本發(fā)明涉及混凝土制備，特別是涉及一種風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片用高性能混凝土材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、風(fēng)電塔塔筒是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)組件，它的作用主要是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其葉片，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠達(dá)到合適的高度，以捕捉穩(wěn)定而強(qiáng)勁的風(fēng)能。風(fēng)電塔塔筒的應(yīng)用遍布全球，特別是在風(fēng)能資源豐富的地區(qū)，如沿海、山地和平原地帶。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，塔筒在寒冷地區(qū)的應(yīng)用也越來越廣泛。然而，傳統(tǒng)風(fēng)電塔塔筒在寒區(qū)的應(yīng)用中面臨一些抗凍性和凍融方面的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為鋼材的脆性增加、混凝土的凍融破壞、水分滲透引發(fā)的開裂、以及溫差造成的裂縫擴(kuò)展?，F(xiàn)有的混凝土不能滿足風(fēng)電塔塔筒對(duì)高抗凍融能力的要求，如何提高混凝土的抗凍融能力，獲得能滿足風(fēng)電塔塔筒要求的混凝土是本領(lǐng)域技術(shù)人員研究的重點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片用高性能混凝土材料及其制備方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、本發(fā)明的技術(shù)方案之一：一種活性摻合料，按質(zhì)量份數(shù)計(jì)，原料包括：粉煤灰50～60份、石灰石粉20～30份、改性稻殼灰10～15份和納米材料5～10份。

4、粉煤灰是由煤灰燃燒產(chǎn)生的細(xì)顆粒物質(zhì)，通常附著在煙氣中，經(jīng)過煙氣脫硫、過濾等過程后收集而來。本發(fā)明將粉煤灰作為活性摻合料用于混凝土中，其能夠通過與水泥中的鈣離子反應(yīng)形成水化硅酸鹽，提高混凝土的密實(shí)性，減少孔隙率，增強(qiáng)抗?jié)B透性。進(jìn)而提高混凝土的長(zhǎng)期強(qiáng)度并改善混凝土的耐久性。

5、石灰石粉是由天然石灰石礦石經(jīng)過粉碎、研磨等工藝處理后得到的一種細(xì)粉末狀物質(zhì)。本發(fā)明將石灰石粉作為活性摻合料用于混凝土中，石灰石粉能夠通過其細(xì)小顆粒填充混凝土孔隙，提高混凝土的密實(shí)度和抗?jié)B性。同時(shí)，石灰石粉還能與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成鈣礬石，能加速水化進(jìn)程，提高混凝土的早期強(qiáng)度。

6、稻殼灰是稻殼在高溫下燃燒后的產(chǎn)物，通常是通過燃燒稻殼或者將其作為燃料在工業(yè)鍋爐中燃燒得到的一種灰燼。本發(fā)明將稻殼灰作為活性摻合料用于混凝土中，主要通過其高活性硅成分與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)，增強(qiáng)混凝土的后期強(qiáng)度。而且，稻殼灰還具有良好的減輕重量和改善抗凍性的作用，有助于提升混凝土的整體性能。對(duì)稻殼灰進(jìn)行改性則可以進(jìn)一步提升其各項(xiàng)性能。

7、活性摻合料中的納米材料在混凝土中能夠通過填充微觀孔隙和促進(jìn)水化反應(yīng)，起到顯著的早強(qiáng)、微結(jié)構(gòu)優(yōu)化和耐久性提升作用，與粉煤灰、石灰石粉和改性稻殼灰協(xié)同工作，能夠顯著提高混凝土的強(qiáng)度和密實(shí)性，滿足風(fēng)電塔塔筒混凝土預(yù)制管片對(duì)高強(qiáng)、耐久、密實(shí)和環(huán)保性能的多重需求。

8、綜上，本發(fā)明的復(fù)合活性摻合料能夠通過粉煤灰、石灰石粉、改性稻殼灰和納米材料的協(xié)同效應(yīng)優(yōu)化混凝土性能，比單一材料的活性更強(qiáng)。具體地，粉煤灰提供火山灰活性，改性稻殼灰改善微觀結(jié)構(gòu)，石灰石粉和納米材料增強(qiáng)填充效應(yīng)，四者協(xié)同配合，共同提升混凝土的強(qiáng)度、抗凍融性和耐久性。同時(shí)，多種摻合料的顆粒級(jí)配更加合理，可有效降低孔隙率，改善混凝土的抗?jié)B性和抗凍融性能，并且其較低的水化熱釋放有助于減少溫差裂縫，適合大型預(yù)制構(gòu)件。此外，多種摻合料能充分利用工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢棄物，降低水泥用量，減少碳排放，符合綠色建材發(fā)展趨勢(shì)。最后，這種組合方案兼顧性能與經(jīng)濟(jì)性，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)滿足混凝土力學(xué)、抗凍融性和耐久性要求。

9、進(jìn)一步地，所述納米材料包括納米硅、納米二氧化鈦和納米氧化鋁；所述納米材料中納米硅、納米二氧化鈦和納米氧化鋁的質(zhì)量比為2:1:1。

10、納米硅能增強(qiáng)水化產(chǎn)物生成，納米二氧化鈦能提升混凝土耐久性并提供光催化功能，納米氧化鋁能改善混凝土抗折強(qiáng)度和韌性。三者綜合作用下，能顯著提高混凝土的力學(xué)性能、抗?jié)B性和耐久性，滿足風(fēng)電塔構(gòu)件的高性能需求。

11、本發(fā)明的技術(shù)方案之二：一種風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片用高性能混凝土材料，原料包括：活性摻合料、水泥、細(xì)集料、水、混合纖維和外加劑；

12、按質(zhì)量比計(jì)，活性摻合料：水泥：細(xì)集料：水：混合纖維＝30～40:30～40:10～20:10～15:2；

13、按質(zhì)量份數(shù)計(jì)，所述活性摻合料由粉煤灰50～60份、石灰石粉20～30份、改性稻殼灰10～15份和納米材料5～10份組成。

14、活性摻合料中的各組分協(xié)同作用，可有效提升混凝土的強(qiáng)度、抗凍融性和耐久性；混合纖維能夠增強(qiáng)混凝土的抗裂性、韌性和耐久性；多種外加劑協(xié)同作用，能夠提升混凝土的工作性、耐久性、強(qiáng)度、抗裂性能和抗凍融性能?；炷敛牧现械乃薪M分協(xié)同作用，可以顯著提高混凝土材料的力學(xué)性能、抗凍融能力和耐久性，將其用于制備風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片，可以確保風(fēng)電機(jī)組在寒冷地區(qū)長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。

15、進(jìn)一步地，所述改性稻殼灰的制備步驟包括：對(duì)稻殼灰依次進(jìn)行堿溶液處理、凍干處理和熱活化處理，得到所述改性稻殼灰。

16、進(jìn)一步地，所述堿溶液處理包括：將稻殼灰在堿溶液中攪拌浸泡1～2小時(shí)，攪拌浸泡結(jié)束后過濾、洗滌，得到堿溶液處理后的稻殼灰；

17、或，所述凍干處理包括：先將堿溶液處理后的稻殼灰在-80℃～-40℃的溫度下冷凍12～24小時(shí)，然后在-50℃～-20℃的溫度下真空凍干24～48小時(shí)；

18、或，所述熱活化處理包括：將凍干處理后的稻殼灰在400～800℃的溫度下熱處理1～4小時(shí)。

19、堿溶液處理的目的是去除稻殼灰中的碳雜質(zhì)和礦物殘?jiān)?，同時(shí)對(duì)其表面進(jìn)行初步孔隙調(diào)控，形成微孔結(jié)構(gòu)。凍干處理過程中先將堿溶液處理后的稻殼灰在-80℃～-40℃的溫度下冷凍是為了使稻殼灰孔隙內(nèi)的水分凍結(jié)以防止結(jié)構(gòu)塌陷，再通過真空凍干去除固態(tài)水分，形成更多中孔結(jié)構(gòu)，從而顯著優(yōu)化稻殼灰的多級(jí)孔隙分布。熱活化處理的目的是進(jìn)一步去除殘余雜質(zhì)，穩(wěn)定孔隙結(jié)構(gòu)，并通過熱作用調(diào)整微孔與中孔比例，提高比表面積和稻殼灰的化學(xué)反應(yīng)活性，使其具備更優(yōu)的吸附與催化性能。

20、進(jìn)一步地，所述堿溶液包括氫氧化鈉溶液或氫氧化鉀溶液；所述堿溶液的濃度為2～5wt.％。

21、進(jìn)一步地，所述攪拌浸泡的溫度為70～80℃。

22、進(jìn)一步地，所述洗滌具體為用去離子水多次清洗至稻殼灰達(dá)到中性。

23、進(jìn)一步地，所述混合纖維包括玻璃纖維和玄武巖纖維；所述玻璃纖維和玄武巖纖維的質(zhì)量比為2:1。

24、混合纖維在風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片用高性能混凝土材料中能夠起到增強(qiáng)混凝土的抗裂性、韌性和耐久性，提高抗沖擊和抗疲勞性能的作用。

25、進(jìn)一步地，所述外加劑包括減水劑、引氣劑、防收縮劑和納米材料分散劑。

26、進(jìn)一步地，所述減水劑為聚羧酸系減水劑；

27、和/或，所述引氣劑為十二烷基苯磺酸鈉；

28、和/或，所述防收縮劑為聚乙二醇單甲醚；

29、和/或，所述納米材料分散劑為聚乙烯吡咯烷酮(pvp)；

30、和/或，所述減水劑、引氣劑和防收縮劑的質(zhì)量比為1:0.05:1；

31、和/或，所述減水劑、引氣劑和防收縮劑的總用量為水泥質(zhì)量的2.05wt.％；

32、和/或，所述納米材料分散劑的用量為水泥質(zhì)量的0.5wt.％。

33、外加劑中的聚羧酸系減水劑可以顯著提高混凝土的工作性，減少水灰比，從而增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度和耐久性。其分散性好，能夠有效地改善混凝土的均勻性，提升混凝土的流動(dòng)性。其加入還可降低用水量，有助于降低生產(chǎn)成本并提高環(huán)保性。

34、外加劑中的十二烷基苯磺酸鈉引氣劑能夠在混凝土中引入均勻的氣泡結(jié)構(gòu)，提升混凝土的抗凍性和耐久性。其生成的微氣孔可以有效減小混凝土的密實(shí)度，改善其韌性和抗裂性能。故本發(fā)明中通過在混凝土材料中加入引氣劑有助于提高混凝土的早期強(qiáng)度和后期耐久性，確保風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

35、外加劑中的聚乙二醇單甲醚防收縮劑能夠有效減少混凝土在硬化過程中的收縮，防止裂縫的產(chǎn)生。其在混凝土中形成的薄膜結(jié)構(gòu)能抑制水分的過快蒸發(fā)，從而降低干縮效應(yīng)。故本發(fā)明中通過在混凝土材料中加入防收縮劑有助于提高混凝土的穩(wěn)定性和耐久性，確保風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片的質(zhì)量和長(zhǎng)期使用性能。

36、外加劑中的聚乙烯吡咯烷酮(pvp)納米材料分散劑能夠提高混凝土中納米材料的分散性，避免其團(tuán)聚，確保均勻的微觀結(jié)構(gòu)。通過改善活性摻合料的分散性，pvp有助于提升混凝土的流動(dòng)性和工作性。其還可增強(qiáng)混凝土的早期強(qiáng)度及耐久性，提高風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片的整體性能。

37、綜上，本發(fā)明中在混凝土材料中混摻多種外加劑能綜合發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，改善混凝土的多項(xiàng)性能。具體地，聚羧酸系減水劑降低水灰比，提高混凝土的強(qiáng)度和流動(dòng)性；十二烷基苯磺酸鈉引氣劑引入氣泡，提高混凝土的抗凍性和韌性；聚乙二醇單甲醚防收縮劑有效抑制混凝土的干縮，減少裂縫；pvp納米材料分散劑則確保納米材料的均勻分散，增強(qiáng)混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和整體性能。通過多種外加劑的協(xié)同作用，能夠提升混凝土的工作性、耐久性、強(qiáng)度、抗裂性能和抗凍融性能，確保風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片在極端環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

38、進(jìn)一步地，所述減水劑、引氣劑和防收縮劑的用量分別為水泥質(zhì)量的1wt.％、0.05wt.％和1wt.％。

39、進(jìn)一步地，所述細(xì)集料包括砂子。

40、本發(fā)明的技術(shù)方案之三：上述風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片用高性能混凝土材料的制備方法，包括以下步驟：

41、將水泥、活性摻合料中的粉煤灰、石灰石粉和改性稻殼灰以及細(xì)集料混合，攪拌均勻，得到混合物1；

42、將外加劑中的減水劑、引氣劑以及防收縮劑與水混合，攪拌均勻，得到外加劑混合液；

43、將活性摻合料中的納米材料與外加劑中的納米材料分散劑混合，攪拌均勻，得到混合物2；

44、將所述外加劑混合液和所述混合物2加入到所述混合物1中，攪拌均勻，得到混合物3；

45、將混合纖維加入到所述混合物3中，攪拌均勻，得到所述風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片用高性能混凝土材料，得到的風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片用高性能混凝土材料用于澆筑或預(yù)制制備混凝土成型件，成型時(shí)無需進(jìn)行傳統(tǒng)蒸汽養(yǎng)護(hù)，室溫條件下自然養(yǎng)護(hù)即能獲得高性能的混凝土成型件。

46、進(jìn)一步優(yōu)選地，將減水劑、引氣劑以及防收縮劑與水混合后，攪拌的時(shí)間為2～3分鐘；

47、或，將外加劑混合液和混合物2加入到混合物1中后，攪拌的時(shí)間為5～8分鐘，以確?；旌暇鶆颍纬沙砘臐癜杌旌衔?；

48、或，將混合纖維加入到混合物3中后，攪拌的時(shí)間為3～5分鐘，以使纖維均勻分散在混凝土中，避免纖維團(tuán)聚。

49、本發(fā)明的技術(shù)方案之四：上述風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片用高性能混凝土材料在制備風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片中的應(yīng)用。

50、本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

51、(1)本發(fā)明的活性摻合料能夠提高混凝土的工作性和流動(dòng)性，減少水泥用量，從而降低生產(chǎn)成本和環(huán)境影響?；钚該胶狭现械姆勖夯液透男缘練せ揖哂袧撛诘幕钚裕膳c水泥反應(yīng)形成二次水化產(chǎn)物，提高混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性。石灰石粉和納米材料則可以改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其抗裂性、抗?jié)B性、抗凍性及耐久性，提升混凝土的整體性能。

52、(2)本發(fā)明的風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片用高性能混凝土材料中含有多種外加劑，這多種外加劑通過協(xié)同作用改善納米材料在混凝土中的分散性，混凝土的流動(dòng)性、抗凍性、抗裂性和收縮性，從而提升混凝土的工作性、強(qiáng)度和耐久性。

53、(3)本發(fā)明的風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片用高性能混凝土材料無需使用蒸養(yǎng)方法，就可以獲得較高的早期強(qiáng)度、優(yōu)良的抗裂性、良好的抗凍性和耐久性以及較低的干縮性。

54、(4)本發(fā)明的風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片用高性能混凝土材料無需使用高溫設(shè)備和高壓養(yǎng)護(hù)，就可以在常溫條件下獲得較高的強(qiáng)度和良好的抗凍性及耐久性，減少了對(duì)能源的依賴。通過免蒸養(yǎng)方式，可以大幅降低生產(chǎn)成本和碳排放，符合綠色環(huán)保要求。此方法不僅提高了混凝土的生產(chǎn)效率，還能降低設(shè)備投資和運(yùn)營(yíng)成本，提升了生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性。

55、(5)本發(fā)明的風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片用高性能混凝土材料相比于普通混凝土，不僅能夠提升混凝土的強(qiáng)度、耐久性和抗裂性，還能改善混凝土的工作性，減少裂縫的發(fā)生，提高其抗凍、抗化學(xué)侵蝕的能力，并且具有較好的環(huán)境友好性和經(jīng)濟(jì)性。該混凝土材料特別適合用于制備風(fēng)電塔塔筒的預(yù)制管片，能夠有效滿足風(fēng)電塔塔筒預(yù)制管片在極端環(huán)境條件下的長(zhǎng)期使用需求，尤其在常溫下無需蒸養(yǎng)即可實(shí)現(xiàn)較高強(qiáng)度。