一种抗裂低碳高性能混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑工程技术领域，具体涉及一种抗裂低碳高性能混凝土及其制备方法。

背景技术

自波特兰水泥问世以来，因其具有原材料来源广泛、性能优异等特点，使其成为混凝土制备中所用最大宗胶凝材料。然而，相关数据表明，每生产1t水泥，大约会排放0.8t二氧化碳，因此必须采取措施减少水泥在工程建设中的用量。

目前，采用辅助性胶凝材料替代部分水泥，已被证实为减少水泥用量的良好解决方式。常用的辅助性胶凝材料包括粉煤灰、粒化高炉矿渣等，但该类材料对水泥的替代量一般仅在20％左右。此外，市面上优质的粉煤灰和矿渣等材料十分有限，因此传统的辅助性胶凝材料可能无法满足水泥基材料的生产需求。石灰石-煅烧粘土水泥(LC

搅拌站在清洗设备、罐车与处理废渣时会产生大量的废水，此类废水中含有一定量的外加剂和碱性组分，无法直接用于混凝土生产，否则将导致碱集料反应等一系列质量问题。据统计，搅拌站每生产1m

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有搅拌站废水难处理与水泥混凝土行业碳排放量大等问题和不足，提供一种利用搅拌站废水制备的抗裂低碳高性能混凝土，在赋予所得混凝土优异抗裂性能、力学性能和耐久性的同时，能够有效推进搅拌站废水的资源化利用和LC

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种抗裂低碳高性能混凝土，各原料及其用量包括：LC

上述方案中，所述活化碳纤维通过将碳纤维加入酸液中进行电活化处理得到。

上述方案中，所述碳纤维为长度8～12mm的短切碳纤维，密度为1.7～1.8g/cm

上述方案中，所述酸液可选用稀硫酸、稀盐酸、稀硝酸等中的一种或几种；其浓度为5～6mol/L。

上述方案中，所述碳纤维与酸液的质量比为1:(5～15)。

上述方案中，所述电活化处理采用的电流密度为30～35mA/cm

上述方案中，所述LC

上述方案中，所述搅拌站废水与清水的质量比为1:1～4。

上述方案中，所述搅拌站废水为搅拌站废渣处理与设备清洗过程中产生的污水经沉淀、过滤所得，其固含量为7～9％，其中，减水剂含量占总体固含量质量的3～8％，碱含量为1637～1654mg/L。

上述方案中，所述水泥为P·Ⅰ42.5、P·Ⅰ42.5R、P·Ⅰ52.5、P·Ⅰ52.5R等水泥中的一种，其比表面积为375～385m

上述方案中，所述煅烧粘土由高岭土质粘土煅烧(700～850℃，2～3h)制得，其SiO

上述方案中，所述石灰石为石灰岩粉，其CaCO

上述方案中，所述石膏为天然二水石膏，外观为白色粉末。

上述方案中，所述砂为级配调整后的水洗砂，细度模数为2.6～2.8，MB值为2.0～2.25。

上述方案中，所述石为5～20mm连续级配的普通碎石，压碎指标为7.2～8.1％。

上述方案中，所述减水剂为聚羧酸系减水剂，其固含量为19～21％，减水率为18～21％。

上述方案中，所述氧化石墨烯为粉状氧化石墨烯纳米片，其纯度>99％，粒径为0.7～1.2nm，单层片径为1.0～9.0μm，可剥离率>95％。

上述一种抗裂低碳高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1)将称取的煅烧粘土、石灰石粉和石膏混合研磨，然后与水泥混合搅拌，制得LC

2)将活化碳纤维与氧化石墨烯分散液混合搅拌，过滤、洗涤、干燥，制得活化碳纤维/氧化石墨烯复合材料；

3)将所得LC

上述方案中，所述氧化石墨烯分散液通过将氧化石墨烯和水按1:(99～95)的质量比超声分散而成。

上述方案中，步骤2)中引入的活化碳纤维与氧化石墨烯的质量比为1:(1～2)混合。

上述方案中，步骤2)中采用的搅拌温度为40～50℃，速率为600～650rpm，时间为4～6h。

上述方案中，步骤4)中采用的搅拌速率为35～45rpm，时间为3～5min。

本发明的原理为：

发挥LC

利用硫酸与电活化协同处理的方式，提高碳纤维的表面活性，调控其表面微观结构，增强其与氧化石墨烯的复合效果；所得活化碳纤维/氧化石墨烯复合材料中，碳纤维发挥桥接作用，氧化石墨烯发挥填充效应、桥接阻裂作用以及促进水化效应，二者复合可有效提升水泥基材料的抗裂性能，同时可为水泥水化和火山灰反应提供成核位点，于基体内部形成致密的凝胶网络结构，显著提升水泥基材料的力学性能与耐久性；此外，利用煅烧粘土和石灰石替代大量水泥熟料，有效平缓胶凝材料水化全过程放热，进一步降低混凝土的开裂风险。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明利用煅烧粘土和石灰石大量替代水泥(替代率可达50％)，有效解决预拌混凝土行业水泥用量大导致的环境问题，同时推进搅拌站废水的资源化利用，从原材料低碳化与固废利用双角度入手，大幅减轻预拌混凝土生产对环境的影响，为行业的绿色生产革新提供新的思路与方法，具有显著的经济效益与环保效益；

2)本发明充分利用搅拌站废水与LC

3)本发明将氧化石墨烯与活性碳纤维进行复合，与单纯的纤维或将纤维与氧化石墨烯的简单混合手段相比，可显著强化纤维的阻裂与桥接作用；另一方面，利用LC

4)本发明采用对碳纤维进行酸化和电活化协同预处理，在发挥常规增强、阻裂作用的同时，可有效提升其表面活性，修饰其表面微结构，赋予碳纤维作为基底材料的功能，显著改善其与氧化石墨烯的复合效果，使直线型基底转变为多层级的片层状基底，为胶凝材料的水化反应提供大量成核位点，提高水化速率和水化程度，进而进一步制备出具有优异力学性能与耐久性的高性能混凝土。

具体实施方式

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以下实施例中，采用的水泥为P·Ⅰ42.5硅酸盐水泥，其比表面积为380m

煅烧粘土由高岭土质粘土煅烧(煅烧温度为800℃，时间为2h)制得，其SiO

石灰石为石灰岩粉，其CaCO

砂为级配调整后的水洗砂，细度模数为2.6，MB值为2.25；

石为5～20mm连续级配的普通碎石，压碎指标为7.4％；清水为普通自来水；

采用的搅拌站废水为搅拌站废渣处理与设备清洗过程中产生的废水，其固含量为8.4％，其中，减水剂含量占总体固含量质量的6％，碱含量为1642mg/L；

所述减水剂为湖北西建新材料科技有限公司提供的DH-4005型聚羧酸系减水剂，其固含量为20％，减水率为19％；

采用的碳纤维为平均长度10mm的短切碳纤维，密度为1.7g/cm

实施例1

一种抗裂低碳高性能混凝土，各原料及其含量为：LC

1)将称取的煅烧粘土、石灰石和石膏在球磨机中混合研磨，以30r/min的转速研磨30min，出料后与水泥以20r/min的转速混合搅拌5min，制得LC

2)将200g碳纤维置于1.5L稀硫酸(浓度为5mol/L)中进行电活化处理(以石墨为阴极，掺硼金刚石为阳极；电流密度为30mA/cm

3)将所得活化碳纤维与氧化石墨烯分散液(氧化石墨烯和去离子水的质量比为1:99)混合搅拌(40℃下以600rpm的速率搅拌4h)，过滤、洗涤、干燥，制得活化碳纤维/氧化石墨烯复合材料；

4)将所得LC

实施例2

一种抗裂低碳高性能混凝土，各原料及其含量为：LC

实施例3

一种抗裂低碳高性能混凝土，各原料及其含量为：LC

基准样

一种普通水泥基混凝土，各原料及其含量为：水泥400kg/m

对比例1

一种抗裂低碳高性能混凝土，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于：采用P·O42.5水泥替换LC

对比例2

一种抗裂低碳高性能混凝土，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于：采用的水全部替换为清水。

对比例3

一种抗裂低碳高性能混凝土，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于：组分中不含活化纤维/氧化石墨烯复合材料。

对比例4

一种抗裂低碳高性能混凝土，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于：采用普通碳纤维替代活性碳纤维。

对比例5

一种抗裂低碳高性能混凝土，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于：仅对碳纤维进行强酸活化，不进行电活化；其中酸活化碳纤维的制备步骤包括：将200g碳纤维置于1.5L稀硫酸(浓度为5mol/L)中酸化处理1h，过滤、洗涤、干燥，制得酸活化碳纤维。

对比例6

一种抗裂低碳高性能混凝土，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于：组分中不含氧化石墨烯。

将实施例1～3、基准样和对比例1～6所得混凝土分别进行工作性能、力学性能和耐久性能等测试，结果分别见表1。其中，按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试混凝土拌合物的坍落度和扩展度；按照GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试混凝土试件的3/28d抗压强度与劈裂抗拉强度；按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试混凝土试件的抗渗性能。

表1混凝土性能测试结果

上述结果表明，本发明协同使用LC3胶凝体系、搅拌站废水、活化碳纤维/氧化石墨烯复合材料，所得抗裂低碳高性能混凝土兼具优异的工作性能、抗裂性能、力学性能以及耐久性，可显著改善建筑工程质量，推进搅拌站废水资源化利用，并大幅降低预拌混凝土行业的碳排放。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。