一种高钛矿渣砂活性粉末混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于高性能建筑材料及固体废弃物在高性能混凝土中的应用领域，具体来讲，涉及一种高钛矿渣砂活性粉末混凝土及其制备方法。
背景技术
随着工程结构向大跨度、超高层、重荷载等方向发展，普通混凝土已难以满足工程建设的需要。同时，近年来国内外混凝土工程，如桥梁、房屋、路面等，不断出现质量问题，也促进了人们对高性能混凝土的关注和研究。
活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)是20世纪90年代，由PierreRichard等在法国研发成功的新型超高性能混凝土。该混凝土是根据紧密堆积原理，将活性粉体以及细骨料为原料而制备得到。目前，该材料在土木、水利、矿山、桥梁以及军事工程等众多领域得到了广泛关注。在现有生产方法中，活性粉末混凝土的原材料配比中的石英砂、石英粉用量很大，通常约1400Kg/m3。而石英砂、石英粉的价格高，会大量增加活性粉末混凝土的生产成本，限制了RPC的进一步推广应用。
高钛矿渣是钒钛磁铁矿炼铁后产生的TiO2质量含量大于15％的工业固体废弃物。但目前高钛矿渣的利用率不高，据初步估计中国的高钛矿渣堆积量达到2亿吨，且仍以2000万吨/年的速率增长，给生态环境造成严重破坏。所以，充分拓展高钛矿渣的应用领域，以减少生态环境压力，很有必要。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种高钛矿渣砂活性粉末混凝土制备方法。本发明的方法不仅可显著降低活性粉末混凝土的成本，拓宽活性粉末混凝土使用骨料的来源，而且有效缓解了因高钛矿渣大量堆积给生态环境造成的危害。
为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种高钛矿渣砂活性粉末混凝土制备方法，所述制备方法可以包括以下步骤：对高钛矿渣干燥，破碎，级配处理，得到级配处理后的高钛矿渣砂；将水泥、粉煤灰、硅灰与钢纤维混匀，然后加入水和减水剂，混匀后得到浆体；将级配处理后的高钛矿渣砂与浆体混合，成型，养护，得到活性粉末混凝土，其中，所述高钛矿渣砂、水泥、粉煤灰、硅粉、钢纤维、水以及减水剂的质量份数比为：高钛矿渣砂55份～65份、水泥15份～24份、粉煤灰5份～8份、硅灰2.5份～4份、钢纤维2份～5.5份、水4.5份～8.5份、减水剂0.5份～1.0份。
在本发明的高钛矿渣砂活性粉末混凝土制备方法的一个示例性实施例中，所述高钛矿渣砂按质量百分比计可以包括：TiO2 16％～23％、SiO2 15％～23％、CaO 17％～25％，Al2O3 18％～22％，MgO 6％～9％，Fe2O3 4％～7％。
在本发明的高钛矿渣砂活性粉末混凝土制备方法的一个示例性实施例中，所述级配处理按质量份数计包括：1.18mm～0.6mm粒径的高钛矿渣35份～45份，0.6mm-0.3mm粒径的高钛矿渣30份～45份，0.3mm-0.15mm粒径的高钛矿渣15份～25份。
在本发明的高钛矿渣砂活性粉末混凝土制备方法的一个示例性实施例中，所述养护可以包括将所述高钛矿渣砂与浆体混合成型后置于温度18℃～22℃、湿度≥95％的环境中养护20h～28h后脱模，并放置于温度75℃～85℃的蒸汽、沸水或蒸压环境中继续养护40h～52h。
在本发明的高钛矿渣砂活性粉末混凝土制备方法的一个示例性实施例中，所述高钛矿渣砂可以为熔融高钛矿渣经冷却，破碎，筛分后粒径小于1.18mm的颗粒，所述高钛矿渣砂的松散堆积密度为1350Kg/m3～1465Kg/m3、紧密堆积密度为1800Kg/m3～2001Kg/m3、表观密度为3000Kg/m3～3260Kg/m3。
在本发明的高钛矿渣砂活性粉末混凝土制备方法的一个示例性实施例中，所述硅灰中含有的SiO2质量百分比可以不低于92％，所述水泥为强度等级可以不低于42.5MPa的普通硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中的一种或几种组合。
本发明的另一方面提供了一种高钛矿渣砂活性粉末混凝土，所述高钛矿渣砂活性粉末混凝土所述的高钛矿渣砂活性粉末混凝土制备方法制备得到。
在本发明的高钛矿渣砂活性粉末混凝土的一个示例性实施例中，所述高钛矿渣砂活性粉末混凝土的密度可以≤2700Kg/m3，抗压强度可以≥170MPa，抗折强度可以≥22MPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
(1)本发明的方法采用的高钛矿渣圆形度较好，几乎不存在针片状颗粒，有利于实现紧密堆积，进而改善活性粉末混凝土的密实度，提高力学性能；
(2)本发明采用的高钛矿渣颗粒因结晶稳定，玻璃相含量较低，作为骨料使用不会因碱骨料反应而造成耐久性不良；同时玻璃相中离子又在长期碱性环境中溶出，与胶凝材料组分反应生成水化产物，提高骨料与浆体的界面密实度，能够保证材料的长期性能；
(3)本发明的高钛矿渣砂可完全取代石英砂、石英粉等常规活性粉末混凝土用骨料，大幅降低活性粉末混凝土成本。
(4)本发明的活性粉末混凝土具有较高的密实度、力学性能和耐久性，适用于轨道交通、海绵城市建设、地下管线及预制装配管廊等工程结构，是国家鼓励的高性能绿色建材产品。
(5)本发明将难以利用的工业废弃物-高钛矿渣用于高性能混凝土，解决建筑领域原材料短缺问题的同时，实现固体废弃物的高效优质利用，缓解环境负荷，改善生态环境。
(6)本发明的产品制备工艺简单，操作方便，经济环保；从高钛矿渣的综合利用及预制装配管廊制品生产技术、经济和环保角度出发，本发明将具有重大的社会、经济、环境效益，实用性强。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了本发明一个示例性实施例的高钛矿渣砂活性粉末混凝土制备方法的流程示意图。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本发明的一种高钛矿渣砂活性粉末混凝土及其制备方法。
具体来讲，一方面，传统的活性粉末混凝土均是采用大量的石英砂、石英粉作为原料，由于石英砂、石英粉的价格均较高，这样就势必会增加活性粉末混凝土的生产成本；另一方面，高钛矿渣作为钒钛铁矿冶炼生铁过程产生的副产物，目前堆积量大，亟待应用。磨细后的高钛矿渣粉与水泥、外加剂的相容性良好，且价格便宜。将高钛矿渣替代石英砂、石英粉，不仅可大幅降低活性粉末混凝土的生产成本，而且可以解决高钛矿渣因长期堆积带来的环境问题，将钛矿渣变废为宝，为高钛矿渣的应用开辟了新的途径。
图1示出了本发明一个示例性实施例的高钛矿渣砂活性粉末混凝土制备方法的流程示意图。
本发明的一方面提供了一种高钛矿渣砂活性粉末混凝土制备方法。在本发明的高钛矿渣砂活性粉末混凝土制备方法的一个示例性实施例中，所述制备方法可以包括：
步骤S01，将高钛矿渣干燥，破碎，筛选，级配设计，得到级配设计后的高钛矿渣砂。
在本实施例中，所述高钛矿渣砂按质量百分比计包括：TiO2 16％～23％、SiO215％～23％、CaO 17％～25％，Al2O3 18％～22％，MgO 6％～9％，Fe2O3 4％～7％，其他为一些不可避免的杂质。所述高钛矿渣为自然干燥或者设备烘干的高钛矿渣，所述高钛矿渣的颗粒结晶稳定，玻璃相含量低，圆形度好，几乎不存在针片状颗粒。所述高钛矿渣是作为骨料使用，不会因碱骨料反应而造成耐久性不良。
在本实施例中，所述级配处理包括按质量份数计，1.18mm～0.6mm粒径的高钛矿渣颗粒35份～45份，0.6mm-0.3mm粒径的高钛矿渣颗粒30份～45份，0.3mm-0.15mm粒径的高钛矿渣颗粒15份～25份。设置上述级配处理的好处在于，骨料堆积致密，空隙率小，当固定浆体掺量时可提高骨料的浆体包裹层厚度，有益于强度提高和结构稳定，当固定强度时，可降低浆体最小需求量，有益于成本降低。进一步的，所述级配处理包括按质量份数计，1.18mm～0.6mm粒径的高钛矿渣颗粒35份～48份，0.6mm-0.3mm粒径的高钛矿渣颗粒32份～44份，0.3mm-0.15mm粒径的高钛矿渣颗粒15份～28份。
在本实施例中，所述高钛矿渣砂可以为熔融高钛矿渣经冷却，破碎，筛分后粒径小于1.18mm的颗粒。进一步的，所述高钛矿渣砂可以是粒径小于1.16mm的固体颗粒。所述高钛矿渣砂的松散堆积密度可以为1350Kg/m3～1465Kg/m3，进一步的，可以为1377Kg/m3～1458Kg/m3，更进一步的，可以为1415.2Kg/m3。所述紧密堆积密度可以为1800Kg/m3～2001Kg/m3，进一步的，所述紧密堆积密度可以为1875Kg/m3～1991Kg/m3，例如，可以为1901.8Kg/m3。所述表观密度可以为3000Kg/m3～3260Kg/m3，进一步的，可以为3088Kg/m3～3250Kg/m3，例如，可以为3169.9Kg/m3。
步骤S02，将水泥、粉煤灰、硅灰与钢纤维混匀，然后加入水和减水剂，混匀后得到流动性能好的浆体，并将上述级配处理后的高钛矿渣砂加入浆体中，成型，养护，得到活性粉末混凝土。
在本实施例中，所述级配处理后的高钛矿渣砂、水泥、粉煤灰、硅粉、钢纤维、水以及减水剂的质量份数比可以为：高钛矿渣砂55份～65份、水泥15份～24份、粉煤灰5份～8份、硅灰2.5份～4份、钢纤维2份～5.5份、水4.5份～8.5份、减水剂0.5份～1.0份。进一步的，所述质量份数比可以为高钛矿渣砂55份～63份、水泥16份～25份、粉煤灰5份～9份、硅灰3份～4份、钢纤维2份～5份、水4.5份～8份、减水剂0.5份～1.0份。
以上，设置上述质量份数比可以制备得到密实度高，力学性能和耐久性能好，性能长期温度的活性粉末混凝土。
在本实施例中，所述水泥可以为强度等级不低于42.5MPa普通硅酸盐水泥或火山灰质硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等硅酸盐体系水泥中的一种或者两种组合。
在本实施例中，所述硅灰中的SiO2质量百分比应当不低于92％。
在本实施例中，所述粉煤灰的活性指数可以大于70％，进一步的，粉煤灰的活性指数可以大于75％。
在本实施例中，所述减水剂可以是聚羧酸减水剂。所述钢纤维可以是铜微钢纤维。当然，减水剂以及钢纤维不限于此，本领域常用的减水剂和钢纤维均可。
在本实施例中，在浆体配置完成后，可以在较短的时间内将级配处理后的高钛矿渣砂加入浆体中。例如，可以在1分钟加入。
在本实施例中，可以将成型后的产品置于温度18℃～22℃、湿度≥95％的环境中养护20小时～24小时，例如，置于温度20℃、湿度≥95％的环境中养护24小时。脱去模具后，置于温度75℃～85℃的蒸汽、沸水或蒸压环境中继续养护40h～52h，制备得到活性粉末混凝土。例如，在温度85℃的蒸汽中养护50h。
以上，需要说明的是浆体的制备与高钛矿渣砂的制备之间并没有严格的先后顺序，可以同时进行，也可以分步进行。
本发明的另一方面提供了一种活性粉末混凝土，在本发明的活性粉末混凝土的一个示例性实施例中，所述活性粉末混凝土可以由上所述的高钛矿渣砂活性粉末混凝土制备方法制备得到。所述活性粉末混凝土的密度可以≤2700Kg/m3，抗压强度≥170MPa，抗折强度≥22MPa。进一步的，所述活性粉末混凝土的密度可以≤2600Kg/m3，抗压强度≥180MPa，抗折强度≥25MPa。
在本实施例中，所述高钛矿渣砂按质量百分比计可以包括：TiO216％～23％、SiO215％～23％、CaO 17％～25％，Al2O3 18％～22％，MgO 6％～9％，Fe2O3 4％～7％。
在本实施例中，所述硅灰中含有的SiO2质量百分比可以不低于92％，所述水泥为强度等级不低于42.5MPa的普通硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中的一种或几种组合。
在本实施例中，所述高钛矿渣砂为熔融高钛矿渣经冷却，破碎，筛分后粒径可以小于1.18mm的颗粒，所述高钛矿渣砂的堆积密度可以为1350Kg/m3～1465Kg/m3、紧密堆积密度可以为1800Kg/m3～2001Kg/m3、表观密度可以为3000Kg/m3～3260Kg/m3。
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。
示例1：
一种高钛矿渣砂活性粉末混凝土，由质量份数比为61.1份的高钛矿渣砂、17.4份的水泥、8.7份的粉煤灰、2.8份的硅灰、3.0份的钢纤维、0.6份的聚羧酸减水剂和6.4份的水制备而成。
制备方法包括：
1)将高钛矿渣置于105℃烘箱中烘干后，于破碎机中破碎成粒径小于1.18mm。再筛分成1.18mm-0.6mm、0.6mm-0.3mm、0.3mm-0.15mm三个粒级，备用。
2)按质量份计，61.1份高钛矿渣砂、17.4份水泥、8.7份粉煤灰、2.8份硅灰、3.0份钢纤维、0.6份减水剂和6.5份水混合为粉料；
3)将步骤2中粉料与钢纤维先混合均匀后，加水搅拌均匀，再缓慢加入步骤1得到的高钛矿渣砂，搅拌、注模成型、振动密实；
4)将步骤3所述成型样品置于温度20℃、湿度96％的环境中养护24h后脱模；脱模后的样品置于75℃蒸汽环境中养护40h，得到高钛矿渣活性粉末混凝土。
示例1试样测试结果：表观密度为2610Kg/m3，抗折强度为23.19MPa，抗压强度为161.55MPa。
示例2：
一种高钛矿渣砂活性粉末混凝土，由质量份数比为56.5份高钛矿渣砂、20.16份水泥、10.08份粉煤灰、3.36份硅灰、2.8份钢纤维、0.4份聚羧酸减水剂和6.7份水制备而成。
制备方法包括：
1)将高钛矿渣自然干燥后，于破碎机中破碎成粒径小于1.18mm。再筛分成1.18mm-0.6mm、0.6mm-0.3mm、0.3mm-0.15mm三个粒级，备用。
2)按质量份为56.5份高钛矿渣砂、20.16份水泥、10.08份粉煤灰、3.36份硅灰、2.8份钢纤维、0.4份减水剂和6.7份水混合为粉料；
3)将步骤2中粉料与钢纤维先混合均匀后，加水搅拌均匀，再缓慢加入步骤1得到的高钛矿渣砂，搅拌、注模成型、振动密实；
4)将步骤3所述成型样品置于温度22℃、湿度98％的环境中养护24h后脱模；脱模后的样品置于85℃热水环境中养护52h。
示例2试样测试结果：表观密度为2630Kg/m3，抗折强度为24.71MPa，抗压强度为178.88MPa。
示例3：
一种高钛矿渣砂活性粉末混凝土，由质量份数比为54.1份高钛矿渣砂、21.30份水泥、10.65份粉煤灰、3.55份硅灰、3.3份钢纤维、0.8份聚羧酸减水剂和6.2份水制备而成。
活性粉末混凝土的制备方法为：
1)将高钛矿渣置于105℃烘箱中烘干后，于破碎机中破碎成粒径小于1.18mm。再筛分成1.18mm-0.6mm、0.6mm-0.3mm、0.3mm-0.15mm三个粒级，备用。
2)按质量份为54.1份高钛矿渣砂、21.30份水泥、10.65份粉煤灰、3.55份硅灰、3.3份钢纤维、0.8份减水剂和6.2份水混合为粉料；
3)将步骤2中粉料与钢纤维先混合均匀后，加水搅拌均匀，再缓慢加入步骤1得到的高钛矿渣砂，搅拌、注模成型、振动密实；
4)将步骤3所述成型样品置于温度21℃、湿度97％的环境中养护24h后脱模；脱模后的样品置于80℃蒸汽环境中养护45h。
示例3试样测试结果：表观密度为2650Kg/m3，抗折强度为31.33MPa，抗压强度为195.68MPa。
示例4：
一种高钛矿渣砂活性粉末混凝土，由质量份数比为61.4份高钛矿渣砂、18.42份水泥、9.21份粉煤灰、3.07份硅灰、1.4份钢纤维、0.4份聚羧酸减水剂和6.1份水混合制备而成。
活性粉末混凝土的制备方法为：
1)将高钛矿渣自然干燥后，于破碎机中破碎成粒径小于1.18mm。再筛分成1.18mm-0.6mm、0.6mm-0.3mm、0.3mm-0.15mm三个粒级，备用。
2)按质量份为61.4份高钛矿渣砂、18.42份水泥、9.21份粉煤灰、3.07份硅灰、1.4份钢纤维、0.4份减水剂和6.1份水的组成称取各组分原来；
3)将步骤2中粉料与钢纤维先混合均匀后，加水搅拌均匀，再缓慢加入钛矿渣，搅拌、注模成型、振动密实；
4)将步骤3所述成型样品置于温度22℃、湿度95％的环境中养护24h后脱模；脱模后的样品置于82℃蒸压环境中养护48h。
示例4试样测试结果：表观密度为2650Kg/m3，抗折强度为25.16MPa，抗压强度为197.01MPa。
示例1～4活性粉末混凝土及其制备方法中的原材料组成及配比如下表：
上表中的胶凝材料是指水泥、粉煤灰以及硅灰所形成的混合物。
示例1～4活性粉末混凝土的性能如下表：
为了更好的体现本发明使用高钛矿渣砂作为骨料制备活性粉末混凝土的技术效果，下面为上述具体示例1～4的对比示例。
对比示例1：
一种普通活性粉末混凝土，由质量份数比为61.1份的石英砂、17.4份的水泥、8.7份的粉煤灰、2.8份的硅灰、3.0份的钢纤维、0.6份的聚羧酸减水剂和6.4份的水制备而成。
制备方法包括：
1)将石英砂置于105℃烘箱中烘干后，于破碎机中破碎成粒径小于1.18mm。再筛分成1.18mm-0.6mm、0.6mm-0.3mm、0.3mm-0.15mm三个粒级，备用。
2)按质量份计，61.1份石英砂、17.4份水泥、8.7份粉煤灰、2.8份硅灰、3.0份钢纤维、0.6份减水剂和6.5份水混合为粉料；
3)将步骤2中粉料与钢纤维先混合均匀后，加水搅拌均匀，再缓慢加入步骤1得到的石英砂，搅拌、注模成型、振动密实；
4)将步骤3所述成型样品置于温度20℃、湿度96％的环境中养护24h后脱模；脱模后的样品置于75℃蒸汽环境中养护40h，得到普通活性粉末混凝土。
对比示例1试样测试结果：表观密度为2300Kg/m3，抗折强度为16.15MPa，抗压强度为129.33MPa。
对比示例2：
一种普通活性粉末混凝土，由质量份数比为56.5份石英砂、20.16份水泥、10.08份粉煤灰、3.36份硅灰、2.8份钢纤维、0.4份聚羧酸减水剂和6.7份水制备而成。
制备方法包括：
1)将石英砂自然干燥后，于破碎机中破碎成粒径小于1.18mm。再筛分成1.18mm-0.6mm、0.6mm-0.3mm、0.3mm-0.15mm三个粒级，备用。
2)按质量份为56.5份石英砂、20.16份水泥、10.08份粉煤灰、3.36份硅灰、2.8份钢纤维、0.4份减水剂和6.7份水混合为粉料；
3)将步骤2中粉料与钢纤维先混合均匀后，加水搅拌均匀，再缓慢加入步骤1得到的石英砂，搅拌、注模成型、振动密实；
4)将步骤3所述成型样品置于温度22℃、湿度98％的环境中养护24h后脱模；脱模后的样品置于85℃热水环境中养护52h。
对比示例2试样测试结果：表观密度为2320Kg/m3，抗折强度为19.33MPa，抗压强度为131.90MPa。
对比示例3：
一种普通活性粉末混凝土，由质量份数比为54.1份石英砂、21.30份水泥、10.65份粉煤灰、3.55份硅灰、3.3份钢纤维、0.8份聚羧酸减水剂和6.2份水制备而成。
普通活性粉末混凝土的制备方法为：
1)将石英砂置于105℃烘箱中烘干，于破碎机中破碎成粒径小于1.18mm。再筛分成1.18mm-0.6mm、0.6mm-0.3mm、0.3mm-0.15mm三个粒级，备用。
2)按质量份为54.1份石英砂、21.30份水泥、10.65份粉煤灰、3.55份硅灰、3.3份钢纤维、0.8份减水剂和6.2份水混合为粉料；
3)将步骤2中粉料与钢纤维先混合均匀后，加水搅拌均匀，再缓慢加入步骤1得到的石英砂，搅拌、注模成型、振动密实；
4)将步骤3所述成型样品置于温度21℃、湿度97％的环境中养护24h后脱模；脱模后的样品置于80℃蒸汽环境中养护45h。
对比示例3试样测试结果：表观密度为2360Kg/m3，抗折强度为24.52MPa，抗压强度为154.19MPa。
对比示例4：
一种普通活性粉末混凝土，由质量份数比为61.4份石英砂、18.42份水泥、9.21份粉煤灰、3.07份硅灰、1.4份钢纤维、0.4份聚羧酸减水剂和6.1份水混合制备而成。
普通活性粉末混凝土的制备方法为：
1)将石英砂置于105℃烘箱中烘干或自然干燥后，于破碎机中破碎成粒径小于1.18mm。再筛分成1.18mm-0.6mm、0.6mm-0.3mm、0.3mm-0.15mm三个粒级，备用。
2)按质量份为61.4份石英砂、18.42份水泥、9.21份粉煤灰、3.07份硅灰、1.4份钢纤维、0.4份减水剂和6.1份水的组成称取各组分原来；
3)将步骤2中粉料与钢纤维先混合均匀后，加水搅拌均匀，再缓慢加入钛矿渣，搅拌、注模成型、振动密实；
4)将步骤3所述成型样品置于温度22℃、湿度95％的环境中养护24h后脱模；脱模后的样品置于82℃蒸压环境中养护48h。
对比示例4试样测试结果：表观密度为2360Kg/m3，抗折强度为22.56MPa，抗压强度为161.43MPa。
对比示例1～4的普通活性粉末混凝土及其制备方法中的原材料组成及配比如下表：
上表中的胶凝材料是指水泥、粉煤灰以及硅灰所形成的混合物。
对比示例1～4的普通活性粉末混凝土的性能如下表：
对比上述示例1～4利用高钛矿渣砂制备得到的高钛矿渣砂活性粉末混凝土与对比示例1～4利用石英砂制备得到的普通活性粉末混凝土发现，利用高钛矿渣砂制备得到的活性粉末混凝土具有较高的密实度、抗压强度和抗折强度，具有更好的力学性能和耐久性能。
综上所述，本发明采用高钛矿渣作为骨料使用制备活性粉末混凝土，不仅降低了活性粉末混凝土的成本，而且还将高钛矿渣变废为宝；本发明的高钛矿渣砂活性粉末混凝土抗压强度以及抗折强度高，制备工艺简单，适用于轨道交通、海绵城市建设、地下管线及预制装配管廊等工程结构，是国家鼓励的高性能绿色建材产品。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。
