高性能混凝土掺合料的制备方法及其应用

摘要

本发明是高性能混凝土掺合料的制备方法及其应用。它以石灰石为主料粉磨至一定比表面积粉末状物料,并可掺少量石膏、矿渣以改善性能作用,原材料有一定质量要求;其工艺为:石灰石、石膏经破碎后与矿渣分别计量,经粉磨,控制一定细度与比表面积即成产品。该掺合料可用以配制混凝土,在配制同标号混凝土时,可取代30%以内的水泥,超量取代系数1.1～1.4。本发明生产工艺简单、原料来源广泛,电耗低、成本低、配制的混凝土具有抗折强度高,早期抗压强度高、干燥收缩值小、水化热低、抗渗及抗碳化性能好等优点。

说明书

本发明是一种高性能混凝土掺合料的制备方法及其应用，属混凝土掺合料的生产与应用技术。

随着混凝土技术与混凝土工业的迅速发展，作为混凝土组成材料中的第六组分--微细掺合料的作用与地位日益受到材料研究与生产部门的重视。微细掺合料作为一种集料掺入混凝土中，主要起着三方面的作用：(1)减水效应，(2)填充效应，(3)活性效应。使用掺合料可以降低混凝土的生产成本，改善混凝土的工作性能及力学性能，降低混凝土水化热，提高混凝土体积稳定性及耐久性能。目前国内掺合料的种类较多，有粉煤灰、细磨矿渣、硅灰、沸石粉等。各种矿物掺合料在混凝土中的作用大致相同，但价格相差较大。硅灰来源较少，价格在3000～12000元/吨；细磨沸石粉具有很大的内比表面积，掺入混凝土时易造成单位用水量的增加；细磨矿渣电耗较高，导致使用成本局高不下。用量最大的仍属火力发电厂干排的粉煤灰。粉煤灰的品质若能达到国家标准规定的Ⅰ、Ⅱ级灰的要求，其在混凝土中的作用效果甚为明显。但对于统灰或Ⅲ级灰，由于其需水量比较大，烧失量较大或细度较粗，影响其减水、填充和活性效应，往往效果较差。广州市商品混凝土行业发展迅速，全市有四十多家商品混凝土搅拌站，年生产能力420万立方米混凝土，按粉煤灰取代水泥20％计算，年消耗粉煤灰约30万吨。由于广州附近电力资源有限，每年排灰量难以满足商品混凝土工业发展的需求，且今后来说，国家实行西电东送，再建电厂的可能性较小，且随着电厂锅炉使用年限的延长，煅烧质量下降、煅烧不充分等，粉煤灰的品质将会逐步下降。就目前来讲，广州市Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰的供应量非常有限，大部分商品混凝土搅拌站使用的是统灰或Ⅲ级粉煤灰，灰的质量波动较大，易造成商品混凝土的质量波动。每年大的电厂维修或混凝土的生产旺季，即使是统灰或Ⅲ级粉煤灰，仍会出现粉煤灰供应不足，商品混凝土搅拌站生产成本显著提高等问题。人类进入21世纪，需要进一步可持续发展，面临着人口膨胀、环境恶化和资源短缺三大问题。材料科学技术要获得可持续发展，除了对材料的技术性与经济性提出要求以外，还要求它具有环境协调性，也就是说需要从省能源、省资源、高耐久性与再生利用的角度出发发展新材料。当前混凝土技术发展的两个重要方向为：一是发展高强高性能混凝土，即HPC(highperformance concrete)，二是使普通混凝土高性能化，使其使用寿命由40～45年延长至60～70年。混凝土沿着这两个方向发展的物质基础是多功能的高效减水剂与高性能的掺合料。

本发明的目的就是为了克服和解决现有混凝土微细掺合料有的具有很大内比表面积、掺入混凝土时用水量增加太大、有的粉磨电耗较高，使用成本居高不下；有的本身质量波动较大，且易造成混凝土质量波动或原料来源有问题等的缺点和问题，研究发明一种高性能混凝土掺合料的制备及其应用，它是以石灰石为主要原料，可复合少量石膏，经粉磨加工，控制一定的细度与比表面积制备而成的粉末状物料；该混凝土掺合料能改善混凝土的工作性能，提高混凝土的抗折及早期抗压强度，减少混凝土的干燥收缩，降低混凝土的水化热，是实现普通混凝土高性能化的良好材料；在细磨石灰石高性能掺合料的基础上复合少量细磨矿渣，还可生产出适用于高强高性能混凝土的系列掺合料产品。本发明原材料来源广泛，生产工艺简单、产品质量稳定可控、生产成本低，用于配制混凝土，可改善其性能，降低混凝土的生产成本。

本发明是通过下述技术方案来实现的：本高性能混凝土掺合料的制备方法是以石灰石为主要原料，复合少量石膏及矿渣，经粉磨加工，控制一定细度与比表面积，制备成粉末状物料，三种材料的质量百分比为：

石灰石：50～100％

石  膏：0～8％

矿  渣：0～50％在上述配方范围内，可生产出不同作用的高性能混凝土掺合料系列产品，如：普通型LS-FA(石灰石95～100％，石膏0～5％)和高强型LS-FA(石灰石50～95％，石膏0～8％，矿渣5～50％)；原材料质量要求：石灰石CaO、MgO含量不作限制，三氧化二铝Al₂O₃含量小于2.5％；石膏中三氧化硫SO₃含量25～45％；矿渣碱性系数大于1；其生产工艺为：石灰石、石膏经破碎后，与矿渣分别计量，再经粉磨，控制其细度为0.045mm方孔筛筛余量≤20％,SO₃含量0～3.0％，比表面积为330～600m²/kg；按上述制备方法生产出的高性能混凝土掺合料已试验性应用于建筑工程混凝土的生产，并收到本发明目的的预期效果，普通型LS-FA在配制同标号混凝土时，可取代30％以内的水泥，超量取代系数为1.1～1.4，所配制的混凝土各项性能均优于基准混凝土(同标号纯水泥配制的混凝土)，使普通混凝土高性能化；高强型LS-FA，即在石灰石含量达50～95％的基础上，再复合0～8％的石膏及5～50％的矿渣，可用于配制C50以上强度等级的高强混凝土，与基准混凝土相比，亦可取代30％以内的水泥，超量取代系数为1.1～1.4；该系列掺合料具有减水效应、填充效应和活性效应，可改善混凝土拌合物的工作性能，提高混凝土抗折强度及早期抗压强度，降低混凝土的水化热，减少混凝土的收缩，显著减少混凝土的开裂现象；此外，该掺合料的应用还可降低混凝土的生产成本，完全达到本发明目的。

发明人从研究掺合料在混凝土中的作用机理出发，经过实验室研究试验，发明了细磨石灰石(LS-FA：lime-stone-Fine-aggregate)用作混凝土的高性能掺合料，并研究成功本高性能混凝土掺合料的制备方法及其应用。并己投入试验性生产与工程上试用。当该掺合料是用石灰石95～100％、石膏0～5％配料时，所制备的混凝土掺合料为普通型LS-FA，可用于配制C50以下强度等级的混凝土；当配制C50以上的高标号混凝土时，可再复合5～50％的矿渣，便可生产高强型LS-FA掺合料，即可满足要求。本掺合料可根据市场需要，制成适用于各种强度等级混凝土的掺合料系列产品。从多次的实验结果来看，该种掺合料对混凝土的工作性能、力学性能及耐久性能的作用优于基准混凝土，早期抗压强度、抗折强度及混凝土的抗收缩性能优于用Ⅱ级粉煤灰配制的混凝土。该掺合料在混凝土中的作用主要体现在：(1)本身需水量小，具有一定的减水效应；(2)细微粒具有良好的填充效应，有利于使混凝土的界面结构更加密实，可提高混凝土的抗折强度、抗渗性能及减少混凝土的干燥收缩开裂；(3)石灰石的化学活性效应主要体现在早期，石灰石中的碳酸钙能与水泥的水化产物生成水化碳铝酸盐，可显著提高混凝土的早期抗压强度；(4)可降低混凝土的水化热，配制混凝土时用细磨石灰石取代30％以内的水泥，可大幅度降低混凝土的水化热，减少混凝土的冷缩开裂。此外，由于石灰石易磨性好，粉磨电耗较低，稳定性好，质量波动小，用它取代30％以内的水泥配制混凝土，即可提高混凝土的各项性能，又可大幅度降低混凝土的生产成本。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：(1)本发明将细磨石灰石粉(石灰石含量可达95～100％)作为一种微细掺合料大量掺入普通混凝土之中，其取代水泥量可达到30％以内，所配制的混凝土各项性能优于同标号纯水泥配制的基准混凝土，即使普通混凝土的性能得到改善，又降低了混凝土的生产成本；(2)本发明在石灰石含量达50～95％的基础上，复合0～8％的石膏及5～50％的矿渣，可生产出高强型LS-FA的系列产品，用于配制高强高性能混凝土，取代30％以内的水泥，所配制混凝土的各项性能优于同标号基准混凝土，满足高强高性能的要求；(3)本发明能把普通型和高强型LS-FA的产品应用于实际建筑工程的混凝土中，经反复抽样检测，各项性能均达到工程的要求；(4)本发明生产工艺简单，原材料来源广泛；(5)本发明制备的混凝土掺合料与细磨矿渣相比粉磨电耗低，生产成本较低；(6)本发明制备的混凝土掺合料与粉煤灰相比，产品质量稳定可控，配制混凝土的早期抗压强度、抗折强度及抗收缩性能更为优良；(7)用本发明制备的掺合料配制的混凝土与同标号基准混凝土相比，具有早期强度高，抗折强度高，混凝土干燥收缩值小，水化热低及抗渗性能、抗碳化性能好等优点。

发明人经过多年的研究与科学实验，有很多成功试验室及工程试应用的实施例，而且，本发明方法制备的掺合料已在广州市嘉华水泥厂试生产600吨，其中普通型LS-FA(配比为：石灰石98％，石膏2％)300吨，高强型LS-FA(配比为：石灰石64％，石膏6％，矿渣30％)300吨，并在广州市东圃市政混凝土有限公司成功地试应用于实际建筑工程，分别在广东省供销社工程与粤电大厦工程施工用LS-FA高性能掺合料配制的商品混凝土近1000立方米，混凝土强度等级为C20～C50，生产与施工单位对该批混凝土的质量满意，工作性能完全适应施工要求，工地现场留样的性能检测均达到设计要求。下面仅列举如下几个实施例来说明：

实施例1：

发明人用本发明制备的普通型SL-FA高性能掺合料之系列产品A13配制C30混凝土的试验结果如表1～2所示：(编号A13的掺合料配方为：98％石灰石、2％石膏；比表面积为350m²/kg)

表1：试验所用原材料与混凝土配合比

试验材料水泥水砂5-16mm石粒 5-25mm石粒 FDN-5(减水剂)    掺合料粉煤灰LS-FA产地、牌号  珠江厂粤秀牌  自来水北江河望岗石场 望岗石场 湛江外加剂厂  广州电厂A13品种、等级Pll.42.5R/ 细度模数Mx=2.3// 缓凝高效减水剂统灰/掺合料与混凝土配合比(Kg/m³)粉煤灰2872037511209235.0299/A132871957511209235.02/99基准混凝土配合(Kg/m³)    363  200  725  120  923  5.02    /

表2：用广州电厂粉煤灰、A13掺合料所配的混凝土与基准混凝土的对比试验结果

试样   流动性(mm)   容重(kg/m³)  和易性描述          抗压强度(Mpa)    抗折强度(Mpa)抗渗标号塌落度 扩展度  3d    7d    28d    7d    28d粉煤灰  165   290   2335浆较稠 17.4  25.5  37.4  2.4  3.3 S9 A13  180   370   2405浆较稠 23.1  33.1  40.2  3.1  4.2 S9基准混凝土  145   260   2420浆较稠 19.8  27.9  38.8  2.5  3.4 S7

由上述实验结果可以看出：(1)LS-FA掺合料具有更好的减水效应，在单位用水量小的情况下，起始塌落度与扩展度大于基准混凝土，也优于粉煤灰配制的混凝土，表现出更好的流动性能，若在保证与基准混凝土相同的工作性能条件下，还可降低水灰比；(2)LS-FA掺合料所配混凝土的抗压强度性能明显优于基准混凝土，3d(3天)强度提高3.3Mpa,7d强度提高5.2Mpa,28d强度提高1.4Mpa；抗折强度提高幅度也较大，7d抗折强度提高0.6Mpa,比基准混凝土提高24％,28d抗折强度提高0.8Mpa，比基准混凝土提高23.5％。而且，其抗压与抗折强度均明显高于粉煤灰配制的混凝土；(3)抗渗性能优于基准混凝土。

实施例2

发明人用本发明制备的高强型LS-FA高性能混凝土掺合料之系列产品A12(编号A12的配方为：石灰石64％、石膏6％、矿渣30％，比表面积370m²/kg)配制C60混凝土试验结果如下表3～表5所示：

表3．试验所用原材料与混凝土配合比

表4．基准混凝土与本发明制备的A12掺合料配制混凝土的对比试验

     结果

试样    塌落度(mm)容重(kg/m³)和易性描述       抗压强度(Mpa)    抗折强度(Mpa)抗渗标号达到S12平均渗水高度(cm)oh1.0h3d7d28d7d28d   基准混凝土 17.0 13.5 2430和易性较好 48.8  53.0  67.6    /  6.3    2.4    A12 20.0 17.5 2430和易性好 50.8  59.1  69.0    /  6.7    2.1

表5．基准混凝土与本发明制备的A12掺合料配制混凝土的收缩试验对

     比结果

试样                    干燥收缩值1×10^-6(mm)    3d    7d    28d    45d    60d    90d基准混凝土    180    300    470    480    490    500 A12    27    180    340    360    393    440

由上述试验结果可以看出：高强型LS-FA掺合料配制C60混凝土的初始塌落度比基准混凝土大，1小时后塌落度的损失比基准混凝土小，工作性能优于基准混凝土。混凝土的3天、7天、28天抗压强高，28天抗折强度高，抗渗性能好，90天内混凝土的干燥收缩值均小于基准混凝土，且早期的收缩更小。

实施例3

发明人用本发明制备的LS-FA高性能掺合料之系列产品A13、A12在工程中试应用的试验结果(编号A13的配方为：石灰石98％、石膏2％，比表面积350m²/kg；编号A12的配方为：石灰石64％、石膏6％、矿渣30％、比表面积370m²/kg)如表6～9所示。

表6．粤电大厦工程C35泵送混凝土所用材料与混凝土配合比

材料   红棉P042.5R水泥掺合料A13    西江河砂(Ⅱ级配区，细度模数Mx=2.4)嘉华石(粒径5～16m)AP-1外加剂水配合比(kg/m³)    290    120    704    1101     8.20 185

表7．粤电大厦工地现场留样检测结果

出搅拌站时塌落度(mm)到工地现场时塌落度(mm)工地和易性描述7d抗压强度(mpa)28d抗压强度(mpa)    200       185    和易性好    34.2    47.2

表8．广东省供销社工地C50混凝土所用材料与混凝土配合比

材料红棉P042.5R水泥掺合料A12 西江河砂(Ⅱ级配区，细度模数Mx=2.4)  嘉华石(粒径5～16m)AP-1外加剂水配合比(kg/m³)    345    95    690    1084    11.20  175

表9．广东省供销社工地现场留样检测结果

出搅拌站时塌落度(mm)到工地现场时塌落度(mm)工地和易性描述7d抗压强度(Mpa)28d抗压强度(Mpa)     180    160    和易性好    46.2    59.2

由表6～9可以看出，用本发明制备的掺合料在工程中试应用的效果较好，用本掺合料的系列产品配制的商品混凝土的工作性能、力学性能完全可以达到工程设计与施工的要求。