CN114907048A - 一种用于混凝土的抗裂环保型掺合料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及混凝土领域，具体公开了一种用于混凝土的抗裂环保型掺合料及制备方法，抗裂环保型掺合料包括以下重量份的原料：锂渣粉15‑50份，水淬矿渣粉15‑75份，高钙粉煤灰15‑40份，建渣粉10‑30份，玻璃粉10‑30份，减水剂0.1‑0.5份，膨胀型激发剂2‑10份。其制备方法包括以下步骤：步骤一，将锂渣粉、高炉水渣粉、高钙粉煤灰、建渣粉和玻璃粉分别进行烘干，使得各原料的含水率均低于1%；步骤二，按将烘干后的锂渣粉、高炉水渣粉、高钙粉煤灰、建渣粉、玻璃粉分别进行粉磨，与减水剂和膨胀型激发剂混合均匀。采用上述掺合料制得的混凝土自密实性佳，抗压强度佳且抗裂性能优异。

Description

一种用于混凝土的抗裂环保型掺合料及制备方法

技术领域

本申请涉及混凝土领域，更具体地说，它涉及一种用于混凝土的抗裂环保型掺合料及制备方法。

背景技术

在混凝土行业中，除水泥外，掺合料已经是混凝土当中不可或缺的组成部分，常用的掺合料主要以优质的矿渣粉、一级粉煤灰为基材，但由于基建的快速发展，混凝土用量的日益增大，并且对抗裂性要求较高，而优质的粉煤灰、矿粉等掺合料已不能满足当下的用量需求。

为扩大掺合料的原料来源，发明人对多种固废材料进行研究，基于紧密堆积和活性原理，利用工业废料、建筑废渣等废弃材料进行混凝土配合比的优化，发明人发现，完全由低品位的工业废渣、建筑废渣制得的掺合料应用在混凝土的制备中，其制得的混凝土依旧强度欠佳，抗裂性差。

发明内容

本申请提供一种用于混凝土的抗裂环保型掺合料及制备方法，通过合理利用废弃渣料以用于混凝土的生产中，可有效改善混凝土的抗裂性能和自密实性。

第一方面，本申请提供的一种用于混凝土的抗裂环保型掺合料采用如下的技术方案：

一种用于混凝土的抗裂环保型掺合料，包括以下重量份的原料：锂渣粉15-50份，水淬矿渣粉15-75份，高钙粉煤灰15-40份，建渣粉10-30份，玻璃粉10-30份，减水剂0.1-0.5份，膨胀型激发剂2-10份，膨胀型激发剂包括硅酸盐、硫酸盐、环糊精、羟基乙叉二膦酸和二甲基甲硅烷基化硅石；

其中锂渣粉为生产碳酸锂产生的废渣，水淬矿渣粉为冶炼钢铁产生的废渣，高钙粉煤灰为电厂发电或水泥厂脱硫产生的粉料，建渣粉为废弃混凝土去除砂石后的粉料，玻璃粉为拆除房屋产生的废玻璃渣。

通过采用上述技术方案，本申请通过多种废料配合，充分发挥堆积效应和活性效应，提高混凝土过渡区的密实度，加入减水剂，补偿其对需水量的需求；加入膨胀型激发剂，能够激发废料活性，有效提高掺合料活性，有利于废料在混凝土中整体效能的发挥，减少水泥用量，降低混凝土的整体碳排放，并且保持其在水化过程中有一定的膨胀性能，有效改善混凝土的强度和抗裂性能。

全部采用低端的废料进行配合，是对固体废弃物的综合回收利用，符合节能减排的政策。同时，锂渣粉、水淬矿渣粉、建渣粉、玻璃粉和高钙粉煤灰在膨胀型激发剂的作用下，均可以降低混凝土的水化温升，推迟温峰出现的时间，整体降低水化放热量，并且各原料组分按紧密堆积原理设计，有效提高混凝土密实度、抗裂性和体积稳定性。

采用有机组分与无机组分复配，以使得膨胀型激发剂在液相环境中，会激发锂渣粉、水淬矿渣粉、建渣粉、玻璃粉和高钙粉煤灰的活性，进行二次反应，有助于提高混凝土的强度和密实度，减少孔隙通道，阻断碳化路径，提高混凝土的回弹值，同时膨胀型激发剂还具有一定的膨胀性，减少混凝土的整体收缩，提高混凝土实体的抗裂性。

优选的，所述硅酸盐、硫酸盐、环糊精、羟基乙叉二膦酸和二甲基甲硅烷基化硅石的质量比为(0.5-3):(0.5-2.2):(0.3-2.5):(0.1-1.8):(0.1-0.5)。

通过采用上述技术方案，优化膨胀型激发剂中各原料组分的配比，进一步改善膨胀型激发剂的性能，以利于激发废料活性，改善废料在混凝土中整体效能的发挥，同时改善混凝土的抗裂性能。

优选的，所述膨胀型激发剂包括以下制备步骤：步骤1，将硅酸盐、硫酸盐、环糊精与羟基乙叉二膦酸进行球磨，然后进行辐照诱导，制得膨胀型基料；

步骤2，将膨胀型基料与二甲基甲硅烷基化硅石混合均匀后挤出造粒，制成0.15mm以内的颗粒。

通过采用上述技术方案，将硅酸盐、硫酸盐、环糊精与羟基乙叉二膦酸进行球磨，改善各原料组分的表面结构，采用辐照诱导以改变各原料组分的内部结构，以使得激发剂具有一定的膨胀作用，二甲基甲硅烷基化硅石具有优良的成膜性和分散性，改善颗粒体系均匀性的同时，能够使得激发剂在液相环境中均匀展着。制得的膨胀型激发剂可有效激发废料的活性，也能使得水泥水化更完全，有助于提高混凝土的强度和密实度，减少混凝土的整体收缩，提高混凝土实体的抗裂性。

优选的，所述步骤1中辐照诱导的条件为：在温度为40-60℃的条件下用⁶⁰Co-γ射线7-10KGy进行辐照，辐照时间为2-3h。

通过采用上述技术方案，优化辐照诱导条件，以利于改善膨胀型激发剂的综合性能。

优选的，所述锂渣粉比表面积为500-600m²/kg。

优选的，所述水淬矿渣粉、建渣粉和玻璃粉的比表面积400-500 m²/kg。

优选的，所述高钙粉煤灰的钙离子含量大于10%，高钙粉煤灰的比表面积为350-400 m²/kg。

通过采用上述技术方案，使用不同细度的工业废料进行复配，有助于掺合料的紧密堆积，混凝土内部形成稳定的骨架，有助于改善产品强度和密实性能。

优选的，所述减水剂为粉体聚羧酸减水剂，固含量大于80%。

通过采用上述技术方案，采用粉体减水剂，其减水率高，能够降低掺合料的需水量比，可有效提高混凝土的强度，

第二方面，本申请提供一种用于混凝土的抗裂环保型掺合料的制备方法，采用如下的技术方案：

一种用于混凝土的抗裂环保型掺合料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，将锂渣粉、高炉水渣粉、高钙粉煤灰、建渣粉和玻璃粉分别进行烘干，使得各原料的含水率均低于1%；

步骤二，将烘干后的锂渣粉、高炉水渣粉、高钙粉煤灰、建渣粉、玻璃粉分别进行粉磨至所需细度，然后与减水剂和膨胀型激发剂混合均匀，制得环保型掺合料。

通过采用上述技术方案，将原料中的粉料先进行烘干再分别粉磨至所需细度，促进其在混凝土中整体效能的发挥，与水泥使用时，其制得的混凝土抗压强度佳，抗裂性能优异。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1.本申请通过多种废料配合，充分发挥堆积效应和活性效应，提高混凝土过渡区的密实度，加入减水剂，补偿其对需水量的需求；加入膨胀型激发剂，能够激发废料活性，有效提高掺合料活性，有利于废料在混凝土中整体效能的发挥，减少水泥用量，降低混凝土的整体碳排放，并且保持其在水化过程中有一定的膨胀性能，有效改善混凝土的强度和抗裂性能。

2.将硅酸盐、硫酸盐、环糊精与羟基乙叉二膦酸进行球磨，改善各原料组分的表面结构，采用辐照诱导以改变各原料组分的内部结构，以使得激发剂具有一定的膨胀作用，二甲基甲硅烷基化硅石具有优良的成膜性和分散性，改善颗粒体系均匀性的同时，能够使得激发剂在液相环境中均匀展着。制得的膨胀型激发剂可有效激发废料的活性，也能使得水泥水化更完全，有助于提高混凝土的强度和密实度，减少混凝土的整体收缩，提高混凝土实体的抗裂性。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

本申请所用原料均为普通市售原料，其中减水剂为减缩型聚羧酸减水剂530，购自西卡（中国）有限公司；硅酸盐为速溶粉体硅酸钠，硅酸钠含量大于95%；硫酸盐为硫代硫酸钠粉体，硫代硫酸钠含量大于85%。

混凝土普通掺合料，如优质的矿粉、粉煤灰等资源越来越紧缺，但工业废渣和建筑垃圾则越来越多，依据国家倡导的固废资源再利用的政策，发明人在研究过程中发现，锂渣粉、水渣粉、建渣粉、玻璃粉和高钙粉煤灰通过采用活性激发的技术手段，可以达到提高其二次水化反应活性的目的，通过化学激发并根据紧密堆积原理进行设计，所制得的掺合料可以达到混凝土用复合矿物掺合料标准要求，能够有效降低混凝土的水化温升、改善混凝土内部的过渡区结构、提高混凝土强度和抗裂性，充分发挥工业废渣和建筑垃圾的有效价值，实现变废为宝。

制备例

制备例1

膨胀型激发剂包括以下制备步骤：步骤1，将硅酸盐、硫酸盐、环糊精与羟基乙叉二膦酸进行球磨，球磨时间为20min；然后在温度为40℃的条件下用⁶⁰Co-γ射线10KGy进行辐照，辐照时间为2h，制得膨胀型基料；

步骤2，将膨胀型基料与二甲基甲硅烷基化硅石混合均匀后挤出造粒，制成0.15mm以内的颗粒；

其中硅酸盐、硫酸盐、环糊精、羟基乙叉二膦酸和二甲基甲硅烷基化硅石的质量比为0.5:0.5:0.3:0.1:0.1。

制备例2

膨胀型激发剂包括以下制备步骤：步骤1，将硅酸盐、硫酸盐、环糊精与羟基乙叉二膦酸进行球磨，球磨时间为40min；然后在温度为60℃的条件下用⁶⁰Co-γ射线7KGy进行辐照，辐照时间为3h，制得膨胀型基料；

步骤2，将膨胀型基料与二甲基甲硅烷基化硅石混合均匀后挤出造粒，制成0.15mm以内的颗粒；其中硅酸盐、硫酸盐、环糊精、羟基乙叉二膦酸和二甲基甲硅烷基化硅石的质量比为3:2.2:2.5:1.8:0.5。

制备例3

膨胀型激发剂包括以下制备步骤：步骤1，将硅酸盐、硫酸盐、环糊精与羟基乙叉二膦酸进行球磨，球磨时间为35min；然后在温度为50℃的条件下用⁶⁰Co-γ射线9KGy进行辐照，辐照时间为2.4h，制得膨胀型基料；

步骤2，将膨胀型基料与二甲基甲硅烷基化硅石混合均匀后挤出造粒，制成0.15mm以内的颗粒；其中硅酸盐、硫酸盐、环糊精、羟基乙叉二膦酸和二甲基甲硅烷基化硅石的质量比为1:1:1:0.5:0.3。

制备例4

与制备例3的区别在于，硅酸盐、硫酸盐、环糊精、羟基乙叉二膦酸和二甲基甲硅烷基化硅石的质量比为2.1:1.6:2:1:0.3，其余均与制备例3相同。

制备例5

与制备例4的区别在于，硅酸盐、硫酸盐、环糊精、羟基乙叉二膦酸和二甲基甲硅烷基化硅石的质量比为3.5:0.3:0.2:2:1，其余均与制备例4相同。

制备例6

与制备例4的区别在于，步骤1中，在温度为30℃的条件下用X射线进行辐照，辐照时间为1h，其余均与制备例4相同。

实施例

实施例1

用于混凝土的抗裂环保型掺合料包括以下制备步骤：

步骤一，将生产碳酸锂产生的锂渣粉、冶炼钢铁产生的水淬矿渣粉、电厂发电或水泥厂脱硫产生的高钙粉煤灰、废弃混凝土去除砂石后的建渣粉、拆除房屋产生的玻璃粉分别进行烘干，使得各原料的含水率均低于1%；将锂渣粉粉磨至比表面积500为m²/kg，将水淬矿渣粉、建渣粉和玻璃粉粉磨至比表面积为400m²/kg，将高钙粉煤灰粉磨至比表面积350m²/kg；

步骤二，将经过步骤一处理的锂渣粉15kg，水淬矿渣粉15kg，高钙粉煤灰15kg，建渣粉30kg，玻璃粉10kg，减水剂0.1kg，制备例1制得的膨胀型激发剂2kg混合均匀，制得环保型掺合料。

实施例2

用于混凝土的抗裂环保型掺合料包括以下制备步骤：

步骤一，将生产碳酸锂产生的锂渣粉、冶炼钢铁产生的水淬矿渣粉、电厂发电或水泥厂脱硫产生的高钙粉煤灰、废弃混凝土去除砂石后的建渣粉、拆除房屋产生的玻璃粉分别进行烘干，使得各原料的含水率均低于1%；将锂渣粉粉磨至比表面积为600 m²/kg，将水淬矿渣粉、建渣粉和玻璃粉粉磨至比表面积为500m²/kg，将高钙粉煤灰粉磨至比表面积400m²/kg；

步骤二，将经过步骤一处理的锂渣粉50kg，水淬矿渣粉75kg，高钙粉煤灰40kg，建渣粉10kg，玻璃粉30kg，减水剂0.5kg，制备例1制得的膨胀型激发剂10kg混合均匀，制得环保型掺合料。

实施例3

用于混凝土的抗裂环保型掺合料包括以下制备步骤：

步骤一，将生产碳酸锂产生的锂渣粉、冶炼钢铁产生的水淬矿渣粉、电厂发电或水泥厂脱硫产生的高钙粉煤灰、废弃混凝土去除砂石后的建渣粉、拆除房屋产生的玻璃粉分别进行烘干，使得各原料的含水率均低于1%；将锂渣粉粉磨至比表面积为550m²/kg，将水淬矿渣粉、建渣粉和玻璃粉粉磨至比表面积为460m²/kg，将高钙粉煤灰粉磨至比表面积380m²/kg；

步骤二，按经过步骤一处理的锂渣粉30kg，水淬矿渣粉55kg，高钙粉煤灰28kg，建渣粉18kg，玻璃粉20kg，减水剂0.4kg，制备例1制得的膨胀型激发剂8kg混合均匀，制得环保型掺合料。

实施例4

与实施例3的区别在于，锂渣粉的比表面积为400m²/kg，水淬矿渣粉、建渣粉和玻璃粉的比表面积为200m²/kg，高钙粉煤灰的比表面积为450 m²/kg,；其余均与实施例3相同。

实施例5

与实施例3的区别在于，选用制备例2制得的膨胀型激发剂，其余均与实施例3相同。

实施例6

与实施例3的区别在于，选用制备例3制得的膨胀型激发剂，其余均与实施例3相同。

实施例7

与实施例3的区别在于，选用制备例4制得的膨胀型激发剂，其余均与实施例3相同。

实施例8

与实施例3的区别在于，选用制备例5制得的膨胀型激发剂，其余均与实施例3相同。

实施例9

与实施例3的区别在于，选用制备例6制得的膨胀型激发剂，其余均与实施例3相同。

对比例

对比例1

与实施例7的区别在于，不加入膨胀型激发剂，其余均与实施例7相同。

对比例2

与实施例7的区别在于，膨胀型激发剂等量替换为速溶粉体硅酸钠，硅酸钠含量为96%，其余均与实施例7相同。

对比例3

与实施例7的区别在于，膨胀型激发剂包括以下制备步骤：将硅酸盐、硫酸盐、环糊精、羟基乙叉二膦酸和二甲基甲硅烷基化硅石混合搅拌均匀；其余均与实施例7相同。

对比例4

用于混凝土的抗裂环保型掺合料包括以下制备步骤：将生产碳酸锂产生的锂渣粉30kg、冶炼钢铁产生的水淬矿渣粉55kg、电厂发电或水泥厂脱硫产生的高钙粉煤灰28kg、废弃混凝土去除砂石后的建渣粉18kg和拆除房屋产生的玻璃粉20kg、减水剂0.4kg，制备例4制得的膨胀型激发剂8kg混合均匀，制得环保型掺合料。

性能检测试验

将实施例1-9和对比例1-4制得的掺合料用于制备混凝土，具体配合比为：掺合料质量占水泥质量的30%，水胶比0.46，砂率46%，容重2400kg/m³，其中水泥为P.O42.5R，将制得的混凝土试块进行分组标号，按照GB/T 50081－2019《普通混凝土力学性能试验方法》在标准条件下，养护至28天测得的抗压强度值，按照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能》规定进行混凝土28d回弹强度、混凝土28d自然碳化值、24h塑性开裂面积和56d收缩值的测定，按照GB/T 50082－2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》规范要求进行试验，测定28d电通量，结果如表1。

将实施例1-9和对比例1-4制得的掺合料依据JG/T 486-2015《混凝土用复合掺合料》、GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》测定胶砂28d活性，结果记录在表1。

表1 试验结果

	28d抗压强度/MPa	28d电通量/C	24h塑性开裂面积/ mm<sup>2</sup>/m<sup>2</sup>	56d收缩值/1*10<sup>-6</sup>	胶砂28d活性/%
						实施例1	42.9	921	589	241	92
实施例2	43.6	825	554	252	91
						实施例3	45.5	819	521	231	95
实施例4	41.2	887	654	285	90
						实施例5	44.1	855	567	226	92
实施例6	43.7	842	578	239	94
						实施例7	47.4	804	505	218	99
实施例8	42.2	876	661	265	91
						实施例9	41.1	881	689	274	90
对比例1	32.1	1174	1102	529	79
						对比例2	39.1	1035	929	489	82
对比例3	40.3	1014	878	421	85
						对比例4	39.8	1028	789	512	86

通过实施例1-9并结合表1可以看到，本申请的掺合料胶砂活性强，通过本申请制得的混凝土自密实性佳，抗压强度高，抗裂性能优异。其中实施例4中由于没有控制好各原料组分的细度，混凝土内部堆积不够紧密，自密实性有所欠佳，以使得混凝土的抗压强度降低，塑性开裂面积增大，混凝土的抗裂性能欠佳。实施例8和实施例9分别采用制备例5和制备例6制得的膨胀型激发剂，由于制备例5中硅酸盐、硫酸盐、环糊精、羟基乙叉二膦酸和二甲基甲硅烷基化硅石的用量欠佳，制备例6中为采用特定的辐照诱导条件，均对膨胀型激发剂的性能有一定的影响，以使得实施例8和实施例9制得的混凝土的综合性能欠佳，抗压强度下降，同时混凝土的抗裂性能也变差，由此可见膨胀型激发剂的制备中，不仅各原料组分的用量关系以及相应的制备条件，都对制得的膨胀型激发剂的性能有影响，从而影响制得的混凝土的综合性能。

通过实施例7和对比例1-2并结合表1可以看到，若不加入膨胀型激发剂，则掺合料的胶砂活性很低，粉料的活性未被激发，仅靠各粉料粉磨的细度无法使得混凝土达到优良的抗压强度，无法改善混凝土内部的过渡区结构，制得的混凝土的综合性能都显著下降。若采用速溶粉体硅酸钠作为激发剂，虽然硅酸钠在水泥水化过程中能够改善其水化过程，但单一的组分无法有效激发各类粉料的活性，粉料的活性比较差，对比例2制得的混凝土抗压强度差且抗裂性能不佳。

通过实施例7和对比例3并结合表1可以看到，直接将激发剂中的各原料组分进行简单的混合，在体系中也无法很好的激发各粉料的活性，粉料的活性比较差，混凝土的自密实性不佳，其抗压强度和抗裂性能相较于实施例7也明显下降。通过实施例7和对比例4并结合表1可以看到，对选用的废料未进行烘干和粉磨处理，虽然有膨胀型激发剂的存在，但掺合料的胶砂活性也不佳，这是由于对比例4中的各粉料组分的细度不一，而机械粉磨也能在一定程度上激发粉料的活性，由此可见膨胀型激发剂与特定细度粉料的复配后，能够明显激发改善废料的活性，有效改善混凝土的自密实性，显著提高混凝土的抗压强度和抗裂性能。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围.内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种用于混凝土的抗裂环保型掺合料，其特征在于，包括以下重量份的原料：锂渣粉15-50份，水淬矿渣粉15-75份，高钙粉煤灰15-40份，建渣粉10-30份，玻璃粉10-30份，减水剂0.1-0.5份，膨胀型激发剂2-10份，膨胀型激发剂包括硅酸盐、硫酸盐、环糊精、羟基乙叉二膦酸和二甲基甲硅烷基化硅石；

其中锂渣粉为生产碳酸锂产生的废渣，水淬矿渣粉为冶炼钢铁产生的废渣，高钙粉煤灰为电厂发电或水泥厂脱硫产生的粉料，建渣粉为废弃混凝土去除砂石后的粉料，玻璃粉为拆除房屋产生的废玻璃渣。

2.根据权利要求1所述的用于混凝土的抗裂环保型掺合料，其特征在于：所述硅酸盐、硫酸盐、环糊精、羟基乙叉二膦酸和二甲基甲硅烷基化硅石的质量比为(0.5-3):(0.5-2.2):(0.3-2.5):(0.1-1.8):(0.1-0.5)。

3.根据权利要求1或2所述的用于混凝土的抗裂环保型掺合料，其特征在于：所述膨胀型激发剂包括以下制备步骤：步骤1，将硅酸盐、硫酸盐、环糊精与羟基乙叉二膦酸进行球磨，然后进行辐照诱导，制得膨胀型基料；

步骤2，将膨胀型基料与二甲基甲硅烷基化硅石混合均匀后挤出造粒，制成0.15mm以内的颗粒。

4.根据权利要求3所述的用于混凝土的抗裂环保型掺合料，其特征在于：所述步骤1中辐照诱导的条件为：在温度为40-60℃的条件下用60Co-γ射线7-10KGy进行辐照，辐照时间为2-3h。

5.根据权利要求1所述的用于混凝土的抗裂环保型掺合料，其特征在于：所述锂渣粉比表面积为500-600 m2/kg。

6.根据权利要求1所述的用于混凝土的抗裂环保型掺合料，其特征在于：所述水淬矿渣粉、建渣粉和玻璃粉的比表面积为400-500 m2/kg。

7.根据权利要求1所述的用于混凝土的抗裂环保型掺合料，其特征在于：所述高钙粉煤灰的钙离子含量大于10%，高钙粉煤灰的比表面积350-400 m2/kg。

8.根据权利要求5-7任一项所述的用于混凝土的抗裂环保型掺合料，其特征在于：所述减水剂为粉体聚羧酸减水剂，固含量大于80%。

9.如权利要求1-8任一项所述的用于混凝土的抗裂环保型掺合料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，将锂渣粉、水淬矿渣粉、高钙粉煤灰、建渣粉和玻璃粉分别进行烘干，使得各原料的含水率均低于1%；

步骤二，将烘干后的锂渣粉、高炉水渣粉、高钙粉煤灰、建渣粉、玻璃粉分别进行粉磨至所需细度，然后与减水剂和膨胀型激发剂混合均匀，制得环保型掺合料。