本發明涉及混凝土領域，具體而言，涉及一種活性粉末混凝土制品及其制備方法。
背景技術：
活性粉末混凝土(rpc)是一種具有超高強、高韌性、低脆性、耐久性和體積穩定性良好的具有廣闊應用前景的新型超高強混凝土，它是由水泥、粉煤灰、石英砂、硅灰、高效減水劑等組成，為了提高rpc的韌性和延性加入鋼纖維，在rpc的凝結、硬化過程中采取適當的加壓、加熱等成型養護工藝，由于活性細粉占有較大比例，因此它被稱為活性粉末混凝土。這種新型活性粉末混凝土不僅抗壓和抗彎折強度高，而且體積穩定性和耐久性以及抗疲勞性都遠遠高于普通高強混凝土。因其優越的力學和使用性能，活性粉末混凝土在土木、核電等工程領域中有廣闊的應用市場。
而由于大批混凝土工程的建設，用于制備活性粉末混凝土的細骨料，如石英砂、普通砂的資源日益短缺，因此，尋找新的建筑材料取代天然砂石材料成為學者們研究的一個重要課題。金尾礦砂就是用于替換細骨料的研究方向之一。
金尾礦砂是選礦廠在特定的經濟技術條件下，將礦石磨細，選取有用成分后排放的廢棄物。一般情況下，其屬于工業廢料，不但需要占用大量土地，還有發生坍塌事故的風向。因此，以金尾礦砂作為活性粉末混凝土的原料，代替或部分代替石英砂或普通砂，不但能夠產生巨大的經濟效益，而且具有消除安全隱患的作用。
但目前利用金尾礦砂制備的活性粉末混凝土具有抗壓強度不高、流動性差、孔隙率大等缺陷，限制金尾礦砂在制備活性粉末混凝土材料中的應用。因此，本領域亟待對以金尾礦砂為原料的活性粉末混凝土的配方和制備方法進行調整和優化，獲得性能良好的活性粉末混凝土制品，從而擴大金尾礦砂在本領域的應用。
另外，現有的活性粉末混凝土在制備時流動性差，施工難度大，不利于在工業上規模化生產活性粉末混凝土。
有鑒于此，特提出本發明。
技術實現要素：
本發明的第一目的在于提供一種活性粉末混凝土制品，該活性粉末混凝土制品不但具有抗壓力和抗折力強、內部結構好的優點，還具有在制備過程中流動度好、易于施工的優點。
本發明的第二目的在于提供一種所述的活性粉末混凝土制品的制備方法，所述方法的操作簡單，施工方便，易于在工業上大規模生產活性粉末混凝土。
為了實現本發明的上述目的，特采用以下技術方案：
一種活性粉末混凝土制品，按重量份計，所述活性粉末混凝土制品包括以下原料：
凝膠材料100份、細骨料135～145份、鋼纖維15～17份、減水劑1.7～1.9份和水18～22份，其中，按重量份計，每100份所述凝膠材料由75～80份水泥、12～14份硅灰和7～11份粉煤灰組成，每100份所述細骨料由12～14份石英砂、18～21份金尾礦砂和65～70份普通砂組成。
本發明上述活性粉末混凝土制品以石英砂、金尾礦砂和普通砂作為細骨料。首先，采用金尾礦砂代替一部分石英砂，能夠降低成本，減少尾礦廢料的堆積及由此帶來的危害。其次，金尾礦砂和石英砂、普通砂三者在粉體顆粒的細度、顆粒級配和顆粒形狀上能夠很好地配合，減少沙粒之間的孔隙，使彼此堆積密實，從而提高混凝土制品的強度和密實性。本發明還進一步對金尾礦砂、石英砂和普通砂之間的配比，以及與其他原料之間的配比進行限定，使不同粒徑原材料形成一個最大的密實體系，從而使三種骨料組分實現最緊密堆積，改善大摻量礦物細粉混凝土制品的孔結構，減少孔隙率。
本發明上述活性粉末混凝土制品還摻入硅灰，硅灰是鐵合金在冶煉硅鐵和工業硅時，礦熱電爐內產生出大量揮發性很強的sio2和si氣體，氣體排放后與空氣迅速氧化冷凝沉淀而成。硅灰能夠通過填充效應和火山灰效應提高活性粉末混凝土的強度和密實度，通過孔隙溶液化學反應降低孔隙的堿金屬離子濃度，消除混凝土內部孔隙。
本發明所述活性粉末混凝土制品的原料中還包括粉煤灰，粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰，粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物。在混凝土中摻加粉煤灰節約大量的水泥、硅灰和細骨料的用量，降低成本，減少用水量，改善混凝土拌和物的和易性；增強混凝土的可泵性，減少混凝土的徐變，減少水化熱、熱能膨脹性，提高混凝土抗滲能力，增加混凝土的修飾性。
本發明所述活性粉末混凝土制品的原料還包括鋼纖維，鋼纖維是指用鋼材的短纖維，將鋼絲切斷，并按照規定樣式壓制成兩端彎鉤，具有一定強度。加入鋼纖維的混凝土其抗壓強度、拉伸強度、抗彎強度、沖擊強度、韌性、沖擊韌性等性能均得到較大提高，但會降低拌合物的流動性。
本發明所述活性粉末混凝土制品的原料還包括減水劑，減水劑的加入能夠使混凝土具有很好的耐久性、粘聚性，并且具有不泌水、不離析、和水泥適應性較好，坍落度經時損失小等特點。
本發明上述活性粉末混凝土制品對各原料的用量配比進行優化，使得混凝土制品不但具備優良的抗壓性和抗折性，還在制備過程中具有良好的流動性，便于加工成型，提升施工性能。
在一些實施方式中，所述石英砂和金尾礦砂的質量比為37～46:54～63，或37～43：57～63，或37～40：60～63，優選地，40:60。
在一些實施方式中，所述普通砂與細骨料的質量比為0.65～0.7:1，優選地，0.65:1。
在一些實施方式中，所述粉煤灰與凝膠材料的質量比為0.07～0.09：1，優選地，0.09：1。
在一些實施方式中，按重量份計，所述活性粉末混凝土制品包括以下原料：
凝膠材料100份、細骨料140～145份、鋼纖維16～17份、減水劑1.8～1.9份和水18～20份，其中，按重量份計，每100份所述凝膠材料由75～78份水泥、12～13份硅灰和9～11份粉煤灰組成，每100份所述細骨料由13～14份石英砂、19～21份金尾礦砂和65～68份普通砂組成。
在一些實施方式中，按重量份計，所述活性粉末混凝土制品包括以下原料：
凝膠材料100份、細骨料140～143份、鋼纖維16～16.5份、減水劑1.8～1.85份和水19～20份，其中，按重量份計，每100份所述凝膠材料由75～77份水泥、12.5～13份硅灰和9～10份粉煤灰組成，每100份所述細骨料由13.5～14份石英砂、20～21份金尾礦砂和65～67份普通砂組成。
在一些實施方式中，按重量份計，所述活性粉末混凝土制品包括以下原料：
凝膠材料100份、細骨料135份、鋼纖維15份、減水劑1.7份和水18份，其中，按重量份計，每100份所述凝膠材料由75份水泥、12份硅灰和7份粉煤灰組成，每100份所述細骨料由12份石英砂、18份金尾礦砂和65份普通砂組成。
在一些實施方式中，按重量份計，所述活性粉末混凝土制品包括以下原料：
凝膠材料100份、細骨料140份、鋼纖維16.4份、減水劑1.8份和水20份，其中，按重量份計，每100份所述凝膠材料由78份水泥、13份硅灰和9份粉煤灰組成，每100份所述細骨料由14份石英砂、21份金尾礦砂和65份普通砂組成。
按重量份計，所述活性粉末混凝土制品包括以下原料：
凝膠材料100份、細骨料145份、鋼纖維17份、減水劑1.9份和水22份，其中，按重量份計，每100份所述凝膠材料由80份水泥、14份硅灰和11份粉煤灰組成，每100份所述細骨料由14份石英砂、21份金尾礦砂和70份普通砂組成。
本發明對原料的配比進行進一步限定，有上述配比范圍內的原料制備而成的活性粉末混凝土制品在抗壓性、抗折性方面的性能更優異。
在一些實施方式中，所述活性粉末混凝土制品的原料還包括以下重量份的原料：引氣劑0.0078～0.0117份，或引氣劑0.009～0.0117份，或引氣劑0.01～0.0117份；優選地，引氣劑0.0078份、0.010份或0.0117份。
本發明上述活性粉末混凝土制品的原料還包括引氣劑。引氣劑能改善混凝土坍落度、流動性和可塑性，減少混凝土泌水和離析，提高混凝土的均質性，混凝土的熱擴散及傳導系數降低，提高了混凝土的體積穩定性，增強了野外結構的耐候性，延長了道路混凝土的使用壽命，大大提高了混凝土抗凍性、抗鹽漬性、抗滲性、耐硫酸鹽侵蝕及抗堿集料反應性能。
在一些實施方式中，所述石英砂的粒徑在0.15～0.6mm，所述金尾礦砂的粒徑為0.075～0.3mm，所述普通砂的粒徑為0.15～1.18mm。
在一些實施方式中，所述水泥為普通硅酸鹽水泥，優選地，所述普通硅酸鹽水泥的硬度不低于42.5。
在一些實施方式中，所述減水劑選自木質素磺酸鈉鹽減水劑、萘系減水劑、脂肪族減水劑、氨基系減水劑、聚羧酸減水劑中的一種或多種；優選地，所述減水劑為聚羧酸減水劑。
在一些實施方式中，所述鋼纖維為直徑為0.2～0.24mm之間，長度在10～14mm之間。
在一些實施方式中，所述引氣劑選自松香樹脂類引氣劑、烷基苯磺酸鹽類引氣劑、脂肪醇磺酸鹽類引氣劑、皂苷類引氣劑、蛋白質鹽類引氣劑和石油磺鹽酸類引氣劑中的一種或多種；優選地，所述引氣劑為松香樹脂類引氣劑。
本發明還涉及上述活性粉末混凝土制品的制備方法，所述方法包括將各原料混合均勻、成型和熱養護從而獲得所述活性粉末混凝土制品的步驟。
本發明對活性粉末混凝土制品各原料的配比進行優化，所述混凝土的流動性好，易于加工，因此，本發明上述制備方法通過簡單、易操作的步驟即可容易地獲得活性粉末混凝土制品，適合大規模的工業化生產，同時，所述方法采用熱養護，有利于提高活性粉末混凝土制品中活性組分的活性和抗壓強度從而提升其力學性能。
在一些實施方式中，所述將各原料混合均勻的步驟具體為：先將金尾礦砂、石英砂和普通砂混合，加入1/3～1/2水攪拌，攪拌時間不超過30s；再加入硅灰攪拌20～40s；然后加入水泥、粉煤灰和鋼纖維攪拌1～2min；最后加入余量水和減水劑，或水、減水劑和引氣劑，攪拌5～7min。
在一些實施方式中，所述將各原料混合均勻的步驟具體為：先將金尾礦砂、石英砂和普通砂混合，加1/3水攪拌，攪拌30s；再加入硅灰攪拌30s；然后加入水泥、粉煤灰和鋼纖維攪拌2min；最后加入余量水和減水劑，或水、減水劑和引氣劑，攪拌6min。
本發明上述制備方法對投料的順序以及攪拌時間進行優化，增加原料的干攪拌時間，在保證鋼纖維進料的同時可使鋼纖維盡可能的均勻分散，可以有效地減少鋼纖維結團的想象。
與現有技術相比，本發明的有益效果為：
1)、本發明在rpc原料中用金尾礦砂代替一部分石英砂，用粉煤灰代替一部分硅灰，能夠降低顯著降低成本，同時還解決金尾礦砂作為廢棄物占用大量土地的問題。
2)、本發明所述活性粉末混凝土制品的細骨料由金尾礦砂、石英砂和普通砂組成，三者在粉體顆粒的細度、顆粒級配和顆粒形狀上能夠互相配合，減少沙粒之間的孔隙，是沙粒彼此堆積密實，從而提高混凝土制品的強度和密實性，本發明還對金尾礦砂、石英砂和普通砂之間的配比以及與其他原料之間的配比，以及三種砂的粒徑大小進行優化，使得所述細骨料之間能夠形成最大的密實體系，實現最緊密堆積，改善混凝土制品的孔結構，減小孔隙率。
3)、本發明還對粉煤灰、膠砂比、減水劑和引氣劑在原料中的配比進行優化，使得各原料組分在功能上能夠更好地配合，不但增強活性粉末混凝土制品的抗壓性、抗折性，降低孔隙率，改善混凝土的內部結構，還能夠增強混凝土制備過程中的流動性，使混凝土便于加工成型，具有極好的施工性能。
4)、本發明對活性粉末混凝土制品各原料的配比進行優化，所述混凝土的流動性好，易于加工，因此，本發明上述制備方法通過簡單、易操作的步驟即可容易地獲得活性粉末混凝土制品，適合大規模的工業化生產，同時，所述方法采用熱養護，有利于提高活性粉末混凝土制品中活性組分的活性和抗壓強度從而提升其力學性能。
具體實施方式
下面將結合實施例對本發明的實施方案進行詳細描述，但是本領域技術人員將會理解，下列實施例僅用于說明本發明，而不應視為限制本發明的范圍。實施例中未注明具體條件者，按照常規條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規產品。
實施例1
參照以下方法制備活性粉末混凝土制品、測定其流動性、抗壓性和抗折性
1、取料稱量：根據配合比用電子天平和量筒分別稱取以下原料，允許誤差0.1g：
水泥608g、硅灰98.8g、粉煤灰53.2g、石英砂154.3g、金尾礦砂231.5g、普通砂716.6g、水152ml、減水劑13.7g、鋼纖維124.8g，其中，所述水泥為宣化金隅水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥(p.o42.5)，所述石英砂的粒徑在0.15～0.6mm之間，所述金尾礦砂的粒徑在0.075～0.3mm之間，所述普通砂的粒徑在0.15～1.18mm之間，所述減水劑為聚羧酸減水劑，所述鋼纖維為細圓形，表面鍍有金屬銅，直徑為0.22mm，長度在10mm～14mm。
2、實驗前準備：把水泥膠砂攪拌機的攪拌鍋和攪拌棒潤濕。
3、砂混合：先將金尾礦砂在鍋內碾碎，再加入石英砂和普通砂進行混合。
4、攪拌：打開攪拌機開關，同時在鍋內倒入1/3的水，攪拌30s，然后加入硅灰，再攪拌30s，此時將水泥、粉煤灰倒入鍋內，開始攪拌，慢慢加入鋼纖維(2min之內加完)，2min時倒入剩余的水和減水劑(如果有引氣劑，同時還加入引氣劑)，攪拌6min，結束。
5、流動性測量：把剛攪拌好的混凝土制品裝入膠砂流動度測定儀的模內，分兩層，第一層裝至錐圓高約2/3處，用搗棒自邊緣至中心均勻搗實15次，接著裝第二層，再將搗棒自邊緣至中心均勻搗實15次，抹平，慢慢提起模具，打開振動開關，然后根據圓盤上刻度讀出數據。
6、成型：在振動臺上振動兩次，并用搗棒搗實。
7、養護：先在標養室養護一天，拆模，再養護兩天，最后在蒸養箱內養護24h。
8、測強：養護完成后，利用《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(gb.t50081-2002)進行rpc試塊的抗壓、抗折試驗檢測。
實施例2～8
參照實施例1所述方法制備實施例2～8的活性粉末混凝土，并檢測其流動性、抗壓性和抗折性，其區別僅在于各原料的配方如下表所示：
表1實施例2～8所述活性粉末混凝土制品的原料配比表
對比例1～9
參照實施例1所述方法制備對比例1～9的活性粉末混凝土，并檢測其流動性、抗壓性和抗折性，其區別僅在于各原料的配方如下表所示：
表2對比例1～8所述活性粉末混凝土制品的原料配比表
實驗例1減水劑最佳摻量的確定
根據減水劑和水泥的相容性實驗確定減水劑的最佳摻量，實驗結果見表3，由此可見，減水劑在與凝膠材料的質量比在1.7～1.9:100的范圍內流動情況良好，減水劑在與凝膠材料的質量比為1.8:100時，流動性最佳。
表3水泥相容性試驗
實施例2顆粒級配
通過以下方式確定rpc原料中金尾礦砂、石英砂和普通砂的配比：
(1)將細度模數為0.6的金尾礦砂摻入細度模數為2.04的石英砂中，進行一級堆積，求出這兩種骨料的最大堆積密度，數據見表4。具體一級堆積方法如下：利用四分法取樣將石英砂、金尾礦砂兩種骨料混合，以金尾礦砂取代石英砂的方式，求出混合后的最大單位重量，即為兩種混合砂的最佳比例。根據表1所示數據可知，石英砂與金尾礦砂混合摻加的比例為4：6達到最大密實狀態，緊密堆積密度為1374kg/m^3。
表4混合砂不同比例的堆積密度
(2)檢測一級混合砂的顆粒級配是否級配良好，結果見表5。表5數據表明：混合砂的顆粒級配都未在ⅲ區(ⅲ區的砂為細砂及部分較細的中砂，保水性好)。
表5混合砂不同比例的累計篩余％
(3)由于混合砂的顆粒級配都未在ⅲ區，需要加入普通砂，調整顆粒級配，使混合砂級配區達到良好。石英砂和金尾礦砂按4：6混合，然后再加入普通砂，調整混合砂的顆粒級配，使其符合ⅲ區，結果見表6。
表6混合砂與普通砂的顆粒級配
(4)調整混合砂與普通砂的配比，制備活性粉末混凝土制品，并檢測其抗壓性、抗折性和流動性，具體配比參見表7，抗壓性、抗折性和流動性的檢測結果見表8。根據表8的檢測結果可知，在細骨料中加入普通砂可以增強rpc的抗壓強度和流動度，而對抗折強度的影響不規律。根據表8所示數據，在綜合考慮抗壓強度和流動性之后，得出混合砂與普通砂的最佳質量比為0.3～0.35:0.65～0.75。
表7混合砂與普通砂的配比
表8細骨料各組分配比對rpc抗壓強度、抗折強度和流動度的影響
實施例3粉煤灰最佳摻量的確定
調整粉煤灰在凝膠材料中的配比，制備活性粉末混凝土制品，并檢測其抗壓性、抗折性和流動性，具體配比參見表9，檢測結果見表10。根據表10的數據可知，隨著粉煤灰摻量在體系中所占比例逐步增加，rpc抗壓強度、抗折強度和流動度隨著粉煤灰的摻量添加先升高后下降。綜合考慮抗壓強度、抗折強度和流動度，最后確定粉煤灰與膠凝材料的質量比為7～11：100時效果好，粉煤灰與膠凝材料的質量比為9:100時效果最佳。
表9粉煤灰摻量的配比方案
表10粉煤灰摻量與抗壓強度、抗折強度和流動度的關系
實施例4引氣劑最佳摻量的確定
在rpc原料中加入引氣劑，調整引氣劑的摻量，制備活性粉末混凝土制品，并檢測其抗壓性、抗折性和流動性，具體配比參見表11，抗壓性、抗折性和流動性的檢測結果見表12。根據表12所示數據可知，混凝土的流動性隨著引氣劑摻量的增加先上升后下降，但引氣作用對混凝土的強度是不利的，隨著引氣劑的增加，抗折、抗壓強度都有所降低。綜合考慮rpc的工作性能，最后確定引氣劑與凝膠材料的質量比為0.0078～0.0117:100，其中，二者最佳的質量比為0.0117:100。
表11引氣劑摻量的配合比設計方案
表12引氣劑摻量與抗壓強度、抗折強度與流動度的關系
實施例5最佳砂膠比的確定
調整砂膠比(即細骨料與凝膠材料的質量比)，制備活性粉末混凝土制品，并檢測其抗壓性、抗折性和流動性，具體配比參見表13，抗壓性、抗折性和流動性的檢測結果見表14。根據表14的數據可知，隨著膠砂比的增加，混凝土的抗壓、抗折強度都有所增加，但混凝土的流動性下降。綜合考慮rpc的工作性能，砂膠比在1.35～1.45之間為宜，當砂膠比為1.40時，rpc的工作性能最佳。
表13膠砂比的配比方案
表14不同膠砂比對rpc抗壓強度、抗折強度和流動性的影響
最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，但本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。