CN102001845A - 含硅微粉的混凝土组合物及其配制方法 - Google Patents

含硅微粉的混凝土组合物及其配制方法 Download PDF

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Abstract

一种含硅微粉的混凝土组合物及其制备方法，混凝土组合物由胶凝材料、外加剂、粗骨料、细骨料、水混合配制而成，混凝土中胶凝材料的用量范围为250kg/m3-700kg/m3，胶凝材料中含有10kg/m3-200kg/m3的硅微粉，其余为水泥和矿物掺合料。本发明可以显著降低混凝土水化温升，减少混凝土的开裂，有效提高混凝土耐久性。本发明可以配制出适合多种用途的混凝土。

Description

含硅微粉的混凝土组合物及其配制方法
技术领域：
本发明涉及一种高性能建筑材料及其制备方法。
背景技术：
混凝土是人类近代最广泛使用的建筑材料，也是当前最大宗的人造材料。与其他常用建筑材料相比，水泥混凝土不仅具有生产能耗低、原料来源广、工艺简便、生产成本低等优点，而且具有耐久、防火、适用性强、应用方便等特点。因而，在今后相当长的时间内，水泥混凝土仍将是应用最广、用量最大的建筑材料。随着混凝土技术的发展，人们意识到矿物掺合料对于改善混凝土工作性，提高混凝土耐久性，降低水泥用量、减少环境污染等方面具有重要作用，矿物掺合料已经成为高性能混凝土不可或缺的组分，常用的混凝土掺合料包括粉煤灰、磨细矿渣粉、硅灰、偏高岭土等。这些矿物掺合料因特质的不同，各有其优点和不足。如偏高岭土、硅灰增强效果好，但价格高，偏高岭土需要经过煅烧和磨细，能耗大，硅灰会增大混凝土的收缩，掺磨细矿渣的混凝土，磨细矿渣掺量不足70％时混凝土水化温升较高，但过高掺量会增加混凝土泌水，掺粉煤灰的混凝土能降低温升，但早期强度低。近年来随着基础建设规模的不断扩大，优质矿物掺合料已经面临严重资源短缺的问题。因此，必须扩展混凝土矿物掺合料的资源范围。同时，因水泥水化产生的温度升高是导致混凝土开裂的主要原因之一，开发一种能降低混凝土温升的新型矿物掺合料是本领域技术人员所面临的一个技术问题。
硅微粉与现有的硅灰虽主要成分均是二氧化硅，但是有明显的不同，主要区别在于：
1.生产工艺完全不同：硅微粉是由天然石英(SiO2)或熔融石英(天然石英经高温熔融、冷却后的非晶态SiO2)经破碎、球磨(或振动、气流磨)、浮选、酸洗提纯、高纯水处理等多道工艺加工而成的微粉。硅灰或称凝聚硅灰，也有人叫硅粉。是铁合金在冶炼硅铁和工业硅
(金属硅)时，电炉内产生出大量挥发性很强的SiO2和Si气体，气体排放后与空气迅速氧化冷凝沉淀而成。它是工业冶炼中的副产物，整个过程需要用除尘环保设备进行回收。
2.用途不同：硅微粉具备耐温性好、耐酸碱腐蚀、导热性差、高绝缘、低膨胀、化学性能稳定、硬度大等优良的性能。目前广泛应用于电子封装材料、高分子复合材料、塑料、涂料、橡胶、颜料、陶瓷、胶粘剂、玻璃钢、药物载体、化妆品及抗菌材料等领域。硅灰主要利用其火山灰活性好的特点，主要在建筑材料领域大量应用。
3.二氧化硅含量不同：硅微粉与硅灰的化学成分基本上是相同的，主要成分都是二氧化硅，而且杂质里都含有氧化钠、氧化钙，氧化镁，氧化铁，氧化铝等。只不过硅微粉的含硅量比较高，基本都在95％以上，而硅灰的含硅量一般都在80-92％，94％以上都属于很不常见的。
4.细度不同：硅微粉由天然石英加工而成的，粒度比较粗，根据工艺不同可以获得不同的粒度，一般粒度大于1μm，比表面积一般在400-2000m2/kg，是一种粉状态。而硅灰的细度小于1μm的占80％以上，平均粒径在0.1-0.3μm，比表面积在18000m2/kg以上，是一种灰状态。
目前应用于电子器件、涂料等行业的硅微粉对其产品纯度要求极高，如电子行业甚至要求达到99.999％的纯度，因此硅微粉的生产需经浮选、酸洗提纯、高纯水处理等多道工艺处理。但我国有大量石英矿的品位相对较低，难以制得高纯度的硅微粉，如何利用这部分低纯度的硅微粉也是硅微粉生产行业的一个难题。
发明内容：
本发明创造性的将低纯度硅微粉应用于混凝土复合掺和料的制备，提供了一种含硅微粉的混凝土组合物及其制备方法，不仅解决了低纯度硅微粉的应用问题，也为进一步解决混凝土的温度收缩开裂、提高混凝土耐久性提供了一条新的途径。
本发明的技术方案：这种含硅微粉的混凝土组合物由胶凝材料、粗骨料、细骨料、外加剂、水混合配制而成，混凝土中胶凝材料的用量范围为250kg/m3-700kg/m3，胶凝材料中含有10kg/m3-200kg/m3的硅微粉，其余为水泥和矿物掺合料。
上述水泥在胶凝材料中所占的重量百分比为20％-97％。
上述硅微粉具有特定细度，比表面积大于400m2/kg。
上述硅微粉是由石英岩经破碎、磨细等工艺而制成的，SiO2含量大于90％。
上述矿物粉料主要是粉煤灰、磨细矿渣、硅灰、偏高岭土、石灰石粉、钢渣粉、磷渣粉、锂渣粉之中的一种或二种以上的混合物。
上述外加剂是聚羧酸系高效减水剂、萘系高效减水剂、三聚氰胺系高效减水剂、氨基磺酸盐高效减水剂、引气剂、缓凝剂、早强剂、膨胀剂之中的一种或两种以上的复配产物。
上述的含硅微粉混凝土组合物的制备方法，其特征在于：将胶凝材料中的各组分按以下配比混合在一起，硅微粉占胶凝材料总量的3％-30％，水泥占胶凝材料总量的10％-97％，矿物掺合料占胶凝材料总量的0％-87％，然后加入粗骨料、细骨料、外加剂、水混合配制成混凝土组合物。
上述胶凝材料中各组分占胶凝材料的较好配合比以重量比计算如下：
硅微粉：5％-20％；水泥：25％-70％；矿物掺合料：10％-70％。
本发明的优点在于：水泥水化放热导致混凝土的温度升高从而产生的温度收缩是导致混凝土开裂的主要因素之一。由于硅微粉是由天然石英岩磨细而成，并不具有胶凝活性，属于一种惰性掺合料，因此硅微粉的掺入能有效降低混凝土体系的水化温升，减少混凝土的温度收缩开裂。同时由于硅微粉中石英紧密堆积的分子结构，使得其需水量小，硅微粉掺入混凝土中，具有显著的减水效果，在相同水胶比的情况下，能降低高效减水剂的用量，降低混凝土材料成本，在相同减水剂用量情况下，能降低混凝土体系用水量，提高混凝土的强度和耐久性。
本发明可以配制出适合多种用途的混凝土。如：用于泵送施工的大流动性混凝土、满足低水化热要求的大体积混凝土、用于预制构件生产的塑性混凝土、用于港口和海洋工程高耐久性混凝土、超高强混凝土、自密实混凝土、活性粉末混凝土等。
具体实施方式：
本发明是一种硅微粉的混凝土组合物，其特征在于将石英岩加工成硅微粉，采用硅微粉配制出混凝土组合物，该组合物的组成材料包括：由水泥、矿物掺合料和硅微粉组成的胶凝材料，粗骨料、细骨料、外加剂和水。其中胶凝材料中各组成材料所占重量比为：硅微粉3％-30％，水泥10％-97％，矿物掺合料0％-87％。其中胶凝材料中各组成材料所占重量比最好为硅微粉：5％-20％；水泥：25％-70％；矿物掺合料：10％-70％。当混凝土中粉体材料用量范围为250kg/m3-700kg/m3，其中含有10kg/m3-200kg/m3的硅微粉时，可制备出高性能的混凝土。
上述硅微粉是由石英岩经破碎、磨细等工艺而制成的，SiO2含量大于90％。满足本发明所需的硅微粉的比表面积需大于400m2/kg。
本发明所采用的矿物粉料可选择粉煤灰、磨细矿渣、硅灰、偏高岭土、石灰石粉、钢渣粉、磷渣粉、锂渣粉之中的一种或二种以上混合使用。
本发明所用的细骨料可以使天然砂或人工砂，其中，人工砂包括机制砂和由天然砂与机制砂混合而成的混合砂，粗骨料可以是碎石或碎卵石。
本发明所使用的外加剂应该具有好的分散和减水效果，可以采用聚羧酸系高效减水剂、萘系高效减水剂、三聚氰胺系高效减水剂、氨基磺酸盐高效减水剂中的一种或两种以上复配的产物。此外还可以复合使用其它外加剂，如引气剂、缓凝剂、早强剂、膨胀剂等。
本发明的混凝土适于采用强制式搅拌机搅拌。本发明对混凝土各组分的添加顺序没有特殊限制。
下面通过实施例说明其具体实施方式：
实施例1
硅微粉制备：将石英岩破碎、磨细成硅微粉，其比表面积为538m2/kg，SiO2含量98.35％。
胶凝材料的配比为：硅微粉：10％，水泥：60％，磨细矿渣粉：40％。
粗骨料：碎石；细骨料：河砂；外加剂：聚羧酸系高效减水剂
混凝土配合比(kg/m3)：胶凝材料：480；细骨料：725；粗骨料：1135；水：139；外加剂：4.8。
混凝土性能：抗压强度3d：50.4MPa；28d：65.9MPa。
实施例2
硅微粉制备：将石英岩破碎、磨细成硅微粉，其比表面积为878m2/kg，SiO2含量97.18％。
胶凝材料的配比为：硅微粉：3％，水泥：97％。
粗骨料：碎石；细骨料：机制砂；外加剂：萘系高效减水剂，膨胀剂。
混凝土配合比(kg/m3)：胶凝材料：360；细骨料：750；粗骨料：1080；水：150；外加剂：3.2。
混凝土性能：抗压强度3d：25.9MPa；28d：38.7MPa。
实施例3
硅微粉制备：将石英岩破碎、磨细成硅微粉，其比表面积为438m2/kg，SiO2含量99.05％。
胶凝材料的配比为：硅微粉：30％，水泥：50％；磨细矿渣粉20％。
粗骨料：碎卵石；细骨料：50％机制砂+50％河砂；外加剂：三聚氰胺系高效减水剂，早强剂。
混凝土配合比(kg/m3)：胶凝材料：250；细骨料：765；粗骨料：1036；水：123；外加剂：3.7。
混凝土性能：抗压强度：3d：26.1MPa；28d：34.7MPa。
实施例4
硅微粉制备：将石英岩破碎、磨细成硅微粉，其比表面积为1096m2/kg，SiO2含量94.68％。
胶凝材料的配比为：硅微粉：3％；水泥：20％；钢渣粉：10％；硅灰：7％；磷渣粉：20％；矿渣：30％；锂渣：10％。
粗骨料：碎卵石；细骨料：河砂；外加剂：氨基磺酸盐高效减水剂，缓凝剂。
混凝土配合比(kg/m3)：水泥：400；复合掺和料：140；细骨料：754；粗骨料：1086；水：144；外加剂：4.8。
混凝土性能：抗压强度3d：35.2MPa；28d：49.8MPa。
实施例5
硅微粉制备：将石英岩破碎、磨细成硅微粉，其比表面积为657m2/kg，SiO2含量97.36％。
胶凝材料的配比为：硅微粉：10％；水泥：55％；粉煤灰：20％；石灰石粉：20％；偏高岭土：5％。
粗骨料：碎石；细骨料：河砂；外加剂：聚羧酸系高效减水剂，引气剂。
混凝土配合比(kg/m3)：水泥：700；细骨料：815；粗骨料：885；水：160；外加剂：10.5。
混凝土性能：坍落度：240mm，扩展度：700mm；抗压强度3d：36.9MPa；28d：51.8MPa。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能够理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种含硅微粉的混凝土组合物，其特征在于：混凝土组合物由胶凝材料、粗骨料、细骨料、外加剂、水混合配制而成，混凝土中胶凝材料的用量范围为250kg/m3-700kg/m3，胶凝材料中含有10kg/m3-200kg/m3的硅微粉，其余为水泥和矿物掺合料。
2.按权利要求1所述的含硅微粉混凝土组合物，其特征在于：上述水泥在胶凝材料中所占的重量百分比为20％-97％。
3.按权利要求1所述的含硅微粉混凝土组合物，其特征在于：上述硅微粉具有特定细度，比表面积大于400m2/kg。
4.按权利要求1所述的含硅微粉混凝土组合物，其特征在于：上述硅微粉是由石英岩经破碎、磨细等工艺而制成的，SiO2含量大于90％。
5.按权利要求1所述的含硅微粉混凝土组合物，其特征在于：上述矿物粉料主要是粉煤灰、磨细矿渣、硅灰、偏高岭土、石灰石粉、钢渣粉、磷渣粉、锂渣粉之中的一种或二种以上的混合物。
6.按权利要求1所述的含硅微粉混凝土组合物，其特征在于：上述外加剂是聚羧酸系高效减水剂、萘系高效减水剂、三聚氰胺系高效减水剂、氨基磺酸盐高效减水剂、引气剂、缓凝剂、早强剂、膨胀剂之中的一种或两种以上的复配产物。
7.按权利要求1所述的含硅微粉混凝土组合物的制备方法，其特征在于：将胶凝材料中的各组分按以下配比混合在一起，硅微粉占胶凝材料总量的3％-30％，水泥占胶凝材料总量的10％-97％，矿物掺合料占胶凝材料总量的0％-87％，然后加入粗骨料、细骨料、外加剂、水混合配制成混凝土组合物。
8.按权利要求1所述的含硅微粉混凝土组合物的制备方法，其特征在于：上述胶凝材料中各组分占胶凝材料的配合比以重量计算如下：
硅微粉：5％-20％；
水泥：25％-70％；
矿物掺合料：10％-70％。
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