CN113754357A - 一种高强地聚合物再生骨料混凝土承重结构材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强地聚合物再生骨料混凝土承重结构材料及其制备方法。采用再生骨料来替代传统的天然粗骨料，每立方米高强地聚合物再生骨料混凝土承重结构材料包括粉煤灰216.6‑346.7 kg/m³、矿渣86.7‑216.6 kg/m³、砂698.7 kg/m³、天然骨料321‑1283.9 kg/m³、再生骨料321‑962.9 kg/m³、减水剂0.1‑8.7 kg/m³和碱激发剂208.2 kg/m³。将全部材料加水搅拌均匀，常温养护28d，抗压强度达90MPa以上并具有良好的坍落度和流动性，满足作为承重结构材料的性能要求，有效地克服了传统地聚合物混凝土工作性能较差的缺点，同时也在一定程度上解决了废弃骨料引起的环境污染问题，有利于减少碳排放。
Description
技术领域
本发明属于新型建筑环保材料领域，具体涉及一种高强地聚合物再生骨料混凝土承重结构材料及其制备方法。
背景技术
建筑行业的碳排放占人类活动总碳排放的29%，其中大多数为水泥制造过程中产生。同时，工业生产中制造了大量的工业废料无处堆积，也给环保造成了很大压力。因此，在建筑材料中利用工业废料来取代水泥成为节能环保的大势所趋，由此地聚合物混凝土应运而生。地聚合物混凝土采用粉煤灰、矿渣等工业废渣取代水泥，通过碱激发剂来激发工业废料的活性，可有效解决在水泥生产过程中的环境污染问题，显著降低建筑行业的碳排放。
目前，我国每年因废旧建筑物拆除产生的废弃混凝土已超过3亿吨，占所有建筑垃圾的40%，而大多采用填埋和自然堆放的形式处理，既对环境造成恶劣影响也造成了资源浪费。将废弃混凝土回收、破碎并分级后制作成再生骨料，并使用粉煤灰等工业废料部分取代水泥，这样拌制而成的再生混凝土可以显著减少天然骨料开采和水泥制造中所产生的巨大能耗，起到减少碳排放和保护环境的效果。
因此，将地聚合物和再生骨料结合而形成绿色环保的地聚合物再生混凝土可实现巨大的生态效益和显著的经济效益。然而，再生骨料混凝土存在强度低、弹性模量低等缺点，而地聚合物混凝土不仅强度一般不高，而且其粘性较大，坍落度和水平铺展度等工作性能较差，难以用于承重结构材料。有鉴于此，本发明的创新是提出一种高强地聚合物再生骨料混凝土的制备方法，其28d的抗压强度可达到80MPa及以上，同时还具有较好的工作性能，可填充在钢管中形成钢管地聚合物再生粗骨料混凝土，通过二者之间的组合效应，达到承载力高、工作性能好的效果，可广泛用于重要建筑的竖向承重结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强地聚合物再生骨料混凝土承重结构材料及其制备方法，其28d的抗压强度可达到C90，同时还具有较好的坍落度和流动性，可用于建筑中承重结构构件。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高强地聚合物再生骨料混凝土承重结构材料的原料包括粉煤灰、矿渣、砂、天然骨料、再生骨料、碱激发剂和减水剂。
每立方米高强地聚合物再生骨料混凝土承重结构材料包括粉煤灰216.6-346.7kg/m³、矿渣86.7-216.6 kg/m³、砂698.7 kg/m³、天然骨料321-1283.9 kg/m³、再生骨料321-962.9 kg/m³、减水剂0.1-8.7 kg/m³和碱激发剂208.2 kg/m³。
所述的粉煤灰为F级低钙粉煤灰，主要是由烟煤或无烟煤燃烧后生成，其CaO含量低于10%，由57.95%的SiO2和21.86%的Al2O3组成，粒径为160-315μm。
所述的矿渣为S95级高炉粒化矿渣，其主要成分是CaCO3和mCaO·nAl2O3的熔融物。
所述的砂的粒径为0.16-1.25mm，细度模数为1.9。
所述的天然骨料为花岗岩碎石，粒径为5-20mm。
所述的再生骨料为人工破碎的C50实验试块，粒径为2.36mm-16.0mm。
所述的碱激发剂由100g密度1660kg/m³的水玻璃溶液、14.8g氢氧化钠固体和28.5g水配制而成。
所述的减水剂为聚羧酸高性能减水剂，化学成分为以聚羧酸盐为主体的多种高分子有机化合物，经接枝共聚生成的，具有25%以上减水率。
用水玻璃-矿渣-粉煤灰的反应机理来解释材料的高强性能，这一过程可描述为：当粉煤灰与碱溶液混合时，玻璃体中的铝氧键(-Al-O-)首先受到OH-的攻击，电荷分布发生偏移，Al-O键断裂，其化学反应方程式为：
同时玻璃体中的硅氧键(-Si-O-)发生类似的变化，粉煤灰玻璃体中的铝硅酸盐结构解体，形成类似玻璃体的无规网络结构，其化学反应方程式为：
伴随断键解聚过程，不同聚合状态的硅酸根、铝酸根和硅铝酸根重新聚合、晶化，形成铝硅酸盐凝胶地聚合物，其化学反应方程式为：
粉煤灰/矿渣基矿物聚合物的合成反应也类似与上述过程，同样也是固相矿渣颗粒和粉煤灰颗粒与液相水玻璃激发剂之间的固液两相反应。当粉煤灰和矿渣的混合物与激发剂溶液混合后，其中矿渣的活性较高，在碱的作用下，首先是矿渣玻璃体中的Si-O-Si、Si-O-Al、Al-O-Al等共价键产生断裂，从而使铝硅玻璃体结构产生强烈破坏作用，其化学反应方程式为：
另一方面，硅氧四面体的聚合程度越低，反应活性越强。氧离子被氢氧根离子所代替，这使硅质原料颗粒表面被OH-所覆盖,以至四面体的自由度增加，成为H3SiO4 - 进入溶液。而矿渣解体产生Ca2+、Ca(OH)+或 Ca(H2O)(OH)+等离子与 H3SiO4 -反应生成C-S-H凝胶，即：
所述的高强地聚合物再生骨料混凝土承重结构材料的制备方法包括以下步骤：
（1）将100g的水玻璃溶液、14.8g氢氧化钠固体和28.5g水提前配制成模数为1.4的碱性激发剂溶液。
（2）将矿渣、粉煤灰和砂按照1：1.6的比例加入水泥胶砂搅拌机内，使其混合均匀，慢搅30s。
（3）将0.65掺量的石子和再生骨料加入至混凝土搅拌锅，慢搅30s，缓慢加入配制好的碱性激发剂和2%的减水剂，通常碱性激发剂和减水剂均分成3次加入，一共需要搅拌5~7min(视地聚合物混凝土的流动性决定)。
（4）将其浇筑在边长为100mm的立方体试模中，分别置于室温和60℃鼓风干燥箱中养护2d后脱模。
（5）将试块外部套一层塑料袋模拟钢管密闭环境，置于标准养护箱中养护至所需的龄期，标准养护箱的温度通常控制在20℃±2℃，湿度控制在95%左右。
本发明的有益效果在于：本发明通过严格的实验，选择并确定出高强地聚合物再生骨料混凝土的配比参数，对其劈裂抗拉性能、弹性模量和微观结构进行分析，制备的混凝土在常温养护下抗压强度最高可达到90MPa，劈裂抗拉强度可达6.0MPa，弹性模量约为30~40GPa，并且在有较好的抗压强度下还保持了良好的坍落度和流动性。克服了地聚合物工作性能较差和再生骨料混凝土强度低、弹性模量低的缺点，可将该绿色环保建筑材料应用于承重结构中。
附图说明
图1是本发明实施例的制备工艺流程图。
图2是本发明实施例一的液固比为0.4时不同矿渣掺量、不同养护条件下的28d抗压强度对比。
图3是本发明实施例二的液固比为0.45时不同矿渣掺量、不同养护条件下的28d抗压强度对比。
图4是本发明实施例二的不同矿渣掺量的高强地聚合物再生骨料混凝土劈裂抗拉强度发展趋势。
图5是本发明具体实施方式提供的电镜扫描结果。
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的详细说明。应该说明的是，不得将下述实施例解释为对本发明内容的限制。
本发明高强地聚合物再生骨料混凝土承重结构材料包括粉煤灰、矿渣、砂、天然骨料、再生骨料、碱激发剂和减水剂。
在一个具体实施方式中，粉煤灰每立方米高强地聚合物再生骨料混凝土加入216.6-346.7 kg/m³，主要成分为Al2O3和SiO2的F级低钙粉煤灰。
在一个具体实施方式中，细骨料采用清水细河砂，每立方米高强地聚合物再生骨料混凝土加入0-698.7 kg/m³，粒径为0.16-1.25mm，优选胶砂比为1.6-2.0。
在一个具体实施方式中，再生骨料每立方米高强地聚合物再生骨料混凝土加入321-962.9 kg/m³，再生骨料来源于本科教学所留试块，试块强度为C50，经由人工破碎后，再由XPC-125×100破碎机破碎后，在实验室中机械筛分，粒径大致为4.75-16.0mm，吸水率为4.1%。
在一个具体实施方式中，碱激发剂每立方米高强地聚合物再生骨料混凝土加入0-208.2 kg/m³，主要成分为质量100g密度1660kg/m³的水玻璃溶液、14.8g氢氧化钠固体和28.5g水。
在一个具体实施方式中，减水剂每立方米高强地聚合物再生骨料混凝土加入0.1-8.7 kg/m³，采用聚羧酸高性能减水剂。
本发明所述高强地聚合物再生骨料混凝土的制备方法：制备主要是以粉煤灰、砂为实验材料，以硅酸钠水溶液和氢氧化钠混合为碱性激发剂溶液制备而成，先将碱性激发剂提前1d调配至所需要的模数。在搅拌过程中使用混凝土搅拌锅，先放入矿渣、粉煤灰和砂，慢搅30s，使其混合均匀，然后加入石子慢搅30s，缓慢加入碱性激发剂和减水剂，通常碱性激发剂和减水剂均分成3次加入，一共需要搅拌5~7min(视混凝土的流动性决定)，最终制备成高强地聚合物再生骨料混凝土，方便快捷，适用于承重结构构件。
使用本发明所述材料配制出地聚合物再生骨料混凝土，然后测试其不同液固比和不同矿渣掺量下的28d抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量，确定出材料液固比和矿渣掺量对地聚合物再生骨料混凝土工作性能的影响规律，从而制备出高强性能的地聚合物再生骨料混凝土。
实施例一：
（1）本实例中，胶凝材料采用F级粉煤灰和S95级高炉粒化矿渣，细骨料为清水河砂，粒径为0-5mm颗粒级配，细度模数为2.2，砂率0.35。天然骨料为5-20mm连续级配的石子，再生骨料为经由人工和机械破碎后的本科教学C50试块，粒径为5-16mm连续级配，再生骨料取代率为25%。碱性激发剂由质量100g密度1660kg/m³的水玻璃溶液、14.8g氢氧化钠固体和28.5g水通过化学反应SiO2+2NaOH+8H2O==Na2SiO3·9H2O提前一天配制成，水玻璃模数为1.4。减水剂采用聚羧酸高效减水剂，配合比见表1。
（2）将上述材料搅拌后制得高强地聚合物再生骨料混凝土，检测其在常温和高温不同条件下28d的抗压强度，其结果如图2所示。
实施例二：
（1）本实例中，材料参数与上述实例中一致，配合比见表2。
（2）将上述材料搅拌后制得高强地聚合物再生骨料混凝土，检测其在常温和高温不同条件下28d的抗压强度和劈裂抗拉强度，其结果如图3和图4所示。
实施例三：
（1）本实例中，材料参数与上述实例中一致，配合比见表3。
（2）将上述材料搅拌后制得高强地聚合物再生骨料混凝土，检测其在常温和高温不同条件下28d的抗压强度、弹性模量和流动性，其结果如表4所示。
实施例四：
（1）本实例中，材料参数与上述实例中一致，配合比见表5。
（2）将上述材料搅拌后制得高强地聚合物再生骨料混凝土，检测其在常温和高温不同条件下28d的抗压强度、弹性模量和流动性，其结果如表6所示。
实施例五：
（1）本实例中，材料参数与上述实例中一致，配合比见表7。
（2）将上述材料搅拌后制得高强地聚合物再生骨料混凝土，检测其在常温和高温不同条件下28d的抗压强度、弹性模量和流动性，其结果如表8所示。
上述实施例中的高强地聚合物再生骨料混凝土性能检测如下：
图2是液固比为0.4时高强地聚合物再生骨料混凝土在不同矿渣掺量和不同养护条件的情况下的28d抗压强度折线图，由图可看出，在矿渣掺量为40%时，高温和常温养护的混凝土其28d抗压强度分别能达到最高值94.6和87.8MPa。
图3是液固比为0.45时高强地聚合物再生骨料混凝土在不同矿渣掺量和不同养护条件的情况下的28d抗压强度折线图，由图可看出，在矿渣掺量为40%时，高温和常温养护的混凝土其28d抗压强度分别能达到最高值86.8和87.6MPa。因液固比为0.4和0.45时，矿渣掺量40%常温养护条件下的混凝土28d抗压强度相差不大，综合考虑材料的流动性问题，故选择液固比为0.45的配合比设计。
图4是不同矿渣掺量的高强地聚合物再生骨料混凝土劈裂抗拉强度发展趋势。根据之前确定的最优配比GCS，其高温和常温养护条件下的劈裂抗拉强度也分别达到7.1MPa和6.0MPa，都优于粉煤灰地聚合物混凝土。
表4是高强地聚合物再生骨料混凝土在矿渣掺量为20%时不同再生骨料掺量的材料特性。其结果表明：相比于50%和75%再生骨料掺量，再生骨料掺量为25%时，混凝土的28d抗压强度最高可达53.67MPa，弹性模量为31.1GPa，坍落度为225mm。
表6是高强地聚合物再生骨料混凝土在矿渣掺量为50%时不同再生骨料掺量的材料特性。其结果表明：相比于50%和75%再生骨料掺量，再生骨料掺量为25%时，混凝土的28d抗压强度最高可达81.91MPa，弹性模量为34.3GPa，坍落度为185mm。较矿渣掺量为20%时抗压强度提高了52%，弹性模量提升了11%，但坍落度下降了40mm。
表8是不同强度等级的高强地聚合物再生骨料混凝土弹性模量。所做参数的地聚合物混凝土的弹性模量整体较小，大致在20GPa~40GPa之间。随着强度的提高，弹性模量呈现增长趋势。相较于普通硅酸盐水泥混凝土来说，其脆性略大，但是其前期的变形会较小，刚度大。
图5是其电镜扫描的结果。通过微观结构分析，粉煤灰玻璃微珠反应较为完全、反应后结构较为致密是矿渣-粉煤灰地聚合物混凝土强度较高的主要原因。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种高强地聚合物再生骨料混凝土，其特征在于：原料包括粉煤灰、矿渣、砂、天然骨料、再生骨料、碱激发剂和减水剂。
2.根据权利要求1所述的高强地聚合物再生骨料混凝土，其特征在于：每立方米高强地聚合物再生骨料混凝土包括粉煤灰216.6-346.7 kg/m³、矿渣86.7-216.6 kg/m³、砂698.7kg/m³、天然骨料321-1283.9 kg/m³、再生骨料321-962.9 kg/m³、减水剂0.1-8.7 kg/m³和碱激发剂208.2 kg/m³。
3.根据权利要求1或2所述的高强地聚合物再生骨料混凝土，其特征在于：所述的粉煤灰为F级低钙粉煤灰，主要是由烟煤或无烟煤燃烧后生成，其CaO含量低于10%，由57.95%的SiO2和21.86%的Al2O3组成，粒径为160-315μm。
4.根据权利要求1或2所述的高强地聚合物再生骨料混凝土，其特征在于：所述的矿渣为S95级高炉粒化矿渣，其主要成分是CaCO3和mCaO·nAl2O3的熔融物。
5.根据权利要求1或2所述的高强地聚合物再生骨料混凝土，其特征在于：所述的砂的粒径为0.16-1.25mm，细度模数为1.9。
6.根据权利要求1或2所述的高强地聚合物再生骨料混凝土，其特征在于：所述的天然骨料为花岗岩碎石，粒径为5-20mm。
7.根据权利要求1或2所述的高强地聚合物再生骨料混凝土，其特征在于：所述的再生骨料为人工破碎的C50实验试块，粒径为2.36mm-16.0mm。
8.根据权利要求1或2所述的高强地聚合物再生骨料混凝土，其特征在于：所述的碱激发剂由100g密度1660kg/m³的水玻璃溶液、14.8g氢氧化钠固体和28.5g水配制而成。
9.根据权利要求1或2所述的高强地聚合物再生骨料混凝土，其特征在于：所述的减水剂为聚羧酸高性能减水剂，化学成分为以聚羧酸盐为主体的多种高分子有机化合物，经接枝共聚生成的，具有25%以上减水率。
10.一种如权利要求1所述的高强地聚合物再生骨料混凝土在承重结构材料中的应用。
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