CN116283081A - 一种无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料及其制备方法,其中超高强胶凝材料包括矿渣60‑80份,活性二氧化硅原料0‑20份,弱碱性固体废料10‑30份,减水剂1份,河砂100‑150份。本发明未采用水泥和碱性激发剂,仅采用电石渣、矿渣、硅灰作为胶凝材料,通过热水‑干热组合养护方式充分激发原材料反应活性,制备出拥有超高抗压强度(≥120MPa)的砂浆。本发明提供的无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料及制备途径显著降低了二氧化碳排放量,也降低了制备成本和能耗。作为一种低碳胶凝材料,无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程中的建筑材料技术领域,尤其涉及一种无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料及其制备方法。
背景技术
高强、高韧性、高耐久和体积稳定性是超高性能混凝土(Ultra-high PerformanceConcrete,UHPC)最为典型的特征。这些特征使得UHPC作为一种新型建筑材料越来越受到欢迎。然而,UHPC通常需要大量的水泥作为主要胶凝材料,使得UHPC的制备涉及大量二氧化碳气体的排放,不利于实现降碳减排的目标。
发明内容
本发明的实施例提供了一种无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料及其制备方法,用于解决现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的,本发明采取了如下技术方案。
一种无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料,包括:
按质量份数计,矿渣60-80份,活性二氧化硅原料0-20份,弱碱性固体废料10-30份,减水剂1份,河砂100-150份;
河砂的粒径≤4.75mm,细度模数为2.4-2.9;弱碱性固体废料的氧化钙含量≥90%;减水剂的减水率≥30%。
优选地,包括:
按质量份数计,矿渣60份,活性二氧化硅原料20份,弱碱性固体废料20份,减水剂1份,河砂100份。
优选地,活性二氧化硅原料包括硅灰、稻壳灰、火山灰、纳米二氧化硅。
优选地,弱碱性固体废料包括电石渣、赤泥和碱渣。
优选地,减水剂为聚羧酸系粉状减水剂。
第二方面,本发明提供一种无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料的制备方法,包括:
S1将矿渣、活性二氧化硅原料、弱碱性固体废料和河砂进行混合搅拌,加入减水剂再进行混合搅拌,然后加入拌合水继续搅拌,获得流体拌合物;
S2通过跳桌法测定流体拌合物的流动度,若流体拌合物的流动度超出250±50mm的范围,则返回步骤S1,通过调节减水剂的掺量,重新制备流体拌合物;
S3将流体拌合物装入模具当中,表面覆盖保鲜膜,然后将装入流体拌合物的模具进行第一养护处理,获得拌合物试件;
S4将拌合物试件脱模推出;
S5将脱模后的拌合物试件进行晾干处理并做标记;
S6对标记后的拌合物试件进行第二养护处理,获得无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料。
优选地,第一养护处理包括:将装入流体拌合物的模具放入养护室中,养护时长为2d。
优选地,第一养护处理包括标准养护、热水养护和热水—干热组合养护;
标准养护包括:将标记后的拌合物试件放入养护室中,养护时长为28d测试龄期;
热水养护包括:将标记后的拌合物试件放入90℃的热水中养护2d,然后将标记后的拌合物试件置于室温环境下自然养护至28d测试龄期;
热水—干热组合养护包括:将标记后的拌合物试件放入90℃的热水中养护2d,然后将拌合物试件放入温度为250℃的干热箱中干热养护3d,再将拌合物试件置于室温环境下自然养护至28d测试龄期。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出,本发明提供一种无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料及其制备方法,其中超高强胶凝材料包括矿渣60-80份,活性二氧化硅原料0-20份,弱碱性固体废料10-30份,减水剂1份,河砂100-150份。本发明未采用水泥和碱性激发剂,仅采用电石渣、矿渣、硅灰作为胶凝材料,通过热水-干热组合养护方式充分激发原材料反应活性,制备出拥有超高抗压强度(≥120MPa)的砂浆。本发明提供的无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料及制备途径显著降低了二氧化碳排放量,也降低了制备成本和能耗。作为一种低碳胶凝材料,无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料具有很好的应用前景。硅灰作为活性二氧化硅原料,亦可采用其他活性二氧化硅原料替代,包括但不限于稻壳灰、火山灰、纳米二氧化硅等。电石渣作为一种呈碱性的固废原料,亦可采用其他碱性物质替代,包括但不限于碱渣、赤泥等。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,这些将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料的制备方法的处理流程图;
图2为本发明提供的一种无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料所用胶凝材料的粒径分布图;
图3为本发明提供的一种无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料所用胶凝材料的搅拌时长和流动性能图;
图4为本发明提供的一种无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料所用胶凝材料的28d龄期的抗压强度图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解,除非特意声明,这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是,本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解,当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时,它可以直接连接或耦接到其他元件,或者也可以存在中间元件。此外,这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解,下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明,且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明提供一种无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料及其制备方法,用于解决如下技术问题:
目前制备UHPC的主要途径为采用硅酸盐水泥作为胶凝材料,其不足是硅酸盐水泥用量较大。另一种途径则是使用工业固体废弃物作为前驱体,氢氧化钠等碱性化学物质作为激发剂构成碱激发胶凝材料,其不足是碱性激发剂成本较高,其使用有一定的危险性,威胁到操作人员的安全。
电石渣是电石水解获取乙炔气后产生的一种碱性废渣,其排放与储存对环境构成了严重的威胁,大幅度增加了企业的管理成本。自上世纪90年代开始,有研究学者尝试将电石渣作为胶凝材料用在混凝土行业。已公开的研究表明电石渣作为一种碱性物质,能够与矿物掺合料发生反应,产生具有一定强度的物质,但其强度普遍在60MPa以下。在此背景下,一种能够满足超高性能需求的无水泥和无激发剂的胶凝材料的制备尤为迫切。
本发明提供的一种无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料,包括:
按质量份数计,矿渣60-80份,活性二氧化硅原料0-20份,弱碱性固体废料10-30份,减水剂1份,河砂100-150份。其中,矿渣、活性二氧化硅原料和弱碱性固体废料作为胶凝材料,河砂作为细骨料使用。还包括水,在制备过程中,保持胶凝材料、骨料与水形成的拌合物的水胶比为0.20。
上述河砂的粒径≤4.75mm,细度模数为2.4-2.9。上述弱碱性固体废料的氧化钙含量≥90%。上述减水剂的减水率≥30%。
在一种优选实施例中,本超高强胶凝材料按质量份数计包括如下组分:矿渣60份,硅灰20份,电石渣20份,减水剂1份,河砂100份。
在本发明提供的优选实施例中,活性二氧化硅原料包括但不限于硅灰、稻壳灰、火山灰、纳米二氧化硅等。弱碱性固体废料包括但不限于电石渣、赤泥和碱渣等。减水剂优选为聚羧酸系粉状高效减水剂,减水率≥30%,用量为胶凝材料1.0wt%。
第二方面,本发明提供上述无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料的制备方法,如图1所示,包括如下步骤:
S1先加入矿渣、硅灰、电石渣和河砂,混合搅拌2min;然后加入聚羧酸系粉状高效减水剂,混合搅拌2min;最后加入全部拌和水,继续搅拌直至得到具备合适流动性能的拌合物;
S2通过跳桌法测定所述流体拌合物的流动度,若流体拌合物的流动度超出250±50mm的范围,则返回步骤S1,通过调节减水剂的掺量,重新制备流体拌合物;
S3将所述拌合物装入模具当中,表面覆盖保鲜膜,然后将拌合物及模具放入标准养护室中,养护2d;
S4将拌合物及模具移出养护室,将拌合物及模具移出养护室,揭去模具表面保鲜膜,使用气泵从模具底部将拌合物试件推出,获得拌合物试件;
S5将脱模后试件进行晾干处理,然后使用黑色马克笔在试件表面进行标记;
S6对标记后的拌合物试件进行养护处理,获得无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料成品。
在上述无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料的制备方法中,在步骤S6中,所述养护处理为:标准养护、热水养护、热水-干热组合养护。
在上述无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料的制备方法中,所述标准养护为:在标准养护室中放置,直至28d测试龄期。
在上述无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料的制备方法中,所述热水养护为:在90℃的热水中养护2d,然后将试件置于室内,自然养护至28d测试龄期。
在上述无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料的制备方法中,所述热水-干热组合养护为:在90℃的热水中养护2d,然后在温度为250℃的干热箱中干热养护3d,最后将试件置于室内,自然养护至28d测试龄期。
应当理解的是,上述的养护时长以及测试龄期的单位d为天(day)的缩写。28d测试龄期为本领域已知的具有广泛代表性的测试龄期。
本发明还提供一个实施例,用于示例性地显示本发明提供的超高强胶凝材料的制备和性能。
本发明的无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料中,各组分按照重量配比均匀混合而成:
胶凝材料,包括:
矿渣60-80份,硅灰0-20份,电石渣10-30份,三种材料的化学成分如表1所示。
表1原材料化学成分(%)
细骨料,为河砂,100-150份,细度模数为2.4-2.9;
高效减水剂(减水率≥30%),用量为胶凝材料的1.0wt%;
水,保持胶凝材料、骨料和水形成的拌合物的水胶比为0.20。
优选地,各组分的配比为:
矿渣60份,硅灰20份,电石渣20份,河砂100份。
上述各组分中:
矿渣为S95级及以上等级;
河砂粒径≤4.75mm,细度模数为2.4-2.9;
将组分按照上述配比,先加入矿粉、硅灰、电石渣和河砂,搅拌2min,然后加入聚羧酸系粉状高效减水剂,搅拌2min;最后加入水,继续搅拌直至拌合物成型,即形成无水泥和无激发剂的胶凝材料拌合物,通过跳桌法测试拌合物工作性能,使其保持在250±50mm的范围内。
较之需要加入水泥的胶凝材料,本发明无需使用水泥,降低碳排放的同时降低生产成本,具有很好的应用前景。
较之需要加入碱性激发剂的地聚物胶凝材料,本发明无需使用并提前配制碱性激发剂,制备过程简便,同时可消除碱性激发剂带来的潜在危害。
本发明在拆模后对拌合物成品进行热水或热水-干热组合养护,充分激发了矿渣、硅灰的潜在火山灰活性,提高了材料性能利用率。
本发明中,硅灰作为活性二氧化硅原料,亦可采用其他活性二氧化硅原料替代,包括但不限于稻壳灰、火山灰、纳米二氧化硅等。电石渣作为一种呈碱性的固废原料,亦可采用其他碱性物质替代,包括但不限于碱渣、赤泥等。
作为一种优选,本发明中热水-干热组合养护中,热水养护温度为90℃,持续时间为2d,干热养护温度为250℃,持续时间为3d,养护完成后将拌合物成品放置在室温环境,直至28d测试龄期。
为了对比分析实施例的新拌性能,采用跳桌法对刚拌制出锅的拌合物进行流动性能测试。
为了对比分析实施例的力学性能,对实施例及经过不同养护制度的无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料进行了抗压强度测试。
下面以GRS0、GRS5、GRS10、GRS15、GRS20五种胶凝材料(组分及其配比为:矿渣60-80份、硅灰0-20份、电石渣20份、河砂100份)为例,通过比较分析,进一步说明本发明的技术方案所能带来的效果。其中:
实施例1为80份矿渣+20份电石渣作为胶凝材料制备得到的砂浆GRS0,具体的配合比见表2,养护方式为:①标记后试件放置在标准养护室中,继续养护至28d测试龄期;②拆模后90℃热水养护2d+室温环境自然养护至28d测试龄期;③拆模后90℃热水养护2d+250℃干热养护3d+室温环境自然养护至28d测试龄期。
实施例2为75份矿渣+5份硅灰+20份电石渣作为胶凝材料制备得到的砂浆GRS5,具体的配合比见表2,养护方式为:①标记后试件放置在标准养护室中,继续养护至28d测试龄期;②拆模后90℃热水养护2d+室温环境自然养护至28d测试龄期;③拆模后90℃热水养护2d+250℃干热养护3d+室温环境自然养护至28d测试龄期。
实施例3为70份矿渣+10份硅灰+20份电石渣作为胶凝材料制备得到的砂浆GRS10,具体的配合比见表2,养护方式为:①标记后试件放置在标准养护室中,继续养护至28d测试龄期;②拆模后90℃热水养护2d+室温环境自然养护至28d测试龄期;③拆模后90℃热水养护2d+250℃干热养护3d+室温环境自然养护至28d测试龄期。
实施例4为65份矿渣+15份硅灰+20份电石渣作为胶凝材料制备得到的砂浆GRS15,具体的配合比见表2,养护方式为:①标记后试件放置在标准养护室中,继续养护至28d测试龄期;②拆模后90℃热水养护2d+室温环境自然养护至28d测试龄期;③拆模后90℃热水养护2d+250℃干热养护3d+室温环境自然养护至28d测试龄期。
实施例5为60份矿渣+20份硅灰+20份电石渣作为胶凝材料制备得到的砂浆GRS20,具体的配合比见表2,养护方式为:①标记后试件放置在标准养护室中,继续养护至28d测试龄期;②拆模后90℃热水养护2d+室温环境自然养护至28d测试龄期;③拆模后90℃热水养护2d+250℃干热养护3d+室温环境自然养护至28d测试龄期。
表2各实施例的胶凝材料配比
表2所列胶凝材料配比中,硅灰作为活性二氧化硅原料,亦可采用其他活性二氧化硅原料替代,包括但不限于稻壳灰、火山灰、纳米二氧化硅等。电石渣作为一种呈碱性的固废原料,亦可采用其他碱性物质替代,包括但不限于碱渣、赤泥等。
上述对各实施例的每组试验例均为三个相同的试块,试验结果分析时以取其共性。
试验条件为:试件尺寸均为50mm×50mm×50mm,抗压强度测试仪器为量程1000kN的万能压力机,加载速率为2.4kN/s。
试验结果为:经不同养护制度后各实施例胶凝材料拌合物成品的流动性能如图3所示,抗压强度测试结果如图4所示。图4中,条形图标顶部的符号为“误差符”。该符号反应标准差大小,符号越长,表示数据波动越大。抗压强度测试为了消除误差获得较为真实或准确的数据,每次测试时,同一配合比选择三个试件进行测试,数据波动大小以误差符(误差棒)的形式放入图中。
试验结果对比分析如下:
可以看出,随着硅灰掺量的增加,拌合物制备所需时间逐渐缩短,拌合物流动性能有所改善,可以看出硅灰的掺入优化了体系颗粒级配。
实施例1经标准养护后拌合物试件强度为62.7MPa,强度较低。
与实施例1相比,实施例2-5拌合物试件的抗压强度逐渐降低,对于GRS20组拌合物试件强度为48.5MPa,下降了22.6%。可以看出,在标准养护条件下,即使掺入硅灰改善了体系粒径分布和成分组成,矿渣、硅灰活性仍较低,无法获得较高强度拌合物。
对于90℃热水养护2d后拌合物,各实施例拌合物试件抗压强度均出现明显增加。实施例1GRS0抗压强度为85.0MPa,与标准养护相比提高了35.6%,随着硅灰掺量的增加,拌合物强度出现轻微递增趋势。可以看出养护温度的提高促进了矿渣、硅灰的反应活性,提高了拌合物力学性能。
对于90℃热水养护2d+250℃干热养护3d的拌合物,各实施例拌合物试件抗压强度进一步得到提升。实施例1GRS0抗压强度为86.8MPa,与标准养护相比提升了38.4%,随着硅灰掺量增加,强度逐渐提升,GRS20组抗压强度最佳,为120.0MPa。
综上所述,本发明提供一种无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料及其制备方法,其中超高强胶凝材料包括矿渣60-80份,活性二氧化硅原料0-20份,弱碱性固体废料10-30份,减水剂1份,河砂100-150份。本发明未采用水泥和碱性激发剂,仅采用电石渣、矿渣、硅灰作为胶凝材料,通过热水-干热组合养护方式充分激发原材料反应活性,制备出拥有超高抗压强度(≥120MPa)的砂浆。本发明提供的无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料及制备途径显著降低二氧化碳排放量,也降低了制备成本和能耗。作为一种低碳胶凝材料,无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料具有很好的应用前景。硅灰作为活性二氧化硅原料,亦可采用其他活性二氧化硅原料替代,包括但不限于稻壳灰、火山灰、纳米二氧化硅等。电石渣作为一种呈碱性的固废原料,亦可采用其他碱性物质替代,包括但不限于碱渣、赤泥等。
本领域普通技术人员可以理解:附图只是一个实施例的示意图,附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料,其特征在于,包括:
按质量份数计,矿渣60-80份,活性二氧化硅原料0-20份,弱碱性固体废料10-30份,减水剂1份,河砂100-150份;
所述河砂的粒径≤4.75mm,细度模数为2.4-2.9;所述弱碱性固体废料的氧化钙含量≥90%;所述减水剂的减水率≥30%。
2.根据权利要求1所述的超高强胶凝材料,其特征在于,包括:
按质量份数计,矿渣60份,活性二氧化硅原料20份,弱碱性固体废料20份,减水剂1份,河砂100份。
3.根据权利要求1所述的超高强胶凝材料,其特征在于,所述活性二氧化硅原料包括硅灰、稻壳灰、火山灰、纳米二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的超高强胶凝材料,其特征在于,所述弱碱性固体废料包括电石渣、赤泥和碱渣。
5.根据权利要求1所述的超高强胶凝材料,其特征在于,所述减水剂为聚羧酸系粉状减水剂。
6.一种无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料的制备方法,其特征在于,包括:
S1将矿渣、活性二氧化硅原料、弱碱性固体废料和河砂进行混合搅拌,加入减水剂再进行混合搅拌,然后加入拌合水继续搅拌,获得流体拌合物;
S2通过跳桌法测定所述流体拌合物的流动度,若所述流体拌合物的流动度超出250±50mm的范围,则返回步骤S1,通过调节减水剂的掺量,重新制备所述流体拌合物;
S3将所述流体拌合物装入模具当中,表面覆盖保鲜膜,然后将装入所述流体拌合物的模具进行第一养护处理,获得拌合物试件;
S4将所述拌合物试件脱模推出;
S5将脱模后的所述拌合物试件进行晾干处理并做标记;
S6对所述标记后的拌合物试件进行第二养护处理,获得所述无水泥和无激发剂的超高强胶凝材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述第一养护处理包括:将装入所述流体拌合物的模具放入养护室中,养护时长为2d。
8.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述第一养护处理包括标准养护、热水养护和热水—干热组合养护;
所述标准养护包括:将所述标记后的拌合物试件放入养护室中,养护时长为28d测试龄期;
所述热水养护包括:将所述标记后的拌合物试件放入90℃的热水中养护2d,然后将所述标记后的拌合物试件置于室温环境下自然养护至28d测试龄期;
所述热水—干热组合养护包括:将所述标记后的拌合物试件放入90℃的热水中养护2d,然后将所述拌合物试件放入温度为250℃的干热箱中干热养护3d,再将所述拌合物试件置于室温环境下自然养护至28d测试龄期。
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