CN115626811A - 水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土及制备方法 - Google Patents

水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水泥‑碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土及其制备方法，用于提供满足性能要求且能降低CO2排放的预制混凝土。该混凝土各成分单方用量配比(kg/m3)：水泥80～120；矿粉240～280；粉煤灰60～80；粗骨料900～1100；细骨料550～650；水160～180；NaOH 3～4；Na2SiO310～12；磷酸0.05～0.1；减水剂8～12。该制备方法，一、在搅拌机中加入水泥、矿粉、粉煤灰，搅拌20～30秒；二、加入粗骨料和细骨料，搅拌20～30秒；三、将NaOH固体，Na2SiO3溶液，磷酸和减水剂掺入水中，并搅拌5～10秒；四、将混合后的液体倒入搅拌机，搅拌3～5分钟。

Description

水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土及制备方法
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，特别涉及一种水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土及其制备方法。
背景技术
硅酸盐水泥在生产过程中(煅烧石灰石)，会释放大量CO2气体，其排放量占CO2总排放量的5～7％。全球气候峰会认为：为实现《巴黎协定》的目标，水泥的产量在2030年之前必须下压至少16％。因此，为缓解水泥生产所带来的环境问题，推进混凝土行业利用粉煤灰、矿粉等工业废料替代大部分水泥的举措势在必行。在预制混凝土构件生产中，从生产到应用过程可能仅为1～3天，保障其早期强度显得极为重要。因此，构件企业偏向于应用以水泥为主的胶凝材料体系预制混凝土，但是会加大CO2等温室气体的排放。如果以50％的矿物掺合料替代水泥，并确保构件的各龄期性能，可以将构件生产中所产生的CO2排放量降低约30％。然而，以大量的矿物掺合料替代水泥，会导致混凝土构件各个龄期性能的降低，尤其是早期强度。
为了解决预制混凝土各项性能、经济效益且同时降低CO2排放的平衡问题，，亟需提供一种水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土及其制备方法。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当视为承认或以任何形式暗示该信息为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明提供了一种水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土及其制备方法，采用水泥和碱激发协同作用的模式，一部分是水泥水化、矿物掺合料火山灰反应的常规胶凝体系；另一部是矿物掺合料强碱性激发，进而综合形成水泥—碱活化铝硅酸盐胶凝体系。对含该胶凝体系的混凝土进行蒸汽养护后，得到的预制混凝土构件，既具备足够的早期力学性能，又具有一定的经济性和环境效益。
为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：
一种水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土，其特征在于，包括：
水泥、矿粉、粉煤灰、粗骨料、细骨料、水、NaOH、Na2SiO3、磷酸以及减水剂，各成分的单方用量配比(kg/m3)如下：
Figure BDA0003831559370000021
进一步地，所述水泥为P.O 42.5硅酸盐水泥，颗粒尺寸范围为20～25μm。
进一步地，所述矿粉为S95，颗粒尺寸范围为20～25μm。
进一步地，所述粉煤灰为II级，需水量比范围为90～95％。
进一步地，所述粗骨料采用连续级配的碎石，其粒径为5.0～26.5mm。
进一步地，所述细骨料采用连续级配的中砂，其细度模数为2.3～3.0。
进一步地，所述Na2SiO3为工业级试剂，SiO2含量范围为25～35％，Na2O含量范围为8～15％，H2O含量范围为50～60％。
进一步地，所述减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水率≥30％。
本发明还提供了水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：提供符合配比要求的水泥、矿粉、粉煤灰、粗骨料、细骨料、水、NaOH、Na2SiO3、磷酸以及减水剂备用；
步骤S2：在搅拌机中加入水泥、矿粉、粉煤灰，搅拌20～30秒；
步骤S3：在搅拌机中加入粗骨料和细骨料，继续搅拌20～30秒；
步骤S4：将NaOH固体，Na2SiO3溶液，磷酸和减水剂掺入水中，并搅拌5～10秒，形成混合溶液；
步骤S5：将步骤S4中的混合溶液倒入搅拌机，搅拌3～5分钟，得到水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土。
进一步地，还包括步骤S6：将水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土倒入构件模具中，振捣、抹平，并铺上一层土工布；采用蒸汽养护的方式，预养护时间为3～6小时，加热时间为2～3小时，恒温时间为5～8小时，降温时间为2～3小时，恒温温度保持在55～65℃；蒸汽养护完成后，将蒸汽养护完成后的预制混凝土构件搬运至标准养护室，在20±1℃，95％RH的标准条件下进行二次养护12～48小时，得到一种水泥—碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土构件。
与现有技术相比，本发明有益的技术效果在于：
(1)本发明水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土的制备方法，采用水泥和碱激发协同作用的模式，一部分是水泥水化、矿物掺合料火山灰反应的常规胶凝体系；另一部分是矿物掺合料强碱性激发，进而综合形成水泥—碱活化铝硅酸盐胶凝体系。对含该胶凝体系的混凝土进行蒸汽养护后，得到的预制混凝土构件，既具备足够的早期力学性能，又具有一定的经济性和环境效益。
(2)本发明提供的水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土，其1d抗压强度相比于纯水泥预制混凝土提高11.0％以上，90d提高5.5％以上。同时，CO2排放量降低40％以上，经济效益显著。
(3)本发明提供的水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土，采用20～25％的粉煤灰替代矿粉，利用粉煤灰在后期过程中的长期火山灰反应，填补水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土的孔隙，可以对水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土早期性能影响不大的前提下，保证水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土的耐久性。
(4)本发明提供的水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土，生产1t水泥排放约944kg CO2，1kg细骨料排放约0.0013kg CO2，1kg粗骨料排放约0.004kg CO2，1m3混凝土升温和恒温阶段1h排放约25kg CO2采用70～80％的粉煤灰、矿粉替代水泥，可以降低预制混凝土40～46％的CO2排放。
(5)本发明提供的水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土，其水胶比低，没有多余的水提供混凝土发生碱骨料反应，同时粉煤灰、矿粉在碱活化过程中消耗了大量的碱，因此，水泥—碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土相比于普通水泥混凝土更不容易发生碱骨料反应。
附图说明
图1为本发明一实施例中水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土胶凝材料的两种体系示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的一种水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土，
水泥、矿粉、粉煤灰、粗骨料、细骨料、水、NaOH、Na2SiO3、磷酸以及减水剂，各成分的单方用量配比(kg/m3)如下：
Figure BDA0003831559370000041
Figure BDA0003831559370000051
特别地，水泥为P.O 42.5硅酸盐水泥，颗粒尺寸范围为20～25μm。
特别地，矿粉为S95，颗粒尺寸范围为20～25μm。
特别地，粉煤灰为II级，需水量比范围为90～95％。
特别地，粗骨料为5.0～26.5mm连续级配的碎石。
特别地，细骨料为中砂，细度模数范围为2.3～3.0。
特别地，水为普通自来水。
特别地，NaOH为工业级试剂，纯度范围为92～98％。
特别地，Na2SiO3为工业级试剂，SiO2含量范围为25～35％，Na2O含量范围为8～15％，H2O含量范围为50～60％。
特别地，磷酸为工业级试剂，纯度范围为90～95％。
减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水率通常≥30％。
该水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土制备方法包括如下步骤：
本发明还提供了水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：提供符合配比要求的水泥、矿粉、粉煤灰、粗骨料、细骨料、水、NaOH、Na2SiO3、磷酸以及减水剂备用；
步骤S2：在搅拌机中加入水泥、矿粉、粉煤灰，搅拌20～30秒；
步骤S3：在搅拌机中加入粗骨料和细骨料，继续搅拌20～30秒；
步骤S4：将NaOH固体，Na2SiO3溶液，磷酸和减水剂掺入水中，并搅拌5～10秒，形成混合溶液；
步骤S5：将步骤S4中混合溶液倒入搅拌机，搅拌3～5分钟，得到水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土。
进一步地，还包括步骤S6：将水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土倒入构件模具中，振捣、抹平，并铺上一层土工布；采用蒸汽养护的方式，预养护时间为3～6小时，加热时间为2～3小时，恒温时间为5～8小时，降温时间为2～3小时，恒温温度保持在55～65℃；蒸汽养护完成后，将蒸汽养护完成后的预制混凝土构件搬运至标准养护室，在20±1℃，95％RH的标准条件下进行二次养护12～48小时，得到一种水泥—碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土构件。
本发明的原理：
(1)结合图1，说明本发明涉及的胶凝材料由两种体系构成。体系1：水泥自身水化，水泥水化生成的副产物Ca(OH)2与粉煤灰、矿粉发生火山灰反应，形成C-(A)-S-H凝胶。体系2：Na2SiO3、NaOH对粉煤灰、矿粉进行碱活化，形成N-A-S-H凝胶，其中NaOH主要用于调节Na2SiO3的SiO2/Na2O。具体过程参考图1。同时，由于碱活化反应过于迅速，通过掺入胶凝材料的万分之一左右的磷酸进行调凝，以保证胶凝材料的流动性。
(2)养护形成原理：采取3～6小时的预养护阶段、土工布覆盖以及12～48小时标准条件的二次养护措施均可以一定程度地缓解蒸汽养护对混凝土造成的热损伤效应。热损伤效应即是水化热和高温蒸养的共同作用下混凝土的表层可达100℃以上，这使得表层的水、汽膨胀，混凝土迅速硬化，但也造成了孔隙的变形肿胀无法恢复。采取55～65℃的恒温温度可以缓解预制混凝土的延迟钙矾石破坏，延迟钙矾石破坏即是混凝土在高温蒸养过程中，当温度超过70℃会抑制早期钙矾石的形成，部分S和Al会存在于水化产物中，并在后期释放造成破坏。
(3)水化体系的反应过程如下：
C3S+H2O→C-S-H+Ca(OH)2
C2S+H2O→C-S-H+Ca(OH)2
C3A+H2O→C-A-H+Ca(OH)2
C4AF+H2O→C-A-H+Ca(OH)2
(4)碱活化体系，包括了“溶解—无定形产物形成—生成物聚合”三个阶段，其反应过程如下：
n(SiO2·Al2O3)+H2O+NaOH+Na2SiO3→NaAl(OH)4+NaOSi(OH)3
NaAl(OH)4+NaOSi(OH)3→N-A-S-H+H2O。
该碱活化体系对水化体系的影响：NaOH、Na2SiO3等掺入促进胶凝体系整体pH值提升，高碱性的溶液会一定程度地抑制水泥的水化。水泥水化和粉煤灰、矿粉火山灰反应生成的C-(A)-S-H凝胶也会一定程度地吸收碱。两种相互作用的过程对混凝土整体强度的影响较小。而且，水化体系产物C-(A)-S-H和碱活化体系产物N-A-S-H已被证明是可以共存的，并且N-A-S-H会有部分向C-A-S-H转化。
最主要的是，碱活性体系对后续反应中预制混凝土碱骨料反应的影响：碱骨料反应的程度取决于三个方面：(1)混凝土孔隙中OH-浓度；(2)骨料中非晶体SiO2含量；(3)混凝土外部自由水。水泥—碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土的水胶比低，没有多余的水提供混凝土发生碱骨料反应，同时粉煤灰、矿粉在碱活化过程中消耗了大量的碱，因此，水泥—碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土相比于普通水泥混凝土更不容易发生碱骨料反应。
(5)采用矿粉和粉煤灰双掺的原理：采用纯矿粉的碱活化体系，其虽然早期强度高，但是干缩、热损伤效应等问题也会显现。采用20～25％的粉煤灰替代矿粉，利用粉煤灰在后期过程中的长期火山灰反应，填补混凝土的孔隙，可以对混凝土早期性能影响不大的前提下，保证混凝土的耐久性。
下面结合具体实施例进行说明，试验依据《混凝土强度检验评定标准》(GB50107-2010)中的相关测试方法测量混凝土的抗压强度。
实施例一
分别将实验组1和对照组1进行参数对比。
实验组1：一种水泥—碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土配比(kg/m3)如表1。
水泥 矿粉 粉煤灰 粗骨料 细骨料 水 NaOH Na<sub>2</sub>SiO<sub>3</sub> 磷酸 高效减水剂
120 240 80 1000 600 180 3.5 11 0.05 8
表1对照组1：一种纯水泥胶凝体系的预制混凝土配比(kg/m3)如表2。
水泥 粗骨料 细骨料 水 高效减水剂
440 1000 600 180 8
表2
将实验组1和对照组1测试结果进行比较，得到表3。
Figure BDA0003831559370000081
表3
可见，水泥—碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土的1d抗压强度相比于纯水泥预制混凝土提高11.4％，28d提高0.5％，90d提高5.7％。同时，CO2排放量降低42％，经济效益显著。
实施例二
分别将实验组2和对照组2进行参数对比。
实验组2：一种水泥—碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土配比(kg/m3)如表4。
水泥 矿粉 粉煤灰 粗骨料 细骨料 水 NaOH Na<sub>2</sub>SiO<sub>3</sub> 磷酸 高效减水剂
80 280 80 1000 600 160 4 12 0.08 12
表4
对照组2：一种纯水泥胶凝体系的预制混凝土配比(kg/m3)如表5。
水泥 粗骨料 细骨料 水 高效减水剂
440 1000 600 160 12
表5
将实验组2和对照组2测试结果进行比较，得到表6。
Figure BDA0003831559370000091
表6
可见，水泥—碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土的1d抗压强度相比于纯水泥预制混凝土提高11.0％，28d提高6.0％，90d提高5.5％。同时，CO2排放量降低46％，经济效益显著。
综上所述，结合性能结果检测数据可以得出，水泥—碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土具备足够的早期力学性能。结合实施例1和实施例2，水泥—碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土的1d抗压强度相比于纯水泥预制混凝土提高11.0％以上，90d提高5.5％以上。同时，CO2排放量降低40％以上，经济效益显著。
上述实例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受以上实施例的限制。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土，其特征在于，包括：水泥、矿粉、粉煤灰、粗骨料、细骨料、水、NaOH、Na2SiO3、磷酸以及减水剂，各成分的单方用量配比(kg/m3)如下：
Figure FDA0003831559360000011
2.根据权利要求1所述的水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土，其特征在于，所述水泥为P.O 42.5硅酸盐水泥，颗粒尺寸范围为20～25μm。
3.根据权利要求1所述的水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土，其特征在于，所述矿粉为S95，颗粒尺寸范围为20～25μm。
4.根据权利要求1所述的水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为II级，需水量比范围为90～95％。
5.根据权利要求1所述的水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土，其特征在于，所述粗骨料采用连续级配的碎石，其粒径为5.0～26.5mm。
6.根据权利要求1所述的水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土，其特征在于，所述细骨料采用连续级配的中砂，其细度模数为2.3～3.0。
7.根据权利要求1所述的水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土，其特征在于，所述Na2SiO3为工业级试剂，SiO2含量范围为25～35％，Na2O含量范围为8～15％，H2O含量范围为50～60％。
8.根据权利要求1所述的水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水率≥30％。
9.根据权利要求1至8任一项所述的水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：提供符合配比要求的水泥、矿粉、粉煤灰、粗骨料、细骨料、水、NaOH、Na2SiO3、磷酸以及减水剂备用；
步骤S2：在搅拌机中加入水泥、矿粉、粉煤灰，搅拌20～30秒；
步骤S3：在搅拌机中加入粗骨料和细骨料，继续搅拌20～30秒；
步骤S4：将NaOH固体，Na2SiO3溶液，磷酸和减水剂掺入水中，并搅拌5～10秒，形成混合溶液；
步骤S5：将步骤S4中的混合溶液倒入搅拌机，搅拌3～5分钟，得到水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，还包括步骤S6：将水泥-碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土倒入构件模具中，振捣、抹平，并铺上一层土工布；采用蒸汽养护的方式，预养护时间为3～6小时，加热时间为2～3小时，恒温时间为5～8小时，降温时间为2～3小时，恒温温度保持在55～65℃；蒸汽养护完成后，将蒸汽养护完成后的预制混凝土构件搬运至标准养护室，在20±1℃，95％RH的标准条件下进行二次养护12～48小时，得到一种水泥—碱活化铝硅酸盐胶凝体系的预制混凝土构件。
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