一种温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料及制备方法和应用专利检索-影响或改变砂浆混凝土或人造石组合物性质的一般工艺方法例如其凝结或硬化能力专利检索查询-专利查询网

一种温控抗裂型粉 煤灰基复合掺合料及制备方法和应用

专利类型	发明授权	法律事件	公开; 实质审查; 授权;
专利有效性	有效专利	当前状态	授权
申请号	CN202310593904.9	申请日	2023-05-25
公开(公告)号	CN116553945B	公开(公告)日	2024-07-09
申请人	山东高速集团有限公司创新研究院; 山东省交通科学研究院;	申请人类型	企业
发明人	姜瑞双; 辛公锋; 郭保林; 李利; 郭永智; 丁龙亭; 刘帅; 邵玉;	第一发明人	姜瑞双
权利人	山东高速集团有限公司创新研究院,山东省交通科学研究院	权利人类型	企业
当前权利人	山东高速集团有限公司创新研究院,山东省交通科学研究院	当前权利人类型	企业
省份	当前专利权人所在省份：山东省	城市	当前专利权人所在城市：山东省济南市
具体地址	当前专利权人所在详细地址：山东省济南市历下区龙奥北路8号山东高速大厦19楼	邮编	当前专利权人邮编：250098
主IPC国际分类	C04B40/00	所有IPC国际分类	C04B40/00 ; C04B18/08 ; C04B28/00 ; C04B111/20 ; C04B111/34
专利引用数量	2	专利被引用数量	0
专利权利要求数量	5	专利文献类型	B
专利代理机构	青岛智地领创专利代理有限公司	专利代理人	王晓凤;
摘要	本发明属于大掺量粉煤灰综合利用技术领域，具体涉及一种温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料及制备方法和应用。所述掺合料由200‑800目粉煤灰60～80份、800‑1250目粉煤灰10～15份、1250目‑2500目粉煤灰5～10份、功能材料A 2～6份及功能材料B 0.5～2份组成；其制备方法是，按比例称取各目数的粉煤灰基掺合料、功能材料A和功能材料B，采用无机变速剪切搅拌机混合搅拌均匀，即可得到所述掺合料。所述掺合料应用于C30～C50的大体积混凝土中，其掺量为混凝土胶凝材料总质量的30％～50％，可提高混凝土密实度，减小其内外温差，降低温度裂缝发生的风险，为后期强度增长提供动力，改善其耐久性能。
权利要求	1.一种温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料，其特征在于，由以下质量份的各组分组成： 200‑800目粉煤灰60～80份，800‑1250目粉煤灰10～15份，1250目‑2500目粉煤灰5～10份，功能材料A 2～6份，功能材料B 0.5～2份；所述功能材料A由70～90％的纳米硅灰和10％～30％的改性碳纳米管组成；所述的功能材料A的制备方法如下：采用聚氧代乙烯壬基苯基醚作为分散剂，溶解于无水乙醇中，分散液浓度为0.5g/L，将称量好的碳纳米管加入到分散液中，采用探头式超声波处理器对碳纳米管分散液进行改性，超声波功率360W～500W，超声时间20min以上，得到改性碳纳米管溶液，将称量好的纳米硅灰掺加到改性碳纳米管‑无水乙醇分散液中，继续超声 30min以上，得到硅灰‑改性碳纳米管分散液，然后将分散液放入60～80℃烘箱中烘干，得到功能材料A；所述功能材料B由30～50％缓凝剂和50％～70％黏度调节剂组成。 2.根据权利要求1所述的一种温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料，其特征在于，纳米硅灰 2 为非加密硅灰，比表面积18～25m/g，二氧化硅含量≥95％；碳纳米管纯度95％以上，直径 2 20～50nm，长度5～20μm，比表面积90～120m/g，导热系数＞10W/mK。 3.根据权利要求1所述的一种温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料，其特征在于，所述的缓凝剂为葡萄糖酸钠；所述的黏度调节剂为纤维素醚。 4.一种权利要求1‑3任一项所述的温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按比例称取200‑800目、800‑1250目、1250‑2500目的粉煤灰、功能材料A和功能材料B，采用无机变速剪切搅拌机混合搅拌均匀，即可得到一种温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料；其中，无机变速剪切搅拌机最大转速2000～3000r/min，最大线速度15～20m/s，使用产生的高速剪切搅拌力，实现粉体颗粒的均匀混合，且最小程度地破坏原材料的原有结构。 5.一种温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料的应用，其特征在于，将权利要求1至3任意一项所述的温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料应用于C30～C50的大体积混凝土，其掺量为混凝土胶凝材料总质量的30％～50％。
说明书全文	一种温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料及制备方法和应用技术领域 [0001] 本发明属于大掺量粉煤灰综合利用技术领域，具体涉及一种温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料及制备方法和应用。背景技术 [0002] 燃煤发电是电力生产方式之一，对于燃煤所产生的大量粉煤灰的有效利用是一个世界性课题。我国每年发电及热电联产消耗大量煤炭，同时产生的粉煤灰非常多。大量的粉煤灰变成了工业垃圾，不仅污染了环境，而且占用了大量土地来堆放。通过国内外长期对粉煤灰利用的研究和实践，发现利用粉煤灰生产新型建材，具有轻质、高强、保温等特点，完全可取代粘土砖与页岩砖，且该技术成熟可行。通过该技术的应用，不仅使粉煤灰得以有效利用，减轻污染，减少土地占用，而且也减少粘土砖与页岩砖的生产，使每年因粘土砖生产而遭破坏的大量土地得以保护。 [0003] 混凝土是建筑领域最常用的材料。国标《大体积混凝土施工标准》(GB50496)中将“大体积混凝土”定义为：混凝土结构物实体最小尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。大体积混凝土结构物结构尺寸大，混凝土用量大，因水泥水化放热，内部温升高，外部降温快，内外温差较大时，将产生过大的拉应力，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，混凝土将出现温度裂缝。 [0004] 煤电厂的粉煤灰应用大体积混凝土中也有报道。大体积混凝土通常通过掺加矿渣粉、粉煤灰等矿物掺合料降低水化热，或通过掺加其他抗裂剂提高混凝土的抗裂性能。如专利号CN 107777956A公开了一种抗裂大体积混凝土，其通过粉煤灰和矿渣粉的双掺降低水化热，通过掺入纤维抗裂防水剂提高混凝土的抗裂性能。但采用矿渣粉对水化热的降低效果不显著，采用普通粉煤灰在降低水化热的同时，也显著降低了混凝土的早期强度，同时聚丙烯纤维作为抗裂剂，仅对早期塑性收缩的抑制效果明显，因其弹性模量远低于混凝土的弹性模量，对提高混凝土抵抗温度裂缝的能力并不显著。 [0005] 因此，有待于开发一种大掺量粉煤灰的、应用于大体积混凝土的复合掺合料，既可提高粉煤灰高附加值的综合利用，又能保证大体积混凝土低温升，还可保证早期强度，尤其抗拉强度，还可以提高混凝土的导热系数，进一步降低大体积混凝土的内外温差，改善混凝土的耐久性能。发明内容 [0006] 本发明所要解决的技术问题就是提供一种温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料及制备方法和应用，采用的技术方案为： [0007] 一种温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料，由以下质量份的各组分组成：200‑800目粉煤灰60～80份，800‑1250目粉煤灰10～15份，1250目‑2500目粉煤灰5～10份，功能材料A2～6份，功能材料B 0.5～2份。 [0008] 优选的，各不同目数的粉煤灰通过对电厂原灰进行风选分级后得到，不同目数的粉煤灰质量百分含量通过颗粒紧密堆积理论确定，各粉煤灰的最佳粒径分布根据公式(1)计算，即 [0009] [0010] 式中：P(D)是所述掺合料中粒径为D的百分含量；Dmax是所述掺合料中的最大粒径；Dmin是所述掺合料中的最小粒径；q是分布模量。 [0011] 作为进一步的优选，确定不同目数粉煤灰组成质量百分含量，具体实施方案如下： [0012] 采用粒度分析仪获得三种不同目数粉煤灰的颗粒累计粒径分布，通过公式(1)在MATLAB 软件中建立目标函数，采用残差平方和(RSS)表征复合后的粉煤灰的堆积密实程度，RSS公式如(2)所示： [0013] [0014] 式中，RSS为偏差平方和，Pmix及Ptar分别为目标级配曲线和实际堆积曲线； [0015] 调整不同目数粉煤灰的质量百分含量，当RSS最小时，粉煤灰粒度分布曲线与目标函数曲线最为接近，粉煤灰的颗粒堆积最为紧密，此时三种不同目数粉煤灰的比例为最佳组成比例。 [0016] 优选的，所述功能材料A包括70～90％的纳米硅灰和10％～30％的改性碳纳米管组成。 [0017] 作为进一步的优选，纳米硅灰为非加密硅灰，比表面积18～25m2/g，二氧化硅含量2 ≥95％；碳纳米管纯度95％以上，直径20～50nm，长度5～20μm，比表面积90～120m/g，导热系数＞10W/mK。 [0018] 作为进一步的优选，所述的功能材料A的制备方法如下：采用聚氧代乙烯壬基苯基醚作为分散剂，溶解于无水乙醇中，分散液浓度为0.5g/L，将称量好的碳纳米管加入到分散液中，采用探头式超声波处理器对碳纳米管分散液进行改性，超声波功率360W～500W，超声时间20min以上，得到改性碳纳米管溶液，将等比例的硅灰掺加到改性碳纳米管‑无水乙醇分散液中，继续超声30min以上，得到硅灰‑改性碳纳米管分散液，然后将分散液放入60～80℃烘箱中烘干，得到功能材料A。 [0019] 优选的，所述的功能材料B由30～50％缓凝剂和50％～70％黏度调节剂组成。 [0020] 作为进一步的优选，所述的缓凝剂包括糖蜜、硼酸、葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、苹果酸钠、三聚磷酸钠和六偏磷酸钠一种；所述的黏度调节剂包括纤维素醚、乳胶粉、淀粉、聚丙烯酰胺的一种。 [0021] 所述的一种温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料的制备方法，包括以下步骤： [0022] 按比例称取200‑800目、800‑1250目、1250‑2500目的粉煤灰、功能材料A和功能材料B，采用无机变速剪切搅拌机混合搅拌均匀，即可得到一种温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料；其中，无机变速剪切搅拌机最大转速2000～3000r/min，最大线速度15～20m/s，使用产生的高速剪切搅拌力，实现粉体颗粒的均匀混合，且最小程度地破坏原材料的原有结构。 [0023] 所述的一种温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料在混凝土中的应用，适用于C30～C50的大体积混凝土，其掺量为混凝土胶凝材料总质量的30％～50％，降低温度裂缝发生的风险，不同目数粉煤灰的掺加来提高混凝土密实度，改善耐久性能，作为建筑材料，用于桥梁建设以及其他建设。 [0024] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于： [0025] 本发明通过颗粒紧密堆积理论，得到级配更为合理的粉煤灰百分比，实现不同目数的粉煤灰的合理混合，有利于粉煤灰在混凝土中发挥作用，且大掺量粉煤灰的掺加可显著降低大体积混凝土的水化温升，降低温度裂缝发生的风险，同时不同目数粉煤灰的掺加，可提高混凝土密实度，为混凝土后期强度增长提供动力，改善混凝土的耐久性能，同时使得电厂粉煤灰得到高效资源化综合利用，减轻环境污染，实现环保绿色低碳发展； [0026] 本发明利用硅灰和碳纳米管在粉煤灰中的协同作用，实现粉煤灰复合掺合料的高韧性、高抗裂、高导热性，解决粉煤灰混凝土的早期强度低的问题；硅灰‑表面活性剂‑超声波的复合作用，实现碳纳米管的均匀分散，高长径比的碳纳米管可在混凝土中发挥侨联、弯曲、拔出、网状填充等作用，显著提高混凝土的抗拉强度，提高混凝土的抗裂性能，碳纳米管的掺加改善了大体积混凝土导热性能，加快了大体积混凝土内部温度的散失，减小了混凝土内外温差，降低了温度裂缝发生的风险； [0027] 本发明中功能材料B中的缓凝组分，可在粉煤灰将水化热的基础上，进一步延缓水泥的水化放热，降低大体积混凝土温升速率，进一步削弱大体积混凝土内部温峰；黏度调节组份，可改善大体积混凝土的黏聚性，调控粉煤灰的助流作用，降低大掺量粉煤灰基混凝土发生泌水、离析、轻物质上浮的风险。附图说明 [0028] 图1为实施例1‑3和对比例1、2中混凝土中心温度与累计时长的绝热升温对比图。具体实施方式 [0029] 附图仅用于示例性说明；对于本领域的技术人员来说，实施例中的某些公知常识及其说明可能省略，因此，不能理解为对本发明的限制。 [0030] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0031] 实施例1： [0032] 本发明实施例提供了一种温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料，具体组成如下：200～800目粉煤灰79份，800～1250目粉煤灰15份，1250目～2500目粉煤灰3份，功能材料A2份，功能材料B1份，其中功能材料A中硅灰1.5份，碳纳米管0.5份，功能材料B中葡萄糖酸钠0.4份，纤维素醚0.6份。 [0033] 粉煤灰除了目数不同外，其他指标满足GB/T 1596《用于水泥和混凝土中的粉煤2 灰》；硅灰粒径100～300nm，比表面积18～25m /g，二氧化硅含量96.5％；碳纳米管纯度 2 97.0％，直径20～50nm，长度5～20μm，比表面积90～120m/g，导热系数＞10W/mK。 [0034] 上述粉煤灰基复合掺合料的制备方法包括如下步骤：按照上述质量分数称取各组分，将不同目数的粉煤灰混合均匀，得到粉煤灰基材。 [0035] 将称量好的碳纳米管溶解于浓度为0.5g/L的聚氧代乙烯壬基苯基醚‑无水乙醇溶液中，超声分散20min，然后将称量好的硅灰加入到碳纳米管分散液中，继续超声30min，将分散液放入60℃烘干箱中烘干，得到功能材料A。 [0036] 功能材料A可实现粉煤灰基复合掺合料的抗裂功能，作为掺合料，可显著提高水泥基材料的抗拉强度，同时，可显著改善混凝土的导热系数，提高混凝土的抗裂性能。碳纳米管高长径比、大比表面积，加入到混凝土中，可显著改善混凝土的脆性，提高其抗拉强度，提高混凝土的导热性能。碳纳米管作用的发挥，得益于其在基体中的均匀分散。本发明利用表面活性剂与超声波相结合，初步对碳纳米管进行亲水改性，然后加入硅灰对碳纳米管进行二次分散，硅灰粒径与碳纳米管尺寸相近，球形颗粒附着于碳纳米管管壁上，可避免分散后的碳纳米管再次聚团，利用硅灰‑表面活性剂‑超声波协同作用，实现碳纳米管的均匀分散。此外，硅灰具有较高的水硬活性，可改善粉煤灰对混凝土早期强度降低的副作用，保证混凝土的早期强度。 [0037] 利用高速剪切搅拌机将称量好的葡萄糖酸钠和纤维素醚混合均匀，得到功能材料B。 [0038] 将上述的粉煤灰基材，功能材料A和功能材料B，利用高速剪切搅拌进行混合，搅拌机角速度2000r/min，线速度15m/s，持续搅拌混合10min，得到温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料。 [0039] 将上述制备得到的粉煤灰基复合掺合料与普通硅酸盐水泥、砂、碎石、水、减水剂搅拌混合制得C40混凝土，质量比为普通硅酸盐水泥：粉煤灰基复合掺合料：砂：碎石：水：减水剂＝280:140:720:1100:165:5，其中，粉煤灰基复合掺合料即本实施例中制备的温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料。 [0040] 相比于现有技术，本发明提供的粉煤灰基复合掺合料，选择不同目数的粉煤灰，可实现掺合料合理的颗粒级配，掺加到水泥基材料中，可优化胶凝材料体系的颗粒级配，填充水泥颗粒间的孔隙，提高混凝土的密实度；同时，等质量替代部分水泥，可降低水泥的水化放热，显著降低大体积混凝土的内部温峰，降低大体积混凝土温度裂缝发生的风险。 [0041] 实施例2： [0042] 本发明实施例提供了一种温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料，具体组成如下：200～800目粉煤灰75份，800～1250目粉煤灰15份，1250目～2500目粉煤灰5份，功能材料A3.5份，功能材料B1.5份，其中功能材料A中硅灰2.8份，碳纳米管0.7份，功能材料B中葡萄糖酸钠 0.6份，纤维素醚0.9份。 [0043] 粉煤灰除了目数不同外，其他指标满足GB/T 1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》。 [0044] 上述粉煤灰基复合掺合料的制备方法包括如下步骤：按照上述质量分数称取各组分，将不同目数的粉煤灰混合均匀，得到粉煤灰基材。 [0045] 将称量好的碳纳米管溶解于浓度为0.5g/L的聚氧代乙烯壬基苯基醚‑无水乙醇溶液中，超声分散20min，然后将称量好的硅灰加入到碳纳米管分散液中，继续超声30min，将分散液放入60℃烘干箱中烘干，得到功能材料A。 [0046] 利用高速剪切搅拌机将称量好的葡萄糖酸钠和纤维素醚混合均匀，得到功能材料B。 [0047] 将上述的粉煤灰基材，功能材料A和功能材料B，利用高速剪切搅拌进行混合，搅拌机角速度2000r/min，线速度15m/s，持续搅拌混合10min，得到温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料。 [0048] 将上述制备得到的粉煤灰基复合掺合料与普通硅酸盐水泥、砂、碎石、水、减水剂搅拌混合制得C40混凝土，质量比为普通硅酸盐水泥：粉煤灰基复合掺合料：砂：碎石：水：减水剂＝280:140:720:1100:165:5，其中，粉煤灰基复合掺合料即本实施例中制备的温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料。 [0049] 其他未述及的地方同实施例1。 [0050] 实施例3： [0051] 本发明实施例提供了一种温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料，具体组成如下：200～800目粉煤灰73份，800～1250目粉煤灰12份，1250目～2500目粉煤灰8份，功能材料A 5份，功能材料B 2份，其中功能材料A中硅灰3.6份，碳纳米管1.4份，功能材料B中葡萄糖酸钠1份，纤维素醚1份。 [0052] 粉煤灰除了目数不同外，其他指标满足GB/T 1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》。 [0053] 上述粉煤灰基复合掺合料的制备方法包括如下步骤：按照上述质量分数称取各组分，将不同目数的粉煤灰混合均匀，得到粉煤灰基材； [0054] 将称量好的碳纳米管溶解于浓度为0.5g/L的聚氧代乙烯壬基苯基醚‑无水乙醇溶液中，超声分散20min，然后将称量好的硅灰加入到碳纳米管分散液中，继续超声30min，将分散液放入60℃烘干箱中烘干，得到功能材料A； [0055] 利用高速剪切搅拌机将称量好的葡萄糖酸钠和纤维素醚混合均匀，得到功能材料B； [0056] 将上述的粉煤灰基材，功能材料A和功能材料B，利用高速剪切搅拌进行混合，搅拌机角速度2000r/min，线速度15m/s，持续搅拌混合10min，得到温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料。 [0057] 将上述制备得到的粉煤灰基复合掺合料与普通硅酸盐水泥、砂、碎石、水、减水剂搅拌混合制得C40混凝土，质量比为普通硅酸盐水泥：粉煤灰基复合掺合料：砂：碎石：水：减水剂＝280:140:720:1100:165:5，其中，粉煤灰基复合掺合料即本实施例中制备的温控抗裂型粉煤灰基复合掺合料。 [0058] 其他未述及的地方同实施例1。 [0059] 对比例1： [0060] 采用未做分级筛选和级配重组的粉煤灰等质量替代水泥作为对比例1进行试验，混凝土配合比为普通硅酸盐水泥：砂：粗集料：水：减水剂＝420:720:1100:165:5[0061] 对比例2： [0062] 采用未做分级筛选和级配重组的粉煤灰等质量替代水泥作为对比例1进行试验，混凝土配合比为普通硅酸盐水泥：粉煤灰：砂：粗集料：水：减水剂＝280:140:720:1100:165:5 [0063] 实施效果：试验测试了各实施例和对比例的混凝土相关性能。其中，混凝土拌合物工作性、绝热温升按照GB/T 50080‑2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》执行，混凝土抗压强度、抗拉强度按照GB/T 50081‑2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，混凝土导热系数参照JC 275《加气混凝土导热系数试验方法》。 [0064] 表1混凝土的工作性、抗压强度、抗拉强度及导热系数测试结果 [0065] [0066] [0067] 从表1可看出，对比例1和对比例2的混凝土拌合物坍落度和扩展度均小于实施例1、实施例2和实施例3。所有组的抗压强度均满足C40的设计要求，但对比例2因掺入大量的普通粉煤灰，抗压强度较低，而实施例1、实施例2和实施例3掺入相同掺量的粉煤灰基复合掺量，其28d抗压强度与对比例1(纯水泥)的强度大致相当，说明实施例混凝土很好地解决了大掺量粉煤灰大幅度降低混凝土早强抗压强度的问题。实施例1、实施例2和实施例3的 28d抗拉强度显著高于对比例1和对比例2，说明实施例混凝土具有良好的抗裂性能。 [0068] 从表1和图1可看出(图1中的实施组1、2、3分别对应实施例1、2、3制备的混凝土，对照组1、2分别对应对比例1、2制备的混凝土)，实施例1、实施例2和实施例3的混凝土表现出更低的温升速率和最大温升值，且具有更好的导热性能，说明实施例1‑3的混凝土具有更高的抵抗温度裂缝的能力。 [0069] 当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

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