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高性能混凝土專(zhuān)用輔料的制作方法

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專(zhuān)利名稱(chēng)::高性能混凝土專(zhuān)用輔料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
:本發(fā)明涉及一種高性能混凝土專(zhuān)用輔料,該輔料是以高鈣粉煤灰為基料的復(fù)合膠凝材料。這種材料可取代10-50%的水泥,在高品混凝土拌合站或施工現(xiàn)場(chǎng)直接與水泥、砂、石和水拌合成各種等級(jí)的高性能混凝土而不用再添加其它外加劑。屬于特種混凝土配制技術(shù)中的專(zhuān)用建筑材料。隨著高層建筑、橋梁及一些惡劣環(huán)境如海洋鉆井平臺(tái)這類(lèi)結(jié)構(gòu)工程對(duì)混凝土要求的提高即在抗壓強(qiáng)度充分滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上,要求配合比的設(shè)計(jì)須將耐久性作為一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)。這種基于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性而設(shè)計(jì)的高性能混凝土,需采用特殊的輔助材料和科學(xué)的配合比,才能配制出來(lái)。中國(guó)專(zhuān)利94104016.X公開(kāi)了一種高效能混凝土專(zhuān)用水泥的配方標(biāo)號(hào)525#硅酸鹽水泥65-80%,改性劑10-25%,超塑化劑1.5-2.5%,膨脹性材料7-15%。這種以水泥為產(chǎn)品的配制方案,產(chǎn)生了一定的技術(shù)效果,但在跨地區(qū)使用時(shí),由于運(yùn)量大,供貨易受區(qū)域、流向的限制,難以及時(shí)滿(mǎn)足大范圍內(nèi)的工程要求,影響推廣使用。特別是其采用的改性劑價(jià)格偏高。以上海地區(qū)為例,其采用的普通II級(jí)煤灰售價(jià)為130/噸,硅灰為1900元-2300元/噸,(525#水泥售價(jià)為460元/噸)。本發(fā)明的目的是提供一種以高性能混凝土輔料為產(chǎn)品的技術(shù)方案應(yīng)用現(xiàn)仍為工業(yè)廢料的高鈣粉煤灰為基料,配制一種技術(shù)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益更加顯著的使用方便、靈活的高性能混凝土專(zhuān)用輔料。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的,設(shè)計(jì)的高性能混凝土輔料由含下述重量百分比的下述組分組成高鈣粉煤灰10.5-93%硅灰5-70%,萘磺酸鈉鹽甲酸縮合物0.4-10%木質(zhì)素磺酸鈣0.4-3%硫酸鈉0-7%三乙醇胺0.05%其中高鈣粉煤灰的CaO含量為5-25%;其技術(shù)指標(biāo)符合普通粉煤灰GB5146-90I級(jí)灰標(biāo)準(zhǔn),硅灰SiO2含量≥80%,萘磺酸鈉鹽甲醛縮合物的萘核體數(shù)n=7-11,其余均為工業(yè)品級(jí)。眾所周知,一般的混凝土是一種水泥基復(fù)合材料。如附圖1電鏡圖片顯示水泥石其結(jié)構(gòu)疏松,晶體隨可見(jiàn),其耐久性必然受到限制。要配制施工性能好、抗壓強(qiáng)度高而特別是耐久性突出的高性能混凝土,僅靠水泥是難實(shí)現(xiàn)的。故本發(fā)明設(shè)計(jì)了上述配方的高性能輔料。其中基料為高鈣粉煤灰,用量可高達(dá)93%,這是一種數(shù)量很大的工業(yè)廢料僅上海地區(qū)每年排放量達(dá)50萬(wàn)噸,需巨大排污處理費(fèi)用。同時(shí),高鈣粉煤灰又是一種優(yōu)良的火山灰材料。下表1為某電廠高鈣粉煤灰化學(xué)成分表1</tables>其中,活性成分SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3四者之和高達(dá)82%,完全可以成為水泥混凝土中的第二種高活性膠凝材料,少量的SO3也利于水泥石密實(shí)性提高。但由于高鈣粉煤灰比CaO含量小于5%的低鈣粉煤灰含的有害游離氧化鈣(fCaO)高(上表例中達(dá)2.86%),fCaO水化很慢,添加高鈣灰后,會(huì)因后期水化引起混凝土體積不均勻膨脹而龜裂,摻用量愈高,影響愈明顯,故至今未能大量應(yīng)用。因此,高鈣粉煤灰能否適于作高性能混凝土輔料基料的關(guān)鍵在于能否有效地消除高含量的fCaO對(duì)混凝土龜裂的不良影響。為此,本發(fā)明輔料又選用了適量的硅灰。硅灰具有很高的火山灰活性,表2為硅灰、高鈣粉煤灰的組成例。表2</tables>硅灰不含fCaO,很細(xì),化學(xué)活性很高,適當(dāng)?shù)膿接霉杌?,可有效克服高鈣粉煤灰中fCaO對(duì)混凝土的安定性不良影響。明顯的改善水泥漿體的微集料級(jí)配,能明顯提高混凝土的強(qiáng)度、和易性。因水泥顆粒粒徑平均為30μ;高鈣粉煤灰粒徑95%以上為1-10μ;硅灰粒徑0.05-0.15μ。這種不同粒徑的粉末材料合理搭配,能明顯改善水泥漿體的微集料級(jí)配硅灰填充高鈣灰顆粒間的空隙,高鈣灰又填充水泥顆粒間的空隙并擠出自由水。在加水一定的條件下,會(huì)增大流動(dòng)度;如流動(dòng)性要求一定,則可明顯降低加水量。同時(shí),由于高細(xì)微粒的表面吸附作用,漿體的粘聚性、硬化后的密實(shí)性等一系列性能得到顯著改善。利用此特性,可以用高鈣粉煤灰、硅灰為基料,配制大流動(dòng)性(坍落度>20cm)的泵送混凝土和噴射混凝土,以減少回彈等。故本輔料選用高鈣粉煤灰和硅灰共同摻用,利用它們的復(fù)合增強(qiáng)效果,可使水泥為膠凝材料的混凝土的施工性、強(qiáng)度、耐久性大幅度的提高;選用在上海地區(qū)每噸成本僅為五元的工業(yè)廢料高鈣粉煤灰作基料,為配制價(jià)廉的高性能混凝土輔料奠定了必要的基本條件。為了進(jìn)一步優(yōu)化本輔料的綜合性能,如使其分散均勻,還選用了適量的其它助劑。如萘磺酸鈉鹽甲醛縮合物,其萘核體數(shù)7-11,常用的兩種代號(hào)為NF、FDN;木質(zhì)素磺酸鈣鹽(簡(jiǎn)稱(chēng)木鈣)、硫酸鈉、三乙醇胺。本輔料將上述各種外加劑復(fù)合成為一種產(chǎn)品,不僅運(yùn)量小,使用亦靈活方便,可形成系列化品種,以適應(yīng)不同工程、工程的不同部位對(duì)強(qiáng)度、耐久性的不同等級(jí)要求。故本發(fā)明設(shè)計(jì)的輔料為一種技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效果均優(yōu)良的高活性膠凝材料。下面結(jié)合附圖、實(shí)施例及性能測(cè)試結(jié)果,對(duì)本輔料的技術(shù)特征、效果作進(jìn)一步說(shuō)明圖1為未摻輔料的水泥石,放大1600倍電鏡圖片;圖2為摻用30%輔料水泥石放大5000倍電鏡圖片;圖3為硅灰放大8000倍的電鏡圖片;圖4為放大3000倍的高鈣粉煤灰的電鏡圖片。從圖1、圖2可看出,未摻輔料的水泥石結(jié)構(gòu)疏松,晶體隨處可見(jiàn),而摻用輔料后,結(jié)構(gòu)致密,未見(jiàn)發(fā)育晶體。圖3顯示硅灰呈球形,粒徑多在0.05-0.15μ。圖4顯示高鈣粉煤灰粒徑大多在1-10μ,形態(tài)光滑呈球形。實(shí)施例1配制C50級(jí)摻輔料混凝土?xí)r525#水泥用量為292kg/m3,輔料摻量125kg/m3。其中每方混凝土輔料中各組分用量為高鈣粉煤灰108.8kg,為吳澤熱電廠廢料,技術(shù)指標(biāo)符合GB5146-90I級(jí)普通粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)。硅灰(SiO2>90%)12.54kg(甘肅西北鐵合金廠)、NF2.5kg(工業(yè)品)、木鈣1.045kg(工業(yè)品)、Na2SO42.09kg、三乙醇胺2.09g按配方要求計(jì)量各組分,再加入球磨機(jī)或混料機(jī)均化,配制成高性能混凝土輔料成品,制成混凝土,其抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表3表3</tables>上述結(jié)果表明,在525#水泥用量降低30%(即添加125kg/m3本發(fā)明輔料代替)條件下,配制的混凝土強(qiáng)度提高18.4%,減水量為38.5%,本輔料的減水、增強(qiáng)作用顯著。實(shí)施例2配制C80級(jí)摻輔料混凝土,用525#普通水泥486kg/m3,摻輔料54kg/m3時(shí),每方輔料配料高鈣粉煤灰5.67kg(符合GB5146-90I級(jí)標(biāo)準(zhǔn))硅灰(SiO2含量91.2%)37.8kgNF(工業(yè)品)5.4kg木鈣(工業(yè)品)1.35kg硫酸鈉(工業(yè)品)3.78kg三乙醇胺(工業(yè)品)2.7g。照實(shí)施例1方法制成輔料,按表4配合比制成混凝土后,性能測(cè)試結(jié)果如表4所示,達(dá)到C80級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。表4</tables>實(shí)施例3配制C30級(jí)摻輔料噴射混凝土,輔料用量為35kg/m3,水泥用量為315kg/m3,每方輔料組成為高鈣粉煤灰4.55kg(神府煤使用后廢灰,符合GB514G-90I級(jí)標(biāo)準(zhǔn))硅灰(西北鐵合金廠副產(chǎn)品SiO2>90%)24.50kg萘磺酸鈉鹽甲醛縮合物(萘核體數(shù)7-11)2.8kg硫酸鈉(工業(yè)品)2.45kg木質(zhì)素磺酸鈣(工業(yè)品)0.7kg三乙醇胺1.8g將上述組分稱(chēng)量,制成輔料后并按表5配合比要求,經(jīng)攪拌成混凝土,采用濕噴工藝,即可達(dá)到預(yù)期效果。表5表5的測(cè)試結(jié)果顯示對(duì)比組平均回彈量比基準(zhǔn)組平均回彈量相對(duì)降低67.8%。對(duì)比組R28達(dá)到37MPa滿(mǎn)足要求,因摻輔料強(qiáng)度提高57.4%。實(shí)施例4配制C20-C30級(jí)摻輔料混凝土,用425#普通水泥,基準(zhǔn)水泥用量300kg/m3,輔料取代水泥量50%,輔料組成為表6表6將各組分均勻混合后制得輔料,按表7配方配制成C20-C30混凝土,性能如表7所示表7結(jié)果表明完全滿(mǎn)足要求。本發(fā)明的技術(shù)特征1.對(duì)水泥混凝土性能改善全面而顯著·可代替水泥10-50%而不會(huì)惡化安定性,檢測(cè)結(jié)果如表8表8摻高性能輔料漿體等稠度安定性時(shí)比試驗(yàn)結(jié)果注1)依照標(biāo)準(zhǔn)GB1346-89規(guī)定雷氏夾法膨脹值≯5mm2)試驗(yàn)在等稠度下沉量(28±2mm)條件下進(jìn)行·本輔料是一種低熱早強(qiáng)材料水泥水化是一種放熱反應(yīng)。水化熱對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)在大多數(shù)情況下是有害的。特別是集中放熱的前三天,對(duì)大體積混凝土危害尤為顯著。水化熱在混凝土內(nèi)部聚集難以散發(fā),常使結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫升達(dá)50-60℃。內(nèi)外溫差所引起的應(yīng)力,足以使混凝土因產(chǎn)生溫度應(yīng)力而龜裂。用本輔料按水泥測(cè)試方法(GB2022-80標(biāo)準(zhǔn)),測(cè)試用硅酸鹽水泥并以輔料30%取代制得試樣,其三天放熱量?jī)H為128kj/kg,7天發(fā)熱量為146kj/kg,分別比國(guó)標(biāo)3B200-89中規(guī)定的425#低熱水泥的發(fā)熱量低35%和36%,摻用本發(fā)明輔料30%-33%配制的C50-C80混凝土R3強(qiáng)度分別提高66%、35%和48%?!け据o料為一高效減水材料,同時(shí)又是一種高活性火山灰材料,可顯著改善混凝土的綜合性能。其比表面積高達(dá)2.5萬(wàn)cm2/g左右,是水泥細(xì)度的5-6倍。其摻用于水泥混凝土后,改善了水泥漿體的微集料級(jí)配,擠出水泥顆粒間的自由水,在稠度和流動(dòng)度一定的條件下,顯著的減少用水量。輔料的形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng),使摻用輔料的混凝土在坍落度一定的條件下,用水量降低。本輔料作為一種高活性膠凝材料,可參與水化,增加水化固體產(chǎn)物,必然會(huì)帶來(lái)水泥石、混凝土的和易性、密實(shí)性、強(qiáng)度、抗?jié)B性、耐磨性和抗浸蝕等一系列性能的改善,為配制高密實(shí)水泥、高性能混凝土提供了必要的基本條件。同時(shí)在一定w/c的條件下,拌合物的流動(dòng)性大幅度增加,為高性能輔料用于配制大流動(dòng)性混凝土和低收縮性灌漿材料,提供了必要的條件。下面表9、10、11性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步證明了上述預(yù)期效果表9摻輔料漿體標(biāo)準(zhǔn)稠度減水率,需水量比注表9依據(jù)國(guó)標(biāo)GB1346-89標(biāo)準(zhǔn)選用蘭州、上海兩地所用水泥,在氣溫及操作人員不同條件下試驗(yàn)。結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)稠度的水泥漿體,等流動(dòng)度(130±5mm)的水泥膠砂、等坍落度混凝土(4-6cm)的用水量,分別降低13.5-26.9%,24.8-32.2%,22.0-29.5%。這樣高的減水率是目前國(guó)內(nèi)采用的任何高效減水劑所從未能達(dá)到的,因此,高性能輔料首先是一種高減水率材料。表10摻輔料水泥膠砂等流度強(qiáng)度對(duì)比>表10對(duì)比試驗(yàn)表明R3抗折、抗壓強(qiáng)度提高34%和67%,R28抗折抗壓提高19%和28%。表11摻輔料混凝土抗壓強(qiáng)度比試驗(yàn)</tables>表11的混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明28天強(qiáng)度達(dá)到50MPa混凝土的基準(zhǔn)組水泥用量為410kg/m3,R28為50.2MPa,而摻輔料89.1k8/m3時(shí),水泥用量?jī)H為180kg/m3,R28也達(dá)到50.5MPa。表明1kg的輔科的活性相當(dāng)于2.57kg的水泥。在配制C60級(jí)混凝土?xí)r,基準(zhǔn)組水泥用量538kg/m3,摻PDN高效減水劑6.46kg/m3,R28達(dá)到78.72MPa;而摻輔料30%,水泥用量?jī)H保留70%時(shí),R28卻達(dá)到88.33MPa,強(qiáng)度提高12.2%。均顯示了輔料是一種高活性膠凝材料,可以予見(jiàn)在配制強(qiáng)度C80-C100級(jí)高強(qiáng)混凝土?xí)r摻用本發(fā)明輔料是一種可行的選擇?!け据o料摻入混凝土大大改善了其耐磨性、抗?jié)B性能和抗浸蝕性能混凝土中水泥石密實(shí)性的提高,除帶來(lái)強(qiáng)度提高外,其耐磨性、耐浸蝕性和抗?jié)B性也也都得到相應(yīng)的明顯改善。表12摻輔料的水泥膠砂磨耗試驗(yàn)表12為耐磨試驗(yàn),按水泥膠砂、強(qiáng)度檢驗(yàn)(BG177-85)的成型方法,以輔料30%,取代水泥制成4×4×16cm試件中,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天后與基準(zhǔn)試件,用H-1型磨耗機(jī),在同條件下磨耗15分鐘。對(duì)比結(jié)果表明,對(duì)比組試件的磨耗量,僅為基準(zhǔn)組的34.64%。表明摻用輔料的混凝土可用于高速公路路面、水壩水池和耐磨性要求較高的車(chē)間地坪、飛機(jī)跑道等。表13摻輔料水泥膠砂、耐蝕性試驗(yàn)表13抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)表明,摻輔料水泥膠砂有優(yōu)良的抗硫酸鹽侵蝕性,摻用輔料的混凝土可用于硫酸鹽的高侵蝕地區(qū)和海洋工程。表14摻輔料混凝土抗?jié)B試驗(yàn)注1)普通425#硅酸鹽水泥,蕪湖砂,六里山碎石φ5-25mm2)人工搗實(shí)成型,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。表14摻輔料混凝土抗?jié)B試驗(yàn)表明,用輔料取代30%水泥的混凝土,有很強(qiáng)的抗?jié)B能力。附圖1是1600倍的基準(zhǔn)水泥、附圖2是凈漿水泥和摻輔料30%等量取代水泥石放大5000倍后,在標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28天,所作對(duì)比電鏡照片。基準(zhǔn)凈漿水泥石雖在較小的放大倍數(shù)下,晶體空洞到處可見(jiàn),而放大到1萬(wàn)倍的摻輔料水泥石,未見(jiàn)發(fā)育晶體與空洞,球狀高鈣灰界面與水泥石已明顯有反應(yīng)產(chǎn)物出現(xiàn),進(jìn)一步證實(shí)了本輔料的使用,是配制高性能混凝土的有效途徑。2.施工性好·施工和易性好,適應(yīng)性強(qiáng)本發(fā)明可配制C20-C80級(jí)的高性能性混凝土,又可配制噴射混凝土,可泵送,特別是可配成大流動(dòng)性(坍落度≥20)的自密實(shí)、少搗振的混凝土。用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)在漿體等流動(dòng)度條件下,測(cè)試漿體的流變性?;鶞?zhǔn)組漿體的初始屈服應(yīng)力τ0僅為5.48Pa,而摻輔料30%的漿體的初始屈服應(yīng)力τ0,卻達(dá)到34.4Pa,為基準(zhǔn)組漿體初始應(yīng)力的6.28倍,表明含輔料漿體的粘度大幅度提高。觸變性增加表明用輔料作為噴射混凝土摻合料,不僅強(qiáng)度、抗?jié)B、抗硫酸鹽侵蝕性大大提高,其回彈量也將大大減小。·可靈活方便地配制水泥混凝土系列產(chǎn)品應(yīng)用本發(fā)明可在施工現(xiàn)場(chǎng),隨時(shí)配成高性能水泥混凝土的系列產(chǎn)品。如高強(qiáng)、高抗?jié)B、耐磨、耐侵蝕、低熱、早強(qiáng)、噴射混凝土以及高密實(shí)水泥等。輔料如直接與水泥共同磨細(xì),可用于生產(chǎn)不同用途的高密實(shí)水泥。3.本輔料經(jīng)濟(jì)社會(huì)效果好C20-C50級(jí)摻用輔料的混凝土強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)表明每公斤輔料可取代不少于2.58公斤的525#普通硅酸鹽水泥。按525#普通硅酸鹽水泥每噸460元計(jì)算,每噸輔料的價(jià)值應(yīng)為1186.8元/噸。而生產(chǎn)每噸輔料的成本,可控制在450元/噸上下。且基料采用高鈣粉煤灰不僅價(jià)廉(如上海每噸僅花5元錢(qián)可得到),且量大(如上海每年目前排灰量高達(dá)50萬(wàn)噸),如全部用于高性能輔料的生產(chǎn),可獲得60多億元產(chǎn)值的產(chǎn)品,得純利22億多元,既省去了排污費(fèi),又解決污染問(wèn)題,具有很大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)二十余項(xiàng)試驗(yàn)表明,本發(fā)明高性能混凝土輔料,具有使用方便靈活,施工性能好,適應(yīng)性強(qiáng),抗壓強(qiáng)度,耐磨性、抗侵蝕性、抗?jié)B性好的優(yōu)點(diǎn),是制備低熱、早強(qiáng)特別是耐久性?xún)?yōu)良的高性能混凝土的一種技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著的專(zhuān)用輔料。權(quán)利要求1.一種高性能混凝土專(zhuān)用輔料,其特征在于由下列組分按下述重量百分比配制高鈣粉煤灰10.5-93.0%硅灰5-70%木質(zhì)素磺酸鈣0.4-3.0%三乙醇胺0.05%萘磺酸鈉鹽甲醛縮合物0.4-10%硫酸鈉0-7%其中高鈣粉煤灰的氧化鈣含量在5-25%,其技術(shù)指標(biāo)符合普通粉煤灰GB5146-90I級(jí)品標(biāo)準(zhǔn);硅灰SiO2含量≥80%;余組份為工業(yè)品級(jí)。2.如權(quán)利要求1所述的高性能混凝土專(zhuān)用輔料,其特征在于用其配制高性能混凝土?xí)r,輔料摻用量占膠凝材料總量的10-50%。3.如權(quán)利要求1或2所述的高性能混凝土專(zhuān)用輔料,其特征在于用于配制C30級(jí)噴射高性能混凝土?xí)r,輔料用量占膠凝材料10%;輔料的組成高鈣粉煤灰10-20%硅灰70%萘磺酸鈉鹽甲醛縮合物0.8-8.5%木質(zhì)素磺酸鈣2.5-3%三乙醇胺0.05%。4.如權(quán)利要求1或2所述的高性能混凝土專(zhuān)用輔料,其特征在于用于配制C50級(jí)高性能混凝土?xí)r,輔料用量占膠凝材料30%;輔料組成高鈣粉煤灰87-90%,硅灰6.1-9.1%,萘磺酸甲醛縮合物3-3.6%,木質(zhì)素磺酸鈣鹽0.61-0.70%,三乙醇胺0.05%。5.如權(quán)利要求1或2所述的高性能混凝土專(zhuān)用輔料,其特征在于用于配制C80級(jí)高性能混凝土?xí)r,輔料用量占膠凝材料10%;高鈣粉煤灰8-15%硅灰70%萘磺酸鈉鹽甲醛縮合物8-10%木質(zhì)素磺酸鈣0.5-0.85%硫酸鈉1.0-1.6%三乙醇胺0.05%6.如權(quán)利要求1所述的高性能混凝土專(zhuān)用輔料,其特征在于可用于水泥生產(chǎn)中與水泥熟料,石膏共同磨細(xì),制成525#-725#等級(jí)的高密實(shí)水泥。全文摘要本發(fā)明涉及一種配制高性能混凝土用的專(zhuān)用輔料。這種輔料是以氧化鈣含量為5-25%、活性成分SiO文檔編號(hào)C04B18/10GK1154952SQ96100358公開(kāi)日1997年7月23日申請(qǐng)日期1996年1月15日優(yōu)先權(quán)日1996年1月15日發(fā)明者王永逵,王健申請(qǐng)人:王永逵,王健
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