CN114573291A - 一种石灰石粉高强混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种石灰石粉高强混凝土及其制备方法，涉及建筑材料技术领域。由包括如下重量份的原料制成：普通硅酸盐水泥400‑500份、细骨料460‑520份、粗骨料1000‑1300份、超细石灰石粉50‑70份、水150‑190份，减水剂4‑8份和改性硅灰30‑50份，所述改性硅灰由包括疏水剂、分散剂、三乙烯四胺、硅灰和水的原料经过加热、冷却、干燥等工艺制备得到。本申请具有提升混凝土抗冻性能的效果。
Description
技术领域
本申请涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种石灰石粉高强混凝土及其制备方法。
背景技术
随着混凝土行业越来越多地使用矿渣和粉煤灰，矿渣和粉煤灰需求量越来越大，而矿渣和粉煤灰均属于不可再生资源，并且我国粉煤灰和矿渣资源分布不均匀，导致部分地区甚至出现脱销现象。因此，寻找合适的材料取代目前常用的矿物掺合料应用在混凝土中十分重要。
我国石灰石资源分布广泛，且其价格低廉、易于粉磨、运输方便，将石灰石粉作为矿物掺合料取代水泥应用于混凝土可以为解决现有矿物掺合料供应紧张的局面、降低混凝土生产成本提供一条有效途径。
但石灰石粉加入混凝土中属于非活性成分，且不与水发生化学反应，石灰石粉加入混凝土中后还会影响混凝土的抗冻性，对混凝土的抗冻性能产生负面影响。
发明内容
为了提升混凝土的抗冻性，本申请提供一种石灰石粉高强混凝土及其制备方法。
第一方面，本申请提供的一种石灰石粉高强混凝土，采用如下的技术方案：
一种石灰石粉高强混凝土，由包括如下重量份的原料制成：普通硅酸盐水泥400-500份、细骨料460-520份、粗骨料1000-1300份、超细石灰石粉50-70份、水150-190份，减水剂4-8份和改性硅灰30-50份，所述改性硅灰由包括疏水剂、分散剂、三乙烯四胺、硅灰和水的原料经过加热、冷却、干燥等工艺制备得到。
通过采用上述技术方案，本申请中，使用超细石灰石粉和改性硅灰替代部分水泥。石灰石粉可以作为水化硅酸钙的成核基体，降低成核位垒，加速早期水泥水化速率；但也由于石灰石粉的活性极低，增加了混凝土的总孔隙率、粗毛细孔和气孔孔隙率孔隙率，在冻融循环的环境影响下，部分依靠物理密实填充的硬化混凝土结构容易遭受破坏，劣化了混凝土的抗冻性能。
硅灰具有很高的火山灰活性，在水泥水化过程中可以作为水泥水化所需要的晶核，从而加速水泥水化，并且硅灰中的主要成分二氧化硅可以与水泥水化产物中的氢氧化钙发生反应，引起水泥发生二次水化反应，二次水化反应生成了比氢氧化钙更具胶凝性的水化硅酸钙凝胶，消耗了氢氧化硅，并生成了强度更高、稳定性更强的低碱性水化硅酸钙，增强了水泥石与骨料界面的粘结力；同时，硅灰使混凝土结构中的粗大孔隙及毛细孔隙数量减少，而超细孔隙数量增加，超细孔隙对水有较大的吸附作用，使水的冰点下降，从而延缓了冻融过程，降低了破坏应力对混凝土的负面影响，提高混凝土的抗冻性。
但硅灰由于比表面积大，易于团聚在混凝土体系中，无法与石灰石粉同时均匀分散在混凝土中，改善石灰石粉对混凝土抗冻性的负面影响，为了达到预期效果，本申请中使用改性硅灰，提高改性硅灰在混凝土体系中的分散性，提高改性硅灰与石灰石粉结合的能力，降低超细石灰石粉对混凝土的负面影响。
综上，本申请配方制备的石灰石粉高强混凝土的抗冻性能得以提高。
可选的，以所述改性硅灰为参考，所述改性硅灰由包括如下重量份数的原料制成：
疏水剂10-25份；
三乙烯四胺10-20份；
硅灰50-70份；
分散剂3-5份；
水适量。
本申请中，“水适量”指的是能将以上原料搅拌均匀的程度。
通过采用上述技术方案，丙烯酸和马来酸酐使硅灰均匀的分散在体系中，三乙烯四胺促进仲醇聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷偶联剂在硅灰表面成膜，最终在硅灰表面形成一层疏水膜，提升改性硅灰在混凝土体系中的分散均匀性，原料易得，制备方便。
可选的，所述疏水剂选自仲醇聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷偶联剂中的任意一种或两种混合，所述分散剂选自丙烯酸和马来酸酐中的任意一种或两种混合。
通过采用上述技术方案，采用多种疏水剂和多种分散剂进行分散，提高制得改性硅灰的各项性能。
可选的，所述改性硅灰采用包括如下步骤的方法制备：将丙烯酸、马来酸酐、仲醇聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷偶联剂加入到加热的水中，得到液体混合物，向液体混合物中加入三乙烯四胺和硅灰得到固液混合物并搅拌，搅拌后冷却、干燥、粉碎。
通过采用上述技术方案，将丙烯酸、马来酸酐、仲醇聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷偶联剂加入持续加热的水中，再加入硅灰和三乙烯四胺，丙烯酸和马来酸酐将硅灰分散在体系中，即可使得硅灰被疏水剂仲醇聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷偶联剂充分包裹，在固化剂三乙烯四胺的作用下，冷却后，在硅灰表面形成一层疏水膜，得到改性硅灰。
可选的，所述改性硅灰的制备过程中加热温度为60-100℃，搅拌时间为5-15min，干燥温度为40-60℃，干燥时间为100-200min。
通过采用上述技术方案，使疏水膜与硅灰表面结合的更稳定。
可选的，所述硅灰的比表面积为20000-25000m2/kg。
通过采用上述技术方案，硅灰粒径小，硅灰可以填充相对较大的水泥颗粒的孔隙，减少孔隙的体积，提高混凝土的抗冻性能；硅灰比表面积大，促进硅灰与水泥水化产物氢氧化钙反应生成水化硅酸钙的能力，提高混凝土强度和稳定性。
可选的，所述石灰石粉高强混凝土的制备原料还包括5-15份的羧甲基纤维素和2-10份的微晶纤维素。
通过采用上述技术方案，通过使用微晶纤维素，使石灰石粉能够均匀地分散在混凝土体系中，提高石灰石粉和改性硅灰在混凝土体系中的分散均匀性，并进一步促进改性硅灰与石灰石粉的结合能力，降低石灰石粉对混凝土性能的负面影响，从而提高混凝土抗冻性。
可选的，所述石灰石粉为超细石灰石粉，所述超细石灰石粉的比表面积为1000-2500m2/kg。
通过采用上述技术方案，超细石灰石粉比表面积大，能够在极大程度上降低混凝土的细毛细孔孔隙率。
第二方面，本申请提供一种石灰石粉高强混凝土的制备方法，包括如下步骤：
S1：将水和减水剂混合搅拌均匀，得到第一混合物；
S2：将硅酸盐水泥、超细石灰石粉和改性硅灰混合搅拌均匀，得到第二混合物；
S3：将第一混合物、第二混合物混合均匀，搅拌得带得到第三混合物；
S4：将细骨料、粗骨料与第三混合物混合搅拌，制得石灰石粉高强混凝土。
通过采用上述技术方案，各原料分批拌合，助于各原料之间的充分混合，使各原料充分发挥作用，共同配合使用，以制得一种石灰石粉高强混凝土，上述制备方法简单高效，便于工业化生产。
可选的，在步骤S1中，还包括将5-15份的羧甲基纤维素与水和减水剂混合的步骤，在步骤S2中，还包括将2-10份的微晶纤维素与硅酸盐水泥、超细石灰石粉和改性硅灰混合的步骤。
通过采用上述技术方案，羧甲基纤维素和微晶纤维素共同作用，提高超细石灰石粉在混凝土中的分分散均匀性。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、通过向石灰石粉高强混凝土中加入改性硅灰，提高了硅灰在混凝土体系中的分散效果，改性硅灰降低了石灰石粉对混凝土抗冻性的负面影响，提升可了混凝土抗冻性，另外，硅灰属于工业废弃物，与石灰石粉配合取代粉煤灰和矿渣，进一步降低混凝土成本，并且使混凝土制作过程更加绿色环保。
2、通过在混凝土中加入微晶纤维素和羧甲基纤维素，提高石粉在混凝土中的分散均匀性，使改性硅灰更好的改善石灰石粉对混凝土抗冻性的负面影响。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
改性硅灰制备例
制备例1
一种改性硅灰，取仲醇聚氧乙烯醚18kg、马来酸酐4kg和水80-100kg，加入的水使以上物质完全溶解即可，加热水溶解仲醇聚氧乙烯醚和马来酸酐得到液体混合物，再向液体混合物中加入硅灰60kg和三乙烯四胺16kg，并不断搅拌，整个过程中保持加热温度为80℃，搅拌10min得到固液混合物，随后在室温下冷却，干燥温度50℃，干燥时间120min，粉碎研磨得到改性硅灰。
制备例2
一种改性硅灰，取仲醇聚氧乙烯醚9kg、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷偶联剂9kg、马来酸酐4kg和水80-100kg，加入的水使以上物质完全溶解即可，加热水溶解仲醇聚氧乙烯醚、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷偶联剂和马来酸酐得到液体混合物，再向液体混合物中加入硅灰60kg和三乙烯四胺16kg，并不断搅拌，整个过程中保持加热温度为80℃，搅拌10min得到固液混合物，随后在室温下冷却，干燥温度50℃，干燥时间120min，粉碎研磨得到改性硅灰。
制备例3
一种改性硅灰，取仲醇聚氧乙烯醚18kg、丙烯酸2kg、马来酸酐2kg和水80-100kg，加入的水使以上物质完全溶解即可，加热水溶解仲醇聚氧乙烯醚、丙烯酸和马来酸酐得到液体混合物，再向液体混合物中加入硅灰60kg和三乙烯四胺16kg，并不断搅拌，整个过程中保持加热温度为80℃，搅拌10min得到固液混合物，随后在室温下冷却，干燥温度50℃，干燥时间120min，粉碎研磨得到改性硅灰。
制备例4
一种改性硅灰，取仲醇聚氧乙烯醚9kg、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷偶联剂9kg、丙烯酸2kg、马来酸酐2kg和水80-100kg，加入的水使以上物质完全溶解即可，加热水溶解仲醇聚氧乙烯醚、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷偶联剂、丙烯酸和马来酸酐得到液体混合物，再向液体混合物中加入硅灰60kg和三乙烯四胺16kg，并不断搅拌，整个过程中保持加热温度为80℃，搅拌10min得到固液混合物，随后在室温下冷却，干燥温度50℃，干燥时间120min，粉碎研磨得到改性硅灰。
制备例5
一种改性硅灰，取甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷偶联剂18g、马来酸酐4kg和水80-100kg，加入的水使以上物质完全溶解即可，加热水溶解仲醇聚氧乙烯醚、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷偶联剂、丙烯酸和马来酸酐得到液体混合物，再向液体混合物中加入硅灰60kg和三乙烯四胺16kg，并不断搅拌，整个过程中保持加热温度为80℃，搅拌10min得到固液混合物，随后在室温下冷却，干燥温度50℃，干燥时间120min，粉碎研磨得到改性硅灰。
制备例6
一种改性硅灰，取仲醇聚氧乙烯醚18kg、丙烯酸4kg和水80-100kg，加入的水使以上物质完全溶解即可，加热水溶解仲醇聚氧乙烯醚和丙烯酸得到液体混合物，再向液体混合物中加入硅灰60kg和三乙烯四胺16kg，并不断搅拌，整个过程中保持加热温度为80℃，搅拌10min得到固液混合物，随后在室温下冷却，干燥温度50℃，干燥时间120min，粉碎研磨得到改性硅灰。
制备例7
一种改性硅灰，取仲醇聚氧乙烯醚10kg、马来酸酐3kg和水80-100kg，加入的水使以上物质完全溶解即可，加热水溶解仲醇聚氧乙烯醚和马来酸酐得到液体混合物，再向液体混合物中加入硅灰50kg和三乙烯四胺10kg，并不断搅拌，整个过程中保持加热温度为80℃，搅拌10min得到固液混合物，随后在室温下冷却，干燥温度50℃，干燥时间120min，粉碎研磨得到改性硅灰。
制备例8
一种改性硅灰，取仲醇聚氧乙烯醚25kg、马来酸酐5kg和水80-100kg，加入的水使以上物质完全溶解即可，加热水溶解仲醇聚氧乙烯醚和马来酸酐得到液体混合物，再向液体混合物中加入硅灰70kg和三乙烯四胺20kg，并不断搅拌，整个过程中保持加热温度为80℃，搅拌10min得到固液混合物，随后在室温下冷却，干燥温度50℃，干燥时间120min，粉碎研磨得到改性硅灰。
制备例9
一种改性硅灰，与制备例1的不同之处在于，在加热步骤中，加热至60℃，得到改性硅灰。
制备例10
一种改性硅灰，与制备例1的不同之处在于，在加热步骤中，加热温度保持在100℃，得到改性硅灰。
实施例
实施例1
一种石灰石粉高强混凝土，由包括如下重量份的原料制成：普通硅酸盐水泥450kg、细骨料500kg、粗骨料1200kg、超细石灰石粉60kg、水170kg、减水剂6kg和改性硅灰40kg，其中，改性硅灰由制备例1制得，细骨料是机制砂,粗骨料为市售粒径5-25mm的粗骨料，水泥选用海螺牌P.0.42.5。
一种石灰石粉高强混凝土的制备方法如下：
S1：将水和减水剂混合搅拌均匀，得到第一混合物；
S2：将硅酸盐水泥、石灰石粉和改性硅灰混合搅拌均匀，得到第二混合物；
S3：将第一混合物、第二混合物混合均匀，搅拌得到第三混合物；
S4：将细骨料、粗骨料与第三混合物混合搅拌，制得石灰石粉高强混凝土。
实施例2-10
一种石灰石粉高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，依次采用制备例2-10制得的改性硅灰。
实施例11
一种石灰石粉高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，由包括如下重量份的原料制成：普通硅酸盐水泥400kg、细骨料460kg、粗骨料1000kg、超细石灰石粉50kg、水150kg、减水剂4kg和改性硅灰30kg。
实施例12
一种石灰石粉高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，由包括如下重量份的原料制成：普通硅酸盐水泥500kg、细骨料520kg、粗骨料1300kg、超细石灰石粉70kg、水190kg、减水剂8kg和改性硅灰50kg。
实施例13
一种石灰石粉高强混凝土，与实施1的不同之处在于，S1步骤中使用10kg羧甲基纤维素。
实施例14
一种石灰石粉高强混凝土，与实施1的不同之处在于，S2步骤中使用6kg微晶纤维素。
实施例15
一种石灰石粉高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，S1步骤中使用5kg羧甲基纤维素与水，S2步骤中使用3kg微晶纤维素。
对比例
对比例1
一种石灰石粉高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，未加入改性硅灰。
对比例2
一种石灰石粉高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，将改性硅灰替换为等质量的硅灰。
对比例3
一种石灰石粉高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，改性硅灰的质量为10kg。
对比例4
一种石灰石粉高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，改性硅灰的质量为70kg。
性能检测试验
检测方法
1.混凝土强度检测
对实施例1-15及对比例1-4制得的混凝土进行28d抗压强度测试，测试方法根据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》。在试验过程中应连续均匀地加荷，混凝土强度等级<C30时，加荷速度取每秒钟0.3～0.5MPa；混凝土强度等级≥C30且<C60时，取每秒钟0.5～0.8MPa；混凝土强度等级≥C60时，取每秒钟0.8～1.0MPa。当试件接近破坏开始急剧变形时，应停止调整试验机油门，直至破坏，然后记录破坏荷载于表1中。
2.混凝土抗冻性能检测
对实施例1-15及对比例1-4制得的混凝土进行抗冻性能测试。测试方法根据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的慢冻法进行测试，当冻表的融循环出现下列三种情况之一时，可停止试验：①达到规定的循环次数；②试件抗压强度损失率达到25％；③试件质量损失率达到5％。
表1为实施例1-15及对比例1-4制得的再生混凝土抗压强度、混凝土抗冻性能测试结果
结合实施例1、对比例1-2和表1可以看出，对比例1中未加入改性硅灰的混凝土28d强度最低，经过300次冻融循环后的质量损失率和抗压气强度损失率最高；对比例2中加入与对比例1中等质量的普通硅灰后，与对比例1相比，混凝土28d强度升高，经过300次冻融循环后的质量损失率和抗压强度损失率下降；而实施例1中加入改性硅灰的混凝土28d强度为三者之中最高，经过300次冻融循环后的质量损失率和抗压气强度损失率为三者中最低；说明改性硅灰能够与石灰石粉复合，减轻石灰石粉对混凝土工作力学性能的影响，并提高混凝土的抗冻性能，这可能是由于改性硅灰在混凝土中分散更加均匀，与混凝土的相容性更强，因此，优选改性硅灰。
结合实施例1、对比例3-4和表1可以看出，加入过多改性硅灰和过少改性硅灰，混凝土的28d抗压强度降低、300次冻融循环后的质量损失率和抗压气强度损失率升高，说明改性硅灰少量或过量均会对混凝土产生负面影响，这可能是由于当改性硅灰少量时，改性硅灰无法弥补石灰石粉对混凝土的负面影响，而当加入过量的改性硅灰时，由于改性硅灰的比表面积远大于石灰石粉的比表面积，过量改性硅灰加入混凝土中后吸附混凝土拌合水，降低参与水化的水量，使混凝土水化不充分，容易产生裂缝、进而影响混凝土的力学性能和抗冻性能，因此，改性硅灰的掺入量优选40kg。
结合实施例1-8、11-12和表1可以看出，实施例4的混凝土28d抗压强度最高，300次冻融循环后的质量损失率和抗压气强度损失率最低，说明丙烯酸和马来酸酐能够有效提高硅灰在制备体系中的分散效果，仲醇聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷偶联剂复合能够极大程度地在硅灰表面形成疏水膜，提升硅灰在混凝土中的分散均匀性，从而使改性硅灰弥补石灰石粉对混凝土强度和抗冻性能的负面影响，因此优选添加丙烯酸和马来酸酐配合、仲醇聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷偶联剂配合，并应用在改性硅灰的制备过程中。
结合实施例1、9-10和表1可以看出，当改性硅灰制备温度过高或过低时，混凝土的28d抗压强度下降、300次冻融循环后的质量损失率和抗压气强度损失率升高，这可能是由于温度过高或过低时，不利于仲醇聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷偶联剂在硅灰表面形成疏水膜，从而影响改性硅灰在混凝土中的分散均匀性，进而影响改性硅灰改善石灰石粉对混凝土的负面影响，因此，优选改性硅灰的制备温度为80℃。
结合实施例1、13-15和表1可以看出，在混凝土制备过程中加入羧甲基纤维素和微晶纤维素后，混凝土的28d抗压强度上升、300次冻融循环后的质量损失率和抗压气强度损失率下降，这是由于通过使用羧甲基纤维素和微晶纤维素，使石灰石粉能够均匀地分散在混凝土体系中，提高石灰石粉和改性硅灰在混凝土体系中的分散均匀性，并进一步促进改性硅灰与石灰石粉的结合能力，降低石灰石粉对混凝土性能的负面影响，从而提高混凝土抗冻性因此，在混凝土制备过程中优选羧甲基纤维素和微晶纤维素后复掺。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种石灰石粉高强混凝土，其特征在于，由包括如下重量份的原料制成：普通硅酸盐水泥400-500份、细骨料460-520份、粗骨料1000-1300份、超细石灰石粉50-70份、水150-190份，减水剂4-8份和改性硅灰30-50份，所述改性硅灰由包括疏水剂、分散剂、三乙烯四胺、硅灰和水的原料经过加热、冷却、干燥等工艺制备得到。
2.根据权利要求1所述的一种石灰石粉高强混凝土，其特征在于，以所述改性硅灰为参考，所述改性硅灰由包括如下重量份数的原料制成：
疏水剂10-25份；
三乙烯四胺10-20份；
硅灰50-70份；
分散剂3-5份；
水适量。
3.根据权利要求2所述的一种石灰石粉高强混凝土，其特征在于：所述疏水剂选自仲醇聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷偶联剂中的任意一种或两种混合，所述分散剂选自丙烯酸和马来酸酐中的任意一种或两种混合。
4.根据权利要求2所述的一种石灰石粉高强混凝土，其特征在于，所述改性硅灰采用包括如下步骤的方法制备：将丙烯酸、马来酸酐、仲醇聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷偶联剂加入到加热的水中，得到液体混合物，向液体混合物中加入三乙烯四胺和硅灰得到固液混合物并搅拌，搅拌后冷却、干燥、粉碎。
5.根据权利要求4所述的一种石灰石粉高强混凝土，其特征在于：所述改性硅灰的制备过程中加热温度为60-100℃，搅拌时间为5-15min，干燥温度为40-60℃，干燥时间为100-200min。
6.根据权利要求2所述的一种石灰石粉高强混凝土，其特征在于：所述硅灰的比表面积为20000-25000m2/kg。
7.根据权利要求1所述的一种石灰石粉高强混凝土，其特征在于：所述石灰石粉高强混凝土的制备原料还包括5-15份的羧甲基纤维素和2-10份的微晶纤维素。
8.根据权利要求1所述的一种石灰石粉高强混凝土，其特征在于：所述石灰石粉为超细石灰石粉，所述超细石灰石粉的比表面积为1000-2500m2/kg。
9.权利要求1-5、7-8任意一项所述的石灰石粉高强混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将水和减水剂混合搅拌均匀，得到第一混合物；
S2：将硅酸盐水泥、石灰石粉和改性硅灰混合搅拌均匀，得到第二混合物；
S3：将第一混合物、第二混合物混合均匀，搅拌得带得到第三混合物；
S4：将细骨料、粗骨料与第三混合物混合搅拌，制得石灰石粉高强混凝土。
10.根据权利要求9所述的石灰石粉高强混凝土的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，还包括将5-15份的羧甲基纤维素与水和减水剂混合的步骤，在步骤S2中，还包括将2-10份的微晶纤维素与硅酸盐水泥、超细石灰石粉和改性硅灰混合的步骤。
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