即得所述增强抗碱化凝灰岩混凝土。
上述方案中，所述增强抗碱化凝灰岩混凝土中，各原料及其所占重量份数包括：水泥210～ 390份，凝灰岩粉20～70份，粉煤灰10～60份，矿粉10～20份，石灰石粉5～20份，砂子 780～850份，石子1000～1200份，水140～160份；外掺3.8～5.8份高性能聚羧酸减水剂。
优选的，所述增强抗碱化凝灰岩混凝土中，各矿物掺合料及其所占重量份数为：凝灰岩粉55～70份，粉煤灰50～60份，矿粉10～20份，石灰石粉10～20份。
上述方案中，步骤1)中所述静置温度为15～25℃，时间为1～2d。
上述方案中，步骤1)中所述干燥条件包括：在温度为40～60℃和相对湿度为20～30％的干燥箱中干燥12～24h。
上述方案中，所述一次蒸压养护条件包括：温度为30～50℃，CO2浓度为70～90vol％，相对湿度90～95％，碳化时间为16～24h，气压0.3～0.6MPa。
上述方案中，所述标准养护步骤包括：温度为18～22℃，相对湿度为90～100％，养护26～ 27d。
上述方案中，步骤2)中所述干燥条件包括：在温度为40～50℃和相对湿度20～30％的干燥箱中干燥12～24h。
上述方案中，所述二次蒸压养护条件包括：温度为20～30℃，CO2浓度为90～99vol％(其浓度高于一次蒸压养护采用的CO2浓度)，相对湿度70～90％，碳化时间为8～12h，蒸压釜内气压0.3～0.5MPa。
上述方案中，所述蒸压养护步骤采用的CO2为水泥厂排放的CO2气体等工业废气。
上述方案中，所述水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥。
上述方案中，所述凝灰岩粉通过JO-31-4行星式球磨机在260～320r/min的转速条件下粉磨至其比表面积为380～420m2/kg而成。
上述方案中，所述凝灰岩粉中各组分及其所占质量百分比包括：SiO2 50～70％，Al2O3 20～ 30％，CaO 0～3％，MgO 0～1％，K2O 0～2％，Na2O 0～1％。
上述方案中，所述粉煤灰的比表面积为380～420m2/kg。
上述方案中，所述粉煤灰的化学组成及其所占质量百分比包括：SiO2 25～45％，Al2O3 30～ 40％，Fe2O3 1～4％，CaO 1～3％，MgO 0～1％，K2O 0～1％，Na2O 0～1％，SO3 0～1％，TiO2 0～1％，残碳2～8％。
上述方案中，所述矿粉的比表面积为350～800m2/kg。
上述方案中，所述矿粉的化学组成及其所占质量百分比包括：SiO2 20～40％，Al2O3 15～ 20％，Fe2O3 1～4％，CaO 32～50％，MgO 0～1％，K2O 0～1％，Na2O 0～1％，SO30～1％， TiO2 0～1％，残碳2～5％。
上述方案中，通过将石灰石置于JO-31-4型颚式破碎机破碎，然后将石灰石碎屑置于 YXQM-4L行星式球磨机在260～320r/min的转速条件下，粉磨得比表面积为500～700m2/kg的石灰石粉。
上述方案中，所述砂为天然砂，细度模数2.3～3.0属于二区中砂。
上述方案中，所述石为卵石，其粒径为5～20mm。
上述方案中，所述高性能聚羧酸减水剂的固含为16～20％，减水率为25～40％。
本发明的原理为：
本发明以凝灰岩粉、粉煤灰、矿粉和钙质石灰石粉为原料组成的矿物掺合料部分替代水泥制备增强抗碱化凝灰岩混凝土，矿物掺合料的大量引入能够代替水泥，可以节约部分水泥，同时矿物掺合料能够与水泥水化生成的氢氧化钙发生二次水化反应，消耗混凝土体系中的碱，有利于降低混凝土的碱度，一定程度防止混凝土发生泛碱现象；
在混凝土成型后第一次引入CO2气氛中进行蒸压养护，能够与混凝土前期生成的硅酸钙、水化硅酸钙和氢氧化钙反应生成以球霞石、文石和方解石为主的碳酸钙和硅胶，同时反应生成的碳酸钙会嵌入水化硅酸钙中，形成互相缠绕的无定型硅酸钙碳氢化合物，提高内部体系的致密度，减少硅酸钙、水化硅酸钙和氢氧化钙等碱性物质的扩散；然后进行标准养护至一定龄期，并再次引入CO2气氛条件下进行二次蒸压养护，能够促进加强混凝土后期中品质较差的粉煤灰和矿粉等矿物掺合料发生二次水化反应生成的不稳定且键能结合力较低的硅酸钙、水化硅酸钙和氢氧化钙等碱性物质得以消耗生成更多无定型硅酸钙碳氢化合物；经过水化后期进行的二次碳化养护的凝灰岩混凝土不仅外观无泛碱现象、力学性能进一步提升，而且抗氯离子侵蚀性能和抗碳化性能等耐久性能也得到一定程度的改善。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明利用水泥厂排放的CO2进行养护，不仅充分利用水泥厂的废气进行混凝土的养护，同时为水泥厂节能减排提供了新思路，节约了处理尾气的成本，具有良好的经济和环境效益；
2)本发明首次提出对混凝土进行分步碳化养护，在有效改善混凝土制品泛碱问题的基础上，可显著提高混凝土的力学性能、长期耐久性能，适合推广应用。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中，采用的凝灰岩粉由中建西部建设伊宁厂提供，其主要化学组成及所占质量百分比包括：SiO2 69.4％，Al2O3 23.9％，CaO 3％，MgO 0.46％，K2O 1.16％，Na2O0.32％，其比表面积为420m2/kg。
采用的粉煤灰由中建西部建设中心厂提供，其主要化学组成及所占质量百分比包括：SiO2 41.93％，Al2O3 35.19％，Fe2O3 2.95％，CaO 3％，MgO 0.74％，K2O 0.46％，Na2O0.14％，SO3 0.24％，TiO2 0.38％，残碳8％，其比表面积为400m2/kg。
采用的矿粉由中建西部建设中心厂提供，其主要化学组成及其所占质量百分比包括：SiO2 32.5％，Al2O3 19.2％，Fe2O3 1.4％，CaO 37.9％，MgO 0.8％，K2O 0.4％，Na2O0.6％，SO3 0.6％， TiO2 0.9％，残碳4.2％，其比表面积为680m2/kg。
采用的石灰石粉比表面积为700m2/kg，通过将石灰石置于JO-31-4型颚式破碎机破碎，然后将石灰石碎屑置于YXQM-4L行星式球磨机在280r/min的转速条件下粉磨得到；
采用的水泥可选用P·O 42.5；砂为天然砂，细度模数2.5属于二区中砂；石为卵石，其粒径为5～20mm；采用的外加剂为中建西部建设新材料科技有限公司提供的ZJ-2005型高性能聚羧酸减水剂，其固含为18％，减水率为35％；水为自来水。
实施例1
一种增强抗碱化凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)称取原材料各组分及其所占重量分数为：水泥230份，凝灰岩粉60份，粉煤灰60份，矿粉20份，石灰石粉20份，砂子823份，石子1127份，水154份；外掺3.8份ZJ～2005 型高性能聚羧酸减水剂；
2)将所称取的原材料放置于HJW-60强制性搅拌机搅拌90min，试件放在温度为20±5℃的环境中静置1天，然后编号、拆模，即得到混凝土试件；
3)将步骤2)所得到的混凝土试件置于45℃、相对湿度20％的干燥箱中干燥24h，然后置于蒸压釜中在CO2作用下进行碳化养护，养护条件为35℃，CO2浓度为80vol％，相对湿度95％，碳化时间为24h，蒸压釜内气压0.4MPa；
4)将碳化完毕的混凝土试件立即放入温度为20±2℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护27d，标准养护室内的试件应放在支架上，彼此间隔10～20mm，试件表面应保持潮湿；
5)将步骤4)所得到的混凝土试件置于45℃、相对湿度20％的干燥箱中干燥24h，然后置于蒸压釜中在CO2作用下进行碳化养护，养护条件为20℃，CO2浓度为90vol％，相对湿度70％，碳化时间为8h，蒸压釜内气压0.4MPa，即得所述增强抗碱化凝灰岩混凝土。
实施例2
一种增强抗碱化凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)称取原材料各组分及其所占重量分数为：水泥230份，凝灰岩粉60份，粉煤灰60份，矿粉20份，石灰石粉20份，砂子823份，石子1127份，水154份；外掺3.8份的ZJ～2005 型高性能聚羧酸减水剂；
2)将所称取的原材料放置于HJW-60强制性搅拌机搅拌90min，试件放在温度为20±5℃的环境中静置1天，然后编号、拆模，即得到混凝土试件。
3)将步骤2)所得到的混凝土试件置于50℃、相对湿度20％的干燥箱中干燥24h，然后置于蒸压釜中在CO2作用下进行碳化养护，养护条件为30℃，CO2浓度为90vol％，相对湿度90％，碳化时间为24h，蒸压釜内气压0.3MPa。
4)将碳化完毕的混凝土试件立即放入温度为20±2℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护27d，标准养护室内的试件应放在支架上，彼此间隔10～20mm，试件表面应保持潮湿。
5)将步骤4)所得到的混凝土试件置于50℃、相对湿度20％的干燥箱中干燥24h，然后置于蒸压釜中在CO2作用下进行碳化养护，养护条件为30℃，CO2浓度为99vol％，相对湿度90％，碳化时间为12h，蒸压釜内气压0.5MPa，即得所述增强抗碱化凝灰岩混凝土。
实施例3
一种增强抗碱化凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)称取原材料各组分及其所占重量分数为：水泥230份，凝灰岩粉60份，粉煤灰60份，矿粉20份，石灰石粉20份，砂子823份，石子1127份，水154份；外掺3.8份ZJ～2005 型高性能聚羧酸减水剂；
2)将所称取的原材料放置于HJW-60强制性搅拌机搅拌90min，试件放在温度为20±5℃的环境中静置1天，然后编号、拆模，即得到混凝土试件；
3)将步骤2)所得到的混凝土试件置于50℃、相对湿度20％的干燥箱中干燥24h，然后置于蒸压釜中在CO2作用下进行碳化养护，养护条件为50℃，CO2浓度为90vol％，相对湿度90％，碳化时间为20h，蒸压釜内气压0.3MPa；
4)将碳化完毕的混凝土试件立即放入温度为20±2℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护27d，标准养护室内的试件应放在支架上，彼此间隔10～20mm，试件表面应保持潮湿；
5)将步骤4)所得到的混凝土试件置于50℃、相对湿度20％的干燥箱中干燥24h，然后置于蒸压釜中在CO2作用下进行碳化养护，养护条件为30℃，CO2浓度为90vol％，相对湿度95％，碳化时间为12h，蒸压釜内气压0.5MPa，即得到增强抗碱化凝灰岩混凝土。
实施例4
一种增强抗碱化凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)称取原材料各组分及其所占重量分数为：水泥230份，凝灰岩粉70份，粉煤灰60份，矿粉20份，石灰石粉10份，砂子823份，石子1127份，水154份；外掺4.0份的ZJ～2005 型高性能聚羧酸减水剂；
2)试件的成型和养护同实施例2相同。
对比例1
一种增强抗碱化凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)称取原材料各组分及其所占重量分数为：水泥390份，砂子823份，石子1127份，水154 份；外掺5.8份的ZJ～2005型高性能聚羧酸减水剂；
2)将所称取的原材料放置于HJW-60强制性搅拌机搅拌90min，试件放在温度为20±5℃的环境中静置1天，然后编号、拆模；拆模后立即放入温度为20±2℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护至28天；标准养护室内的试件应放在支架上，彼此间隔10～20mm，试件表面应保持潮湿，即得到凝灰岩混凝土。
对比例2
一种增强抗碱化凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)称取原材料各组分及其所占重量分数为：水泥230份，凝灰岩粉60份，粉煤灰60份，矿粉20份，石灰石粉20份，砂子823份，石子1127份，水154份；外掺3.8份的ZJ～2005 型高性能减水剂；
2)试件的成型和养护同对比例1相同。
对比例3
一种增强抗碱化凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)称取原材料各组分及其所占重量分数为：水泥230份，凝灰岩粉60份，粉煤灰60份，矿粉20份，石灰石粉20份，砂子823份，石子1127份，水154份；外掺3.8份的ZJ～2005型高性能聚羧酸减水剂；
2)将所称取的原材料放置于HJW-60强制性搅拌机搅拌90min，试件放在温度为20±5℃的环境中静置1天，然后编号、拆模，即得到混凝土试件；
3)将步骤2)所得到的混凝土试件置于45℃、相对湿度20％的干燥箱中干燥24h，然后置于蒸压釜中在CO2作用下进行碳化养护，养护条件为35℃，CO2浓度为80％，相对湿度95％，碳化时间为24h，蒸压釜内气压0.4MPa；
4)将碳化完毕的混凝土试件立即放入温度为20±2℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护27d，标准养护室内的试件应放在支架上，彼此间隔10～20mm，试件表面应保持潮湿，即得所述增强抗碱化凝灰岩混凝土。
对比例4
一种增强抗碱化凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)称取原材料各组分及其所占重量分数为：水泥230份，凝灰岩60份，粉煤灰60份，矿粉20份，石灰石粉20份，砂子823份，石子1127份，水154份；外掺3.8份的ZJ～2005 型高性能聚羧酸减水剂；
2)将所称取的原材料放置于HJW-60强制性搅拌机搅拌90min，试件放在温度为20±5℃的环境中静置1天，然后编号、拆模，即得到混凝土试件；
3)将步骤2)所得到的混凝土试件置于45℃、相对湿度20％的干燥箱中干燥24h，然后置于蒸压釜中在CO2作用下进行碳化养护，养护条件为35℃，CO2浓度为70vol％，相对湿度95％，碳化时间为16h，蒸压釜内气压0.3MPa；
4)将碳化完毕的混凝土试件立即放入温度为20±2℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护27d，标准养护室内的试件应放在支架上，彼此间隔10～20mm，试件表面应保持潮湿；
5)将步骤4)所得到的混凝土试件置于45℃、相对湿度20％的干燥箱中干燥24h，然后置于蒸压釜中在CO2作用下进行碳化养护，养护条件为20℃，CO2浓度为99vol％，相对湿度70％，碳化时间为8h，蒸压釜内气压0.3MPa；即得所述增强抗碱化凝灰岩混凝土。
表1实施例1～4和对比例1～4所得混凝土的性能测试结果
上述结果表明：采用单纯水泥基胶凝材料制备的普通混凝土试件的泛碱情况严重，同时发现其抗氯离子侵蚀能力和抗碳化能力较差；而通过引入混凝土矿物掺合料(尤其引入如本发明所述质量较差的粉煤灰和矿粉时)和分步碳化养护工艺制备的增强抗碱化混凝土可以明显降低混凝土的泛碱现象，同时能够提高混凝土的强度，增强混凝土的抗氯离子侵蚀性能和抗碳化能力，极大地改善混凝土的耐久性能。
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围。
Claims (10)
1.一种增强抗碱化凝灰岩混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)以水泥、凝灰岩粉、粉煤灰、矿粉、石灰石粉、砂、石和水为主要原料，将称取的原料拌合均匀，静置、拆模，得混凝土坯体；
2)将所得混凝土坯体进行干燥、在二氧化碳气氛下进行一次蒸压养护；然后进行标准养护；
3)将经步骤2)所得混凝土试件进行干燥、在二氧化碳气氛下进行二次蒸压养护，即得所述增强抗碱化凝灰岩混凝土。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述增强抗碱化凝灰岩混凝土中，各原料及其所占重量份数包括：水泥210～390份，凝灰岩粉20～70份，粉煤灰10～60份，矿粉10～20份，石灰石粉5～20份，砂子780～850份，石子1000～1200份，水140～160份，高性能聚羧酸减水剂3.8～5.8份。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述静置温度为15～25℃，时间为1～2d。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述干燥条件包括：温度40～60℃，相对湿度20～30％，时间12～24h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述一次蒸压养护条件包括：温度30～50℃，CO2浓度70～90vol％，相对湿度90～95％，碳化时间16～24h，气压0.3～0.6MPa。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述标准养护步骤包括：温度18～22℃，相对湿度90～100％，养护26～27d。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述干燥条件包括：温度40～50℃，相对湿度20～30％，时间12～24h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述二次蒸压养护条件包括：温度为20～30℃，CO2浓度为90～99vol％，相对湿度70～90％，碳化时间为8～12h，气压0.3～0.5MPa。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述凝灰岩粉的比表面积为380～420m2/kg；粉煤灰的比表面积为380～420m2/kg；矿粉的比表面积为350～800m2/kg；石灰石粉磨的比表面积为500～700m2/kg。
10.权利要求1～9任一项所述制备方法制备的增强抗碱化凝灰岩混凝土。
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