一种C30碳纤维碎砖再生混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种C30碳纤维碎砖再生混凝土及其制备方法。
背景技术
目前我国的城镇化发展较为迅速，城镇化发展必将产生大量的建筑垃圾，尤其是农村建筑中最常用的砖砌体材料。据统计，旧城改造的建筑垃圾中废砖占50％-70％，建筑施工中的建筑垃圾中废砖占30％-50％。如果建筑垃圾未经任何处理，便被施工单位运往郊外或农村，露天堆放或填埋，将耗用大量的征用土地费、垃圾清运费等建设经费，同时，清运和堆放过程中的遗撒和粉尘、灰砂飞扬等问题又造成严重的环境污染。
解决废砖处理问题最好的方式就是再生利用。废砖再生利用的方式有很多，可以将其破碎为粗骨料、细骨料添加到混凝土中用以部分或者全部替代石子、砂子，也可以将其研磨成粉状添加到混凝土中，目前国内研究较多是将废砖破碎为粗骨料添加到混凝土中。用碎砖全部代替碎石制成的再生混凝土的强度极低且具有较大的脆性，因此很难在建筑结构中推广使用。
发明内容
本发明的第一个目的是为了解决碎砖再生混凝土强度低、脆性大的问题，提供一种等级强度为C30的碳纤维碎砖再生混凝土，利用市场易得材料，采用改进的混凝土搅拌工艺，通过掺加碳纤维、硅灰、粉煤灰、羟丙基甲基纤维素、化学外加剂等，克服碎砖再生混凝土强度低、脆性大、易开裂等缺点，以制备具有优良和易性、较高延性的C30强度等级的碳纤维混凝土。
本发明的第二个目的是提供上述混凝土的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：
一种C30碳纤维碎砖再生混凝土，所述混凝土由包括如下重量份的原料制成：
水泥380-400份、水200-220份、河砂650-670份、碎砖610-630份、碳纤维7-9份、粉煤灰80-120份、硅灰40-60份、减水剂6-8份、激发剂10-12份、分散剂0.9-1.2份、消泡剂0.6-0.7份。
作为优选的，所述混凝土由如下重量份的原料制成：
水泥394份、水212份、河砂660份、碎砖622份、碳纤维8份、粉煤灰100份、硅灰45份、减水剂7.2份、激发剂11份、分散剂1.1份、消泡剂0.62份。
进一步优选的，所述水泥为与聚羧酸系减水剂相容性良好的P.O42.5级普通硅酸盐水泥；
所述河砂为符合GB/T%2014684-2001级配2区的中砂；
所述碎砖的公称粒径在5-20mm之间且具有连续级配，密度在1610kg/m3-1660kg/m3之间，24h的吸水率为15％-18％之间，压碎指标测定值在25％-35％之间；
所述粉煤灰为GB/T%201596-2005的I级特细粉煤灰；
所述硅灰为符合GB/T%2018736-2002的硅灰；
所述减水剂为符合GB%208076-2008的聚羧酸系标准型高性能减水剂；
所述激发剂由重量比1:7的分析纯级无水硫酸钠和熟石灰粉组成，无水硫酸钠的纯度为99％；
所述分散剂选用羟丙基甲基纤维素，密度为1.39g/cm3，100目通过率大于98.5％，碳化温度为280-300℃，粘度在15W以上；
所述消泡剂采用磷酸三丁酯，磷酸三丁酯的20℃密度在0.974-0.980g/ml之间，酸度以H+计≤0.2％，水分≤0.1％。
进一步优选的，所述碳纤维为T300碳纤维，长度为7mm，规格为3K，拉伸强度为3530MPa，拉伸模量为230GPa，密度为1.78g/cm3，伸长率为1.5％，直径为7μm，碳含量为93％。
上述C30碳纤维碎砖再生混凝土的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)按配比称取水泥、碎砖、河砂、粉煤灰、硅灰、减水剂、激发剂，然后将水泥、河砂、粉煤灰、硅灰、减水剂、激发剂充分干拌，再称取30％的水加入到干拌料中进行充分搅拌，制成湿料；
(2)先将碎砖放入水中浸泡10min左右，将浸泡后的碎砖用干毛巾吸干表面水分，然后将碎砖掺加到步骤(1)的湿料中继续充分搅拌；
(3)将剩余70％的水加热到60℃，称取分散剂并放入水中分散溶解，得分散液；向分散液中加入碳纤维，搅拌直至碳纤维完全分散；
(4)在步骤(3)得到的碳纤维分散液中加入消泡剂，继续搅拌，直至分散液表面气泡消失为止；
(5)将步骤(4)得到的碳纤维分散液倒入步骤(2)得到的湿料中充分搅拌至水泥砂浆充分包裹碎砖，形成碳纤维碎砖再生混凝土拌合物；
(6)将步骤(5)得到的混凝土拌合物浇筑到铸铁模具中成型、振实，置于温度为20℃±2℃的环境中，在试块表面覆盖湿润的土工布，静置1天拆模，然后在标准养护室中养护至所需龄期。
本发明采用碳纤维克服了碎砖再生混凝土的脆性，合理的碳纤维掺量保证了混凝土的抗压强度、抗折强度等力学性能；为了使碳纤维更均匀地分散在混凝土浆体中，采用羟丙基甲基纤维素(HPMC)作为分散剂；采用粉煤灰与硅灰复掺改善碎砖再生混凝土的和易性、强度、耐久性；另外通过掺加硫酸钠和熟石灰粉作为激发剂，可有效激发混凝土中粉煤灰的火山灰活性。本发明通过各组分之间的协同作用能够促进胶凝材料水化更加充分，改善混凝土内部的微观组成，减少有害孔隙数量，填充碎砖表面缝隙与孔隙，使混凝土内部结构更加密实，最终制备出具有强度与延性较高、和易性良好的碳纤维碎砖再生混凝土材料。
本发明具有以下有益效果：
(1)通过采用合理的的碳纤维掺量保证混凝土的抗压强度、抗折强度等力学性能。大量试验研究表明：碳纤维混凝土抗压强度、抗折强度等力学性能随碳纤维掺量的增大呈先增大后减小的规律，为保证碳纤维碎砖再生混凝土强度，碳纤维掺量需要合理选取。
采用羟丙基甲基纤维素(HPMC)作为碳纤维的分散剂，羟丙基甲基纤维素具有更多的极性基团，与极性水分子形成氢键，同时在液体表面和内部形成单分子膜和球状胶束，以降低水和空气间的面积，使溶液的表面张力急剧降低，从而增大了碳纤维的亲水性和浸润性，提高了其分散性，形成类胶体分散体系。
(2)采用粉煤灰和硅灰复掺，有效发挥了两者的填充效应、火山灰效应和微集料效应，以及两者互相补充的作用，改善了水泥基-骨料和水泥基-碳纤维的界面粘结，缩小了孔缝尺度，减少了有害孔隙数量，而且填充碎砖表面缝隙与孔隙，使混凝土内部结构更加密实。
(3)采用分析纯级无水硫酸钠-熟石灰粉复合激发剂，其能够提供较多的OH-、Ca2+、SO42-，可以加快粉煤灰内部的活性SiO2、Al2O3等的反应速度，使棒状的水化产物钙矾石数量大大增加，因此加快粉煤灰-水泥体系的水化速度和水化进程，提高了混凝土的早期强度。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
原材料；
1.水泥
水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为P.O%2042.5，密度为3100kg/m3。经检验，水泥各项技术指标符合GB%20175-2007《通用硅酸盐水泥质量标准》的要求：比表面积不小于300m2/kg，烧失量不大于5％，SO3含量应不大于3.5％，MgO2含量不大于5％，氯离子含量不大于0.06％，碱含量不大于0.6％，初凝时间不小于45min，终凝不大于600min，3天强度不小于17MPa，28天强度不小于42.5MPa。
使用前与聚羧酸系标准型高性能减水剂进行两者之间的适应性试验，试验方法采用现行建材行业标准《水泥与减水剂相容性试验方法》JC/T%201083-2008中的方法，最终确定两者相容性良好。
2.细骨料
细骨料采用天然河砂，该河砂为中砂，表观密度为2730kg/m3，泥块含量0.1％，含泥量0.6％，细度模数为2.7，符合GB/T%2014684-2001的级配2区要求。经检验，砂的品质符合现行建材行业标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JC/T%2052-2006及国家标准《建筑用砂》GB/T%2014684-2001中规定的优质砂标准。
3.粗骨料
粗骨料采用碎砖。再生碎砖骨料的表观密度为1652kg/m3，再生碎砖粗骨料24h的吸水率为17.34％，再生碎砖粗骨料的压碎指标测定值为30.1％。
4.水
水为自来水，其品质符合国家标准《混凝土用水标准》JGJ63-2006的要求：pH值不小于4.5，不溶物含量不大于2000mg/L，可溶物的含量不大于5000mg/L，Cl-含量不大于1000mg/L，SO42-含量不大于2000mg/L，碱含量不大于1500rag/L。
5.粉煤灰
采用I级特细粉煤灰，密度为2400kg/m3。经检验，粉煤灰各项标准符合国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T1596-2005的要求：0.045mm方孔筛筛余应不大于10％，其烧失量不大于3％，SO3含量应不大于2％，含水量应不大于1％，需水量比应不大于95％，比表面积应大于700m2/kg。
6.硅灰
其表观密度为2200kg/m3，其品质符合国家标准《高强高性能混凝土用矿物外加剂》GB/T%2018736-2002等相关标准的要求：烧失量不大于6％，SO2含量不小于85％，氯离子含量不大于0.02％，含水量不大于3％，比表面积不小于15000m2/kg，需水量比不大于125％，活性指数(28d)不小于85％。
7.高效减水剂
采用聚羧酸系标准型高性能减水剂，表观密度为1070kg/m3，减水率为32％，氯离子含量不大于0.6％，硫酸钠含量不大于5％，碱含量不大于10％，甲醛含量不大于0.05％，含气量不大于6％，pH值在6～7之间，其品质符合现行国家标准《混凝土外加剂》GB%208076-2008等相关标准的要求。
8.激发剂
采用分析纯级无水硫酸钠-熟石灰粉复合激发剂，两者的重量比为1：7，无水硫酸钠的纯度为99％。
9.分散剂
采用羟丙基甲基纤维素(HPMC)作为分散剂，密度为1.39g/cm3，100目通过率大于98.5％，碳化温度为280-300℃，粘度为20W。
10.消泡剂
采用磷酸三丁酯作为消泡剂，磷酸三丁酯的密度(20℃)在0.974-0.980g/ml之间，酸度(H+计)≤0.2％，水分≤0.1％。
11.碳纤维
采用T300碳纤维，长度为7mm，其余参数指标见表1所示。
表1碳纤维参数指标
试件制作与养护：
(1)按配比称取水泥、碎砖、河砂、粉煤灰、硅灰、减水剂、激发剂，然后将水泥、河砂、粉煤灰、硅灰、减水剂、激发剂充分干拌，再称取30％的水加入到干拌料中进行充分的搅拌，制成湿料。
(2)将碎砖放入水中浸泡10分钟左右，将浸泡后的碎砖加入到步骤(1)的湿料中继续充分搅拌。
(3)将剩余70％的水加热到60℃，称取分散剂，并将其放入水中分散溶解，获得分散液；向分散液中加入碳纤维，搅拌直至碳纤维完全分散。
(4)在步骤(3)得到的碳纤维分散液中加入消泡剂，继续搅拌，直至分散液表面气泡消失为止。
(5)将步骤(4)得到的碳纤维分散液倒入步骤(2)得到的湿料中充分搅拌至水泥砂浆充分包裹碎砖，形成碳纤维碎砖再生混凝土拌合物。
(6)将步骤(5)得到的混凝土拌合物浇筑到150mm×150mm×150mm铸铁模具中成型、振实，置于温度为20℃±2℃的环境中，在试块表面覆盖湿润的土工布，静置1天拆模，然后在标准养护室中养护至28天。
实施例1
本实施例C30强度等级的碳纤维碎砖再生混凝土，碳纤维碎砖再生混凝土中各组分以重量份数计算的配比含量如下：水泥394份、水212份、河砂660份、碎砖622份、碳纤维8份、粉煤灰100份、硅灰45份、减水剂7.2份、激发剂11份、分散剂1.1份、消泡剂0.62份。
实施例2
本实施例C30强度等级的碳纤维碎砖再生混凝土，碳纤维碎砖再生混凝土中各组分以重量份数计算的配比含量如下：水泥380份、水200份、河砂650份、碎砖610份、碳纤维7份、粉煤灰80份、硅灰40份、减水剂6份、激发剂10份、分散剂0.9份、消泡剂0.6份。
实施例3
本实施例C30强度等级的碳纤维碎砖再生混凝土，碳纤维碎砖再生混凝土中各组分以重量份数计算的配比含量如下：水泥400份、水220份、河砂670份、碎砖630份、碳纤维9份、粉煤灰120份、硅灰60份、减水剂8份、激发剂12份、分散剂1.2份、消泡剂0.7份。
测试
坍落度的测试方法：用一个上口100mm、下口200mm、高300mm喇叭状的坍落度桶，灌入碳纤维混凝土分三次填装，每次填装后用捣锤沿桶壁均匀由外向内击25下，捣实后，抹平。然后拔起桶，混凝土因自重产生塌落现象，用桶高(300mm)减去塌落后碳纤维混凝土最高点的高度，称为坍落度。
按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)中的要求，采用型号为HYE-2000的微机电液伺服压力试验机对试件进行抗压强度及劈裂抗拉试验，试验分别以0.5MPa/s、0.05MPa/s的速度连续而均匀地加荷，直至试件破坏。
表2C30强度等级碳纤维碎砖再生混凝土试验结果
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
