一种生态型超高性能混凝土及其应用
阅读：678发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种生态型超高性能混凝土及其应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种生态型超高性能 混凝土 及其应用，所述生态型超高性能混凝土包括 水 泥、 硅 灰、 粉 煤 灰 、铅锌 尾矿 、砂、水、 减水剂 和 钢 纤维 ，所述铅锌尾矿占所述生态型超高性能混凝土的 质量 比例小于40%。本发明的生态型超高性能混凝土有利于解决铅锌尾矿的堆积问题，并且降低了材料成本与能耗，将其用于简支 桥梁 中，在生命周期中的总成本远低于普通混凝土桥梁，其环境成本也要明显低于超高性能混凝土桥梁和普通混凝土桥梁，符合可持续发展战略，在未来的桥梁建设中具有良好的应用前景。，下面是一种生态型超高性能混凝土及其应用专利的具体信息内容。
1.一种生态型超高性能混凝土，其特征在于：包括水泥、硅灰、粉煤灰、铅锌尾矿、砂、水、减水剂和钢纤维，所述铅锌尾矿占所述生态型超高性能混凝土的质量比例小于40%。
2.根据权利要求1所述的生态型超高性能混凝土，其特征在于：所述铅锌尾矿占所述生态型超高性能混凝土的质量比例为10 30%。
~
3.根据权利要求1所述的生态型超高性能混凝土，其特征在于：所述铅锌尾矿的成分包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的生态型超高性能混凝土，其特征在于：所述铅锌尾矿的粒径为
1 30µm。
~
5.根据权利要求1所述的生态型超高性能混凝土，其特征在于：所述铅锌尾矿中50%的颗粒粒径小于10µm，10%的颗粒粒径小于1µm。
6.根据权利要求1所述的生态型超高性能混凝土，其特征在于：所述生态型超高性能混凝土呈蜂窝状紧密堆积。
7.根据权利要求1所述的生态型超高性能混凝土，其特征在于：所述砂为粒径为0~
0.6mm的河砂与粒径为0.6 1.25mm的河砂的混合物。
~
8.一种简支桥梁，包括如权利要求1 7任一项所述的生态型超高性能混凝土。
~
一种生态型超高性能混凝土及其应用
技术领域
[0001] 本发明涉及建筑领域，尤其涉及一种生态型超高性能混凝土及其应用。
背景技术
[0002] 二十世纪中下旬以来，我国公路桥梁建设高速发展，极大地推动了社会经济发展。工程建设中运用最广泛最重要的材料是混凝土，但传统混凝土存在脆性大、自重大、抗拉性能差等问题，已逐渐不能满足一些工程的技术需要。超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，简称UHPC）是抗压强度超过150MPa、具有超高强度、韧性、耐久性的纤维增强水泥基复合材料的统称。由于其优异的力学性能与耐久性能，UHPC自研发成功起，便在高层建筑、大跨度桥梁、水利工程和国防工程等领域进行应用，但UHPC过高的成本与建筑能耗制约了其在工程中的应用。生态型超高性能混凝土（Ecological Ultra-high Performance Concrete，简称EUHPC）可有效降低材料成本和建筑能耗，但国内还没有关于EUHPC在桥梁工程中应用的典型案例。
[0003] 使用废弃材料部分取代水泥或者硅灰等原材料来降低UHPC成本和能耗，是目前制备EUHPC的有效途径。近年来随着我国采矿业的迅猛发展，铅锌矿尾矿年均排放量1000万吨以上，但铅锌尾矿利用率仅7%左右，这使得铅锌尾矿的堆存量越来越大。据美国地质调查局统计，2002-2015年间我国铅锌尾矿排放量已达5亿吨，而且目前依旧呈现上升趋势，排放形势严峻。铅锌尾矿的综合利用，已成为废物资源化利用和环境保护的重要课题。
[0004] 由此看来，研制一种生态型超高性能混凝土，并尝试将其应用于桥梁中是必要的也是具有突破性的。
[0005]
发明内容
[0006] 针对目前桥梁建设中混凝土需求大、普通混凝土难以满足性能要求、超高性能混凝土成本过高的现状，本发明提供了一种生态型超高性能混凝土，以实现对废物资源化利用，降低了超高性能混凝土的成本与能耗，并且将其用于简支梁桥中，符合可持续发展战略，具有良好的应用前景。
[0008] 进一步地，铅锌尾矿占所述生态型超高性能混凝土的质量比例为10 30%。~
[0009] 进一步地，铅锌尾矿的成分包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3中的一种或多种。
[0010] 进一步地，铅锌尾矿的粒径为1 30µm。~
[0011] 进一步地，铅锌尾矿中50%的颗粒粒径小于10µm，10%的颗粒粒径小于1µm。
[0012] 进一步地，生态型超高性能混凝土呈蜂窝状紧密堆积。
[0013] 进一步地，砂为粒径为0 0.6mm的河砂与粒径为0.6 1.25mm的河砂的混合物。~ ~
[0014] 本发明还提供了一种简支桥梁，包括上述的生态型超高性能混凝土。
[0015] 本发明的有益效果：本发明利用铅锌尾矿取代水泥，制备了一种生态型超高性能混凝土，降低了材料成本与能耗，有利于解决铅锌尾矿的堆积问题。
[0016] 且将该生态型超高性能混凝土应用于简支梁桥中，其在生命周期状态的总成本要远小于普通混凝土桥梁，同时其环境成本也要明显低于超高性能混凝土桥梁和普通混凝土桥梁，符合可持续发展战略，具有良好的应用前景。
[0018] 图1是本发明的生态型超高性能混凝土结构示意图。
具体实施方式
[0019] 以下将结合附图式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
[0020] 本发明提供了一种生态型超高性能混凝土，包括水泥、硅灰、粉煤灰、铅锌尾矿、砂、水、减水剂和钢纤维，所述铅锌尾矿占所述生态型超高性能混凝土的质量比例小于40%。采用上述比例的铅锌尾矿能提高混凝土的强度，并且降低材料成本及能耗。
[0021] 在本发明实施例中，水泥采用华润水泥投资有限公司生产的PⅡ52.5，灰色粉末，表观密度为3144kg/m3；粉煤灰采用广州宏运粉煤灰有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰，灰色粉末，表观密度为2600kg/m3；铅锌尾矿采用某矿厂的铅锌尾矿，为湿润黑色块状固体，铅锌尾矿的化学成分见表1。粒径主要分布在 1至30微米之间，50%的颗粒粒径小于 10微米，10% 左右的颗粒粒径小于 1微米，粒径分布与水泥相似。
[0022] 表1 铅锌尾矿主要化学成分 /wt%成分 SiO2 Al203 Fe2O3 Cao MgO Na2O PbO ZnO As2O3 Ti
铅锌尾矿 23.22 7.97 16.42 19.28 1.5 - 0.84 0.48 0.1 0.28
成分 SO3 P2O5 K2O MnO SO3 SrO ZrO2 BaO L.O.L
铅锌尾矿 3.35 0.06 1.47 0.2 25.95 0.09 0.01 0.03 2.24
本发明的生态型超高性能混凝土，如图1所示，呈蜂窝状紧密堆积，其超高性能也是基于其紧密堆积体系而来的。本发明采用修正的Andreasen和Andersen模型（简称MAAM）进行EUHPC的基体配合比设计，MAAM考虑到了颗粒粒径对堆积的影响，利用颗粒的分布优势，使得最紧密堆积更加合理。
铅锌尾矿 23.22 7.97 16.42 19.28 1.5 - 0.84 0.48 0.1 0.28
成分 SO3 P2O5 K2O MnO SO3 SrO ZrO2 BaO L.O.L
铅锌尾矿 3.35 0.06 1.47 0.2 25.95 0.09 0.01 0.03 2.24
本发明的生态型超高性能混凝土，如图1所示，呈蜂窝状紧密堆积，其超高性能也是基于其紧密堆积体系而来的。本发明采用修正的Andreasen和Andersen模型（简称MAAM）进行EUHPC的基体配合比设计，MAAM考虑到了颗粒粒径对堆积的影响，利用颗粒的分布优势，使得最紧密堆积更加合理。
[0023] 如表2所示，列出了本发明实施例1 4和对比例1 2混凝土的材料配比，其中，实施~ ~例1 4中铅锌尾矿含水率为20%，砂1指粒径为0-0.6mm的河砂，砂2指粒径为0.6-1.25mm的河~
砂。
砂。
[0024] 表2铅锌尾矿基超高性能混凝土材料配合比设计 kg/m3编号 水泥 硅灰 粉煤灰 铅锌尾矿 砂1 砂2 水 减水剂 钢纤维
对比例1 450 0 50 0 0 0 200 15 0
对比例2 750 144 200 0 0 0 200 33 156
实施例1 725 144 200 100 770 220 200 33 156
实施例2 625 144 200 200 770 220 200 33 156
实施例3 525 144 200 300 770 220 200 33 156
实施例4 425 144 200 400 770 220 200 33 156
本发明的实施例中提供了一种简支桥梁，包括上述的生态型超高性能混凝土。将上述实施例1 4和对比例1的混凝土用于简支桥梁，进行材料强度分析，结果如表3所示：
~
表3混凝土的抗压强度
编号 对比例1 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
1d/MPa 83 73 57.4 42.5 30.8
7d/MPa 151.8 138.4 129.7 108.7 87.3
28d/MPa 180 168.3 162.3 152.3 141.6
由上表可知，当养护时间达到28d时，UHPC的强度随着铅锌尾矿的增加而递减，掺量为
10%、20%、30%、40%时强度分别下降了6.5%、9.8%、15.4%、21.3%。可见当铅锌尾矿取代水泥的比率小于30%时强度较为理想，尤其是当铅锌尾矿掺量为40%时强度已不足150MPa。而导致UHPC抗压强度下降的主要原因是铅锌尾矿取代了UHPC中的水泥，使得水泥比例减少，即水灰比实质上是增大了，影响了水化反应，生成的C-S-H凝胶减少，导致UHPC强度下降。从强度发展的角度来看，铅锌尾矿的取代率小于30%较为合适。
对比例1 450 0 50 0 0 0 200 15 0
对比例2 750 144 200 0 0 0 200 33 156
实施例1 725 144 200 100 770 220 200 33 156
实施例2 625 144 200 200 770 220 200 33 156
实施例3 525 144 200 300 770 220 200 33 156
实施例4 425 144 200 400 770 220 200 33 156
本发明的实施例中提供了一种简支桥梁，包括上述的生态型超高性能混凝土。将上述实施例1 4和对比例1的混凝土用于简支桥梁，进行材料强度分析，结果如表3所示：
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表3混凝土的抗压强度
编号 对比例1 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
1d/MPa 83 73 57.4 42.5 30.8
7d/MPa 151.8 138.4 129.7 108.7 87.3
28d/MPa 180 168.3 162.3 152.3 141.6
由上表可知，当养护时间达到28d时，UHPC的强度随着铅锌尾矿的增加而递减，掺量为
10%、20%、30%、40%时强度分别下降了6.5%、9.8%、15.4%、21.3%。可见当铅锌尾矿取代水泥的比率小于30%时强度较为理想，尤其是当铅锌尾矿掺量为40%时强度已不足150MPa。而导致UHPC抗压强度下降的主要原因是铅锌尾矿取代了UHPC中的水泥，使得水泥比例减少，即水灰比实质上是增大了，影响了水化反应，生成的C-S-H凝胶减少，导致UHPC强度下降。从强度发展的角度来看，铅锌尾矿的取代率小于30%较为合适。
[0025] 在本发明的一实施方式中，对比分析了原桥与EUHPC桥梁主要材料用量，见表4。从表4可以看出，EUHPC桥梁的混凝土用量比NC桥梁少20.41%，预应力筋的用量比NC桥少33.22%，由此可以看出将生态型超高性能混凝土应用于桥梁中可以减少材料用量，使得结构更加轻薄。在该配合比下，EUHPC回收了564.8t铅锌尾矿，回收铅锌尾矿的量较大，有利于解决铅锌尾矿的堆积问题。
[0026] 表4 材料用量对比注：（1）此处单跨与全桥均为双幅；
（2）NC指普通混凝土，原设计中采用C50混凝土；
（3）EUHPC指生态型超高性能混凝土，即本文采用的铅锌尾矿基生态型超高性能混凝土。
（2）NC指普通混凝土，原设计中采用C50混凝土；
（3）EUHPC指生态型超高性能混凝土，即本文采用的铅锌尾矿基生态型超高性能混凝土。
[0027] 在本发明的另一实施方式中，对生态型超高性能混凝土应用于简支桥梁的生命周期技术（Life Cycle Analysis，简称LCA），进行了分析。所述生命周期技术是指对一个产品或产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在的环境影响的总量与评价（1）材料成本分析
桥梁上部结构的主要材料成本来源混凝土材料和预应力钢筋。本发明对不同混凝土材料的单方成本进行计算，如表5。UHPC优异的机械性能使得其只需更少的混凝土与钢筋即可满足结构的受力要求，桥梁整体材料用量有所降低，计算不同混凝土材料桥梁的材料成本，如表6。
桥梁上部结构的主要材料成本来源混凝土材料和预应力钢筋。本发明对不同混凝土材料的单方成本进行计算，如表5。UHPC优异的机械性能使得其只需更少的混凝土与钢筋即可满足结构的受力要求，桥梁整体材料用量有所降低，计算不同混凝土材料桥梁的材料成本，如表6。
[0028] 表5 不同类型混凝土每立方米成本注：铅锌尾矿为废弃物，因此不计其成本；材料单价参考目前市场价格，和实际施工时采用的价格存在一定的差异.
表6 不同混凝土材料桥梁材料成本计算
（2）环境成分析
桥梁工程建设对环境带来的直接影响是温室气体的排放，因此利用碳排放来评估桥梁建设所带来的环境影响是可行的。本发明利用生命周期技术对不同材料的简支梁桥的碳排放计算，以评估桥梁建设产生的环境影响与环境成本。
表6 不同混凝土材料桥梁材料成本计算
（2）环境成分析
桥梁工程建设对环境带来的直接影响是温室气体的排放，因此利用碳排放来评估桥梁建设所带来的环境影响是可行的。本发明利用生命周期技术对不同材料的简支梁桥的碳排放计算，以评估桥梁建设产生的环境影响与环境成本。
[0029] 根据碳排放理论模型以及中国化石能源生命周期清单，对普通混凝土桥梁、超高性能混凝土桥梁、生态型超高性能混凝土桥梁的碳排放进行生命周期计算，并将CO2数值转换成经济成本，以及对于需要多少棵绿植以吸收CO2，具体结果如表7所示。
[0030] 表7 混凝土碳排量成本转换类型 CL 环境成本/元 换算成绿植面积/m2 换成植树/棵 混凝土用量/m3 总成本/万元NC 285.2 62.74 66.48 16 3150 19.76
UHPC 354.59 78.01 82.66 20 2510.2 19.58
EUHPC 277.39 61.03 64.66 15 2510.2 15.32
注: CO2经济成本由社会支付意愿确定，为0.22元/kg;每平方米绿化面积年吸收CO2为
4.29kg，每棵树年吸收CO2为18.3kg.
（3）养护维修成本分析
桥梁上部结构养护维修分为两大部分：一是桥梁耐久性预防养护，结合本发明桥梁实例的地理位置，考虑抗碳化；二是考虑结构维护，进行结构加固维修。
UHPC 354.59 78.01 82.66 20 2510.2 19.58
EUHPC 277.39 61.03 64.66 15 2510.2 15.32
注: CO2经济成本由社会支付意愿确定，为0.22元/kg;每平方米绿化面积年吸收CO2为
4.29kg，每棵树年吸收CO2为18.3kg.
（3）养护维修成本分析
桥梁上部结构养护维修分为两大部分：一是桥梁耐久性预防养护，结合本发明桥梁实例的地理位置，考虑抗碳化；二是考虑结构维护，进行结构加固维修。
[0031] 一、桥梁养护成本计算对于桥梁养护主要是桥梁的耐久性保养，以100年为设计基准期（生命周期）为基准，考虑混凝土碳化后带来内部钢筋结构的锈蚀与退化，采用梁体表面涂抹防碳化涂料进行预防性养护。根据资料与工程案例，在混凝土涂刷防碳化涂料后，可在五年内防止混凝土碳化加深，因此在桥梁主梁每五年涂刷一次，同时在生命周期内进行相关监测。在本文研究中，考虑到超高性能混凝土超凡的耐久性能，基本不会出现混凝土碳化现象，因此超高性能混凝土桥梁不计算预防性耐久性养护成本，只进行监测管理。按照式1、式2计算桥梁养护维修费用。
[0032] 式1式2
式中：Cri指第i类措施的成本；Ci指第i类措施的单位成本；
mi指第i类措施的总量；Cm指监测管理成本；
Cr指考虑折现率的生命周期下养护措施的总成本；γ为折现率，取0.04；
tj指第j次维护距桥梁建成服役开始的时间。
式中：Cri指第i类措施的成本；Ci指第i类措施的单位成本；
mi指第i类措施的总量；Cm指监测管理成本；
Cr指考虑折现率的生命周期下养护措施的总成本；γ为折现率，取0.04；
tj指第j次维护距桥梁建成服役开始的时间。
[0033] 二、桥梁加固成本计算桥梁结构在反复的荷载作用以及一些自然灾害作用下，难免会出现结构的局部损坏现象甚至整体损坏，一旦出现结构破坏现象还需要进行维修与加固。结合文献与工程经验，本发明在二级安全等级下进行普通混凝土桥梁的概率加固预算，即生命周期内进行四次加固维修。具体按照式1与式2进行计算。根据上述过程进行计算，桥梁的养护维修成本结果如下表8所示。
[0034] 表8桥梁生命周期内养护维修成本 万元（4）生命周期内的总成本分析
本发明对普通混凝土桥梁，超高性能混凝土桥梁以及生态型超高性能混凝土桥梁进行了材料成本，环境成本，养护维修成本计算与分析，其各种分类成本与总成本结果如表9所示。总体来看，在生命周期条件下，NC桥成本最高，为8047.03万元，EUHPC桥成本最低为
1579.75万元，仅为NC桥的1/5左右；此外EUHPC桥的总成本也低于UHPC桥，主要原因是铅锌尾矿取代水泥带来的效果。由此可见，铅锌尾矿基生态型超高性能混凝土应用于桥梁中具有深远意义，在降低能耗的同时，还可以较大程度降低桥梁的生命周期成本。
本发明对普通混凝土桥梁，超高性能混凝土桥梁以及生态型超高性能混凝土桥梁进行了材料成本，环境成本，养护维修成本计算与分析，其各种分类成本与总成本结果如表9所示。总体来看，在生命周期条件下，NC桥成本最高，为8047.03万元，EUHPC桥成本最低为
1579.75万元，仅为NC桥的1/5左右；此外EUHPC桥的总成本也低于UHPC桥，主要原因是铅锌尾矿取代水泥带来的效果。由此可见，铅锌尾矿基生态型超高性能混凝土应用于桥梁中具有深远意义，在降低能耗的同时，还可以较大程度降低桥梁的生命周期成本。
[0035] 表9桥梁生命周期下成本概算 万元桥梁类型 NC桥 UHPC桥 EUHPC桥
材料成本 288.27 741.47 713.4
环境成本 19.76 19.58 15.32
养护维修成本 7739 851 851
合计 8047.03 1612.05 1579.75
本发明利用铅锌尾矿取代水泥，制备了一种生态型超高性能混凝土，降低了材料成本与能耗。将该生态型超高性能混凝土应用于简支梁桥中，其整体受力满足相关要求，且比原先普通混凝土桥，其混凝土用量减少了20.41%，预应力筋减少了33.22%，使得结构更加轻薄与美观。同时，全桥回收了564.8t铅锌尾矿，有利于解决铅锌尾矿的堆积问题。
材料成本 288.27 741.47 713.4
环境成本 19.76 19.58 15.32
养护维修成本 7739 851 851
合计 8047.03 1612.05 1579.75
本发明利用铅锌尾矿取代水泥，制备了一种生态型超高性能混凝土，降低了材料成本与能耗。将该生态型超高性能混凝土应用于简支梁桥中，其整体受力满足相关要求，且比原先普通混凝土桥，其混凝土用量减少了20.41%，预应力筋减少了33.22%，使得结构更加轻薄与美观。同时，全桥回收了564.8t铅锌尾矿，有利于解决铅锌尾矿的堆积问题。
[0036] 本发明的铅锌尾矿超高性能混凝土简支梁桥在生命周期状态的总成本要远小于普通混凝土桥梁，同时其环境成本也要明显低于超高性能混凝土桥梁和普通混凝土桥梁，但其材料成本较高，约为普通混凝土桥梁的3倍，符合可持续发展战略，具有良好的应用前景。
[0037] 应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0038] 上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
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