專利名稱：低碳高性能混凝土輔助膠凝材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及國際專利分類C04B建筑混凝土材料技術(shù)，尤其是低碳高性能混凝土輔助膠凝材料。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，砼是由骨料、水泥石結(jié)構(gòu)和骨料與水泥石界面過度區(qū)三個相組成，后兩相屬微結(jié)構(gòu)，根據(jù)微結(jié)構(gòu)性能關(guān)系，水泥石、水泥石與骨料界面過渡區(qū)的兩個微結(jié)構(gòu)的改進(jìn)是影響決定5全性能的關(guān)鍵。
硅酸鹽水泥水化后形成的水泥石主要由水化產(chǎn)物水化硅酸鈣[CSH]、氫氧化鈣、未水化的水泥顆粒內(nèi)核、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣、鈣礬石等組成。水化產(chǎn)物中以呈團(tuán)簇狀的水化硅酸鈣和呈六方板塊的氫氧化鈣居多，未水化的膠凝材料顆粒也較為廣泛的分布在水泥石中。其中，粘結(jié)強(qiáng)度高的水化硅酸鈣分布廣泛、均勻，而未水化的膠凝材料顆粒則“包裹”在這些水化硅酸鈣中，在骨料和水化產(chǎn)物結(jié)合的界面上則大量富集著氫氧化鈣。因此可以認(rèn)為，水泥石的特點是以水化硅酸鈣為主要粘結(jié)成分，未水化的膠凝材料顆粒散布其中， 氫氧化鈣則富集于骨料顆粒表面。所以，混凝土的各項性能實際上取決于上述兩個微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，而不是通常認(rèn)為的水泥用量的多少和水泥標(biāo)號、品種等因素。
最新研究表明，微觀孔結(jié)構(gòu)也是最終決定水泥石結(jié)構(gòu)和影響混凝土性能的關(guān)鍵性因素之一，即由孔徑、開口與閉口決定的孔結(jié)構(gòu)是水泥石中重要組成部分，根據(jù)“孔級配”理論，以水泥石孔的不同作用對孔進(jìn)行了分類，孔分為4類即無害孔，孔徑< 20nm ;少害孔， 孔徑20 IOOnm ;有害孔，孔徑100 200nm ;多害孔，孔徑> 200nm，減少多害孔、有害孔， 增加少害孔、無害孔，就必須提高水泥石的密實度。
為了降低成本、提高質(zhì)量、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約水泥，在混凝土、人造石、砂漿等水泥和水泥制品的生產(chǎn)中，部分技術(shù)利用粉煤灰、礦渣、鋼渣、磷渣等工業(yè)廢渣作為水泥混合材料， 相關(guān)比較接近的專利申請已有多篇公開
中國專利申請?zhí)?01110390013 —種低熱復(fù)合膠凝材料原料以重量份數(shù)配制，由 20-50份水泥、40-70份粉煤灰、5-25份偏高嶺土、0_8份激發(fā)劑組成；制備將上述料劑依次置于混料機(jī)中，在常溫、常壓下，以60-120轉(zhuǎn)/分鐘的速度，攪拌5-15分鐘，即得膠凝材料；應(yīng)用步驟原料以重量份數(shù)配制，由88-97份膠凝材料、3-12份膨脹劑、I. 0-1. 5份減水劑、24-32份自來水組成將上述料劑依次置于水泥凈漿攪拌機(jī)中，按國家建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JC/T729-2005規(guī)定的速度和程序進(jìn)行拌合以140±5轉(zhuǎn)/分鐘自轉(zhuǎn)和62±5轉(zhuǎn)/分鐘公轉(zhuǎn)的速度，慢速攪拌120 ± 3秒，停拌15 ± I秒，再以285 ± 10轉(zhuǎn)/分鐘自轉(zhuǎn)和125 ± 10轉(zhuǎn)/ 分鐘公轉(zhuǎn)的速度，快速攪拌120±3秒即成型。
中國專利申請?zhí)?00710027516 —種環(huán)保型耐高溫橡膠高強(qiáng)混凝土，它是由下述重量配比的原材料制成水泥280 310kg，礦粉180 240kg，硅粉30 46kg，再生橡膠粉 5 15kg,水110 125kg,砂700 740kg,石1060 1168kg ;萘磺酸鹽和塑化增強(qiáng)劑復(fù)合的30%濃度復(fù)合外加劑按上述水泥、礦粉、硅粉膠結(jié)料重量之和的3. 5% 5. 0%加入；研配成的混凝土流動性達(dá)230mm, 28天抗壓強(qiáng)度達(dá)IOOMPa,電通量介于283 304庫侖,氯離子擴(kuò)散深度0mm。
再如，中國專利申請?zhí)?01010246324高鈣粉煤灰混凝土，其特征在于它包括以下原料拌和水、水泥、高鈣粉煤灰、碎石、砂、減水劑，低鈣粉煤灰和礦渣粉，其中所述拌和水為暫時硬水,其HC03—的濃度> 300mg/L ;所述每立方米混凝土中各組分的重量為拌和水144 175kg、水泥224 480kg、高鈣粉煤灰35 135kg、碎石1007 1120kg、砂671 804kg、減水劑I. 7 9kg、低鈣粉煤灰O 110kg、礦渣粉O 110kg。
再如，中國專利申請?zhí)?00910049642地質(zhì)聚合物再生混凝土及其制備方法。地質(zhì)聚合物再生混凝土以再生粗集料、再生細(xì)集料、粉煤灰、礦渣粉、水、硅酸鈉、氫氧化鈉、萘磺酸鹽甲醛縮合物和蔗糖化鈣為原料，以一定的配合比，采用專門的攪拌工藝制備而成。
中國專利申請?zhí)?2108232水泥及其制品的早強(qiáng)劑，由20 80%鈣芒硝礦石， 20 80%明礬礦石，重量百分比O 40%紙漿廢渣組成，用于水泥或摻有20 60%粉煤灰、礦渣、鋼渣、磷渣等工業(yè)廢渣的水泥及其混凝土、人造石、砂漿等制品中。
中國專利申請?zhí)?00910187472 —種纖維混凝土材料。主要成分包括水泥、活性礦物摻合料、骨料、纖維和水，其特征在于，活性礦物摻合料采用粉煤灰、硅灰、粒化高爐礦渣、 偏高嶺土，纖維采用聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、芳香族聚酰胺纖維，骨料的最大粒徑不 超過O. 5_，骨料的重量與水泥和活性礦物摻合料總重量之比為1% 70%，纖維的摻量為纖維混凝土總體積的I. 5% 2. 5%。
但是，無論是水泥還是粉煤灰、高嶺土，雖然，其比表面積相對較小，但其顆粒級配較單一，這就使得混凝土的微集料填充作用無法充分發(fā)揮，如果細(xì)度不夠細(xì)，還會制約其火山灰效應(yīng)的發(fā)揮；另外，混凝土的微集料填充效應(yīng)需要水膠比的配合才能充分發(fā)揮，減水劑與膠凝材料的適應(yīng)性也極大地影響了混凝土的各項技術(shù)指標(biāo)，在大水膠比下，即使摻合料比水泥顆粒細(xì)也難以發(fā)揮填充作用；同時，基于現(xiàn)有技術(shù)對前述理論認(rèn)識有限，已公開的膠凝材料中均未摻加減水劑，這使得其在拌制成混凝土拌合物時對于控制混凝土密實度和硬化后的性能又進(jìn)一步降低。
就現(xiàn)有技術(shù)而言，所謂改進(jìn)的高耐久性混凝土技術(shù)并未得到廣泛的應(yīng)用，其原因是對于水膠比的控制缺乏手段，使得很多“高耐久性混凝土”難以真正體現(xiàn)出其發(fā)明目的所追求的性能，使得混凝土的強(qiáng)度、耐久性得不到保障。這涉及到外加劑適應(yīng)性、膠凝材料的微集料級配、砂石骨料以何種狀態(tài)為控制標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)，例如，在不涉及前述研究分析的情況下，僅加入廢渣改進(jìn)混凝土必然出現(xiàn)性能不足，特別是在加入量較大時，水泥及其制品的早期強(qiáng)度會急劇下降，致使凝結(jié)時間延長，同時，抗壓、抗折性能降低。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低碳高性能混凝土輔助膠凝材料，是一種具有優(yōu)勢互補疊加效應(yīng)的輔助膠凝材料，從內(nèi)部和外表結(jié)構(gòu)兩個方面全面的解決了混凝土的耐久性問題。
本發(fā)明的發(fā)明目的是通過如下技術(shù)措施實現(xiàn)的以重量份數(shù)配制，由20-70份礦渣粉、20-70份粉煤灰、5-10份硅灰、3-10份脫硫石膏、1_3份減水劑組成摻合料；其中，礦渣粉，粉煤灰，硅灰，脫硫石膏為顆粒級100納米到100微米的微集料，將料劑依次置于混料機(jī)中，在常溫、常壓下，以60-120轉(zhuǎn)/分鐘的速度，攪拌60-120分鐘，即得膠凝材料。
本發(fā)明的有益效果是將混凝土中起膠結(jié)作用的微集料進(jìn)行篩選，引入了納米級細(xì)度的硅灰和高效減水劑，混合形成顆粒級配連續(xù)合理的微集料混合物，將本發(fā)明應(yīng)用于混凝土中，可替代混凝土中70%的水泥，即使替代水泥量高達(dá)70%時，配制出的混凝土強(qiáng)度也能達(dá)到C15-C60。同時，運用微集料填充作用、充分的二次水化作用和改善水泥石、界面過渡區(qū)微結(jié)構(gòu)以提高混凝土的耐久性，運用復(fù)合摻加形成各種材料協(xié)同效應(yīng)，運用摻加減水劑來保證低水膠比(0.40以下)，充分發(fā)揮各種原材料的優(yōu)勢，揚長避短，使其配制的混凝土具有高耐久性，各項指標(biāo)均高于普通混凝土。使用本發(fā)明后，混凝土各項耐久性指標(biāo)均得到了巨大的提升，其中抗?jié)B等級均可達(dá)到S21、能夠抵抗lOOOOmg/LSO/的侵蝕、有效抑制 AAR反應(yīng)、水化熱指標(biāo)低于低熱水泥混凝土。另一方面，其節(jié)能減排等社會效益顯著。將本發(fā)明科學(xué)合理的運用于混凝土中，可使混凝土在保證力學(xué)和耐久性能的前提下，獲得良好的節(jié)能減排效益。
具體實施方式
以下對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
以重量份數(shù)配制，由20-70份礦渣粉、20-70份粉煤灰、5_10份硅灰、3_10份脫硫石膏、1-3份減水劑組成摻合料；其中，礦渣粉，粉煤灰，硅灰，脫硫石膏為顆粒級100納米到 100微米的微集料，將料劑依次置于混料機(jī)中，在常溫、常壓下，以60-120轉(zhuǎn)/分鐘的速度， 攪拌60-120分鐘，即得輔助膠凝材料。
前述中，硅灰為納米級，其活性成分主要為SiO2，是在冶煉時由電弧爐中高純度石英與焦碳發(fā)生還原反應(yīng)經(jīng)過化學(xué)和物理改性而生成的，形成一種納米級別的活性礦物組分，其顆粒平均粒徑為0. I 0. 2um。納米級硅灰是水泥顆粒粒徑的1/100 1/50，具有較高的填充效應(yīng)；火山灰效應(yīng)劇烈，能夠與水泥石中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成的水化產(chǎn)物 CSH，膠結(jié)性高，填充孔隙作用強(qiáng)，改善水泥石微結(jié)構(gòu)和改進(jìn)界面過渡區(qū)薄弱環(huán)節(jié)的作用更為關(guān)出。
作為實施例，通過磨料或篩選，將顆粒直徑100納米到100微米的粉煤灰、高爐煉鐵水淬渣、脫硫石膏微集料，與高效減水劑和納米級硅灰混合，制成低碳高性能混凝土輔助膠凝材料。以不同顆粒粒級的摻合料復(fù)合，既可以實現(xiàn)微細(xì)顆粒級配優(yōu)化，又可使多種摻合料優(yōu)勢互補，得到較為理想的混凝土輔助膠凝材料，使以工業(yè)廢渣為主的摻合料得到更科學(xué)合理地應(yīng)用。
本發(fā)明將混凝土中的膠凝材料進(jìn)行篩選，引入了納米級細(xì)度的硅灰和高效減水劑，混合形成顆粒級配連續(xù)合理的微集料混合物，最高可替代混凝土中70%的水泥，即使替代水泥量高達(dá)70%時，配制出的混凝土強(qiáng)度也能達(dá)到C15-C60。
本發(fā)明生產(chǎn)工藝簡單，使用方便，適用性強(qiáng)，應(yīng)用效果突出，應(yīng)用其配制混凝土工作性優(yōu)良，強(qiáng)度發(fā)展合理，有效的降低了水化熱，提高了砼的抗?jié)B、抗侵蝕等耐久性。
作為本發(fā)明的研究內(nèi)容，利用激光粒度儀對將混凝土中起膠結(jié)作用的膠凝材料進(jìn)行顆粒級配分析，以fuller曲線為參照，采用數(shù)學(xué)分析軟件計算顆粒級自100納米終于100 微米各種微集料的比例，其結(jié)果形成了一條起自100納米終于100微米的微集料連續(xù)曲線的砼輔助膠凝材料。
本發(fā)明運用微集料填充作用、二次水化作用和改善界面結(jié)構(gòu)作用以解決混凝土的耐久性問題，運用復(fù)合摻加形成各種材料協(xié)同效應(yīng)，運用摻加減水劑來控制水膠比，充分發(fā)揮各種原材料的優(yōu)勢，杜絕其劣勢揚長避短。
本發(fā)明中所述的微集料對混凝土填充作用機(jī)理在于膠凝材料以最優(yōu)顆粒級配和用量加入混凝土，使混凝土整體形成一條密實曲線，達(dá)到盡可能的最大密實度。這一結(jié)論基于本發(fā)明所依據(jù)的研究結(jié)果，水泥的顆粒直徑主要在100微米-10微米之間，雖然，礦渣粉、 粉煤灰顆粒的直徑在O. 5微米-10微米之間，但由于礦渣粉、粉煤灰等摻合料早期水化速度慢，不足以及時形成水化產(chǎn)物填充滿水泥石中的孔隙，造成混凝土早期強(qiáng)度低、易被環(huán)境水或侵蝕物質(zhì)滲入，并由此造成質(zhì)量缺陷，為此，必須使用化學(xué)活性更強(qiáng)的非晶體結(jié)構(gòu)活性摻合料，所有要求其細(xì)度達(dá)到納米級。
本發(fā)明中所稱二次水化作用包括，原料為非晶體結(jié)構(gòu)的活性物質(zhì)，而水泥與水反應(yīng)生成水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠、氫氧化鈣和鈣礬石等水化產(chǎn)物，其中，氫氧化鈣會與摻合料和礦物外加劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即Ca (OH) 2十SiO2十H2O — CSH凝膠，特別是納米級細(xì)度的活性礦物組分，由于其細(xì)度小，只相當(dāng)于水泥顆粒的100-50分之一，所以，其反應(yīng)速度快， 生成的CSH粘結(jié)強(qiáng)度高，使得混凝土的孔結(jié)構(gòu)由于致密均勻，而使得混凝土早期強(qiáng)度高；同樣，通過強(qiáng)度試樣試驗表明，在同配和比情況下使用本發(fā)明輔助膠凝材料的混凝土與常規(guī)混凝土相比，28D強(qiáng)度提高了 15 %，這也從一個方面證明，本發(fā)明中所述的的輔助膠凝材料的二次水化更充分更高效。
本發(fā)明中所稱改善界面結(jié)構(gòu)作用包括，混凝土在水泥水化后會生成大量的氫氧化鈣，這些氫氧化鈣通常富集在水泥石與骨料界面上，使用本發(fā)明中的輔助膠凝材料后由于級配更合理，其中小顆粒特別是O. 1-0. 2um的顆粒能夠分散在比其更為粗大的膠凝材料顆粒之間，快速消耗Ca (OH) 2生成硅酸鈣水化物(CSH)，封閉滲水通道，改善骨料界面的粘結(jié)強(qiáng)度，提聞耐久性。
本發(fā)明中所稱協(xié)同效應(yīng)包括，本發(fā)明利用各種原材料的優(yōu)勢互補原則，所以能充分發(fā)揮其協(xié)同效應(yīng)，將其活性和填充性等發(fā)揮到極致，充分發(fā)揮各項原材料的優(yōu)點，克服其原本的缺點，如雖然，粉煤灰的優(yōu)點是摻入混凝土中可提高拌合物的和易性，后期強(qiáng)度發(fā)展快，且具有較好的抗裂性，但同時，其缺點是早期水化程度不高，或不水化，造成混凝土早期強(qiáng)度偏低；雖然礦粉的優(yōu)點是早期強(qiáng)度發(fā)展較快，但是缺點是干燥收縮較大，拌合物易泌水、易開裂。將前述二者復(fù)和后使得混凝土既可以得到較高的早期強(qiáng)度又可以獲得良好的抗裂效果，杜絕泌水現(xiàn)象，則充分體現(xiàn)了協(xié)同效應(yīng)。再如，雖然硅灰的優(yōu)點是其具有極高的細(xì)度和活性，保證其可充分與混凝土中的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，極大的密實了混凝土中的孔結(jié)構(gòu)，為提高混凝土性能的基礎(chǔ)，但是缺點是水化速度太快反應(yīng)太劇烈，易造成混凝土裂縫；而脫硫石膏的優(yōu)點是其緩凝效果良好同時具有微膨脹的特點，這使得其在混凝土中可有效杜絕水化速度過快而造成的裂縫，同時，微膨脹效應(yīng)也可以彌補各種收縮造成的混凝土裂縫，將二者復(fù)和后產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使得混凝土既能得到高強(qiáng)度的優(yōu)點又有效地杜絕了易裂的缺陷。將本發(fā)明科學(xué)合理的運用于混凝土中，可使混凝土在保證力學(xué)和耐久性能的前提下，獲得良好的節(jié)能減排效益，其節(jié)能減排等社會效益顯著。應(yīng)用后，混凝土各項耐久性指標(biāo)均得到了巨大的提升，其中抗?jié)B等級均可達(dá)到S15、能夠抵抗lOOOOmg/LSO/的侵蝕、 有效抑制AAR反應(yīng)、水化熱指標(biāo)低于低熱水泥混凝土。
本發(fā)明中以摻加高效減水劑來控制水膠比原理在于，首先通過適應(yīng)性試驗選定摻量少、減水率高的高效減水劑，再將該高效減水劑加入膠凝材料中，這樣就使得在拌制混凝土拌合物時不會摻加過量的水導(dǎo)致水膠比被篡改，同時選定的高效減水劑由于和膠凝材料的適應(yīng)性好、摻量低也使得其對混凝土的影響較小。
前述中，本發(fā)明應(yīng)用后，當(dāng)孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化后即使水泥石中的水化硅酸鈣成分較少，混凝土的強(qiáng)度等耐久性能不但不會降低，而且部分如抗?jié)B等性能還會大幅提高。所以，在砼配制中，實行O. 40以下低水膠比摻加高效減水劑，摻加大摻量超細(xì)摻合料，在包括水泥、超細(xì)摻合料的膠凝材料中做好顆粒級配才能實現(xiàn)孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
本發(fā)明不僅適合做建材使用，還可用于回填注漿、固化有毒廢物等特殊用途，具有高耐久性，各項指標(biāo)均高于普通混凝土。同時，運用微集料填充作用、二次水化作用和改善界面結(jié)構(gòu)作用以解決混凝土的耐久性問題，運用復(fù)合摻加形成各種材料協(xié)同效應(yīng)，運用摻加減水劑來控制水膠比，充分發(fā)揮各種原材料的優(yōu)勢，揚長避短。
在混凝土配制中，通過水泥和輔助膠凝材料的應(yīng)用實現(xiàn)更科學(xué)合理的使用工業(yè)廢料改進(jìn)和完善水泥石、界面過渡區(qū)微結(jié)構(gòu)
I、充分發(fā)揮輔助膠凝材料的填充效應(yīng)和充分的二次水化反應(yīng)，減少孔隙、減小孔徑、增加膠結(jié)性強(qiáng)的CSH水化產(chǎn)物，有效提高水泥石或砼密實度，改善界面過渡區(qū)，減少界面過渡區(qū)產(chǎn)生的負(fù)面影響。極大提高砼各項宏觀技術(shù)性能。
2、充分發(fā)揮輔助膠凝材料各項成分的優(yōu)勢互補，優(yōu)勢疊加效應(yīng)，降低砼水化熱，提高早強(qiáng)。權(quán)利要求
1.低碳高性能混凝土輔助膠凝材料，其特征是以重量份數(shù)配制，由20-70份礦渣粉、20-70份粉煤灰、5-10硅灰、3-10脫硫石膏、1_3份減水劑組成摻合料；其中，礦渣，粉煤灰，硅灰，脫硫石膏為顆粒級100納米到100微米的微集料，將料劑依次置于混料機(jī)中，在常溫、常壓下，以60-120轉(zhuǎn)/分鐘的速度，攪拌60-120分鐘，即得輔助膠凝材料。
2.如權(quán)利要求I所述的低碳高性能混凝土輔助膠凝材料，其特征在于，通過磨料或篩選，將顆粒直徑100納米到100微米的粉煤灰、高爐煉鐵水淬渣、脫硫石膏，與高效減水劑和納米級硅灰混合。
全文摘要
低碳高性能混凝土輔助膠凝材料，以重量份數(shù)配制，由20-70份礦渣、20-70份粉煤灰、5-10份硅灰、3-10份脫硫石膏、1-3份減水劑組成摻合料；其中，礦渣，粉煤灰，硅灰，脫硫石膏為顆粒級100納米到100微米的微集料，將料劑依次置于混料機(jī)中，在常溫、常壓下，以60-120轉(zhuǎn)/分鐘的速度，攪拌60-120分鐘，即得輔助膠凝材料。將本發(fā)明應(yīng)用于混凝土中，可替代混凝土中70％的水泥，即使替代水泥量高達(dá)70％時，配制出的混凝土強(qiáng)度也能達(dá)到C15-C60。適合做建材使用，還可用于回填注漿、固化有毒廢物等特殊用途。
文檔編號C04B28/00GK102976672SQ20121048764
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者袁芬, 賈佳, 張超, 黃志斌 申請人:新疆研科節(jié)能科技有限公司