CN115849800B

CN115849800B - 一种贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土及其制备方法

Info

Publication number: CN115849800B
Application number: CN202211327445.1A
Authority: CN
Inventors: 李依芮; 曾晓辉; 谢友均; 文寨军; 谢永江; 龙广成; 王敏; 叶家元; 詹翔宇
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2022-10-27
Filing date: 2022-10-27
Publication date: 2023-10-20
Anticipated expiration: 2042-10-27
Also published as: CN115849800A

Abstract

本发明公开了一种贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土及其制备方法，属于混凝土材料及其制备技术领域。本发明解决了现有超高性能混凝土水泥用量大、碳排放高以及贝利特硅酸盐水泥应用局限性大的问题。本发明混凝土包括贝利特硅酸盐水泥、硅灰、玄武岩石粉、矿物掺合料、镀铜平直钢纤维、聚羧酸高效减水剂、消泡剂和砂子。本发明采用低碳绿色环保的贝利特硅酸盐水泥，显著提高了UHPC的绿色度，基于胶凝组分颗粒优化理论，采用多种玄武岩石粉等绿色矿物掺合料复合使用，使贝利特硅酸盐水泥用量最低限值低至300kg/m³，降低了UHPC的水泥用量，也从源头上降低了UHPC的碳排放值，每立方米UHPC二氧化碳排放值低于800kg。

Description

一种贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土及其制备方法，属于混凝土材料及其制备技术领域。

背景技术

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，以下简称UHPC)具有超高抗压、抗拉强度、超高的韧性、耐久性以及工作性能。UHPC是一般由胶凝材料(水泥、硅灰、矿渣、粉煤灰、稻壳灰等)、钢纤维、细骨料和高效减水剂等外加剂组成颗粒级配优越的超低水胶比超高性能的混凝土材料。然而，UHPC总体胶凝材料用量较大，传统的UHPC水泥用量高达800～1100kg/m³。采用普通硅酸盐水泥制备的UHPC由于粒子的黏聚效应等原因导致其需水量较高，造成其流动度较低。重要的是，超高的水泥用量以及大量外加剂的使用造成了UHPC较高的造价成本以及碳排放值，限制了UHPC可持续和绿色化发展。

CN 112551980A公开了一种低收缩、较低水泥用量的超高性能混凝土，然而其水泥最低限制量仍高达650kg/m³，CN 114477908 A公开了一种低碳超轻超高强混凝土及其制备方法，虽然使用空心玻璃微珠、漂珠降低了容重，但其28d强度仅为100MPa左右，而且其使用的高贝利特水泥(即一种贝利特硅酸盐水泥)标号高达62.5，同时使用了大量的纳米材料、晶种和外加剂，增加了碳排放值，本质上并未制备出绿色低碳超高性能混凝土。CN114524909B公开了一种超高强混凝土外加剂及其制备方法、超高强混凝土，其中提到使用了富含C₂S的水泥改善超高性能混凝土早期工作性能，然而其提到的贝利特相带负电影响阴离子外加剂的吸附影响水泥颗粒的分散是不科学的，因为贝利特水泥颗粒的溶解和水化过程都是相对缓慢的，聚羧酸高效减水剂等阴离子外加剂主要吸附在水泥中另一种熟料矿物铝酸三钙C₃A的表面，这是由于C₃A水化速率较快且溶解后表面带正电，因此贝利特硅酸盐水泥中阿利特相含量降低后，将更有利于众多阴离子外加剂在水泥颗粒上吸附，降低了水泥颗粒溶解于水后电荷由正到负变化速率，并未影响外加剂的吸附效果，而且该专利中贝利特水泥用量也高达820kg/m³，胶凝材料用量仍比较高，大量外加剂的使用也增大了UHPC碳排放值。

此外，贝利特硅酸盐水泥早期强度低，要实现早期强度提升方法有物理活化、化学活化等方法，物理活化是从养护温度、熟料冷却和研磨等角度出发，化学活化包括化学掺杂改性C₂S、掺杂C-S-H晶种以及掺加Na₂CO₃和Na₂SO₄等化学试剂等方式。CN105174771B公开了一种以活性C₂S为主贝利特水泥活化剂，然而其制备过程过于复杂，该类改性剂也未得到工业化的生产。

因此，提供一种贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土，克服上述现有技术中存在的问题是十分必要的。

发明内容

本发明为了解决现有超高性能混凝土的水泥用量大、碳排放高以及贝利特硅酸盐水泥应用局限性大的问题，提供一种贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土及其制备方法。

本发明的技术方案：

本发明的目的之一是提供一种贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土，每立方米的混凝土包括：

贝利特硅酸盐水泥300～700kg；

硅灰150～210kg；

玄武岩石粉150～320kg；

矿物掺合料0～200kg；

镀铜平直钢纤维1.5～2vol％；

聚羧酸高效减水剂为凝胶材料的1～1.5wt％；

消泡剂为凝胶材料的0.01～0.04wt％；

砂子为凝胶材料的90～110wt％；

其中，胶凝材料由贝利特硅酸盐水泥、硅灰、玄武岩石粉和矿物掺合料组成。

进一步限定，贝利特硅酸盐水泥由以贝利特相为主要的熟料矿物和石膏混合而成，其中石膏加入量为熟料矿物的5wt％；熟料矿物以基于Bogue公式的计算值计，C₂S≥40％，C₃S≤30％，标准稠度用水量＜0.28，比表面积为280～345m²/kg，7d抗压强度≥13MPa，28d强度≥42.5MPa，3d水化热≤230J/g，7d水化热≤260J/g，烧矢量≤3％。

更进一步限定，熟料矿物以C₃A2％～10％，C₂S 40％进行设计。

进一步限定，熟料矿物煅烧过程中使用B₂O₃和SO₃作为复合稳定剂。

更进一步限定，B₂O₃加入量为0.5wt％。

更进一步限定，SO₃加入量为0.8wt％。

进一步限定，硅灰中硅含量＞95wt％，比表面积20000～25000m²/g，密度2.2g/cm³，需水量＜120％，活性指数≥110％，平均粒径为0.1～0.15μm。

进一步限定，玄武岩石粉粒径0.1～100μm，烧矢量＜5％，比表面积3644m²/kg，中位粒径＜17μm。

更进一步限定，玄武岩石粉的3d活性＞70％、7d活性＞75％，活性指标以PO42.5基准水泥为准。

进一步限定，矿物掺合料为石英粉、粉煤灰、粒化高炉矿渣、火山灰、偏高岭土、稻壳灰中一种或多种混合。

更进一步限定，石英粉的粒径为300～400目，平均粒径45μm。

进一步限定，聚羧酸高效减水剂固含量为40～60％。

进一步限定，消泡剂为聚羧酸专用消泡剂、聚醚消泡剂、有机硅消泡剂中的一种或多种混合。

进一步限定，砂子采用石英砂或干净的河砂，且级配良好，粒径为0.01～0.8mm。

进一步限定，镀铜平直钢纤维公称长度为13mm，当量直径为0.2mm，抗拉强度

≥2850MPa、杨氏模量大于等于45GPa。

本发明的目的之二是提供上述贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土的制备方法，该方法步骤如下：

S1，将水、聚羧酸高效减水剂和消泡剂混合搅拌均匀，得到材料1备用；

S2，将砂子加入搅拌机中慢速搅拌30s；

S3，将贝利特硅酸盐水泥、硅灰、玄武岩石粉和矿物掺合料混合后加入S2中搅拌机中，继续慢速搅拌120～180s；

S4，继续向搅拌机中加入1/5的材料1，慢速搅拌60～120s；

S5，继续加入剩余4/5的材料1，慢速搅拌180s以上直至拌合物达到流动度大于200mm；

S6，继续加入镀铜平直钢纤维，慢速搅拌90s，快速搅拌120s以上，装入模具；

S7，在标准养护环境养护24h后拆模，蒸汽养护箱内养护48～72h，养护温度80℃；

S8，养护完成后放至标准养护环境中备用，即得贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土。

进一步限定，每立方米的混凝土的水胶比为0.16～0.18，水用量为145～185kg。

进一步限定，贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土养护后3d或4d的立方抗压强度＞150MP、抗折强度＞25MPa，28d抗压强度＞180MPa、抗折强度＞30MPa，每立方米贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土二氧化碳排放值＜800kg。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用了低碳绿色环保的贝利特硅酸盐水泥，显著提高了UHPC的绿色度，基于胶凝组分颗粒优化理论，采用多种玄武岩石粉等绿色矿物掺合料复合使用，贝利特硅酸盐水泥用量最低限值低至300kg/m³，降低了UHPC的水泥用量，也从源头上降低了UHPC的碳排放值，每立方米UHPC二氧化碳排放值低于800kg。

(2)本发明提供的UHPC工作性能好、早期强度高，基于贝利特硅酸盐水泥的组分优化和制备技术，热养护后3d抗压强度超过150MPa，28d抗压强度超过180MPa，90d抗压强度超过200MPa；且热养护后的性能不会出现倒缩或劣化的问题，性能稳定、密实度高，抗渗、抗硫酸盐侵蚀、抗氯离子侵蚀、耐高温等耐久性能优异。

(3)本发明采用蒸汽养护主要是由于UHPC水胶比极低，胶凝材料水化不充分，常温标准养护条件下水化程度低、反应不完全，蒸汽养护可以有效提高早期水化程度，提高后期胶凝材料反应程度。一方面提高了贝利特硅酸盐水泥中贝利特相的水化速率，扩大该种绿色低碳水泥的应用，另一方面提高了低胶凝材料掺量的早期UHPC的力学性能，实现了绿色超高性能目标。

(4)本发明使用的贝利特硅酸盐水泥熟料可采用低品位的钙质石灰石以及工业废渣，考虑元素组成差异，往往熟料矿物的C₂S稳定性较差，因此本发明采用极少量B₂O₃和SO₃作为复合稳定剂，提高生产的贝利特硅酸盐水泥熟料的稳定性，可实现煅烧效率的提高、煅烧温度的降低。

(5)本发明提供的UHPC由于早期强度高，热养护2～3d后即可应用于各种装配式、加固维修、机场跑道以及高温高地应力隧道衬砌、RPC人行道板等结构中。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。

本发明所有实施例中贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土的配方组成列于表1，贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土的主要性能及碳排放值列于表2。

实施例1：

本实施例的贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土的配方如表1中实施例1对应的数据所示；

其中贝利特硅酸盐水泥主要矿物组成按质量百分比计为C₂S为43.1％、C₃S为31.4％，C₃A为5.5％、C₄AF为15.5％，石膏为4.5％；贝利特硅酸盐水泥的熟料矿物煅烧温度为1100℃，添加B₂O₃为0.5wt％，SO₃为0.8wt％。硅灰为市售的一级硅灰。玄武岩石粉采用某铁路隧道开挖后得到的玄武岩碎石制备机制砂所得的石粉副产品。砂子为粒径在0.1mm～0.08m且级配良好的石英砂。镀铜平直钢纤维公称长度为13mm，直径为0.2mm；聚羧酸高效减水剂固含量65％，消泡剂为有机硅消泡剂。

本实施例制备贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土原料的碳排放值如下表3所示：

表3

本实施例的贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土制备过程如下：

S2，将砂子加入搅拌机中慢速搅拌30s，慢速搅拌速率为62±5r/min；

S3，将贝利特硅酸盐水泥、硅灰、玄武岩石粉和矿物掺合料混合后加入S2中搅拌机中，继续慢速搅拌180s，慢速搅拌速率为125±10r/min；

S4，继续向搅拌机中加入1/5的材料1，慢速搅拌120s，慢速搅拌速率为62±5r/min；

S5，继续加入剩余4/5的材料1，慢速搅拌180s以上直至拌合物达到流动度大于200mm，慢速搅拌速率为62±5r/min；

S6，继续加入镀铜平直钢纤维，慢速搅拌90s，快速搅拌120s以上，装入模具(尺寸为160*40*40mm³)，慢速搅拌速率为62±5r/min，快速搅拌速率为125±5r/min；

S7，在标准养护环境养护24h后拆模，蒸汽养护箱内养护48h，养护温度80℃；

S8，养护完成后放至标准养护环境中备用，即得绿色超高性能混凝土。

实施例2：

本实施例的贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土的配方如表1中实施例2对应的数据所示；其原料种类以及制备方法与实施例1相同。

实施例3：

本实施例的贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土的配方如表1中实施例3对应的数据所示；其原料种类以及制备方法与实施例1相同。

表1

表2

由上表2可知，实施例1～3胶凝材料的流动度均大于200mm，24h拆模后热养护48h后，即3d抗压强度大于150MPa，抗折强度大于25MPa，热养护48h置于标准养护条件(20℃，95％RH)养护至28d的抗压强度大于180MPa，抗折强度大于30MPa，碳排放值不超过800kg/m³。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土，其特征在于，每立方米的混凝土包括：

贝利特硅酸盐水泥300～700kg；

硅灰150～210kg；

玄武岩石粉150～320kg；

矿物掺合料0～200kg；

镀铜平直钢纤维1.5～2vol％；

聚羧酸高效减水剂为凝胶材料的1～1.5wt％；

消泡剂为凝胶材料的0.01～0.04wt％；

砂子为凝胶材料的90～110wt％；

其中，胶凝材料由贝利特硅酸盐水泥、硅灰、玄武岩石粉和矿物掺合料组成；

所述的贝利特硅酸盐水泥由以贝利特相为主要的熟料矿物和石膏混合而成，其中石膏加入量为熟料矿物的5wt％；熟料矿物以基于Bogue公式的计算值计，C₂S≥40％，C₃S≤30％，标准稠度用水量＜0.28，比表面积为280～345m²/kg，7d抗压强度≥13MPa，28d强度≥42.5MPa，3d水化热≤230J/g，7d水化热≤260J/g，烧矢量≤3％；

所述的熟料矿物以C₃A2％～10％，C₂S40％进行设计；

所述的熟料矿物煅烧过程中使用B₂O₃和SO₃作为复合稳定剂，其中B₂O₃加入量为0.5wt％，SO₃加入量为0.8wt％；

所述的硅灰中硅含量＞95wt％，比表面积20000～25000m²/g，密度2.2g/cm³，需水量＜120％，活性指数≥110％，平均粒径为0.1～0.15μm；

所述的玄武岩石粉粒径0.1～100μm，烧矢量＜5％，比表面积3644m²/kg，中位粒径＜17μm；

所述的矿物掺合料为石英粉、粉煤灰、粒化高炉矿渣、火山灰、偏高岭土、稻壳灰中一种或多种混合；消泡剂为聚羧酸专用消泡剂、聚醚消泡剂、有机硅消泡剂中的一种或多种混合；

所述的聚羧酸高效减水剂固含量为40～60％；砂子粒径为0.01～0.8mm；镀铜平直钢纤维公称长度为13mm，当量直径为0.2mm，抗拉强度≥2850MPa、杨氏模量大于等于45GPa。

2.一种权利要求1所述的贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，步骤如下：

S2，将砂子加入搅拌机中慢速搅拌30s；

S4，继续向搅拌机中加入1/5的材料1，慢速搅拌60～120s；

S7，在标准养护环境养护24h后拆模，蒸汽养护箱内养护48-72h，养护温度80℃；

S8，养护完成后放至标准养护环境中备用，即得贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土；

所述的每立方米的混凝土的水胶比为0.16～0.18，水用量为145～185kg；

贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土养护后3d或4d的立方抗压强度＞150MP、抗折强度＞25MPa，28d抗压强度＞180MPa、抗折强度＞30MPa，每立方米贝利特硅酸盐水泥绿色超高性能混凝土二氧化碳排放值＜800kg。