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CN114368953A - 一种低碳绿色超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种低碳绿色超高性能混凝土及其制备方法 Download PDF

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CN114368953A
CN114368953A CN202210139839.8A CN202210139839A CN114368953A CN 114368953 A CN114368953 A CN 114368953A CN 202210139839 A CN202210139839 A CN 202210139839A CN 114368953 A CN114368953 A CN 114368953A
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邢丽君
冷发光
张磊
李�柱
孙佳
王伟
刘梦乔
李赵相
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Jianyan Jianshuo Beijing Technology Co ltd
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Jianyan Jianshuo Beijing Technology Co ltd
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Abstract

本发明提供了一种低碳绿色超高性能混凝土及其制备方法，涉及建筑材料技术领域。本发明提供的低碳绿色超高性能混凝土，以重量份数计，包括以下制备原料：水泥550～650份、再生红砖粉250～350份、粉煤灰100～200份、硅灰90～110份、天然砂550～650份、再生红砖砂450～550份、外加剂40～50份、钢纤维160～180份、水170～190份。本发明解决了建筑垃圾红砖的堆置、废弃问题，将废弃红砖进行了再生红砖粉和再生红砖砂的加工，解决了资源利用的问题，提升了环境保护效益。同时，本发明解决了现有超高性能混凝土收缩大、高能耗、高成本、环保性差的难题。

Description

一种低碳绿色超高性能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，具体涉及一种低碳绿色超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
超高性能混凝土，简称UHPC，现已广泛应用于建筑物、道路与人行桥以及其他结构中。目前生产UHPC的活性细粉主要是水泥、硅灰和石英粉，其中硅灰掺量达到25％以上，石英粉达30％以上，细集料采用磨细石英砂，这些原料不仅消耗自然资源和破坏生态环境，而且其生产工艺十分复杂，成本高。
随着城市规模不断扩大，大批既有建筑面临拆除，由此产生了大量的建筑垃圾。目前普遍采取堆放和填埋的方式处理建筑垃圾，造成了土地资源浪费、环境污染等问题。因此，探索一种“绿色”的处理方式来应对建筑垃圾产生的种种问题十分迫切。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低碳绿色超高性能混凝土及其制备方法，本发明利用建筑垃圾再生材料制备超高性能混凝土，解决了现有的超高性能混凝土高能耗、高成本、高污染排放的问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种低碳绿色超高性能混凝土，以重量份数计，包括以下制备原料：水泥550～650份、再生红砖粉250～350份、粉煤灰100～200份、硅灰90～110份、天然砂550～650份、再生红砖砂450～550份、外加剂40～50份、钢纤维160～180份、水170～190份。
优选地，所述再生红砖粉的比表面积为900～1000kg/m3；28天活性指数为75～85％；所述再生红砖粉的中位径为8～10μm。
优选地，所述再生红砖粉的制备方法包括：
将建筑垃圾红砖进行除土，得到除土后红砖；
将所述除土后红砖依次进行一级破碎和二级破碎，得到红砖块；
将所述红砖块进行粉磨，得到再生红砖粉。
优选地，所述再生红砖砂的粒径为0～5mm。
优选地，所述再生红砖砂的制备方法包括：
将建筑垃圾红砖进行除土，得到除土后红砖；
将所述除土后红砖依次进行一级破碎和二级破碎，得到红砖块；
将所述红砖块进行筛分，得到再生红砖砂。
优选地，所述粉煤灰为I级粉煤灰。
优选地，所述外加剂为聚羧酸高性能减水剂。
优选地，所述天然砂的细度模数为2.3～2.5；含泥量≤3.0wt％；泥块含量≤1.0wt％。
优选地，所述钢纤维为表面镀铜钢纤维。
本发明提供了上述技术方案所述低碳绿色超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将再生红砖砂进行预湿到饱和面干，得到预湿再生红砖砂；
将水泥、粉煤灰、再生红砖粉、天然砂和硅灰混合，得到混合干料；
将所述混合干料和水以及外加剂混合，得到混合湿料；
将所述混合湿料和预湿再生红砖砂混合，得到浆料；
将所述浆料和钢纤维混合，得到低碳绿色超高性能混凝土。
本发明提供了一种低碳绿色超高性能混凝土，以重量份数计，包括以下制备原料：水泥550～650份、再生红砖粉250～350份、粉煤灰100～200份、硅灰90～110份、天然砂550～650份、再生红砖砂450～550份、外加剂40～50份、钢纤维160～180份、水170～190份。本发明通过掺加再生红砖粉，能够有效提高超高性能混凝土的密实度，大大降低水泥用量，有效降低超高性能混凝土的自收缩。本发明解决了建筑垃圾红砖的堆置、废弃问题，将废弃红砖进行了再生红砖粉和再生红砖砂的加工，解决了资源利用的问题，提升了环境保护效益。同时，本发明解决了现有超高性能混凝土收缩大、高能耗、高成本、环保性差的难题。
具体实施方式
本发明提供了一种低碳绿色超高性能混凝土，以重量份数计，包括以下制备原料：水泥550～650份、再生红砖粉250～350份、粉煤灰100～200份、硅灰90～110份、天然砂550～650份、再生红砖砂450～550份、外加剂40～50份、钢纤维160～180份、水170～190份。
在本发明中，若没有特殊说明，采用的制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
在本发明中，以重量份数计，所述低碳绿色超高性能混凝土的制备原料包括水泥550～650份，优选为600～620份。在本发明中，所述水泥优选为普通硅酸盐水泥，更优选为P.O42.5普通硅酸盐水泥。在本发明中，水泥选用P.O42.5普通硅酸盐水泥，相比P.O52.5普通硅酸盐水泥，水化热更小。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，所述低碳绿色超高性能混凝土的制备原料包括再生红砖粉250～350份，优选为250～300份。在本发明中，所述再生红砖粉的比表面积优选为900～1000kg/m3，更优选为1000kg/m3；所述再生红砖粉的28天活性指数优选为75～85％，更优选为85％；所述再生红砖粉的中位径(D50)优选为8～10μm，更优选为10μm。本发明通过对再生红砖粉的比表面积进行优化，使整个胶凝材料体系的颗粒级配实现连续性，水泥的平均粒径为20～30μm，小于10μm的粒子不多，因此，水泥粒子之间的填充性并不好，本发明在水泥中加入比水泥颗粒更细小的超细颗粒再生红砖粉，能够改善硬化胶结体的孔结构，提高强度和耐久性。本发明通过掺加上述再生红砖粉，能够有效提高密实度，大大降低水泥用量，有效降低超高性能混凝土的自收缩。
在本发明中，所述再生红砖粉的制备原料优选为建筑垃圾红砖；所述建筑垃圾红砖中优选还包括不大于20wt％的废弃混凝土。
在本发明中，所述再生红砖粉的制备方法优选包括：将建筑垃圾红砖进行除土，得到除土后红砖；将所述除土后红砖依次进行一级破碎和二级破碎，得到红砖块；将所述红砖块进行粉磨，得到再生红砖粉。在本发明中，所述除土的方法优选为过10mm筛。本发明优选采用鄂式破碎机对所述除土后红砖进行一级破碎。在本发明中，所述一级破碎后所得红砖块的粒径优选≤150mm，更优选为120mm。本发明优选采用锤击破碎机进行二级破碎。在本发明中，所述二级破碎后所得红砖块的粒径优选≤70mm，更优选为50mm。本发明优选采用球磨机或者卧轴式单仓管磨机进行粉磨。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，所述低碳绿色超高性能混凝土的制备原料包括粉煤灰100～200份，优选为150～180份。在本发明中，所述粉煤灰优选为I级粉煤灰。在本发明中，所述粉煤灰的平均粒径优选为15μm。在本发明中，粉煤灰具有活性，能够提高超高性能混凝土的强度。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，所述低碳绿色超高性能混凝土的制备原料包括硅灰90～110份，优选为100份。在本发明中，所述硅灰中SiO2的质量含量优选大于95％。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，所述低碳绿色超高性能混凝土的制备原料包括天然砂550～650份，优选为600～620份。在本发明中，所述天然砂的细度模数优选为2.3～2.5；含泥量优选≤3.0wt％；泥块含量优选≤1.0wt％。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，所述低碳绿色超高性能混凝土的制备原料包括再生红砖砂450～550份，优选为500～520份。在本发明中，所述再生红砖砂的粒径优选为0～5mm，更优选为0.63～5mm；所述再生红砖砂的细度模数优选为2.4～2.6，更优选为2.5；所述再生红砖砂的微粉含量优选为2.0～5.0wt％，更优选为2.0wt％；所述再生红砖砂的表观密度优选为2600～2650kg/m3，更优选2630kg/m3；所述再生红砖砂的再生胶砂需水量比优选为2.0～2.1，更优选为2.05。在本发明中，所述再生红砖砂前期吸水保水，后期缓慢释放水分，为后期胶凝材料水化提供水分，起到内养护作用，减小混凝土的收缩作用。
在本发明中，所述再生红砖砂的制备原料优选为建筑垃圾红砖；所述建筑垃圾红砖中优选还包括不大于20wt％的废弃混凝土。
在本发明中，所述再生红砖砂的制备方法优选包括：将建筑垃圾红砖进行除土，得到除土后红砖；将所述除土后红砖依次进行一级破碎和二级破碎，得到红砖块；将所述红砖块进行筛分，得到再生红砖砂。在本发明中，所述除土的方法优选为过10mm筛。本发明优选采用鄂式破碎机对所述除土后红砖进行一级破碎。在本发明中，所述一级破碎后所得红砖块的粒径优选≤150mm，更优选为120mm。本发明优选采用锤击破碎机进行二级破碎。在本发明中，所述二级破碎后所得红砖块的粒径优选≤70mm，更优选为50mm。本发明优选采用孔径为5mm的振动筛进行筛分。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，所述低碳绿色超高性能混凝土的制备原料包括外加剂40～50份，优选为42～45份。在本发明中，所述外加剂优选为聚羧酸高性能减水剂。在本发明中，所述聚羧酸高性能减水剂的固含量优选≥35wt％，更优选为40wt％；所述聚羧酸高性能减水剂的减水率优选≥30％，更优选为35％。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，所述低碳绿色超高性能混凝土的制备原料包括钢纤维160～180份，优选为165～170份。在本发明中，所述钢纤维优选为表面镀铜钢纤维；所述钢纤维的长径比优选为60～80，更优选为70。在本发明的具体实施例中，所述钢纤维为上海真强纤维有限公司售卖的端钩形RS70/8-3000。在本发明中，表面镀铜钢纤维能够使钢纤维表面进行钝化，阻止生锈。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，所述低碳绿色超高性能混凝土的制备原料包括水170～190份，优选为180份。
本发明还提供了上述技术方案所述低碳绿色超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将再生红砖砂进行预湿到饱和面干，得到预湿再生红砖砂；
将水泥、粉煤灰、再生红砖粉、天然砂和硅灰混合，得到混合干料；
将所述混合干料和水以及外加剂混合，得到混合湿料；
将所述混合湿料和预湿再生红砖砂混合，得到浆料；
将所述浆料和钢纤维混合，得到低碳绿色超高性能混凝土。
本发明采用上述加料顺序能够在缩短搅拌时间的情况下提高搅拌的均匀性。
本发明将水泥、粉煤灰、再生红砖粉、天然砂和硅灰混合，得到混合干料。在本发明中，所述混合优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的时间优选为120s。
得到混合干料后，本发明将所述混合干料和水以及外加剂混合，得到混合湿料。在本发明中，所述混合优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的时间优选为180s。
本发明将再生红砖砂进行预湿到饱和面干，得到预湿再生红砖砂。在本发明中，所述预湿到饱和面干的状态以达到GB/T14684-2011《建设用砂》标准为宜。
得到混合湿料和预湿再生红砖砂后，本发明将所述混合湿料和预湿再生红砖砂混合，得到浆料。在本发明中，所述混合优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的时间优选为120s。
得到浆料后，本发明将所述浆料和钢纤维混合，得到低碳绿色超高性能混凝土。在本发明中，所述浆料和钢纤维混合优选包括：将钢纤维连续均匀地加入到浆料中。在本发明中，所述混合优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的时间优选为60s。本发明通过搅拌使得钢纤维被浆料包裹并分布均匀。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例和对比例采用的制备原料如下：
水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥。
再生红砖粉的比表面积为1000kg/m3，28d活性指数为85％，D50为10μm。所述再生红砖粉的制备方法为：将大块建筑垃圾红砖过10mm筛子，进行除土；采用鄂式破碎机对除土后红砖进行一级破碎，得到粒径≤150mm的红砖块；采用锤击破碎机将一级破碎后的红砖块进行二级破碎，得到粒径≤70mm的红砖块；采用球磨机或者卧轴式单仓管磨机将二级破碎的红砖块进行粉磨，得到再生红砖粉。
粉煤灰为I级粉煤灰，平均粒径为15μm。
硅灰中SiO2的质量含量为96％。
天然砂的细度模数为2.3，含泥量为2.4wt％)，泥块含量为0.4wt％。
再生红砖砂的粒径为0.63～5mm，细度模数为2.5，微粉含量为2.0wt％，表观密度为2630kg/m3，再生胶砂需水量比为2.05。所述再生红砖砂的制备方法为：将大块建筑垃圾红砖过10mm筛子，进行除土；采用鄂式破碎机对除土后红砖进行一级破碎，得到粒径≤150mm的红砖块；采用锤击破碎机将一级破碎后的红砖块进行二级破碎，得到粒径≤70mm的红砖块；将二级破碎的红砖块过5mm孔径的振动筛，得到再生红砖砂。
聚羧酸高性能减水剂的固含量为40wt％，减水率35％。
钢纤维为表面镀铜钢纤维，长径比为70，上海真强纤维有限公司售卖的端钩形RS70/8-3000。
实施例1
本实施例的低碳绿色超高性能混凝土由以下重量份数的原料制备得到：
普通硅酸盐水泥650份、再生红砖粉250份、粉煤灰100份、硅灰100份、天然砂650份、再生红砖砂450份、钢纤维180份、聚羧酸高性能减水剂45份、水180份。
制备方法：
将再生红砖砂预湿到饱和面干，得到预湿再生红砖砂；将水泥、粉煤灰、再生红砖粉、天然砂和硅灰加入强制式搅拌机中干搅拌120s，得到混合干料；将水和聚羧酸高性能减水剂均匀加入上述混合干料中，搅拌180s，得到混合湿料；向上述混合湿料中缓慢加入预湿再生红砖砂，搅拌120s，得到浆料；向上述浆料中缓慢加入钢纤维，搅拌60s，得到低碳绿色超高性能混凝土。
实施例2
本实施例的低碳绿色超高性能混凝土由以下重量份数的原料制备得到：
普通硅酸盐水泥550份、再生红砖粉350份、粉煤灰100份、硅灰100份、天然砂650份、再生红砖砂450份、钢纤维180份、聚羧酸高性能减水剂45份、水180份。
制备方法：
将再生红砖砂预湿到饱和面干，得到预湿再生红砖砂；将水泥、粉煤灰、再生红砖粉、天然砂和硅灰加入强制式搅拌机中干搅拌120s，得到混合干料；将水和聚羧酸高性能减水剂均匀加入上述混合干料中，搅拌180s，得到混合湿料；向上述混合湿料中缓慢加入预湿再生红砖砂，搅拌120s，得到浆料；向上述浆料中缓慢加入钢纤维，搅拌60s，得到低碳绿色超高性能混凝土。
实施例3
本实施例的低碳绿色超高性能混凝土由以下重量份数的原料制备得到：
普通硅酸盐水泥650份、再生红砖粉250份、粉煤灰100份、硅灰100份、天然砂600份、再生红砖砂500份、钢纤维180份、聚羧酸高性能减水剂45份、水180份。
制备方法：
将再生红砖砂预湿到饱和面干，得到预湿再生红砖砂；将水泥、粉煤灰、再生红砖粉、天然砂和硅灰加入强制式搅拌机中干搅拌120s，得到混合干料；将水和聚羧酸高性能减水剂均匀加入上述混合干料中，搅拌180s，得到混合湿料；向上述混合湿料中缓慢加入预湿再生红砖砂，搅拌120s，得到浆料；向上述浆料中缓慢加入钢纤维，搅拌60s，得到低碳绿色超高性能混凝土。
实施例4
本实施例的低碳绿色超高性能混凝土由以下重量份数的原料制备得到：
普通硅酸盐水泥650份、再生红砖粉250份、粉煤灰100份、硅灰100份、天然砂550份、再生红砖砂550份、钢纤维180份、聚羧酸高性能减水剂45份、水180份。
制备方法：
将再生红砖砂预湿到饱和面干，得到预湿再生红砖砂；将水泥、粉煤灰、再生红砖粉、天然砂和硅灰加入强制式搅拌机中干搅拌120s，得到混合干料；将水和聚羧酸高性能减水剂均匀加入上述混合干料中，搅拌180s，得到混合湿料；向上述混合湿料中缓慢加入预湿再生红砖砂，搅拌120s，得到浆料；向上述浆料中缓慢加入钢纤维，搅拌60s，得到低碳绿色超高性能混凝土。
对比例1
本对比例的超高性能混凝土由以下重量份数的原料制备得到：
普通硅酸盐水泥800份、粉煤灰200份、硅灰100份、天然砂1100份、钢纤维180份、聚羧酸高性能减水剂45份、水180份。
制备方法：
将水泥、粉煤灰、天然砂和硅灰加入强制式搅拌机中干搅拌120s，得到混合干料；将水和聚羧酸高性能减水剂均匀加入上述混合干料中，搅拌180s，得到混合湿料；向上述混合湿料中缓慢加入钢纤维，搅拌60s，得到低碳绿色超高性能混凝土。
对比例2
本对比例的超高性能混凝土由以下重量份数的原料制备得到：
普通硅酸盐水泥650份、再生红砖粉250份、粉煤灰100份、硅灰100份、天然砂1100份、钢纤维180份、聚羧酸高性能减水剂45份、水180份。
制备方法：
将水泥、粉煤灰、再生红砖粉、天然砂和硅灰加入强制式搅拌机中干搅拌120s，得到混合干料；将水和聚羧酸高性能减水剂均匀加入上述混合干料中，搅拌180s，得到混合湿料；向上述混合湿料中缓慢加入钢纤维，搅拌60s，得到低碳绿色超高性能混凝土。
测试例
实施例1～4和对比例1～2制备的超高性能混凝土的性能测试结果如表1所示。检测标准为GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》；GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》。
表1实施例1～4和对比例1～2制备的超高性能混凝土的性能
编号 抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 3d收缩率/με 60d收缩率/με
对比例1 26.9 148.2 1215 618
对比例2 25.6 145.6 1098 509
实施例1 25.3 141.6 915 365
实施例2 23.5 135.2 890 283
实施例3 26.1 144.2 812 212
实施例4 24.2 138.7 735 188
由表1可以看出，常规超高性能混凝土的材料特性在赋予其优异性能的同时，也造成了其自收缩严重的现象，混凝土水胶比极低，胶凝材料含量高，导致水化反应剧烈，短时间内消耗大量毛细孔中的水分，造成显著的自干燥效应和随之产生的毛细负压，在宏观上表现为明显的体积自收缩变形。这种自收缩现象在超高性能混凝土构件受限情况下易在其机体内产生较大拉应力和微裂纹，进而给混凝土结构整体带来不良影响。
本发明制备的低碳绿色超高性能混凝土，随着再生红砖粉掺量的增加，混凝土早期(3d)收缩率逐渐降低，这是由于再生红砖粉取代部分水泥，减少了水泥早期水化反应产生的化学收缩，抗压强度和抗折强度略有降低，但是抗压强度都在120MPa以上，抗折强度都在20MPa以上。其次，随着再生红砖砂的掺量增加，混凝土后期(60d)收缩率明显降低，这是因为预湿再生红砖砂具有内养护作用，可以明显的降低混凝土自干燥收缩。由于本发明低碳绿色超高性能混凝土中再生红砖粉、再生红砖砂具有较大的掺量，不仅降低了单方混凝土的成本，还为建筑垃圾再生材料的应用提供一种新途径，具有良好的经济、环保和社会效益。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低碳绿色超高性能混凝土，以重量份数计，包括以下制备原料：水泥550～650份、再生红砖粉250～350份、粉煤灰100～200份、硅灰90～110份、天然砂550～650份、再生红砖砂450～550份、外加剂40～50份、钢纤维160～180份、水170～190份。
2.根据权利要求1所述的低碳绿色超高性能混凝土，其特征在于，所述再生红砖粉的比表面积为900～1000kg/m3；28天活性指数为75～85％；所述再生红砖粉的中位径为8～10μm。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述再生红砖粉的制备方法包括：
将建筑垃圾红砖进行除土，得到除土后红砖；
将所述除土后红砖依次进行一级破碎和二级破碎，得到红砖块；
将所述红砖块进行粉磨，得到再生红砖粉。
4.根据权利要求1所述的低碳绿色超高性能混凝土，其特征在于，所述再生红砖砂的粒径为0～5mm。
5.根据权利要求1或4所述的低碳绿色超高性能混凝土，其特征在于，所述再生红砖砂的制备方法包括：
将建筑垃圾红砖进行除土，得到除土后红砖；
将所述除土后红砖依次进行一级破碎和二级破碎，得到红砖块；
将所述红砖块进行筛分，得到再生红砖砂。
6.根据权利要求1所述的低碳绿色超高性能混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为I级粉煤灰。
7.根据权利要求1所述的低碳绿色超高性能混凝土，其特征在于，所述外加剂为聚羧酸高性能减水剂。
8.根据权利要求1所述的低碳绿色超高性能混凝土，其特征在于，所述天然砂的细度模数为2.3～2.5；含泥量≤3.0wt％；泥块含量≤1.0wt％。
9.根据权利要求1所述的低碳绿色超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维为表面镀铜钢纤维。
10.权利要求1～9任一项所述低碳绿色超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将再生红砖砂进行预湿到饱和面干，得到预湿再生红砖砂；
将水泥、粉煤灰、再生红砖粉、天然砂和硅灰混合，得到混合干料；
将所述混合干料和水以及外加剂混合，得到混合湿料；
将所述混合湿料和预湿再生红砖砂混合，得到浆料；
将所述浆料和钢纤维混合，得到低碳绿色超高性能混凝土。
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