一种高温养护的低碳高强度地聚物混凝土材料及其制备方法

1.本发明涉及建筑材料低碳节能混凝土材料研发技术领域，具体涉及一种高温养护的低碳高强度地聚物混凝土材料及其制备方法。


背景技术：

2.传统水泥在生产过程中需要“两磨一烧”制作工艺，使得在制备水泥的时候会产生大量能源消耗和碳排放。地聚物在制作过程中的能耗特别低，生产能耗是水泥的1/6～1/4；co2排放量仅是水泥的1/10～1/5。
3.与传统硅酸盐水泥相比，地质聚合物混凝土是一种可以替代传统硅酸盐混凝土的新型建材。这种地质聚合物混凝土具有对环境友好、生产耗能低及污染低等特点，是符合国家节能减排规划的材料。由于地质聚合物其特有的反应机理，在制备过程中几乎不产生二氧化碳及有害气体，不但能减少不利排放缓解温室效应、缓和能源危机，还可以提高人们居住的环境质量，这对于我国人口基数大及能源高消耗等情况具有重要作用。而且在过去重点加强基础建设的过程中产生了大量的工业废料，地聚物混凝土可以利用这些材料来制备，实现了废物再利用。地聚物混凝土由于不会大量产生传统水泥中的氢氧化钙晶体所以拥有孔隙率低等特点，在抗腐蚀性上要优于传统混凝土，具有较低的导热系数，在隔热抗火上具有良好性能。我国在地聚物混凝土的应用上还比较少，主要用于利用其特殊的牢笼结构低渗率等特点代替陶瓷用于核废料的封存，在建筑尤其民用建筑上的应用非常少，这主要是由于技术掌握不成熟及行业规范不成熟等原因。详细研究掌握这种材料的性质，对于提高施工水准、提升建筑质量、经济效益最大化乃至整个土木行业的创新发展都有重大意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种高温养护的低碳高强度地聚物混凝土材料及其制备方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高温养护的低碳高强度地聚物混凝土材料，其特征在于，所述的地聚物混凝土材料以粉煤灰、矿渣微粉与硅灰为粘结剂基材，添加粗骨料、细骨料、碱性激发剂和减水剂制备而成。
6.优选地，按质量份计，所述的碱性激发剂：粘结剂基材：细骨料：粗骨料＝1:(2.3～2.7):(2.1～2.5):(4.3～4.7)：。
7.进一步优选地，按质量份计，所述的碱性激发剂：粘结剂基材：细骨料：粗骨料＝1:2.5:2.3:4.5。
8.优选地，所述的碱性激发剂由硅酸钠溶液、氢氧化钠和水混合制成。
9.进一步优选地，所述的硅酸钠溶液的模数为3.3，波美度40be；所述的氢氧化钠为纯度达96％的纯白片状固体。
10.进一步优选地，按质量份计，所述的硅酸钠溶液：氢氧化钠：水＝1:(0.1～0.2):
(0.1～0.2)。
11.更进一步优选地，按质量份计，所述的硅酸钠溶液：氢氧化钠：水＝1:0.16:0.16。
12.优选地，所述的碱性激发剂的模数为1.35。
13.优选地，所述的减水剂为萘系减水剂。
14.优选地，按质量份计，所述的减水剂的掺入量为细骨料质量的1.5～2.5％。
15.进一步优选地，按质量份计，所述的减水剂的掺入量为细骨料质量的2％。
16.优选地，按质量份计，所述的粉煤灰：矿渣微粉：硅灰＝1:(3～4):(1～2.2)。
17.优选地，所述的粉煤灰规格为c类ⅱ级，灰色粉末；所述的矿渣微粉规格为s95，烧失量为-0.4％；所述的硅灰平均粒径为0.1～0.3μm。
18.优选地，所述的细骨料与粗骨料均为建筑用骨料，所述的细骨料为天然河砂，粒径为0～5mm，细度模数为1.98，表观密度为2621kg/m3，堆积密度为1415kg/m3；所述的粗骨料为建筑用石子，粒径为5～16mm连续级配，表观密度为2680kg/m3，堆积密度为1364kg/m3。
19.一种上述高温养护的低碳高强度地聚物混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：
20.(1)碱性激发剂的制备：将硅酸钠、氢氧化钠与水混合搅拌均匀；
21.(2)地聚物混凝土拌合料的制备：将粉煤灰、矿渣微粉、硅灰、细骨料、粗骨料、碱性激发剂与减水剂混合搅拌均匀；
22.(3)浇筑地聚物混凝土：将地聚物混凝土拌合料浇筑；
23.(4)养护：浇筑后先于室温下养护24h后拆模，后放入高温蒸汽养护箱中养护24h，再标准养护。
24.为了便于性能测试，优选地，所述的制备方法具体包括以下步骤：
25.步骤一：碱性激发剂的制备
26.为了消除温度对实验的影响，所述碱性激发剂需提前一天制备。将所述硅酸钠溶液、氢氧化钠固体和水按照质量比例掺入，将所制溶液搅拌均匀并冷却至室温；
27.步骤二：地聚物混凝土拌合料的制备
28.按照质量比例，将粉煤灰、矿渣微粉与硅灰进行混合干拌，然后按比例加入细骨料、粗骨料与减水剂混合干拌均匀，最后边搅拌边加入碱性激发剂与水，完全搅拌均匀；
29.步骤三：浇筑地聚物混凝土
30.将搅拌完成的拌合料分两次浇筑入混凝土模具中，铺平，将模具放在振动台上振实；
31.步骤四：养护
32.试件在室温下养护24h后拆模，将试件密封置于80℃的高温蒸汽养护箱中高温养护24h后再标准养护；
33.步骤五：抗压强度测试
34.分别测定地聚物混凝土养护3天、7天、28天下的抗压强度。
35.可选地，步骤二中在加入碱性激发剂后再加入减水剂。
36.可选地，步骤四中将试件密封置于高温蒸汽养护箱中80℃高温养护24h后，再置于不同湿度的条件下养护。
37.单掺粉煤灰的混凝土自干缩和干燥收缩都小，需水量少，但抗碳化性能较差；单掺矿渣微粉的混凝土需水量少，对混凝土强度有利，抗碳化性能良好，但其化学收缩和自收缩
较大，不同比表面积性能差异性很大，不易控制；单掺硅灰虽然可以提高混凝土的强度，耐磨性优良，但因需水量大，掺量有限，目前产量少，成本高。本发明将粉煤灰、矿渣微粉与硅灰以不同的配合比加入到地聚物混凝土中，根据所测定抗压强度，可以得到粉煤灰、矿渣微粉与硅灰的最优配合比参数值。
38.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
39.1.本发明以低碳为基础，在保证地聚物混凝土正常使用的同时，减少水泥用量，节约能源，减少碳排放，且具有较高的强度，满足安全及耐久性能的要求；
40.2.本发明以地质聚合物替代普通水泥，实现低碳乃至零碳的条件下材料仍然具有高强度；
41.3.本发明以粉煤灰-矿渣微粉-硅灰为粘结剂替代水泥，并掺入硅酸钠-氢氧化钠溶液作为碱性激发剂，可以缩短地聚物混凝土的凝结时间并提升其强度；
42.4.本发明高温养护加快了粘结剂与碱性激发剂的凝结硬化时间，可在较短的养护龄期内提高地聚物混凝土的抗压强度；
43.5.本发明可在不同的养护条件下，根据地聚物混凝土各龄期测得的抗压强度，得到地聚物混凝土各阶段的强度发展曲线；
44.6.本发明所公开的高温养护方式可以提高地聚物混凝土的抗压强度，并在一定的时间范围内呈现线性增长，在高温养护后会对地聚物混凝土后期强度产生不利影响，增加地聚物混凝土在常温下的静置时间可以减弱这一影响。
具体实施方式
45.下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，显然所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.本发明高温养护的低碳高强度地聚物混凝土所使用材料包括如下各组分：粉煤灰、矿渣微粉、硅灰、砂子、石子、硅酸钠溶液、氢氧化钠、减水剂和水。
47.本发明所使用的粉煤灰为高钙c类ⅱ级粉煤灰。粉煤灰的化学成分表如下所示。
48.表1粉煤灰主要化学成分
49.成分sio2al2o3caofe2o3tio2烧失量含量％54.7624.564.856.541.852.7
50.本发明所使用的矿渣微粉级别为s95，比表面积472m2/kg，烧失量-0.4％。矿渣微粉的化学成分表如下所示。
51.表2矿渣微粉主要化学成分
[0052][0053][0054]
本发明所使用的硅灰平均粒径为0.1～0.3μm。硅灰的化学成分表如下所示。
[0055]
表3硅灰主要化学成分
[0056]
成分sio2al2o3caomgofe2o3含量％≥98≤0.7≤0.2≤0.5≤0.6
[0057]
本发明所使用的细骨料为天然河砂，粒径为0～5mm；粗骨料为建筑用石子，粒径为5～16mm连续级配。
[0058]
本发明所使用的硅酸钠溶液模数为3.3，波美度40be；氢氧化钠为纯度达96％的纯白片状固体；减水剂为萘系减水剂。
[0059]
实施例
[0060]
一种高温养护的低碳高强度地聚物混凝土材料，按照发明内容所述地聚物混凝土各组分配比称取材料。
[0061]
该材料的制备方法包括以下步骤：
[0062]
步骤一：碱性激发剂的制备
[0063]
由于碱性激发剂制备过程中大量放热，故需提前一天制备，待其充分反应并冷却后使用。按照硅酸钠溶液：氢氧化钠：水＝1:0.16:0.16的配合比，先将硅酸钠溶液加入容器中，后同时加入氢氧化钠固体与水，搅拌溶解后置于室温下。
[0064]
步骤二：地聚物混凝土拌合料的制备
[0065]
提前将砂石洗净烘干，按照表4中配合比，将粉煤灰、矿渣微粉与硅灰置入搅拌装置中干拌2min，后加入砂、石子充分搅拌3min，得到混凝土干拌料；然后缓慢倒入碱性激发剂与减水剂搅拌直至石子与灰浆调匀且稠度适合，得到混凝土拌合料。
[0066]
表4各原料用量
[0067][0068][0069]
步骤三：浇筑地聚物混凝土
[0070]
将混凝土拌合料分两次浇筑到模具中，过程中用抹刀和振捣棒将混凝土捣实，填满模具后用抹刀将混凝土表面抹光，随后放到振动台上，振动2次，每次120s，将混凝土中的气泡导出。
[0071]
步骤四：养护
[0072]
试件随模具先于室温下密封静置24h，使地聚物混凝土后期强度发展更为稳定。脱
模后采用耐高温的工业薄膜包裹试件并置入80℃的高温蒸汽养护箱中密封养护24h后，再按照gb/t50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，置于标准养护室温度为20℃
±
2℃、相对湿度为95％rh以上。
[0073]
步骤五：抗压强度测试
[0074]
分别在地聚物混凝土龄期为3天、7天、28天时测定其立方体抗压强度。
[0075]
上述实施例所得混凝土材料的抗压强度测试结果如下表所示：
[0076]
表5抗压强度测试结果
[0077] 3d/mpa7d/mpa28d/mpa实施例148.981.8113.7实施例262.387.0117.6实施例348.389.5117.8实施例454.875.2107.5
[0078]
对比例1
[0079]
一种地聚物混凝土材料，拆模后直接置于标准养护室温度为20℃
±
2℃、相对湿度为95％rh以上，未进行高温养护。其余条件与实施例1相同。
[0080]
对比例2
[0081]
一种地聚物混凝土材料，拆模后直接置于标准养护室温度为20℃
±
2℃、相对湿度为95％rh以上，未进行高温养护。其余条件与实施例2相同。
[0082]
对比例3
[0083]
一种地聚物混凝土材料，拆模后直接置于标准养护室温度为20℃
±
2℃、相对湿度为95％rh以上，未进行高温养护。其余条件与实施例3相同。
[0084]
对比例4
[0085]
一种地聚物混凝土材料，拆模后直接置于标准养护室温度为20℃
±
2℃、相对湿度为95％rh以上，未进行高温养护。其余条件与实施例4相同。
[0086]
对比例5
[0087]
一种地聚物混凝土材料，粘结基材中未添加硅灰。其余条件与实施例1相同。
[0088]
上述对比例所得混凝土材料的抗压强度测试结果如下表所示：
[0089]
表6抗压强度测试结果
[0090] 3d/mpa7d/mpa28d/mpa对比例125.468.7106.2对比例229.973.1108.3对比例323.770.7113.6对比例425.861.799.2对比例5//95.6
[0091]
结论：一种高温养护的低碳高强度地聚物混凝土，其立方体抗压强度可以达到117mpa。早期高温80℃养护条件下，3d立方体抗压强度提高了45％～55％，7d立方体抗压强度提高了15％～25％，28d的立方体抗压强度与标准养护组的抗压强度相差不大。这是由于较高的养护温度使得地质聚合物中活性成分较早的与碱性激发剂反应，提高了早期水化产物的生成速率，从而提高了其抗压强度。高温养护可使地聚物混凝土在较短的养护龄期内
获得较高的抗压强度，缩短了其养护时间，节约时间成本，适用于实际工程，且满足建筑安全及耐久性能的要求。
[0092]
本发明利用工业废弃料替代水泥，在保证混凝土正常使用的同时，减少了能源消耗以及碳排放；根据不同配合比所测定的地聚物混凝土立方体抗压强度曲线，可以得到粉煤灰、矿渣微粉与硅灰基地质聚合物的最优配合比参数值；利用高温养护地聚物混凝土的方式，可以在较短时间内提高地聚物混凝土的强度，缩短了工程工期，对于实际工程中的运用具有明显效果。
[0093]
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。