CN114920513A - 一种早强环保型超高性能混凝土及制备方法 - Google Patents

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颜婷婷
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Abstract

本发明的一种早强环保型超高性能混凝土及制备方法，属于建筑工程中的混凝土技术领域。针对现有的超高性能混凝土水胶比较低、水泥用量大，不符合国家建材行业减碳要求的问题。它包括水泥、水、粒化高炉矿渣粉、硅灰、黄砂、纳米级氧化铈、高强纤维以及高效减水剂，该超高性能混凝土应用纳米氧化铈材料作为粒化高炉矿渣粉等低活性胶凝材料的激发剂，掺入纳米级氧化铈材料后，高掺量粒化高炉矿渣粉条件下的超高性能混凝土早期结构性能得到了显著提高。

Description

一种早强环保型超高性能混凝土及制备方法
技术领域
本发明属于建筑工程中的混凝土技术领域，特别涉及一种早强环保型超高性能混凝土及制备方法。
背景技术
目前，超高性能混凝土已成功应用于高层建筑、大跨桥梁、装配式结构连接节点、既有建筑快速加固修复等工程场合。这些工程部位对混凝土力学性能要求较高，且对早期强度、耐久性能存在固定要求，普通高性能混凝土无法满足需求，超高性能混凝土的应用具备不可替代性。
然而，随着超高性能混凝土在实践工程中的大量应用，其包含的技术问题也逐渐显现。该类混凝土普遍水胶比较低、水泥用量大，不符合国家建材行业减碳要求。另外，水泥掺量较高容易引起混凝土早期水化热量急剧上升，无法得到均匀释放的热量会造成混凝土内部出现大量贯穿型温度裂缝，严重影响结构适用性与耐久性。粒化高炉矿渣粉主要活性成分为C2S，水化发热量低，是取代水泥作为胶凝材料的较佳选择。若简单以粒化高炉矿渣粉取代部分水泥作为胶凝材料，很容易导致早期混凝土不凝结、粘聚性增加等技术问题。
目前，有研究人员尝试应用强碱性材料对矿渣粉胶凝活性进行激发，该方法虽可提高早期强度，但同样带来材料泛碱化、易碳化、早期干燥收缩与自收缩增大等技术难题，严重影响混凝土耐久性能。而用弱碱材料进行强度激发时，若人为控制碱性材料用量，碱性离子处于游离分散状态，很难到达饱和条件，激发矿渣粉早期强度效果非常有限(提高3％左右)。
发明内容
针对前述问题，本发明提出了一种新型的早强环保型超高性能混凝土。该超高性能混凝土应用纳米氧化铈材料作为粒化高炉矿渣粉等低活性胶凝材料的激发剂。掺入纳米级氧化铈材料后，高掺量粒化高炉矿渣粉条件下的超高性能混凝土早期结构性能得到了显著提高(早期增强幅度达到30％)，可应用于道路修复、桥梁搭接、预制构件快速拆模等高早强要求场合。并且避免了碱激发工艺造成的混凝土碱骨料、碳化等不良反应趋势，保证了混凝土的长期性能。粒化高炉矿渣粉等工业废渣粉的高效化应用，响应了政府降低碳排放的环境保护要求，且大幅降低了超高性能混凝土的应用成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种早强环保型超高性能混凝土，包括水泥、水、粒化高炉矿渣粉、硅灰、黄砂、纳米级氧化铈以及高效减水剂，其配合比(kg/m3)为：
Figure BDA0003589292110000021
还包括高强纤维，所述高强纤维体积率为1％～4％。
进一步地，所述水泥为P.II 52.5硅酸盐水泥，其粒径范围为20～30微米。
进一步地，所述粒化高炉矿渣粉等级包括S95、S105、S115。
进一步地，还包括细骨料，所述细骨料为中砂，其细度模数为2.3～3.0。
进一步地，所述纳米级氧化铈为纳米级球形颗粒，所述氧化铈颗粒粒径范围为30nm～200nm。纳米级氧化铈，在水中分散性较好，球形颗粒可以有效填充混凝土空隙，提高材料的堆积密度，增强其抗压强度。
进一步地，所述高效减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水率≥30％。
本发明还提供了一种早强环保型超高性能混凝土的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
步骤一、向搅拌机内加入水泥、中砂、粒化高炉矿渣粉和纳米级氧化铈，并搅拌30s；
步骤二、加入高效减水剂和水，并搅拌120～240s；
步骤三、加入高强纤维，并搅拌30s，从而制得早强环保型超高性能混凝土。
进一步地，其配合比(kg/m3)为：
Figure BDA0003589292110000031
还包括高强纤维，所述高强纤维体积率为1％。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
一、本发明提供的早强环保型超高性能混凝土，加入了纳米级氧化铈粉末，纳米级氧化铈粉末采用湿法工艺制备，颗粒表面具有丰富的羟基且富集在颗粒周围，在混凝土浆料中分散性较好，重力沉降速度远低于粒化高炉矿渣粉，球形氧化铈颗粒粒径分布在30nm～200nm，呈现梯度分布，可以有效填充至混凝土浆料中，从而填充混凝土成型后的空隙，降低孔隙率，增强混凝土材料的力学性能。
二、本发明提供的早强环保型超高性能混凝土，其湿法制备的纳米级氧化铈分散在混凝土浆料中，表面具有丰富的羟基，氧化铈颗粒表面带负电，具有较高的δ电位，分散性较高。为了维持电荷平衡，优先吸附水泥中的钙离子，有利于水泥中Ca2+游离，形成Ca(OH)2维持电荷平衡。生成的氢氧化钙在氧化铈颗粒周围富集，处于饱和状态。一方面促进了粒化高炉矿渣粉中不稳定玻璃体的溶解，推动化学平衡，促进水化产物生成；另一方面与粒化高炉矿渣粉中的低钙活性物质相互作用，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等水泥石产物。纳米级氧化铈的掺入提高了混凝土的早期性能，有效解决了大掺量粒化高炉矿渣粉条件下混凝土早期强度不足的问题，因此适用于高掺量矿粉超高性能混凝土内部作为早期强度激发材料。
三、本发明提供的早强环保型超高性能混凝土，纳米级氧化铈价格低廉，广泛应用于玻璃抛光工业、金属铸造工业以及环保行业。因此可以采用浮选以及酸碱转化等化学方法对含铈工业废渣粉进行处理，获得较高纯度的氧化铈，实现了废弃资源的有效化利用。
具体实施方式
本发明中，水泥为P.II 52.5硅酸盐水泥，其粒径范围为20～30微米，粒化高炉矿渣粉等级包括S95、S105、S115，细骨料为中砂，细度模数为2.3-3.0，高效减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水率通常≥30％，水为普通自来水。高强纤维为微丝钢纤维或有机材质类高强纤维，微丝钢纤维的长径比为30～100，抗拉强度≧2000MPa,有机材质类高强纤维的抗拉强度≧450Mpa。
纳米级氧化铈(CeO2)为纳米级球形颗粒，在水中分散性较好，氧化铈颗粒粒径范围为30nm～200nm，球形颗粒可以有效填充混凝土空隙，提高材料的堆积密度，增强其抗压强度。纳米级氧化铈掺量为胶凝材料总量1％～5％。
本发明的一种早强环保型超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、向搅拌机内加入水泥、中砂、粒化高炉矿渣粉和纳米级氧化铈，并搅拌30s；
步骤二、加入高效减水剂和水，并搅拌120～240s；
步骤三、加入高强纤维，并搅拌30s，从而制得早强环保型超高性能混凝土。
该早强环保型超高性能混凝土，包括水泥、水、粒化高炉矿渣粉、硅灰、黄砂、纳米级氧化铈以及高效减水剂，其配合比(kg/m3)为：
Figure BDA0003589292110000041
Figure BDA0003589292110000051
还包括高强纤维，高强纤维体积率为1％～4％。
以下为具体实施例，胶砂流动度参照标准GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行；抗折强度和抗压强度参照标准GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行。试样先进行抗折强度试验，折断后每截再进行抗压强度试验。
对照组：
未掺入纳米级氧化铈的超高性能混凝土配合比如下：(kg/m3)
Figure BDA0003589292110000052
未掺入纳米级氧化铈的超高性能混凝土的工作性能和力学性能如下：
Figure BDA0003589292110000053
实验组1：
掺入纳米级氧化铈的超高性能混凝土配合比如下：(kg/m3)
Figure BDA0003589292110000054
掺入纳米级氧化铈的超高性能混凝土的工作性能和力学性能如下：
Figure BDA0003589292110000055
可见，混凝土1d早期抗压强度增幅为32％，抗折强度增幅为21％。
实验组2：
掺入纳米级氧化铈的超高性能混凝土配合比如下：(kg/m3)
Figure BDA0003589292110000056
掺入纳米级氧化铈的超高性能混凝土的工作性能和力学性能如下：
Figure BDA0003589292110000061
实验组3：
掺入纳米级氧化铈的超高性能混凝土配合比如下：(kg/m3)
Figure BDA0003589292110000062
掺入纳米级氧化铈的超高性能混凝土的工作性能和力学性能如下：
Figure BDA0003589292110000063
由此可见：实验组1～3的混凝土应用纳米氧化铈材料作为粒化高炉矿渣粉等低活性胶凝材料的激发剂，掺入纳米级氧化铈材料后，高掺量粒化高炉矿渣粉条件下的超高性能混凝土早期结构性能得到了显著提高(早期增强幅度达到30％)。该超高性能混凝土可应用于道路修复、桥梁搭接、预制构件快速拆模等高早强要求场合。该超高性能混凝土避免了碱激发工艺造成的混凝土碱骨料、碳化等不良反应趋势，保证了混凝土的长期性能。粒化高炉矿渣粉等工业废渣粉的高效化应用，响应了降低碳排放的环境保护要求，且大幅降低了超高性能混凝土的应用成本。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求范围。

Claims (8)

1.一种早强环保型超高性能混凝土，其特征在于，包括水泥、水、粒化高炉矿渣粉、硅灰、黄砂、纳米级氧化铈以及高效减水剂，其配合比(kg/m3)为：
Figure FDA0003589292100000011
还包括高强纤维，所述高强纤维体积率为1％～4％。
2.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为P.II 52.5硅酸盐水泥，其粒径范围为20～30微米。
3.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述粒化高炉矿渣粉等级包括S95、S105、S115。
4.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，还包括细骨料，所述细骨料为中砂，其细度模数为2.3～3.0。
5.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述纳米级氧化铈为纳米级球形颗粒，所述氧化铈颗粒粒径范围为30nm～200nm。
6.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述高效减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水率≥30％。
7.根据权利要求1至6任一项所述的早强环保型超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、向搅拌机内加入水泥、中砂、粒化高炉矿渣粉和纳米级氧化铈，并搅拌30s；
步骤二、加入高效减水剂和水，并搅拌120～240s；
步骤三、加入高强纤维，并搅拌30s，从而制得早强环保型超高性能混凝土。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，其配合比(kg/m3)为：
Figure FDA0003589292100000021
还包括高强纤维，所述高强纤维体积率为1％。
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