CN115504749A - 一种超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及混凝土技术领域，具体公开了一种超高性能混凝土及其制备方法。一种超高性能混凝土，包括以下重量份的组分：水泥18‑27份、粉煤灰5‑10份、硅灰2‑8份、河砂23‑28份、复合工业废渣2‑5份、减水剂0.2‑1.2份、水4‑6份、钢纤维1‑10份、石子15‑40份；复合工业废渣由电石渣、磷渣和矿渣按照质量比（0.1‑0.5）：1:1组成。本申请以复合工业废渣作为原料之一补充体系内的胶凝材料，所得到的超高性能混凝土的强度较高。实现了工业废渣资源的再利用，契合绿色环保理念；并且克服了添加工业废渣导致混凝土强度下降的缺陷，有效降低了生产成本。
Description
技术领域
本申请涉及混凝土技术领域，更具体地说，它涉及一种超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土是应用最普遍、需求量最大的工程建筑材料，被广泛应用于基础建设中。随着工程建筑的质量要求变高，对混凝土性能的要求也越来越高。具体是更多的工程建筑所需的混凝土需要具备更高的强度，更优异的耐久性，更强的抗侵蚀能力。为此，超高性能混凝土应运而生，超高性能混凝土致密的微观结构使其具有很强的抗侵蚀能力，在极其潮湿或是高腐蚀性等恶劣环境下，也能保持优秀的力学性能和耐久性能，因此应用范围广泛，已应用于桥梁、建筑、核电、市政、海洋等多个领域。
在混凝土预制叠合楼板领域，超高性能混凝土被运用于桁架砼肋，可以提高桁架砼肋的刚度，从而提升混凝土预制叠合楼板整体的刚度，防止吊运过程中的底板开裂现象，同时可进行免支撑或少支撑施工。
而随着我国工业化的飞速发展，各种工业废渣的产量也逐年递增，工业废渣的处理较为困难，堆积的工业废渣不仅耗费企业仓储管理成本，而且对于环境也存在较大的危害性。目前，工业废渣应用至混凝土中的相关研究较多，如矿渣、钢渣、碱渣等均在混凝土领域有所应用。但是工业废渣在超高性能混凝土中的应用研究较少，主要原因是超高性能混凝土对于强度等性能的要求很高，而加入工业废渣后容易导致超高性能混凝土的强度等性能降低，进而无法满足施工需求。
发明内容
为了应用工业废渣作为原料之一制备高强度的超高性能混凝土，本申请提供一种超高性能混凝土及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种超高性能混凝土，采用如下的技术方案：
一种超高性能混凝土，所述混凝土包括以下重量份的组分：水泥18-27份、粉煤灰5-10份、硅灰2-8份、河砂23-28份、复合工业废渣2-5份、减水剂0.2-1.2份、水4-6份、钢纤维1-10份、石子15-40份；复合工业废渣由电石渣、磷渣和矿渣按照质量比(0.1-0.5)：1:1组成。
以上述配方制备得到的超高性能混凝土抗压强度、抗弯强度和弹性模量均较好，即制得的超高性能混凝土的综合性能较为优异。
首先，上述配方中的粉煤灰和硅灰能够与水泥水化产物反应生成凝胶，降低混凝土的孔隙率，优化孔结构，并增加水化产物C-S-H凝胶的聚合度；使微结构更加致密且存在的界面区较少，减少了结构出现缺陷的可能性，明显提高了混凝土的密实度和抗渗性能。且钢纤维在混凝土中呈乱向分布且相互搭接，起到加筋作用；承托骨料，防止骨料下沉，当基体受到荷载时，钢纤维可以将基体黏结在一起，并通过向四周延伸的微裂纹分散应力，进而抑制主裂缝的扩展，能有效提高混凝土抗弯强度、韧性、抗裂性能。
进一步的，由于电石渣、磷渣和矿渣富含钙源，为体系提供凝胶材料，对于提高体系致密度、降低体系孔隙率、优化体系孔结构均具有积极意义。且电石渣、磷渣和矿渣均含有一定程度的铝源，在混凝土体系中能够形成一定量的氢氧化铝胶体，由于氢氧化铝胶体能够很好地渗透并填充体系中的孔隙结构，进一步降低体系孔隙率。同时电石渣、磷渣和矿渣均属于工业废渣，添加至体系中在一定程度上能够减少水泥等凝胶材料的添加量，能够有效降低生产成本，并且有助于实现工业废渣的再利用，契合绿色环保理念。
但是电石渣、磷渣和矿渣中所存在的杂质在一定程度上容易影响制得超高性能混凝土的强度。尤其是磷渣中的水溶性磷元素和氟等杂质容易与水泥水化析出的氢氧化钙反应，生成难溶的氟羟磷灰石和磷酸钙，沉淀于水泥熟料颗粒表面，形成保护性薄膜，阻碍水化反应，进而容易导致制得的超高性能混凝土性能较差的情况。另外，矿渣和磷渣的活性较差，添加至体系中水化效果不理想，也会影响制得的超高性能混凝土性能。
针对上述单独使用工业废渣所存在的缺陷，本申请以电石渣、磷渣和矿渣按照一定比例复配的方式在混凝土体系中添加复合工业废渣。由于电石渣具有较强的碱性，能够有效破坏磷渣和矿渣中的玻璃体结构，激发磷渣和矿渣的活性，促进C-(A)-S-H凝胶的形成，从而有效克服因磷渣和矿渣活性不佳而导致水化效果不理想的缺陷。另外，电石渣呈碱性的理化性质中和并且固化了磷渣中的水溶性磷杂质，生成的无定型磷酸钙具有一定的胶凝特性，在水化过程中可以促进晶体之间的结合，提高晶体间的结合力，对于提高混凝土体系的致密度和强度均具有积极意义；而矿渣中所富含的铝源可以有效络合磷渣中的氟元素，进而可以有效改善因磷渣的加入而存在的缺陷。同时，电石渣具有良好的促凝效果，而磷渣则具有较强的缓凝效果，在一定程度上可以解决因电石渣和磷渣单独加入后所导致的凝固时间过长或过短所带来的负面影响。
综上，本申请中电石渣、磷渣和矿渣三者之间相互配合作用，克服单独使用所存在的缺陷，协同改善超高性能混凝土的性能，具有较强的实际应用意义，制备得到的超高性能混凝土综合性能较为优异。
本申请中所用的水泥为比表面积≥350m2/kg；粒径为20-40μm，强度等级为52.5级的硅酸盐水泥；河砂的含水量为4-6％；石子的品种为玄武岩；钢纤维为直型钢纤维；减水剂为粉状聚羧酸减水剂，减水率≥25％。
在一个具体的可实施方案中，所述电石渣包括以下质量百分比的组分：氧化钙63.9-70.1％、二氧化硅2.3-3.9％、氧化铝1.8-2.6％、碳酸钙0.01-0.6％、余量为其他杂质，且所述电石渣的pH为12-14。
在一个具体的可实施方案中，所述磷渣包括以下质量百分比的组分：氧化钙45.6-51.3％、二氧化硅37.4-40.2％、五氧化二磷0.6-1.5％、氧化铝2.7-6.8％、氧化铁0.8-1.4％、氟1.3-2.5％，余量为其他杂质；且所述磷渣玻璃体含量为80-90％。
在一个具体的可实施方案中，所述矿渣包括以下质量百分比的组分：氧化钙37.3-40.7％、氧化硅28.4-31.9％、氧化铝17.6-19.2％、余量为其他杂质。
在一个具体的可实施方案中，所述粉煤灰为一级粉煤灰，SiO2的含量在56wt％以上，平均粒径为2-5μm。
在一个具体的可实施方案中，所述硅灰中SiO2的含量在95wt％以上，平均粒径为2-5μm。
在一个具体的可实施方案中，所述钢纤维的长度为12-14mm，直径为0.1-0.3mm，抗拉强度≥2000MPa。
在一个具体的可实施方案中，所述水泥的粒径为20-40μm，所述河砂的粒径为0.2-0.5mm，所述石子的粒径为5-10mm，所述电石渣的粒径为5-20μm，所述磷渣的粒径为10-30μm，所述矿渣的粒径为1-10μm。
通过采用上述粒径范围的各原料，能够实现较大程度的紧密堆积，且并未采用粗骨料，均选用粒径较小的石子、河砂等作为骨料，使得体系更加均匀致密，有效减小体系孔隙率，从而有助于提高制得的超高性能混凝土的强度。
在一个具体的可实施方案中，还包括胶粉0.1-0.5份，且所述胶粉的粒径为0.1mm-0.3mm。
进一步在体系中添加胶粉，由于胶粉具有良好的粘性、溶解性及韧性，在体系中可以溶于水中，并实现均匀分散，从而有效提高各组分之间的结合强度；并且溶于水中的胶粉可以有效渗入体系中的孔隙内，并辅助填充体系内存在的孔隙结构，使得体系的致密程度更高。进而在体系各组分结合强度改善以及致密度更佳的基础上，制得的超高性能混凝土的强度也得到了一定程度的改善。
另外，胶粉溶于水后在体系中均匀分散，能够形成具有韧性的网状结构，并且胶粉形成的具有韧性的网状结构、胶凝材料水化产物所形成的网状结构以及钢纤维相互搭接所形成的网状结构三者相互交织搭接，共同配合起到加筋作用，从而承托骨料并防止骨料下沉。同时当基体受到荷载时，体系内的网状结构可以将基体黏结在一起，并通过向四周延伸的微裂纹分散应力，进而抑制主裂缝的扩展，可以有效提高混凝土抗弯强度、韧性和抗裂性能。
第二方面，本申请提供一种超高性能混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：
一种超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
1)先将磷渣和矿渣加入水中，充分混合后静置5-10min，然后再加入电石渣，继续混合搅拌，得到复合工业废渣浆料；
2)混合搅拌水泥、硅灰、粉煤灰、河砂、减水剂，再加入复合工业废渣浆料继续搅拌，最后依次加入钢纤维和石子，充分混合搅拌后，得到超高性能混凝土。
在制备超高性能混凝土的过程中，磷渣和矿渣预先混合静置，由于矿渣中铝元素的含量较多，游离的铝离子能够与磷渣中的氟离子相络合，使得游离的氟离子以铝氟络合物的形式沉降。然后再加入电石渣激发磷渣和矿渣，制成复合工业废渣浆料，能够很大程度地减少体系中游离的氟离子含量，从而有效减少游离的氟离子和氢氧化钙形成氟羟磷灰石的情况，进而可以抑制因氟羟磷灰石沉淀于水泥熟料颗粒表面，形成保护性薄膜，阻碍水化反应的情况。
并且在预先制备复合工业废渣浆料的过程中，电石渣对于磷渣和矿渣的激发效果相较于在混凝土体系中的激发效果更为显著，制备得到的超高性能混凝土性能更佳。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1.本申请中以电石渣、磷渣和矿渣按照一定比例复配得到的复合工业废渣为体系补充钙源，协助产生胶凝材料，可以在一定程度上减少其他凝胶材料的添加量，对于降低生产成本具有积极意义，并且符合绿色环保理念。
2.本申请中电石渣、磷渣和矿渣三者相互配合协同，有效克服了单独加入所存在的负面影响，并进一步优化了所能够提供的积极作用，实际生产得到的超高性能混凝土综合性能较为优异。
3.本申请中所产生的凝胶材料能够较好地填充体系中的孔隙结构，降低混凝土的孔隙率，优化孔结构，使得体系的致密度更佳；并采用粒径较小的石子、河砂等作为骨料，使得体系更加均匀致密，有效减小体系孔隙率，从而有助于提高制得的超高性能混凝土的强度。
4.本申请中进一步利用溶于水中并均匀分散的胶粉提高体系中各组分的结合强度，并在体系中形成具有韧性的网状结构，配合凝胶材料所形成的网状结构以及钢纤维相互搭接所形成的网状结构，最终形成相互交织穿插的网状结构，起到更好的加筋效果，能够有效提高混凝土抗弯强度、韧性和抗裂性能。
具体实施方式
以下结合实施例和对比例对本申请作进一步详细说明，本申请涉及的原料均可通过市售获得。
实施例
实施例1
一种超高性能混凝土，混凝土包括以下重量的组分：水泥27kg、粉煤灰10kg、硅灰8kg、河砂23kg、复合工业废渣3kg、减水剂1.2kg、水6kg、钢纤维10kg、石子15kg；
其中复合工业废渣由电石渣、磷渣和矿渣按照质量比0.4：1:1组成，电石渣的粒径为5-20μm，pH为14，且电石渣包括以下质量百分比的组分：氧化钙66.9％、二氧化硅2.8％、氧化铝2.3％、碳酸钙0.2％、余量为其他杂质；磷渣的粒径为10-30μm，玻璃体含量为80-90％，磷渣包括以下质量百分比的组分：氧化钙48.4％、二氧化硅39.1％、五氧化二磷1.1％、氧化铝6.3％、氧化铁1.2％、氟1.8％，余量为其他杂质；矿渣的粒径为1-10μm，矿渣包括以下质量百分比的组分：氧化钙39.7％、氧化硅29.3％、氧化铝18.9％、余量为其他杂质；
水泥为比表面积≥350m2/kg；粒径为20-40μm，强度等级为52.5级的硅酸盐水泥；
粉煤灰为一级粉煤灰，SiO2的含量在56wt％以上，平均粒径为3μm；
硅灰中SiO2的含量在95wt％以上，平均粒径为5μm；
河砂的粒径为0.2-0.5mm，含水量为4％；
减水剂为粉状聚羧酸减水剂，减水率≥25％；
钢纤维为直型钢纤维，长度为13mm，直径为0.2mm，抗拉强度≥2000MPa；
石子的品种为玄武岩，粒径为5-10mm。
上述超高性能混凝土的制备方法包括以下步骤：
1)先将磷渣和矿渣加入水中，充分混合后静置10min，然后再加入电石渣，继续混合搅拌5min，得到复合工业废渣浆料；
2)混合搅拌水泥、硅灰、粉煤灰、河砂、减水剂，1min后再加入复合工业废渣浆料继续搅拌1min，再加入钢纤维搅拌1min，最后加入石子充分混合搅拌2min后，得到超高性能混凝土。
实施例2-5与实施例1的区别之处在于组分配比不同，具体如下表所示。
表1原料组分表
| 原料/kg | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| 水泥 | 27 | 18 | 19 | 20 | 25 |
| 粉煤灰 | 10 | 5 | 6 | 7 | 9 |
| 硅灰 | 8 | 2 | 3 | 4 | 6 |
| 河砂 | 23 | 28 | 28 | 26 | 24 |
| 复合工业废渣 | 3 | 5 | 2 | 3 | 3 |
| 减水剂 | 1.2 | 0.2 | 0.2 | 0.5 | 1 |
| 水 | 6 | 5 | 4.8 | 4.7 | 5.3 |
| 钢纤维 | 10 | 1 | 1.3 | 1.6 | 8 |
| 石子 | 15 | 40 | 40 | 38 | 19 |
实施例6
本实施例与实施例1的区别之处在于，复合工业废渣由电石渣、磷渣和矿渣按照质量比0.1：1:1组成。
实施例7
本实施例与实施例1的区别之处在于，复合工业废渣由电石渣、磷渣和矿渣按照质量比0.5：1:1组成。
实施例8
本实施例与实施例1的区别之处在于，原料还包括0.3kg胶粉，胶粉为速溶胶粉，粒径为0.1-0.3mm，且胶粉是在步骤2)中加入复合工业废渣浆料后加入。
实施例9
本实施例与实施例8的区别之处在于，胶粉的加入量为0.1kg。
实施例10
本实施例与实施例8的区别之处在于，胶粉的加入量为0.5kg。
实施例11
本实施例与实施例8的区别之处在于，胶粉的加入量为0.02kg。
实施例12
本实施例与实施例8的区别之处在于，胶粉的加入量为1kg。
对比例
对比例1
本对比例与实施例1的区别之处在于，以等量的电石渣替换复合工业废渣。
对比例2
本对比例与实施例1的区别之处在于，以等量的磷渣替换复合工业废渣。
对比例3
本对比例与实施例1的区别之处在于，以等量的矿渣替换复合工业废渣。
对比例4
本对比例与实施例1的区别之处在于，复合工业废渣由电石渣和磷渣按照质量比0.4：1组成。
对比例5
本对比例与实施例1的区别之处在于，复合工业废渣由电石渣和矿渣按照质量比0.4：1组成。
对比例6
本对比例与实施例1的区别之处在于，复合工业废渣由磷渣和矿渣按照质量比1：1组成。
对比例7
本对比例与实施例1的区别之处在于，复合工业废渣由电石渣、磷渣和矿渣按照质量比0.01：1:1组成。
对比例8
本对比例与实施例1的区别之处在于，复合工业废渣由电石渣、磷渣和矿渣按照质量比2：1:1组成。
对比例9
本对比例与实施例1的区别之处在于，复合工业废渣由电石渣、磷渣和矿渣按照质量比0.4：1:2组成。
对比例10
本对比例与实施例1的区别之处在于，复合工业废渣由电石渣、磷渣和矿渣按照质量比0.4：2:1组成。
对比例11
本对比例与实施例1的区别之处在于，不添加复合工业废渣，余量用水泥补足。
性能检测试验方法
根据GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准的方法》，对实施例1-12和对比例1-11中的超高性能混凝土试件进行抗压、抗弯强度以及弹性模量检测，检测结果如表2所示。
表2检测数据表
通过表2的检测结果具体分析实施例1和对比例11，虽然不添加复合工业废渣制得的超高性能混凝土综合性能更优，但添加复合工业废渣后的超高性能混凝土综合性能下降幅度较低，能够满足应用需求。并且添加复合工业废渣显然是能够降低生产成本的，契合工业化生产和绿色环保理念。
结合实施例1和对比例1-10的检测结果来看，电石渣、磷渣和矿渣存在明显的配合协同关系。并具体从对比例1-3可以看出，单一的电石渣、磷渣和矿渣添加至混凝土体系中负面效果显著；而从对比例4-6可知，两两配合的负面效果虽然有所改善，但仍和三者复配使用存在较大的差距。因此可以明显得出电石渣、磷渣和矿渣三者共同配合作用，可以有效克服彼此所存在的缺陷，并最终制得性能良好的超高性能混凝土。
结合实施例1和实施例8的检测结果来看，进一步在体系中加入胶粉，可以有效提高制得超高性能混凝土的抗压强度和抗折强度，弹性模量也得到一定程度的改善，即胶粉的添加所产生的积极效果是明显的。
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 (10)
1.一种超高性能混凝土，其特征在于，所述混凝土包括以下重量份的组分：水泥18-27份、粉煤灰5-10份、硅灰2-8份、河砂23-28份、复合工业废渣2-5份、减水剂0.2-1.2份、水4-6份、钢纤维1-10份、石子15-40份；复合工业废渣由电石渣、磷渣和矿渣按照质量比（0.1-0.5）：1:1组成。
2.根据权利要求1所述的一种超高性能混凝土，其特征在于，所述电石渣包括以下质量百分比的组分：氧化钙63.9-70.1%、二氧化硅2.3-3.9%、氧化铝1.8-2.6%、碳酸钙0.01-0.6%、余量为其他杂质，且所述电石渣的pH为12-14。
3.根据权利要求1所述的一种超高性能混凝土，其特征在于，所述磷渣包括以下质量百分比的组分：氧化钙45.6-51.3%、二氧化硅37.4-40.2%、五氧化二磷0.6-1.5%、氧化铝2.7-6.8%、氧化铁0.8-1.4%、氟1.3-2.5%，余量为其他杂质；且所述磷渣玻璃体含量为80-90%。
4.根据权利要求1所述的一种超高性能混凝土，其特征在于，所述矿渣包括以下质量百分比的组分：氧化钙37.3-40.7%、氧化硅28.4-31.9%、氧化铝17.6-19.2%、余量为其他杂质。
5.根据权利要求1所述的一种超高性能混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为一级粉煤灰，SiO2的含量在56wt%以上，平均粒径为2-5μm。
6.根据权利要求1所述的一种超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰中SiO2的含量在95wt%以上，平均粒径为2-5μm。
7.根据权利要求1所述的一种超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维的长度为12-14mm，直径为0.1-0.3mm，抗拉强度≥2000MPa。
8.根据权利要求1所述的一种超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥的粒径为20-40μm，所述河砂的粒径为0.2-0.5mm，所述石子的粒径为5-10mm，所述电石渣的粒径为5-20μm，所述磷渣的粒径为10-30μm，所述矿渣的粒径为1-10μm。
9.根据权利要求1所述的一种超高性能混凝土，其特征在于，还包括胶粉0.1-0.5份，且所述胶粉的粒径为0.1mm-0.3mm。
10.如权利要求1～9任意一项所述的一种超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）先将磷渣和矿渣加入水中，充分混合后静置5-10min，然后再加入电石渣，继续混合搅拌，得到复合工业废渣浆料；
2）混合搅拌水泥、硅灰、粉煤灰、河砂、减水剂，再加入复合工业废渣浆料继续搅拌，最后依次加入钢纤维和石子，充分混合搅拌后，得到超高性能混凝土。
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