一种非水泥基快凝早强混凝土及其制备方法与应用

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一种非水泥基快凝早强混凝土及其制备方法与应用\n技术领域\n[0001] 本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种非水泥基快凝早强混凝土及其制备方法与应用。\n背景技术\n[0002] 早强混凝土在路面、桥梁、港口等工程的抢险修复中具有比较广泛的应用前景。有时高速公路、混凝土桥梁、机场跑道及抢险救急道路等需要快速抢修，以便尽快开放交通；\n临海建筑物的受损修复受到海洋潮汐的影响，要求混凝土在短时间内达到足够高的强度以抵抗海水冲刷。显然对于这些需要快速修复的情况，采用普通混凝土是难以满足要求的，必须采用早强混凝土。\n[0003] 目前，关于早强混凝土的研究与应用主要集中于水泥基早强混凝土。然而，在水泥生产过程中，需要消耗大量石灰石，能耗较高，而且会产生大量的二氧化碳气体和粉尘颗粒，二氧化碳被认为是导致全球变暖的主要因素，粉尘颗粒对人类的生存环境造成严重污染。随着人类生存环境的日益恶化和人们对生活质量要求的提高，寻求节能环保的水泥替代品，研制非水泥基混凝土是工程界和科学界一直关注的问题。地聚物的出现为解决这一问题提供了一条新的途径。相对于水泥，地聚物的生产能耗小，二氧化碳排放量低，而力学性能和耐久性可与水泥相媲美。采用地聚物替代水泥制备的非水泥基混凝土既可用于战时抢修工程，又可用于和平时期的工程修复和施工，还可以达到绿色环保的要求。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的在于提供一种力学性能优良的节能环保型快凝早强混凝土，即地聚物混凝土，以替代早强水泥混凝土用于混凝土结构抢险修复。\n[0005] 本发明的技术方案如下：\n[0006] 一种快凝早强的非水泥基混凝土的制备方法，包括以下步骤：将偏高岭土和粉煤灰固体粉末混合，然后加入冷却的钾水玻璃溶液，在搅拌机中搅拌均匀后，再加入砂和石子，再次搅拌均匀，制得快凝早强的非水泥基混凝土，即地聚物混凝土；\n[0007] 其中，偏高岭土和粉煤灰固体粉末、钾水玻璃溶液、砂和石子按质量份计，其加入量如下：\n[0008]\n[0009] 上述方法中，所述偏高岭土和粉煤灰固体粉末中，偏高岭土的质量占固体粉末总质量的40％～100％，粉煤灰的质量占0％～60％。优选地，所述偏高岭土和粉煤灰固体粉末中，偏高岭土的质量占固体粉末总质量的50％～90％，粉煤灰的质量占10％～50％。\n[0010] 上述方法中，若施工时气温在20℃以上，粉煤灰含量取相对较高值，取20～60％；\n若施工时气温在5℃～20℃之间，粉煤灰含量取相对较低值，取0～20％。\n[0011] 上述方法中，所述钾水玻璃溶液的模数为1.0～1.4，质量浓度为35％～40％，钾水玻璃溶液的模数和浓度通过在工业钾水玻璃溶液(硅酸钾)中加入氢氧化钾固体和水来调节，调节后溶液要放置2～24h，使其冷却。\n[0012] 上述方法中，若施工时气温在20℃以上，钾水玻璃溶液应冷却至室温后使用；当气温在20℃以下时，钾水玻璃溶液的放置时间要缩短，冷却至30℃～60℃后使用。\n[0013] 上述方法中，所述粉煤灰为低钙粉煤灰；所述砂为天然河砂，细度模数1.6～3.0；\n所述石子为碎石或卵石，粒径为5～40mm；\n[0014] 上述方法中，加入骨料前的搅拌时间为2-5分钟；加入骨料后的搅拌时间为3-10分钟；所述骨料包括砂和石子。\n[0015] 上述方法中，当施工气温在20℃以上时，所述地聚物混凝土在浇筑完1h～3h内，需覆盖薄膜、麻袋或草垫进行湿水养护，保证混凝土在快速凝结硬化过程中不因失水而出现裂缝；当气温在20℃以下时，宜采用蓄热养护或加热养护，以加速地聚物混凝土的聚合反应。\n[0016] 一种地聚物混凝土应用于施工气温在5℃以上时抢险修复混凝土路面或需快速投入使用的结构。\n[0017] 本发明所得的地聚物混凝土工作性能良好(实施例1中的地聚物混凝土坍落度为\n173mm，满足施工和易性要求)，初凝时间可控制在1～3h之内，终凝时间可控制在3～6h之内；4h和1d抗压强度可分别达到15～25MPa、40～55MPa，可应用于抢险修复路面、机场、桥梁等混凝土结构。\n[0018] 本发明的原理是：偏高岭土和粉煤灰等硅铝盐材料在碱溶液(钾水玻璃)作用下发生溶解，进而水化缩聚形成由硅氧四面体和铝氧四面体组成的，具有空间三维网络状键接结构的凝胶体，即地聚物浆体；地聚物浆体将骨料包裹和胶结起来，然后快速硬化形成了一个可共同工作的整体，即地聚物混凝土。\n[0019] 采用偏高领土和粉煤灰的混合物作为原材料来配制地聚物胶凝材料，是同时利用了偏高领土和粉煤灰的优点。偏高岭土在常温条件下易被碱溶液所激发，能在短时间内凝结硬化达到较高强度；而粉煤灰在常温下虽然不易激发，凝结硬化速度较慢，但粉煤灰是球形颗粒，比表面积小，它的加入可以减少碱溶液用量，并改善地聚物的致密性。因此，由这两种材料混合制备的地聚物胶凝材料不仅具有较好的工作性能和力学性能，而且能够快速凝结硬化达到尽早拆模并投入使用的目的。但是，如果施工时气温低于20℃，应降低粉煤灰的含量，并采取蓄热或加热养护的措施，以加快地聚物的聚合反应。\n[0020] 与现有技术相比，本发明具有如下优势：\n[0021] 采用本发明方法制备出的地聚物混凝土，无需添加早强剂，在湿水养护条件下，常温收缩小，不容易开裂，可以在短时间内获得较高强度，达到尽早拆模并投入使用的目的；\n不同于普通混凝土，地聚物混凝土表面平整光滑、色泽均匀、环保而无污染，具有类似清水混凝土的特性；此外，地聚物混凝土中的碱溶液还能与旧混凝土基体中的氢氧化钙发生反应，生成具有一定强度的水化硅酸钙，这将使地聚物混凝土能很好地与旧混凝土粘结在一起。因此，本发明特别适合用作混凝土结构的抢险修复材料。此外，由于地聚物混凝土具有良好的耐腐蚀性能和相对致密的结构，其应用还可拓展到化工行业及核工业废料处理设施的建造与修复中。\n[0022] 由于采用地聚物取代传统水泥作为无机胶凝材料，本发明还具有良好的环境效益，其生产能耗低，二氧化碳释放和粉尘排放量小，且能充分利用工业废弃物。\n附图说明\n[0023] 图1是常温下地聚物混凝土抗压强度随龄期的变化趋势图。\n[0024] 图2是常温下地聚物混凝土劈拉强度随龄期的变化趋势图。\n具体实施方式\n[0025] 下面结合实施例1～7和附图对本发明做进一步的详述，但本发明的实施方式不限于此。\n[0026] 实施例1～7是在气温为10～25℃的环境下进行的。\n[0027] 实施例1\n[0028] (1)按1：0.28：0.29的质量比例，分别称取工业钾水玻璃溶液(模数为2.4、质量浓度为40％)、片状氢氧化钾(纯度为95％)和自来水若干，将片状氢氧化钾和水加入到钾水玻璃溶液中，调制出模数为1.0、质量浓度仍为40％的钾水玻璃溶液，然后静置24h，冷却至室温。\n[0029] (2)按表1中实施例1的配方比例，分别称取山西偏高岭土成品、低钙粉煤灰，放入容器中将它们混合在一起，并轻轻搅拌均匀。\n[0030] (3)按表1中实施例1的配方比例，称取步骤(1)已调整好模数并冷却的钾水玻璃溶液。\n[0031] (4)将步骤(3)的钾水玻璃溶液倒入到步骤(2)的混合物中，接着在搅拌机上搅拌2分钟，形成地聚物浆体。\n[0032] (5)按表1中实施例1的配方比例，在步骤(4)所形成的地聚物浆体中加入天然河砂和石子，然后在搅拌机上搅拌10分钟，制得地聚物混凝土。\n[0033] (6)将步骤(5)制备的地聚物混凝土浇筑到边长为150mm的立方体塑料模具中成型、振实，然后覆盖麻袋，常温下(25℃)浇水养护4h、8h、12h、1d、3d、7d、14d和28d，每种龄期的试块数量为6个。\n[0034] (7)按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)的规定，采用万能材料试验机对步骤(6)制备的试块进行常温下的劈拉和抗压强度测试，不同龄期的试块平均测试结果如表2所示，其强度随龄期的变化趋势如图1(抗压强度)和图2(劈拉强度)所示。\n[0035] 表1实施例1的地聚物混凝土配合比\n[0036]\n试件号 偏高岭土(g) 粉煤灰(g) 钾水玻璃(g) 砂(g) 石子(g)\n实施例1 170 170 313 489 1141\n[0037] 表2实施例1的地聚物混凝土在不同龄期的抗压和劈拉强度\n[0038]\n试件组号 抗压强度(MPa) 劈拉强度(MPa) 养护时间\n1 18.5 1.37 4h\n2 30.9 2.12 8h\n3 36.3 2.32 12h\n4 48.5 2.87 1d\n5 54.2 3.30 3d\n6 57.6 3.49 7d\n7 58.9 3.49 14d\n8 59.7 3.47 28d\n[0039] 从图1和图2可以看出，地聚物混凝土抗压和劈拉强度随龄期的变化趋势基本相同。地聚物混凝土在常温养护4h之后，抗压和劈拉强度就分别达到了18.5MPa和1.37MPa；在养护的前3d，地聚物混凝土的水化反应剧烈，抗压和劈拉强度增长快速；随着龄期的增长，地聚物混凝土的水化反应趋于完全，强度增长放缓，强度随时间的变化曲线趋于水平，7d龄期强度与28d龄期强度相差不到5％。\n[0040] 实施例2\n[0041] (1)按1：0.28：0.29的质量比例，分别称取工业钾水玻璃溶液(模数为2.4、质量浓度为40％)、片状氢氧化钾(纯度为95％)和自来水若干，将片状氢氧化钾和水加入到钾水玻璃溶液中，调出模数为1.0、质量浓度仍为40％的钾水玻璃溶液，然后静置24h，冷却至室温。\n[0042] (2)按表3中实施例2的配方比例，分别称取山西偏高岭土成品、低钙粉煤灰，放入容器中将它们混合在一起，并轻轻搅拌均匀。\n[0043] (3)按表3中实施例2的配方比例，称取步骤(1)已调整好模数并冷却的钾水玻璃溶液。\n[0044] (4)将步骤(3)的钾水玻璃溶液倒入到步骤(2)的混合物中，接着在搅拌机上搅拌3分钟，形成地聚物浆体。\n[0045] (5)按表3中实施例2的配方比例，在步骤(4)所形成的地聚物浆体中加入天然河砂和石子，然后在搅拌机上搅拌8分钟，制得地聚物混凝土。\n[0046] (6)将步骤(5)制备的地聚物混凝土浇筑到边长为150mm的立方体塑料模具中成型、振实，然后覆盖麻袋，常温下(25℃)浇水养护4h、8h、12h、1d、3d、7d、14d和28d，每种龄期的试块数量为6个。\n[0047] (7)按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)的规定，采用万能材料试验机对步骤(6)制备的试块进行常温下的劈拉和抗压强度测试，不同龄期的试块平均测试结果如表4所示。\n[0048] 表3实施例2的地聚物混凝土配合比\n[0049]\n试件号 偏高岭土(g) 粉煤灰(g) 钾水玻璃(g) 砂(g) 石子(g)\n实施例2 170 170 313 419 978\n[0050] 表4实施例2的地聚物混凝土在不同龄期的劈拉和抗压强度\n[0051]\n试件组号 抗压强度(MPa) 劈拉强度(MPa) 养护时间\n1 18.0 1.28 4h\n2 28.9 2.14 8h\n3 34.2 2.28 12h\n4 45.8 2.85 1d\n5 51.5 3.22 3d\n6 55 3.43 7d\n7 56.2 3.45 14d\n8 56.8 3.42 28d\n[0052] 实施例3\n[0053] (1)按1：0.28：0.29的质量比例，分别称取工业钾水玻璃溶液(模数为2.4、质量浓度为40％)、片状氢氧化钾(纯度为95％)和自来水若干，将片状氢氧化钾和水加入到钾水玻璃溶液中，调出模数为1.0、质量浓度仍为40％的钾水玻璃溶液，然后静置24h，冷却至室温。\n[0054] (2)按表5中实施例3的配方比例，称取山西偏高岭土成品。\n[0055] (3)按表5中实施例3的配方比例，称取步骤(1)已调整好模数并冷却的钾水玻璃溶液。\n[0056] (4)将步骤(3)的钾水玻璃溶液倒入到步骤(2)的粉末中，接着在搅拌机上搅拌3分钟，形成地聚物浆体。\n[0057] (5)按表5中实施例3的配方比例，在步骤(4)所形成的地聚物浆体中加入天然河砂和石子，然后在搅拌机上搅拌8分钟，制得地聚物混凝土。\n[0058] (6)将步骤(5)制备的地聚物混凝土浇筑到边长为150mm的立方体塑料模具中成型、振实，然后覆盖麻袋，常温下(20℃)浇水养护4h、8h、12h、1d、3d、7d、14d和28d，每种龄期的试块数量为3个。\n[0059] (7)按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)的规定，采用万能材料试验机对步骤(6)制备的试块进行常温下的抗压强度测试，测试结果如表6所示。\n[0060] 表5实施例3的地聚物混凝土配合比\n[0061]\n试件号 偏高岭土(g) 粉煤灰(g) 钾水玻璃(g) 砂(g) 石子(g)\n实施例3 249 0 313 391 913\n[0062] 表6实施例3的地聚物混凝土养护早期的抗压强度测试结果\n[0063]\n试件组号 抗压强度(MPa) 养护时间\n1 25.8 4h\n2 35.6 8h\n3 49.5 12h\n4 53.2 1d\n5 54 3d\n6 54.8 7d\n7 54.4 14d\n8 55.2 28d\n[0064] 实施例4\n[0065] (1)按1：0.28：0.29的质量比例，分别称取工业钾水玻璃溶液(模数为2.4、质量浓度为40％)、片状氢氧化钾(纯度为95％)和自来水若干，将片状氢氧化钾和水加入到钾水玻璃溶液中，调出模数为1.0、质量浓度仍为40％的钾水玻璃溶液，然后静置24h，冷却至室温。\n[0066] (2)按表7中实施例4的配方比例，分别称取山西偏高岭土成品、低钙粉煤灰，放入容器中将它们混合在一起，并轻轻搅拌均匀。\n[0067] (3)按表7中实施例4的配方比例，称取步骤(1)已调整好模数并冷却的钾水玻璃溶液。\n[0068] (4)将步骤(3)的钾水玻璃溶液倒入到步骤(2)的混合物中，接着在搅拌机上搅拌3分钟，形成地聚物浆体。\n[0069] (5)按表7中实施例4的配方比例，在步骤(4)所形成的地聚物浆体中加入天然河砂和石子，然后在搅拌机上搅拌8分钟，制得地聚物混凝土。\n[0070] (6)将步骤(5)制备的地聚物混凝土浇筑到边长为150mm的立方体塑料模具中成型、振实，然后覆盖麻袋，常温下(25℃)浇水养护4h、8h、12h、1d、3d、7d、14d和28d，每种龄期的试块数量为3个。\n[0071] (7)按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)的规定，采用万能材料试验机对步骤(6)制备的试块进行常温下抗压强度测试，测试结果如表8所示。\n[0072] 表7实施例4的地聚物混凝土配合比\n[0073]\n试件号 偏高岭土(g) 粉煤灰(g) 钾水玻璃(g) 砂(g) 石子(g)\n实施例4 183 183 313 515 1201\n[0074] 表8实施例4的地聚物混凝土在不同龄期的抗压强度\n[0075]\n试件号 抗压强度(MPa) 养护时间\n1 23.4 4h\n2 36.2 8h\n3 41.5 12h\n4 53.8 1d\n5 58.5 3d\n6 61.8 7d\n7 62.4 14d\n8 62.6 28d\n[0076] 实施例5\n[0077] (1)按1：0.28：0.29的质量比例，分别称取工业钾水玻璃溶液(模数为2.4、质量浓度为40％)、片状氢氧化钾(纯度为95％)和自来水若干，将片状氢氧化钾和水加入到钾水玻璃溶液中，调制出模数为1.0、质量浓度仍为40％的钾水玻璃溶液，然后静置6h后使用(冷却至40℃左右)。\n[0078] (2)按表9中实施例5的配方比例，分别称取山西偏高岭土成品、低钙粉煤灰，放入容器中将它们混合在一起，并轻轻搅拌均匀。\n[0079] (3)按表9中实施例5的配方比例，称取步骤(1)已调整好模数并冷却的钾水玻璃溶液。\n[0080] (4)将步骤(3)的钾水玻璃溶液倒入到步骤(2)的混合物中，接着在搅拌机上搅拌2分钟，形成地聚物浆体。\n[0081] (5)按表9中实施例5的配方比例，在步骤(4)所形成的地聚物浆体中加入天然河砂和石子，然后在搅拌机上搅拌5分钟，制得地聚物混凝土。\n[0082] (6)将步骤(5)制备的地聚物混凝土浇筑到边长为150mm的立方体塑料模具中成型、振实，在气温为15℃的条件下，蓄热养护(先采用塑料布对裸露表面覆盖，然后在其表面覆盖毛毡进行保温，最后在其表面盖上麻袋)4h、8h、12h、1d、3d、7d、14d和28d，每种龄期的试块数量为3个。\n[0083] (7)按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)的规定，采用万能材料试验机对步骤(6)制备的试块进行常温下的抗压强度测试，不同龄期的试块平均测试结果如表10所示。\n[0084] 表9实施例5的地聚物混凝土配合比\n[0085]\n试件号 偏高岭土(g) 粉煤灰(g) 钾水玻璃(g) 砂(g) 石子(g)\n实施例5 256 64 313 466 1087\n[0086] 表10实施例5的地聚物混凝土在不同龄期的抗压强度\n[0087]\n试件组号 抗压强度(MPa) 养护时间\n1 17.5 4h\n2 28.9 8h\n3 35.3 12h\n4 44.5 1d\n5 49.2 3d\n6 52.2 7d\n7 52.9 14d\n8 53.2 28d\n[0088] 实施例6\n[0089] (1)按1：0.28：0.29的质量比例，分别称取工业钾水玻璃溶液(模数为2.4、质量浓度为40％)、片状氢氧化钾(纯度为95％)和自来水若干，将片状氢氧化钾和水加入到钾水玻璃溶液中，调出模数为1.0、质量浓度仍为40％的钾水玻璃溶液，然后静置3h后使用(冷却至\n50℃左右)。\n[0090] (2)按表11中实施例6的配方比例，分别称取山西偏高岭土成品、低钙粉煤灰，放入容器中将它们混合在一起，并轻轻搅拌均匀。\n[0091] (3)按表11中实施例6的配方比例，称取步骤(1)已调整好模数并冷却的钾水玻璃溶液。\n[0092] (4)将步骤(3)的钾水玻璃溶液倒入到步骤(2)的混合物中，接着在搅拌机上搅拌2分钟，形成地聚物浆体。\n[0093] (5)按表11中实施例6的配方比例，在步骤(4)所形成的地聚物浆体中加入天然河砂和石子，然后在搅拌机上搅拌4分钟，制得地聚物混凝土。\n[0094] (6)将步骤(5)制备的地聚物混凝土浇筑到边长为150mm的立方体塑料模具中成型、振实，在气温为10℃的条件下，蓄热养护(采用塑料布对裸露表面覆盖，然后在其表面覆盖事先已预热至60℃左右的毛毡进行保温，最后在其表面盖上麻袋)4h、8h、12h、1d、3d、7d、\n14d和28d，每种龄期的试块数量为3个。\n[0095] (7)按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)的规定，采用万能材料试验机对步骤(6)制备的试块进行常温下抗压强度测试，测试结果如表12所示。\n[0096] 表11实施例6的地聚物混凝土配合比\n[0097]\n试件号 偏高岭土(g) 粉煤灰(g) 钾水玻璃(g) 砂(g) 石子(g)\n实施例6 283 71 313 478 1238\n[0098] 表12实施例6的地聚物混凝土在不同龄期的抗压强度\n[0099]\n试件号 抗压强度(MPa) 养护时间\n1 19.5 4h\n2 31.9 8h\n3 38.3 12h\n4 49.5 1d\n5 54.2 3d\n6 56.8 7d\n7 57.2 14d\n8 57.4 28d\n[0100] 实施例7\n[0101] (1)按1：0.28：0.29的质量比例，分别称取工业钾水玻璃溶液(模数为2.4、质量浓度为40％)、片状氢氧化钾(纯度为95％)和自来水若干，将片状氢氧化钾和水加入到钾水玻璃溶液中，调出模数为1.0、质量浓度仍为40％的钾水玻璃溶液，然后静置冷却至室温。\n[0102] (2)按照表1中的地聚物混凝土配合比，参照实施例1中的步骤(1)～(5)，配制地聚物混凝土。\n[0103] (3)用5mm标准筛筛出步骤(2)制备得到的地聚物混凝土中砂浆，然后将其拌合均匀；将砂浆浇筑到边长为150mm的立方体塑料模具中，常温下养护后进行试验。\n[0104] (4)按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080—2002)的规定，采用混凝土贯入度仪对步骤(3)制备的试块进行地聚物混凝土凝结时间测试，测试结果如表13所示。\n[0105] 表13地聚物混凝土凝结时间的测试结果\n[0106]\n试件组号 养护温度(℃) 初凝时间(min) 终凝时间(min)\n1 25 176 204\n[0107] 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。