專利名稱：一種功能集料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬混凝土材料領(lǐng)域，具體涉及ー種功能集料及其制備方法。
背景技術(shù)：
混凝土是目前世界上用量最多，應(yīng)用最廣泛的人工制備的建筑材料，隨著建筑業(yè)的迅速發(fā)展，對混凝土的需求也日益増大。混凝土資源的有效使用直接關(guān)系到能源、資源消耗和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等國家重大戰(zhàn)略問題，是需要迫切解決的重大課題。作為ー種多相復(fù)合材料，混凝土各相間性能的匹配性和弱界面過渡區(qū)的存在是影響結(jié)構(gòu)與性能的最主要問題。相與相之間的界面，尤其是水泥石-集料之間的界面結(jié)合情況，對混凝土力學(xué)性能和耐久性有著十分重要的影響。目前混凝土的研究表明，受集料邊壁效應(yīng)、水化產(chǎn)物的單邊生長效應(yīng)等影響，集料 與水泥石之間形成了在組成、結(jié)構(gòu)與性能上與水泥石基體不同的界面過渡區(qū)(Interfacialtransition zone,簡稱ITZ)。在該區(qū)域內(nèi)，沿集料到水泥基體方向的顯微硬度、孔隙率以及礦物組分等呈梯度變化，晶體粒子由多到少及擇優(yōu)性逐漸變?nèi)?。由于集料和水泥漿體的彈性模量和熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)使役環(huán)境溫度、濕度變化或受到荷載作用時，集料和水泥石之間產(chǎn)生不一致變形，ITZ成為混凝土中應(yīng)カ最為集中的區(qū)域，這種界面薄弱區(qū)的存在對混凝土性能不利，包括力學(xué)性能、抗凍性、抗?jié)B性以及抗侵蝕能力，尤其在復(fù)雜環(huán)境條件下會嚴(yán)重影響到混凝土的耐久性和使用壽命。針對這些問題，大量研究者一直在尋求提高界面過渡區(qū)性能的方法。例如采用熱處理、化學(xué)溶蝕對集料表面進(jìn)行粗糙化處理，或通過“裹漿”法進(jìn)行集料表面改性，這雖可增加集料與水泥漿體之間的“嚙合”作用，但不能有效消除邊壁效應(yīng)以及界面區(qū)組分梯度分布問題。輕集料混凝土具有自重輕、保溫隔熱和耐火性能好等特點，得到了廣泛的應(yīng)用。用于制備輕集料混凝土的輕集料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)能作為釋水因子起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，從而達(dá)到界面增強的效果。但是高強輕集料往往經(jīng)過高溫處理后表面呈明顯的釉質(zhì)化，這反而降低了集料與水泥石的結(jié)合。本發(fā)明從混凝土中用量最多的集料入手，結(jié)合混凝土對集料性能的要求，考慮到輕集料混凝土的優(yōu)缺點，通過功能化設(shè)計來制備具有特定性能的功能集料。本發(fā)明將集料設(shè)計為核殼結(jié)構(gòu)，并將外殼設(shè)計為具有水化活性的堿性表面活化殼層，而將其內(nèi)部設(shè)計為高強多孔結(jié)構(gòu)，得到了ー種輕質(zhì)高強、可內(nèi)養(yǎng)護(hù)，并且具有堿性表面活化層的功能集料。在混凝土中，它既具有增強與優(yōu)化ITZ的作用，又具備調(diào)整和控制水泥石形成的功效，解決了普通粗集料和輕集料只具有単一或者部分功效的問題，為高性能混凝土的設(shè)計提供了ー種新的思路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種功能集料及其制備方法。該功能集料為核殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為高強多孔結(jié)構(gòu)，外部為堿性表面活化殼層，具有增強與優(yōu)化ITZ的作用。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為—種功能集料,其特征在于它為核殼結(jié)構(gòu)，由多孔內(nèi)核基體和堿性表面活化殼層組成，所述的多孔內(nèi)核基體以莫來石為主要礦相形成連續(xù)相，連續(xù)相中分布有氣孔，所述的氣孔孔徑呈多級分布，并以微米級小孔為主；所述的堿性表面活化殼層中的礦相組成主要為硅酸ニ鈣、硅酸三鈣、鋁酸 三鈣、鐵鋁酸四鈣。按上述方案，所述多孔內(nèi)核基體的礦相組成主要為莫來石、堇青石和a-石英，其所占質(zhì)量百分比分別為莫來石55% 70%，堇青石10% 15%，a -石英15% 35%，余量為其它；所述堿性表面活化殼層的礦相組成按質(zhì)量百分比計分別為硅酸ニ鈣15% 23%，硅酸三鈣42% 55%，鋁酸三鈣6% 15%，鐵鋁酸四鈣為8% 18%，余量為其它。按上述方案，所述功能集料為球狀顆粒，粒徑為5-20mm，其中多孔內(nèi)核基體的直徑為4 15mm,外部堿性表面活化殼層的厚度為I 5mm。一種功能集料的制備方法，其特征在于它是將基體生料球磨，加水，混合均勻，密封陳腐，制粒成型；然后將堿性表面活化層粉料均勻裹到制粒成型的基體外，二次成型得到包裹表面活化層的試樣，然后干燥至恒重后，1150°C 1250°C保溫?zé)稍倏焖倮鋮s而得；所述的基體生料是按重量份計由20-40份粉煤灰、20-40份高嶺土、10-16份頁巖、8-12份滑石粉和6-16份石英粉，通過計算控制使其混合物按氧化物計各組分的質(zhì)量百分比含量為SiO2 55% 65%，Al2O3 18% 25%，F(xiàn)e203+Fe0 小于 10%，CaO+MgO 為 4% 6%, K20+Na20為I. 5% 4. 0%，燒失量為2% 6%而得；所述的堿性表面活化層粉料是硅酸鹽水泥熟料，率值為KH = 0. 8 0. 96，SM =
I.9 2. 4，頂=I. I I. 6。按上述方案，所述水的加入量為基體生料的20-30被％ ;所述堿性表面活化層粉料與基體生料的質(zhì)量比為15% 20%。按上述方案，所述基體生料的球磨時間為2 6小時，球磨后基體生料的粒度為300 400目；所述堿性表面活化層粉料是經(jīng)粉磨2-6h至粒度為300-400目而得。按上述方案，所述的密封陳腐時間為2_3h ;所述的干燥溫度為105°C 110°C。按上述方案，所述的保溫?zé)蓵r間為15_30min。按上述方案，所述的快速冷卻是在還原氣氛下進(jìn)行。按上述方案，所述的還原氣氛是由水和煤粉按質(zhì)量比為I. 2 1.5 I配制的混合液噴到還未開始進(jìn)行冷卻的功能集料上而得。本發(fā)明提供的功能集料用于制備混凝土，功能集料外部的堿性表面活化殼層具有良好的水化活性，可通過良好的水化反應(yīng)，增強與水泥石的粘接，提高界面過渡區(qū)的密實度；功能集料內(nèi)層的多孔結(jié)構(gòu)能提供儲水和釋水的轉(zhuǎn)換空間，其經(jīng)預(yù)濕后，可以在硬化混凝土中向毛細(xì)孔持續(xù)供水，從混凝土內(nèi)部對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，促進(jìn)水泥水化，井能緩解自干燥、減小自收縮，對水泥石及界面起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用，而從根本上增強和改善界面過渡區(qū)(ITZ)，井能調(diào)控水泥石結(jié)構(gòu)的形成，提高混凝土的整體性能。因此，將它用于混凝土配制中，既具有增強與優(yōu)化ITZ的作用，又具備調(diào)整和控制水泥石形成的功效，解決了目前的普通粗集料和輕集料只具有単一或者部分功效的問題，為高性能混凝土的設(shè)計提供了一種新的思路，具有重要的意義。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提供的功能集料輕質(zhì)高強、可內(nèi)養(yǎng)護(hù)，并且外部具有堿性表面活化殼層，筒壓強度大于7. 5MPa，表觀密度小于1800Kg/m3。其用于混凝土中，可通過良好的水化反應(yīng)，增強與水泥石的粘接，提高界面過渡區(qū)的密實度，改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，抑制了有害離子(如氯離子)在混凝土中的擴散。該功能集料內(nèi)層的多孔結(jié)構(gòu)還能提供儲水和釋水的轉(zhuǎn)換空間，其經(jīng)預(yù)濕后，可以在硬化混凝土中向毛細(xì)孔持續(xù)供水，從混凝土內(nèi)部對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，促進(jìn)水泥水化，井能緩解自干燥、減小自收縮，對水泥石及界面起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用，提高混凝土的體積穩(wěn)定性和耐久性，而從根本上增強和改善界面過渡區(qū)(ITZ)，調(diào)控水泥石結(jié)構(gòu)的形成，提高混凝土的整體性能。制備エ藝流程簡單可控，易于操作。


圖I為本發(fā)明一個實施例中功能集料的制備エ藝流程圖； 圖2為功能集料多孔內(nèi)核基體的SEM圖；圖3為多孔內(nèi)核基體的XRD分析圖；圖4為外部堿性表面活化層殼層的XRD分析圖；圖5為功能集料內(nèi)核基體的顆?？箟簭姸葴y試示意圖，其中I為功能集料內(nèi)核基體制得的圓柱體試樣；圖6為表9中不同編號混凝土的電通量圖。
具體實施例方式實施例I(I)配料根據(jù)表2、表3和表5進(jìn)行相應(yīng)配料，由此配制得到的基體生料的化學(xué)組成及燒失量LOI見表4。其中本實施例中各原料的化學(xué)組成含量和燒失量LOI見表I。(2)粉磨將配制好的基體生料放入球磨機粉磨4小吋，控制原料粒度在325目，加入基體生料22%的水，混合均勻，用塑料薄膜密封，陳腐3h ;將堿性表面活化層原料即硅酸鹽水泥熟料以球磨機粉磨4小時，控制粒度在325目，備用。(3)成型將陳腐后的基體采用手工成型(也可采用擠壓成型)，制成直徑為IOmm的小球。再將堿性表面活化層粉料盡可能均勻包裹在基體小球表面(可使用旋轉(zhuǎn)成型方式)，二次成型，所述堿性表面活化層粉料與基體原料的質(zhì)量比值保持在18%。將二次成型后的試樣在105°C 110°C下干燥4h至恒重。(4)燒結(jié)燒成溫度選在1200°C，保溫時間為20min，升溫速率控制在5°C /min。(5)冷卻還原氣氛下進(jìn)行快速冷卻。所述的還原氣氛是由水和煤粉按質(zhì)量比為1.2 I配制的混合液噴到還未開始進(jìn)行冷卻的功能集料上而得。具體制備エ藝流程如圖I所示。將制備得到的功能集料內(nèi)核基體進(jìn)行SEM測試，見圖2。由圖2可知內(nèi)核氣孔孔徑呈多級分布，并以微米級小孔為主；對制備得到的功能集料顆粒剝離分別進(jìn)行礦相組成分析，其內(nèi)核基體和外部堿性表面活化層XRD測試結(jié)果分別如圖3和圖4所示。由圖3可知該功能集料的內(nèi)核基體組成礦相主要為莫來石，堇青石和a -石英，結(jié)合XRD測試結(jié)果計算可得內(nèi)核基體的具體礦物組成為莫來石64. 3%，堇青石13. 24%，a-石英22. 13%，余量為其它。由圖4可知該功能集料的外部堿性表面活化層的組成礦相主要為硅酸ニ鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣。結(jié)合XRD測試結(jié)果可得，堿性表面活化層的具體礦相組成為硅酸ニ鈣17. 34%,硅酸三鈣47. 14%，鋁酸三鈣9. 17%，鐵鋁酸四鈣為15. 39%，余量為其它。對所制備的功能集料進(jìn)行基體與外殼顯微硬度線性掃描分析，測得表面活化層厚度為2. 45_。該功能集料內(nèi)核基體小球的顆?？箟簭姸群凸δ芗系木唧w性能見表5。表I原料的化學(xué)組成/wt. % SiO2 AI2O., Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2 SO3 P2O LOI 粉煤灰 47.89 28.82 6.64 3.35 1.06 2.15 0.56 2.18 1.27 0.34 5.U6 'H Yi 74.50 13.52 1.21 1.00 0.29 4.50 4.47 0.18 0.041 0.070 0.59 丨 Wj 嶺上 48.61 36.45 0.75 0.01 0.11 0.88 — 0.29 0.16 0.039 12.64 石英粉 98.95 0.64 0.028 0.02 — 0.10 — — — — 0.25 滑石 56.85 1.70 1.22 0.89 32.4 — — 0.06 — — 6.65實施例2(I)配料根據(jù)表2、表3和表5進(jìn)行相應(yīng)配料，由此配制得到的基體生料的化學(xué)組成及燒失量LOI見表4。(2)粉磨將配制好的基體生料放入球磨機粉磨4小吋，控制原料粒度在325目，加入基體原料30%的水，混合均勻，用塑料薄膜密封，陳腐2h ;將堿性表面活性層原料以球磨機粉磨4小時，控制粒度在325目，備用。(3)成型將陳腐后的基體采用手工成型(也可采用擠壓成型)，制成直徑為15_的小球。再將堿性表面活化層粉料盡可能均勻包裹在基體小球表面(可使用旋轉(zhuǎn)成型方式)，二次成型，所述堿性表面活性層粉料與基體原料的質(zhì)量比值保持在15%。將二次成型后的試樣在105 °C 110°C下干燥至恒重。(4)燒結(jié)燒成溫度選在1200°C，保溫時間為20min，升溫速率控制在5°C /min。(5)快速冷卻。將制備得到的功能集料內(nèi)核基體進(jìn)行SEM測試可得內(nèi)核氣孔孔徑呈多級分布，并以微米級小孔為主；對制備得到的功能集料顆粒剝離分別進(jìn)行礦相組成分析，其內(nèi)核基體和外部堿性表面活化層XRD測試結(jié)果可得該功能集料的內(nèi)核基體組成礦相主要為莫來石，堇青石和a-石英，結(jié)合XRD測試結(jié)果計算可得內(nèi)核基體的具體礦物組成為莫來石63. 54%，堇青石13. 91%，a-石英20. 16%，余量為其它；外部堿性表面活化層的組成礦相主要為硅酸ニ鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣。結(jié)合XRD測試結(jié)果可得，堿性表面活化層的具體礦相組成為硅酸ニ鈣15. 84%，硅酸三鈣53. 63 %，鋁酸三鈣7. 56 %，鐵鋁酸四鈣為14. 36 %，余量為其它。對所制備的功能集料進(jìn)行基體與外殼顯微硬度線性掃描分析，測得表面活化層厚度為2. 97mm。該功能集料內(nèi)核基體小球的顆?？箟簭姸群凸δ芗系木唧w性能見表5。實施例3(I)配料根據(jù)表2、表3和表5進(jìn)行相應(yīng)配料，由此配制得到的基體生料的化學(xué)組成及燒失量LOI見表4。(2)粉磨將配制好的基體生料放入球磨機粉磨4小吋，控制原料粒度在325目，加水混合均勻，用塑料薄膜密封，陳腐；將堿性表面活性層原料以球磨機粉磨4小時，控制粒度在325目，備用。(3)成型將陳腐后的基體采用手工成型(也可采用擠壓成型)，制成小球。再將堿性表面活性層粉料盡可能均勻包裹在基體小球表面(可使用旋轉(zhuǎn)成型方式)，二次成型。將二次成型后的試樣干燥至恒重。 (4)燒結(jié)燒成溫度選在1200°C，保溫時間為20min。(5)冷卻冷卻制度為還原氣氛下快速冷卻。所述的還原氣氛是將水與煤粉按質(zhì)量比I. 5 I均勻噴到還未冷卻的功能集料上制得。將制備得到的功能集料內(nèi)核基體進(jìn)行SEM測試可得內(nèi)核氣孔孔徑呈多級分布，并以微米級小孔為主；對制備得到的功能集料顆粒剝離分別進(jìn)行礦相組成分析，其內(nèi)核基體和外部堿性表面活化層XRD測試結(jié)果可得該功能集料的內(nèi)核基體組成礦相主要為莫來石，堇青石和a-石英，結(jié)合XRD測試結(jié)果計算可得內(nèi)核基體的具體礦物組成為莫來石62. 68%，堇青石12. 17%, a-石英24. 61%，余量為其它；外部堿性表面活化層的組成礦相主要為硅酸ニ鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣。結(jié)合XRD測試結(jié)果可得，堿性表面活化層的具體礦相組成為硅酸ニ鈣20. 57 %，硅酸三鈣44. 92 %，鋁酸三鈣9.17%，鐵鋁酸四鈣為15. 39 %，余量為其它。對所制備的功能集料進(jìn)行基體與外殼顯微硬度線性掃描分析，測得表面活化層厚度為3. 54mm。功能集料具體性能見表5。實施例4-7參考實施例I的制備方法，根據(jù)表2、表3和表5進(jìn)行相應(yīng)配料，由此配制得到的基體生料的化學(xué)組成及燒失量LOI見表4 ;其余制備條件與實施例I相同。功能集料具體性能見表5。實施例8-9參考實施例I的制備方法，根據(jù)表6進(jìn)行相應(yīng)燒成溫度的設(shè)置，其余與實施例I相同。功能集料具體性能見表5。實施例10-11參考實施例I的制備方法，根據(jù)表7設(shè)定保溫?zé)蓵r間，其余與實施例I相同。功能集料具體性能見表5。實施例12-14參考實施例I的制備方法，根據(jù)表8設(shè)定基體生料和堿性表面活化層的球磨時間，其余與實施例I相同。該功能集料內(nèi)核基體小球的顆粒抗壓強度和功能集料的具體性能見表5。
表2基體生料原料組成
權(quán)利要求
1.一種功能集料，其特征在于它為核殼結(jié)構(gòu)，由多孔內(nèi)核基體和堿性表面活化殼層組成，所述的多孔內(nèi)核基體以莫來石為主要礦相形成連續(xù)相，連續(xù)相中分布有氣孔，所述的氣孔孔徑呈多級分布，并以微米級小孔為主；所述的堿性表面活化殼層中的礦相組成主要為硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功能集料，其特征在于所述多孔內(nèi)核基體的礦相組成主要為莫來石、堇青石和α -石英，其所占質(zhì)量百分比分別為莫來石559Γ70%，堇青石10°/Γ 5%，α-石英159Γ35%，余量為其它；所述堿性表面活化殼層的礦相組成按質(zhì)量百分比計分別為硅酸二鈣15% 23%，硅酸三鈣42% 55%，鋁酸三鈣6% 15%，鐵鋁酸四鈣為8% 18%，余量為其它。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功能集料，其特征在于所述功能集料為球狀顆粒，粒徑為5-20mm，其中多孔內(nèi)核基體的直徑為Γ 5πιπι，外部堿性表面活化殼層的厚度為f5mm。
4.一種功能集料的制備方法，其特征在于它是將基體生料球磨，加水，混合均勻，密 封陳腐，制粒成型；然后將堿性表面活化層粉料均勻裹到制粒成型的基體外，二次成型得到包裹表面活化層的試樣，然后干燥至恒重后，1150°C 1250°C保溫?zé)稍倏焖倮鋮s而得； 所述的基體生料是按重量份計由20-40份粉煤灰、20-40份高嶺土、10-16份頁巖、8_12份滑石粉和6-16份石英粉，通過計算控制使其混合物按氧化物計各組分的質(zhì)量百分比含量為Si02 55% 65%，Al2O3 18% 25%，F(xiàn)e203+Fe0 小于 10%，CaO+MgO 為 4% 6%，K2CHNa2O 為I.59Γ4. 0%，燒失量為2% 6%而得； 所述的堿性表面活化層粉料是硅酸鹽水泥熟料，率值為KH=O. 8^0. 96，SM=L 9^2. 4，IM=L Γ1. 6。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功能集料的制備方法，其特征在于所述水的加入量為基體生料的20-30wt% ;所述堿性表面活化層粉料與基體生料的質(zhì)量比為15% 20%。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功能集料的制備方法，其特征在于所述基體生料的球磨時間為2飛小時，球磨后基體生料的粒度為30(Γ400目；所述堿性表面活化層粉料是經(jīng)粉磨2-6h至粒度為300-400目而得。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功能集料的制備方法，所述的密封陳腐時間為2-3h;所述的干燥溫度為105 °C 110°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功能集料的制備方法，其特征在于所述的保溫?zé)蓵r間為15_30min。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功能集料的制備方法，其特征在于所述的快速冷卻是在還原氣氛下進(jìn)行。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的功能集料的制備方法，其特征在于所述的還原氣氛是由水和煤粉按質(zhì)量比為I. 2^1. 5:1配制的混合液噴到還未開始進(jìn)行冷卻的功能集料上而得。
全文摘要
本發(fā)明屬混凝土材料領(lǐng)域，具體涉及一種功能集料及其制備方法。一種功能集料，其特征在于它為核殼結(jié)構(gòu)，由多孔內(nèi)核基體和堿性表面活化殼層組成，所述的多孔內(nèi)核基體以莫來石為主要礦相形成連續(xù)相，連續(xù)相中分布有氣孔，所述的氣孔孔徑呈多級分布，并以微米級小孔為主；所述的堿性表面活化殼層中的礦相組成主要為硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣。本發(fā)明提供的功能集料輕質(zhì)高強、可內(nèi)養(yǎng)護(hù)，并且具有表面活化層的功能集料，用于混凝土中，可從根本上增強和改善界面過渡區(qū)(ITZ)，調(diào)控水泥石結(jié)構(gòu)的形成，提高混凝土的整體性能；制備工藝流程簡單可控，易于操作。
文檔編號C04B14/04GK102849970SQ20121033523
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月4日
發(fā)明者王發(fā)洲, 楊婷婷, 胡曙光, 商得辰 申請人:武漢理工大學(xué)