CN108341618A - 一种免蒸养活性粉末混凝土掺合料及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于混凝土技术领域，具体为一种主要应用于活性粉末混凝土中代替传统活性成分的免蒸养活性粉末混凝土掺合料，包括如下组分：高钙粉煤灰+脱硫石膏：25％‑40％(高钙粉煤灰与脱硫石膏质量比为5:2)；S105矿渣微粉+炉渣+石灰石+固态表面活性剂总量：40％‑75％(其中S105矿渣微粉：炉渣：石灰石：固态表面活性剂质量比为3:1:0.8:1)液态功能调节剂：0.2％‑1.0％；原材料质量要求：高钙粉煤灰中CaO含量≥15％，烧失量≤3.0％；S105矿渣微粉中SO₃含量≤4.0％，碱性系数＞1，玻璃体含量≥90％，28d活性指数≥105％。

Description

一种免蒸养活性粉末混凝土掺合料及生产方法

技术领域

本发明属于混凝土技术领域，具体为一种主要应用于活性粉末混凝土中代替传统活性成分的免蒸养活性粉末混凝土掺合料及生产方法。

背景技术

随着现代建筑工程向着高层化、轻型化发展，同时建筑物的使用也会面对各种严峻环境，对所使用的混凝土的强度以及服役寿命的要求也在逐渐增高。活性粉末混凝土(RPC)是继高强高性能混凝土之后，于20世纪末由法国布伊格公司研究成功的一种超高强、低脆性、耐久性优异并具有广阔应用前景的新型超高强混凝土。

活性粉末混凝土(RPC)实现高强化的基本原理是：通过提高材料组分的细度与活性细粉的数量，减少材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)，获得超高强度与高耐久性。制备活性粉末混凝土的主要措施是：①减小颗粒的最大尺寸，改善混凝土的均匀性；②优化颗粒级配，采用多级粒径分布，达到最优堆积密度；③优选与活性组分相容性良好的高性能减水剂，以降低水胶比；④掺入细而短的钢纤维，以增加其延性和体积稳定性。

目前在国内制作的活性粉末混凝土(RPC)中活性组分通常包括优质水泥、硅粉、磨细石英粉等。此外，原材料还包括石英砂、高效减水剂及微钢纤维等。在养护工艺中广泛采用“初养-脱模-终养”模式，即：混凝土入模后在室温下静停6小时后，进入初养室采用蒸汽初次养护24小时，初养结束后，混凝土脱模后送入终养室内进行二次养护，终养采用蒸汽加湿方式进行养护，养护时间为48h，养护过程分为升温、恒温、降温三个阶段，升温速率≤12℃/h，降温速度≤ 15℃/h。初养恒温温度控制在40±5℃，终养温度控制在80±5℃。在撤掉保温设施时，构件的表面温度与环境温度之差不超过20℃。养护全部结束后需进行自然养护，环境温度不低于20℃，并对构件进行洒水养护，时间不少于7天。

这种传统工艺缺点主要包括：①工艺复杂、成本昂贵；硅灰作为活性粉末混凝土(RPC)中最常用的活性组分，由于其高活性和颗粒填充作用，对于活性粉末混凝土(RPC)强度的保证具有重要的作用；但由于硅灰价格昂贵，同时制作活性粉末混凝土(RPC)所采用的石英砂的成本比天然砂高，资源较少，都提高了活性粉末混凝土 (RPC)的生产成本；由于地域限制，配制活性粉末混凝土(RPC)所需的优质原材料往往很难在一个地区采购齐全，这也进一步导致成本的增加；②粉体堆积效率低；目前国内对活性粉末混凝土(RPC)的研究，主要是使用水泥和硅灰共同构成粉体堆积。这种二元粒径体系带来的问题一方面是水泥使用量大，不够经济。活性粉末混凝土(RPC) 水胶比一般在0.2以下，在这种低水胶比的情况下，当水泥用量在 700-800kg/m³时，水泥水化程度一般不超过30％；更主要的是粉体堆积效率较低；③养护问题；目前活性粉末混凝土(RPC)制备都需要热养护，用这种工艺生产出来的活性粉末混凝土(RPC)混凝土制品普遍存在着色斑、色差、表面裂纹等缺陷，导致成品的不合格率过高。此外，蒸汽养护一方面大大增加了活性粉末混凝土(RPC)的生产成本；这对于现浇施工存在一定困难，使其在实际结构工程中的运用受到了很大的限制。

发明内容

本发明针对上述的不足，提供了一种免蒸养活性粉末混凝土掺合料，此掺合料一方面可取代大量的水泥以及硅粉，同时可以利用一定细度的天然砂来代替磨细细石英砂，另一方面可通过标准养护来代替蒸汽养护，从而节省资源、保护环境，大大降低了活性粉末混凝土 (RPC)制品的成本，同时使活性粉末混凝土(RPC)在现浇工程应用中更容易实现。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种免蒸养活性粉末混凝土掺合料，包括如下组分：高钙粉煤灰+脱硫石膏：25％-40％；其中高钙粉煤灰与脱硫石膏质量比为5:2；

S105矿渣微粉+炉渣+石灰石+固态表面活性剂总量：40％-75％，其中S105矿渣微粉：炉渣：石灰石：固态表面活性剂质量比为3:1:0.8:1；

液态功能调节剂：0.2％-1.0％；

原材料质量要求：高钙粉煤灰中CaO含量≥15％，烧失量≤3.0％；

S105矿渣微粉中SO₃含量≤4.0％，碱性系数＞1，玻璃体含量≥ 90％，28d活性指数≥105％；

炉渣为火法冶金过程中生成的浮在金属等液态物质表面的溶体：其中SiO₂含量≥30％，CaO含量≥25％，SiO₂+CaO+Al₂O₃含量≥90％；

脱硫石膏中CaSO₄·2H₂O含量≥90％，水分含量≤10％。

作为优选，所述固态活性表面活性剂为：生石灰：明矾：硅酸盐晶种＝2:1:1。

作为优选，所述液态功能调节剂为：硅烷偶联剂：三异丙醇胺：十八酸钠盐：水＝10:6:1:2复配而成。

作为优选，所述高钙粉煤灰具体为21.4％，脱硫石膏具体为8.6％， S105矿渣微粉具体为36％，炉渣具体为12％，石灰石具体为9％，固态表面活性剂具体为12％，液态功能调节剂具体为1.0％。

作为优选，所述高钙粉煤灰具体为27.2％，脱硫石膏具体为10.8％； S105矿渣微粉具体为33％，炉渣具体为11％，石灰石具体为6.2％，固态表面活性剂具体为11％，液态功能调节剂具体为0.8％。

作为优选，所述高钙粉煤灰具体为19％，脱硫石膏具体为7.8％， S105矿渣微粉具体为40.2％，炉渣具体为13.4％，石灰石具体为5.2％，固态表面活性剂具体为13.4％，液态功能调节剂具体为1.0％。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种免蒸养活性粉末混凝土掺合料生产方法，包括如下步骤：

步骤一：将高钙粉煤灰：脱硫石膏按5:2的比例混合均匀后喂入球磨机中粉磨1h，将粉末后的样品喂入选粉机中风选，使其中位径≤ 5.0μm；

步骤二：将S105矿渣微粉：炉渣：石灰石：固态表面活性剂按质量比3:1:0.8:1计量后喂入球磨机中粉磨直至粉料比表面积在 500-600m²/Kg之间；

步骤三：将硅烷偶联剂：三异丙醇胺：十八酸钠盐：水按10:6:1:2 的比例均匀混合制备成液态功能调节剂待用；

步骤四：将步骤一和步骤二中的粉料喂入均化机中，同时将步骤三中制备的液态功能调节剂利用超声雾化装置雾化后，按比例 0.2％-1.0％喷入均化机中，均化10-15min，即可制得免蒸养活性粉末混凝土掺合料。

根据权利要求7所述的免蒸养活性粉末混凝土掺合料生产方法，其特征在于：所述步骤四中均化机的转速为200r/mi n。

采用本发明的免蒸养活性粉末混凝土掺合料及生产方法具有如下优点：本掺合料可大量替代水泥(40％-50％)，一方面降低了混凝土成本，减少了生产水泥时温室气体CO₂的排放，同时削弱了因水泥自收缩过大而造成的对材料耐久性的不利影响；更重要的是可以提高混凝土的密实性，减少混凝土内部非荷载应力产生的可能性。

采用本掺合料一方面可以替代传统材料中价格昂贵的活性组分硅灰，同时可以采用一定细度的天然砂来代替石英砂，从而大大降低了RPC成本；另一方面可以免除传统工艺中的蒸养环节，采用标准养护来代替蒸汽养护，大大降低了RPC的养护成本，减少环境污染，同时打破了RPC只能在预制工厂生产的局限性，使RPC在现浇结构中比较容易实现。

本掺合料生产原料易于取得且成本极其低廉，90％的材料来自本地工业废渣、粉煤灰、矿渣等。

具体实施方式

在具体实施时，将该掺合料按照一定比例取代水泥(40％-50％)，并且不需要加入硅粉，采用0.18-1.40mm的天然砂代替磨细石英砂，即原材料更变为水泥、免蒸养掺合料，0.18-1.40mm的天然砂、高效减水剂以及钢纤维等，RPC制品在标准养护的条件下的强度与蒸汽养护48h的RPC制品相当，甚至可高出10-20MPa以上，并且具有优异的耐久性。

本发明主要是由高钙粉煤灰，S105矿粉，炉渣，脱硫石膏，石灰石粉，自制固态表面活性剂，复合自制液态功能调节剂研制而成。本掺合料掺入后能够接近于最紧密堆积状态的级配：一是胶凝材料体系，包括水泥、掺合料等；二是(胶凝材料+细骨料)复合体系，从而能够有效的改善混凝土内部微观结构，减少材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)，同时通过表面活性剂以及自制的液态功能调节剂来激发掺合料的火山灰活性。一方面。火山灰反应使C-S-H凝胶相很快增长，提高水泥基材料的强度；另一方面，减少了对水泥基耐久性不利的Ca(OH)₂晶体，转化为C-S-H凝胶，这些凝胶都存在于水泥水化的C-S-H 凝胶的孔隙中，且未反应的Ca(OH)₂层状晶体在C-S-H凝胶之间穿插生长，这样的化学填充使水泥基结构的密实度大大提高，从而提高了水泥基材料的力学性能。

一种免蒸养活性粉末混凝土掺合料，包括如下组分：高钙粉煤灰 +脱硫石膏：25％-40％(高钙粉煤灰与脱硫石膏质量比为5:2)；

S105矿渣微粉+炉渣+石灰石+固态表面活性剂总量：40％-75％，其中S105矿渣微粉：炉渣：石灰石：固态表面活性剂质量比为3:1:0.8:1；

液态功能调节剂：0.2％-1.0％；

原材料质量要求：高钙粉煤灰中CaO含量≥15％，烧失量≤3.0％；

S105矿渣微粉中SO₃含量≤4.0％，碱性系数＞1，玻璃体含量≥ 90％，28d活性指数≥105％；

炉渣为火法冶金过程中生成的浮在金属等液态物质表面的溶体：其中SiO₂含量≥30％，CaO含量≥25％，SiO₂+CaO+A l₂O₃含量≥90％；

脱硫石膏中CaSO₄·2H₂O含量≥90％，水分含量≤10％。

所述固态活性表面活性剂为：生石灰：明矾：硅酸盐晶种＝2:1:1。

所述液态功能调节剂为：硅烷偶联剂：三异丙醇胺：十八酸钠盐：水＝10:6:1:2复配而成。

同时本发明还特别提供三组经过大量实验和分析后获得的具体配比组分，具有很强的实践意义。

配方一：所述高钙粉煤灰具体为21.4％，脱硫石膏具体为8.6％， S105矿渣微粉具体为36％，炉渣具体为12％，石灰石具体为9％，固态表面活性剂具体为12％，液态功能调节剂具体为1.0％。

配方二：所述高钙粉煤灰具体为27.2％，脱硫石膏具体为10.8％； S105矿渣微粉具体为33％，炉渣具体为11％，石灰石具体为6.2％，固态表面活性剂具体为11％，液态功能调节剂具体为0.8％。

配方三：所述高钙粉煤灰具体为19％，脱硫石膏具体为7.8％，S105 矿渣微粉具体为40.2％，炉渣具体为13.4％，石灰石具体为5.2％，固态表面活性剂具体为13.4％，液态功能调节剂具体为1.0％。

将配方一、配方二和配方三所制得的免蒸养活性粉末混凝土掺合料进行对比，所采用的各组分用量为：P·Ⅱ52.5水泥:540kg/m³；免蒸养活性粉末混凝土掺合料：360kg/m³；天然砂：1550kg/m³；钢纤维： 160kg/m³；聚羧酸高效减水剂：18.6kg/m³；对比结果如下：

从表中可以看出，配方一的配比由于石灰石粉掺量较多，石灰石粉颗粒较小，改善了胶凝材料的颗粒级配，因此所制得的RPC具有较好的抗折强度；配方二的配比所制得的RPC具有优异的抗氯离子渗透性能，但其抗折强度和抗压强相比于配方一的配比稍低；按照配方三的配比制得的活性粉末混凝土掺合料制备的RPC抗压强度最高，并且其他各项性能都比较优异。

此外，按照配方三的配比制得的活性粉末混凝土在拥有高抗压强度和优异的性能以外，还具有自密实混凝土的特性，具有很高的流动性而不离析、不泌水，能不经振捣而自动流平并充满模型和包裹钢筋，这样不仅有利于提高施工效率、减轻施工强度、降低能源消耗、提高施工质量，而且可缩短工期、加快施工速度，使其能够广泛的应用于现浇实际工程中。

一种免蒸养活性粉末混凝土掺合料生产方法，包括如下步骤：

步骤一：将高钙粉煤灰：脱硫石膏按5:2的比例混合均匀后喂入球磨机中粉磨1h，将粉末后的样品喂入选粉机中风选，使其中位径≤ 5.0μm；

步骤二：将S105矿渣微粉：炉渣：石灰石：固态表面活性剂按质量比3:1:0.8:1计量后喂入球磨机中粉磨直至粉料比表面积在 500-600m²/Kg之间；

步骤三：将硅烷偶联剂：三异丙醇胺：十八酸钠盐：水按10:6:1:2 的比例均匀混合制备成液态功能调节剂待用；

步骤四：将步骤一和步骤二中的粉料喂入均化机中，同时将步骤三中制备的液态功能调节剂利用超声雾化装置雾化后，按比例0.2％-1.0％喷入均化机中，均化10-15mi n，即可制得免蒸养活性粉末混凝土掺合料。

所述步骤四中均化机的转速为200r/mi n。

采用本掺合料所制备的免蒸养RPC可达到如下指标：

力学性能：标准养护抗压强度≥135MPa，抗折强度≥25MPa；

静弹性模量：≥45GPa

抗碳化性能：28d碳化深度为0

抗氯离子渗透性能：NEL法6h总导电量＜100C

免蒸养活性粉末掺合料性能测试：①实验方案：将掺40％本掺合料标准养护28d后的RPC与掺硅粉+煤灰(30％)90℃下蒸养48h的传统RPC，以及大掺量其他矿物掺合料(40％)90℃下蒸养72h的RPC进行力学性能、静弹性模量、抗碳化性能以及抗氯离子渗透性能对比。

②试验方法：试样制备：用胶砂搅拌机拌和，加料顺序：水泥+ 掺合料搅拌均匀，加水搅拌均匀，加砂搅拌均匀，加减水剂搅拌到一定的流动度，加钢纤维。将拌和物装进试模，振动成型。

养护方法：试件成型后，将其放入水泥标准养护箱中养护，24h 后拆模。拆模后掺免蒸养活性粉末混凝土掺合料的试块继续在标准养护箱中养护直至规定龄期，对比试验试块拆模后将试件标准养护3d，然后放入蒸养箱中蒸汽养护72h，温度控制在90±3℃。为防止热养护后的试件由于骤冷影响性能，热养护后将试件放入90℃热水中冷却到室温后，再进行性能检测。

RPC性能试验配合比

注：上述水泥均为海螺P·Ⅱ52.5水泥，减水剂为聚羧酸系高效减水剂；所采用的钢纤维直径为0.12mm，长度为12-13mm，长径比为 100-110；1号所采用的天然砂粒径为0.18-1.40mm。

RPC性能试验结果

实验结果表明，采用40％本掺合料替代水泥，胶凝材料为900kg/m3 的RPC标准养护28d后强度要比传统RPC高17MPa，比大掺量其他矿物掺合料的RPC高29MPa。同时抗折强度高达35.2MPa，与传统RPC相差不多，比大掺量其他矿物掺合料的RPC高5MPa。并且掺40％本掺合料的RPC静弹性模量、抗碳化性能以及抗氯离子渗透性能均要优于其他两种RPC。也就说掺入本掺合料不仅可以大量的替代水泥，使用天然砂代替石英砂，降低总胶凝材料的用量，同时可以采用标准养护来代替蒸气养护，并且所制得的RPC力学性能以及耐久性均要优于传统RPC。不仅节能环保，大大降低RPC的的成本，同时使RPC在现浇结构中比较容易实现。

采用本发明的免蒸养活性粉末混凝土掺合料及生产方法具有如下优点：本掺合料可大量替代水泥(40％-50％)，一方面降低了混凝土成本，减少了生产水泥时温室气体CO₂的排放，同时削弱了因水泥自收缩过大而造成的对材料耐久性的不利影响；更重要的是可以提高混凝土的密实性，减少混凝土内部非荷载应力产生的可能性。

采用本掺合料一方面可以替代传统材料中价格昂贵的活性组分硅灰，同时可以采用一定细度的天然砂来代替石英砂，从而大大降低了RPC成本；另一方面可以免除传统工艺中的蒸养环节，采用标准养护来代替蒸汽养护，大大降低了RPC的养护成本，减少环境污染，同时打破了RPC只能在预制工厂生产的局限性，使RPC在现浇结构中比较容易实现。

本掺合料生产原料易于取得且成本极其低廉，90％的材料来自本地工业废渣、粉煤灰、矿渣等。

若本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种免蒸养活性粉末混凝土掺合料，其特征在于：包括如下组分：高钙粉煤灰+脱硫石膏：25％-40％；其中高钙粉煤灰与脱硫石膏质量比为5:2；

S105矿渣微粉+炉渣+石灰石+固态表面活性剂总量：40％-75％，其中S105矿渣微粉：炉渣：石灰石：固态表面活性剂质量比为3:1:0.8:1；

液态功能调节剂：0.2％-1.0％；

原材料质量要求：高钙粉煤灰中CaO含量≥15％，烧失量≤3.0％；

S105矿渣微粉中SO₃含量≤4.0％，碱性系数＞1，玻璃体含量≥90％，28d活性指数≥105％；

炉渣为火法冶金过程中生成的浮在金属等液态物质表面的溶体：其中SiO₂含量≥30％，CaO含量≥25％，SiO₂+CaO+A l ₂O₃含量≥90％；

脱硫石膏中CaSO₄·2H₂O含量≥90％，水分含量≤10％。

2.根据权利要求1所述的免蒸养活性粉末混凝土掺合料，其特征在于：所述固态活性表面活性剂为：生石灰：明矾：硅酸盐晶种＝2:1:1。

3.根据权利要求1所述的免蒸养活性粉末混凝土掺合料，其特征在于：所述液态功能调节剂为：硅烷偶联剂：三异丙醇胺：十八酸钠盐：水＝10:6:1:2复配而成。

4.根据权利要求1所述的免蒸养活性粉末混凝土掺合料，其特征在于：所述高钙粉煤灰具体为21.4％，脱硫石膏具体为8.6％，S105矿渣微粉具体为36％，炉渣具体为12％，石灰石具体为9％，固态表面活性剂具体为12％，液态功能调节剂具体为1.0％。

5.根据权利要求1所述的免蒸养活性粉末混凝土掺合料，其特征在于：所述高钙粉煤灰具体为27.2％，脱硫石膏具体为10.8％；S105矿渣微粉具体为33％，炉渣具体为11％，石灰石具体为6.2％，固态表面活性剂具体为11％，液态功能调节剂具体为0.8％。

6.根据权利要求1所述的免蒸养活性粉末混凝土掺合料，其特征在于：所述高钙粉煤灰具体为19％，脱硫石膏具体为7.8％，S105矿渣微粉具体为40.2％，炉渣具体为13.4％，石灰石具体为5.2％，固态表面活性剂具体为13.4％，液态功能调节剂具体为1.0％。

7.一种免蒸养活性粉末混凝土掺合料生产方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：将高钙粉煤灰：脱硫石膏按5:2的比例混合均匀后喂入球磨机中粉磨1h，将粉末后的样品喂入选粉机中风选，使其中位径≤5.0μm；

步骤二：将S105矿渣微粉：炉渣：石灰石：固态表面活性剂按质量比3:1:0.8:1计量后喂入球磨机中粉磨直至粉料比表面积在500-600m²/Kg之间；

步骤三：将硅烷偶联剂：三异丙醇胺：十八酸钠盐：水按10:6:1:2的比例均匀混合制备成液态功能调节剂待用；

步骤四：将步骤一和步骤二中的粉料喂入均化机中，同时将步骤三中制备的液态功能调节剂利用超声雾化装置雾化后，按比例0.2％-1.0％喷入均化机中，均化10-15mi n，即可制得免蒸养活性粉末混凝土掺合料。

8.根据权利要求7所述的免蒸养活性粉末混凝土掺合料生产方法，其特征在于：所述步骤四中均化机的转速为200r/mi n。