一種貝利特矽酸鹽水泥綠色超高性能混凝土及其製備方法
2024-04-12 15:50:05
1.本發明涉及一種貝利特矽酸鹽水泥綠色超高性能混凝土及其製備方法，屬於混凝土材料及其製備技術領域。
背景技術：
2.超高性能混凝土(ultra high performance concrete，以下簡稱uhpc)具有超高抗壓、抗拉強度、超高的韌性、耐久性以及工作性能。uhpc是一般由膠凝材料(水泥、矽灰、礦渣、粉煤灰、稻殼灰等)、鋼纖維、細骨料和高效減水劑等外加劑組成顆粒級配優越的超低水膠比超高性能的混凝土材料。然而，uhpc總體膠凝材料用量較大，傳統的uhpc水泥用量高達800～1100kg/m3。採用普通矽酸鹽水泥製備的uhpc由於粒子的黏聚效應等原因導致其需水量較高，造成其流動度較低。重要的是，超高的水泥用量以及大量外加劑的使用造成了uhpc較高的造價成本以及碳排放值，限制了uhpc可持續和綠色化發展。
3.cn 112551980a公開了一種低收縮、較低水泥用量的超高性能混凝土，然而其水泥最低限制量仍高達650kg/m3，cn 114477908 a公開了一種低碳超輕超高強混凝土及其製備方法，雖然使用空心玻璃微珠、漂珠降低了容重，但其28d強度僅為100mpa左右，而且其使用的高貝利特水泥(即一種貝利特矽酸鹽水泥)標號高達62.5，同時使用了大量的納米材料、晶種和外加劑，增加了碳排放值，本質上並未製備出綠色低碳超高性能混凝土。cn 114524909b公開了一種超高強混凝土外加劑及其製備方法、超高強混凝土，其中提到使用了富含c2s的水泥改善超高性能混凝土早期工作性能，然而其提到的貝利特相帶負電影響陰離子外加劑的吸附影響水泥顆粒的分散是不科學的，因為貝利特水泥顆粒的溶解和水化過程都是相對緩慢的，聚羧酸高效減水劑等陰離子外加劑主要吸附在水泥中另一種熟料礦物鋁酸三鈣c3a的表面，這是由於c3a水化速率較快且溶解後表面帶正電，因此貝利特矽酸鹽水泥中阿利特相含量降低後，將更有利於眾多陰離子外加劑在水泥顆粒上吸附，降低了水泥顆粒溶解於水後電荷由正到負變化速率，並未影響外加劑的吸附效果，而且該專利中貝利特水泥用量也高達820kg/m3，膠凝材料用量仍比較高，大量外加劑的使用也增大了uhpc碳排放值。
4.此外，貝利特矽酸鹽水泥早期強度低，要實現早期強度提升方法有物理活化、化學活化等方法，物理活化是從養護溫度、熟料冷卻和研磨等角度出發，化學活化包括化學摻雜改性c2s、摻雜c-s-h晶種以及摻加na2co3和na2so4等化學試劑等方式。cn105174771b公開了一種以活性c2s為主貝利特水泥活化劑，然而其製備過程過於複雜，該類改性劑也未得到工業化的生產。
5.因此，提供一種貝利特矽酸鹽水泥綠色超高性能混凝土，克服上述現有技術中存在的問題是十分必要的。
技術實現要素：
6.本發明為了解決現有超高性能混凝土的水泥用量大、碳排放高以及貝利特矽酸鹽
水泥應用局限性大的問題，提供一種貝利特矽酸鹽水泥綠色超高性能混凝土及其製備方法。
7.本發明的技術方案：
8.本發明的目的之一是提供一種貝利特矽酸鹽水泥綠色超高性能混凝土，每立方米的混凝土包括：
9.貝利特矽酸鹽水泥300～700kg；
10.矽灰150～210kg；
11.玄武巖石粉150～320kg；
12.礦物摻合料0～200kg；
13.鍍銅平直鋼纖維1.5～2vol％；
14.聚羧酸高效減水劑為凝膠材料的1～1.5wt％；
15.消泡劑為凝膠材料的0.01～0.04wt％；
16.砂子為凝膠材料的90～110wt％；
17.其中，膠凝材料由貝利特矽酸鹽水泥、矽灰、玄武巖石粉和礦物摻合料組成。
18.進一步限定，貝利特矽酸鹽水泥由以貝利特相為主要的熟料礦物和石膏混合而成，其中石膏加入量為熟料礦物的5wt％；熟料礦物以基於bogue公式的計算值計，c2s≥40％，c3s≤30％，標準稠度用水量＜0.28，比表面積為280～345m2/kg，7d抗壓強度≥13mpa，28d強度≥42.5mpa，3d水化熱≤230j/g，7d水化熱≤260j/g，燒矢量≤3％。
19.更進一步限定，熟料礦物以c3a2％～10％，c2s 40％進行設計。
20.進一步限定，熟料礦物煅燒過程中使用b2o3和so3作為複合穩定劑。
21.更進一步限定，b2o3加入量為0.5wt％。
22.更進一步限定，so3加入量為0.8wt％。
23.進一步限定，矽灰中矽含量＞95wt％，比表面積20000～25000m2/g，密度2.2g/cm3，需水量＜120％，活性指數≥110％，平均粒徑為0.1～0.15μm。
24.進一步限定，矽灰中矽含量＞95wt％，比表面積20000～25000m2/g，密度2.2g/cm3，需水量＜120％，活性指數≥110％，平均粒徑為0.1～0.15μm。
25.進一步限定，玄武巖石粉粒徑0.1～100μm，燒矢量＜5％，比表面積3644m2/kg，中位粒徑＜17μm。
26.更進一步限定，玄武巖石粉的3d活性＞70％、7d活性＞75％，活性指標以po42.5基準水泥為準。
27.進一步限定，礦物摻合料為石英粉、粉煤灰、粒化高爐礦渣、火山灰、偏高嶺土、稻殼灰中一種或多種混合。
28.更進一步限定，石英粉的粒徑為300～400目，平均粒徑45μm。
29.進一步限定，聚羧酸高效減水劑固含量為40～60％。
30.進一步限定，消泡劑為聚羧酸專用消泡劑、聚醚消泡劑、有機矽消泡劑中的一種或多種混合。
31.進一步限定，砂子採用石英砂或乾淨的河砂，且級配良好，粒徑為0.01～0.8mm。
32.進一步限定，鍍銅平直鋼纖維公稱長度為13mm，當量直徑為0.2mm，抗拉強度≥2850mpa、楊氏模量大於等於45gpa。
33.本發明的目的之二是提供上述貝利特矽酸鹽水泥綠色超高性能混凝土的製備方法，該方法步驟如下：
34.s1，將水、聚羧酸高效減水劑和消泡劑混合攪拌均勻，得到材料1備用；
35.s2，將砂子加入攪拌機中慢速攪拌30s；
36.s3，將貝利特矽酸鹽水泥、矽灰、玄武巖石粉和礦物摻合料混合後加入s2中攪拌機中，繼續慢速攪拌120～180s；
37.s4，繼續向攪拌機中加入1/5的材料1，慢速攪拌60～120s；
38.s5，繼續加入剩餘4/5的材料1，慢速攪拌180s以上直至拌合物達到流動度大於200mm；
39.s6，繼續加入鍍銅平直鋼纖維，慢速攪拌90s，快速攪拌120s以上，裝入模具；
40.s7，在標準養護環境養護24h後拆模，蒸汽養護箱內養護48～72h，養護溫度80℃；
41.s8，養護完成後放至標準養護環境中備用，即得貝利特矽酸鹽水泥綠色超高性能混凝土。
42.進一步限定，每立方米的混凝土的水膠比為0.16～0.18，水用量為145～185kg。
43.進一步限定，貝利特矽酸鹽水泥綠色超高性能混凝土養護後3d或4d的立方抗壓強度＞150mp、抗折強度＞25mpa，28d抗壓強度＞180mpa、抗折強度＞30mpa，每千克貝利特矽酸鹽水泥綠色超高性能混凝土二氧化碳排放值＜800kg。
44.本發明具有以下有益效果：
45.(1)本發明採用了低碳綠色環保的貝利特矽酸鹽水泥，顯著提高了uhpc的綠色度，基於膠凝組分顆粒優化理論，採用多種玄武巖石粉等綠色礦物摻合料複合使用，貝利特矽酸鹽水泥用量最低限值低至300kg/m3，降低了uhpc的水泥用量，也從源頭上降低了uhpc的碳排放值，每千克uhpc二氧化碳排放值低於800kg。
46.(2)本發明提供的uhpc工作性能好、早期強度高，基於貝利特矽酸鹽水泥的組分優化和製備技術，熱養護後3d抗壓強度超過150mpa，28d抗壓強度超過180mpa，90d抗壓強度超過200mpa；且熱養護後的性能不會出現倒縮或劣化的問題，性能穩定、密實度高，抗滲、抗硫酸鹽侵蝕、抗氯離子侵蝕、耐高溫等耐久性能優異。
47.(3)本發明採用蒸汽養護主要是由於uhpc水膠比極低，膠凝材料水化不充分，常溫標準養護條件下水化程度低、反應不完全，蒸汽養護可以有效提高早期水化程度，提高後期膠凝材料反應程度。一方面提高了貝利特矽酸鹽水泥中貝利特相的水化速率，擴大該種綠色低碳水泥的應用，另一方面提高了低膠凝材料摻量的早期uhpc的力學性能，實現了綠色超高性能目標。
48.(4)本發明使用的貝利特矽酸鹽水泥熟料可採用低品位的鈣質石灰石以及工業廢渣，考慮元素組成差異，往往熟料礦物的c2s穩定性較差，因此本發明採用極少量b2o3和so3作為複合穩定劑，提高生產的貝利特矽酸鹽水泥熟料的穩定性，可實現煅燒效率的提高、煅燒溫度的降低。
49.(5)本發明提供的uhpc由於早期強度高，熱養護2～3d後即可應用與各種裝配式、加固維修、機場跑道以及高溫高地應力隧道襯砌、rpc人行道板等結構中。
具體實施方式
50.為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
51.下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明均為常規方法。所用材料、試劑、方法和儀器，未經特殊說明，均為本領域常規材料、試劑、方法和儀器，本領域技術人員均可通過商業渠道獲得。
52.本發明所有實施例中貝利特矽酸鹽水泥綠色超高性能混凝土的配方組成列於表1，貝利特矽酸鹽水泥綠色超高性能混凝土的主要性能及碳排放值列於表2。
53.實施例1：
54.本實施例的貝利特矽酸鹽水泥綠色超高性能混凝土的配方如表1中實施例1對應的數據所示；
55.其中貝利特矽酸鹽水泥主要礦物組成按質量百分比計為c2s為43.1％、c3s為31.4％，c3a為5.5％、c4af為15.5％，石膏為4.5％；貝利特矽酸鹽水泥的熟料礦物煅燒溫度為1100℃，添加b2o3為0.5wt％，so3為0.8wt％。矽灰為市售的一級矽灰。玄武巖石粉採用某鐵路隧道開挖後得到的玄武巖碎石製備機制砂所得的石粉副產品。砂子為粒徑在0.1mm～0.08m且級配良好的石英砂。鍍銅平直鋼纖維公稱長度為13mm，直徑為0.2mm；聚羧酸高效減水劑固含量65％，消泡劑為有機矽消泡劑。
56.本實施例製備貝利特矽酸鹽水泥綠色超高性能混凝土原料的碳排放值如下表3所示：
57.表3
[0058][0059]
本實施例的貝利特矽酸鹽水泥綠色超高性能混凝土製備過程如下：
[0060]
s1，將水、聚羧酸高效減水劑和消泡劑混合攪拌均勻，得到材料1備用；
[0061]
s2，將砂子加入攪拌機中慢速攪拌30s，慢速攪拌速率為62
±
5r/min；
[0062]
s3，將貝利特矽酸鹽水泥、矽灰、玄武巖石粉和礦物摻合料混合後加入s2中攪拌機中，繼續慢速攪拌180s，慢速攪拌速率為125
±
10r/min；
[0063]
s4，繼續向攪拌機中加入1/5的材料1，慢速攪拌120s，慢速攪拌速率為62
±
5r/min；
[0064]
s5，繼續加入剩餘4/5的材料1，慢速攪拌180s以上直至拌合物達到流動度大於200mm，慢速攪拌速率為62
±
5r/min；
[0065]
s6，繼續加入鍍銅平直鋼纖維，慢速攪拌90s，快速攪拌120s以上，裝入模具(尺寸為160*40*40mm3)，慢速攪拌速率為62
±
5r/min，快速攪拌速率為125
±
5r/min；
[0066]
s7，在標準養護環境養護24h後拆模，蒸汽養護箱內養護48h，養護溫度80℃；
[0067]
s8，養護完成後放至標準養護環境中備用，即得綠色超高性能混凝土。
[0068]
實施例2：
[0069]
本實施例的貝利特矽酸鹽水泥綠色超高性能混凝土的配方如表1中實施例2對應的數據所示；其原料種類以及製備方法與實施例1相同。
[0070]
實施例3：
[0071]
本實施例的貝利特矽酸鹽水泥綠色超高性能混凝土的配方如表1中實施例3對應的數據所示；其原料種類以及製備方法與實施例1相同。
[0072]
表1
[0073][0074]
表2
[0075][0076]
由上表2可知，實施例1～3膠凝材料的流動度均大於200mm，24h拆模後熱養護48h後，即3d抗壓強度大於150mpa，抗折強度大於25mpa，熱養護48h置於標準養護條件(20℃，95％rh)養護至28d的抗壓強度大於180mpa，抗折強度大於30mpa，碳排放值不超過800kg/m3。
[0077]
雖然本發明已以較佳的實施例公開如上，但其並非用以限定本發明，任何熟悉此技術的人，在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以做各種改動和修飾，因此本發明的保護範圍應該以權利要求書所界定的為準。