CN101172828A - 高性能水工结构混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高性能水工结构混凝土，它是由胶凝材料、骨料、水和外加剂制成的，其中胶凝材料用量为150～350kg/m3混凝土，外加剂为聚羧酸系高性能减水剂，其用量是胶凝材料总量的0.5％～4.5％，水胶比为0.30～0.50，在搅拌机中依次加入骨料(砂和石)、胶凝材料(水泥和粉煤灰)、减水剂和水，搅拌90～120秒，制成表观密度为2400～2600kg/m3的高性能水工结构混凝土。采用本发明的配方和方法制备的高性能水工结构混凝土具有较低的水化温升和较高体积稳定性、较高抗裂性并兼具抗渗性、抗冻性、抗蚀性、抗碳化性以满足耐久性要求，具有高掺粉煤灰的特点，以满足混凝土技术可持续发展的要求。

Description

高性能水工结构混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种混凝土及其制备方法，特别是涉及一种用于水工结构工程的高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
用于水工结构工程的混凝土，包括大坝混凝土、厂房混凝土、引水系统混凝土、泄水系统混凝土、抗冲耐磨混凝土等水工结构物，对混凝土材料有四个基本要求，首先是必须满足设计强度等级要求，其次是必须满足施工要求，第三是必须满足耐久性要求，最后还必须满足经济性要求。对已建成并投入运行的混凝土坝的调查结果发现，混凝土坝发生比预期使用年限更早的劣化现象，几乎都是由于其耐久性不能满足要求造成的。对于大体积混凝土结构，从混凝土材料方面，必须考虑的几个问题包括：①具有更低的水化温升，以尽量减小温度梯度带来的温度裂缝；②具有适宜的强度和更高的抗裂能力，以确保大坝安全运行，并能承受局部的不均匀变形；③应具有足够的抗冻融、抗侵蚀、抗碳化能力，以满足耐久性要求；④工业废渣建筑材料资源化，在混凝土满足经济性要求的同时，使混凝土工业可持续发展。然而，由于传统水泥混凝土材料性能的局限性，一直以来，大体积混凝土的体积稳定性问题几乎无一例外地导致大坝混凝土开裂，在提高大坝混凝土抗裂性的研究与应用方面难有较大的突破。
以耐久性为显著标志的、兼顾混凝土拌和物工作性和强度及强度发展的、充分考虑节约能源资源及环境保护的混凝土称为高性能混凝土。新一代高性能减水剂——聚羧酸系高性能减水剂的出现，使得采用常规工艺制备水工结构高性能混凝土成为可能。
发明内容
本发明的目的是：提供一种体积稳定性好、水化温升低、抗裂性强、耐久性优、粉煤灰掺量大且绿色环保的用于水工结构工程的各强度等级(通常是指设计龄期为28/60/90/180天的强度等级为C10～C50的混凝土)的高性能混凝土及其制备方法。
本发明的技术路线为：影响水工结构混凝土耐久性的最主要因素是其体积稳定性，其宏观表现主要有：①水化温升导致大体积混凝土结构内部与外部产生温差，造成混凝土结构开裂；②塑性收缩、自收缩、化学收缩、干燥收缩等引起的收缩变形；③早期抗拉强度发展与收缩变形产生的拉应力的非协调性；④混凝土材料自身的非匀质性和非稳定性等。本发明采用聚羧酸系高性能减水剂，通过大幅度降低混凝土的水胶比，实现高掺国标I级粉煤灰或/和国标II级粉煤灰或/和国标III级粉煤灰，优化混凝土组成结构，使混凝土高性能化，从而达到提高水工结构混凝土材料体积稳定性及结构耐久性。
为了解决上述技术问题，基于上述的技术路线，本发明采用如下的技术方案：
本发明高性能水工结构混凝土是由胶凝材料、骨料、水和外加剂制成，其中：胶凝材料的用量为150～350kg/m3混凝土，外加剂为高性能减水剂，减水剂的用量是胶凝材料总量的0.5％～4.5％，水胶比为0.30～0.50，将胶凝材料、减水剂、水和骨料混合制成表观密度为2400～2600kg/m3混凝土的高性能水工结构混凝土。
其中，所用的高性能减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，聚羧酸系高性能减水剂是一种具有高效减水、缓凝保塑、引气和减缩功能的多功能、环保型减水剂。
前述的胶凝材料是由10％～60％的水泥和90％～40％的国标I级粉煤灰或/和国标II级粉煤灰或/和国标III级粉煤灰混合而成的，宜选用强度不低于42.5MPa的水泥。粉煤灰为火力发电厂排放的粉尘经收尘处理得到的粉末状材料，为固体工业废弃物；按照国家标准，粉煤灰分为三个等级，按照其水硬活性、化学成分、需水比的大小依次为I级灰、II级灰和III级灰。以粉煤灰和水泥共同组成胶凝材料时，不仅仅是工业废弃物综合利用问题和节约资源与能源问题，以及环境保护问题，更主要的是改善混凝土诸多方面的性能，粉煤灰在混凝土中高值化利用的程度，即粉煤灰掺量的多少，标志着技术水平的高低，采用大掺量、品质较差的粉煤灰制备高性能混凝土，意味着混凝土技术水平较高，具有创新性。
骨料是由20％～50％的细骨料和80％～50％的粗骨料混合而成的。其中细骨料是细度模数为2.4～3.2的中砂，粗骨料是粒度为5～150mm的石子或鹅卵石。
前述高性能水工结构混凝土，二级配高性能水工结构混凝土中胶凝材料的用量为250～350kg/m3混凝土，粗骨料是由粒度为5～20mm和20～40mm的粗骨料依据粗骨料级配原理，按照重量比40～60∶60～40混合而成。设计龄期为28天的C25的二级配高性能水工结构混凝土：胶凝材料的用量为280.6kg/m3混凝土，减水剂的用量是胶凝材料总量的2.8％，水胶比为0.36，加入骨料，制成表观密度为2400～2600kg/m3的混凝土。
三级配高性能水工结构混凝土中胶凝材料的用量为200～300kg/m3混凝土，粗骨料是由粒度为5～20mm、20～40mm和40～80mm的粗骨料依据粗骨料级配原理，按照重量比20～40∶20～40∶20～40混合而成。设计龄期为28天的C25的三级配高性能水工结构混凝土，胶凝材料的用量为255.6kg/m3混凝土，减水剂的用量是胶凝材料总量的2.6％，水胶比为0.36，加入骨料，制成表观密度为2400～2600kg/m3的混凝土
四级配高性能水工结构混凝土中胶凝材料的用量为150～250kg/m3混凝土，粗骨料是由粒度为5～20mm、20～40mm、40～80mm、80～150mm的粗骨料依据粗骨料级配原理，按照重量比20～40∶20～40∶20～40∶20～40混合而成。设计龄期为90天的C30的四级配高性能水工结构混凝土，胶凝材料的用量为188kg/m3混凝土，减水剂的用量是胶凝材料总量的4.8％，水胶比为0.33，加入骨料，制成表观密度为2400～2600kg/m3的混凝土
前述高性能水工结构混凝土的制备方法：胶凝材料的用量为150～350kg/m3混凝土，减水剂的用量是胶凝材料总量的0.5％～4.5％，水胶比为0.30～0.50，依次将骨料、胶凝材料、减水剂和水投入混凝土搅拌机中搅拌90～120秒制成表观密度为2400～2600kg/m3混凝土的高性能水工结构混凝土。
与现有技术相比，采用本发明的配方和方法制备的高性能水工结构混凝土具有良好的和易性或工作性以利于混凝土的施工，具有适宜的强度和强度发展以满足水工结构混凝土的设计要求和使用要求，具有较低的水化温升和较高体积稳定性、较高抗裂性并兼具抗渗性、抗冻性、抗蚀性、抗碳化性以满足耐久性要求，具有高掺粉煤灰的特点，以满足混凝土技术可持续发展的要求。高性能水工结构混凝土具有高工作性、适宜的强度和强度发展以及高耐久性并可持续发展，下面是本发明混凝土的各种性能参数：
具有较好的拌和物流动性，坍落度为50～110mm，1小时坍落度损失0～10％；较好的混凝土拌和物匀质性，不离析、不泌水；混凝土拌和物的初凝时间为15～18小时，终凝时间为18～24小时；适宜的强度与强度发展，设计龄期为28天/60天/90天/180天的强度等级为C10～C50；良好的抗裂性，混凝土28天的干缩值100～200×10-6；较低的水化热，混凝土绝热温升3天龄期小于等于20.0℃，7天龄期小于等于28.0℃；较高的耐久性能，混凝土的抗渗等级为W16～W20，混凝土的抗冻等级为F100～300。
本发明的高性能水工结构混凝土与普通混凝土的比较：
表1  混凝土的配比(kg·m？)
Figure A20071020209700061
Figure A20071020209700071
表注：1.四级配是设计龄期为90天的C30混凝土，三级配是设计龄期为28天的C25混凝土，二级配是设计龄期为28天的C25混凝土。
2.水泥为P.O42.5，粉煤灰为国标II级粉煤灰，NF为萘系高效减水剂，LHPA为聚羧酸系高性能减水剂，AEA为引气剂。
表2  混凝土的性能比较
Figure A20071020209700072
Figure A20071020209700081
表注：相应龄期强度指抗压强度，单位为MPa。
具体实施方式
本发明的优选实施方式：
原材料：强度不低于42.5MPa的水泥、国标II级粉煤灰、细度在中砂范围的天然砂或人工砂、粒径在5～150mm范围内的石、聚羧酸系高性能减水剂和水，按照下表的配合比，分别计量。
Figure A20071020209700082
制备方法：首先将石子投入搅拌机，再将水泥和国标II级粉煤灰分别投入搅拌机，然后将砂投入搅拌机，最后将聚羧酸系高性能减水剂和水加入强制式混凝土搅拌机中搅拌120秒，制成表观密度为2500kg/m3的一立方米的高性能水工结构混凝土。四级配是龄期为90天的C30混凝土，三级配是龄期为28天的C25混凝土，二级配是龄期为28天的C25混凝土。

Claims (9)

1.一种高性能水工结构混凝土，它是由胶凝材料、骨料、水和外加剂制成，其特征在于：胶凝材料的用量为150～350kg/m3混凝土，外加剂为高性能减水剂，减水剂的用量是胶凝材料总量的0.5％～4.5％，水胶比为0.30～0.50，将胶凝材料、减水剂、水和骨料混合制成表观密度为2400～2600kg/m3混凝土的高性能水工结构混凝土。
2.按照权利要求1所述的高性能水工结构混凝土，其特征在于：所述高性能减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。
3.按照权利要求1所述的高性能水工结构混凝土，其特征在于：所述的胶凝材料是由10％～60％的水泥和90％～40％的国标I级粉煤灰或/和国标II级粉煤灰或/和国标III级粉煤灰混合而成的。
4.按照权利要求1所述的高性能水工结构混凝土，其特征在于：所述的骨料是由20％～50％的细骨料和80％～50％的粗骨料混合而成的。
5.按照权利要求4所述的高性能水工结构混凝土，其特征在于：所述细骨料是细度模数为2.4～3.2的中砂，所述粗骨料是粒度为5～150mm的石子或鹅卵石。
6.按照权利要求5所述的高性能水工结构混凝土，其特征在于：二级配高性能水工结构混凝土中胶凝材料的用量为250～350kg/m3混凝土，粗骨料是由粒度为5～20mm和20～40mm的粗骨料按照重量比40～60∶60～40混合而成。
7.按照权利要求5所述的高性能水工结构混凝土，其特征在于：三级配高性能水工结构混凝土中胶凝材料的用量为200～300kg/m3混凝土，粗骨料是由粒度为5～20mm、20～40mm和40～80mm的粗骨料按照重量比20～40∶20～40∶20～40混合而成。
8.按照权利要求5所述的高性能水工结构混凝土，其特征在于：四级配高性能水工结构混凝土中胶凝材料的用量为150～250kg/m3混凝土，粗骨料是由粒度为5～20mm、20～40mm、40～80mm、80～1 50mm的粗骨料按照重量比20～40∶20～40∶20～40∶20～40混合而成。
9.一种高性能水工结构混凝土的制备方法，其特征在于：胶凝材料的用量为150～350kg/m3混凝土，减水剂的用量是胶凝材料总量的0.5％～4.5％，水胶比为0.30～0.50，依次将骨料、胶凝材料、减水剂和水投入混凝土搅拌机中搅拌90～120秒制成表观密度为2400～2600kg/m3混凝土的高性能水工结构混凝土。
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