CN114956715A - 大掺量粉煤灰的混凝土构件 - Google Patents

大掺量粉煤灰的混凝土构件 Download PDF

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    • Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Abstract

本申请公开了大掺量粉煤灰的混凝土构件。该混凝土构件由混凝土组合物进行蒸养成型得到，该混凝土组合物含有掺合料，该掺合料是将待处理的粉煤灰原料在添加碱性物质条件下进行湿磨所得到。本申请中碱性溶液能够对粉煤灰产生溶蚀作用，使粉煤灰中的硅、铝离子充分溶出，大大的提高了粉煤灰的活性。而在碱性溶液溶蚀粉煤灰的过程中施加湿磨，其本质功能是提高粉煤灰的比表面积，进而促进了碱性物质向粉煤灰的渗透效果，提高了溶蚀效果。从而实现了增大粉煤灰在混凝土中的掺量的同时，还能够让混凝土快速形成早期强度。与此同时，为了实现粉煤灰掺杂的高掺量，在成型过程中采用蒸养，避免了高掺量地掺杂所带来粉煤灰难以正常发挥对早期强度的促进。

Description

大掺量粉煤灰的混凝土构件
技术领域
本申请涉及建筑材料的技术领域，尤其涉及大掺量粉煤灰的混凝土构件。
背景技术
随着我国住宅工业化的迅猛发展与装配式建筑技术的突破，社会上对于更加便利、更加精细的预制构件需求量逐年增加。现如今预制构件采用模具化生产，预制构件如何快速产生早期强度一直是问题所在，一般采用蒸汽养护混凝土和高水泥用量混凝土来提高早期强度，蒸汽养护不仅需要采购设备而且能耗也产生额外的经济成本，提高预制构件中的水泥用量也不是可行的办法，生产水泥的过程会产生大量的二氧化碳排放，其价格也不便宜，故高水泥用量的预制构件混凝土既不绿色又不经济，有悖“碳达峰”“碳中和”的时代主题。
火力发电厂产生的粉煤灰是一种典型的火山灰质材料，不仅具备一定的工业价值，而且价格低廉，将粉煤灰这一工业固废进行再利用的办法有很多，其中最合理有效的便是旨在提高粉煤灰活性来替代部分胶凝材料发挥作用，微观形貌为球形的粉煤灰易碎而难磨，故要使用湿磨技术将粉煤灰的活性拔高到一个理想的程度必定会产生大量的能耗。
相关技术中粉煤灰预处理方法通常局限于机械处理。然而，上述相关技术得到的粉煤灰实现尚可的掺量的同时难以保证混凝土的早期强度。
发明内容
有鉴于此，本申请提供大掺量粉煤灰的混凝土构件，能够有效不提高掺量的同时能保证早期强度。
已为普遍意识到的是，粉煤灰混凝土中粉煤灰的掺量一般低于12％或者更低的水平。而单纯地掺入更多粉煤灰，早期强度将会因为粉煤灰缓慢的水化反应而大打折扣。即粉煤灰的掺量、早期强度二方面性能追求呈现明显的“此消彼长”的趋势。
本发明人意外地发现，将碱性溶液能够对粉煤灰产生溶蚀作用，使粉煤灰中的硅、铝离子充分溶出，大大的提高了粉煤灰的活性。而在碱性溶液溶蚀粉煤灰的过程中施加湿磨，其本质功能是提高粉煤灰的比表面积，进而进一步促进了碱性物质向粉煤灰的渗透效果，提高了溶蚀效果。这样，使得将这种浆体用于混凝土成型时，浆料中的粉煤灰会迅速开始进行水化反应，作为胶凝材料在混凝土中发挥作用，从而实现了进一步增大粉煤灰在混凝土中的掺量的同时，还能够让混凝土快速形成早期强度。
本发明人经过试验意外地探索发现，上述掺杂改性粉煤灰能发挥对早期强度的提升的前提是在成型的过程中施加蒸养。蒸养作用体现在：(1)水泥的水化作用和强度的增长，都是随着温度的升高而加速的。(2)通过蒸汽养护，提高混凝土的反应温度，在初期的供热升温阶段，主要是依靠蒸汽在混凝土上的凝结放热将蒸汽热传给混凝土。
粉煤灰作为掺合料替代水泥，会降低混凝土的早期强度，因为粉煤灰的水化进程比水泥慢很多，所以粉煤灰掺量越大其早期强度越低，而蒸养能够通过上述的作用促进混凝土早期强度。基于此，创立了本发明创造。
<术语定义>
在不与相关技术内通用的涵义造成抵触的情形下，本申请术语适用于以下解释：
如本文所用，“粉煤灰原料”涵盖任何粒径形式或任何粒子形态的粉煤灰固体。
如本文所用，“湿磨”是指对物料在加入液体介质的条件下进行研磨的方式。
如本文所用，“碱性物质”是指对呈现碱性(强碱性或若碱性)的物质(纯净物或者混合物)及其以该物质为分散相所形成的分散体系。即涵盖所属领域技术人员广为熟知的自身能提供电子对的路易斯碱(base，如以氢氧化钠为代表的无机碱、以乙醇钠为代表的有机碱)，也涵盖虽然不能提供电子对但是通过水解等反应使得其所在分散体系能产生路易斯碱。
<混凝土构件>
大掺量粉煤灰的混凝土构件由混凝土组合物进行蒸养成型得到；
该混凝土组合物，按照质量份包含40～60份掺合料、水泥279～320份、砂772～810份、瓜米233～245份和碎石799～820份。
这里，掺合料是将待处理的粉煤灰原料在添加碱性物质条件下进行湿磨所得到。
至于添加剂的具体种类，可以根据实际需要添加，例如减水剂等。
作为一种混凝土组合物，可以示例为：
按照质量份包含水泥279～320份、水165～170份、粉煤灰45～55份、砂772～810份、瓜米233～245份和碎石799～820份。
至于混凝土成型的具体方式，可以采用公知的成熟的工艺。这些对混凝土的早期强度也不会产生特别显著的影响。
<掺合料>
在掺合料的制备过程，尽管无涉及后处理的工序，例如固液分离。可以理解的是，采用后处理并不是必需的，可以根据实际需要。具体地，若是现制现用，所制备的湿料形式掺合料直接添加至水泥等组分中；若是作为干料形式储存，所制备的湿料形式掺合料需从混合体系中进行固液分离并进行干燥。
上述添加碱性物质的次序，既可以是碱性物质、粉煤灰一道投料后球磨，也可以是先投料碱性物质湿磨一定时间后再投料粉煤灰，当然还可以是先投料部分碱性物质、粉煤灰湿磨一定时间后再投料剩余的碱性物质、粉煤灰物料。
至于投料的方式，既可以是间歇式，也可以是连续式。
<碱性物质>
合适但非限制性的碱性物质的pH为11～14，例如11、11.2、11.5、12、12.5、13、13.5或14等。碱性物质的强弱一定要适中，若是太弱将会不能发挥出应有的效果，加入太强会导致粉煤灰浆料硬化结块无法得到高活性掺合料浆体。
在上述碱性的pH情形下，碱性物质可以为呈弱碱性的硅酸盐。
合适但非限制性的硅酸盐可以示例为水泥、钢渣、煤矸石等或者其它已知的工业废弃物废渣。
至于碱性物质的用量，合适但非限制性的碱性物质与所述湿磨的介质的质量之比为1～5：40～120，例如1：40、1：42、1：45、1：50、1：60、1：70、1：80、1：85、1：90、1：95、1：100、1：105、1：110、1：115、1：118、1：120、1.5：40、1.5：42、1.5：45、1.5：50、1.5：60、1.5：70、1.5：80、1.5：85、1.5：90、1.5：95、1.5：100、1.5：105、1.5：110、1.5：115、1.5：118、1.5：120、2：40、2：42、2：45、2：50、2：60、2：70、2：80、2：85、2：90、2：95、2：100、2：105、2：110、2：115、2：118、2：120、2.5：40、2.5：42、2.5：45、2.5：50、2.5：60、2.5：70、2.5：80、2.5：85、2.5：90、2.5：95、2.5：100、2.5：105、2.5：110、2.5：115、2.5：118、2.5：120、3.5：40、3.5：42、3.5：45、3.5：50、3.5：60、3.5：70、3.5：80、3.5：85、3.5：90、3.5：95、3.5：100、3.5：105、3.5：110、3.5：115、3.5：118、3.5：120、4.5：40、4.5：42、4.5：45、4.5：50、4.5：60、4.5：70、4.5：80、4.5：85、4.5：90、4.5：95、4.5：100、4.5：105、4.5：110、4.5：115、4.5：118、4.5：120、5：40、5：42、5：45、5：50、5：60、5：70、5：80、5：85、5：90、5：95、5：100、5：105、5：110、5：115、5：118、5：120。碱性物质的加入量一定要适中，若是太少将会不能发挥出应有的效果，加入太多会导致粉煤灰浆料硬化结块无法得到高活性掺合料浆体。
<湿磨>
合适但非限制性的湿磨的方式为球磨。至于球磨所采用的设备以及对应设备的相关参数为本领域所熟知的形式，于此略述。
湿磨的溶剂可以是对粉料的分散一定作用，例如水、醇溶剂等。关于湿磨的溶剂的用量，可以根据实际需要作出常规的选择，其用量多少对本申请所声称的技术效果不会特别明显的影响，在通过其它手段调整的情形下。
湿磨一般采用氧化锆球，例如其粒径3～5mm，用于研磨。
合适但非限制性的湿磨的时间可以为20～50min，例如20min、22min、25min、28min、30min、35min、40min、45min、50min。若湿磨的时间过长，尽管还能够将粉煤灰的粒径进一步缩小，但是粒径的降低空间是不显著的，从而提高其活性，但是湿磨机的持续运转也会产生巨大的能耗。
作为本申请的掺合料的制备过程，还包括在所述湿磨之后的放置3～7d。在放置的过程中辅以间机械分散，例如搅拌等。
<蒸养>
本申请蒸养作用：(1)水泥的水化作用和强度的增长，都是随着温度的升高而加速的。(2)通过蒸汽养护，提高混凝土的反应温度，在初期的供热升温阶段，主要是依靠蒸汽在混凝土上的凝结放热将蒸汽热传给混凝土。
粉煤灰作为掺合料替代水泥，会降低混凝土的早期强度，因为粉煤灰的水化进程比水泥慢很多，所以粉煤灰掺量越大其早期强度越低，而蒸养能够有效的提高混凝土早期强度，本专利是用于预制构件混凝土，故对于混凝土的早期强度有一定的要求，现有技术大多是粉煤灰15％掺量左右，但是将粉煤灰的掺量提升到30％而早期强度不下降，需配合蒸汽养护才能得以实现。蒸养的温度为50～98℃，如50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、80℃、85℃、90℃、95℃或98℃等。
本申请中碱性溶液能够对粉煤灰产生溶蚀作用，使粉煤灰中的硅、铝离子充分溶出，大大的提高了粉煤灰的活性。而在碱性溶液溶蚀粉煤灰的过程中施加湿磨，其本质功能是提高粉煤灰的比表面积，进而进一步促进了碱性物质向粉煤灰的渗透效果，提高了溶蚀效果。这样，使得将这种浆体用于混凝土成型时，浆料中的粉煤灰会迅速开始进行水化反应，作为胶凝材料在混凝土中发挥作用，从而实现了进一步增大粉煤灰在混凝土中的掺量的同时，还能够让混凝土快速形成早期强度。与此同时，为了实现粉煤灰掺杂的高掺量，在成型过程中采用蒸养，避免了高掺量地掺杂所带来粉煤灰难以正常发挥对早期强度的促进。
附图说明
下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本申请实施例提供实施例1(较普通粉煤灰)的放热速率随时间的变化关系图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
<原料或设备来源>
球磨机，长沙米淇仪器设备有限公司，型号SJM-SL。
<实施例的过程>
实施例1
S1、取水泥10kg、水400kg以700r/min速率湿磨5min，得到碱性溶液(pH为11)后继续加入粉煤灰410kg，协同湿磨20min，得到粉煤灰浆料；
S2、将粉煤灰浆体放置3d并间歇性搅拌，得到掺合料；
S3、取水泥31.9g/m3、砂81kg/m3、瓜米23.3kg/m3、碎石79.9kg/m3、水13kg/m3与掺合料18.2kg/m3，充分拌和注入模具，充分振捣后进行6h蒸养(温度50～65℃)后拆模，继续标养至规定龄期得到25％粉煤灰掺量混凝土试块。
实施例2
S1、取水泥10kg、水400kg以700r/min速率湿磨5min，得到碱性溶液(pH为11)后继续加入粉煤灰410kg，协同湿磨20min，得到粉煤灰浆料；
S2、将粉煤灰浆体放置3d并间歇性搅拌，得到掺合料；
S3、取水泥31.9g/m3、砂81kg/m3、瓜米23.3kg/m3、碎石79.9kg/m3、水13kg/m3与掺合料21.84kg/m3，充分拌和注入模具，充分振捣后进行6h蒸养(温度50～65℃)后拆模，继续标养至规定龄期得到30％粉煤灰掺量混凝土试块。
实施例3
S1、取水泥12kg、水400kg以700r/min速率湿磨5min，得到碱性溶液(pH为12)后继续加入粉煤灰410kg，协同湿磨20min，得到粉煤灰浆料；
S2、将粉煤灰浆体放置1d并间歇性搅拌，得到掺合料；
S3、取水泥31.9g/m3、砂81kg/m3、瓜米23.3kg/m3、碎石79.9kg/m3、水13kg/m3与掺合料18.2kg/m3，充分拌和注入模具，充分振捣后进行6h蒸养(温度50～65℃)后拆模，继续标养至规定龄期得到25％粉煤灰掺量混凝土试块。
实施例4
S1、取水泥14kg、水400kg以700r/min速率湿磨5min，得到碱性溶液(pH为14)后继续加入粉煤灰410kg，协同湿磨20min，得到粉煤灰浆料；
S2、将粉煤灰浆体放置6d并间歇性搅拌，得到掺合料；
S3、取水泥31.9g/m3、砂81kg/m3、瓜米23.3kg/m3、碎石79.9kg/m3、水13kg/m3与掺合料21.84。
实施例5
(以氢氧化钠为碱性物质)
与实施例3唯一不同的是，S1为取水400kg，和氢氧化钠若干，氢氧化钠的用量以使混合料的pH为12为准，以700r/min速率湿磨5min。继续加入粉煤灰422g(即为实施例3粉煤灰和水泥质量之和)，此时继续调节维持pH为12，协同湿磨20min，得到粉煤灰浆料。
实施例6
与实施例3唯一不同的是，S1中pH为14。
实施例7
与实施例3唯一不同的是，将S1中水泥替换成等质量的钢渣。
实施例8
与实施例3唯一不同的是，省略S3中的蒸养工序。
比较例1
与实施例3唯一不同的是，省略S1、S2，并将S3中的掺合料替换成等质量的未经任何处理的粉煤灰。
比较例2
与实施例3唯一不同的是，S1中pH为8。
比较例3
(省略S1中的球磨替换成搅拌)
与实施例3唯一不同的是，将S1球磨替换成机械搅拌，搅拌的转速为2000rpm，其它条件均实施例1。
<评价>
1、评价过程
A、对以上所有实施例、所有对比例的混凝土试块，依据GB/T50148-2014以及GB50107-2010进行以下测试并分别测定混凝土试块18h、3d、28d强度作为评定混凝土早期强度的依据。
B、对实施例1、对比例1的混凝土试块，按照参考图书“胶凝材料学”方法实施放热速率的测试，具体为：(1)放热速率即是水化反应速率的直观表现(2)粉煤灰的水化原理，进行以下测试，以1:39的比例取水泥、水湿磨5min,随后按水料比1：1加入粉煤灰湿磨20min,得到粉煤灰浆料，放置7d并间歇性搅拌，得到高活性掺合料；取出上述高活性掺合料5g装入水化热专用测试瓶，并记为：预水化后的粉煤灰；取2.5g水，2.5g粉煤灰装入水化热专用测试瓶，并记为普通粉煤灰；将测试样本放入仪器后，启动水化热测试仪器开始进行放热测试，并的得到如下关系图。
2、评价结果
12h强度(MPa) 3d强度(MPa) 28d强度(MPa)
实施例1 17.2 21.5 35.1
实施例2 15.5 20.1 34.2
实施例3 17.9 22.3 35.1
实施例4 17.5 21.7 34.5
实施例5 12.5 16.3 29.5
实施例6 13.1 17.5 31.1
实施例7 14.5 19.1 33.1
实施例8 10.2 13.9 22.4
比较例1 9.5 13.6 21.1
比较例2 10.9 14.1 22.7
比较例3 12.6 16.4 26.7
由上表可知，比较例1-3的18h、3d、28d强度要明显低于实施例3，这说明本申请碱性条件、湿磨的相互协同关系对早期强度的技术贡献，而这些比较例的粉煤灰掺量与实施例1大体相同。
实施例7、实施例5的18h、3d、28d强度要明显低于实施例3，这说明本申请采用水泥较氢氧化钠、钢渣作为碱性物质对早期强度的技术贡献。
实施例6的18h、3d、28d强度要明显低于实施例3，这说明本申请特定的碱性pH为12较pH为14对早期强度的技术贡献。
实施例8的18h、3d、28d强度要明显低于实施例3，这说明本申请蒸养工序对早期强度的技术贡献。
同时，从上表可以看出：(1)利用碱性环境溶蚀粉煤灰，碱性物质的用量与溶蚀时间的长短是两个重要指标，若碱性物质投入过多，掺合料会加快水化导致其失去胶凝性，直接影响混凝土强度；若碱性物质投入过少，对粉煤灰的溶蚀作用不明显；同样的碱性环境，溶蚀时间过短打不到预水化效果，溶蚀时间过长活性便会开始下降；(2)由于粉煤灰易碎难磨，粉煤灰湿磨9小时相较于粉煤灰湿磨6小时，其活性提升并不明显的同时产生了大量的能耗，而使用化学溶蚀作用对粉煤灰的活性提升通过放置即可实现，经过溶蚀后预水化的粉煤灰活性可提升至与超长时间湿磨粉煤灰的相同水平，并且更加经济环保；使用水泥制造碱性环境在以下两点优于钢渣：其一，水泥比钢渣易于溶解；其二，钢渣为硬度分布、大小不均匀的工业废料，不仅难磨而且用于本法进行造碱需要增加过滤流程，否则会影响混凝土试块强度；故宜用水泥制造碱性溶液。
请参阅图1。由该图可以看出，实施例1的放热速率要明显高于普通粉煤灰，这说明本申请的掺合料对放热速率所产生的技术贡献。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大掺量粉煤灰的混凝土构件，其特征在于，由混凝土组合物进行蒸养成型得到；
所述混凝土组合物按照质量份包含40～60份掺合料、水泥279～320份、砂772～810份、瓜米233～245份和碎石799～820份；
其中，所述掺合料是将待处理的粉煤灰原料在添加碱性物质条件下进行湿磨所得到。
2.根据权利要求1所述混凝土构件，其特征在于，所述湿磨的pH为11～14。
3.根据权利要求1所述混凝土构件，其特征在于，所述碱性物质为呈弱碱性的硅酸盐。
4.根据权利要求1所述混凝土构件，其特征在于，所述碱性物质为水泥和/或钢渣。
5.根据权利要求1所述混凝土构件，其特征在于，所述碱性物质与所述湿磨的介质的质量之比为1～5：40～120。
6.根据权利要求1所述混凝土构件，其特征在于，所述湿磨的时间为20～50min。
7.根据权利要求1所述混凝土构件，其特征在于，还包括在所述湿磨之后的放置3～7d。
8.根据权利要求1所述混凝土构件，其特征在于，所述水的用量为165～170份。
9.根据权利要求1所述混凝土构件，其特征在于，所述蒸养的温度为50～98℃。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106517930A (zh) * 2016-09-27 2017-03-22 湖北工业大学 一种大掺量粉煤灰高性能混凝土的生产工艺
CN106746858A (zh) * 2016-12-02 2017-05-31 湖北工业大学 一种高性能预制构件的矿物掺和料浆的制备方法

Patent Citations (2)

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