CN115893953A - 一种低收缩超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请适用于建筑材料领域，公开了一种低收缩超高性能混凝土及其制备方法，低收缩超高性能混凝土包括以下重量份的原料：水泥400‑600份、微纳米掺合料100‑200份、矿物掺合料100‑200份、锂渣粉200‑300份、骨料800‑1200份、钢纤维120‑240份、外加剂16‑24份、以及水110‑180份；其中，在混合搅拌前，对所述锂渣粉加入其自身质量20％‑30％的水进行预湿。本申请的低收缩超高性能混凝土抗压强度高、收缩值小，并且可以消耗大量的工业固废锂渣，具有显著的生态经济效益；且与传统的对骨料和吸水树脂预先吸水不同，对锂渣粉预先吸水作为储水源并不会降低超高性能混凝土的强度，且内养护效果更佳。
Description
技术领域
本申请涉及建筑材料领域，具体涉及一种低收缩超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
超高性能混凝土是一种超高强、高韧性、高耐久性的的纤维增强水泥基复合材料，近来年在桥梁工程、建筑外墙装饰板、军工以及预制品领域等均得到广泛应用。但其在应用过程中也存在着几个典型的问题：一是超高性能混凝土胶凝材料用量高、水泥用量高，环境负荷较大；二是超高性能混凝土具有比普通混凝土更大的收缩，伴随着更高的开裂风险，存在扩展度低、抗压强度不足以及收缩值小的问题。针对第一个问题，通常的做法是加入大量的矿物掺合料替代水泥，比如粉煤灰、矿粉、石灰石粉等，这些矿物掺合料由于在普通混凝土中也得到大量应用因此呈现逐渐短缺的趋势。对于降低超高性能混凝土收缩的措施，国内外进行了大量的研究，常见的做法包括加入减缩剂、加入膨胀剂、加入预先吸水的高吸水性树脂、多孔骨料等，以上措施对于降低超高性能混凝土收缩均有一定的效果，但存在实施成本高、对强度有负面影响的问题。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，为此，本申请提出一种低收缩超高性能混凝土及其制备方法，本申请制备的超高性能混凝土抗压强度大于140MPa，28d自收缩值小于300με，并且可以消耗大量的工业固废锂渣。
低收缩超高性能混凝土包括以下重量份的原料：水泥400-600份、微纳米掺合料100-200份、矿物掺合料100-200份、锂渣粉200-300份、骨料800-1200份、钢纤维120-240份、外加剂16-24份、以及水110-180份；其中，在混合搅拌前，对所述锂渣粉加入其自身质量20％-30％的水进行预湿。
进一步具体地说，上述技术方案中，所述水泥为52.5硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
进一步具体地说，上述技术方案中，所述微纳米掺合料为硅灰、硅铁灰、锆硅灰和白刚玉中的一种或多种，所述微纳米掺合料的粒径范围为0.1-1μm。
进一步具体地说，上述技术方案中，所述矿物掺合料为超细粉煤灰、超细矿粉、超细重钙粉、超细石英粉、超细偏高岭土和粉煤灰微珠中的一种或多种，矿物掺合料的比表面积不低于800m2/kg。
进一步具体地说，上述技术方案中，所述锂渣粉由锂云母或锂辉石的锂渣磨细而成，比表面积400-600m2/kg，SO3含量为8％-15％，Al2O3含量不低于15％，28d活性指数大于95％。
进一步具体地说，上述技术方案中，所述骨料为石英砂包括40-60目石英砂、60-80目石英砂以及80-120目石英砂，40-60目石英砂、60-80目石英砂以及80-120目石英砂的重量比为20-80∶20-80∶10-20。
进一步具体地说，上述技术方案中，所述钢纤维为镀铜微丝钢纤维，其长度为12-14mm，直径为0.15-0.20mm，抗拉强度大于2850MPa。
进一步具体地说，上述技术方案中，所述外加剂包括减水剂、消泡剂以及减缩组分至少之一。
本申请还提出一种上述任一项所述低收缩超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：将锂渣粉加入自身质量20％-30％的水预湿待使用，将水泥、硅灰、微纳米掺合料、矿物掺合料以及骨料预先混合形成干混料，将预湿后的锂渣粉与干混料混合搅拌，先加入外加剂和水继续搅拌，再加入钢纤维继续搅拌，即可得到低收缩超高性能混凝土拌合物。
进一步具体地说，上述技术方案中，将锂渣粉预湿至少1-2天；锂渣粉与干混料混合搅拌0.5-1min；加入外加剂和水继续搅拌3-5min；加入钢纤维后继续搅拌1-2min。
与现有技术相比，本申请实施例具有以下有益效果：
本申请基于紧密堆积原理设计超高性能混凝土，采用多种粉料和不同粒级的骨料混合搭配。锂渣粉粒径与水泥颗粒相近，活性较高可等质量取代水泥；锂渣粉表面疏松多孔，提前加水预湿储水可以从而实现内养护减小超高性能混凝土自干燥收缩，且与传统的对骨料和吸水树脂预先吸水不同，对锂渣粉预先吸水作为储水源并不会降低超高性能混凝土的强度，且内养护效果更佳。
锂渣粉中含有一定量的石膏以及活性较高的铝相，可水化形成钙矾石，从而补偿收缩；此外，本申请消耗了大量工业固体废弃物锂渣，具有显著的生态环保效益。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限定本申请的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
本申请提出一种低收缩超高性能混凝土，包括以下重量份的原料：水泥400-600份、微纳米掺合料100-200份、矿物掺合料100-200份、锂渣粉200-300份、骨料800-1200份、钢纤维120-240份、外加剂16-24份、以及水110-180份；其中，在混合搅拌前，对锂渣粉加入其自身质量20％-30％的水进行预湿。
锂渣是工业生产碳酸锂排出的固体废弃物，锂矿石经过选矿提取有价金属后产渣量超过90％，据不完全统计，仅江西地区每年的锂渣排放量就高达40万吨，因此锂渣的应用迫在眉睫。碳酸锂生产工艺包括高温煅烧、硫酸酸化，因此排放的锂渣石膏含量较高、富含硅铝相、具有潜在水硬活性；此外锂渣结构较为松散、具有多孔、含水率较高的特性，适用于超高性能混凝土中。
因此本申请锂渣粉粒径与水泥颗粒相近，活性较高可等质量取代水泥；锂渣粉表面疏松多孔，提前加水预湿储水可以从而实现内养护减小超高性能混凝土自干燥收缩，且与传统的对骨料和吸水树脂预先吸水不同，对锂渣粉预先吸水作为储水源并不会降低超高性能混凝土的强度，且内养护效果更佳。锂渣粉中含有一定量的石膏以及活性较高的铝相，可水化形成钙矾石，从而补偿收缩。此外，本申请消耗了大量工业固体废弃物锂渣，具有显著的生态环保效益。
微纳米掺合料可填充在混凝土的孔隙中，进而提高混凝土的密实度和强度。
矿物掺合料是一种辅助胶凝材料，特别在近代高强、高性能混凝土中是一种有效的、不可或缺的主要组分材料；矿物掺合料是指在配制混凝土时加入的能改善新拌混凝土和硬化混凝土性能的无机矿物细粉。
骨料在混凝土中起骨架和填充作用。
钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，具有较好的延性。
外加剂用于进一步改善混凝土的性能，本领域技术人员可根据实际需求进行添加。
在一些实施例中，水泥为52.5硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
在一些实施例中，微纳米掺合料为硅灰、硅铁灰、锆硅灰和白刚玉中的一种或多种，微纳米掺合料的粒径范围为0.1-1μm。
硅灰、硅铁灰以及锆硅灰可增大混凝土的强度；白刚玉是以优质铝氧化粉为原料，经电熔提炼结晶而成，纯度高、自锐性好、耐酸碱腐蚀、耐高温、热态性能稳定。
在一些实施例中，矿物掺合料为超细粉煤灰、超细矿粉、超细重钙粉、超细石英粉、超细偏高岭土和粉煤灰微珠中的一种或多种，矿物掺合料的比表面积不低于800m2/kg。
在一些实施例中，锂渣粉由锂云母或锂辉石的锂渣磨细而成，比表面积400-600m2/kg，SO3含量为8％-15％，Al2O3含量不低于15％，28d活性指数大于95％。
在一些实施例中，骨料为石英砂包括40-60目石英砂、60-80目石英砂以及80-120目石英砂，40-60目石英砂、60-80目石英砂以及80-120目石英砂的重量比为20-80∶20-80∶10-20。
通过三级目数的的石英砂配制成的骨料，与多种粉料搭配，实现紧密堆积效果，提高混凝土的强度。
在一些实施例中，钢纤维为镀铜微丝钢纤维，其长度为12-14mm，直径为0.15-0.20mm，抗拉强度大于2850MPa。镀铜微丝钢纤维是比较特别的一种金属纤维，其抗压、抗拉、抗裂功能强大，能够提高混凝土的抗拉、抗压、抗剪强度，并增大混凝土的耐冲击性。
在一些实施例中，外加剂包括减水剂、消泡剂、减缩组分至少之一。搅拌混凝土时可加入一定量的减水剂，搅拌均匀后，能够改善混凝土的流动性，使得混凝土的结构更加稳定，强度更高，同时还能够保证在不改变混凝土强度的同时，节省水泥的用量。混凝土振捣前其内部含有大量气泡，主要包括混凝土拌合、运输和下料过程中引入的空气泡、减水剂引入的气泡以及其他外加剂引入的微小气泡，通过消泡剂减少混凝土中的气泡，保证混凝土的强度。减缩组分在水泥混凝土中的关键功能是操纵并降低混疑土的干缩、初期的塑性收缩和本身本身收缩，减缩组分可以采用聚醚。
本申请还提出一种上述任一项所述低收缩超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：将锂渣粉加入自身质量20％-30％的水预湿待使用，将水泥、硅灰、微纳米掺合料、矿物掺合料以及骨料预先混合形成干混料，将预湿后的锂渣粉与干混料混合搅拌，先加入外加剂和水继续搅拌，再加入钢纤维继续搅拌，即可得到低收缩超高性能混凝土拌合物。
在一些实施例中，将锂渣粉预湿至少1-2天；锂渣粉与干混料混合搅拌0.5-1min；加入外加剂和水继续搅拌3-5min；加入钢纤维后继续搅拌1-2min。
以下结合具体实施例对本申请做进一步的说明。
实施例1
一种低收缩生态超高性能混凝土，包括以下重量份的原料：水泥560份，硅灰100份，矿物掺合料140份，锂渣粉200份，骨料1000份，钢纤维142份，外加剂18份，水160份。其中水泥为52.5硅酸盐水泥，矿物掺合料为超细矿粉，骨料级配如下：40-60、60-80以及80-120目石英砂的重量比为30∶58∶12，锂渣粉预吸自身质量20％的水。
实施例2
一种低收缩生态超高性能混凝土，包括以下重量份的原料：水泥600份，硅灰150份，矿物掺合料80份，锂渣粉270份，骨料1100份，钢纤维156份，外加剂19份，水166份。其中水泥为52.5硅酸盐水泥，矿物掺合料为粉煤灰微珠，骨料级配如下：40-60、60-80以及80-120目石英砂的重量比为20：65：15，锂渣预吸自身质量20％的水。
实施例3
一种低收缩生态超高性能混凝土，包括以下重量份的原料：水泥400份，硅灰100份，矿物掺合料200份，锂渣粉300份，骨料1000份，钢纤维142份，外加剂20份，水130份。其中水泥为52.5硅酸盐水泥，矿物掺合料为超细石英粉，骨料级配如下：40-60、60-80以及80-120目石英砂的重量比为60∶30∶10，锂渣预吸自身质量20％的水。
实施例4
一种低收缩生态超高性能混凝土，包括以下重量份的原料：水泥500份，硅灰130份，矿物掺合料120份，锂渣粉250份，骨料1000份，钢纤维213份，外加剂18份，水125份。其中水泥为52.5硅酸盐水泥，矿物掺合料为超细粉煤灰，骨料级配如下：40-60、60-80以及80-120目石英砂的重量比为35∶55∶10，锂渣预吸自身质量30％的水。
实施例5
一种低收缩生态超高性能混凝土，包括以下重量份的原料：水泥550份，硅灰100份，矿物掺合料200份，锂渣粉250份，骨料1000份，钢纤维120份，外加剂18份，水170份。其中水泥为52.5硅酸盐水泥，矿物掺合料为超细重钙粉，骨料级配如下：40-60、60-80以及80-120目石英砂的重量比为70∶20∶10，锂渣预吸自身质量20％的水。
实施例6
一种低收缩生态超高性能混凝土，包括以下重量份的原料：水泥500份，硅灰100份，矿物掺合料100份，锂渣粉300份，骨料1000份，钢纤维142份，外加剂18份，水135份。其中水泥为52.5硅酸盐水泥矿物掺合料为超细偏高岭土，骨料级配如下：40-60、60-80以及80-120目石英砂的重量比为50∶40∶10，锂渣预吸自身质量25％的水。
对比例1
一种低收缩生态超高性能混凝土，包括以下重量份的原料：水泥760份，硅灰100份，矿物掺合料140份，骨料1000份，钢纤维142份，外加剂18份，水180份。其中水泥为52.5硅酸盐水泥，矿物掺合料为超细矿粉，骨料级配如下：40-60、60-80以及80-120目石英砂的重量比为30∶58∶12。
对比例2
一种低收缩生态超高性能混凝土，包括以下重量份的原料：水泥600份，硅灰150份，矿物掺合料80份，锂渣粉270份，骨料1100份，钢纤维156份，外加剂19份，水198份。其中水泥为52.5硅酸盐水泥，矿物掺合料为粉煤灰微珠，骨料级配如下：40-60、60-80以及80-120目石英砂的重量比为20：65：15，锂渣烘干后加入。
对比例3
一种低收缩生态超高性能混凝土，包括以下重量份的原料：水泥560份，硅灰100份，矿物掺合料140份，锂渣粉200份，骨料1000份，钢纤维142份，外加剂18份，水160份。其中水泥为52.5硅酸盐水泥，矿物掺合料为超细矿粉，骨料级配如下：40-60、60一80以及80-120目石英砂的重量比为30∶58∶12，其中锂渣烘干后加入，且石英砂以0.4％含水状态加入。
对比例4
一种低收缩生态超高性能混凝土，包括以下重量份的原料：水泥560份，硅灰100份，矿物掺合料140份，锂渣粉200份，骨料1000份，钢纤维142份，外加剂18份，水160份。其中水泥为52.5硅酸盐水泥，矿物掺合料为超细矿粉，骨料级配如下：40-60、60-80以及80-120目石英砂的重量比为30∶58∶12，其中锂渣烘干后加入，加入0.4份200目的吸水性树脂作为储水介质，吸水树脂吸收自身质量100倍的水加入。
超高性能混凝土制备及性能测试过程如下：
按实施例1-6以及对比例1-4中各原料的重量份数制备超高性能混凝土，先将水泥、硅灰、掺合料以及骨料预先混合形成干混料，采用强制式卧轴搅拌机将预先吸水的锂渣粉与干混料混合搅拌30s，对比例中未采用锂渣粉或未预先吸水的锂渣粉此步骤忽略，然后可加入减水剂和水继续搅拌4min，再加入钢纤维，钢纤维加入完成后继续搅拌2min.得到所述超高性能混凝土拌合物。
超高性能混凝土扩展度、抗压强度和自收缩按照T/CBMF 96《超高性能混凝土预混料》推荐的试验方法进行，其中收缩测试采用波纹管法。
对本申请上述实施例和对比例所得的超高性能混凝土进行性能检测，各实施例和对比例超高性能混凝土的性能参数如表1。
表1超高性能混凝土性能测试数据
由表1中数据可得知，各实施例的超高性能混凝土扩展度均大于700mm，可满足自密实浇筑的需求；28d抗压强度均大于140MPa，实施例4抗压强度大于160MPa，力学性能完全能满足超高性能混凝土大于120MPa的需求；而28d自收缩值均小于300μ ε，大大降低了超高性能混凝土开裂的风险。
对比例1与实施例1相比，未加入锂渣粉，超高性能混凝土的抗压强度降低，收缩显著增大。
对比例2与实施例2相比，同样加入了锂渣粉，但对比例2中的锂渣粉未预先吸水，制备得到的超高性能混凝土扩展度显著降低，抗压强度降低，收缩值也增大明显，但相较于对比例1，收缩值也是显著降低。
对比例3与实施例1相比，锂渣粉未预先吸水，而是采用石英砂以含水状态加入，制备得到的超高性能混凝土抗压强度降低8.1％，收缩值比实施例1增大了82.2％
对比例4与实施例1相比，制备得到的超高性能混凝土抗压强度降低幅度较大，降低了12.5％，收缩值增大了16.5％。
综上所述，锂渣粉活性较高可等质量取代水泥；锂渣粉表面疏松多孔，提前加水预湿储水可以从而实现内养护减小超高性能混凝土自干燥收缩，且与传统的对骨料和吸水树脂预先吸水不同，对锂渣粉预先吸水作为储水源并不会降低超高性能混凝土的强度，且内养护效果更佳。此外，本申请中40-60目石英砂、60-80目石英砂以及80-120目石英砂的重量比为20-80∶20-80∶10-20，通过三级目数的的石英砂配制成的骨料，与多种粉料搭配，实现紧密堆积效果，提高混凝土的强度。
以上所述实施方式仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种低收缩超高性能混凝土，其特征在于，包括以下重量份的原料：
其中，在混合搅拌前，对所述锂渣粉加入其自身质量20％-30％的水进行预湿。
2.根据权利要求1所述的低收缩超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为52.5硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的低收缩超高性能混凝土，其特征在于，所述微纳米掺合料为硅灰、硅铁灰、锆硅灰和白刚玉中的一种或多种，所述微纳米掺合料的粒径范围为0.1-1μm。
4.根据权利要求1所述的低收缩超高性能混凝土，其特征在于，所述矿物掺合料为超细粉煤灰、超细矿粉、超细重钙粉、超细石英粉、超细偏高岭土和粉煤灰微珠中的一种或多种，矿物掺合料的比表面积不低于800m2/kg。
5.根据权利要求1所述的低收缩超高性能混凝土，其特征在于，所述锂渣粉由锂云母或锂辉石的锂渣磨细而成，比表面积400-600m2/kg，SO3含量为8％-15％，Al2O3含量不低于15％，28d活性指数大于95％。
6.根据权利要求1所述的低收缩超高性能混凝土，其特征在于，所述骨料为石英砂包括40-60目石英砂、60-80目石英砂以及80-120目石英砂，40-60目石英砂、60-80目石英砂以及80-120目石英砂的重量比为20-80∶20-80∶10-20。
7.根据权利要求1所述的低收缩超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维为镀铜微丝钢纤维，其长度为12-14mm，直径为0.15-0.20mm，抗拉强度大于2850MPa。
8.根据权利要求1所述的低收缩超高性能混凝土，其特征在于，所述外加剂包括减水剂、消泡剂以及减缩组分至少之一。
9.一种权利要求1-8任一项所述低收缩超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将锂渣粉加入自身质量20％-30％的水预湿待使用，将水泥、硅灰、微纳米掺合料、矿物掺合料以及骨料预先混合形成干混料，将预湿后的锂渣粉与干混料混合搅拌，先加入外加剂和水继续搅拌，再加入钢纤维继续搅拌，即可得到低收缩超高性能混凝土拌合物。
10.根据权利要求9所述的低收缩超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，将锂渣粉预湿至少1-2天；锂渣粉与干混料混合搅拌0.5-1min；加入外加剂和水继续搅拌3-5min；加入钢纤维后继续搅拌1-2min。
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