CN117164311A - 一种高性能低碳混凝土用一体化胶凝材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能低碳混凝土用一体化胶凝材料，由如下重量份的原料干混均匀得到：硅酸盐水泥熟料粉35‑40份；高钙高铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉5‑6份；细石灰石粉5‑10份；磨细粉煤灰14‑20份；矿渣微粉10‑15份；钢渣微粉10‑15份；粗石灰石粉5‑10份。高钙高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的配料参数：碱度系数Cm值1.60～1.65，fCaO0.5～1.0％，fSO30.5～1.0％；矿物组成：C2S 50～60％，C4A3S 20～25％，C6AF210‑15％，C12A75‑10％。本发明一体化胶凝材料，水泥熟料用量低至33‑38％，28d强度可达到41.0‑42.0MPa。
Description
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，特别是涉及一种高性能低碳混凝土用一体化胶凝材料。
背景技术
在世界各国都积极“降碳、减碳”的大环境下，开展低碳混凝土的开发与利用具有非常重要的现实意义。水泥是混凝土碳排放的主要来源，大幅度减少混凝土中的水泥熟料或者胶凝材料用量，多用矿物掺合料是降低混凝土碳足迹最有效的方法。
中国专利CN 103193434 A公开了一种低碳和吸碳混凝土及其制备方法，其采用高钙粉煤灰作为矿物掺合料，并利用从高钙粉煤灰引入混凝土中多余的f-CaO吸收CO2，从而达到吸碳目的；中国专利CN 114890744 A公开了一种绿色低碳混凝土的制备方法，其采用高钛矿渣粉作为矿物掺合料，主要利用高钛矿渣粉中TiO2和钙钛矿吸收和还原CO2的作用，实现混凝土降碳；中国专利CN 114835455 A公开了一种低碳混凝土及胶凝材料，其主要是提升胶凝材料中的一级粉煤灰的占比，一级粉煤灰的占比达到50％以上，水泥的含量降低到了50％以下，通过降低水泥用量实现混凝土低碳；中国专利CN 108439833A公开了一种高性能低碳混凝土，其主要选用矿渣粉、细陶瓷粉和粉煤灰作为胶凝材料的原料，并加入纳米级硅土和纳米粘土，混合形成颗粒级配合理的微集料混合物，替代水泥使用，使混凝土的强度保持施工要求，减少CO2等温室气体的排放。
但上述技术提到的低碳混凝土都存在一定的技术缺陷，比如利用高钙粉煤灰中的f-CaO吸收CO2虽然可能产生一定减碳效果，但是f-CaO在混凝土水化后期产生的微膨胀会对混凝土的结构安全性带来隐患；高钛矿渣粉的活性相比普通矿渣粉要低很多，替代水泥的量非常有限；一级粉煤灰固然有非常好的活性效应和滚珠效应，但一级粉煤灰资源非常有限，仅占粉煤灰总量的10％以下，利用一级粉煤灰把胶凝材料中的水泥用量降低到50％以下，能够节省的水泥熟料或者水泥的总量也很小；在混凝土中添加纳米材料替代水泥，虽然可大幅度降低混凝土中的水泥用量，降低混凝土碳减排强度，但由于制备纳米材料需要大量的能源消耗，产生的高碳排放并没有考虑进去，并没有从真正意义上降低碳的减排。此外，现有技术还有一个重大技术缺陷，都是以水泥(或胶凝材料)、矿物掺合料、骨料、外加剂四种基础材料来研究制备低碳混凝土。因为水泥生产时也添加矿渣粉、粉煤灰等混合材料，会与混凝土制备过程中添加的矿物掺合料在功能上有重复或者冲突，因此并没有从混凝土材料整体发展，对材料的性能进行全面设计和考虑，不利于低碳混凝土材料性能的整体优化，更进一步降低混凝土中水泥熟料的用量，实现最大程度的减碳效果。
发明内容
针对现有低碳混凝土存在的上述问题，本发明提供了一种高性能低碳混凝土用一体化胶凝材料。本发明以实现最大幅度降低混凝土二氧化碳减排和混凝土高性能化为双重目标，发明了一种高性能的一体化胶凝材料，将传统混凝土技术普遍采用的四种基本原料配料，简化为三种基本原料配料，将混凝土需要的水泥(或胶凝材料)与混凝土矿物掺合料统一协调制备成一体化胶凝材料，后期只要和骨料以及外加剂配料即可。
本发明是这样实现的，一种高性能低碳混凝土用一体化胶凝材料，由如下重量份的原料干混均匀得到：硅酸盐水泥熟料粉35-40份；高钙高铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉5-6份；细石灰石粉5-10份；磨细粉煤灰14-20份；矿渣微粉10-15份；钢渣微粉10-15份；粗石灰石粉5-10份。
在上述技术方案中，优选的，所述高钙高铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉，是将高钙高铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料磨细至比表面积为380～400m2/kg得到；
高钙高铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料，是通过对其配料率值和矿物组成进行限定而烧成，能够和普通硅酸盐水泥很好地适应，并能够显著提高一体化胶凝材料的早期强度，特别是能够促进一体化胶凝材料中添加的各种矿物掺料的早期水化活性。所述高钙高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的配料参数为：碱度系数Cm值为1.60～1.65，fCaO为0.5～1.0％，fSO3为0.5～1.0％；所述高钙高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料熟料的矿物组成按重量百分比计：C2S矿物含量为50～60％，C4A3S矿物含量为20～25％，C6AF2矿物含量为10-15％，C12A7矿物含量为5-10％。
在上述技术方案中，优选的，所述硅酸盐水泥熟料粉，由95％的普通硅酸盐水泥熟料和5％的脱硫石膏一起磨细而得，比表面积为380-400m2/kg。
在上述技术方案中，优选的，所述细石灰石粉，是由石灰石经过单独超细粉磨得到，比表面积为800-900m2/kg。
在上述技术方案中，优选的，所述磨细粉煤灰，是由原状粉煤灰经过单独磨细得到，比表面积为500-550m2/kg。
在上述技术方案中，优选的，所述矿渣微粉，是由水淬矿渣经过单独磨细得到，比表面积为550-600m2/kg。
在上述技术方案中，优选的，所述钢渣微粉，是由转炉钢渣经过单独磨细得到，比表面积为450-500m2/kg。
在上述技术方案中，优选的，所述粗石灰石粉，是由石灰石经过单独磨细得到，比表面积为150-200m2/kg。
本发明制备的一体化胶凝材料，尽最大程度地减少硅酸盐水泥熟料的用量，最大程度地利用石灰石粉、粉煤灰、矿渣微粉、钢渣微粉等矿物掺量；同时为了确保大掺量使用矿物掺量造成一体化胶凝材料早期强度偏低等不利影响，还添加了一种新型高钙高铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料，这种新型高钙高铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料区别于现有技术的硫铝酸盐水泥熟料或者高贝利特硫铝酸盐水泥熟料与普通硅酸盐水泥相容性差的缺点，其与硅酸盐水泥熟料不仅能够很好地协同水化发展，还能够显著提高硅酸盐水泥熟料体系的早期强度，特别是能够激发粉煤灰、矿渣粉、钢渣粉、石灰石粉的早期活性效应，使得一体化胶凝材料的早期水化能满足混凝土发展的要求，减少新拌混凝土的早期泌水等缺陷。一体化胶凝材料按照混凝土最佳密实度的要求设计粒度组成、并与混凝土骨料粒度级配相互协调，按照混凝土水化硬化梯度设计水泥熟料和辅助胶凝材料组成，做到即显著提高混凝土的性能又最大程度地降低混凝土中的水泥熟料用量，实现减碳。
一体化胶凝材料的使用，克服了以往混凝土材料设计的缺陷，简化了混凝土制备流程。更有利的是，一体化胶凝材料中硅酸盐水泥熟料的用量显著低于现有水泥或者胶凝材料中的用量，并具有良好的性能，能够保证制备的低碳混凝土在具备良好性能的情况下，使用硅酸盐水泥熟料的比例最大幅度地降低，实现大幅度降低碳排放强度的实际效果。
本发明具有的优点和积极效果是：
1)本发明制备的一体化胶凝材料，水泥熟料用量低至33-38％，具有良好的强度，28d强度可达到41.0-42.0MPa，是一种低碳胶凝材料，使得用此一体化胶凝材料制备的混凝土不需要添加其它矿物掺合料。
2)本发明制备的一体化胶凝材料，含有的高钙高铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料，能够对大掺量矿物掺料的早期水化活性进行有效激发，使一体化胶凝材料3d强度提高7.7MPa，28d强度提高3.0MPa，显著促进了性能的优化。
3)本发明制备的一体化胶凝材料，粒度分布按照最佳密实度设计，一体化胶凝材料的颗粒分布可与低碳混凝土中的骨料的粒度级配形成良好的连续性，使低碳混凝土拌合物相对普通混凝土具有更高的流动性，混凝土拓展度提高10-15％。
4)利用本发明一体化胶凝材料制备的低碳混凝土，相对传统方法制备的混凝土，在胶凝材料用量相同情况下，C30-C60等级混凝土各龄期抗压强度提高2-4MPa，扩展度明显增大，是一种高性能混凝土。
5)利用本发明一体化胶凝材料制备的低碳混凝土，在不同强度等级下(C30-C60)，相比普通混凝土，水泥熟料用量降低了14.3％左右，即混凝土的碳排放强度降低了14.3％，是一种低碳混凝土。
6)利用本发明一体化胶凝材料制备的低碳混凝土，在混凝土制备时，不需要再次添加任何矿物掺合料，简化了混凝土的配料工序，进一步提高了混凝土的均质性和施工性能，胶凝材料中大掺量矿物掺料的二次水化反应强化了硬化水泥浆体和骨料的界面过渡区，改善和提高了混凝土长期耐久性。
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。
实施例1高钙高铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉的制备
按表1所示的重量配比和配料率值，研磨获得细度为0.08mm，筛余小于8％的1.0吨生料，经回转窑1350℃煅烧后，获得0.75吨(生料烧失量为25％)的高钙高铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料，经过研磨获得比表面积为380～400m2/kg的高钙高铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉。
表1生料配比和配料率值
高钙钙铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料的矿物组成见表2所示。
表2高钙高铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料矿物组成
实施例2一体化胶凝材料的制备
按照表3所示重量配比将各组分依次加入干粉混合机中，经过充分均匀混合得到一体化胶凝材料。
表3一体化胶凝材料的重量配比
利用标准GB17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》、GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》，对上述几组一体化胶凝材料的物理性能进行了测定，结果如表4所示。
表4一体化胶凝材料物理性能
从表4可以看出，组号1-组号5的一体化胶凝材料，3d强度达到20.0MPa左右，28d抗压强度达到41.5MPa左右，具有相对良好的强度和发展规律；组号6的一体化胶凝材料，未添加高钙高铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料对矿物掺料的活性进行激发，3d强度只有12.3MPa，28d只有38.5MPa，明显低于组号1-组号5的一体化胶凝材料。充分证明了：高钙高铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料对矿物掺料活性的显著激发效果，也证实了本发明中的一体化胶凝材料的性能优越性。
实施例3低碳混凝土的制备
本实施例中，胶凝材料采用一体化胶凝材料，按照表3中的组号2制备，硅酸盐水泥熟料在一体化胶凝材料中的掺加比例为36％；细骨料是细度数为2.5的中级机制砂；粗骨料是粒径为5-25mm连续级配的石子骨料；减水剂为聚羧酸高效减水剂，固含量为20％的液剂，减水率大于30％；低碳混凝土强度等级按C30、C40、C50、C60设计。一体化胶凝材料：360-520份；细骨料800-900份；粗骨料：1100-1200份；减水剂：7.0-9.0份；水：160-180份。
组号1：
按以下重量份称取各原料：一体化胶凝材料360份；细骨料800份；粗骨料1100份；减水剂7.0份，清水180份。
其制备方法是：将一体化胶凝材料、细骨料、粗骨料，倒入搅拌机中搅拌1分钟使之混合均匀；将减水剂混入水中，并使其充分混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌2-5分钟，即得到低碳混凝土。
组号2：
按以下重量份称取各原料：一体化胶凝材料410份；细骨料900份；粗骨料1180份；减水剂7.5份，清水170份。
其制备方法是：将一体化胶凝材料、细骨料、粗骨料，倒入搅拌机中搅拌1分钟使之混合均匀；将减水剂混入水中，并使其充分混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌2-5分钟，即得到低碳混凝土。
组号3：
按以下重量份称取各原料：一体化胶凝材料480份；细骨料851份；粗骨料1200份；减水剂8.0份，清水175份。
其制备方法是：将一体化胶凝材料、细骨料、粗骨料，倒入搅拌机中搅拌1分钟使之混合均匀；将减水剂混入水中，并使其充分混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌2-5分钟，即得到低碳混凝土。
组号4：
按以下重量份称取各原料：一体化胶凝材料520份；细骨料800份；粗骨料1100份；减水剂9.0份，清水160份。
其制备方法是：将一体化胶凝材料、细骨料、粗骨料，倒入搅拌机中搅拌1分钟使之混合均匀；将减水剂混入水中，并使其充分混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌2-5分钟，即得到低碳混凝土。
为了能够充分体现本发明的低碳混凝土的性能优势，同步对比了采用P.O42.5水泥和添加矿物掺合料作为胶凝材料的传统方法制备的混凝土。其中，P.O42.5水泥，组成中硅酸盐水泥熟料掺加比例为70％，脱硫石膏和其它矿物掺料掺加比例为30％，3d强度为26.0MPa，28d强度为50.0MPa；矿物掺合料使用：Ⅱ粉煤灰比表面积为320m2/kg，矿渣微粉比表面积为420m2/kg。
对比1：
按以下重量份称取各原料：P.O42.5水泥216份；Ⅱ粉煤灰72份；矿渣微粉72份；细骨料795份；粗骨料996份；减水剂6.0份，清水160份。
其制备方法是：将P.O42.5水泥、Ⅱ粉煤灰、矿渣微粉、细骨料、粗骨料，倒入搅拌机中搅拌1分钟使之混合均匀；将减水剂混入水中，并使其充分混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌2-5分钟，即得到对比1混凝土。
对比2：
按以下重量份称取各原料：P.O42.5水泥246份；Ⅱ粉煤灰82份；矿渣微粉82份；细骨料762份；粗骨料980份；减水剂6.5份，清水157份。
其制备方法是：将P.O42.5水泥、Ⅱ粉煤灰、矿渣微粉、细骨料、粗骨料，倒入搅拌机中搅拌1分钟使之混合均匀；将减水剂混入水中，并使其充混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌2-5分钟，即得到对比2混凝土。
对比3：
按以下重量份称取各原料：P.O42.5水泥288份；Ⅱ粉煤灰96份；矿渣微粉96份；细骨料751份；粗骨料954份；减水剂7.0份，清水154份。
其制备方法是：将P.O42.5水泥、Ⅱ粉煤灰、矿渣微粉、细骨料、粗骨料，倒入搅拌机中搅拌1分钟使之混合均匀；将减水剂混入水中，并使其充分混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌2-5分钟，即得到对比3混凝土。
对比4：
按以下重量份称取各原料：P.O42.5水泥312份；Ⅱ粉煤灰104份；矿渣微粉104份；细骨料780份；粗骨料902份；减水剂8.0份，清水150份。
其制备方法是：将P.O42.5水泥、Ⅱ粉煤灰、矿渣微粉、细骨料、粗骨料倒入搅拌机中搅拌1分钟使之混合均匀；将减水剂混入水中，并使其充分混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌2-5分钟，即得到对比4混凝土。
依据GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和GB/T50081-2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进对上述实施例和对比例制备的混凝土进行坍落度、扩展度以及3d、7d、28d抗压强度的测定，结果如表5所示：
表5各组号低碳混凝土工作性能和力学性能
从表5可以看出，本发明提供的低碳混凝土各实施例(组号1-组号4)的性能和采用传统方法制备的混凝土(对比1-对比4)相比较，制备不同强度等级(C30-C60)的混凝土，在控制混凝土坍落度基本相同的情况下，相应等级的混凝土在各龄期的强度均有2-4MPa的提高，拓展度提高了60-80mm，提高程度为10-15％，性能更优。低碳混凝土(C30-C60)相比对应采用传统方法制备的混凝土，混凝土中的水泥熟料用量降低了14.3％，即混凝土的碳排放强度降低了14.3％，是一种真正的低碳混凝土。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种高性能低碳混凝土用一体化胶凝材料，其特征在于：由如下重量份的原料干混均匀得到：硅酸盐水泥熟料粉35-40份；高钙高铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉5-6份；细石灰石粉5-10份；磨细粉煤灰14-20份；矿渣微粉10-15份；钢渣微粉10-15份；粗石灰石粉5-10份。
2.根据权利要求1所述的高性能低碳混凝土用一体化胶凝材料，其特征在于：所述高钙高铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉，是将高钙高铁贝利特硫铝酸盐水泥熟料磨细至比表面积为380～400m2/kg得到；
所述高钙高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的配料参数为：碱度系数Cm值为1.60～1.65，fCaO为0.5～1.0％，fSO3为0.5～1.0％；所述高钙高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料熟料的矿物组成按重量百分比计：C2S矿物含量为50～60％，C4A3S矿物含量为20～25％，C6AF2矿物含量为10-15％，C12A7矿物含量为5-10％。
3.根据权利要求1所述的高性能低碳混凝土用一体化胶凝材料，其特征在于：所述硅酸盐水泥熟料粉，由95％的普通硅酸盐水泥熟料和5％的脱硫石膏一起磨细而得，比表面积为380-400m2/kg。
4.根据权利要求1所述的高性能低碳混凝土用一体化胶凝材料，其特征在于：所述细石灰石粉，是由石灰石经过单独超细粉磨得到，比表面积为800-900m2/kg。
5.根据权利要求1所述的高性能低碳混凝土用一体化胶凝材料，其特征在于：所述磨细粉煤灰，是由原状粉煤灰经过单独磨细得到，比表面积为500-550m2/kg。
6.根据权利要求1所述的高性能低碳混凝土用一体化胶凝材料，其特征在于：所述矿渣微粉，是由水淬矿渣经过单独磨细得到，比表面积为550-600m2/kg。
7.根据权利要求1所述的高性能低碳混凝土用一体化胶凝材料，其特征在于：所述钢渣微粉，是由转炉钢渣经过单独磨细得到，比表面积为450-500m2/kg。
8.根据权利要求1所述的高性能低碳混凝土用一体化胶凝材料，其特征在于：所述粗石灰石粉，是由石灰石经过单独磨细得到，比表面积为150-200m2/kg。
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