一种自密实混凝土及其制备方法

摘要

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种自密实混凝土及其制备方法，包含以下重量份数的原料：硅酸盐水泥200～325份、活性掺合料100～135份、骨料1350～1600份、萘系高效减水剂8～15份及水150～190份；所述活性掺合料为拜耳法赤泥与煤矸石在600～700℃下煅烧1～2h后的获得的活化产物。本发明采用粘土岩矸石和钙质岩矸石与拜耳法赤泥在一定温度下煅烧获得一种活性掺合料，实现了同时活化粘土岩矸石及拜耳法赤泥的目的，将该活性掺合料加入到自密实混泥土中，能够显著提高自密实混凝土的强度、抗冻性能及改善自密实混凝土的收缩性能，从而减少混凝土开裂的可能，无需加入引气剂和膨胀剂即能获得优良的抗冻性能和收缩性能。

权利要求

1.一种自密实混凝土，其特征在于，由以下重量份数的原料制成：硅酸盐水泥200 325~份、活性掺合料100 135份、骨料1350 1600份、萘系高效减水剂8 15份及水150 190份；所述~ ~ ~ ~活性掺合料为拜耳法赤泥与煤矸石在600 700℃下煅烧1 2h后的获得的活化产物； 所述煤~ ~矸石为粘土岩矸石和钙质岩矸石；所述拜耳法赤泥、粘土岩矸石和钙质岩矸石的重量比为

5:1 3:0.5 1.5。

~ ~

2.如权利要求1所述的自密实混凝土，其特征在于，所述煤矸石的粒径＜0.1mm。

3.如权利要求1所述的自密实混凝土，其特征在于，所述拜耳法赤泥、粘土岩矸石和钙质岩矸石的重量比为5:2:1。

4.如权利要求1所述的自密实混凝土，其特征在于，所述骨料由细骨料和粗骨料按1:

0.5 1的重量比组成。

~

5.如权利要求4所述的自密实混凝土，其特征在于，所述细骨料为中砂，砂细度模数为

2.5 3.0；所述粗骨料为石灰岩机碎石，其粒径为5 20mm。

~ ~

6.一种制备如权利要求1 5任一所述自密实混凝土的方法，其特征在于，包括以下步~骤：

将硅酸盐水泥和活性掺合料混合均匀，加入骨料，搅拌混合均匀得到拌合料，将萘系高效减水剂加入水中混合均匀后加入到上述拌合料中，搅拌均匀，得到自密实混凝土。

说明书

一种自密实混凝土及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于建筑材料技术领域。更具体地，涉及一种自密实混凝土及其制备 方法。

背景技术

[0002] 自密实混凝土((Self Compacting Conctete或Self-Consolidating Concrete 简称SCC)是指在自身重力作用下，能够流动、密实，即使存在致密钢筋也能 完全填充模板，同时获得很好均质性，不需要附加振动的混凝土，其具有以下优 点：可以保证混凝土良好地密实；提高生产效率；改善工作环境和安全性。增加 结构设计的自由度；改善混凝土表面质量及减少混凝土对搅拌机的磨损等。但是 自密实混凝土硬化后的耐久性非常有限，尤其是在寒冷气候条件下；同时，与普 通混凝相比，干燥收缩略大。

[0003] 赤泥是从铝土矿中提炼氧化铝后排出的工业固体废物，根据其生产方式不同 可分为烧结法赤泥、拜耳法赤泥和联合法赤泥(即烧结法与拜耳法联用)。由于烧 结法赤泥相比拜耳法赤泥具有更高的火山灰活性，因此目前混凝土中普遍使用的 是烧结法赤泥。但是拜耳法赤泥对混凝土具有较好的内养护作用，中国专利申请 CN105198324A中发明人将拜耳法赤泥作为自密实混凝土掺合料，提高了自密实 混凝土材料的强度，同时降低了自密实混凝土的收缩量。但是如果要使得拜耳法 赤泥发挥内养护作用，加入量要非常大，在该混凝土中水泥与赤泥的质量比达到 2:1～1:1，而且由于拜耳法赤泥含有较高比例的Na2O，赤泥大量的存在会导致水 泥基材料发生严重的泛碱和碱骨料反应。而如果要实现少量的添加拜耳法赤泥即 能发挥其内养护作用，必须要提高拜耳法赤泥的火山灰活性。有研究报道了将拜 耳法赤泥与油页岩在600-700℃下煅烧可提高拜耳法赤泥的活性[1]，但是作者没 有继续研究活化赤泥在混凝土中的应用性能；同时中国专利CN10451881A公开 了一种掺有拜耳法赤泥的自密实水泥混凝土，其采用瓷石尾砂替代油页岩，在 600～700℃下煅烧后，经过急热慢冷的方式冷却制得具有较高活性的煅烧产物， 并证明了将其加入到混凝土中后可明显提高混凝土的强度和收缩性能，但同时也 延长了混凝土的终凝时间。因此，目前拜耳法赤泥的运用需要克服的难点有：① 提高其火山灰活性，使其以较少量的添加到自密实混凝土中即能发挥内养护的作 用；②消除通过煅烧方式活化的拜耳法赤泥引起的混凝土终凝时间过长的缺陷。

[0004] 煤矸石是在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩 石。自燃矸石由于存在无定形的SiO2和Al2O3，从而具有一定的火山灰活性，通 常被添加到混凝土中作为粗骨料使用(CN101439952A、CN105000832A)。通过 加入经煅烧活化后的煤矸石可以显著提高混凝土的强度及吸水率，降低混凝土工 程造价，而通常为了达到这种粒径，需要对煤矸石进行多次破碎，在破碎过程中 产生了大量的更小粒径的细骨料，而这些细骨料目前并未被合理地利用，造成了 对环境的污染和资源的浪费。目前未有文献报道将粒径较小的煤矸石作为自密实 混凝土活性掺合料的报道。

[0005] 同时目前实际上大量存在和未能充分利用的是未燃矸石，X射线衍射结构 分析表明，此类矸石中几乎没有发现活性的SiO2和Al2O3。而如果要使用未燃矸 石，首先要解决的就是其活性问题。目前已有专利报道了利用赤泥对其进行活化 (CN103420406B)，但是该方法中采用的赤泥优选是烧结法赤泥，拜耳法赤泥对 其活化效果是不够理想的。同时按化学组分分，煤矸石可分粘土岩矸石、砂岩矸 石、铝质矸石和钙质矸石，每种类型的矸石组成成分差异较大(各类型主要矿物 构成如下表1)，而更常用于制骨料的是砂岩类未燃矸石，但该专利中未提及采 用赤泥活化的是哪种类型的煤矸石，同时亦无法获知在活化过程中煤矸石对赤泥 活性的影响。

[0006] 表1不同类型煤矸石矿物组成

[0007]

[0008] 参考文献[1]：牛雪莲，冯向鹏，孙恒虎，白雪，拜尔法赤泥热蚀变活性优 化研究。

发明内容

[0009] 本发明要解决的技术问题是克服现有自密实混凝土存在的拜耳法赤泥掺合 量大，同时容易引起混凝土终凝时间过长的问题缺陷和不足，提供一种力学性能 好，收缩小的自密实混凝土。

[0010] 本发明通过采用粘土岩矸石与拜耳法赤泥在一定温度下煅烧，达到同时活化 粘土岩矸石和拜耳法赤泥的目的，其相互活化机理为：在400～650℃，粘土岩矸 石中含有的高岭石发生脱水反应，转变为偏高岭石，而在600～700℃时，偏高岭 石分解成γ-Al2O3和无定形的SiO2，活化后的粘土岩矸石加入到自密实混凝土中 可以提高自密实混凝土的抗冻性能；同时高岭石发生脱水反应产生的H2O属于 强极性物质，能够对拜耳法赤泥中表面产生强烈的蚀变效应，使物料表面晶格畸 度增加，从而提高了拜耳法赤泥的火山灰活性，最终实现同时活化粘土岩矸石和 拜耳法赤泥的作用。

[0011] 为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种自密实混凝土，包 含以下重量份数的原料：硅酸盐水泥200～325份、活性掺合料100～135份、骨料 1350～1600份、萘系高效减水剂8～15份及水150～190份；所述活性掺合料为拜 耳法赤泥与煤矸石在600～700℃下煅烧1～2h后的获得的活化产物。

[0012] 进一步地，所述煤矸石的粒径＜0.1mm。优选采用粒径＜0.125mm的煤矸石 残料，利用煤矸石在多次破碎中产生的残料一方面避免了环境污染和资源浪费， 另一方面，在自密实混凝土中，掺合小粒径的掺合料可提高混凝土的流变性能

[0013] 进一步地，所述煤矸石为粘土岩矸石和/或钙质岩矸石。四种类型的煤矸石 中，粘土岩矸石是唯一同时含有Al2O3和SiO2的(SiO2：40～70％，Al2O3：15～30％)， 而煤矸石Al2O3和SiO2的含量，尤其是活性的Al2O3和SiO2含量是决定煤矸石 活性的主要因素。但是如果仅仅加入一种类型的煤矸石，粘土岩矸石需要在850℃ 下煅烧才能激发其活性，且产生的煅烧产物作为混凝土的掺合料，同样存在终凝 时间较长的问题。而如果同时加入粘土岩矸石和钙质岩矸石，试验结果证明其取 得的效果是惊人：钙质岩矸石的存在提高了粘土岩矸石的反应能力，在650℃下 煅烧即能激发粘土岩矸石的活性，产生了更多的活性Al2O3和SiO2，混凝土的抗 冻性更好；同时可发现，得到的活化产物添加到混凝土中，终凝时间显著缩短了。 进一步研究上述机理，发明人认为是：钙质岩矸石含有大量的氧化钙(＞30％)， 氧化钙对粘土岩矸石的活性反应起到了促进的作用，但对于使得终凝时间缩短的 原因尚需要再进一步的研究。

[0014] 进一步地，所述拜耳法赤泥、粘土岩矸石和钙质岩矸石的重量比为 5:1～3:0.5～1.5。更进一步地，所述拜耳法赤泥、粘土岩矸石和钙质岩矸石的重量 比为5:2:1。可以认为，在共活化过程中，拜耳法赤泥与煤矸石的重量比是比较 重要的，通过试验发现，两者的重量比为5:3时，形成的活化产物添加到混凝土 中，对混凝土强度及收缩性能的影响是最大的。

[0015] 进一步地，所述活性掺合料的制备方法具体为：

[0016] 将拜耳法赤泥、粘土岩矸石和钙质岩矸石按照5:1～3:0.5～1.5的重量比混合， 缓慢升温至600～700℃，煅烧1～2h，煅烧产物于室温下自然冷却，经球磨机干磨 后，得到活化产物。进一步地，缓慢升温至650℃。

[0017] 进一步地，所述骨料由细骨料和粗骨料按1:0.5～1的重量比组成。自密实混 凝土需要较大的砂浆量，可选用中砂或偏粗中砂，砂细度模数为2.5～3.0。

[0018] 进一步地，本发明所述粗骨料可使用各种类型的粗骨料，优选使用粒径为 5～20mm的石灰岩机碎石，有助于改善混凝土的强度。

[0019] 本发明另一目的在于提供一种制备上述自密实混凝土的方法，包括以下步 骤：将硅酸盐水泥和活性掺合料混合均匀，加入骨料，搅拌混合均匀得到拌合料， 将萘系高效减水剂加入水中混合均匀后加入到上述拌合料中，搅拌均匀，得到自 密实混凝土。

[0020] 因此，本发明具有以下有益效果：

[0021] 1)本发明采用粘土岩矸石和钙质岩矸石与拜耳法赤泥在一定温度下煅烧， 实现同时活化粘土岩矸石及拜耳法赤泥的目的，加入活化产物提高了自密实混凝 土的强度、抗冻性能及改善了自密实混凝土的收缩性能，减少混凝土开裂的可能， 无需加入引气剂和膨胀剂即能获得较好的抗冻性能和收缩性能。

[0022] (2)本发明利用煤矸石破碎过程中产生的边角料和提炼氧化铝后排出的工 业固体废物作为自密实混凝土的掺合料，解决了两者引起的环境污染及资源浪费 问题。

具体实施方式

[0023] 以下结合说明书和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明 做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领 域常规试剂、方法和设备。

[0024] 除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

[0025] 实施例一、活性掺合料的制备

[0026] 将拜耳法赤泥、粘土岩矸石和钙质岩矸石按照5:2:1的重量比混合，缓慢升 温至650℃，煅烧2h，煅烧产物于室温下自然冷却，经球磨机干磨后，得到活化 产物。

[0027] 实施例二、活性掺合料的制备

[0028] 将拜耳法赤泥、粘土岩矸石和钙质岩矸石按照5:3:1.5的重量比混合，缓慢 升温至650℃，煅烧2h，煅烧产物于室温下自然冷却，经球磨机干磨后，得到活 化产物。

[0029] 实施例三、活性掺合料的制备

[0030] 将拜耳法赤泥、粘土岩矸石和钙质岩矸石按照5:1:0.5的重量比混合，缓慢 升温至650℃，煅烧2h，煅烧产物于室温下自然冷却，经球磨机干磨后，得到活 化产物。

[0031] 实施例四、自密实混凝土(重量份数)

[0032]原料 实施例四 实施例五 实施例六
硅酸盐水泥 202 225 324
活性掺合料 127 125 130
河砂 1033 1000 1000
石灰岩机碎石 520 600 500
萘系高效减水剂 10 12 15
水 175 168 180

[0033] 注：实施例四～六活性掺合料分别对应使用实施例一～三制备的活性掺合料。

[0034] 制备方法：

[0035] 将硅酸盐水泥和活性掺合料混合均匀，加入河砂和石灰岩机碎石，搅拌混合 均匀得到拌合料，将萘系高效减水剂加入水中混合均匀后加入到上述拌合料中， 搅拌均匀，得到自密实混凝土。

[0036] 按照下表1煅烧参数，按照实施例一所述方法制备得到1～5#活性掺合料， 采用上述活性掺合料替代实施例一活性掺合料分别制备得到对比例一～五自密实 混凝土。

[0037] 表1煅烧参数

[0038]

[0039]

[0040] 注：其余参数，如煅烧温度及煅烧时间如实施例一。

[0041] 试验例一、性能评价

[0042] 1.1自密实混凝土工作性能

[0043] 按照下表2自密实混凝土工作性能测试标准和方法测试实施例四～六自密实 混凝土的工作性能，测试结果如下表3所示。

[0044] 表2自密实混凝土工作性能测试标准和方法

[0045] 测试项目 方法 单位 测量值的典型范围① 坍落度 mm 240～270
② 扩展度 mm 650±50
③ T50cm坍落流动度 秒 5～15
④ V型漏斗流过时间 秒 9～20
⑤ L型箱 (h2/h1) 0.8～1.0
⑥ U型箱试验填充高度 (h2-h1)mm ＞320
⑦ 填充箱 ％ ＞80

[0046] 表3自密实混凝土工作性能测试结果

[0047]

[0048] 注：上述项目①～⑦对应表2表格中①～⑦表示的测试项目和测试方法。

[0049] 由上表3可知，实施例四～六制备的自密实混凝土流动性和填充性好， 间隙通过性强，具有优良的工作性能。

[0050] 1.2自密实混凝土力学性能和收缩性能

[0051] 按照《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T50081-2002)对实施例四～六 及对比例一～五混凝土试件的力学性能进行测试，试件成型后放在标准养护室内 进行养护；将成型的实施例四～六及对比例一～五混凝土试件标准养护28d，然后 移入收缩室进行试验，力学性能及收缩性能测量结果如下表4～5所示。

[0052] 表4力学性能测量结果(抗压强度单位为MPa，弹性模量单位为GPa)

[0053] 试件 3天抗压强度 7天抗压强度 28天抗压强度 28天弹性模量 实施例四 52.6 63.1 89.5 35.6实施例五 48.4 61.5 88.2 34.2
实施例六 48.5 59.2 85.3 31.9
对比例一 38.2 51.0 64.9 29.6
对比例二 30.5 41.6 58.3 24.7
对比例三 43.2 56.4 75.4 31.8
对比例四 28.9 36.4 54.5 28.2
对比例五 34.4 44.5 61.8 26.6

[0054] 由表4可知，实施例四～六自密实混凝土试件具有优良的力学性能，优于其 余各组；其余对比例中，对比例三和对比例一同样含有拜耳法赤泥和粘土岩矸石， 发生了相互活化的作用，因此自密实混凝土试件的抗压强度和弹性模量与实施例 四相比有小幅度下降，但是无显著的差异；其余对比例中，由于并未发生拜耳法 赤泥与和粘土岩矸石的相互活化作用，因此对提高试件的力学性能无明显作用。

[0055] 表5自密实混凝土收缩徐变性能测量结果

[0056] 试件 徐变加载90d的收缩值(×10-6)实施例四 135
实施例五 140
实施例六 142
对比例一 184
对比例二 261
对比例三 176
对比例四 243
对比例五 285

[0057] 从上表5可看出，相比实施例四～五，对比例二、四和五试件表现出较大的 收缩量，其中对比例五不含有拜耳法赤泥，表现出最大的干收缩量；对比例二和 四由于钙质岩矸石的主要成分为方解石、白云石、铁白云石、磷铁矿、硫铁矿、 有机硫等；铝质矸石主要成分为三水铝矿、一水铝矿、一水硬铝矿、石英、褐铁 矿、白云母、方解石等，两者均含有较少量的高岭石，无法充分起到活化拜耳法 赤泥的作用，从而对自密实混凝土的收缩无明显的作用。

[0058] 1.3自密实混凝土凝结时间

[0059] 表6自密实混凝土凝结时间测试结果

[0060]试件 初凝时间/min 终凝时间/min
实施例四 182 258
实施例五 175 260
实施例六 177 253
对比例一 162 374
对比例二 146 227
对比例三 159 351
对比例四 153 246
对比例五 138 218

[0061] 从上表6可看出，活化的拜耳法赤泥是引起自密实混凝土终凝时间过长的主 要原因，对比例一和对比例三由于拜耳法赤泥被粘土型矸石活化，因此试件的终 凝时间较长；而对比例二、四及对比例五没有上述相互活化作用，因此你并未表 现出过长的终凝时间。
结果表明，在粘土岩矸石的基础上，如果煅烧中加入钙质 岩矸石有利于抑制活化拜耳法赤泥引起的自密实混凝土终凝时间延长的问题。

[0062] 1.4抗冻性能

[0063] 按照《SL 352-2006水工混凝土试验规程》中的方法采用快冻法对上述试件 进行冻融循环试验，以质量损失率作为评价指标，冻融循环150次、200次，记 录各试件的质量损失率，结果如下表7所示。

[0064] 表7抗冻性能测试结果

[0065]

[0066]

[0067] 注：对照组与实施例四相比，煅烧过程中不加入粘土岩矸石和钙质岩矸石。

[0068] 由表7可知，本发明实施例四～六自密实混凝土具有优良的抗冻性能，经冻 融循环200次后，质量损失率不超过3％。而从对比例一～五结果看了解到，相比 其他类型的矸石，加入经赤泥活化后的粘土岩矸石具有更好的提高自密实混凝土 抗冻性能的效果。其中，对比例四抗冻性能最差，可能是因为，对比例四不含粘 土岩矿石，且铝质岩矿石和钙质矿石对拜耳法赤泥无明显的活化作用。

[0069] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施 例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替 代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。