CN114057453B - 一种基于超细粉的超高韧性轻质混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超细粉的超高韧性轻质混凝土，各组分及其所占重量份数包括：硫铝酸盐水泥600～750份，超细粉100～150份，硅灰50～70份，玻璃微球75～100份，膨胀珍珠岩90～110份，镀铜微丝钢纤维5～10份，高减水降粘型聚羧酸减水剂25～35份，水220～250份；其中超细粉以电石渣粉、粉煤灰和矿粉为主要原料混合而成。本发明所得超高韧性轻质混凝土可有效兼顾轻质、高强和超高韧性，在减少自重的同时可确保高强和高韧性，适用于超高层结构等领域；且涉及的制备方法较简单、成本较低，适合推广应用。

Description

一种基于超细粉的超高韧性轻质混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种基于超细粉的超高韧性轻质混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土材料是人类最大宗的人造建筑材料，其固有缺点是自重大与脆性突出，改善混凝土的脆性、实现混凝土的轻质高强化是提高混凝土材料使用效能，减轻结构自重，节约建筑材料资源与能源的最有效技术途径之一，也是混凝土材料科学基础理论研究与应用技术开发的主要目标。
目前，超高韧性混凝土在国外发展较快，应用于大跨度桥梁、抗暴等特殊结构中，在国内大多处于研究阶段，应用较少，但是其自重依然很大，在2500kg/m3以上，反观轻质混凝土，自重可实现1400～1950kg/m3，但是其强度一般仅为30MPa左右。如：刘增晨等研究并公开了一种高强轻集料混凝土，其最高强度为71.3MPa，容重为1850kg/m3；黄东杰等研究并公开了一种轻质高强混凝土，主要使用硫酸钠溶液浸泡过的轻骨料制备出强度为63MPa轻骨料混凝土；均无法有效兼顾轻质和高强性能。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种基于超细粉的超高韧性轻质混凝土，可有效兼顾轻质、高强和超高韧性，且涉及的制备方法较简单、成本较低，适合推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于超细粉的超高韧性轻质混凝土，各组分及其所占重量份数包括：硫铝酸盐水泥600～750份，超细粉100～150份，硅灰50～70份，玻璃微球75～100份，膨胀珍珠岩90～110份，镀铜微丝钢纤维5～10份，高减水降粘型聚羧酸减水剂25～35份，水220～250份；其中超细粉以电石渣粉、粉煤灰和矿粉为主要原料混合而成。
上述方案中，所述硫铝酸盐水泥为超高强快硬水泥，水泥标号为92.5，水泥胶砂7d抗压强度为85.0～88.0MPa，28d抗压强度实测为93.0～96.0MPa，表观密度为2800～2900kg/m3。
上述方案中，所述超细粉比表面积为650～700m2/kg，28d水泥胶砂活性为105～109％(水泥与超细粉的质量比为1:1)，表观密度为1950～2050kg/m3。
上述方案中，所述超细粉的制备方法包括如下步骤：分别称取矿粉60～70份，粉煤灰20～27份，电石渣5～15份，首先将称取的电石渣在100～110℃烘箱中烘干120～150min，冷却至室温后，放入SM-500试验磨中，球磨30～45min，然后加入粉煤灰和矿粉，外掺0.02～0.03％(占矿粉、粉煤灰和电石渣粉质量之和的百分含量)的三乙醇胺，球磨60～90min，即得所述超细粉。
上述方案中，所述电石渣需水量比为105～108，三氧化硫含量为0.3～0.8，游离氧化钙含量为20.0～25.0，二氧化硅、三氧化二铁、三氧化二铝所占总含量为45～55wt％。
上述方案中，所述粉煤灰为F类II级粉煤灰，需水量比为98～102，三氧化硫含量为1.5～2.0，游离氧化钙含量为0.5～0.8，二氧化硅、三氧化二铁、三氧化二铝所占总含量为78～85wt％，烧失量为2.5～4.0；矿粉为S95级矿粉，其流动度比为99～105，三氧化硫含量为0.2～0.3，烧失量为0.1～0.3。选用III级粉煤灰和S75级矿粉可酌情增加球磨时间。
上述方案中，所述硅灰的28d活性指数为115～120％，需水量比为105～112％，比表面积为1800-2000m2/kg。
上述方案中，所述玻璃微球为空心玻璃微球，其表观密度为420-480kg/m3。
上述方案中，所述膨胀珍珠岩堆积密度为230～250kg/m3，表观密度为450～520kg/m3。
上述方案中，所述镀铜微丝钢纤维的直径为0.2-0.25mm，长度为10～13mm，抗拉强度>2850MPa，具有高强、抗拉、抗磨、抗裂、抗弯、抗拆、抗冲击等性能。
上述方案中，所述高减水降粘型聚羧酸减水剂中各组分及其所占重量份数包括：高减水母液9～11份，葡萄糖酸钠2～3份，消泡剂0.03-0.05份，改性剂1-2份，环糊精0.05-0.09份，十二烷基硫酸钠0.03～0.05份，水9-11份；具体制备步骤包括：将称取的高减水母液、葡萄糖酸钠、消泡剂、改性剂、环糊精和十二烷基硫酸钠加入水中，进行超声分散，然后在50～60℃磁力搅拌处理30～40min，即得所述高减水降粘型聚羧酸减水剂。
上述方案中，所述高减水母液为三异辛基亚磷酸酯类减水剂母液，所制得高减水降粘型聚羧酸减水剂其减水率为39～45％，固含可达到48～52％，氯离子含量为0.02～0.05％，总碱量为0.28～0.40％，pH值为6.0～6.7，泌水率比为40～50。
上述方案中，所述改性剂为丙烯胺类改性剂，优选为巴斯夫420型改性剂，可使拌合物粘度在流动性、通过性和离析之间达到平衡，并与磷酸酯类减水剂具有较好的相容性；消泡剂为有机硅类消泡剂，优选为巴斯夫421型消泡剂，能够有效控制引入的空气含量，同时与磷酸酯类减水剂具有较好的相容性。
上述一种基于超细粉的超高韧性轻质混凝土的制备方法，包括如下步骤：采用HJW-60型强制性搅拌机中，先加入玻璃微球和膨胀珍珠岩搅拌20～30s，加入1/3～1/2的水搅拌60～70s，投入硫铝酸盐水泥、超细粉和硅灰继续搅拌20～30s，投入剩余的水和聚羧酸减水剂搅拌420～600s，最后投入镀铜微丝钢纤维搅拌60～80s，所得拌合物为超高韧性轻质混凝土。
上述超高韧性轻质混凝土还需进行特殊养护才能达到试验预期效果，具体步骤包括：采用钢膜成型，成型后在震动台振捣60～90s，人工顺时针由外向内进行插捣，用橡胶锤在四周每个方向进行敲击，之后再在震动台振捣，完成成型步骤；移入静停室，保持温度为15～25℃，湿度为50％以上，静停15～18小时，带膜具放入压蒸釜中养护，在温度80～90℃，工作压力为1.8～2.0MPa的条件下，养护48±2小时，得到超高韧性轻质混凝土。
根据上述方案所得超高韧性轻质混凝土，其抗压强度为100～130MPa，抗折强度为15～23MPa，混凝土容重为1100～1350kg/m3。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明所得超高韧性轻质混凝土兼具优异的抗压强度、超高韧性和轻质性能，抗压强度最高可达130MPa；抗折强度最高可达到23MPa；容重最低可达1100kg/m3；
2)本发明所述超高韧性轻质混凝土优选轻质且高强的原材料(膨胀珍珠岩、玻璃微球)，使用92.5硫铝酸盐水泥早强水泥，高减水降粘型聚羧酸减水剂分散胶凝材料，使得轻质原材料均匀悬浮在浆体之中(采用常规减水剂通常会导致轻质原材料漂浮在混凝土上层)，同时利用硅灰、超细粉等填充水化产物微孔，使得混凝土能够兼顾轻质与高强，并进一步引入钢纤维，增强混凝土的韧性，最终得到超高韧性轻质混凝土；
3)本发明所得超高韧性轻质混凝土的抗氯离子渗透性能、抗水渗透性能优越；可进一步拓宽其应用范围；
4)本发明通过调整调整搅拌方式，合理改变搅拌时长，进行特殊成型和养护方式等手段，合理的投料顺序，促进物料与水、外加剂均匀接触，不会导致团聚，分散更加均匀；成型方面主要结合不同振捣方式，使得新拌混凝土气泡完全释放，钢纤维均匀分布，增加混凝土的密实度；养护方式主要采用压蒸养护与925硫铝酸盐水泥水化热释放的相适应，能够使水泥水化稳定发展，强度稳固增长；
5)本发明涉及的制备方法可实现性较强，操作方便、易控，适合推广应用。
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。
以下实施例中，采用的硫铝酸盐水泥为超高强快硬水泥，由华新水泥股份有限公司提供，水泥标号为92.5，水泥胶砂7d抗压强度实测为85.4MPa，28d抗压强度实测为93.8MPa，表观密度为2850kg/m3。
硅灰由兰州鑫盛源商贸有限公司提供，28d活性指数实测值为118％，需水量比为106％，比表面积为1950m2/kg。
采用地玻璃微球为山西海诺科技有限公司提供的HGS800X型空心玻璃微球，其表观密度实测为425kg/m3，颜色为纯白色。
采用膨胀珍珠岩由杭州正柯塑业有限公司提供，堆积密度实测值为250kg/m3，表观密度为500kg/m3
以下实施例中，采用的超细粉的制备方法包括如下步骤：分别称取矿粉67份，粉煤灰23份，电石渣10份，首先将称取的电石渣在105℃烘箱中烘干120min，冷却至室温后，放入SM-500试验磨中，球磨40min，然后加入粉煤灰和矿粉，外掺0.03％(占矿粉、粉煤灰和电石渣粉质量之和的百分含量)的三乙醇胺，球磨80min，即得所述超细粉；经测试，其比表面积为680m2/kg，28d水泥胶砂活性为108％(水泥与超细粉的质量比为1:1)，表观密度为1950kg/m3。
采用的高减水降粘型聚羧酸减水剂的实测减水率为45％，含固量为51％，氯离子含量为0.02％，总碱量为0.029％，pH值为6.2，泌水率比为42；采用的配制比例为高减水母液10份，葡萄糖酸钠3份，消泡剂(巴斯夫421型消泡剂；RHEOPLUS 421)0.04份，改性剂(巴斯夫420型改性剂；RHEOPLUS 420)2份，环糊精0.07份，十二烷基硫酸钠0.04份，水10份；具体合成方法为将称取的高减水母液、葡萄糖酸钠、消泡剂、改性剂、环糊精和十二烷基硫酸钠加入水中，进行超声分散，然后在60℃磁力搅拌处理30min，即得所述高减水降粘型聚羧酸减水剂；其中采用的高减水母液为三异辛基亚磷酸酯类高减水母液，由中建西部建设新材料科技有限公司提供。
采用的镀铜微丝钢纤维的实测直径平均为0.23mm，平均长度为11mm，抗拉强度>2850MP。
以下实施例中，所述超高韧性轻质混凝土制备过程中，采用的搅拌及养护的具体步骤包括：采用钢膜成型，成型后在震动台振捣60～90s，人工顺时针由外向内进行插捣，用橡胶锤在四周每个方向进行敲击，之后再在震动台振捣，完成成型步骤；移入静停室，保持温度为15～25℃，湿度为50％以上，静停15～18小时，带膜具放入压蒸釜中养护，在温度80～90℃，工作压力为1.8～2.0MPa的条件下，养护48±2小时，得到超高韧性轻质混凝土。
实施例1
一种基于超细粉的超高韧性轻质混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按比例称取各原料，各原料及其所占重量份数为：硫铝酸盐水泥600份，超细粉100份，硅灰50份，玻璃微球75份，膨胀珍珠岩90份，镀铜微丝钢纤维5份，高减水降粘型聚羧酸减水剂25份，水250份；
2)采用HJW-60型强制性搅拌机，向其中先加入玻璃微球和膨胀珍珠岩搅拌20s，加入1/3用量的水搅拌60s，然后投入硫铝酸盐水泥、超细粉和硅灰继续搅拌20s，再投入剩余的水和聚羧酸减水剂搅拌600s，最后投入镀铜微丝钢纤维搅拌60s，即得超高韧性轻质混凝土拌合物；
3)采用钢膜成型，成型后在震动台振捣60s，人工顺时针由外向内进行插捣，用橡胶锤在四周每个方向进行敲击，之后再在震动台振捣，完成成型步骤；移入静停室，保持温度为15～25℃，湿度为50％以上，静停15小时，带膜具放入压蒸釜中养护，在温度80℃，工作压力为1.8MPa的条件下，养护46小时，即得所述超高韧性轻质混凝土；其性能测试结果见表1。
表1实施例1所得混凝土性能测试结果
28d抗压强度 28d抗折强度 混凝土干容重 坍落度/扩展度 含气量
115MPa 21MPa 1100kg/m<sup>3</sup> 280/820mm 2.7％
实施例2
一种基于超细粉的超高韧性轻质混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按比例称取各原料，各原料及其所占重量份数为：硫铝酸盐水泥650份，超细粉150份，硅灰70份，玻璃微球100份，膨胀珍珠岩110份，镀铜微丝钢纤维10份，高减水降粘型聚羧酸减水剂35份，水220份；
2)采用HJW-60型强制性搅拌机中，先加入玻璃微球和膨胀珍珠岩搅拌30s，加入1/2用量的水搅拌70s，然后投入硫铝酸盐水泥、超细粉和硅灰继续搅拌30s，再投入剩余的水和聚羧酸减水剂搅拌500s，最后投入镀铜微丝钢纤维搅拌80s，即得超高韧性轻质混凝土拌合物；
3)采用钢膜成型，成型后在震动台振捣90s，人工顺时针由外向内进行插捣，用橡胶锤在四周每个方向进行敲击，之后再在震动台振捣，完成成型步骤；移入静停室，保持温度为15～25℃，湿度为50％以上，静停18小时，带膜具放入压蒸釜中养护，在温度90℃，工作压力为2.0MPa的条件下，养护50小时，即得所述超高韧性轻质混凝土；其性能测试结果见表2。
表2实施例2所得混凝土性能测试结果
28d抗压强度 28d抗折强度 混凝土干容重 坍落度/扩展度 含气量
129.7MPa 23.1MPa 1250kg/m<sup>3</sup> 275/800mm 2.1％
实施例3
一种基于超细粉的超高韧性轻质混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按比例称取各原料，各原料及其所占重量份数为：硫铝酸盐水泥675份，超细粉125份，硅灰60份，玻璃微球87份，膨胀珍珠岩100份，镀铜微丝钢纤维7份，高减水降粘型聚羧酸减水剂30份，水235份；
2)采用HJW-60型强制性搅拌机中，先加入玻璃微球和膨胀珍珠岩搅拌25s，加入5/12用量的水搅拌65s，然后投入硫铝酸盐水泥、超细粉和硅灰继续搅拌25s，再投入剩余的水和聚羧酸减水剂搅拌510s，最后投入镀铜微丝钢纤维搅拌70s，即得超高韧性轻质混凝土拌合物；
3)采用钢膜成型，成型后在震动台振捣75s，人工顺时针由外向内进行插捣，用橡胶锤在四周每个方向进行敲击，之后再在震动台振捣，完成成型步骤；移入静停室，保持温度为20℃，湿度为50％以上，静停16小时，带膜具放入压蒸釜中养护，在温度85℃，工作压力为1.9MPa的条件下，养护48小时，即得所述超高韧性轻质混凝土；其性能测试结果见表3。
表3实施例3所得混凝土性能测试结果
28d抗压强度 28d抗折强度 混凝土干容重 坍落度/扩展度 含气量
120.2MPa 22.1MPa 1200kg/m<sup>3</sup> 280/810mm 2.5％
对比例1
一种轻质混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按比例称取各原料，各原料及其所占重量份数为：硫铝酸盐水泥675份，超细粉125份，硅灰60份，玻璃微球87份，膨胀珍珠岩100份，镀铜微丝钢纤维7份，复合减水剂30份，水235份；其中减水剂的制备方法包括如下：称取聚羧酸高减水母液10份，葡萄糖酸钠3份，消泡剂0.04份，环糊精0.07份，十二烷基硫酸钠0.04份，水10份；将称取的高减水母液、葡萄糖酸钠、消泡剂、环糊精和十二烷基硫酸钠加入水中，进行超声分散，然后在60℃磁力搅拌处理40min，即得所述复合减水剂；
2)采用HJW-60型强制性搅拌机中，先加入玻璃微球和膨胀珍珠岩搅拌25s，加入5/12用量的水搅拌65s，然后投入硫铝酸盐水泥、超细粉和硅灰继续搅拌25s，再投入剩余的水和复合减水剂搅拌510s，最后投入镀铜微丝钢纤维搅拌70s，得相对均匀的拌合料；
3)采用钢膜成型，成型后在震动台振捣15s，完成成型步骤；移入静停室，保持温度为20℃，湿度为50％以上，静停24小时，放入标准养护室，养护室温度为20℃，湿度为98％，即得所述轻质混凝土；其性能测试结果见表4。
表4对比例1所得混凝土性能测试结果
28d抗压强度 28d抗折强度 混凝土干容重 坍落度/扩展度 含气量
62.8MPa 7.5MPa 1550kg/m<sup>3</sup> 255/620mm 3.9
对比例1所得混凝土内部不均匀(上下颜色不同)，说明该混凝土使用的减水剂对胶凝材料分散性差，轻质原材料上浮，胶材沉底，导致混凝土内部分布不均匀，导致重的原材料下沉，轻质材料浮在表面并在收面的时被刮除，进而增加所得混凝土制品的容重；且所得混凝土的抗压强度和抗折强度较差。
对比例2
一种轻质混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按比例称取各原料，各原料及其所占重量份数为：硫铝酸盐水泥675份，超细粉125份，硅灰60份，玻璃微球87份，膨胀珍珠岩100份，镀铜微丝钢纤维7份，高减水降粘型聚羧酸减水剂30份，水235份；
2)采用HJW-60型强制性搅拌机，先加入玻璃微球、膨胀珍珠岩、硫铝酸盐水泥、超细粉、硅灰和钢纤维预搅拌10s，加入水和聚羧酸减水剂搅拌500s，得拌合物；
3)采用钢膜成型，成型后在震动台振捣15s，完成成型步骤；移入静停室，保持温度为20℃，湿度为50％以上，静停24小时，放入标准养护室，养护室温度为20℃，湿度为98％，即得所述轻质混凝土；其性能测试结果见表5。
表5对比例2所得混凝土性能测试结果
28d抗压强度 28d抗折强度 混凝土干容重 坍落度/扩展度 含气量
38.4MPa 6.7MPa 1450kg/m<sup>3</sup> 235/600 3.5
经测试，对比例2所得混凝土内部水化不完全(破型后有干粉)，并进一步导致混凝土抗压、抗折强度降低等问题；且同样存在不均匀沉降等问题，进一步导致所得混凝土制品的容重增加(轻质材料被刮除)。
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超细粉的超高韧性轻质混凝土，其特征在于，各组分及其所占重量份数包括：硫铝酸盐水泥600～750份，超细粉100～150份，硅灰50～70份，玻璃微球75～100份，膨胀珍珠岩90～110份，镀铜微丝钢纤维5～10份，高减水降粘型聚羧酸减水剂25～35份，水220～250份；其中超细粉以电石渣粉、粉煤灰和矿粉为主要原料混合而成。
2.根据权利要求1所述的超高韧性轻质混凝土，其特征在于，所述超细粉比表面积为650-700m2/kg，28d水泥胶砂活性为105～109％，表观密度为1950～2050kg/m3。
3.根据权利要求1或2所述的超高韧性轻质混凝土，其特征在于，所述超细粉的制备方法包括如下步骤：分别称取矿粉60～70份，粉煤灰20～27份，电石渣5～15份，首先将称取的电石渣进行烘干、球磨，然后加入粉煤灰和矿粉，再外掺0.02～0.03％的三乙醇胺，进行二次球磨，即得所述超细粉。
4.根据权利要求1所述的超高韧性轻质混凝土，其特征在于，所述硫铝酸盐水泥为超高强快硬水泥，其表观密度为2800～2900kg/m3；所述硅灰比表面积为1800-2000m2/kg。
5.根据权利要求1所述的超高韧性轻质混凝土，其特征在于，所述玻璃微球为空心玻璃微球，其表观密度为420-480kg/m3；所述膨胀珍珠岩堆积密度为230～250kg/m3，表观密度为450～520kg/m3；所述镀铜微丝钢纤维的直径为0.2-0.25mm，长度为10～13mm。
6.根据权利要求1所述的超高韧性轻质混凝土，其特征在于，所述高减水降粘型聚羧酸减水剂中各组分及其所占重量份数包括：高减水母液9～11份，葡萄糖酸钠2～3份，消泡剂0.03-0.05份，改性剂1-2份，环糊精0.05-0.09份，十二烷基硫酸钠0.03～0.05份，水9-11份；具体制备步骤包括：将称取的高减水母液、葡萄糖酸钠、消泡剂、改性剂、环糊精和十二烷基硫酸钠加入水中，进行超声分散，然后在50～60℃磁力搅拌处理30～40min，即得所述高减水降粘型聚羧酸减水剂。
7.根据权利要求6所述的超高韧性轻质混凝土，其特征在于，所述高减水母液为三异辛基亚磷酸酯类减水剂母液，所制得高减水降粘型聚羧酸减水剂其减水率为39～45％，固含可达到48～52％。
8.根据权利要求6所述的超高韧性轻质混凝土，其特征在于，所述改性剂为丙烯胺类改性剂；所述消泡剂为有机硅类消泡剂。
9.权利要求1～8任一项所述基于超细粉的超高韧性轻质混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各组分及其所占重量份数包括：硫铝酸盐水泥600～750份，超细粉100～150份，硅灰50～70份，玻璃微球75～100份，膨胀珍珠岩90～110份，镀铜微丝钢纤维5～10份，高减水降粘型聚羧酸减水剂25～35份，水220～250份；
2)先加入玻璃微球和膨胀珍珠岩搅拌20～30s，加入1/3～1/2的水搅拌60～70s，投入硫铝酸盐水泥、超细粉和硅灰继续搅拌20～30s，投入剩余的水和聚羧酸减水剂搅拌420～600s，最后投入镀铜微丝钢纤维搅拌60～80s，所得拌合物为超高韧性轻质混凝土。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，采用的成型和养护步骤包括：采用钢膜成型，成型后在震动台振捣60～90s，人工顺时针由外向内进行插捣，用橡胶锤在四周每个方向进行敲击，之后再在震动台振捣，完成成型步骤；移入静停室，保持温度为15～25℃，湿度为50％以上，静停15～18小时，带膜具放入压蒸釜中养护，在温度80～90℃，工作压力为1.8～2.0MPa的条件下，养护46～50小时，得到超高韧性轻质混凝土。
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