CN117342847A - 一种环保型耐水超高性能混凝土材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种环保型耐水超高性能混凝土材料，每1m3的环保型耐水超高性能混凝土材料由以下组分制成：胶凝材料、石英砂、聚羟酸系高性能减水剂和水；胶凝材料的配比为水泥390‑750kg、煅烧粘土180kg、白云石粉220‑550kg；石英砂的用量是胶凝材料质量的100％，聚羟酸系高性能减水剂的用量是胶凝材料质量的0.8‑1％，水的质量和胶凝材料质量的比为0.2。还提供上述环保型耐水超高性能混凝土材料的制备方法，该方法为：将水泥、煅烧粘土和白云石粉放入搅拌机内搅拌，然后加入石英砂继续搅拌，再将聚羟酸系高性能减水剂溶液加入，搅拌成塑性状态，继续搅拌后装入模具中振捣密实，最后进行养护。本发明制备的环保型耐水超高性能混凝土材料具备良好的力学和耐水性能。
Description
技术领域
本发明属于土木工程材料技术领域，具体涉及一种环保型耐水超高性能混凝土材料及其制备方法。
背景技术
目前，广泛使用的传统混凝土存在如下缺点：
(1)强度较低。普通混凝土抗压强度通常不超过60MPa，抗折强度一般只有5-10MPa，是一种典型的脆性材料，需要与钢筋结合共同受力，而且由于强度较低导致混凝土结构的自重通常很大，一方面会消耗更多的自然资源，另外不适宜建造大空间和大跨度结构；(2)耐久性还有待进一步提高。普通混凝土由于采用粗骨料会导致孔隙率通常大于10％且会产生较多的连通孔，因此软水、氯离子、硫酸盐、二氧化碳气体等有害介质易侵入混凝土内部，会损伤混凝土的微观结构、降低力学性能，进而缩短建筑物的使用寿命。
为解决传统混凝土强度和耐久性低、结构构件自重大、在大跨度、大空间等建筑结构中使用受限等系列问题，超高性能混凝土(UHPC)应运而生。UHPC是在极低的水灰比下(0.18-0.24)，采用水泥、活性粉末、细骨料、高性能减水剂、并掺加适量钢纤维(一般不超过构件体积分数的2％)拌合而成的一种致密水泥基材料，拥有极高的强度和耐久性，其抗压和抗折强度分别超过100MPa和12MPa。然而目前常规UHPC材料不能在工程中大范围应用，主要存在如下两方面问题：
(1)UHPC的制备成本较高。UHPC采用的原材料品质较高，如采用的硅灰粉、钢纤维等原材料价格相对高昂，每平米UHPC的制备成本大约是普通混凝土的5-8倍，因此限制了UHPC在工程中的大范围应用。
(2)UHPC的水泥使用量高、能耗大。由于UHPC设计采用最大紧密堆积密度理论，故水泥使用量大，通常超过1000kg/m3。众所周知，水泥生产能耗高，且是造成温室效应的重要原因之一，与可持续发展的理念背道而驰。
因此，为解决普通混凝土强度低(特别是抗折强度)和耐久性差等问题，以及常规UHPC材料制备成本和能耗高、环境污染大等缺陷，本发明提供一种环保型耐水超高性能混凝土材料及其制备方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种环保型耐水超高性能混凝土材料及其制备方法，该方法中采用煅烧粘土替代硅粉作为活性粉末，并采用白云石粉替代20-60％的水泥，且未掺加钢纤维，使混凝土材料的制备成本与能耗大为降低。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种环保型耐水超高性能混凝土材料，每1m3所述环保型耐水超高性能混凝土材料由以下组分制成：胶凝材料、石英砂、聚羟酸系高性能减水剂和水；所述胶凝材料的配比为水泥390-750kg、煅烧粘土180kg和白云石粉220-550kg；所述石英砂的用量是所述胶凝材料质量的100％，所述聚羟酸系高性能减水剂的用量是所述胶凝材料质量的0.8-1％，所述水的质量和所述胶凝材料质量之比为0.2。
优选地，所述水泥为矿物掺合料不超过5％的P.Ⅰ型硅酸盐水泥或P.Ⅱ型硅酸盐水泥，所述水泥的比表面积为320-340m2/kg；所述煅烧粘土采用高岭石粘土原矿在650-800℃下煅烧2-3h，然后用球磨机研磨3-6h制备而成，高岭石粘土原矿中高岭石含量为55-70％，石英含量≤30％，煅烧粘土平均粒径为0.6-1.2μm，比表面积为20000-24000m2/kg，活性指数1.1-1.2；所述白云石粉中碳酸钙镁的含量为95％，比表面积为600m2/kg；所述石英砂的最大粒径为0.95mm，所述聚羟酸系高性能减水剂的减水率为25-45％。
还提供上述环保型耐水超高性能混凝土材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、将水泥、煅烧粘土和白云石粉放入搅拌机内慢速搅拌1min，然后加入石英砂继续慢速搅拌1min，得到干料混合物；
S2、将所述聚羟酸系高性能减水剂溶于水中，得到减水剂溶液；
S3、将S2中得到的减水剂溶液倒入S1中得到的干料混合物中进行搅拌直至呈现塑性状态，得到塑性状态的混合料；
S4、将S3中得到的塑性状态的混合料先快速搅拌6min，再慢速搅拌2min，然后将搅拌完毕的混合料装入试模内并振捣密实，得到带模具的UHPC试件；
S5、将S4中得到的带模具的UHPC试件在温度为20℃的环境中密封养护24h后脱模，随后置于温度为20℃水中养护至28d龄期，得到环保型耐水超高性能混凝土材料。
优选地，S1中所述搅拌机为JJ-5型行星式水泥胶砂搅拌机。
优选地，S1中所述慢速搅拌和S4中所述慢速搅拌的速率均为62.5r/min，S4中所述快速搅拌的速率为125r/min。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、与常规UHPC相比，本发明制备环保型耐水超高性能混凝土材料(UHPC)的原材料中采用煅烧粘土替代硅粉作为活性粉末，并采用白云石粉替代20-60％的水泥，且UHPC中未掺加钢纤维，使UHPC的制备成本与能耗大为降低，由于水泥使用量最大可降低60％，使UHPC的碳排放量显著减小。另外，原材料中的煅烧粘土与白云石粉能够发生协同反应，生成更多凝胶体，进一步细化UHPC的孔结构(孔隙率降低约1％，最可几孔径降低约50％)，提高了耐水性能。本发明专利中的UHPC材料配合比设计与制备工艺是关键技术。
2、本发明制备的环保型耐水超高性能混凝土材料(UHPC)在经济与环保方面具有明显优势，而且具备良好的力学和耐水性能。28d抗压强度超过110MPa，而抗折强度超过20MPa，可达到《活性粉末混凝土》标准中规定的RPC100标准，若重点考虑UHPC的延性性能时，则可认定为RPC140等级。较常规UHPC材料，具有如下3方面的优点：
(1)采用煅烧粘土作为制备UHPC的活性粉末，其活性与硅灰相当，煅烧粘土制备时的最高煅烧温度一般不超过800度，属于低温煅烧，能源消耗较低，而且粘土煅烧过程中不会往大气中排放二氧化碳，对环境无污染；另外，粘土中允许含有石英等杂质，因此原材料的成本也相对低廉，总之本发明中的活性粉末：煅烧粘土是一种低碳环保、节能活性材料；
(2)UHPC材料的水灰比极低，水泥的水化程度只有30％左右，而每生产一吨水泥会排放0.5吨二氧化碳，因此本发明在制备UHPC过程中，采用价格低廉的白云石粉替代部分水泥，其最大替代比例可达到水泥质量分数的60％，水泥使用量显著降低，无论是在降低碳排放还是节约成本方面均有显著优势。此外，煅烧粘土中的铝相能够与白云石粉在水化过程中发生协同反应，生成额外的凝胶体，与常规UHPC相比，50-100nm毛细孔比例降低约20％，而10nm以下凝胶空比例增加约30％，孔结构进一步细化，提高UHPC材料的力学和耐久性能。
(3)本发明中制备的UHPC材料未掺加钢纤维，其抗折强度可超过20MPa，可以达到《活性粉末混凝土》标准中规定RPC140等级，具有良好的延性性能，而不使用钢纤维则使UHPC的制备成本显著降。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是一组UHPC试块。
具体实施方式
实施例1
本实施例中每1m3的环保型耐水超高性能混凝土材料由以下原料制成：水泥712kg、煅烧粘土180kg、白云石粉223kg、石英砂1115kg、聚羟酸系高性能减水剂11.2kg和水，水胶比(水的质量和胶凝材料质量之比)为0.2，胶凝材料质量为水泥、煅烧粘土、白云石粉的质量之和；
实施例2
本实施例中每1m3的环保型耐水超高性能混凝土材料由以下原料制成：水泥613kg、煅烧粘土180kg、白云石粉322kg、石英砂1115kg、聚羟酸系高性能减水剂11.2kg和水，水胶比(水的质量和胶凝材料质量之比)为0.2，胶凝材料质量为水泥、煅烧粘土、白云石粉的质量之和；
实施例3
本实施例中每1m3的环保型耐水超高性能混凝土材料由以下原料制成：水泥502kg、煅烧粘土180kg、白云石粉433kg、石英砂1115kg、聚羟酸系高性能减水剂10kg和水，水胶比(水的质量和胶凝材料质量之比)为0.2，胶凝材料质量为水泥、煅烧粘土、白云石粉的质量之和；
实施例4
本实施例中每1m3的环保型耐水超高性能混凝土材料由以下原料制成：水泥390kg、煅烧粘土180kg、白云石粉545kg、石英砂1115kg、聚羟酸系高性能减水剂9kg和水，水胶比(水的质量和胶凝材料质量之比)为0.2，胶凝材料质量为水泥、煅烧粘土、白云石粉的质量之和；
实施例1-4中的水泥为矿物掺合料不超过5％的P.Ⅰ型硅酸盐水泥，所述水泥的比表面积为320-340m2/kg，C3S+C2S≥70％，C3S≥50％，3d抗压强度≥18MPa，3d抗折强度≥4MPa，28d抗压强度≥42.5MPa，28d抗折强度≥7MPa；所述煅烧粘土采用高岭石粘土原矿在750℃下煅烧3h，然后用球磨机研磨4h制备而成，高岭石粘土原矿中高岭石含量为70％，石英含量≤30％，煅烧粘土平均粒径0.6-1.2μm，比表面积为24000m2/kg，活性指数1.1；所述白云石粉中碳酸钙镁的含量为95％，CaO的含量为27-32％，MgO的含量为18-24％，烧失量为44-47％，平均粒径为25-40μm，比表面积为600m2/kg；所述石英砂的最大粒径为0.95mm，所述聚羟酸系高性能减水剂的含固量为40-50％，减水率为25-45％；
实施例5
实施例1-4中环保型耐水超高性能混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将水泥、煅烧粘土和白云石粉放入JJ-5型行星式水泥胶砂搅拌机内慢速搅拌1min，然后加入石英砂继续慢速搅拌1min，得到干料混合物；所述慢速搅拌的速率为62.5r/min；
S2、将所述聚羟酸系高性能减水剂溶于水中，得到减水剂溶液；
S3、将S2中得到的减水剂溶液倒入S1中得到的干料混合物中进行搅拌直至呈现塑性状态，得到塑性状态的混合料；
S4、将S3中得到的塑性状态的混合料先快速搅拌6min，再慢速搅拌2min，然后将搅拌完毕的混合料装入试模内并振捣密实，得到带模具的UHPC试件；所述慢速搅拌的速率为62.5r/min，所述快速搅拌的速率为125r/min；
S5、将S4中得到的带模具的UHPC试件在温度为20℃的环境中密封养护24h后脱模，随后置于温度为20℃水中养护至28d龄期，得到环保型耐水超高性能混凝土材料，即UHPC试块。
为验证本发明的可实施性，按照表1给定的材料配合比(即实施例1-4)按实施例5中的方法制备并养护UHPC试块，试块尺寸为40×40×160mm3，每组包含三个试块(图1所示为一组试块)。根据规范GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》的规定测定UHPC试块的抗压和抗折强度。UHPC材料1-28d抗压强度和抗折强度如表2所示。表2表明，四种配比的UHPC材料28天龄期时抗压强度均超过了110MPa，而抗折强度全部超过20MPa。试验结果证实按实施例1-4中配比制备的UHPC材料达到了《活性粉末混凝土》标准中规定的RPC100等级，若重点考虑材料的韧性性能，则可认定为达到了RPC140等级。尽管本发明专利中的UHPC材料没有掺加钢纤维，但抗折强度达到了RPC140等级，而且水泥替代比例可达到60％以上，制备成本与碳排放量较常规UHPC材料显著降低。当白云石粉的用量为550kg时，水泥替代比例为60％。
表1
表2
为验证本发明UHPC材料的耐水性能，将标准养护至28天龄期的UHPC试块在20℃水中浸泡90、180、270、360天，测定不同龄期时的抗压与抗折强度，计算得到各龄期强度与28天龄期强度的比值，如表3所示。
表3
由表3可知，实施例1-4四种配比制备的UHPC试块在水中浸泡一年后，无论是抗压强度还是抗折强度与28天龄期强度的比值均接近1，强度损失比例不超过5％。因此实验结果证明，本发明专利制备的环保型耐水超高性能混凝土(UHPC)材料具有良好的耐水性。
实施例6
本实施例中每1m3的环保型耐水超高性能混凝土材料由以下原料制成：水泥550kg、煅烧粘土180kg、白云石粉400kg、石英砂1130kg、聚羟酸系高性能减水剂11.3kg和水，水胶比(水的质量和胶凝材料质量之比)为0.2，胶凝材料质量为水泥、煅烧粘土、白云石粉的质量之和；
水泥为矿物掺合料不超过5％的P.Ⅱ型硅酸盐水泥，所述水泥的比表面积为320-340m2/kg，C3S+C2S≥70％，C3S≥50％，3d抗压强度≥18MPa，3d抗折强度≥4MPa，28d抗压强度≥42.5MPa，28d抗折强度≥7MPa；所述煅烧粘土采用高岭石粘土原矿在800℃下煅烧2h，然后用球磨机研磨3h制备而成，高岭石粘土原矿中高岭石含量为55-65％，石英含量≤30％，煅烧粘土平均粒径为0.6-1.2μm，比表面积为20000-22000m2/kg，活性指数1.2；所述白云石粉中CaO的含量为27-32％，MgO的含量为18-24％，烧失量为44-47％，平均粒径为25-40μm，比表面积为600m2/kg；所述石英砂的最大粒径为0.95mm，所述聚羟酸系高性能减水剂的含固量为40-50％，减水率为25-45％。
本实施例中水泥的用量还可以为450kg、600kg、650kg或750kg，白云石粉的用量还可以为220kg、250kg、300kg、350kg或550kg，石英砂、聚羟酸系高性能减水剂和水的用量为相应计算用量；煅烧粘土采用高岭石粘土原矿在650℃下煅烧3h，然后用球磨机研磨6h制备而成。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种环保型耐水超高性能混凝土材料，其特征在于，每1m3所述环保型耐水超高性能混凝土材料由以下组分制成：胶凝材料、石英砂、聚羟酸系高性能减水剂和水；所述胶凝材料的配比为水泥390-750kg、煅烧粘土180kg和白云石粉220-550kg；所述石英砂的用量是所述胶凝材料质量的100％，所述聚羟酸系高性能减水剂的用量是所述胶凝材料质量的0.8-1％，所述水的质量和所述胶凝材料质量之比为0.2。
2.根据权利要求1所述的一种环保型耐水超高性能混凝土材料，其特征在于，所述水泥为矿物掺合料不超过5％的P.Ⅰ型硅酸盐水泥或P.Ⅱ型硅酸盐水泥，所述水泥的比表面积为320-340m2/kg；所述煅烧粘土的比表面积为20000-24000m2/kg；所述白云石粉的比表面积为600m2/kg；所述石英砂的最大粒径为0.95mm，所述聚羟酸系高性能减水剂的减水率为25-45％。
3.一种如权利要求1或2所述的环保型耐水超高性能混凝土材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、将水泥、煅烧粘土和白云石粉放入搅拌机内慢速搅拌1min，然后加入石英砂继续慢速搅拌1min，得到干料混合物；
S2、将所述聚羟酸系高性能减水剂溶于水中，得到减水剂溶液；
S3、将S2中得到的减水剂溶液倒入S1中得到的干料混合物中进行搅拌直至呈现塑性状态，得到塑性状态的混合料；
S4、将S3中得到的塑性状态的混合料先快速搅拌6min，再慢速搅拌2min，然后将搅拌完毕的混合料装入试模内并振捣密实，得到带模具的UHPC试件；
S5、将S4中得到的带模具的UHPC试件在温度为20℃的环境中密封养护24h后脱模，随后置于温度为20℃水中养护至28d龄期，得到环保型耐水超高性能混凝土材料。
4.根据权利要求3所述的一种环保型耐水超高性能混凝土材料的制备方法，其特征在于，S1中所述搅拌机为JJ-5型行星式水泥胶砂搅拌机。
5.根据权利要求3所述的一种环保型耐水超高性能混凝土材料的制备方法，其特征在于，S1中所述慢速搅拌和S4中所述慢速搅拌的速率均为62.5r/min，S4中所述快速搅拌的速率为125r/min。
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