一种掺改性矿粉免蒸养的超高性能混凝土及其制备方法与流程

1.本发明涉及超高性能混凝土技术领域，尤其涉及一种掺改性矿粉免蒸养的超高性能混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.超高性能混凝土(uhpc)中材料颗粒之间的空隙由更小粒径的材料填充uhpc的使用从而使材料空隙率尽可能的将至最低，也使其具有超高强度及优异的耐久性。相比于普通混凝土，uhpc具有超高强度、超高韧性及优异的耐久性等性能优势。硅酸盐水泥作为uhpc 材料体系中主要的胶凝材料，其含量大约是传统混凝土相应值的3～4倍。然而，一方面，较高的水泥使用量对uhpc成本控制及行业的可持续性会产生较为不利的影响；另一方面，uhpc中水泥用量远高于理论值，在超低水胶比条件下仅有少部分水泥颗粒发生水化反应，大部分水泥颗粒仅作为填充材料存在于基体内并没有参与水化反应，从而无法发挥其潜在价值。同时，传统的uhpc配方中需要掺入硅灰，硅灰价格昂贵。这导致uhpc材料的成本约为普通混凝土的10倍。
3.将养护温度和时间控制在一定范围之内会促进uhpc的水化并且有利于力学性能的提高，但超过一定范围则对uhpc内部微观结构造成一定程度的破坏而影响热养护效果，甚至会导致uhpc的后期强度会出现倒缩现象。因此，目前uhpc主要的养护方式为热养护，其一般包括蒸汽养护、蒸压养护、干热养护等方式。其中蒸汽养护和蒸压养护温度一般控制在 90℃，干热养护的温度则是一般在200～250℃。uhpc的成本较高，加之其对原材料以及养护条件的较高要求限制了其在大型建筑工程领域中的推广应用。因此，有必要从原材料以及养护条件方面入手，开展兼具高性能和低成本的新型绿色uhpc材料的研究。
4.而现有对超高性能混凝土的改进，虽然提升了超高性能混凝土的力学性能，在一定程度上降低了养护条件要求，但仍存在原料成本较高的问题。例如公告号为cn112897954a的专利“一种高弹性模量超高性能混凝土及该材料的制备方法”，其主要有以下重量份比例的原材料组成：硅酸盐水泥600-900份、硅灰80-150份、矿粉50-80份、粉煤灰150-250份、砂 1000-1050份、钢纤维150-200份、纳米caco310-40份、水150-300份、减水剂5-20份。该配方中使用了高掺量的硅灰，成本较高。


技术实现要素：

5.本发明为了克服现有技术下超高性能混凝土的原理成本较高，养护方法复杂且养护成本高的问题，提供一种掺改性矿粉免蒸养的超高性能混凝土，该混凝土配方使用改性矿渣粉替代硅灰，降低了原材料成本，并且改性矿渣粉收缩较小，可减低养护条件，使得利用现有普通混凝土的标准养护条件养护试件就能满足强度要求，降低了制备uhpc的条件限制，可用于普通工地的现场生产施工，并该超高性能混凝土具有良好的安全及耐久性。本发明还提供一种一种掺改性矿粉免蒸养的超高性能混凝土的制备方法，该方法制备步骤简便，可进行工业化生产。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种掺改性矿粉免蒸养的超高性能混凝土，包括水泥、改性矿粉、硅灰、石英砂、水、减水剂粉剂、减缩剂和钢纤维，其中水泥、改性矿粉、硅灰、石英砂、水、减水剂粉剂和减缩剂的质量比为：1∶(0.4～0.8)∶(0.1～0.3)∶(1.3～1.6)∶(0.2～0.3)∶(0.012～0.02)：(0.006～ 0.01)，钢纤维的体积掺量为混凝土总体积的1～3％。
7.本发明中采用改性矿粉部分代替硅灰，大大降低了制作成本，并且改性矿粉为固废利用，绿色低碳，节能环保。传统超高性能混凝土中使用液体减水剂，液体减水剂的掺入变相会增大水胶比，降低uhpc强度。本发明采用粉体减水剂，减少水分掺加，可使uhpc在相同工作性能的情况下具备更高的强度。并且本发明掺入减缩剂，可一定程度减少uhpc早期收缩，减少裂缝出现的几率，粉体减水剂与减缩剂配合使uhpc具有更好的耐久性能。
8.作为优选，所述改性矿粉由如下步骤制备得到：(1)对矿渣进行酸处理；(2)将酸处理后的矿渣水洗，再与三乙醇胺、乙二醇、碳酸铵、水玻璃混合后进行球磨。
9.将矿渣酸洗可在除去杂质的基础上初步提高其比表面积，再将矿渣与激发剂混合后球磨使矿渣活化。
10.作为优选，所述步骤(1)中酸处理过程为将矿渣与盐酸溶液混合反应30～70min，盐酸溶液中盐酸的质量分数为5～12％。
11.作为优选，所述步骤(2)中矿渣、三乙醇胺、乙二醇、碳酸铵与水玻璃的质量比为 100：(10～20)：(5～10)：(1～3)：(2～5)。
12.作为优选，所述步骤(2)中球磨后矿渣的粒径为3～30μm。
13.作为优选，所述水泥为硅酸盐水泥。
14.作为优选，所述减水剂粉剂为聚羧酸系减水剂。
15.聚羧酸系减水剂与减缩剂的复配效果较好。
16.作为优选，所述钢纤维包括长钢纤维及短钢纤维，长钢纤维和短钢纤维的质量为1： (1～3)。
17.作为优选，所述长钢纤维的长度为20～50mm，直径为0.8～1mm；短钢纤维长度为2～ 5mm，直径为0.2～0.5mm。
18.将长钢纤维与短钢纤维复配可提高混凝土的力学性能。
19.一种掺改性矿粉免蒸养的超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：1)将水泥、改性矿粉、硅灰、减水剂粉剂混合，再加入石英砂；2)将水与减缩剂混合后加入步骤1)得到的混合物中；3)将钢纤维加入步骤2)得到的混合物中即可。
20.因此，本发明所述超高性能混凝土使用硅粉少，并且添加的改性矿粉由固废改性得到，原材料成本低，符合绿色环保要求。由该混凝土制备得到的试件无需进行蒸汽养护，通过普通养护方式即可由良好的韧性及极佳的力学强度，其耐久性也好可使用寿命长，其使用限制少，可满足普通工地的现场生产施工。并且该超高性能混凝土的制备方法实施简单易行，可工业化生产。
具体实施方式
21.下面结合具体实施方法对本发明做进一步的描述。下述具体实施方法中，使用的减水剂粉剂的牌号为pc-1007，减缩剂为sra-g，硅酸盐水泥为p.o42.5普通硅酸盐水泥，矿渣为铁尾矿渣，产地为铜陵。
22.实施例1一种掺改性矿粉免蒸养的超高性能混凝土，其组分及其配比为：硅酸盐水泥∶改性矿粉∶硅灰∶石英砂∶水∶减水剂粉剂：减缩剂＝1∶0.58∶0.2∶1.47∶0.29∶0.014：0.007，钢纤维按体积掺量为2％；由如下步骤制备得到：1)将硅酸盐水泥、改性矿粉、硅灰、减水剂粉剂加入搅拌机中以100rpm混合5min，再向搅拌机中加入石英砂继续搅拌5min；2)将水与减缩剂混合后加入搅拌机中搅拌以100rpm混合5min；3)将钢纤维加入搅拌机中以100rpm混合8min即可；其中改性矿粉的制备步骤为：(1)对矿渣与质量分数为10％的盐酸溶液混合反应50min以进行酸处理；(2)将酸处理后的矿渣水洗，再与三乙醇胺、乙二醇、碳酸铵、水玻璃以100：10：5：2： 3的质量比混合后进行球磨，球磨至矿渣d50为20μm。钢纤维为长度为20mm、直径为0.3mm长钢纤维和长度为2mm、直径为0.2mm短钢纤维以 1:2的质量比混合得到。
23.实施例2一种掺改性矿粉免蒸养的超高性能混凝土，其组分及其配比为：硅酸盐水泥∶改性矿粉∶硅灰∶石英砂∶水∶减水剂粉剂：减缩剂＝1∶0.77∶0.19∶1.61∶0.3∶0.018：0.007，钢纤维按体积掺量为3％；由如下步骤制备得到：1)将硅酸盐水泥、改性矿粉、硅灰、减水剂粉剂加入搅拌机中以100rpm混合5min，再向搅拌机中加入石英砂继续搅拌5min；2)将水与减缩剂混合后加入搅拌机中搅拌以100rpm混合5min；3)将钢纤维加入搅拌机中以100rpm混合8min即可；其中改性矿粉的制备步骤为：(1)对矿渣与质量分数为10％的盐酸溶液混合反应50min以进行酸处理；(2)将酸处理后的矿渣水洗，再与三乙醇胺、乙二醇、碳酸铵、水玻璃以100：10：5：2： 3的质量比混合后进行球磨，球磨至矿渣d50为20μm。钢纤维为长度为20mm、直径为0.3mm长钢纤维和长度为2mm、直径为0.2mm短钢纤维以 1:2的质量比混合得到。
24.实施例3一种掺改性矿粉免蒸养的超高性能混凝土，其组分及其配比为：硅酸盐水泥∶改性矿粉∶硅灰∶石英砂∶水∶减水剂粉剂：减缩剂＝1∶0.6∶0.2∶1.6∶0.3∶0.018：0.01，钢纤维按体积掺量为2％；由如下步骤制备得到：1)将硅酸盐水泥、改性矿粉、硅灰、减水剂粉剂加入搅拌机中以100rpm混合5min，再向搅拌机中加入石英砂继续搅拌5min；2)将水与减缩剂混合后加入搅拌机中搅拌以100rpm混合5min；
3)将钢纤维加入搅拌机中以100rpm混合8min即可；其中改性矿粉的制备步骤为：(1)对矿渣与质量分数为10％的盐酸溶液混合反应50min以进行酸处理；(2)将酸处理后的矿渣水洗，再与三乙醇胺、乙二醇、碳酸铵、水玻璃以100：10：4：3： 3的质量比混合后进行球磨，球磨至矿渣d50为20μm。钢纤维为长度为20mm、直径为0.3mm长钢纤维和长度为2mm、直径为0.2mm短钢纤维以 1:3的质量比混合得到。
25.对比例1一种超高性能混凝土，其组分及其配比为：硅酸盐水泥∶硅灰∶石英砂∶水∶减水剂粉剂：减缩剂＝1∶0.78∶1.47∶0.29∶0.014：0.07，钢纤维按体积掺量为2％；由如下步骤制备得到：(1)将硅酸盐水泥、硅灰、减水剂粉剂加入搅拌机中以100rpm混合5min，再向搅拌机中加入石英砂继续搅拌5min；(2)将水与减缩剂混合后加入搅拌机中搅拌以100rpm混合5min；(3)将钢纤维加入搅拌机中以100rpm混合8min即可；其中钢纤维为长度为20mm、直径为0.3mm长钢纤维和长度为2mm、直径为0.2mm短钢纤维以1:2的质量比混合得到。
26.对比例2一种掺改性矿粉免蒸养的超高性能混凝土，其组分及其配比为：硅酸盐水泥∶改性矿粉∶硅灰∶石英砂∶水∶减水剂粉剂＝1∶0.77∶0.19∶1.61∶0.307，钢纤维按体积掺量为3％；由如下步骤制备得到：1)将硅酸盐水泥、改性矿粉、硅灰、减水剂粉剂加入搅拌机中以100rpm混合5min，再向搅拌机中加入石英砂继续搅拌5min；2)将水与减缩剂混合后加入搅拌机中搅拌以100rpm混合5min；3)将钢纤维加入搅拌机中以100rpm混合8min即可；其中改性矿粉的制备步骤为：(1)对矿渣与质量分数为10％的盐酸溶液混合反应50min以进行酸处理；(2)将酸处理后的矿渣水洗，再与三乙醇胺、乙二醇、碳酸铵、水玻璃以100：10：5：2： 3的质量比混合后进行球磨，球磨至矿渣d50为20μm。钢纤维为长度为20mm、直径为0.3mm长钢纤维和长度为2mm、直径为0.2mm短钢纤维以 1:2的质量比混合得到。
26.对比例3一种掺改性矿粉免蒸养的超高性能混凝土，其组分及其配比为：硅酸盐水泥∶改性矿粉∶硅灰∶石英砂∶水∶减水剂粉剂：减缩剂＝1∶0.77∶0.19∶1.61∶0.3∶0.018：0.007，钢纤维按体积掺量为3％；由如下步骤制备得到：1)将硅酸盐水泥、改性矿粉、硅灰、减水剂粉剂加入搅拌机中以100rpm混合5min，再向搅拌机中加入石英砂继续搅拌5min；2)将水与减缩剂混合后加入搅拌机中搅拌以100rpm混合5min；3)将钢纤维加入搅拌机中以100rpm混合8min即可；
其中改性矿粉的制备步骤为：(1)对矿渣与质量分数为10％的盐酸溶液混合反应50min以进行酸处理；(2)将酸处理后的矿渣水洗，再与三乙醇胺、乙二醇、碳酸铵、水玻璃以100：10：5：2： 3的质量比混合后进行球磨，球磨至矿渣d50为20μm。钢纤维为长度为20mm、直径为0.3mm长钢纤维。
28.将上述实施例和对比例所得混凝土根据《gb/t 50081-2019混凝土物理力学性能试验方法标准》制成试件，并养护28d，然后检测其抗压强度和抗折强度，结果如下表所示。实施方法抗压强度/mpa抗折强度/mpa实施例113323实施例213829实施例312720对比例111317对比例212120对比例311619
29.由表中数据可知本发明的混凝土通过常规养护即可得到良好的抗压强度及抗折强度。对比例1将实施例1中改性矿粉替换为硅灰，制备成本较高，并且抗压强度也低于实施例1；对比例2中没有使用减缩剂，其uhpc收缩程度大于实施例1，这导致了对比例2制得的混凝土抗压、抗折强度均有下降；而对比例3中钢纤维没有掺杂长度较短的钢纤维，其力学性能较差，这表明将长钢纤维和短钢纤维掺杂使用可提高水泥的力学强度。