CN116283043A - Uhpc预制构件用超早强掺合料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种UHPC预制构件用超早强掺合料及其制备方法，该掺合料由按重量百分数计的如下原料制成：工业固废75‑80%、活性助磨剂10‑15%、非活性助磨剂2‑4%、纳米材料3‑5%、促凝剂1‑3%、缓凝剂1‑3%。本发明利用反应性球磨技术将工业固废与活性助磨剂、非活性助磨剂及纳米材料进行粉磨，改变固废颗粒表面的化学特性，提高其反应活性，并配合促凝剂和缓凝剂使用，在大幅提高UHPC早期强度的同时降低其粘度，提高流动性，减小早期自收缩，从而使得UHPC不仅具有良好的施工性能，也大大缩短了UHPC预制构件的养护时间，降低了其早期收缩开裂风险，提高了模板周转效率和生产工效，同时大掺量工业固废的使用也提高了其综合利用率，推动了UHPC预制构件的绿色低碳发展。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，具体为一种UHPC预制构件用超早强掺合料及其制备方法。
背景技术
超高性能混凝土(UHPC)是一种具有超高强度、韧性、体积稳定性和耐久性的新型水泥基纤维复合材料，主要由水泥、硅灰、石英砂和钢纤维配制而成。在桥梁工程中，UHPC的使用可减小结构截面尺寸，降低结构自重，提高桥梁极限跨度和宽度；UHPC用于钢混组合结构桥梁中，可利用其超高韧性，提升与钢结构的协同工作性，解决负弯矩区易开裂的难题，UHPC在实际工程中的应用已经表明可以较大幅度地减少钢材的用量；对处于海洋等恶劣环境下的桥梁，UHPC还可显著提高其使用寿命。
但目前UHPC预制构件在桥梁工程中应用并不广泛，主要集中在钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面板这种桥面结构形式上，在装配化建筑领域更是少之又少，主要原因是其超高的胶材用量和超低的水胶比设计，使得UHPC拌合物中水泥水化不充分，早强性能差，UHPC预制构件生产时，带模养护时间长，模具周转率低，生产工效低，大大限制了UHPC预制构件在装配化建筑领域的应用与发展。
发明内容
本发明提供一种UHPC预制构件用超早强掺合料及其制备方法，促进UHPC早期强度的增长，缩短养护时间，加快模板周转，有助于提高UHPC预制构件的生产工效，推动其在装配化领域的应用与发展。
本发明的技术方案是，一种UHPC预制构件用超早强掺合料，该掺合料由按重量百分数计的如下原料制成：工业固废75-80％、活性助磨剂10-15％、非活性助磨剂2-4％、纳米材料3-5％、促凝剂1-3％、缓凝剂1-3％。
进一步地，所述工业固废为原状粉煤灰、低温稻壳灰、铁尾矿渣、铜尾矿渣、钼尾矿渣和玻璃渣中的一种或多种。
进一步地，所述活性助磨剂为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷、二乙烯三胺基丙基三乙氧基硅烷和二乙胺基甲基三乙氧基硅烷中的一种或多种。
进一步地，所述非活性助磨剂为粉体羧酸类共聚物，其重均分子量为15000-20000，分子量分布指数为1.60-1.80。
进一步地，所述纳米材料的纯度＞99％，平均粒径10-20nm，比表面积180-200m2/g，松堆密度0.1-0.2g/cm3的纳米碳酸钙、纳米二氧化硅、纳米氧化铝中的一种或多种。
进一步地，所述促凝剂为碳酸锂、碳酸钠、硫酸锂、氢氧化铝、硫酸铝和硅酸钠中的一种或多种。
进一步地，所述缓凝剂为蔗糖、柠檬酸钠、酒石酸、焦磷酸钠、六偏磷酸钠和三聚磷酸钠中的一种或多种。
本发明还涉及制备所述的UHPC预制构件用超早强掺合料的方法，包括以下步骤：
将工业固废干燥，然后加入活性助磨剂、非活性助磨剂和纳米材料混匀，再加入球磨机进行粉磨，至平均粒径3-6μm，得到粉料；最后加入促凝剂和缓凝剂，混匀即得UHPC预制构件用超早强掺合料。
进一步地，加入促凝剂和缓凝剂后的混合时间为5-10min。
本发明还涉及所述UHPC预制构件用超早强掺合料制备的超高性能混凝土。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明利用反应性球磨技术，使工业固废颗粒在与活性助磨剂共同粉磨时，颗粒表面的活性硅羟基与助磨剂分子中的胺基、硅羟基发生化学反应，将助磨剂分子接枝到了固废颗粒表面，不仅造成了颗粒表面的晶格缺陷，提高了其火山灰活性，也因表面引入了大量的胺基可促进胶凝材料水化反应而赋予了固废颗粒自身的早强特性。
(2)采用活性助磨剂和非活性助磨剂共同协助固废颗粒的粉磨，既解决了活性助磨剂粉磨效果差、颗粒易团聚、工效低的问题，也弥补了非活性助磨剂早强特性的不足。
(3)超早强掺合料中的纳米材料在粉磨时可起到助磨的作用，在UHPC中也可起到诱导结晶作用，加快水泥水化，提高其早期强度，而且可一定程度参与二次水化，进一步提高UHPC后期强度。
(4)超早强掺合料中的促凝剂和缓凝剂协同作用，可调控UHPC的凝结时间，在保证其工作性满足预制构件施工要求的同时也确保其早期强度的增长。
(5)本发明的UHPC预制构件用超早强掺合料是采用大量的原状粉煤灰、低温稻壳灰、铁尾矿渣、铜尾矿渣、钼尾矿渣和玻璃渣等工业固废，大大提高了固废的综合利用率。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。
本发明所涉及的材料均为市售可得。以下列出了实施例及对比例中涉及到的固废的具体成分，均按质量百分数计。但在实施过程中，固废的具体成分不受此限制。固废优选SiO2含量不低于45％的，这种固废颗粒表面带有活性硅羟基，在粉磨时可与活性助磨剂分子中的胺基、硅羟基进行化学反应。
原状粉煤灰中化学组分为SiO2含量49.68％，Al2O3含量36.36％，CaO含量3.55％，MgO含量0.73％，Fe2O3含量3.08％，Ti2O3含量1.52％，MnO含量0.03％，Cr2O3含量0.19％，P2O5含量0.34％，SO3含量0.20％，K2O含量0.85％，Na2O含量0.31％，烧失量2.98％，剩余为其他杂质。
低温稻壳灰由稻壳在600℃下燃烧后研磨成粉制得，其化学组分为SiO2含量91.17％，Al2O3含量0.36％，CaO含量0.86％，MgO含量0.31％，Fe2O3含量0.90％，K2O含量1.67％，Na2O含量0.12％，烧失量3.13％，剩余为其他杂质。
铁尾矿渣中化学组分为SiO2含量69.25％，Al2O3含量4.78％，CaO含量7.77％，MgO含量0.83％，Fe2O3含量14.37％，SO3含量0.31％，剩余为其他杂质。
铜尾矿渣中化学组分为SiO2含量65.39％，Al2O3含量17.77％，CaO含量2.81％，MgO含量2.42％，Fe2O3含量4.49％，CuO含量0.14％，MnO含量0.08％，P2O5含量0.20％，SO3含量0.44％，K2O含量5.08％，Na2O含量0.33％，剩余为其他杂质。
钼尾矿渣中化学组分为SiO2含量72.38％，Al2O3含量3.88％，CaO含量2.25％，MgO含量1.08％，Fe2O3含量9.19％，SO3含量5.0％，MnO含量0.22％，烧失量2.56％，剩余为其他杂质。
玻璃渣中化学组分为SiO2含量70.4％，Al2O3含量3.37％，CaO含量9.2％，MgO含量1.0％，Fe2O3含量0.51％，Cr2O3含量0.09％，TiO2含量0.05％，SO3含量0.38％，K2O含量0.66％，Na2O含量13.78％，剩余为其他杂质。
非活性助磨剂为粉体羧酸类共聚物，其重均分子量为15000-20000，分子量分布指数为1.60-1.80。
实施例1
本实施例中所提供的UHPC预制构件用超早强掺合料的制备方法如下：
(1)将原状粉煤灰、低温稻壳灰和铁尾矿渣分别在105℃恒温烘箱中烘干至恒重，得到干燥的固废；
(2)按重量百分数将干燥的20％的原状粉煤灰、40％的低温稻壳灰、15％的铁尾矿渣、5.0％的乙二胺、2.5％的3-氨丙基三乙氧基硅烷、2.5％的3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、4％的重均分子量为15862且分子量分布指数为1.62的非活性助磨剂和5％的纳米碳酸钙加入混料机中搅拌混合均匀，得到混合料A；
(3)将混合料A加入球磨机中进行粉磨，粉磨时间90min，平均粒径为3μm，得到化学改性的固废粉料B；
(4)将化学改性的固废粉料B加入混料机中，然后按重量百分数加入3％的碳酸锂和3％的酒石酸，搅拌混合10min即得UHPC预制构件用超早强掺合料ZQ-1。
实施例2
本实施例中所提供的UHPC预制构件用超早强掺合料的制备方法如下：
(1)将原状粉煤灰、低温稻壳灰和铜尾矿渣分别在105℃恒温烘箱中烘干至恒重，得到干燥的固废；
(2)按重量百分数将干燥的30％的原状粉煤灰、30％的低温稻壳灰、20％的铜尾矿渣、7.0％的二乙烯三胺、3％的3-氨丙基三甲氧基硅烷、3％的3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、2％的重均分子量为17109且分子量分布指数为1.65的非活性助磨剂和3％的纳米二氧化硅加入混料机中搅拌混合均匀，得到混合料A；
(3)将混合料A加入球磨机中进行粉磨，粉磨时间70min，平均粒径为5μm，得到化学改性的固废粉料B；
(4)将化学改性的固废粉料B加入混料机中，然后按重量百分数加入1％的碳酸钠和1％的蔗糖，搅拌混合5min即得UHPC预制构件用超早强掺合料ZQ-2。
实施例3
本实施例中所提供的UHPC预制构件用超早强掺合料的制备方法如下：
(1)将原状粉煤灰、低温稻壳灰和钼尾矿渣分别在105℃恒温烘箱中烘干至恒重，得到干燥的固废；
(2)按重量百分数将干燥的15％的原状粉煤灰、40％的低温稻壳灰、23％的钼尾矿渣、6.0％的三乙烯四胺、2.5％的N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、2.5％的N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷、3％的重均分子量为18473且分子量分布指数为1.69的非活性助磨剂和4％的纳米氧化铝加入混料机中搅拌混合均匀，得到混合料A；
(3)将混合料A加入球磨机中进行粉磨，粉磨时间80min，平均粒径为4μm，得到化学改性的固废粉料B；
(4)将化学改性的固废粉料B加入混料机中，然后按重量百分数加入2％的硫酸锂和2％的柠檬酸钠，搅拌混合8min即得UHPC预制构件用超早强掺合料ZQ-3。
实施例4
本实施例中所提供的UHPC预制构件用超早强掺合料的制备方法如下：
(1)将原状粉煤灰、低温稻壳灰和玻璃渣分别在105℃恒温烘箱中烘干至恒重，得到干燥的固废；
(2)按重量百分数将干燥的20％的原状粉煤灰、40％的低温稻壳灰、16％的玻璃渣、5.0％的四乙烯五胺、5％的二乙烯三胺基丙基三乙氧基硅烷、5％的二乙胺基甲基三乙氧基硅烷、4％的重均分子量为19723且分子量分布指数为1.74的非活性助磨剂和3％的纳米碳酸钙加入混料机中搅拌混合均匀，得到混合料A；
(3)将混合料A加入球磨机中进行粉磨，粉磨时间60min，平均粒径为6μm，得到化学改性的固废粉料B；
(4)将化学改性的固废粉料B加入混料机中，然后按重量百分数加入1％的氢氧化铝和1％的焦磷酸钠，搅拌混合5min即得UHPC预制构件用超早强掺合料ZQ-4。
实施例5
本实施例中所提供的UHPC预制构件用超早强掺合料的制备方法如下：
(1)将原状粉煤灰、低温稻壳灰、铁尾矿渣、玻璃渣分别在105℃恒温烘箱中烘干至恒重，得到干燥的固废；
(2)按重量百分数将干燥的20％的原状粉煤灰、30％的低温稻壳灰、15％的铁尾矿渣、12％的玻璃渣、7.0％的二乙烯三胺、2.5％的3-氨丙基三甲氧基硅烷、2.5％的N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷、3％的重均分子量为18054且分子量分布指数为1.79的非活性助磨剂和2％的纳米二氧化硅加入混料机中搅拌混合均匀，得到混合料A；
(3)将混合料A加入球磨机中进行粉磨，粉磨时间70min，平均粒径为4μm，得到化学改性的固废粉料B；
(4)将化学改性的固废粉料B加入混料机中，然后按重量百分数加入3％的硫酸铝和3％的六偏磷酸钠，搅拌混合10min即得UHPC预制构件用超早强掺合料ZQ-5。
实施例6
本实施例中所提供的UHPC预制构件用超早强掺合料的制备方法如下：
(1)将原状粉煤灰、低温稻壳灰、铜尾矿渣、玻璃渣分别在105℃恒温烘箱中烘干至恒重，得到干燥的固废；
(2)按重量百分数将干燥的15％的原状粉煤灰、35％的低温稻壳灰、15％的铜尾矿渣、14％的玻璃渣、5.0％的三乙烯四胺、2.5％的3-氨丙基三乙氧基硅烷、2.5％的二乙烯三胺基丙基三乙氧基硅烷、2％的重均分子量为16538且分子量分布指数为1.72的非活性助磨剂和5％的纳米氧化铝加入混料机中搅拌混合均匀，得到混合料A；
(3)将混合料A加入球磨机中进行粉磨，粉磨时间90min，平均粒径为3μm，得到化学改性的固废粉料B；
(4)将化学改性的固废粉料B加入混料机中，然后按重量百分数加入2％的硅酸钠和2％的三聚磷酸钠，搅拌混合8min即得UHPC预制构件用超早强掺合料ZQ-6。
对比例1：
将实施例1的原料中省略活性助磨剂(乙二胺、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷)，其余原料不变，制得掺合料。
对比例2：
以实施例1为基础，区别仅在于，该对比例中不加入非活性助磨剂，制得掺合料。
对比例3：
以实施例1为基础，区别仅在于，该对比例中非活性助磨剂替换成重均分子量为12718且分子量分布指数为1.54的粉体羧酸共聚物，制得掺合料。
对比例4：
以实施例1为基础，区别仅在于，该对比例中非活性助磨剂替换成重均分子量为27345且分子量分布指数为1.87的粉体羧酸类共聚物，制得掺合料。
实施效果验证
将实施例1-6及对比例1～4所制备的UHPC预制构件用超早强掺合料替代UHPC基准配合比中胶凝材料总重量的10％进行对比试验，具体试验配合比见表1。
表1试验配合比
对比试验结果见表2。
表2对比试验结果
由表2分析可知，与UHPC基准配合比相比，掺有胶凝材料总重量10％的实施例1-6所制备的UHPC预制构件用超早强掺合料后，UHPC拌合物的扩展度增加、粘度降低、流动性增大，24h自收缩率也降低了34.7％-45.6％，说明掺有超早强掺合料的UHPC不仅施工性能好，早期抗开裂性也高，可有效抑制UHPC预制构件早期收缩裂缝的产生；此外，其24h抗压强度较基准配合比高16.4％-22.7％，且28d抗压强度也略高于基准配合比，说明超早强掺合料替代10％的胶凝材料后UHPC的早期抗压强度更高，更有利于加快模板的周转、提高生产工效，且后期抗压强度也有保证。此外，对比例1与实施例1相比，由于未使用活性助磨剂，掺合料中各组分颗粒表面未引入具有早强功能的胺基，使得UHPC的24h抗压强度远低于实施例1，24h自收缩率也较大；对比例2与实施例1相比，由于未使用非活性助磨剂，掺合料中各组分颗粒易团聚，掺加到UHPC中需要更多的水或减水剂来使其分散，故流动性不如实施例1，且由于各组分颗粒不易分散，其表面大量胺基的早强功能未能充分发挥，使得UHPC的24h抗压强度低于实施例1，24h自收缩率也较大；对比例3与实施例1相比，由于非活性助磨剂的分子量小且分布较窄，参与粉磨时对颗粒的分散能力差，不利于活性助磨剂充分与颗粒表面的硅羟基反应，故早期强度低于实施例1，24h自收缩率也较大；对比例4与实施例1相比，由于非活性助磨剂的分子量较大且分布较宽，容易在颗粒间形成吸附架桥现象，导致颗粒团聚，掺加到UHPC中需要更多的水或减水剂来使其分散，故流动性不如实施例1，且由于各组分颗粒不易分散，其表面大量胺基的早强功能未能充分发挥，使得UHPC的24h抗压强度低于实施例1，24h自收缩率也较大。因此，相比UHPC基准配合比和对比例1-4，掺有胶凝材料总重量10％的实施例1-6所制备的UHPC预制构件用超早强掺合料后，不仅工作性能得到了较好的改善，而且UHPC的早期强度高、自收缩率低、抗开裂性好、后期强度有保障，这对于缩短UHPC预制构件的养护时间、抑制早期裂缝产生、提高模板周转效率和生产工效更加有利。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种UHPC预制构件用超早强掺合料，其特征在于，该掺合料由按重量百分数计的如下原料制成：工业固废75-80%、活性助磨剂10-15%、非活性助磨剂2-4%、纳米材料3-5%、促凝剂1-3%、缓凝剂1-3%。
2.根据权利要求1所述的UHPC预制构件用超早强掺合料，其特征在于：所述工业固废为原状粉煤灰、低温稻壳灰、铁尾矿渣、铜尾矿渣、钼尾矿渣和玻璃渣中的一种或多种，其SiO2含量不低于45wt%。
3.根据权利要求1所述的UHPC预制构件用超早强掺合料，其特征在于：所述活性助磨剂为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-（2-氨乙基）-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-（2-氨乙基）-3-氨丙基三甲氧基硅烷、二乙烯三胺基丙基三乙氧基硅烷和二乙胺基甲基三乙氧基硅烷中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的UHPC预制构件用超早强掺合料，其特征在于：所述非活性助磨剂为粉体羧酸类共聚物，其重均分子量为15000-20000，分子量分布指数为1.60-1.80。
5.根据权利要求1所述的UHPC预制构件用超早强掺合料，其特征在于：所述纳米材料的纯度＞99%，平均粒径10-20nm，比表面积180-200m2/g，松堆密度0.1-0.2g/cm3的纳米碳酸钙、纳米二氧化硅、纳米氧化铝中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的UHPC预制构件用超早强掺合料，其特征在于：所述促凝剂为碳酸锂、碳酸钠、硫酸锂、氢氧化铝、硫酸铝和硅酸钠中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的UHPC预制构件用超早强掺合料，其特征在于：所述缓凝剂为蔗糖、柠檬酸钠、酒石酸、焦磷酸钠、六偏磷酸钠和三聚磷酸钠中的一种或多种。
8.制备权利要求1~7任意一项所述的UHPC预制构件用超早强掺合料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将工业固废干燥，然后加入活性助磨剂、非活性助磨剂和纳米材料混匀，再加入球磨机进行粉磨，至平均粒径 3-6μm ，得到粉料；最后加入促凝剂和缓凝剂，混匀即得UHPC预制构件用超早强掺合料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：加入促凝剂和缓凝剂后的混合时间为5-10min。
10.权利要求1~7任意一项所述UHPC预制构件用超早强掺合料制备的超高性能混凝土。
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