CN109516733A - 一种碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土及其制备方法，所述混凝土由如下重量份配比的原料制成：矿渣200~250重量份、粉煤灰80~120重量份、碱激发溶液130~180重量份、缓凝剂0.5~1.5重量份、防冻剂10~15重量份、颜料10~15重量份和粗集料1500~1700重量份，各原料按一定顺序混合搅拌均匀后得到所需的混凝土。本发明通过碱激发矿渣/粉煤灰胶凝材料制成的透水混凝土，易于制备，且兼具良好的排水、力学和抗冻性能，其各项性能均远超《透水水泥混凝土路面技术规程》（CJJ/T 135‑2009）的性能指标要求；同时本发明采用矿渣和粉煤灰作为制备透水混凝土的主要原料，减少了水泥用量，原料生产过程成本低廉、绿色低碳、节能减排，有效地实现了矿渣、粉煤灰工业废料的资源化利用，经济、社会和环境效益显著。

Description

一种碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体为一种碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土及其制备方法。
背景技术
随着我国城镇化进程的快速发展，许多城市道路都被钢筋混凝土结构物和不透水材料所覆盖。由于硬化的普通混凝土路面不透水，阻断雨水和地下水之间的循环，造成地下水位下降，甚至还会引起城市内涝，严重破坏城市水循环***。透水铺装***作为建设海绵城市的主要措施之一，可以改善城市水循环，修复城市水环境。
目前，现有技术中透水混凝土的基体材料仍以普通硅酸盐水泥为主，存在诸多缺点：①胶结材料主要以水泥为主，强度偏低；②孔隙率越大强度越低，其力学性能与排水性能难以兼顾；③由于透水混凝土的多孔性，使其抗冻性能差，造成其服役寿命大大缩短；④原材料水泥的生产会造成能耗和环境问题。
碱激发胶凝材料是一种新型绿色胶凝材料，不掺水泥，水化产物为[AlO4]5-和[SiO4]4-四面体结构单元聚合而成的三维网络型产物，且不含Ca(OH)2，与水泥基胶凝体系相比更加密实，具有水化热低、强度高、耐久性好等诸多优点。碱激发矿渣/粉煤灰胶凝材料以矿渣、粉煤灰等固体废弃物为原料，降低了硅酸盐水泥的用量，减少了因生产水泥而产生的能耗和环境问题，同时有效地提高了矿渣、粉煤灰等工业废料的资源化利用，有利于实现社会经济效益与环境保护协调发展。众多学者已经将碱激发矿渣/粉煤灰胶凝材料用于制备各类混凝土，发明专利CN 106946509 A公开了一种碱激发粉煤灰/矿渣泡沫混凝土及其制备方法，该混凝土的性能提升主要侧重于干密度与导热系数，但其强度最高不足5MPa，无法用于路面工程。
综上所述，传统水泥基材料存在诸多缺点，而碱激发矿渣/粉煤灰胶凝材料也有部分缺陷，因此，亟需寻求一种制备透水混凝土的新型胶凝材料，既能兼顾排水、力学和抗冻性能，又能实现建筑材料的节能减排及绿色低碳发展。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明首要目的在于提供一种碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土。
本发明的另一个目的是提供一种碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案来实现：
本发明提供了一种碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土，所述混凝土由如下重量份配比的原料制成：矿渣200～250重量份、粉煤灰80～120重量份、碱激发溶液130～180重量份、缓凝剂0.5～1.5重量份、防冻剂10～15重量份、颜料10～15重量份和粗集料1500～1700重量份。
进一步的，所述混凝土由如下重量份配比的原料制成：矿渣212～236重量份、粉煤灰91～101重量份、碱激发溶液152～167重量份、缓凝剂0.5～1.5重量份、防冻剂10～15重量份、颜料10～12重量份和粗集料1568～1617重量份。
进一步的，所述碱激发溶液由氢氧化钠、水和水玻璃以重量比100：(120-150)：(750-800)复配(“复配”指“混合”)而成，所述碱激发溶液的模数为1.0～1.2，固含量为32％～36％。
优选的，所述碱激发溶液由以下方法制备得到：先将100重量份氢氧化钠粉末溶于120-150重量份的水中，搅拌均匀后得到氢氧化钠溶液，再将氢氧化钠溶液加入到750-800重量份的水玻璃中，搅拌均匀后得到碱激发溶液。
优选的，所述水玻璃的模数为2.4-2.8，所述水玻璃为硅酸钾水水溶液和/或硅酸钠水水溶液。
进一步的，所述粗集料为满足《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)各项指标的单级配石灰石碎石，粒径范围为4.75～9.5mm。
进一步的，所述碱激发溶液的质量：粉煤灰和矿渣总质量为(0.45～0.55):1。
进一步的，所述粉煤灰为满足《用于水泥和混凝土的粉煤灰》(GB/T 1596-2017)各项指标的F类粉煤灰。
进一步的，所述矿渣为满足《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》(GB/T18046-2017)各项指标的S95级高炉矿渣。
进一步的，所述缓凝剂为三聚磷酸钠和/或磷酸二氢钠。
进一步的，所述防冻剂为亚硝酸钠和/或工业硝酸钠。
进一步的，所述颜料为氧化铁红粉末、氧化铁黄粉末和/或氧化铁棕粉末。
本发明还提供了上述原料配比的碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将矿渣、粉煤灰、防冻剂和颜料混合均匀形成混合粉体；
(2)将粗集料和部分碱激发溶液加入到搅拌机中搅拌均匀；
(3)再向步骤(2)的搅拌机中加入步骤(1)的混合粉体、缓凝剂和剩余的碱激发溶液，继续搅拌均匀，形成碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土；
所述步骤(2)中部分碱激发溶液为碱激发溶液总量的20％～30％。
进一步的，所述步骤(2)为将粗集料和部分碱激发溶液加入到强制式搅拌机中，启动搅拌机搅拌30s，所述步骤(3)为再向搅拌机中加入步骤(1)的混合粉体、缓凝剂和剩余的碱激发溶液，继续搅拌150s，形成碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土。
本发明所制备的碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土，养护28d后的连续孔隙率为22％～26％，透水系数为4.57mm/s～4.81mm/s，抗压强度为21MPa～25MPa，抗冻等级达F150以上，其各项性能均远远超出行业标准《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135-2009)的性能指标要求。
相对现有技术，本发明的技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明的技术方案充分利用矿渣、粉煤灰工业固体废弃物作为试验原材料，既解决了矿渣、粉煤灰工业固体废弃物长期堆积造成的土地资源浪费和污染，又降低了硅酸盐水泥的用量，减少了因生产水泥而产生的能耗和环境问题，符合节能减排、绿色低碳可持续发展的要求。
(2)本发明提供的碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土在原材料中掺入缓凝剂，避免了制备过程中的闪凝现象，使透水混凝土易于制备，提升透水混凝土施工质量；原材料中还掺入了防冻剂，有效提高了透水混凝土的抗冻性能，使其抗冻等级均达F150以上。
(3)相比于普通透水水泥混凝土，本发明提供的碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土兼具了良好的排水、力学和抗冻性能。
附图说明
图1是本发明的碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土的制备工艺流程图。
图2是实施例1制备的碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土透水效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。实施例1-3中所用原料如下：
粉煤灰为满足《用于水泥和混凝土的粉煤灰》(GB/T 1596-2017)各项指标的F类粉煤灰，表观密度为2450kg/m3。
矿渣为满足《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》(GB/T 18046-2017)各项指标的S95级高炉矿渣，表观密度为2870kg/m3。
粗集料为满足《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)各项指标的单级配石灰石碎石，粒径范围为4.75～9.5mm，堆积密度为1600kg/m3，表观密度为2700kg/m3。
碱激发溶液由硅酸钠水溶液、氢氧化钠和水复配而成，具体为先将100重量份的氢氧化钠粉末溶于137重量份水中，搅拌均匀后得到氢氧化钠溶液，再将氢氧化钠溶液加入到772重量份模数为2.4的硅酸钠水溶液中，搅拌均匀后即为所需碱激发溶液，性能指标及化学成分见表1。
表1碱激发溶液性能指标及化学成分
缓凝剂为武汉无机盐化工有限公司生产的工业三聚磷酸钠(STPP)。
防冻剂为长沙唐华化工贸易有限公司生产的工业亚硝酸钠。
颜料为氧化铁红粉末。
实施例1
一种碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土，每立方米混凝土由以下原料制成：矿渣236kg、粉煤灰101kg、碱激发溶液152kg、缓凝剂1.5kg、防冻剂15kg、颜料12kg和粗集料1568kg，“每立方米”是按照预设孔隙率为25％估算出这些原料可以制成1立方米混凝土。
上述原料配比的碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土的制备方法，如图1所示，具体步骤如下：
(1)先将矿渣、粉煤灰、防冻剂和颜料混合均匀，得到混合粉体。
(2)将碱激发溶液总量的30％和粗集料加入到强制式搅拌机中，启动搅拌机搅拌30s后，再向其中加入步骤(1)的混合粉体、缓凝剂和剩余的碱激发溶液，继续搅拌150s，形成碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土。
(3)采用人工夯击法成型透水混凝土试件：将步骤(2)的碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土分两层装料至100mm×100mm×100mm的试模中，第一层装料至试模高度的2/3处，用3.5kg重锤夯击5次压实，用铲子将试件表面刨毛；然后进行第二层装料至满高度，用重锤夯击10次压实，夯击高度为200mm，最后加以整平。
(4)试件在温度为20±5℃的环境中静置1d后拆模，拆模后置于温度为20±2℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护至规定龄期。
实施例2
一种碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土，每立方米混凝土由以下原料制成：矿渣223kg、粉煤灰96kg、碱激发溶液160kg、缓凝剂1.0kg、防冻剂12kg、颜料11kg和粗集料1593kg，“每立方米”是按照预设孔隙率为25％估算出这些原料可以制成1立方米混凝土。
按照实施例1步骤(1)-步骤(4)相同的制备方法制备得到碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土，并成型透水混凝土试件。
实施例3
一种碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土，每立方米混凝土由以下原料制成：矿渣212kg、粉煤灰91kg、碱激发溶液167kg、缓凝剂0.5kg、防冻剂10kg、颜料10kg和粗集料1617kg，“每立方米”是按照预设孔隙率为25％估算出这些原料可以制成1立方米混凝土。
按照实施例1步骤(1)-步骤(4)相同的制备方法制备得到碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土，并成型透水混凝土试件。
实施例1～3的透水混凝土的原料配料如表2所示。
表2实施例1～3的透水混凝土的原料配料汇总表
将上述实施例1～3所得的透水混凝土试件样品，分别进行3d抗压强度、7d抗压强度、28d抗压强度、连续孔隙率、透水系数测试和快速冻融循环试验，试验结果如表3～4所示，实施例1得到的样品的透水效果图见图2。
透水混凝土抗压强度试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)中抗压强度试验测试方法进行；快速冻融循环试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2002)中的快冻法进行。
连续孔隙率按下述方法进行测试：(1)用直尺量出养护28d后的试件的尺寸，并计算其体积V；(2)将试件完全浸水24小时，在水中称出试件质量m1；(3)将试件从水中取出后，擦干表面水并放入烘箱中烘干，待重量恒定后称取在空气中的质量m2；(4)按下式计算试件的孔隙率P(ρw为水的密度，取1g/cm3)：
表3实施例1～3的透水混凝土试件的力学及排水性能
注：液灰比为碱激发溶液重量与粉煤灰和矿渣总重量的比。
表4实施例1～3的透水混凝土试件的抗冻性能
由表3可以看出，随着液灰比增大，碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土的抗压强度降低，连续孔隙率略微增大，透水系数也随之增大。当液灰比在0.45～0.55时，样品的连续孔隙率在22％以上，透水系数在4.57mm/s以上，抗压等级在C20以上。由表4可以看出，实施例1～3样品的150次冻融循环后的质量损失率低于5％，抗压强度损失率低于20％，即抗冻等级均在F150以上。
结合表3～4可以看出，本发明制备的碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土的排水、力学及抗冻性能均满足行业标准《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135-2009)中性能指标要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明申请保护的范围。在不脱离本发明的精神和原则的前提下，本发明还会有各种修改、替换以及改进等，这些变化均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土，所述混凝土由如下重量份配比的原料制成：矿渣200~250重量份、粉煤灰80~120重量份、碱激发溶液130~180重量份、缓凝剂0.5~1.5重量份、防冻剂10~15重量份、颜料10~15重量份和粗集料1500~1700重量份。
2.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于，所述混凝土由如下重量份配比的原料制成：矿渣212~236重量份、粉煤灰91~101重量份、碱激发溶液152~167重量份、缓凝剂0.5~1.5重量份、防冻剂10~15重量份、颜料10~12重量份和粗集料1568~1617重量份。
3.根据权利要求1或2所述的混凝土，其特征在于，所述碱激发溶液由氢氧化钠、水和水玻璃以重量比100：120-150：750-800复配而成，所述碱激发溶液的模数为1.0~1.2，固含量为32%~36%。
4.根据权利要求1或2所述的混凝土，其特征在于，所述水玻璃为硅酸钾水溶液和/或硅酸钠水溶液。
5.根据权利要求1或2所述的混凝土，其特征在于，所述粗集料为满足《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）各项指标的单级配石灰石碎石，粒径范围为4.75~9.5mm。
6.根据权利要求1或2所述的混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为满足《用于水泥和混凝土的粉煤灰》（GB/T 1596-2017）各项指标的F类粉煤灰。
7.根据权利要求1或2所述的混凝土，其特征在于，所述矿渣为满足《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB/T 18046-2017）各项指标的S95级高炉矿渣。
8.根据权利要求1或2所述的混凝土，其特征在于，所述缓凝剂为三聚磷酸钠和/或磷酸二氢钠，所述防冻剂为亚硝酸钠和/或工业硝酸钠；所述颜料为氧化铁红、氧化铁黄和/或氧化铁棕。
9.一种权利要求1-8中任意一项所述混凝土的制备方法，包括以下步骤：
（1）将矿渣、粉煤灰、防冻剂和颜料混合均匀形成混合粉体；
（2）将粗集料和部分碱激发溶液加入到搅拌机中搅拌均匀；
（3）再向步骤（2）的搅拌机中加入步骤（1）的混合粉体、缓凝剂和剩余的碱激发溶液，继续搅拌均匀，形成碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土；
步骤（2）中所述部分碱激发溶液为碱激发溶液总量的20%~30%。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）为：将粗集料和部分碱激发溶液加入到强制式搅拌机中，启动搅拌机搅拌30s，所述步骤（3）为：再向步骤（2）的搅拌机中加入步骤（1）的混合粉体、缓凝剂和剩余的碱激发溶液，继续搅拌150s，形成碱激发矿渣/粉煤灰抗冻透水混凝土。
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