一种用于超高性能混凝土内养护的多孔骨料及其制备方法

1.本发明涉及建筑材料领域，具体为一种用于超高性能混凝土内养护的多孔骨料及其制备方法制备方法。


背景技术：

2.随着社会的发展，尤其是科学技术的进步，大大促进了社会生产力的飞速发展，尤其是以建筑行业为代表的基础设施的建设，得到了质的飞跃；其中在建筑行业中，混凝土的性能、使用及养护，是保证建筑物质量和安全性能的重要指标。
3.超高性能混凝土（uhpc）具有高强高韧高耐久的特性，被认为是新一代混凝土，但水胶比极低，通常在0.25以下。极低的水胶比造成超uhpc很容易发生自收缩开裂破坏。内养护是解决自收缩开裂的主要途径。高吸水树脂和细轻骨料是uhpc常用的内养护材料，两者在效果上各有千秋。
4.uhpc采用的细轻骨料，通常是由页岩破碎而成，虽然破碎后吸水率增加了一些，但由于孔径大，释水快，且吸水率不稳定。普通粘土或粉煤灰陶粒砂为了实现轻质保温，孔隙率很高，但基本上是封闭孔隙，吸水率在15%以下。然而，要满足内养护要求，轻骨料必须吸收一定量的水，才能有效降低自收缩。由于较低的吸水率，传统细轻骨料必须有较高的掺量才能吸收所要求的水量。但是细轻骨料强度很低，高掺量造成uhpc强度显著降低，即靠传统细骨料难以实现两种性能的协调。污水净化陶粒砂吸水率很高，但是为储存催化剂，孔隙尺寸较大，而uhpc水胶比小，污水净化陶粒所吸收的水分很容易在搅拌中失去，从而造成水灰比增加和强度显著下降。
5.因此，要实现在uhpc中有效内养护，必须制备一种高吸水率和合适孔径范围的轻骨料，以减少掺量，从而在有效降低自收缩时还能保证强度；要提高轻骨料的吸水率，必须提高轻骨料的开口孔隙率。轻骨料的开口孔隙率与烧成制度、液相性质密切相关。若烧成温度高或液相量大，大部分孔隙就会变成封闭孔隙。控制合理的烧成温度和助溶剂的量非常重要。
6.轻骨料的烧成温度取决于物料组成，而造孔剂的选择取决于烧成温度，且造孔剂的粒径、掺量和分散度直接影响到孔隙的尺寸和孔隙率。在相同掺量和分散度下，造孔剂粒径小，孔隙尺寸减小，具有有效孔径的孔隙增加。轻骨料的粒径对孔隙率也有影响，粒径减小，孔隙率降低。
7.轻骨料的释水必须与uhpc的自收缩变化规律相匹配，即收缩大时能提供较多的水，在收缩小提供少量的水。这涉及到uhpc孔隙和轻骨料孔隙的匹配性。uhpc孔隙主要集中在50nm以下，轻骨料孔隙应大于这个尺寸，而通常使用的造孔剂粒径在几十个微米，造成轻骨料的孔径偏大，即需要纳米级造孔剂。
8.因此，轻骨料孔径须根据uhpc孔径范围和自收缩变化特征进行设计，以控制合理孔径范围及孔隙率，在需要时能顺利释放出所需要的水量。这要求在制备工艺上要控制合适的物料组成、煅烧制度和成孔剂种类及粒径。


技术实现要素：

9.为了解决上述现有技术中存在的不足，并且能够满足上述超高性能混凝土内养护需要，本发明提供了用于超高性能混凝土内养护的一种轻骨料及其制备方法。
10.本发明的目的是这样实现的：一种用于超高性能混凝土内养护的多孔骨料，采用铝矾土尾矿为主要原料，以硅灰为成分调节剂，以纳米碳粉和纳米氧化铁做造孔剂，经煅烧制备成轻骨料；所述的成分调节剂硅灰的sio2含量在不低于95%，比表面积大于15000kg/m2；所述的纳米碳粉和纳米氧化铁纯度不小于98%，粒径小于100nm，掺量为35-45%，其中纳米碳粉和纳米氧化铁的质量比为1:0.7~1:0.9；所述的轻骨料粒径为1-2mm，吸水率不小于25%，孔径小于200nm，其中50-100nm的孔隙占70-80%；所述的一种用于超高性能混凝土内养护的多孔骨料的制备方法，包括以下步骤：第1步：将铝矾土尾矿、硅灰、纳米碳粉和纳米氧化铁按照比例并加水混合，混合均匀后，制成1-2mm的生料球；第2步：第1步制得的生料球在室内晾干在含水率低于10%后，然后在105℃烘干至恒重；第3步：将第2步烘干后的小球在850-1000℃煅烧5-20min，然后冷却至室温，即得到所需要的轻骨料。
11.步骤1种采用硅灰调整铝矾土尾矿中硅铝含量（al2o3在35-50%），达到al2o3含量在15-25%，sio2含量在55-75%，并掺入35-45%的纳米碳粉和纳米氧化铁，其中碳粉和氧化铁的质量比为1:0.7~1:0.9；混合均匀后，经成球、干燥和煅烧而成。
12.积极有益效果:（1）本发明的轻骨料很好解决传统轻骨料在uhpc内养护中的不足之处，不仅具有较高的吸水率，还具有较小的孔径，有效降低了uhpc的自收缩和强度损失率，有助于提高其工程性能和促进推广应用。（2）本发明的轻骨料采用主要原材料铝矾土尾矿和硅灰是工业废料，实现了废物资源化利用。（3）uhpc是下一代混凝土的代表，本发明的轻骨料改善了其开裂和保持了强度，将会促使相关企业优先采用本发明的轻骨料，因而具有广阔的市场，会给生产企业带来很大的经济效益。
具体实施方式
13.下面分别以铝矾土尾矿为主要原材料来制备uhpc内养护用的轻骨料为例，对本发明的技术方案进一步说明：实施例1步骤1：硅灰和铝矾土尾矿质量比为2：3，并掺入占硅灰和铝矾土尾矿总质量35%的纳米碳粉和纳米氧化铁，其中碳粉和氧化铁的质量比为1：0.7；加水混合均匀后，经成球、干燥和煅烧而成。
14.步骤2：铝矾土尾矿磨细至75微米以下；硅灰中sio2含量97%，比表面积不小于20000kg/m2；纳米碳粉和纳米氧化铁纯度99%，粒径小于100nm。
15.步骤3：铝矾土尾矿、硅灰、纳米碳粉和纳米氧化铁按照比例并加水混合，混合均匀后，制成1mm的生料球。
16.步骤4：生料球在室内晾干在含水率低于10%后，然后在105℃烘干至恒重。
17.步骤5：烘干后的小球在900℃煅烧10min，然后冷却至室温。
18.实施例2步骤1：硅灰和铝矾土尾矿质量比为1：2，并掺入占硅灰和铝矾土尾矿总质量40%的纳米碳粉和纳米氧化铁，其中碳粉和氧化铁的质量比为1：0.9；混合均匀后，经成球、干燥和煅烧而成。
19.步骤2：铝矾土尾矿磨细至75微米以下；硅灰中sio2含量98%，比表面积不小于25000kg/m2；纳米碳粉和纳米氧化铁纯度99%，粒径小于100nm。
20.步骤3：铝矾土尾矿、硅灰、纳米碳粉和纳米氧化铁按照比例并加水混合，混合均匀后，制成2mm的生料球。
21.步骤4：生料球在室内晾干在含水率低于10%后，然后在105℃烘干至恒重。
22.步骤5：烘干后的小球在950℃煅烧15min，然后冷却至室温。
23.本发明制得的轻骨料的性能如表1所示。
24.表1 轻骨料性能 吸水率/%孔径范围/nm50-100nm孔/%uhpc强度变化率/%uhpc自收缩抑制率/%实例13110-15078
↑
575实例23410-20072
↑
270
本发明具备以下效果：（1）本发明的轻骨料很好解决传统轻骨料在uhpc内养护中的不足之处，不仅具有较高的吸水率，还具有较小的孔径，有效降低了uhpc的自收缩和强度损失率，有助于提高其工程性能和促进推广应用。（2）本发明的轻骨料采用主要原材料铝矾土尾矿和硅灰是工业废料，实现了废物资源化利用。（3）uhpc是下一代混凝土的代表，本发明的轻骨料改善了其开裂和保持了强度，将会促使相关企业优先采用本发明的轻骨料，因而具有广阔的市场，会给生产企业带来很大的经济效益。