混凝土构件的制备方法以及混凝土构件

技术领域

本申请属于混凝土技术领域，尤其涉及混凝土构件的制备方法以及混凝土构件。

背景技术

近年来，随着硫精矿回收，矿山尾砂产率大幅度降低，以及矿山磨砂等充填料减少，再加矿山生产能力的稳步提升，矿山充填料及充填能力明显不足。此外，由于细粒尾砂占总尾砂的40％以上，细粒尾砂沉降速度慢，在砂仓浆瞒后，大部分细粒尾砂随溢流排走，导致溢流浓度很大，尾砂回收率下降。这些问题都亟待解决。

一方面，从混凝土纤维的发展历史来看，钢纤维是发展最早的一种纤维。钢纤维混凝土具有突出的耐磨性和抗冻性，其抗剪性能也非常良好，可以对温度应力裂缝实现有效组织或者抑制，同时还具有良好的抗疲劳性能与抗裂性、抗冲击性、抗变形能力，其抗压极限强度、抗拉以及抗弯折能力都非常高，质量和强度之间的比值也非常大。早在1910年美国Porter就提出了把钢纤维均匀地撒入混凝土中以强化材料的设想，有学者在2000年对聚丙烯-钢混合纤维混凝土的增强机理做了一系列的研究，研究结果表明，不同尺寸的钢纤维有助于不同的力学性能，小尺寸纤维的添加对压缩强度有显著影响，但对劈裂抗拉强度仅略有影响。何桥敏等人对钢纤维掺量不同的钢纤维混凝土的抗拉强度、抗折强度和抗压强度进行了测定，结果表明，钢纤维掺量显著影响混凝土的抗拉强度和抗折强度，对抗压强度影响较小，以抗拉强度为参数，推荐最佳钢纤维参量为1.5％％。严少华等人对钢纤维含量为0％～6％、抗压强度在65～120MPa范围的四种钢纤维高强混凝土，进行单轴压缩荷载作用下的应力-应变全过程试验，试验表明，钢纤维高强度混凝土的压缩强度随钢纤维含量的增加而显著提高，但并不随钢纤维含量或长径比线性提高。以上结果表明，钢纤维虽然可以大幅度地提高混凝土的力学性能，但是由于其单位重量比过高，在大规模的实际应用中，可能会出现下沉或者大规模的分布不均情况，从而导致混凝土的力学性能分布不均。

碳纤维(carbon fiber，简称CF)是20世纪60年代开发研制的一种高性能纤维，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，具有抗拉强度和弹性模量高、化学性质稳定、与混凝土粘结好等优点。但由于碳纤维生产成本较高，且施工难度较大，应用受到一定限制。

玻璃纤维具有轻质、耐侵蚀、抗冲击和抗拉等很多优点，被广泛当作普通水泥混凝土的改性材料。王芯丽等学者以抗弯拉强度、磨损损失率和轴心抗压强度为评价指标，对比研究了3种玻璃纤维对水泥混凝土的改性效果。结果表明：耐碱玻璃纤维在添加剂为6kg/m

另一方面，我国是农业大国，稻草纤维资源广泛，其一般是由有机物、无机物和水组成。其中，有机物包含了大量的纤维素类物质，而纤维素类物质又包括了纤维素、半纤维素和木质素，因此纤维素化学稳定性，但在实际生活中，农民在处理稻草纤维时，为了节约运输时的人力，会选择就地焚烧的方式，处理稻草纤维，这样不仅会浪费资源，同样也会造成对环境的污染。

发明内容

本申请的目的在于提供一种混凝土构件的制备方法，旨在解决现有技术混凝土材料的力学性能差、施工难度大、成本高的问题。

为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：

本申请第一方面提供了一种混凝土构件的制备方法，包括如下步骤：

将填充体材料、胶凝材料和水经混合处理形成料浆；

将料浆进行成型处理，形成混凝土浇筑体；

对所述混凝土浇筑体进行凝固处理，得到混凝土构件。

采用本申请提供的混凝土构件的制备方法制备的混凝土构件具有一定承重能力和强度，可使用在建筑行业中。

本申请第二方面提供了一种混凝土构件，由包括本申请料浆经凝固处理得到混凝土构件。

本申请提供的混凝土构件具有一定承重能力和强度，可使用在建筑行业中。

附图说明

图1本发明实施例中60％填充体材料下尾砂和凝胶材料不同复配比的折线图。

具体实施方式

为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。

应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本申请实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本申请实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请实施例说明书公开的范围之内。具体地，本申请实施例说明书中所述的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。

术语“第一“、“第二”仅用于描述目的，用来将目的如物质彼此区分开，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一XX也可以被称为第二XX，类似地，第二XX也可以被称为第一XX。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

本申请第一方面提供了一种混凝土构件的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1、将填充体材料、胶凝材料和水经混合处理形成料浆；

步骤S2、将料浆进行成型处理，形成混凝土浇筑体；

步骤S3、对混凝土浇筑体进行凝固处理，得到混凝土构件。

采用本申请实施例提供的混凝土构件的制备方法制备的混凝土构件具有一定承重能力和强度，可使用在建筑行业中。

其中，步骤S1中，填充体材料包括纤维和尾砂，本申请实施例中的混凝土构件的制备方法中以采矿过程中得到的尾砂作为原料，并且协同加入胶凝材料和纤维进行复配使用，制备填充体复合材料，合理循环地利用尾砂，且改善了以尾砂作为填充骨料的填充体复合材料的流动性和强度，因此，促进了尾砂作为填充骨料的使用，同样也为尾砂的高效处置和循环利用提供了一条途径。

进一步的，纤维包括聚丙烯纤维和麦秆纤维中的一种，聚丙烯细纤维或麦秆纤维有细化裂缝的作用，能有效延缓混凝土构件早期塑性收缩裂缝的产生和发展，混凝土构件内部的细观结构得到改善，减少混凝土构件内部原生微裂纹的开展，使混凝土构件裂缝宽度减小。

进一步的，聚丙烯纤维包括束状单丝纤维，单丝是通过熔融旋转法并经水冷却后生成的单向挤压的薄片，单丝聚丙烯纤维在砂浆或者混凝土构件中具有极佳的分散性及于水泥基体的握裹力，可阻止砂浆或者混凝土构件中裂缝产生和发育。

在一些实施例中，为了进一步减少尾砂和纤维作为骨料的混凝土构件的裂缝，研发人员对聚丙烯纤维的性能进行了优选，在研究中发现当聚丙烯纤维束状单丝纤维，抗拉强度>486MPa，弹性模量>4.8GPa，纤维直径在18～48μm范围内，拉伸极限>15％，长度在9～19mm范围内时，混凝土构件凝固后形成的裂缝减少。

在一些实施例中，麦秆纤维长度为0.5～1cm，便于制备好的料浆可通过管道进行运输。

进一步的，所含的麦秆纤维包括如下重量百分比的组分：53.4％纤维素、19.4％半纤维素、14.3％木质素、12.7％灰分，在冷水中提取物为6.5％，在热水中提取物为18.3％，在1％Ca(OH)

在一些实施例中，一方面，尾砂至少包括棒磨砂、分级尾砂、细粒级尾砂中的一种，其中，细粒级尾砂和分级尾砂相比粒径更小，粒径小于20μm，用细粒级尾砂制成填充体复合材料可合理地利用细粒级尾砂材料。

在实施例中，在上述实施例的基础上，为了进一步改善细尾砂和纤维作为骨料的混凝土构件的强度，研究人员在研究中发现，棒磨砂和细尾砂复配比在1:8～15:4范围内，混凝土构件的强度得到了提高，其中，棒磨砂和细尾砂复配比可为1:8，1:4，2:4，3:4，4:4，5:4，7:4，8:4，10:4，15:4。

在一些实施例中，在上述实施例的基础上，为了改善细尾砂和纤维作为骨料的混凝土构件的强度和裂缝，需要对纤维的含量进行调整，研发人员在研究中发现纤维与尾砂的重量比重为1:399～1:249时，可明显改善裂缝问题，且混凝土构件的强度良好。

进一步的，以尾砂总重量为100％计，尾砂包括如下重量百分比的组成：

其中，尾砂中的主要材料是SiO

在一些实施例中，为了模拟和进一步推广本混凝土构件的生产，研发人员对尾砂的组成进行了研究，研究结果如下，细尾砂中值粒径D

在实施例中，料浆的扩散度在100～305mm范围内，满足自然流动需求，不需要采用泵的方式对其进行运输。需要解释地，测定扩散度主要是为了掌握充填料浆流动性、并辅以直观经验评定粘聚性和保水性。扩散度是从混凝土构件借用来的概念，扩散度试验目前国内外从试验设备、试验方法、测读数据等诸方面尚不能做到统一化、规范化。本试验采用目前较通用的“扩散筒法”，它的试验设备、方法简单，试验数据一定程度上也能够反映料浆的流动特性。

在一些实施例中，填充体材料与胶凝材料的按照重量比为23～12.8:42～54.4，可提高料浆的流动性和改善混凝土构件的强度。

在一些实施例中，复合填充体材料与水按照重量比为16:9～2:1进行混合处理，按照上述比例混合，可提高料浆的流动性和改善混凝土构件的强度。

进一步的，当复合填充体材料与水重量比66:34、68:32时，可进一步提高料浆的流动性和改善混凝土构件的强度。

在一些实施例中，胶凝材料包括水泥，其中，该胶凝材料包括海螺水泥和凡口达昌水泥，当然，该胶凝材料还可以包括其他一些具有胶凝功能的材料以及水泥的改进材料。

步骤S2中，将料浆进行成型处理的过程中，可在将料浆进行成型处理过程中或/和之前加入加强筋，以制备含加强筋的混凝土构件，加入加强筋的混凝土构件可进一步提高混凝土构件的承重能力，以满足作为各种建筑材料的需求。当然也可以不添加加强筋，具体根据混凝土构件的应用和需要进行相应调整。

在一些实施例中，在成型处理过程中，还包括对填充在模具中的料浆进行震动处理或对模具进行抽气处理的步骤，其中，震动处理或对模具进行抽气处理均可使料浆的填充没有空心部分，以增加混凝土构件的承重。

在一些实施例中，在S3中的混凝土浇筑体进行凝固处理的过程中，包括对混凝土浇筑体进行隔水处理的步骤，且隔水处理时间为12～24h，以确保混凝土的成型，例如在凝土构件浇筑体表面设置一层薄膜，以隔绝空气中的水分。

在一些实施例中，为进一步改善混凝土构件的强度，在凝固处理后，还包括如下步骤：

S4、采用干湿循环养护的方法对凝土构件进行养护。

在实施例中，干湿循环养护的方法包括对混凝土浇筑体循环进行湿处理和干处理，且干湿循环养护时间为7～28d。其中，湿处理的方法包括如下步骤：在恒温温度20～25℃，湿度87～92％下，且保持混凝土构件表面湿润，保湿24～36h，防止混凝土构件开裂。另外，干处理的方法包括如下步骤：在温度50～60℃下，对混凝土构件干燥12～24h，以确保混凝土构件能够成型。

本申请实施例第二方面提供了一种混凝土构件，按照包括上述本申请实施例制备方法制备的混凝土构件。本申请实施例混凝土构件可广泛地应用到建筑技术领域中，混凝土构件可由浇筑处理之后凝固形成，其中，混凝土构件可以包括含加强筋的构件和不包含加强筋的构件，其中，含加强筋的构件包括用加强筋混凝土构件制成的梁、板、柱、基础等构件，不包括加强筋的构件包括块砖，本申请实施例提供的混凝土构件在确保了构件的强度条件下，环保地利用了尾砂。

在一些实施例中，为进一步提高混凝土构件的强度，研究人员对未加加强筋的混凝土构件的强度进行了研究，研究表明，未加加强筋的混凝土构件3天强度在0.37～1.37MPa范围内，28天强度在2.2～5.6MPa范围内，符合建筑行业对混凝土构件强度的要求。

下面结合具体实施例进行说明。

实施例1

试验所使用的设备及工具包括：工业桶、搅拌机、单轴压力机、电子秤、标准养护箱、70.7×70.7×70.7mm三联砂浆试模以及相匹配的模套、烘干箱、流动度试模、500×500mm玻璃板、凝结时间用圆模、100×100mm玻璃片、水泥凝结时间测定仪、水桶、药匙、玻璃棒、胶头滴管、铁盘、铁锨、钢尺、捣棒、抹布等。

S0、料浆的制备

S010、测量骨料含水率：

提前称量干燥的铁盘的质量，然后用铁盘取出适量的尾砂样品并称量其湿容重，放进烘干箱进行烘干，24h后把铁盘连同干燥的尾砂样品一并取出，再次称量其容重，计算含水量C；根据含水量C计算称重水的质量和尾砂的质量。

S020、称量物料

用电子秤单独称量尾砂154g+C、水泥616g、水330g-C，其中，称量的精度：水泥和水为±0.5％；尾砂为±1％；

S030、制备料浆

先将称量好的水倒入搅拌桶中，倒入凡口达昌水泥616g，慢搅1min。然后加入尾砂154g+C，继续慢搅2min，聚丙烯纤维1.26g，继续慢搅5min。再将搅拌桶底部由于搅拌机作用压实的结底固体物料刮起来并打散。再快搅1min，料浆制备完成。

S1、将料浆进行成型处理，形成混凝土浇筑体

S110、模具准备

制模前，应大致计算本次实验所需模具数量，并按照配比分类不同分列摆放于光滑平整的地板或木板上，并在试模内表面涂一薄层矿物油，在模具上放上模套；

S120、浇模

拌制好的料浆先搅拌三次，再将料浆缓慢倒入试模。混合好的料浆分两层装入模内，每层装料厚度大致相等，约为模具的一半。填充的料浆要略高出模具顶面，以避免充填料浆固化后收缩导致试件不规整。其中，每次加入的料浆要用捣棒按螺旋方向从边缘向中心均匀进行插捣。在插捣底层料浆时，捣棒要到达试模底部；插捣上层时，捣棒应要贯穿上层后插入下层20～30mm。然后用抹刀沿试模内壁插拔数次。插捣后用橡皮锤轻轻敲击试模四周，直至捣棒留下的空洞消失为止。

S2、对混凝土浇筑体进行凝固处理，得到混凝土构件

S210、待料浆不再泌水后，摘掉模套，再将试件表面刮平，震实和抽气处理，待试件终凝后，使用喷枪拆模，清点试件，对试件进行编号，以及统计其组成。

S220、试件成型后立即用不透水的薄膜覆盖表面。

S3、试件养护

S310、干湿循环养护的方法包括对混凝土浇筑体循环进行湿处理和干处理，且干湿循环养护时间为28d；在恒温温度20℃，湿度90％下，且保持混凝土构件表面湿润，保湿24h，防止混凝土构件开裂；在温度50℃下，对混凝土构件干燥12h，以确保混凝土构件能够成型。

实施例2至实施例12

实施例2至实施例12中制作料浆和试件的步骤和实施例1相同，不同的是灰砂比、聚丙烯纤维含量，实施例2至实施例10中各组分的含量情况，需要解释地，物料浓度为填充体材料占料浆的重量比重，灰砂比表示水泥和尾砂重量的比值，请参见表1所示。

实施例13至实施例20

实施例13至实施例20中制作料浆和试件的步骤和实施例1相同，不同的是：胶凝材料为海螺水泥、灰砂比、纤维种类，其中，实施例13、实施例15、实施例17、实施例19含有秸秆纤维，实施例14、实施例16、实施例18、实施例20含有聚丙烯纤维，另外，灰砂比表示细粒级尾砂和麦秆纤维重量之和与水泥的重量比(实施例)，请参见表3所示。

对照例1至对照例6

对照例1至对照例6中制作料浆和试件的步骤和实施例1相同，不同的是否含聚丙烯纤维。另外，对照例1至6中各组分的含量情况，请参见表1所示。

对照例7至对照例10

对照例1至对照例4中胶凝材料为凡口达昌水泥，对照例5至对照例8中的胶凝材料为海螺水泥，按照实施例1中的方式制备复合填充体材料，需要解释地，其中，灰砂比表示细粒级尾砂与水泥的重量比(对照例)，详细情况请参见表3所示。

对试件进行强度性质测试

对实施例1至实施例20以及对照例1至对照例10中凝固形成的试件进行28d强度测试，其中，测试仪器：2000kN液压万能试验机(CHT4305)；测试方式如下：

由于试件的表面积大于压力传感器的面积，因此，在试件的上下表面各添加一块钢板，上部钢板的重量为21.495kg，除此之外，对于上下表面不光滑的试件，采用打磨机对其进行打磨处理，从而使得试件在受力过程中，上下表面能够完全和铁板接触；试验中应保证试件上表面与压力传感器下表面平行，等到试件充分破坏，应力-应变曲线发展平稳之后再停止，需要解释地，物料浓度为填充体材料占料浆的重量比重。

其中，实施例1至实施例12以及对照例1至对照例6，实验结果，请参见1所示。

表1试件配比及抗压强度结果

试件配比试验方案按照正交配比试验设计，因此，根据试验规划设计灰砂比、纤维添加量和纤维长度3因素、灰砂比6水平、纤维添加量和纤维长度是3水平的正交试验共18组，请参见表2所示。

表2聚丙烯纤维单因素分析

其中，各因素水平对强度大小影响的强弱顺序为A1>A4>A2>A5>A3>A6,B3>B2>B1,C3>C1>C2。极差RA＝1.75，RB＝1.165，RC＝0.69，Rj(j＝A，B，C，)值越大说明所对应的因素对试件强度影响越大，所以由Rj的大小推知，影响充填试件抗压强度各因素的重要顺序为：灰砂比(A)>纤维质量(B)>纤维长度(C)。

综上可知，在添加聚丙烯纤维的情况下，对充填体抗压强度影响最大的是灰砂比；其次是纤维质量；最后是纤维长度，实验结果，请参照图1所示。

将统计得到各因素不同水平下单轴抗压强度数据统计于折线图1中。由图可知，单轴抗压强度随着灰砂比的降低呈现了先降低，后提高，再降低的趋势，换句话说，试件的单轴抗压强度与灰砂比之间没有明显的正/负相关的关系；当灰砂比为1:4时，平均单轴抗压强度值最高，为2.62MPa；当灰砂比由1:4降低到1:6时，试件的平均单轴抗压强度呈现了降低的趋势；但是当灰砂比由1:6变为1:7时，试件的平均单轴抗压强度又提高了，而且当灰砂比降为1:7时，单轴抗压强度比灰砂比为1:5所对应的单轴抗压强度值高；

试件的抗压强度随纤维质量的增加呈现增大的趋势，在3g/kg时最大，为2.53Mpa；抗压强度对纤维长度的变化呈现了先较小后增大的趋势，当纤维长度为19mm时，平均抗压强度最大，为2.25MPa。

其中，实施例13至实施例20以及对照例7至对照例10，实验结果，请参见表3所示。

表3全尾砂纤维充填配比对比情况(水泥厂家：海螺水泥)

其中，当以海螺水泥为胶凝材料，养护龄期为3d时，秸秆纤维和聚丙烯纤维的加入改善了充填试块的抗压强度，而且聚丙烯纤维的效果要优于秸秆纤维；当养护龄期为28d，聚丙烯纤维的加入明显改善了充填试块的抗压强度，对于秸秆纤维，料浆浓度为66％，灰砂比为1:3时以及料浆浓度为66％，灰砂比为1:4时，秸秆纤维的加入反而降低了充填试块的抗压强度，但是对于料浆浓度为68％，灰砂比为1:3和1:4时，秸秆纤维的加入能够起到加强充填试块抗压强度的效果。

其中，观察表1可以发现，当以海螺水泥为胶凝材料，养护龄期为3d时，麦秆纤维加入改善了充填试块的抗压强度；当养护龄期为28d，对于麦秆纤维，料浆浓度为66％，灰砂比为1:3时以及料浆浓度为66wt％，灰砂比为1:4时，麦秆纤维的加入反而降低了充填试块的抗压强度，但是对于料浆浓度为68wt％，灰砂比为1:3和1:4时，麦秆纤维的加入能够起到加强充填试块抗压强度的效果。

观察表1可以发现，当以凡口达昌水泥为胶凝材料，养护龄期为3d时，麦秆纤维的加入能够加强充填试块的抗压强度或者对其不构成影响；当养护龄期为28d，麦秆纤维的加入，降低了料浆浓度为68wt％，灰砂比为1:4的充填试块的抗压强度，但是对于其他配比的充填试块，则起到了加强抗压强度的作用。

综上所述，不管是海螺水泥或凡口达昌水泥为胶凝材料，料浆浓度为68wt％，麦秆纤维的加入能够起到加强充填试块抗压强度的效果，加入麦秆纤维后，3天抗压强度最多可以提高50％以上。

对料浆进行流动性能测试

对实施例1至实施例20以及对照例1至对照例8制备的料浆进行扩散度测定。

扩散度的测试方法为：采用小型扩散筒在一块标有刻度的玻璃板上进行，玻璃板表面光滑平整，其扩散筒为圆柱形桶，上、下口内径为8cm，高度为8cm。试验步骤：首先用抹布把扩散筒内壁及边缘擦拭干净，并将其放在水平、洁净的玻璃板上，将配比好的充填料浆从扩散筒上口倒入，用钢尺将上口刮平后，迅速将扩散筒垂直提起，充填料浆将在玻璃板上扩散成一个圆，通过测定二个垂直方向的圆直径，其平均值即为该料浆的扩散度。实验结果，请参见表1或2所示。

值得关注的是，不管是海螺水泥或凡口达昌水泥为胶凝材料，加入麦秆纤维后，在填充体材料的浓度为66wt％和68wt％时以及灰砂比为1:3和1:4时，料浆的扩散度都会变小，但都大于100mm，满足自流输送的要求，因此，假设采用这种配比进行充填时，也可改进充填系统，采用泵送的方式。

综上所述，加入麦秆纤维和聚丙烯纤维之后，抗压强度有了较明显的提升，而聚丙烯纤维的效果优于麦秆纤维；但是加入纤维之后，料浆的流动性也受到了很大的影响，尤其是浓度越高，纤维对料浆流动性的影响也越大，这可能是因为料浆浓度越大，与纤维之间的摩擦作用力也越大。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。