[0001] 本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种低水化峰值温度的大体积混凝土及其制备方法。

[0002] 随着我国经济的快速发展，基础建设和建筑工程领域的投资幅度逐渐增大，越来越多的大型、超大型建筑工程和大面积、大体积的混凝土基础工程随之产生。大体积混凝土作为现代工程建设中的一种重要结构形式，已被广泛应用于高层建筑物、水利水电工程、桥梁和港口建筑物等建设工程中。然而，当大体积混凝土浇筑完成后，其内部水泥的水化反应会释放大量的水化热，致使结构内部的温度急剧上升，同时由于大体积混凝土导热性能较差，大量的热能难以及时散发，导致混凝土内外部温度分布失衡，形成温度应力，进而诱发混凝土内部的温度裂缝，严重影响混凝土结构的服役性能和耐久性能。

[0003] 针对大体积混凝土的水化反应放热量大、内部峰值温度高等技术难点，目前工程建设中对大体积混凝土常用的降温方式有：（1）对混凝土的原材料进行预冷却处理；（2）采用冷水对混凝土进行拌合；（3）采用保温保湿方式养护；（4）对大体积混凝土内部预埋冷却水管。然而，这些降温方式也有些不利之处，如工艺较为繁琐、影响大体积混凝土服役性能以及导致工程建设成本上升等问题。此外，混凝土作为当今世界上广泛应用的建筑材料之一，对石子、河砂等天然原材料的需求量较大，而大量开采天然河砂将加剧自然资源的日益紧缺现象，严重影响我国河道的结构安全和生态系统平衡。

[0004] 因此，本发明提出了一种新型低水化峰值温度的大体积混凝土及其制备方法，采用陶粒包覆氮化硼相变储热材料，制备具有高储热性能的氮化硼陶粒骨料，对大体积混凝土中的天然粗骨料组分进行部分取代，能够有效降低大体积混凝土的水化峰值温度，延缓大体积混凝土水化放热行为，减少大体积混凝土内部温度裂缝的形成速率，解决大体积混凝土在凝固成型过程中水化温升快的问题和天然骨料资源日益紧缺的问题，具有显著的社会、经济与环境效益。

[0042] 下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0043] 本发明提供一种低水化峰值温度的大体积混凝土，原料按重量份数计包括：水泥150 200份、粉煤灰80 130份、矿渣粉30 70份、碎石500 700份、氮化硼陶粒骨料200 350份、~ ~ ~ ~ ~
砂800 1000份、水150 200份、外加剂5 10份；其中，所述氮化硼陶粒骨料的制备方法如下：
~ ~ ~

[0044] （1）将粉煤灰、城市污泥、淤泥进行破碎和干燥处理；对氮化硼进行筛分，使粒径5~20 μm和20 50 μm的质量比为（6 7）：（3 4）；
~ ~ ~

[0045] （2）将处理后的粉煤灰、城市污泥、淤泥按质量比（3 5）：（3 5）：（1 3）混合均匀，掺~ ~ ~入氮化硼，混合均匀得到陶粒生料；所述氮化硼的用量为粉煤灰、城市污泥、淤泥质量总和的3% 20%；
~

[0046] （3）将陶粒生料置于容器中，加入无机造孔剂和适量的水混合均匀，陈化30 60 ~min；

[0047] （4）将陈化后的陶粒生料进行造粒，烧结，得到粒径范围为5 20 mm的A型氮化硼陶~粒和粒径范围为20 31.5 mm的B型氮化硼陶粒，将A型、B型氮化硼陶粒按质量比（6 7）：（3~ ~ ~
4）混合，得到氮化硼陶粒骨料。

[0048] 在一些示例中，所述氮化硼陶粒骨料的技术指标为：表观密度≤1900 kg/m3；堆积3
密度≤700 kg/m；筒压强度≥5 MPa；强度≥40 MPa；1h的吸水率≤15% 。

[0049] 在一些示例中，所述氮化硼为六方氮化硼、立方氮化硼或纤锌矿氮化硼中的一种3
或几种，所述氮化硼粒径为5 50 μm，纯度≥99%，表观密度为2300 3450 kg/m。
~ ~

[0050] 在一些示例中，所述无机造孔剂为炭粉、碳酸钙、碳酸镁中的一种或几种的混合。

[0051] 在一些示例中，所述无机造孔剂的用量为陶粒生料质量的6% 8%。~

[0052] 在一些示例中，所述陈化后陶粒生料的含水率为10% 15%。~

[0053] 在一些示例中，所述造粒所用的造粒机为双模挤出造粒机、锅式造粒机、旋转式造粒机中的一种。

[0054] 在具体实施例中，如无特殊说明，所述粉煤灰为燃煤电厂回收的F类II级粉煤灰，其颗粒粒径≤0.9 mm；所述城市污泥、淤泥为经过滤、吸附、沉淀和分离后的城市污泥、淤泥；所述经破碎和干燥处理后的城市污泥或淤泥的含水率≤1%，颗粒粒径≤0.8 mm，所述经破碎和干燥处理后的污泥的化学成分为SiO2 56.84%、Al2O3 22.98%、MgO 2.63%、CaO 4.16%、Fe2O3 10.84%、ZnO 0.04%、K2O 1.03%、TiO2 1.02%，所述经破碎和干燥处理后的淤泥的化学成分为SiO2 71.61%、Al2O3 14.96%、Fe2O3 5.16%、K2O 2.25%、CaO 1.55%、Na2O 
1.54%、MgO 1.23%、TiO2 0.952%、P2O5 0.327%、MnO 0.173%；所述的氮化硼为六方氮化硼，其
3
粒径大小为5 50 μm，纯度为99.5%，表观密度为2300 kg/m；所述筛分所用的气流筛分仪产~ 3
生的气流量为30 120 m/h，转速为5 30 rpm，可自动清理筛网；所述陈化所用的水为城市~ ~
生活用自来水；所述无机造孔剂为碳酸钙，用量为陶粒生料质量的7%；所述陈化后的陶粒生料的含水率为13%；所述容器为铁制圆柱形容器，容器壁厚10 20 mm；所述造粒所用的造粒~
机为双模挤出造粒机。

[0055] 所述低水化峰值温度的大体积混凝土的制备方法，包括以下步骤，

[0056] S1、将氮化硼陶粒骨料预湿1 2 h；~

[0057] S2、将水泥、砂、粉煤灰、矿渣粉依次加入混凝土搅拌机中，混合均匀；

[0058] S3、将碎石和氮化硼陶粒骨料加入混凝土搅拌机中，混合均匀；

[0059] S4、将外加剂掺入水中，混合均匀后倒入混凝土搅拌机中，混合均匀，得到低水化峰值温度的大体积混凝土。

[0060] 在一些示例中，所述水泥为P·O 42.5级硅酸盐水泥、P·LH 42.5级低热硅酸盐水泥、P·MH 42.5级中热硅酸盐水泥中的一种。

[0061] 在具体实施例中，如无特殊说明，所述水泥为P·O 42.5级硅酸盐水泥；所述粉煤灰为燃煤电厂回收的F类II级粉煤灰，其颗粒粒径≤0.9 mm；所述矿渣粉为S95级粒化高炉3
矿渣粉；所述碎石的粒径为5 31.5 mm的连续级配碎石，表观密度为2750 kg/m ，堆积密度~
3 3
为1600 kg/m；所述砂为中砂，细度模数为24，含泥量为1%，表观密度约为2650 kg/m；所述外加剂为缓凝型聚羧酸减水剂。

[0062] 实施例1

[0063] 一种低水化峰值温度的大体积混凝土，包括以下重量组分：水泥170份、粉煤灰100份、矿渣粉50份、碎石600份、氮化硼陶粒骨料350份、砂900份、水170份、外加剂7份。制备步骤如下：

[0064] （1）将粉煤灰、城市污泥、淤泥进行破碎和脱水干燥处理；采用气流筛分仪对氮化硼进行筛分2 min，使粒径范围5 20 μm和20 50 μm的质量比为7：3；~ ~

[0065] （2）将经破碎和干燥处理后的粉煤灰、城市污泥、淤泥按质量比为5：3：2进行混合，掺入10%的氮化硼，得到陶粒生料；

[0066] （3）将陶粒生料倒入容器内，加入无机造孔剂和适量的水搅拌均匀，陈化60 min；

[0067] （4）对陈化后的陶粒生料进行造粒，将陶粒生料颗粒置于烘箱内，控制烘箱温度为105±5℃，干燥处理30 min；随后，将陶粒生料颗粒置于高温炉内，调节温度升至600℃，进行预热30min；预热结束后，调节温度至1200℃进行烧结40 min，以3℃/min的速率将温度冷却至室温后，得到粒径范围为5 20 mm的A型氮化硼陶粒和粒径范围为20 31.5 mm的B型氮~ ~
化硼陶粒，将A型、B型氮化硼陶粒按质量比7：3混合得到氮化硼陶粒骨料，所述氮化硼陶粒骨料的技术指标见表1；

[0068] （5）将氮化硼陶粒骨料预湿处理1 h；

[0069] （6）将水泥、砂、粉煤灰、矿渣粉依次加入混凝土搅拌机中，搅拌2min混合均匀；

[0070] （7）将碎石和氮化硼陶粒骨料加入混凝土搅拌机中，搅拌2min混合均匀；

[0071] （8）将外加剂掺入水中，搅拌均匀后倒入混凝土搅拌机中，继续搅拌2min，得到低水化峰值温度的大体积混凝土。

[0072] 表1：氮化硼陶粒骨料的技术指标

[0073]

[0074] 对比例1

[0075] 一种低水化峰值温度的大体积混凝土，包括以下重量组分：水泥170份、粉煤灰100份、矿渣粉50份、碎石600份、氮化硼陶粒骨料350份、砂900份、水170份、外加剂7份。制备步骤如下：

[0076] （1）将粉煤灰、城市污泥、淤泥进行破碎和脱水干燥处理；采用气流筛分仪对氮化硼进行筛分2 min，使粒径范围5 20 μm和20 50 μm的质量比为7：3；~ ~

[0077] （2）将经破碎和干燥处理后的粉煤灰、城市污泥、淤泥按质量比为5：3：2进行混合，掺入10%的氮化硼，得到陶粒生料；

[0078] （3）将陶粒生料倒入容器内，加入无机造孔剂和适量的水搅拌均匀，陈化60 min；

[0079] （4）对陈化后的陶粒生料进行造粒，将陶粒生料颗粒置于烘箱内，控制烘箱温度为105±5℃，干燥处理30 min；随后，将陶粒生料颗粒置于高温炉内，调节温度升至600℃，进行预热30min；预热结束后，调节温度至1200℃进行烧结40 min，以3℃/min的速率将温度冷却至室温后，得到粒径范围为5 20 mm的氮化硼陶粒骨料；
~

[0080] （5）将氮化硼陶粒骨料预湿处理1 h；

[0081] （6）将水泥、砂、粉煤灰、矿渣粉依次加入混凝土搅拌机中，搅拌2min混合均匀；

[0082] （7）将碎石和氮化硼陶粒骨料加入混凝土搅拌机中，搅拌2min混合均匀；

[0083] （8）将外加剂掺入水中，搅拌均匀后倒入混凝土搅拌机中，继续搅拌2min，得到大体积混凝土。

[0084] 对比例2

[0085] 一种低水化峰值温度的大体积混凝土，包括以下重量组分：水泥170份、粉煤灰100份、矿渣粉50份、碎石600份、陶粒骨料350份、砂900份、水170份、外加剂7份。制备步骤如下：

[0086] （1）将粉煤灰、城市污泥、淤泥进行破碎和脱水干燥处理；

[0087] （2）将经破碎和干燥处理后的粉煤灰、城市污泥、淤泥按质量比为5：3：2进行混合得到陶粒生料；将陶粒生料倒入容器内，加入无机造孔剂和适量的水搅拌均匀，陈化60 min；

[0088] （3）对陈化后的陶粒生料进行造粒，将陶粒生料颗粒置于烘箱内，控制烘箱温度为105±5℃，干燥处理30 min；随后，将陶粒生料颗粒置于高温炉内，调节温度升至600℃，进行预热30min；预热结束后，调节温度至1200℃进行烧结40 min，以3℃/min的速率将温度冷却至室温后，得到粒径范围为5 20 mm的A型陶粒和粒径范围为20 31.5 mm的B型陶粒，将A~ ~
型、B型陶粒按质量比7：3混合得到陶粒骨料；

[0089] （5）将陶粒骨料预湿处理1 h；

[0090] （6）将水泥、砂、粉煤灰、矿渣粉依次加入混凝土搅拌机中，搅拌2min混合均匀；

[0091] （7）将碎石和氮化硼陶粒骨料加入混凝土搅拌机中，搅拌2min混合均匀；

[0092] （8）将外加剂掺入水中，搅拌均匀后倒入混凝土搅拌机中，继续搅拌2min，得到大体积混凝土。

[0093] 对比例3

[0094] 一种大体积混凝土，调整掺入氮化硼陶粒骨料的比例，包括以下重量组分：水泥170份、粉煤灰100份、矿渣粉50份、碎石800份、氮化硼陶粒骨料150份、砂900份、水170份、外加剂7.2份。制备步骤如下：

[0095] （1）将粉煤灰、城市污泥、淤泥进行破碎和脱水干燥处理；采用气流筛分仪对氮化硼进行筛分2 min，使粒径范围5 20 μm和20 50 μm的质量比为7：3；~ ~

[0096] （2）将经破碎和干燥处理后的粉煤灰、城市污泥、淤泥按质量比为5：3：2进行混合，掺入10%的氮化硼，得到陶粒生料；

[0097] （3）将陶粒生料倒入容器内，加入无机造孔剂和适量的水搅拌均匀，陈化60 min；

[0098] （4）对陈化后的陶粒生料进行造粒，将陶粒生料颗粒置于烘箱内，控制烘箱温度为105±5℃，干燥处理30 min；随后，将陶粒生料颗粒置于高温炉内，调节温度升至600℃，进行预热30min；预热结束后，调节温度至1200℃进行烧结40 min，以3℃/min的速率将温度冷却至室温后，得到粒径范围为5 20 mm的A型氮化硼陶粒和粒径范围为20 31.5 mm的B型氮~ ~
化硼陶粒，将A型、B型氮化硼陶粒按质量比7：3混合得到氮化硼陶粒骨料；

[0099] （5）将氮化硼陶粒骨料预湿处理1 h；

[0100] （6）将水泥、砂、粉煤灰、矿渣粉依次加入混凝土搅拌机中，搅拌2min混合均匀；

[0101] （7）将碎石和氮化硼陶粒骨料加入混凝土搅拌机中，搅拌2min混合均匀；

[0102] （8）将外加剂掺入水中，搅拌均匀后倒入混凝土搅拌机中，继续搅拌2min，得到低水化峰值温度的大体积混凝土。

[0103] 对比例4

[0104] 一种大体积混凝土，包括以下重量组分：水泥170份、粉煤灰100份、矿渣粉50份、碎石950份、砂900份、水170份、外加剂7.3份。制备步骤如下：

[0105] （1）将水泥、砂、粉煤灰、矿渣粉依次加入混凝土搅拌机中，搅拌2min混合均匀；

[0106] （2）将碎石加入混凝土搅拌机中，搅拌2min混合均匀；

[0107] （3）将外加剂掺入水中，搅拌均匀后倒入混凝土搅拌机中，继续搅拌2min，制备得到大体积混凝土。

[0108] 为对比分析本发明低水化峰值温度的大体积混凝土的技术优势，采用以下试验方式研究其在养护期内的水化温升，测定其内部或表面各特征点处的温度‑龄期分布关系：

[0109] 待混凝土拌制完成后，将新拌混凝土倒入1 m×1 m×1 m的立方体模具和150 mm×150 mm×150 mm的立方体模具中，分别用于监测其水化温升和进行28 d抗压强度试验。测量得到混凝土入模温度为30.2℃，将塑料薄膜和保温棉覆盖于试件模具之上，降低外界环境温度变化对试件内部温度的影响，并在浇筑完成12 h后对试件开始进行洒水养护。在1 m×1 m×1 m立方体模具的上部、中部、底部和侧面布置三个测点，各测点分别用F1、F2和F3表示，分别位于模具表面中心以下50 mm处、模具中心和模具底面中心以上50 mm处，通过预埋热电偶对混凝土的水化温升进行监测，养护3 d内设置温度采集频率为3 h/次，养护3 d后设置温度采集频率为6 h/次，采集至养护10 d。养护期内，各组试件中各测点的温度变化如图1所示；各组混凝土试件的28 d抗压强度如表2所示。

[0110] 表2：各组混凝土试件的28 d抗压强度

[0111]

[0112] 从表2可知，实施例1和对比例3的抗压强度较对比例4分别降低约4.9MPa和2.9MPa；当氮化硼陶粒骨料掺量较少时，混凝土抗压强度降幅较小。这是由于本发明专利为降低大体积混凝土内部的水化温升，采用氮化硼陶粒骨料对混凝土中的部分粗骨料进行了取代，导致其抗压强度略有降低。实施例1与对比例2相比，其抗压强度提高约0.4MPa，这是因为氮化硼自身物理性能较优，作为增强相掺入陶粒骨料中，可以改善氮化硼陶粒骨料的整体物理性能，从而提高混凝土的抗压强度。

[0113] 从图1可知，养护期内各组混凝土试件的温度变化可以分为上升期和下降期，实施例1和对比例3内部各处的温升速率在上升期较对比例4更为平缓，且随着氮化硼陶粒骨料掺量增加，混凝土内部的温升速率有明显的变缓趋势。同时，在下降期内，实施例1和对比例3内部各处温度呈现出明显后移趋势，峰后温升行为得到有效延缓，表明氮化硼陶粒骨料作为一种具有相变储热材料，通过均匀分布在混凝土内部吸收水泥水化热量，可明显降低大体积混凝土内部的水化温升程度。此外，从图1中还可以发现，对比例1的内部温度达到峰值后，温度降低速率较实例1更为缓慢，这是由于与粒径大小为5 20mm的氮化硼陶粒骨料相~
比，粒径大小为20 31.5mm的氮化硼陶粒骨料体积更大，具有更优良的储热性能，而对比例1~
中仅掺入了粒径大小为5 20mm的氮化硼陶粒骨料，从而使得峰后温降过程更为缓慢。
~

[0114] 对比混凝土内各测点的温度可以发现，在养护期内，各组混凝土内部中心的温度最高；实施例1和对比例3的内部中心峰值温度可分别较对比例4降低约3℃和5℃，表明其内部水泥水化反应产生的放热行为得到了明显延缓，其内部裂缝的形成速率得到有效控制，有利于其耐久性能。

[0115] 综上所述，本发明以粉煤灰、城市污泥、淤泥以及氮化硼为原料制备氮化硼陶粒骨料，将所述氮化硼陶粒骨料替代部分天然骨料，用于制备大体积混凝土，能够有效降低大体积混凝土的水化峰值温度，延缓大体积混凝土的水化放热行为，减少大体积混凝土内部温度裂缝的形成速率，解决大体积混凝土在凝固成型过程中水化温升快的问题以及天然骨料资源日益紧缺的问题。

[0116] 以上具体实施方式详细描述了本发明的实施，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节。在本发明的权利要求书和技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单改型和改变，这些简单变型均属于本发明的保护范围。