CN115340329A - 再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种再生细骨料‑氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土及其制备方法，涉及建筑材料技术领域。本发明采用再生细骨料和三种氧化镁基膨胀剂制备低收缩超高性能混凝土，其中，再生细集料作为内养护材料，与天然集料进行复配，并持续释放水分，供给胶凝材料的水化反应，生成水化产物，提高微观结构性能，从而起到内养护的作用，促进混凝土基体强度持续发展，同时结合氧化镁膨胀剂的作用，有效降低超高性能混凝土水化热和收缩，控制超高性能混凝土非结构性裂缝，提高超高性能混凝土强度，具有重要的经济价值和环保意义。

Description

再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，简称UHPC)是一种超高强度、高韧性、高耐久性、体积稳定性好的新型水泥基复合材料。它通常采用水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉等胶凝材料、细集料以及钢纤维在较低的水胶比下(通常在0.18-0.20左右)达到最紧密堆积，从而制备出的一种具有优异性能的新型水泥基材料。这些组成及特性使得UHPC构件尺寸和自重显著减小，其致密的微观结构，孔隙率极低，表现出优异的耐久性，可极大延长工程结构的使用寿命。然而，由于UHPC具有较低的水胶比，导致了其自收缩值较大于普通股混凝土，存在潜在开裂问题会降低UHPC强度和耐久性。

随着大规模的城市基础设施造成了砂石、水泥等资源巨大的消耗；同时对旧混凝土建筑物和工程结构的拆除改造，废弃混凝土的堆放量将逐年增多。为缓解水泥混凝土原材料资源日益紧缺的状况，解决急剧增加的废弃混凝土所引起的一系列环境、社会问题，迫切需要对废弃混凝土进行建材化再生利用。同时，我国出现的各类工程中，超高性能混凝土的应用较为广泛，但是在各种因素的综合作用下，UHPC的自收缩较大存在严重的开裂问题，影响到工程质量和安全。针对这种情况，就需要深入研究再生细骨料氧化镁基膨胀剂对超高性能混凝土安定性能和力学性能的影响。

再生细集料是通过将废弃混凝土进行清理、破碎、筛分和清洗制备得到的，与天然细集料河砂相比，再生细集料具有较高的吸水率，甚至可达到20％左右。再生细集料因包含较多的旧砂浆块和附着在原细集料上的砂浆，使其呈现出孔隙率高、吸水性大的特点，非常符合混凝土多孔集料类内养护剂的特性。再生细集料的颗粒硬度略低于天然砂石集料，但比陶粒等常用轻质内养护材料的颗粒硬度大得多，适宜作为混凝土的内养护材材料。但由于再生集料中过量再生粉末和粘附砂浆使得混凝土工作性能和力学性能降低，直接用于超高性能混凝土中会导致混凝土性能下降，但选择最佳的再生细集料取代率能够较低的降低混凝土强度，接近于普通的超高混凝土强度。

与此同时，在混凝土中掺加膨胀剂，利用膨胀组分补偿水泥水化过程中的收缩变形是防止收缩裂的最直接有效的办法之一。相比于氧化钙类和硫铝酸钙类膨胀剂，MgO膨胀剂的活性具有很大的可调节性，煅烧时间及保温时间都会影响MgO颗粒的晶体生长及缺陷大小，而其晶体颗粒尺寸及缺陷又直接与其反应活性相关。目前关于MgO膨胀剂的研究应用主要集中在补偿混凝土收缩等方面，这基于其水化需水量小、膨胀性能稳定等优点，这一优势也适用于UHPC体系，但是在UHPC收缩性能方面的相关研究相对较少。

为此，本发明在UHPC中掺入三种活性指数的MgO膨胀剂，系统地分析掺有MgO膨胀剂的UHPC流动度、抗压强度、收缩机理及影响规律，并设计将再生集料和氧化镁基膨胀剂一起应用于超高性能混凝土中协同调控UHPC的自收缩，得到综合性能优异的超高性能混凝土，具有重要的环保意义和经济价值。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土，以解决现有超高性能混凝土自收缩较大导致其存在严重开裂现象等问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土，按重量份计，包括以下组份：水泥：560～650份，硅灰：200～300份，氧化镁基膨胀剂：30～90份，粉煤灰：100～150份，再生细集料：120～360份，天然细集料：790～1030份，高效减水剂：20～28份，水：170～190份；按体积百分比计，所述再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土中还掺有1.5～2.5％的钢纤维。

在本发明中，氧化镁膨胀剂的加入后，能与水发生反应生成氢氧化镁从而使基体体积膨胀；但是氧化镁膨胀剂与水泥之间存在着一种“争水”效应，使得与水泥水化反应的水分含量降低，水化产物减少，从而降低了混凝土的强度；也使得氧化镁膨胀剂与水之间的反应不充分，氧化镁膨胀剂的膨胀效果不佳。为此，本发明加入饱和面干的再生细集料作为内养护材料，持续释放水分，不仅可以防止基体因自收缩开裂产生裂缝，还可以为氧化镁膨胀剂与水、水泥与水之间的反应提供所需水分，从而有效的提高了氧化镁膨胀剂的膨胀效果，也提高了混凝土的强度。

可选地，所述水泥为P·O52.5级普通硅酸盐水泥或PII52.5级硅酸盐水泥。

可选地，所述偏高岭土的烧失量≤5％，氧化硅含量为40～60％，氧化铝含量为30～50％。

可选地，所述粉煤灰烧失量≤5％。

可选地，所述氧化镁基膨胀剂为氧化镁膨胀剂A、氧化镁膨胀剂B和氧化镁膨胀剂C中的一种，所述氧化镁膨胀剂A的反应活性值为75s，所述氧化镁膨胀剂B的反应活性值为140s，所述氧化镁膨胀剂C的反应活性值为220s。可选地，所述再生细集料由废弃混凝土经清理、破碎、筛分和清洗制得的细度模数为2.2～2.8的II区中砂。

可选地，所述天然细骨料为连续级配的天然河砂，粒径为0.075～4.75mm，体积密度为1521-1595kg/m³，吸水率为4.10％-5.64％，含水率为2.36％-3.18％。

可选地，所述高效减水剂为高效缓凝型聚羧酸减水剂，含固量为33％，减水率为35％。

本发明的第二目的在于提供一种制备上述再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土的方法，该制备方法，包括以下步骤：

1)将所述再生细集料浸泡在水中，直至吸水饱和，将饱和再生细集料从水中取出，吹至表面面干得饱水再生细集料，并计算再生细集料饱和吸水量；

2)取所述水泥、所述粉煤灰、所述硅灰、所述氧化镁基膨胀剂、所述饱水再生细集料、所述天然，利用旋转式搅拌机将上述原材料搅拌90～120s，混合均匀，得到均匀的干混料；

3)计算原料组成中所述水的用量减掉所述再生细集料饱和吸水量后的剩余水量，将所述高效减水剂与所述剩余水量搅拌均匀，再加入所述干混料，搅拌240～260s得到均匀的混合浆体；

4)将所述混合浆体一边搅拌一边加入钢纤维，均匀搅拌80～100s，得到搅拌均匀的拌合物；

5)将所述拌合物灌入模具中，使用薄膜覆盖养护常温养护，待成型硬化后，得到再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土。

相对于现有技术，本发明所述的再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土具有以下优势：

1、本发明提供一种再生细骨料和氧化镁基膨胀剂制备低收缩超高性能混凝土，氧化镁的膨胀作用有效降低超高性能混凝土的自收缩，控制超高性能混凝土非结构性裂缝；同时再生细集料吸水率较高，以吸水饱和的再生细集料作为内养护材料，与天然集料进行复配，并持续释放水分，不仅可以降低UHPC的自收缩，防止混凝土开裂产生的裂缝问题，还可以为氧化镁膨胀剂与水作用提供所需的水分。该制备方法不仅能够对再生细骨料的循环利用，还能使再生细集料与氧化镁基膨胀剂协同降低超高性能混凝土的自收缩，具有重要的经济价值和环保意义。

2、本发明中再生细集料可以在超高性能混凝土中分散均匀，对超高性能混凝的内养护效果更均匀且不易受水泥浆体离子浓度的影响，具有更佳的养护效果；此外，再生细集料内养护区域较大，使得超高性能混凝土的自收缩大幅降低；相比于氧化钙类型的膨胀剂，氧化镁膨胀剂需水量较少膨胀性能较好，同时氧化镁复合膨胀剂的膨胀产物会在较大的孔径之中填充，孔结构得到了优化，孔径分布得到了改善，浆体孔隙率得到了降低，使得本发明提供的超高性能混凝土具有优异的力学性能和体积稳定性、耐久性等特点，且制备方法和施工工艺简单，容易操作，具有实际推广应用价值。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将结合实施例来详细说明本发明。

以下各实施例中所用原材料具体为：

水泥为PO·52.5级普通硅酸盐水泥，比表面积400m²/kg。

硅灰为超细硅灰，比表面积≥18000m²/kg，平均粒径＜5μm，其中SiO₂含量≥95％。

粉煤灰为I级粉煤灰，烧失量1.18％。

氧化镁基膨胀剂选自武汉三源特种建材有限责任公司提供的型号为R-MEA的氧化镁膨胀剂A，型号为M-MEA的氧化镁膨胀剂B，型号为S-MRA的氧化镁膨胀剂C，其中氧化镁膨胀剂A的反应活性值为75s，氧化镁膨胀剂B的反应活性值为140s，氧化镁膨胀剂C的反应活性值为220s；

再生细集料由废弃混凝土经清理、破碎、筛分和清洗制得的细度模数为2.5的II区中砂，有0～0.6mm，0.6～1.18mm，1.18～2.36mm三个级配。

天然细骨料为连续级配的天然河砂，粒径为0.075～4.75mm，体积密度为1545kg/m³，吸水率为4.76％，含水率为2.73％

高效减水剂为高效缓凝型聚羧酸减水剂，含固量为33％，减水率为35％；

钢纤维为冷拉镀铜微丝钢纤维，微丝钢纤维直径为0.3mm，长度为15mm，抗拉强度为3500MPa。

实施例1

一种再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土，各原料的质量按质量份数计，包括以下组分：

普通硅酸盐水泥590份，硅灰250份，粉煤灰100份，天然河砂800份，再生细集料200份，氧化镁膨胀剂A 60份，水180份，高效减水剂25份；

其中，再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土中还掺有所配超高性能混凝土总体积2％的钢纤维。

实施例2

一种再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土，各原料的质量按质量份数计，包括以下组分：

普通硅酸盐水泥590份，硅灰250份，粉煤灰100份，天然河砂800份，再生细集料200份，氧化镁膨胀剂B 60份，水180份，高效减水剂25份；

其中，再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土中还掺有所配超高性能混凝土总体积2％的钢纤维。

实施例3

一种再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土，各原料的质量按质量份数计，包括以下组分：

普通硅酸盐水泥590份，硅灰250份，粉煤灰100份，天然河砂800份，再生细集料200份，氧化镁膨胀剂C 60份，水180份，高效减水剂25份；

其中，再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土中还掺有所配超高性能混凝土总体积2％的钢纤维。

实施例4

一种再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土，各原料的质量按质量份数计，包括以下组分：

普通硅酸盐水泥620份，硅灰250份，粉煤灰100份，天然河砂800份，再生细集料200份，氧化镁膨胀剂A 30份，水180份，高效减水剂25份；

其中，再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土中还掺有所配超高性能混凝土总体积2％的钢纤维。

实施例5

一种再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土，各原料的质量按质量份数计，包括以下组分：

普通硅酸盐水泥560份，硅灰250份，粉煤灰100份，天然河砂800份，再生细集料200份，氧化镁膨胀剂A 90份，水180份，高效减水剂25份；

其中，再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土中还掺有所配超高性能混凝土总体积2％的钢纤维。

本发明实施例1-5的再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土具体通过以下方法制得：

1)将再生细集料浸泡在水中，直至吸水饱和，将饱和再生细集料从水中取出，吹至表面面干得饱水再生细集料，并计算再生细集料饱和吸水量；其中0-0.6mm，0.6-1.18mm和1.18-2.36mm的再生砂的饱和吸水率分别为8.3％，13％和11.3％，整体吸水率为10.4％。

2)按照原料配比，取水泥、粉煤灰、硅灰、氧化镁基膨胀剂、饱水再生细集料、天然河沙，利用旋转式搅拌机将上述原材料搅拌90～120s，混合均匀，得到均匀的干混料；

3)计算原料组成中水的用量减掉再生细集料饱和吸水量后的剩余水量，将高效减水剂与剩余水量搅拌均匀，再加入干混料，搅拌240～260s得到均匀的混合浆体，如实施例1中原料组成中水的用量为180份，再生细集料为200份，再生细集料的整体吸水率为10.4％，200份再生细集料的饱和吸水量为200×10.4％＝20.8份，则剩余水量为180-20.8＝159.2份；

4)将混合浆体一边搅拌一边加入钢纤维，均匀搅拌80～100s，得到搅拌均匀的拌合物；

5)将拌合物灌入100mm×100mm×100mm的模具中，振捣密实，使用薄膜覆盖养护常温养护24小时，以使试件硬化，随后拆模并编号，然后转移到(20(2(℃，相对湿度95％以上的标准养护室里养护28天，得到再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土。

对比例1

一种超高性能混凝土，各原料的质量按质量份数计，包括以下组分：

普通硅酸盐水泥650份，硅灰250份，粉煤灰100份，天然河砂1000份，水180份，高效减水剂25份；

其中，超高性能混凝土中还掺有所配超高性能混凝土总体积2％的钢纤维。

对比例2

一种再生细骨料超高性能混凝土，各原料的质量按质量份数计，包括以下组分：

普通硅酸盐水泥650份，硅灰250份，粉煤灰100份，天然河砂800份，再生细骨料200份，水180份，高效减水剂25份；

其中，再生细骨料超高性能混凝土中还掺有所配超高性能混凝土总体积2％的钢纤维。

对比例3

一种氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土，各原料的质量按质量份数计，包括以下组分：

普通硅酸盐水泥590份，硅灰250份，粉煤灰100份，天然河砂1000份，氧化镁膨胀剂A 60份，水180份，高效减水剂25份；

其中，氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土还掺有所配超高性能混凝土总体积2％的钢纤维。

对本发明实施例1-5的再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土和对比例1-3的超高性能混凝土的性能进行测试，测试结果如表1所示。

表1

由上述表1可知，本发明中实施例1-5掺入再生细集料和氧化镁膨胀剂后，与对比例1-3相比自收缩显著下降；

加入再生细集料内养护的对比例2的抗压强度能达到对比例1的同时，自收缩较低，流动性增大；

由对比例1和对比例3可以看出，加入氧化镁膨胀剂强度会降低，流动性降低；

由实施例1-3可以看出，随着R型、M型和S型氧化镁膨胀剂的加入，UHPC体系的流动性和抗压强度都增大，自收缩降低；

由实施例1和实例4-5可以看出，随着氧化镁膨胀剂的参量的增加，UHPC体系的流动度和抗压强度降低，自收缩也更小。

上述结果表明，本发明在保证强度不降低的同时，可以有效的降低所得的UHPC自收缩，并拥有有效保证的流动度等工作性能，适用性广。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土，其特征在于，按重量份计，包括以下组份：水泥：560～650份，硅灰：200～300份，氧化镁基膨胀剂：30～90份，粉煤灰：100～150份，再生细集料：120～360份，天然细集料：790～1030份，高效减水剂：20～28份，水：170～190份；按体积百分比计，所述再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土中还掺有1.5～2.5％的钢纤维。

2.根据权利要求1所述的再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为P·O52.5级普通硅酸盐水泥或PII52.5级硅酸盐水泥。

3.根据权利要求1所述的再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土，其特征在于，所述偏高岭土的烧失量≤5％，氧化硅含量为40～60％，氧化铝含量为30～50％。

4.根据权利要求1所述的再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土，其特征在于，所述粉煤灰烧失量≤5％。

5.根据权利要求1所述的再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土，其特征在于，所述氧化镁基膨胀剂为氧化镁膨胀剂A、氧化镁膨胀剂B和氧化镁膨胀剂C中的一种，所述氧化镁膨胀剂A的反应活性值为75s，所述氧化镁膨胀剂B的反应活性值为140s，所述氧化镁膨胀剂C的反应活性值为220s。

6.根据权利要求1所述的再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土，其特征在于，所述再生细集料由废弃混凝土经清理、破碎、筛分和清洗制得的细度模数为2.2～2.8的II区中砂。

7.根据权利要求1所述的再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土，其特征在于，所述天然细骨料为连续级配的天然河砂，粒径为0.075～4.75mm，体积密度为1521-1595kg/m³，吸水率为4.10％-5.64％，含水率为2.36％-3.18％。

8.根据权利要求1所述的再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土，其特征在于，所述高效减水剂为高效缓凝型聚羧酸减水剂，含固量为33％，减水率为35％。

9.制备权利要求1至8任一项所述的再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将所述再生细集料浸泡在水中，直至吸水饱和，将饱和再生细集料从水中取出，吹至表面面干得饱水再生细集料，并计算再生细集料饱和吸水量；

2)取所述水泥、所述粉煤灰、所述硅灰、所述氧化镁基膨胀剂、所述饱水再生细集料、所述天然细集料，利用旋转式搅拌机将上述原材料搅拌90～120s，混合均匀，得到均匀的干混料；

3)计算原料组成中所述水的用量减掉所述再生细集料饱和吸水量后的剩余水量，将所述高效减水剂与所述剩余水量搅拌均匀，再加入所述干混料，搅拌240～260s得到均匀的混合浆体；

4)将所述混合浆体一边搅拌一边加入钢纤维，均匀搅拌80～100s，得到搅拌均匀的拌合物；

5)将所述拌合物灌入模具中，使用薄膜覆盖养护常温养护，待成型硬化后，得到再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土。