一種基于活性砂巖骨料的堿活性抑制材料及其制備方法與流程

文檔序號：12704550閱讀：423來源：國知局

本發(fā)明涉及建筑、交通、能源、鐵路等混凝土工程領(lǐng)域，具體是一種基于活性砂巖骨料的堿活性抑制材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

混凝土堿-骨料反應(yīng)(Alkali-Aggregate Reaction)是指混凝土中的堿與具有堿活性的骨料發(fā)生化學反應(yīng)，引起混凝土的體積膨脹和開裂，降低混凝土耐久性，縮短混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命。

堿-骨料反應(yīng)是一個較緩慢的過程，有時需要幾年甚至幾十年時間才會出現(xiàn)裂紋，特別是對于一些慢性膨脹型的活性骨料，這一時間會更長。由于水利水電工程的設(shè)計使用壽命多達百年，且水工混凝土所處的潮濕環(huán)境為堿-骨料反應(yīng)提供了充分的時間和環(huán)境條件，因此，水工混凝土比普通混凝土具有更大的堿-骨料反應(yīng)風險。堿-骨料反應(yīng)一旦發(fā)生就難以阻止，且無法進行后期修補，被稱為混凝土的“癌癥”。因此，提前采取適當措施預防混凝土發(fā)生堿-骨料反應(yīng)破壞，確?；炷凉こ贪踩\行，是工程建設(shè)中的一項十分迫切的任務(wù)，對保障我國基礎(chǔ)設(shè)施安全起著重要的作用。

目前防止堿-骨料反應(yīng)發(fā)生的措施主要包括：使用非活性骨料、控制混凝土總堿量、控制濕度和采取抑制措施等。使用非活性骨料對防止堿-骨料反應(yīng)而言是最安全可靠的措施，但由于活性骨料特別是硅質(zhì)活性骨料分布廣泛，且骨料資源亦非“取之不盡”的可再生資源，隨著資源的不斷消耗和受工程造價等因素影響，骨料的可選擇余地受到制約，當不得不使用活性骨料時，采取各種堿活性抑制措施就成為保障混凝土工程結(jié)構(gòu)安全與長期耐久的必要技術(shù)途徑。

摻入抑制材料是工程界普遍采取的有效堿活性抑制措施之一。目前骨料堿活性抑制材料大都采取了礦物摻和料與外加劑復摻或多元外加劑復配的技術(shù)路線。公開號為CN102557509A的中國發(fā)明專利公開了一種板巖堿活性抑制外加劑的配制方法，由混合材料，硅粉，納米SiO₂，三乙醇胺，高效塑化劑和引氣劑等材料配制而成。公開號為CN1939865A的中國發(fā)明專利公開了一種抑制堿骨料反應(yīng)的混凝土外加劑及制備工藝，天然沸石粉經(jīng)過一系列物理化學處理得到的改型沸石，其中Si-O四面體與Al-O四面體對應(yīng)以SiO₂、Al₂O₃的分子式存在，SiO₂和Al₂O₃摩爾比為2∶1。公開號為CN102584085A的中國發(fā)明專利公開了一種抑制混凝土堿骨料反應(yīng)的專用外加劑，以活性細粉料為載體，采用了引氣(木質(zhì)素磺酸鹽)、抗水(硬脂酸鹽)、減水(木質(zhì)素)、早強(硝酸鹽)等多元復合技術(shù)。公開號為CN103073223A的中國發(fā)明專利公開了一種用于抑制變質(zhì)巖骨料堿活性的混凝土外加劑及其制備方法與應(yīng)用，該外加劑由礦物摻合料、鋰化合物、硅烷和引氣劑按一定比例配制而成。

礦物摻和料與外加劑復摻技術(shù)通常都是基于粉煤灰、礦渣粉、納米SiO₂、沸石粉、天然火山灰質(zhì)材料等礦物摻和料優(yōu)選改性得到，前提條件是要求優(yōu)質(zhì)礦物摻和料易獲取、供應(yīng)充足且品質(zhì)穩(wěn)定。鑒于水利水電工程建設(shè)正向江源地區(qū)推進，工程附近骨料巖性復雜、不同程度地含有部分堿活性成分，骨料的可選擇余地受到制約而優(yōu)質(zhì)礦物摻和料十分緊缺，從外地購置粉煤灰、礦渣粉等傳統(tǒng)抑制材料時，存在運距遠、經(jīng)濟成本高等問題。若能依據(jù)就地取材原則充分利用當?shù)鼗钚怨橇希ㄟ^各種物理化學作用制成骨料堿活性抑制材料，不僅可以實現(xiàn)廢棄骨料的資源化，還能保證水利水電工程的長期安全耐久，技術(shù)、經(jīng)濟、社會效益十分顯著。

多元外加劑復配技術(shù)應(yīng)用時具有不改變混凝土施工條件、操作簡單、摻量少等優(yōu)點，受到工程界的青睞；但多元復合技術(shù)抑制骨料堿活性的長期作用效果有待檢驗，且由于引入了多種有機材料可能產(chǎn)生與其他原材料適應(yīng)性不良的問題。

目前有關(guān)利用活性骨料制備堿活性抑制材料的相關(guān)研究尚未見諸報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于活性砂巖骨料的堿活性抑制材料及其制備方法，其可就地取材充分利用當?shù)鼗钚怨橇?，有效抑制抑制堿骨料反應(yīng)，堿活性抑制效果顯著，而且加工性能好、工藝簡單，還可改善混凝土工作性，環(huán)保無污染。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種基于活性砂巖骨料的堿活性抑制材料，由砂巖粉與中熱水泥、納米SiO₂按如下質(zhì)量百分比混合而成：砂巖粉10％～20％，納米SiO₂ 3％～5％，中熱水泥75％～87％，其中砂巖粉由具有潛在堿活性的砂巖骨料經(jīng)立磨機和球磨機二次粉磨制成，砂巖粉的比表面積為(645～950)m²/kg。

進一步的，所述砂巖骨料的28d砂漿棒膨脹率為0.36％～0.46％，砂巖骨料由粉砂巖和基質(zhì)組成，其中粉砂巖礦物相以石英、長石和黑云母為主，其中石英所占質(zhì)量百分比為25％～35％、長石所占質(zhì)量百分比為5％～10％、黑云母所占質(zhì)量百分比為3％～5％，基質(zhì)由黑色有機質(zhì)、隱晶質(zhì)和絹云母小條組成，粉砂巖與基質(zhì)質(zhì)量比例為75：25；

所述砂巖粉經(jīng)立磨機與球磨機二次粉磨后，其比表面積達到(645～950)m²/kg；

所述中熱水泥為滿足GB200-2003的中熱硅酸鹽水泥，其堿含量低于0.6％；

所述納米SiO₂為滿足GB/T 21236-2007的SF85等級硅粉；

一種基于活性砂巖的骨料堿活性抑制材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將具有潛在堿活性的砂巖骨料經(jīng)立磨機粉磨加工，控制磨機投料量16t/h～22t/h、分離器轉(zhuǎn)速40Hz、磨輥壓力6.7MPa～7.1MPa、入磨溫度154℃～190℃、出磨溫度70℃～76℃，獲得45μm篩余不超過6％的砂巖細粉；

(2)按照步驟(1)制得的砂巖細粉投放至錐形球磨機進行二次粉磨，控制球料質(zhì)量比5：1、球磨轉(zhuǎn)速為200r/min～300r/min、粉磨時間50min～90min，制得比表面積為(645～950)m²/kg砂巖粉；

(3)將砂巖粉與中熱水泥、納米SiO₂按如下質(zhì)量比混合、拌勻后使用：中熱水泥75％～87％，砂巖粉10％～20％，納米SiO₂ 3％～5％。

進一步的，

所述步驟(1)中，砂巖骨料是經(jīng)DL/T 5151-2014中砂漿棒快速法檢驗，其28d砂漿棒膨脹率為0.36％～0.46％的活性骨料，砂巖骨料由粉砂巖和基質(zhì)組成，其中石英所占質(zhì)量百分比為25％～35％、長石所占質(zhì)量百分比為5％～10％、黑云母所占質(zhì)量百分比為3％～5％，基質(zhì)由黑色有機質(zhì)、隱晶質(zhì)和絹云母小條組成，粉砂巖與基質(zhì)質(zhì)量比例為75：25；

所述步驟(3)中的中熱水泥為滿足GB200-2003的中熱硅酸鹽水泥水泥，其堿含量低于0.6％；納米SiO₂為滿足GB/T 21236-2007的SF85等級硅粉。

本發(fā)明提供的基于活性砂巖骨料的堿活性抑制材料對堿骨料反應(yīng)的抑制作用機理為：砂巖粉中的礦物相黑云母和基質(zhì)中的部分黏土類礦物(見圖1)對液相中的陽離子有一定吸附作用，能起到堿和鈣的耗散；砂巖粉中還含有少量的微晶～隱晶石英和無定形石英與液相中的堿反應(yīng)，降低早期孔隙溶液中的堿濃度，緩和早期堿骨料反應(yīng)巖粉；砂巖粉與納米SiO₂復合使用時，能顯著降低孔隙溶液中堿的濃度并快速吸附大量的堿金屬離子，且微細砂巖粉和納米SiO₂顆粒均勻分散于膠凝體系形成大量活化點，消耗液相中的OH^-離子，將能量分散而不是集中在局部，從而可抑制堿骨料反應(yīng)。

本發(fā)明具備以下有益效果：

(1)堿活性抑制效果顯著

本發(fā)明提供的堿活性抑制材料對高活性骨料的膨脹抑制率可達75％～88％，結(jié)合砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法試驗結(jié)果(表1和表2)看，該抑制材料對骨料堿活性的抑制效果與單摻20％的I級粉煤灰的抑制效果基本相當，在合適的質(zhì)量比(75％中熱水泥、20％砂巖粉、5％納米SiO₂)時該抑制材料的抑制效果甚至更優(yōu)(見圖2)。

(2)加工性能好

本發(fā)明提供的堿活性抑制材料中的砂巖粉經(jīng)由立磨機與球磨機二次粉磨制得，經(jīng)對比試驗發(fā)現(xiàn)砂巖骨料的易磨性優(yōu)于花崗巖，砂巖骨料的磨機投料量相比花崗巖增加61.5％，經(jīng)過相同粉磨時間獲得的砂巖粉顆粒更細(如圖3所示)。

(3)施工工藝簡單

本發(fā)明提供的堿活性抑制材料摻入膠凝體系配制混凝土時，可以在砂石骨料加工系統(tǒng)增設(shè)一級粉磨工藝即可，且對正常施工無不利影響。

(4)原材料易得、經(jīng)濟性好

本發(fā)明提供的堿活性抑制材料依據(jù)的是就地取材原則，利用工程開挖的活性骨料直接加工生產(chǎn)，提高了低品味硅粉的利用率，而無需從外地購置粉煤灰、礦渣粉等傳統(tǒng)抑制材料，經(jīng)濟效益十分顯著。

(5)改善混凝土工作性

本發(fā)明提供的堿活性抑制材料含有大量細粉顆粒，砂巖粉中顆粒粒徑分布小于16μm的顆粒含量達50.6％～86.7％(如圖4所示)，納米SiO₂材料中粒徑小于5μm的顆粒含量達到79.3％(如圖5所示)。大量細顆?？捎行畛渌囝w粒之間的空隙，增加拌和物漿體含量，摻入膠凝體系可改善混凝土拌和物的黏聚性和保水性，增加拌和物密實度，提高引氣劑功效。

從圖6可以看出，摻入抑制材料可加速水泥熟料參與早期水化并增加其參與反應(yīng)的量，但仍可降低水泥膠凝體系的總水化熱，在抑制骨料堿活性的同時降低膠凝體系水化熱，減小混凝土溫度開裂風險。

(6)環(huán)保無污染

本發(fā)明提供的堿活性抑制材料充分利用工程開挖料，變廢為寶實現(xiàn)棄料資源二次利用，減少了堆積占地；堿活性抑制材料的制備過程包括二次粉磨，均為封閉系統(tǒng)，對環(huán)境無污染。

附圖說明：

圖1是活性砂巖骨料的巖礦鑒定圖譜；

圖2是本發(fā)明提供的抑制材料對高活性砂巖骨料的抑制效果曲線，該抑制效果試驗用砂巖骨料的28d砂漿棒快速法膨脹率為0.46％；

圖3是砂巖與花崗巖細粉經(jīng)SMQ錐形球磨機二次粉磨的易磨性對比，即對立磨機制得的砂巖細粉和花崗巖細粉投入球磨機二次粉磨，比較兩種細粉的比表面積隨粉磨時間增加的變化規(guī)律，比表面積增加的越快說明加工性越好；

圖4是砂巖粉和納米SiO₂顆粒形態(tài)，其中圖4(a)為球磨機二次粉磨50min獲得的砂巖粉(×3000倍)的掃描電鏡圖譜，圖4(b)為納米SiO₂(×5000倍)的掃描電鏡圖譜；

圖5是經(jīng)球磨機二次粉磨30min、50min、90min得到的砂巖粉以及納米SiO₂顆粒的激光粒度分析試驗結(jié)果，包括顆粒粒徑尺寸、級配及分布；

圖6是本發(fā)明提供的抑制材料的水化放熱特性曲線。

具體實施方式

下面將結(jié)合具體實施例對本發(fā)明中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。

實施例1