CN115196929A - 混凝土原料、混凝土及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于制备混凝土的原料，包括如下组分：水泥、硅质粉、玻璃粉、轻质活性微珠和内养护骨料；所述原料以混合物或多部分的形式提供。还公开了由该原料制备的混凝土及其制备方法和应用。本发明的混凝土兼具超高强和轻质的特点，硬化后的抗压强度为100MPa以上，且表观密度小于2000kg/m3。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制备混凝土的原料，一种超高强轻质的混凝土及其制备方法和应用，属于建筑材料领域。
背景技术
高强和轻质是混凝土重要的两个发展方向，如何平衡这两个性能以及生产具有更高结构效率的混凝土仍然是一个挑战。近年来，随着超高层建筑，超长跨海大桥和海上漂浮平台的兴起，对高强轻质混凝土的需求日益旺盛。尤其是对于快速发展的装配式建筑，急需开发高强轻质混凝土来降低运输成本，提高吊装能力，并且改善保温隔热性能。除了轻质高强的优势，相比普通混凝土，高强轻质混凝土还具有良好的耐久性，更好的抗震性能，以及更低的成本。
为了制备高强轻质混凝土，通常采用轻骨料来降低混凝土密度。轻骨料的性能决定了高强轻质混凝土的强度，使用高强轻骨料可以制备出更高强度的轻质混凝土。使用高强砂浆也有助于弥补轻骨料的低强度和脆性。轻质混凝土的最大不足是其脆性大，通过在混凝土中加入纤维，可以有效地提高高强轻质混凝土的韧性和弹性模量。
尽管高强轻质混凝土已经发展多年，由于轻骨料本身强度低，始终限制了高强轻质混凝土的强度和其更广泛的应用。大部分生产和研究的高强轻质混凝土强度难以突破70MPa，结构效率介于20到40之间。因此，有必要研发一种超高强轻质混凝土以满足装配式建筑、超大跨度桥梁、港口码头、超高层建筑等领域的需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的一个或多个问题，提供一种用于制备混凝土的原料、一种混凝土及其制备方法，以及该混凝土在各建筑领域中的应用。本发明的混凝土的原料包含多种轻质材料，在一些优选实施方案中同时通过对原料种类和尺寸的设计，利用物理和化学作用提高制得的混凝土的强度，因此得到的混凝土兼具超高强和轻质的特点。
根据本发明的第一个方面，提供了一种用于制备混凝土的原料，包括如下组分：水泥、硅质粉、玻璃粉、轻质活性微珠和内养护骨料；所述原料以混合物或多部分的形式提供。
在一些实施方式中，所述原料以两部分的形式提供，包括第一部分和第二部分；第一部分包括水泥、硅质粉、玻璃粉和轻质活性微珠，第二部分包括内养护骨料。在一些实施方式中，所述第一部分和第二部分的质量之比为(40-99)：(1-60)，优选为(50-96)：(4-50)。
在一些实施方式中，在所述混合物中或所述第一部分中，水泥的重量份为35-60份。
在一些实施方式中，在所述混合物中或所述第一部分中，硅质粉的重量份为5-20份。
在一些实施方式中，在所述混合物中或所述第一部分中，玻璃粉的重量份为5-30份。
在一些实施方式中，在所述混合物中或所述第一部分中，轻质活性微珠的重量份为0.5-10份。
在一些实施方式中，所述混合物或所述第一部分还包括膨胀剂。在一些实施方式中，膨胀剂的重量份为0.1-10份。
在一些实施方式中，所述混合物或所述第一部分还包括纤维。在一些实施方式中，纤维的重量份为1-10份。
在一些实施方式中，所述混合物或所述第一部分还包括减水剂。在一些实施方式中，减水剂的重量份为1.5-5份。
在一些实施方式中，所述第一部分的各组分以组合或分开的形式提供。
在一些实施方式中，所述水泥包括普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、磷酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中的至少一种。
在一些实施方式中，所述硅质粉包括纳米二氧化硅和硅灰中的至少一种。在一些优选的实施方案中，所述硅质粉的平均粒径为小于1μm。
在一些实施方式中，所述玻璃粉包括硅酸盐玻璃粉、硼酸盐玻璃粉和磷酸盐玻璃粉中的至少一种，优选包括石英玻璃粉、高硅氧玻璃粉、钠钙玻璃粉、铅硅酸盐玻璃粉、铝硅酸盐玻璃粉、硼硅酸盐玻璃粉中的至少一种。在一些优选的实施方式中，所述玻璃粉的平均粒径为10μm以下。
在一些实施方式中，所述轻质活性微珠包括轻质粉煤灰漂珠、空心玻璃微珠和轻质二氧化硅纳米微球中的至少一种。在一些优选的实施方式中，所述轻质活性微珠的平均粒径为30μm以下。
在一些实施方式中，所述膨胀剂包括硫铝酸钙类膨胀剂、氧化钙类膨胀剂和复合类膨胀剂中的至少一种。
在一些实施方式中，所述纤维包括镀铜钢纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维和聚乙烯纤维中的至少一种。
在一些实施方式中，所述内养护骨料包括膨胀页岩、粉煤灰陶粒、沸石分子筛、浮石和空心氧化铝骨料中的至少一种，优选所述内养护骨料可任选地经过改性剂改性。
在一些实施方式中，所述改性剂为功能液体材料，例如包括减缩剂、阻锈剂、早强剂、消泡剂和水玻璃中的至少一种；优选地，基于内养护骨料的质量计，改性剂的质量百分含量为0.1-20％。
根据本发明的第二个方面，提供了一种混凝土，其通过本发明第一方面的原料制备而成。所述混凝土硬化后的抗压强度为100MPa以上，且表观密度小于2000kg/m3。
根据本发明的第三个方面，提供了一种制备混凝土的方法，包括将本发明第一方面的原料与水混合，制备得到所述混凝土。
在一些实施方案中，所述方法包括如下步骤：
S1将第一部分和水混合，得到复合材料；
S2将所述复合材料与第二部分混合，得到所述混凝土。
在一些实施方案中，所述步骤S1包括：
1A将水泥、硅质粉、玻璃粉、轻质活性微珠和膨胀剂混合，得到混合料；
1B将所述混合料与水和减水剂混合，得到浆体；
1C将所述浆体与纤维混合，得到所述复合材料。
根据本发明的第四个方面，提供了根据本发明第三个方面的方法制备而成的混凝土。在一些实施方案中，所述混凝土硬化后的抗压强度为100MPa以上，且表观密度小于2000kg/m3。
根据本发明的第五个方面，提供了根据本发明第二个方面和第四个方面的混凝土在装配式建筑、超大跨度桥梁、港口码头或超高层建筑中的应用。
根据本发明的第六个方面，提供了一种建筑材料，其包括本发明第二个方面和第四个方面的混凝土的硬化制品。
附图说明
在附图中，相似的附图标记指代相同或功能相似的元件，附图包含某些实施方案的图形，以进一步示出和阐明本公开的以上和其他方面、优点和特征。应当理解的是，这些附图描绘了示例性实施例，因此并非旨在限制本公开的范围。通过使用附图，会以附加的特异性和细节来描述和解释本公开。
图1为根据本发明的一个实施方案的混凝土从制备到硬化的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做更详细的描述，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，而不应当被理解为对本发明的限定。
定义
在说明书中提到“一个实施方案”、“优选的实施方案”，“示例性实施方案”等是指，所描述的实施方案可以包括具体特征、结构或特性，但是并非每个实施方案都可以包括具体特征、结构或特性。而且，这类短语不一定是指相同的实施方案。另外，当结合某个实施方案描述具体特征、结构或特性时，无论其是否被明确描述，都视为将该特征、结构或特性应用于其他实施例的效果在本领域技术人员的知识范围内。
在本发明中的提到的任何数值，如果在任何最低值和任何最高值之间只是有两个单位的间隔，则包括从最低值到最高值的每次增加一个单位的所有值。例如，如果声明一种组分的量，或诸如温度、压力、时间等工艺变量的值为50-90，在本说明书中它的意思是具体列举了51-89、52-88……以及69-71以及70-71等数值。对于非整数的值，可以适当考虑以0.1、0.01、0.001或0.0001为一单位。这仅是一些特殊指明的例子。在本申请中，以相似方式，所列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能组合都被认为已经公开。
如本文所述，除非另有说明，否则术语“一个/种”用于包括一个/种或多个/种，并且术语“或”用于表示非排他性的“或”。另外，当本文所用的术语没有另外定义时，应将它们理解为仅用于描述的目的而非限制的目的。另外，说明书提及的所有出版物、专利和专利文件均通过引用全文并入本文，如同通过引用单独并入一样。如果本文档与通过引用并入的那些文档之间的用法不一致，则应将引用的参考文献中的用法视为对本文档的补充。出于不可调和的不一致之处，以本文中的用法为准。
在说明书所述的制造方法中，除了明确说明时间或操作顺序之外，可以以任何顺序实施步骤，而不脱离本发明的原理。权利要求指出，首先实施一个步骤，然后实施几个其他步骤。应该认为第一步是在任何其他步骤之前实施的，并且可以在任何其他步骤中执行其他步骤，除非在其他步骤中该步骤中进一步列出了该顺序。例如，陈述了“步骤A、步骤B、步骤C、步骤D和步骤E”的权利要求应解释为意味着首先实施步骤A，最后实施步骤E，并且步骤B、C和D在步骤A和E中实施。它们可以以任何顺序执行，并且这些顺序仍然落入权利要求要求保护的过程的字面范围内。同样，可以重复给定的步骤或子步骤。
用于制备混凝土的原料
根据本发明的一些实施方式，提供了一种用于制备混凝土的原料，包括如下组分：水泥、硅质粉、玻璃粉、轻质活性微珠和内养护骨料；所述原料以混合物或多部分的形式提供。
在一些实施方案中，多部分可以是两部分、三部分、四部分、五部分、六部分或更多部分，其中每个部分包含一种或多种所述原料的组分，并且各个部分在使用时再根据需要进行混合。在一些实施方案中，所述原料的各个组分可以分别在单独的部分中提供，或者两种或更多种组分在一个部分中，而其它组分在另一个部分或几个部分中。
在一些实施方式中，所述原料以两部分的形式提供，包括第一部分和第二部分；第一部分包括水泥、硅质粉、玻璃粉和轻质活性微珠，第二部分包括内养护骨料。
在一些实施方式中，所述第一部分和第二部分的质量之比为(40-99)：(1-60)，优选为(50-96)：(4-50)。
在一些优选的实施方式中，所述第一部分和第二部分的质量之比为(65-88)：(12-35)，进一步优选为(73-80)：(20-27)。
在一些实施方式中，在所述混合物中或所述第一部分中，水泥的重量份为35-60份，例如为35份、40份、45份、50份、55份、60份以及它们之间的任意值，例如为40-56份，优选为45-50份。
对于水泥的种类，本发明没有特别的限制，选择本领域常见的水泥即可。在一些优选的实施方式中，所述水泥包括普通铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、磷酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中的至少一种。
在一些实施方式中，在所述混合物中或所述第一部分中，硅质粉的重量份为5-20份，例如为5份、8份、10份、12份、15份、18份、20份以及它们之间的任意值，例如为5.3-19份，优选为8-13.5份。
对于硅质粉的种类，本发明没有特别的限制，选择本领域常见的硅质粉即可。在一些实施方式中，硅质粉中的硅含量大于95％。在一些优选的实施方式中，所述硅质粉包括纳米二氧化硅和硅灰中的至少一种。
在一些优选的实施方案中，所述硅质粉的平均粒径小于1μm，例如为0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm以及它们之间的任意值，优选为0.1-0.6μm。
在一些实施方式中，在所述混合物中或所述第一部分中，所述玻璃粉的重量份为5-30份，例如为5份、8份、10份、12份、15份、18份、20份、22份、25份、28份、30份以及它们之间的任意值，例如为7.5-25份，优选为10-20.5份。
在本发明中，获得玻璃粉的玻璃来源没有特别的限制。在一些实施方式中，玻璃粉可包括硅酸盐玻璃粉、硼酸盐玻璃粉和磷酸盐玻璃粉中的至少一种，优选包括石英玻璃粉、高硅氧玻璃粉、钠钙玻璃粉、铅硅酸盐玻璃粉、铝硅酸盐玻璃粉、硼硅酸盐玻璃粉中的至少一种。
在一些优选的实施方案中，所述玻璃粉的平均粒径为10μm以下，优选为1-10μm，例如2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或它们之间的任意值。
在一些实施方案中，在所述混合物中或所述第一部分中，所述轻质活性微珠的重量份为0.5-10份，例如为0.5份、1份、1.5份、2份、2.5份、3份、3.5份、4份、4.5份、5份、5.5份、6份、6.5份、7份、7.5份、8份、8.5份、9份、9.5份、10份以及它们之间的任意值，例如0.8-9.5份，优选为3-8.5份。
如本文所使用，术语“轻质活性微珠”是指密度在一定范围内，且在水泥体系中具有火山灰反应活性的一类物质。在一些实施方案中，轻质活性微珠含有硅铝质成分作为主要成分。
在一些实施方案中，所述轻质活性微珠包括轻质粉煤灰漂珠、空心玻璃微珠和轻质二氧化硅纳米微球中的至少一种。
在一些优选的实施方案中，所述轻质活性微珠的密度为200-1000kg/m3，例如为300kg/m3、400kg/m3、500kg/m3、600kg/m3、700kg/m3、800kg/m3、900kg/m3以及它们之间的任意值。
在一些优选的实施方案中，所述轻质活性微珠的平均粒径为30μm以下，优选为1-30μm，更优选为2-20μm，例如为3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm或它们之间的任意值。
在一些实施方案中，所述混合物或所述第一部分还包括膨胀剂。在一些优选的实施方式中，膨胀剂的重量份为0.1-10份。
在一些实施方案中，所述膨胀剂的重量份为0.1份、0.5份、1份、1.5份、2份、2.5份、3份、3.5份、4份、4.5份、5份、5.5份、6份、6.5份、7份、7.5份、8份、8.5份、9份、9.5份、10份以及它们之间的任意值，例如2-9.7份，优选为3-6份。
对于膨胀剂的种类，本发明没有特别的限制，选择本领域常见的混凝土膨胀剂即可。在一些优选的实施方案中，所述膨胀剂包括硫铝酸钙类膨胀剂、氧化钙类膨胀剂和复合类膨胀剂中的至少一种。
在一些优选的实施方式中，所述复合类膨胀剂包括硫铝酸钙类膨胀剂和氧化钙类膨胀剂，优选二者的重量比为(40-60)：(60-40)，优选为50:50。
在一些实施方式中，所述混合物或所述第一部分还包括纤维。在一些优选的实施方式中，纤维的重量份为1-10份。
在一些实施方式中，纤维的重量份为1份、2份、3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份、10份以及它们之间的任意值，例如为5-9.5份，优选为6-7份。
在一些实施方式中，所述纤维包括镀铜钢纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维和聚乙烯纤维中的至少一种。
在一些实施方式中，所述混合物或所述第一部分还包括减水剂。在一些优选的实施方式中，减水剂的重量份为1.5-5份。
对于减水剂的种类，本发明没有具体限定，选择本领域常用的减水剂即可。在一些实施方式中，减水剂可例如为木质素磺酸盐类减水剂、萘系高效减水剂、三聚氰胺系高效减水剂、氨基磺酸盐系高效减水剂、脂肪酸系高减水剂和聚羧酸盐系高效减水剂等，优选为聚羧酸盐系高效减水剂。
在一些实施方式中，所述减水剂的重量份为1.5-5份，例如为1.5份、2份、2.5份、3份、3.5份、4份、4.5份、5份以及它们之间的任意值，例如为1.9-4.8份，优选为2-3.4份。
在一些实施方式中，所述第一部分的各个组分以组合或分开的形式提供。
在一些实施方案中，第一部分的各个组分可以分别在单独的部分中提供，或者两种或更多种组分作为一个部分提供，而其它组分作为另一个部分或几个部分提供。
在一些实施方案中，所述内养护骨料包括膨胀页岩、粉煤灰陶粒、沸石分子筛、浮石和空心氧化铝骨料中的至少一种。
在一些优选的实施方案中，所述内养护骨料可任选地经过改性剂改性。
在一些优选的实施方案中，所述改性剂为功能材料例如功能液体材料，例如包括减缩剂、阻锈剂、早强剂、消泡剂和水玻璃中的至少一种。在一些实施方案中，功能液体材料是功能水性材料，例如含有功能材料的水性液体，诸如功能材料水溶液。
对于减缩剂的种类，本发明没有特别限定，选择本领域常见的混凝土减缩剂即可。在与第一部分原料混合时，内养护骨料释放减缩剂，减缩剂能够降低复合材料的收缩，从而降低整体混凝土的收缩。
在一些实施方式中，减缩剂可以为例如聚亚丙基二醇、环氧乙烷甲醇附加物、环氧乙烷环氧丙烷嵌段聚合物、环氧乙烷环氧丙烷随机聚合物、环氧乙烷环烷基附加物、环氧乙烷甲基附加物、环氧乙烷苯基附加物、环氧乙烷环氧丙烷嵌段聚合物甲基苯基附加物、两端附加环氧乙烷甲醇或环氧乙烷二甲胺基附加物。
对于阻锈剂的种类，本发明没有特别限定，选择本领域常见的阻锈剂即可。阻锈剂能够阻止制备的混凝土中的钢筋锈蚀。在一些实施方式中，阻锈剂可以为例如掺入型阻锈剂、渗透型阻锈剂或复合阻锈剂。
对于早强剂的种类，本发明没有特别限定，选择本领域常见的混凝土早强剂即可。早强剂可以提高制备的混凝土的早期强度。在一些实施方式中，早强剂可以为例如强电解质无机盐类早强剂、水溶性有机物类早强剂或有机类和无机物复合的复合早强剂等，例如硫酸盐早强剂、硝酸盐早强剂和醇胺早强剂等。
在一些实施方式中，水玻璃可以提高骨料的界面强度。
对于消泡剂的种类，本发明没有特别限定，选择本领域常见的消泡剂即可。消泡剂能够消除制备的混凝土中的气泡。在一些实施方式中，消泡剂可以为矿物油类、醇类、脂肪酸及脂肪酸酯类、酰胺类、磷酸酯类、有机硅类、聚醚类、聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂。在一些优选的实施方案中，基于内养护骨料的质量计，改性剂的质量百分含量为0.1-20％。
在一些实施方案中，基于内养护骨料的质量计，改性剂的质量百分含量为1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％以及它们之间的任意值，优选为4-18％，6-13％，进一步优选为8-12％。
在一些实施方案中，内养护骨料可通过如下方法制备得到：
将任选地干燥的至少一种内养护骨料(例如膨胀页岩、粉煤灰陶粒、沸石分子筛、浮石和空心氧化铝骨料)与改性剂混合后进行改性处理得到。在一些实施方案中，改性处理可以在常压或真空中进行。在一些实施方案中，改性处理的时间可以为0.1h～168h，优选为10-120h，更优选为20-100好，进一步优选为24-48h。在一些实施方案中，改性处理的温度可以为20℃～60℃，优选为25-50℃，更优选为25-40℃。
对于包括两种以上的内养护骨料的改性，可以先将内养护骨料例如膨胀页岩、粉煤灰陶粒、沸石分子筛、浮石空心氧化铝骨料中的两种以上混合，然后再进行改性。也可以先将内养护骨料例如膨胀页岩、粉煤灰陶粒、沸石分子筛、浮石和空心氧化铝骨料中的每一种按照上述方法进行改性，然后再将改性后的两种以上混合。
在一些优选的实施方案中，本发明用于制备混凝土的原料以两部分的形式提供，包括第一部分和第二部分；第一部分和第二部分的质量比为(40-99)：(1-60)；第一部分包括水泥35-60份、硅质粉5-20份、玻璃粉5-30份、轻质活性微珠5-10份；第二部分包括内养护骨料。其中，硅质粉的平均粒径小于1μm；玻璃粉的平均粒径为10μm以下；轻质活性微珠的密度为200-1000kg/m3，平均粒径为30μm以下；内养护骨料经过改性剂改性，其中以所述内养护骨料的质量计，改性剂的质量百分含量为0.1-20％。
在一些优选的实施方案中，本发明用于制备混凝土的原料以两部分的形式提供，包括第一部分和第二部分；第一部分和第二部分的质量比为(40-99)：(1-60)；第一部分包括水泥35-60份、硅质粉5-20份、玻璃粉5-30份、轻质活性微珠5-10份、膨胀剂0.1-10份；第二部分包括内养护骨料。其中，硅质粉的平均粒径为小于1μm；玻璃粉的平均粒径为10μm以下；轻质活性微珠的密度为200-1000kg/m3，平均粒径为30μm以下；内养护骨料经过改性剂改性，其中以所述内养护骨料的质量计，改性剂的质量百分含量为0.1-20％。
在一些优选的实施方案中，本发明用于制备混凝土的原料以两部分的形式提供，包括第一部分和第二部分；第一部分和第二部分的质量比为(40-99)：(1-60)；第一部分包括水泥35-60份、硅质粉5-20份、玻璃粉5-30份、轻质活性微珠5-10份、减水剂1.5-5份；第二部分包括内养护骨料。其中，硅质粉的平均粒径小于1μm；玻璃粉的平均粒径为10μm以下；轻质活性微珠的密度为200-1000kg/m3，平均粒径为30μm以下；内养护骨料经过改性剂改性，其中以所述内养护骨料的质量计，改性剂的质量百分含量为0.1-20％。
在一些优选的实施方案中，本发明用于制备混凝土的原料以两部分的形式提供，包括第一部分和第二部分；第一部分和第二部分的质量比为(40-99)：(1-60)；第一部分包括水泥35-60份、硅质粉5-20份、玻璃粉5-30份、轻质活性微珠5-10份、纤维1-10份；第二部分包括内养护骨料。其中，硅质粉的平均粒径小于1μm；玻璃粉的平均粒径为10μm以下；轻质活性微珠的密度为200-1000kg/m3，平均粒径为30μm以下；内养护骨料经过改性剂改性，其中以所述内养护骨料的质量计，改性剂的质量百分含量为0.1-20％。
在一些优选的实施方案中，本发明用于制备混凝土的原料以两部分的形式提供，包括第一部分和第二部分；第一部分和第二部分的质量比为(40-99)：(1-60)；第一部分包括水泥35-60份、硅质粉5-20份、玻璃粉5-30份、轻质活性微珠5-10份、膨胀剂0.1-10份、减水剂1.5-5份；第二部分包括内养护骨料。其中，硅质粉的平均粒径小于1μm；玻璃粉的平均粒径为10μm以下；轻质活性微珠的密度为200-1000kg/m3，平均粒径为30μm以下；内养护骨料经过改性剂改性，其中以所述内养护骨料的质量计，改性剂的质量百分含量为0.1-20％。
在一些优选的实施方案中，本发明用于制备混凝土的原料以两部分的形式提供，包括第一部分和第二部分；第一部分和第二部分的质量比为(40-99)：(1-60)；第一部分包括水泥35-60份、硅质粉5-20份、玻璃粉5-30份、轻质活性微珠5-10份、膨胀剂0.1-10份、纤维1-10份；第二部分包括内养护骨料。其中，硅质粉的平均粒径小于1μm；玻璃粉的平均粒径为10μm以下；轻质活性微珠的密度为200-1000kg/m3，平均粒径为30μm以下；内养护骨料经过改性剂改性，其中以所述内养护骨料的质量计，改性剂的质量百分含量为0.1-20％。
在一些优选的实施方案中，本发明用于制备混凝土的原料以两部分的形式提供，包括第一部分和第二部分；第一部分和第二部分的质量比为(40-99)：(1-60)；第一部分包括水泥35-60份、硅质粉5-20份、玻璃粉5-30份、轻质活性微珠5-10份、减水剂1.5-5份、纤维1-10份；第二部分包括内养护骨料。其中，硅质粉的平均粒径小于1μm；玻璃粉的平均粒径为10μm以下；轻质活性微珠的密度为200-1000kg/m3，平均粒径为30μm以下；内养护骨料经过改性剂改性，其中以所述内养护骨料的质量计，改性剂的质量百分含量为0.1-20％。
在一些优选的实施方案中，本发明用于制备混凝土的原料以两部分的形式提供，包括第一部分和第二部分；第一部分和第二部分的质量比为(40-99)：(1-60)；第一部分包括水泥35-60份、硅质粉5-20份、玻璃粉5-30份、轻质活性微珠5-10份、膨胀剂0.1-10份、减水剂1.5-5份、纤维1-10份；第二部分包括内养护骨料。其中，硅质粉的平均粒径小于1μm；玻璃粉的平均粒径为10μm以下；轻质活性微珠的密度为200-1000kg/m3，平均粒径为30μm以下；内养护骨料经过改性剂改性，其中以所述内养护骨料的质量计，改性剂的质量百分含量为0.1-20％。
在一些实施方案中，本发明的用于制备混凝土的原料以混合物的形式提供。在一些实施方案中，混合物可包含本文所描述的全部原料成分。
混凝土
在一些实施方案中，提供了一种通过上述原料制备而成的混凝土。在一些实施方案中，所述混凝土硬化后的抗压强度可以达到100MPa或更高，且表观密度可小于2000kg/m3。
在一些优选的实施方案中，所述混凝土硬化后的抗压强度可以达到116MPa或更高，优选可以达到129MPa或更高，更优选可以达到138MPa或更高，进一步优选可以达到151MPa或更高。
在一些优选的实施方案中，所述混凝土硬化后的表观密度可为1983kg/m3或更低，例如可为1944kg/m3或更低，优选可为1928kg/m3或更低，更优选可为1892kg/m3或更低，进一步优选可为1887kg/m3或更低。
混凝土的制备方法
在一些实施方案中，提供了一种制备混凝土的方法，包括将第一方面所述的原料与水混合，制备得到所述混凝土。
在一些优选的实施方案中，水的重量份为5-15份，例如为5份、6份、7份、8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份、15份以及它们之间的任意值。
在一些优选的实施方案中，所述制备方法包括如下步骤：
S1将第一部分和水混合，得到复合材料；
S2将所述复合材料与第二部分混合，得到所述混凝土。
在一些优选的实施方案中，所述复合材料和第二部分的质量之比为(40-99)：(1-60)，优选为(50-96)：(4-50)，更优选为(65-88)：(12-35)，进一步优选为(73-80)：(20-27)。
在一些优选的实施方案中，在步骤S1和S2中通过搅拌进行混合。在一些进一步的实施方案中，使用振动或机械搅拌或优选两者的结合进行混合，例如可使用双卧轴搅拌机。
在一些优选的实施方案中，所述步骤S1包括：
1A将水泥、硅质粉、玻璃粉、轻质活性微珠和膨胀剂混合，得到混合料；
1B将所述混合料与水和减水剂混合，得到浆体；
1C将所述浆体与纤维混合，得到所述复合材料。
在一些实施方案中，对步骤1A中的混合方式没有限定，可采用本领域技术人员已知的方法进行，达到使各原料混合均匀的目的即可。在一些优选的实施方式中，可使用双卧轴搅拌机进行混合。
在一些实施方案中，对步骤1B中的混合方式没有限定，可采用本领域技术人员已知的方法进行，得到浆体即可。在一些优选的实施方式中，可在加入水和减水剂后，搅拌5±1分钟。
在一些实施方案中，对步骤1C中的混合方式没有限定，可采用本领域技术人员已知的方法进行，得到复合材料。在一些优选的实施方式中，可在加入纤维后，搅拌1±0.5分钟。
在一些优选的实施方案中，步骤S1包括：
1A将水泥、硅质粉、玻璃粉、轻质活性微珠和膨胀剂使用双卧轴搅拌机混合均匀，得到混合料；
1B向其中加入水和减水剂，搅拌5±1分钟，得到浆体；
1C向所述浆体中加入纤维，搅拌1±0.5分钟，得到所述复合材料。
在一些实施方案中，对于步骤S2中的混合方式没有限定，可采用本领域技术人员已知的方法进行，达到使各原料混合均匀的目的即可。在一些优选的实施方式中，可使用双卧轴搅拌机进行混合，混合的时间优选1-3分钟。
在一些实施方案中，所述步骤S2包括：
将内养护骨料加入到复合材料中，在双卧轴搅拌机中，混合1-3分钟，得到所述混凝土。
在一些优选的实施方式中，所述方法还包括在步骤S1或S2之前制备内养护骨料的步骤。
在一些优选的实施方案中，所述制备内养护骨料的步骤包括：
将任选地至少一种内养护骨料(例如膨胀页岩、粉煤灰陶粒、沸石分子筛、浮石和空心氧化铝骨料)与改性剂混合后进行改性处理得到。在一些实施方案中，改性处理可以在常压或真空中进行。在一些实施方案中，改性处理的时间可以为0.1h～168h，优选为10-120h，更优选为20-100h，进一步优选为24-48h。在一些实施方案中，改性处理的温度可以为20℃～60℃，优选为25-50℃，更优选为25-40℃。
对于包括两种以上的内养护骨料的改性，可以先将内养护骨料例如膨胀页岩、粉煤灰陶粒、沸石分子筛、浮石空心氧化铝骨料中的两种以上混合，然后再进行改性。也可以先将内养护骨料例如膨胀页岩、粉煤灰陶粒、沸石分子筛、浮石和空心氧化铝骨料中的每一种按照上述方法进行改性，然后再将改性后的两种以上混合。
在一些优选的实施方案中，本发明制备混凝土的方法包括如下步骤：
1)将任选地至少一种内养护骨料(例如膨胀页岩、粉煤灰陶粒、沸石分子筛、浮石和空心氧化铝骨料)与改性剂混合后进行改性处理，得到改性的内养护骨料；
2)按重量份和配比提供各原料；
3)将水泥、硅质粉、玻璃粉、轻质活性微珠和膨胀剂混合均匀，得到混合料；
4)向所述混合料中加入水和减水剂，搅拌混合，得到浆体；
5)向所述浆体中加入纤维，搅拌混合，得到复合材料；
6)将所述复合材料与内养护骨料混合，得到所述混凝土。
在一些实施方式中，提供了根据上述方法制备而成的混凝土，所述混凝土硬化后的抗压强度可达到100MPa或更高，且表观密度小于2000kg/m3。
在一些优选的实施方案中，所述混凝土硬化后的抗压强度可以达到116MPa或更高，优选可以达到129MPa或更高，更优选可以达到138MPa或更高，进一步优选可以达到151MPa或更高。
在一些优选的实施方案中，所述混凝土硬化后的表观密度可为1983kg/m3或更低，例如可为1944kg/m3或更低，优选可为1928kg/m3或更低，更优选可为1892kg/m3或更低，进一步优选可为1887kg/m3或更低。
混凝土的应用
在一些实施方式中，提供了本发明的混凝土在装配式建筑、超大跨度桥梁、港口码头或超高层建筑中的应用。
本发明的超高强轻质混凝土，可用于装配式建筑、超大跨度桥梁、港口码头、超高层建筑等领域，可以降低建筑的重量，减少地基建设成本，增加桥梁的跨度，提高海工建筑的耐久性。用于装配式建筑中，将使建筑具有更好的隔热保温性能，有益于预制构件的安装和运输。因此本发明的超高强轻质混凝土可以在建筑工程中应用，并获得优异的力学和耐久性能。
建筑材料
在一些实施方式中，提供了一种建筑材料，其包括本发明的混凝土的硬化制品。
在一些实施方式中，在制备好以后，将本发明的混凝土在养护条件下养护28±2天，得到硬化制品。该硬化制品直接或经过后加工处理后作为建筑材料，例如可应用于装配式建筑、超大跨度桥梁、港口码头或超高层建筑中。
不意图受限于理论的束缚，本发明通过对各原料组分和/或尺寸的设计，可以使各原料相互发生物理和化学作用，使得由该原料制备的混凝土体现出超高性能和轻质的特性。
物理作用：由于不同粉体的颗粒大小不同，因此在水和减水剂的润滑分散作用下，不同尺度的粉体颗粒将紧密堆积，尤其是在振动作用和强力搅拌下，粉体颗粒的运动速度增大，增加了碰撞次数，有效填充了固体颗粒之间的空隙，使得粉体堆积成为一个密实的浆体。玻璃粉由于不吸水以及轻质活性微珠的滚珠效应也将提高浆体的流动性，促进颗粒紧密堆积以及排出浆体中的气泡。
化学作用：水泥水化产物为碱性物质，可激发硅质粉、玻璃粉和轻质活性微珠发生火山灰反应，增强固体颗粒之间的粘结力。由于体系中水的含量很少，在水泥水化和火山灰反应后，水的空间将被水化产物占领，浆体逐渐呈现致密化。其中的轻质活性微珠作为轻质介质引入可以有效地降低复合材料的密度。此外，由于存在大量超细粉体，复合材料将产生较大的自收缩，因此加入膨胀剂和纤维将有助于降低最终制备的混凝土的收缩。
本发明的内养护骨料经过改性后，常规轻质骨料的功能性得以体现，同时还具有内养护功能，能够增强骨料与复合材料的界面粘结，例如经过减缩剂改性的内养护骨料在与复合材料混合时，将释放减缩剂降低复合材料的收缩，从而降低整体混凝土的收缩。在振动搅拌下，部分复合材料的浆体进入骨料的多孔表面，增强骨料与浆体的界面，另一方面，改性剂中的水分将对复合材料进行内养护，进一步提高界面和浆体的密实性。所以改性的内养护骨料在降低混凝土密度的同时促进了胶凝材料的水化，从而保证了混凝土的强度。
不意图受理论的束缚，如图1所示的一个实施方案中，本发明制备的混凝土在制备初期(新拌状态)，内养护骨料和复合材料的各组分相互独立；在养护过程中(内养护阶段)，内养护骨料中的改性剂(包括减缩剂、阻锈剂、早强剂、水、消泡剂和水玻璃等)释放到复合材料中，复合材料中的水泥遇水水化，水泥水化产物呈碱性，可激发硅质粉、玻璃粉和轻质活性微珠发生火山灰反应，在内养护骨料的周围形成密实的内养护区域；同时其他改性剂例如减缩剂可以降低复合材料的收缩，从而降低整体混凝土的收缩，阻锈剂能够阻止制备的混凝土中的钢筋锈蚀，早强剂可以提高制备的混凝土的早期强度，消泡剂能够消除制备的混凝土中的气泡，从而得到高强轻质的硬化混凝土(硬化时期)。
实施例
以下通过具体实施例进一步阐述本发明。
实施例1
(1)按照表1中的重量份准备原料；
(2)将空心氧化铝球和改性剂减缩剂混合，放置于真空设备(北京首瑞SRH)中进行负载，改性处理的时间为24h，改性处理的温度为25℃，得到内养护骨料；
(3)将硫铝酸盐水泥、硅灰、硅酸盐玻璃粉、轻质粉煤灰漂珠、CSA硫铝酸钙类膨胀剂加入到双卧轴搅拌机(德通DT60ZBW)中混合均匀，得到混合料；
(4)向双卧轴搅拌机中加入水和巴斯夫(SKY 8588)高效聚羧酸减水剂，振动和机械搅拌双模式搅拌5分钟，得到浆体；
(5)向双卧轴搅拌机中加入铜镀钢纤维，振动和机械搅拌双模式搅拌1分钟，得到复合材料；
(6)向双卧轴搅拌机中加入步骤(1)得到的内养护骨料，振动搅拌2分钟，得到混凝土。
放置于标准养护室中(温度20℃，相对湿度95％)养护28天得到硬化的超高性能轻质混凝土，测试抗压强度和表观密度，结果见表1。
实施例2-5
实施例2-5中的原料及重量份如表1所示，步骤同实施例1。混凝土硬化后测试抗压强度和表观密度，结果见表1。
表1
注：表1中所有的比例均为质量比。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。
Claims (10)
1.一种用于制备混凝土的原料，包括如下组分：水泥、硅质粉、玻璃粉、轻质活性微珠和内养护骨料；所述原料以混合物或多部分的形式提供。
2.根据权利要求1所述的原料，其特征在于，所述原料以两部分的形式提供，包括第一部分和第二部分；第一部分包括水泥、硅质粉、玻璃粉和轻质活性微珠，第二部分包括内养护骨料；优选地，所述第一部分和第二部分的质量之比为(40-99)：(1-60)，优选为(50-96)：(4-50)。
3.根据权利要求1或2所述的原料，其特征在于，在所述混合物中或所述第一部分中：
所述水泥的重量份为35-60份；优选地，所述水泥包括普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、磷酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中的至少一种；和/或，
所述硅质粉的重量份为5-20份；优选地，所述硅质粉包括纳米二氧化硅和硅灰中的至少一种；优选所述硅质粉的平均粒径为小于1μm；和/或，
所述玻璃粉的重量份为5-30份；优选地，所述玻璃粉包括硅酸盐玻璃粉、硼酸盐玻璃粉和磷酸盐玻璃粉中的至少一种，优选包括石英玻璃粉、高硅氧玻璃粉、钠钙玻璃粉、铅硅酸盐玻璃粉、铝硅酸盐玻璃粉、硼硅酸盐玻璃粉中的至少一种；优选所述玻璃粉的平均粒径小于10μm；和/或，
所述轻质活性微珠的重量份为0.5-10份；优选地，所述轻质活性微珠包括轻质粉煤灰漂珠、空心玻璃微珠和轻质二氧化硅纳米微球中的至少一种；优选所述轻质活性微珠的平均粒径小于30μm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的原料，其特征在于，所述混合物或所述第一部分还包括膨胀剂；优选所述膨胀剂的重量份为0.1-10份；优选地，所述膨胀剂包括硫铝酸钙类膨胀剂、氧化钙类膨胀剂和复合类膨胀剂中的至少一种；和/或，
所述混合物或所述第一部分还包括纤维；优选所述纤维的重量份为1-10份；优选地，所述纤维包括镀铜钢纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维和聚乙烯纤维中的至少一种；和/或，
所述混合物或所述第一部分还包括减水剂；优选所述减水剂的重量份为1.5-5份。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的原料，其特征在于，所述第一部分的各组分以组合或分开的形式提供。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的原料，其特征在于，所述内养护骨料包括膨胀页岩、粉煤灰陶粒、沸石分子筛、浮石和空心氧化铝骨料中的至少一种，优选所述内养护骨料可任选地经过改性剂改性；优选地，所述改性剂为功能液体材料，例如包括减缩剂、阻锈剂、早强剂、消泡剂和水玻璃中的至少一种；优选地，以所述内养护骨料的质量计，改性剂的质量百分含量为0.1-20％。
7.一种混凝土，其通过权利要求1-6中任一项所述的原料制备而成；优选所述混凝土硬化后的抗压强度为100MPa以上，且表观密度小于2000kg/m3。
8.一种制备混凝土的方法，包括将权利要求1-6中任一项所述的原料与水混合，制备得到所述混凝土；
优选地，所述方法包括如下步骤：
S1将所述第一部分和水混合，得到复合材料；
S2将所述复合材料与所述第二部分混合，得到所述混凝土。
9.权利要求7所述的混凝土或根据权利要求8所述的方法制备的混凝土在装配式建筑、超大跨度桥梁、港口码头或超高层建筑中的应用。
10.一种建筑材料，其包括权利要求7所述的混凝土或根据权利要求8所述的方法制备的混凝土的硬化制品。
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