一种掺纳米二氧化硅粉体早强高性能混凝土及其制备方法

摘要

本发明公开了一种掺纳米二氧化硅粉体早强高性能混凝土及其制备方法，组分和含量如下：水泥519--550kg/m3，粗骨料1010-1040kg/m3，细骨料600--620kg/m3，水225--235kg/m3，高性能减水剂7.77--9.1kg/m3，纳米二氧化硅8.1--16.2kg/m3，配合比为砂率37~38%，水灰比0.40~0.43。细骨料为河沙或者中砂，粗骨料的粒径为5-35mm，高性能减水剂的减水率不低于25%，纳米二氧化硅平均粒径30±5nm，本发明显著提高混凝土早期强度，可用于冬季施工的超高层建筑及常温和低温条件有早期要求的混凝土工程，实用价值高。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程混凝土技术领域，涉及早强高性能混凝土配制技术，特别涉及到以纳米二氧化硅为添加剂来提高混凝土早期性能。

背景技术

自19世纪20年代出现了波特兰水泥后，由于用它配制成的混凝土具有工程所需要的强度和耐久性，而且原料易得，造价较低，特别是能耗较低，因而用途极为广泛，已经成为土木工程、水利工程、交通运输等现代工程结构的重要结构材料。

20世纪初，随着水灰比等学说的提出，初步奠定了混凝土强度的理论基础。以后，相继出现了轻集料混凝土、加气混凝土及其他混凝土，各种混凝土外加剂也开始使用。上世纪60年代以来，广泛应用减水剂，并出现了高效减水剂和相应的流态混凝土；高分子材料进入混凝土材料领域，出现了聚合物混凝土；多种纤维被用于分散配筋的纤维混凝土。

混凝土早强剂是外加剂发展历史中最早使用的外加剂品种之一。到目前为止，人们已先后开发除氯盐和硫酸盐以外的多种早强型外加剂，如亚硝酸盐，铬酸盐等，以及有机物早强剂，如三乙醇胺、甲酸钙、尿素等，并且在早强剂的基础上，生产应用多种复合型外加剂，如早强减水剂、早强防冻剂和早强型泵送剂等。这些种类的早强型外加剂都已经在实际工程中使用，在改善混凝土性能。提高施工效率和节约投资成本方面发挥了重要作用。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维的尺寸为1nm～100nm，由于其小尺寸，呈现出宏观物体所不具有的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面界面效应和宏观量子隧道效应等特点，被科学家们誉为“21世纪最有前途的材料”。纳米技术的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，标志着人类科学技术已进入一个新的时代-纳米科技时代。纳米SiO₂是一种无定形物质，其粒径仅为20nm左右，已经广泛用于改性涂料、抗紫外剂、塑料添加剂、橡胶制品、颜料、陶瓷、等领域。

第一届纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世，从此，纳米材料引起了世界各国材料界和物理界的极大兴趣和广泛重视。目前，关于混凝土的高效活性矿物掺料已有较多的研究成果，并已经应用于工程实际中。活性矿物掺料中含有大量活性二氧化硅及活性氧化铝，在水泥水化中生成强度高、稳定性强的低碱性水化硅酸钙，改善了水化胶凝物质。超细矿物掺料能填充于水泥颗粒之间，使水泥石致密，并能改善界面结构和性能。

人工合成的纳米级SiO₂(Nano-SiO₂，简称NS)的粒径非常小，其火山灰活性比硅灰、粉煤灰等要高很多。在水泥浆体中，Ca(OH)₂会更多地在纳米SiO₂表面形成键合，并生成C-S-H凝胶，起到了降低Ca(OH)₂含量和细化Ca(OH)₂晶体尺寸的作用，同时CSH凝胶以纳米SiO₂为核心形成簇状结构，纳米SiO₂起到CSH凝胶网络结点的作用。纳米SiO₂的上述作用在理论上可以提高混凝土的强度、密实度、抗渗性等性能。目前对于混凝土中掺入纳米SiO₂的研究比较少，仅限于在界面改性、宏观物理力学性能等层面上。

提高水泥混凝土早期强度是混凝土材料发展的重要方向，目前也是混凝土材料领域的研究热点。将纳米二氧化硅粉体应用于混凝土材料中，将大幅度提高混凝土早期性能，具有显著的创新意义和重大工程应用价值。

发明内容

本发明提供一种掺纳米二氧化硅粉体早强高性能混凝土及其制备方法，目的是提高混凝土的早期强度。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的掺纳米二氧化硅粉体早强高性能混凝土，其特征在于组分和含量如下：水泥519--550kg/m³，粗骨料1010-1040kg/m³，细骨料600--620kg/m³，水225--235kg/m³，高性能减水剂7.77--9.1kg/m³，纳米二氧化硅8.1--16.2kg/m³，配合比为砂率37～38％，水灰比0.40～0.43。

所述水泥为强度等级不低于PC32.5级的硅酸盐水泥。

所述细骨料为河沙或者中砂，含泥量小于3％。

所述粗骨料的粒径为5-35mm。

所述高性能减水剂的减水率不低于25％。

所述高性能减水剂为萘系混凝土高效减水剂或者聚羧酸盐高效减水剂。

所述纳米二氧化硅平均粒径30±5nm，表面纳米处理，纳米二氧化硅含量

≥99.5％，灼烧失重率≤6.0％。

制备方法，包括如下步骤：

1)高性能减水剂、纳米二氧化硅、60-70％的水，搅拌均匀成混合液；

2)在混凝土搅拌机中将粗骨料、细骨料和水泥搅拌均匀成固态混合物；

3)将步骤1)混合液、步骤2)固态混合物、剩余30-40％的水，高速搅拌180-240秒，搅拌均匀成混凝土拌合物。

所述搅拌转速为搅拌轴转速30r/min.

细骨料：河沙，中砂等含泥量小于3％。

粗骨料：粒径为5-35mm，细度模数4.3，松散密度1460kg/m³，表观密度2.85g/cm³，压碎值3.45％，满足GB/T14684-2001《建筑用卵石、碎石》要求。

高性能减水剂：减水率不低于25％；有萘系混凝土高效减水剂和聚羧酸盐高效减水剂。

纳米二氧化硅：平均粒径30±5nm，比表面积200±30mm²/g，含量≥99.5％。

混凝土的配合比设计依据质量法计算。砂率37-38％，水胶比0.40-0.43。

按上述质量比例称取原材料，机械搅拌。搅拌工艺为：

减水剂加纳米粉体加60-70％用水量，搅拌均匀成混合液；在混凝土搅拌机中将粗、细骨料和水泥搅拌均匀成固态混合物；混合液加固态混合物加剩余30-40％用水量，高速搅拌180-240秒，搅拌均匀成混凝土拌合物。

有益效果：本发明配方中添加纳米二氧化硅能提高混凝土强度，尤其显著提高混凝土早期强度，在改善混凝土性能，提高施工效率和节约投资成本方面发挥重要作用。按照《普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T50081-2002》进行分组实验，不同实施例证明，由本方法制备的掺纳米二氧化硅粉体早强高性能混凝土，对比同样配合比设计的普通混凝土，7天龄期的抗折强度可提高214％--396％，劈裂抗拉强度可提高28.9％--43.0％，抗压强度可提高6.13％--17.2％；28天龄期的劈裂抗拉强度可提高7.8％-22.2％。这种早强混凝土可用于冬季施工的超高层建筑及常温和低温条件有早期要求的混凝土工程，具有重大的工程实用价值和显著的技术经济意义。

具体实施方式

以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例1

某海港工程用自密实高强抗冻融混凝土，所用原材料及性能如下：

水泥：PI42.5硅酸盐水泥，购自南京雨花水泥厂。

细骨料：河沙，细度模数2.3，中砂；表观密度2.57g/cm³，使用前冲洗并烘干。

粗骨料：高密度石灰石，公称粒径为5-35mm，表观密度为2.85g/cm³。

水：自来水。

减水剂：聚羧酸系减水剂，减水率42％。购自南京派尼尔科技实业有限公司。

纳米SiO₂粉体：纳米SiO₂含量大于99.5％，粒径30±5nm。购自杭州万景新材料有限公司。

按照《普通混凝土配合比设计规程(JGJ55-2011)》，混凝土配合比设计如下(砂率37％，水灰比0.4)：

按上述的质量比例称取原材料，机械搅拌，搅拌工艺：

减水剂加纳米粉体加60％用水量，搅拌均匀成混合液；将粗、细骨料和水泥搅拌均匀成固态混合物；混合液加固态混合物加剩余40％用水量，高速(搅拌轴转速30r/min)搅拌240秒。

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T50081-2002》，强度试验结果：

7天抗压强度35.7MPa，7天抗折强度3.8Mpa，7天劈裂抗拉强度1.69MPa。

实施例2

原材料：

水泥：海螺牌PC42.5复合硅酸盐水泥

细骨料：河沙，细度模数2.3，中砂；表观密度2.65g/cm³，使用前冲洗并烘干。

粗骨料：南京地区的玄武岩碎石，公称粒径为5-35mm。

水：南京自来水。

减水剂：南京派尼尔科技实业有限公司生产的Richlam240萘系混凝土高效减水剂，减水率25％。

纳米SiO₂粉体：浙江杭州万景新材料有限公司生产的纳米SiO₂粉末，纳米物质含量大于99.5％，平均粒径30nm，比表面积200mm²/g，灼烧失重率3.5％。

本例设置添加纳米SiO₂粉体的早强混凝土和不添加纳米SiO₂粉体的普通混凝土，按照《普通混凝土配合比设计规程(JGJ55-2011)》，《普通混凝土拌合物性能试验方法标准(GB/T50080-2002)》，《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T50081-2002)》进行。

配合比设计为(水灰比0.43，砂率38％)：

试验结果：

实施例3

原材料：

水泥：海螺牌PC32.5复合硅酸盐水泥

细骨料：河沙，细度模数2.3，中砂；表观密度2.65g/cm³，使用前冲洗并烘干。

粗骨料：南京地区的玄武岩碎石，公称粒径为5-35mm。

水：南京自来水。

减水剂：南京派尼尔科技实业有限公司生产的Richlam240萘系混凝土高效减水剂，减水率25％

纳米SiO₂粉体：浙江杭州万景新材料有限公司生产的纳米SiO₂粉末，纳米物质含量大于99.5％，平均粒径30nm，比表面积200m²/g，灼烧失重率3.5％。

本例设置添加纳米SiO₂粉体的早强混凝土和不添加纳米SiO₂粉体的普通混凝土，按照《普通混凝土配合比设计规程(JGJ55-2011)》，《普通混凝土拌合物性能试验方法标准(GB/T50080-2002)》，《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T50081-2002)》进行。

配合比设计为(水灰比0.43，砂率38％)：

类型水灰比水水泥细骨料粗骨料纳米NS减水剂不掺NS0.43235535620101008.01掺NS0.43235519620101016.27.77

试验结果：

实施例4

原材料：

水泥：海螺牌PC32.5复合硅酸盐水泥

细骨料：河沙，细度模数2.3，中砂；表观密度2.65g/cm³，使用前冲洗并烘干。

粗骨料：南京地区的玄武岩碎石，公称粒径为5-35mm。

水：南京自来水。

减水剂：南京派尼尔科技实业有限公司生产的Richlam240萘系混凝土高效减水剂，减水率25％

纳米SiO₂粉体：浙江杭州万景新材料有限公司生产的纳米SiO₂粉末，纳米物质含量大于99.5％，平均粒径30nm，比表面积200m²/g，灼烧失重率3.5％。

本例设置添加纳米SiO₂粉体的早强混凝土和不添加纳米SiO₂粉体的普通混凝土，按照《普通混凝土配合比设计规程(JGJ55-2011)》，《普通混凝土拌合物性能试验方法标准(GB/T50080-2002)》，《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T50081-2002)》进行。

配合比设计为(水灰比0.43，砂率38％)：

类型水灰比水水泥细骨料粗骨料纳米NS减水剂不掺NS0.43235535620101008.01掺NS0.4323552762010108.17.89

试验结果：

不同实施例证明，由本方法制备的掺纳米二氧化硅粉体早强高性能混凝土，对比同样配合比设计的普通混凝土，7天龄期的抗折强度可提高214％--396％，劈裂抗拉强度可提高28.9％--43.0％，抗压强度可提高6.13％--17.2％；28天龄期的劈裂抗拉强度可提高7.8％-22.2％。这种早强混凝土可用于冬季施工的超高层建筑及常温和低温条件有早期要求的混凝土工程，具有重大的工程实用价值和显著的技术经济意义。