CN101265066A - 一种高抗折道路混凝土材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高抗折道路混凝土材料及其制备方法。高抗折道路混凝土材料主要由胶凝材料、砂石骨料、拌合水、混凝土外加剂和激发剂组成，所述的胶凝材料是由普通硅酸盐水泥、矿渣粉和钢渣粉组成，各组分按质量计：普通硅酸盐水泥60－70％、矿渣粉20－30％、钢渣粉0－10％；所述的激发剂的掺量为矿渣粉与钢渣粉总质量的5.0％－10.0％，所述的激发剂为石膏、硫酸钠、氟化钠、三乙醇胺中的一种或其混合物。通过掺加激发剂，使矿渣、钢渣的潜在活性充分发挥出来，从而提高混凝土的密实度，极大地提高了道路混凝土的抗折强度。

Description

一种高抗折道路混凝土材料及其制备方法

[技术领域]

本发明涉及无机非金属材料，尤其涉及一种道路混凝土材料及其制备方法。

[背景技术]

公路建设行业是经济体的基础产业，在国民经济的发展中起至关重要的作用。目前，我国公路在客运量、货运量、客运周转量等方面均遥遥领先于其他运输方式的总和。但是，随着道路尤其是高速公路建设的迅猛发展，大面积道路过早破坏的问题也非常突出。许多新建或新近大修的国道、省道都出现过严重的早期破坏，与设计使用年限相差甚远。混凝土路面过早破坏的原因有设计、施工和使用方面的原因。但最主要因素还是巨大的载重和交通量必然对路面结构造成极为严重的早期损坏，甚至完全可能造成路面一次性极限破坏而非疲劳破坏。公路运输中的许多大型车辆、大型货运和集装箱货运车辆的比重不断增大；同时，受市场经济的冲击，运输部门片面追求经济效益，及监控管理的局限性，车辆超载、超限运输已成为非常普遍的现象。抗折强度是影响混凝土路面结构性破坏最直接的力学指标，因此，必须提高混凝土的抗折强度，才能满足社会经济发展对混凝土道路的高要求。如果混凝土弯拉强度较高，在重交通和超轴载使用条件下，就具有足够的抗断裂破坏能力。另外，如路面混凝土抗折强度较高，在相同车辆荷载作用下，可以大幅度提高混凝土抗弯拉疲劳循环周次，从而使得路面混凝土路面的使用寿命成倍地延长。

现代混凝土的材料主要原材料除硅酸盐水泥、砂石骨料和水之外，还包括高效减水剂和活性矿粉。钢铁工业在生产过程中产生的副产物-水淬高炉矿渣和钢渣是混凝土工业中常用的活性矿粉。水淬高炉矿渣经粉磨后达到规定细度，即是矿渣粉。由于水淬高炉矿渣具有潜在活性，我国混凝土工业长期利用其作为生产水泥混凝土的重要原料使用。钢渣在经过高温熔融并冷却后可以形成少量C₂S、C₃S等具有水化活性的矿物成份，用于生产道路混凝土工程中已经是一种较好的选择。在目前的道路混凝土现有技术中，矿渣和钢渣也是重要的胶凝材料组分。

例如，申请号为200510027099中国发明专利公开了一种钢渣道路混凝土，由水泥、矿物掺合料、黄砂、石子、钢渣、水、减水剂。并使用了钢渣替代砂石料，具有优良的工作性能，施工性能好，28天抗折强度达到5.0MPa以上。申请号为96118040的中国发明专利申请文件，公开了一种无熟料免烧高抗折高强钢渣水泥，由钢渣和矿渣为主料加入具有激发钢渣活化性能的激发剂、聚合物、特种外加剂、抑制剂、助磨剂和掺合剂等，无须烧结直接混合而成，生产工艺简单，成本低，并且可达到625标号，特别其抗折强度可高于同标号1～2级。申请号为88105585的中国发明专利申请文件，公开了一种低脆度道路水泥，其主要原料为钢渣、矿渣、熟料、石膏，按优选的最佳配比与各组分细度控制值，用分磨或串磨等粉磨工艺磨制成水泥。可用于路面等各种抗折或抗渗要求较高的混凝土，也可配制高强混凝土。

但是，总体来说，目前道路混凝土抗折强度不够高，存在的主要原因包括以下一些。

(1)目前道路施工中混凝土使用的水灰比较大，这种混凝土密实度小，混凝土内部缺陷多、导致混凝土抗折强度不高；

(2)混凝土复合体系匀质性重视不够，通常工程中混凝土检测只测试抗压强度是否达到设计要求，而忽略了混凝土的匀质性，现代混凝土成份越来越复杂，且要求有较高的坍落度、扩展度，但是混凝土流动度的增加常伴随着匀质性的下降，混凝土泌水甚至板结现象普遍存在，泌水导致混凝土表层浆体实际水灰比较大，浆体疏松；

(3)外加剂技术落后，外加剂与水泥及掺和料的相容性差，目前对于外加剂的相容性，还只是较模糊的定性评价，简单的用相容与不相容来评价外加剂的相容性是远远不够的；

(4)水泥厂过度追求早期强度、降低成本，水泥磨的越来越细，过度掺加含泥量、含碳量较高或早强型混合材都降低了混凝土外加剂的相容性；

(5)胶凝材料使用不当，混凝土生产厂家为降低成本，尽量减少胶凝材料总量，混凝土胶凝材料总量过低时，即使坍落度能够满足泵送要求(≥140mm)，但此时混凝土流动性差，浆体不能很好的包裹粗骨料，这种混凝土在施工过程中振实困难，易形成大的缺陷，影响混凝土抗折性能。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种具有较高抗折强度的道路混凝土材料，以最终改善道路混凝土的耐久性，延长其使用寿命。本发明还要提供一种制备该种高抗折道路混凝土材料的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种高抗折道路混凝土材料，主要由胶凝材料、砂石骨料、拌合水、混凝土外加剂和激发剂组成，所述的胶凝材料是由普通硅酸盐水泥、矿渣粉和钢渣粉组成，各组分按质量计：普通硅酸盐水泥60-70％、矿渣粉20-30％、钢渣粉0-10％；所述的激发剂的掺量为矿渣粉与钢渣粉总质量的5.0％-10.0％，所述的激发剂为石膏、硫酸钠、氟化钠、三乙醇胺中的一种或其混合物；所述外加剂的组成为聚羧酸高效减水剂、聚丙烯酰胺、三聚磷酸钠和聚醚消泡剂。

其中，所述的普通硅酸盐水泥为P.042.5级，比表面积大于350m²/kg；矿渣粉的比表面积为380-500m²/g；钢渣为存放期在一年以上磨成的细粉，钢渣粉中游离CaO质量含量为4％-6％、MgO质量含量为4％-8％，碱度＞1.2；钢渣和矿渣粉的勃氏比表面积为400-550m²/kg。

以上所述的高抗折道路混凝土材料，激发剂所用的石膏是CaSO₄·2H₂O≥70％的天然二水石膏、(CaSO₄+CaSO₄·2H₂O)≥70％的天然硬石膏或者是CaSO₄·2H₂O≥80％的工业副产物石膏，所述的工业副产物石膏是排烟脱硫石膏、氟石膏、磷石膏或钛石膏；石膏掺量为矿渣、钢渣总量的4.5％-9.5％；激发剂所用的三乙醇胺的含量≥85％，活性物含量≥85％，pH值9.0-10.0，掺量为胶凝材料质量的0.02％-0.05％。

以上所述的高抗折道路混凝土材料，所述外加剂的组成是，聚羧酸高效减水剂的掺量为胶凝材料质量的0.8-1.5％，聚丙烯酰胺的掺量为胶凝材料质量的0.005％-0.015％，三聚磷酸钠的掺量为胶凝材料质量的0.04％-0.1％，聚醚消泡剂的掺量为胶凝材料质量的0.1％-0.15％。

以上所述的高抗折道路混凝土材料，各组分的质量份数为：硅酸盐水泥315-430、矿渣粉50-165、钢渣粉0-55、外加剂3.5-6.5、二水石膏5.0-14.5、三乙醇胺0.13-0.17、细集料680-860、粗骨料950-1100、水155-165。

以上所述的高抗折道路混凝土材料，组分中可以包括聚丙烯纤维，所述的聚丙烯纤维为单丝纤维，长15-20mm，直径0.02±0.015mm，密度0.91kg/m³。各组分的质量份数为：硅酸盐水泥315-330、矿渣粉100-120、钢渣粉25-35、外加剂3.5-4.8、二水石膏6.5-7.5、三乙醇胺0.13-0.15、细集料700-750、粗骨料950-1100、水155-165、聚丙烯纤维0.8-1.9。

以上所述的高抗折道路混凝土材料。组分中也可以包括钢纤维，钢纤维为剪切波浪型，表面粗糙，长度20-30mm，等效直径0.3-0.6，长径比50-70，密度7.8×10³kg/m³。各组分的质量份数为：硅酸盐水泥315-330、矿渣粉100-120、钢渣粉25-35、外加剂4.5-5.2、二水石膏6.5-7.5、三乙醇胺0.13-0.15、细集料830-865、粗骨料950-1000、水155-165、钢纤维75-160。

本发明高抗折道路混凝土材料通过掺加激发剂，使矿渣、钢渣的潜在活性充分发挥出来，加速与水泥产物发生二次水化反应，消除结晶较大的氢氧化钙，从而提高混凝土的密实度，较大地提高了混凝土的抗折强度，本发明高抗折道路混凝土材料采用高效外加剂，进一步提高了混凝土的技术性能。

以上所述的高抗折道路混凝土材料制备方法的技术方案是，包括如下步骤：

1)用净浆流动度法进行外加剂相容性试验，确定浆体具有良好的初始流动度和较小的流动度经时损失、且无板结、无泌水时的外加剂中各组分最适宜比例，并按此比例复配成制备本发明混凝土材料所用的高效外加剂；

2)将称量好的砂石骨料、胶凝材料、激发剂依次加入强制式搅拌机中，干搅1～2分钟，使物料充分分散；

3)将水和外加剂混合，将总拌合水的二分之一的水量和外加剂加入搅拌机，搅拌1分钟左右，使胶凝材料包裹砂石骨料；

4)加入剩余的水和外加剂，将物料进一步拌合均匀后倒出搅拌机，浇注成型适当振捣。

本发明采取了如上所述的综合优化制备工艺，通过改善混凝土的微观性能来大幅度提高了混凝土的性能。磨细矿渣粉和钢渣粉中可以改善混凝土中粗骨料与水泥浆体之间的界面过渡区，提高混凝土的力学性能和耐久性。提高了混凝土的弯拉强度(又称折断模量、抗弯强度、抗折强度)，满足混凝土路(道)面工程抗压强度和抗折强度的要求。采用高效外加剂技术使混凝土具备优异的流变性和匀质性，通过聚丙烯纤维、钢纤维降低早期收缩裂缝、低温度裂缝和长期收缩裂缝。纤维还可以降低混凝土裂缝和阻止宏观裂缝扩展，故可使其耐磨性、抗冻融性和抗渗性有不同程度的提高；降低侵蚀介质侵入基体的速率，有利于保护混凝土构件中钢筋。

[具体实施方式]

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本发明高抗折道路混凝土材料，由胶凝材料、砂石骨料、拌合水、激发剂和混凝土外加剂组成，还可以包括钢纤维和聚丙烯纤维，胶凝材料是由普通硅酸盐水泥、矿渣粉、钢渣粉和组成。其中，硅酸盐水泥为P.042.5级，比表面积大于350m²/kg；矿渣粉的比表面积为380-500m²/kg；钢渣存放期在一年以上再磨成细粉，钢渣粉中游离CaO质量含量为5％、MgO质量含量为4％-8％，碱度＞1.2；钢渣和矿粉的勃氏比表面积为400-550m²/kg；激发剂为石膏、或硫酸钠、或氟化钠、或三乙醇胺，或其混合物。

本发明高抗折道路混凝土材料中所用的激发剂可以是天然二水石膏、或是天然硬石膏，也可以是工业副产物石膏(排烟脱硫石膏、氟石膏、磷石膏、钛石膏)，天然二水石膏中CaSO₄·2H₂O≥70％，天然硬石膏中(CaSO₄+CaSO₄·2H₂O)≥70％，排烟脱硫石膏、氟石膏、磷石膏、钛石膏中的CaSO₄·2H₂O≥80％，石膏掺量为矿渣、钢渣总量的4.5％-9.5％。三乙醇胺的含量≥85％，活性物含量≥85％，pH值9.0-10.0，掺量为胶凝材料质量的0.02％-0.05％。

为了提高新拌混凝土拌合物的泵送性能，配制混凝土外加剂，其组成为聚羧酸高效减水剂，掺量为胶凝材料质量的0.8-1.5％，聚丙烯酰胺掺量为胶凝材料质量的0.005％-0.015％，三聚磷酸钠掺量为胶凝材料质量的0.04％-0.1％，聚醚消泡剂掺量为胶凝材料质量的0.1％-0.15％。所使用的钢纤维剪切波浪型，表面粗糙，长度20-30mm，等效直径0.3-0.6，长径比50-70，密度7.8×10³kg/m³。聚丙烯纤维为单丝纤维，长15-20mm，直径0.02±0.015mm，密度0.91kg/m³。

本发明高抗折道路混凝土材料的制备方法包括如下步骤：

1)将事先配制的混凝土外加剂用净浆流动度法进行相容性试验，确定浆体具有良好的初始流动度和较小的流动度经时损失、且无板结、无泌水；

2)将称量好的石、砂、胶凝材料、纤维依次加入强制式搅拌机中，干搅1～2分钟，使物料(纤维)充分分散；

3)将总拌合水的二分之一的水量和外加剂(先将水和外加剂混合)加入搅拌机，搅拌1分钟，使胶凝材料包裹砂石骨料和纤维；

4)加入剩余的水和外加剂，将物料进一步拌合均匀后倒出搅拌机，浇注成型适当振捣。

在以下的实施例中，使用普通硅酸盐水泥PO42.5，其28天抗压强度＞60MPa，抗折强度＞9.0MPa。

在制备过程中，事先配制混凝土外加剂并用净浆流动度法进行相容性试验，确定浆体具有良好的初始流动度(在320-360mm之间)和较小的流动度经时损失、且无板结、无泌水；将称量好的石、砂、胶凝材料、纤维依次加入强制式搅拌机中，干搅1～2分钟，使物料(纤维)充分分散；将总拌合水的二分之一的水量和外加剂(先将水和外加剂混合)加入搅拌机，搅拌使胶凝材料包裹砂石骨料和纤维；加入剩余的水和外加剂，将物料进一步拌合均匀后倒出搅拌机，浇注成型适当振捣，养护并脱模。

通过混凝土原材料的干搅，使纤维充分分散，避免了纤维结团现象，使纤维的作用可以充分发挥；拌合水分两次掺加减少了骨料表面对自由水的吸附及浆体与骨料界面缺陷，增加了浆体与骨料及纤维的粘结强度，从微观上提高了混凝土的强度与耐久性。

以下表中的各实施例按照国家标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程(JTE E30-2005)》进行。

表1不加纤维时的混凝土各实施例的组成与性能

表2加聚丙烯纤维时混凝土各实施例的组成与性能

表3加钢纤维时混凝土各实施例的组成与性能

中国专利“提高抗折强度型道路混凝土外加剂及使用方法”(授权公告号CN1326795C)，所公开的外加剂能降低混凝土用水量，使混凝土早期强度大幅度提高和28d抗压强度有所增加外，混凝土抗折强度明显提高，抗折强度5.0MPa以上。另一份中国专利“早强微膨胀钢纤维道路混凝土”(授权公告号CN100369856C)使用了钢纤维(3.0-3.5％)、膨胀剂(1.5-1.8％)等，提高混凝土的抗折强度、高抗冲击以及耐磨损等特性，3天混凝土抗折强度也可达到6.0Mpa。通过上述3表可以看出，本发明以上的实施例的抗折强度指标与现有技术相比取得了很大的进步。

本发明以上实施例混凝土抗折强度的提高是通过以下主要技术措施取得的：

(1)矿渣、钢渣激发技术，通过掺加激发剂，使矿渣、钢渣的潜在活性充分发挥出来，加速与水泥产物发生二次水化反应，消除结晶较大的氢氧化钙，提高了混凝土的密实度，从而提高混凝土的抗折强度。

(2)高效外加剂的制备技术，考虑适于工业化生产的需要，本技术所用外加剂都是市场上容易购买、价格适宜的化工产品。通过净浆流动度法检测减水剂的初始流动度、饱和点掺量，选用饱和点掺量较低(掺量为胶凝材料质量的0.8-1.5％)且饱和掺量下净浆流动度在300mm以上时的减水剂为本技术所用减水剂；在减水剂饱和点掺量下的浆体中掺加不同种类的缓凝剂(温差变化大的季节施工用的缓凝剂选用无机盐类，温差较小时季节侧重于有机盐类)，选用掺量小、流动度经时损失小的缓凝剂(掺量0.04％-0.1％)，并根据缓结时间确定缓凝剂掺量；在减水剂饱和点掺量、适当缓凝剂掺量下掺加浆体稳定剂(掺量0.005％-0.015％)，消除浆体的板结、泌水情况，同时不能影响浆体的流动度；掺入消泡剂或引气剂，使混凝土含气量为3％～4％。

(3)通过加入聚丙烯纤维、钢纤维降低早期收缩裂缝、低温度裂缝和长期收缩裂缝。纤维还可以降低混凝土裂缝和阻止宏观裂缝扩展，故可使其耐磨性、抗冻融性和抗渗性有不同程度的提高；降低侵蚀介质侵入基体的速率，有利于保护混凝土构件中钢筋。

(4)混凝土配比设计与制备工艺优化技术，选择水泥用量、掺和料掺量、水胶比、砂率、外加剂和纤维种类与掺量使混凝土具有较大的密实度，并通过预先干搅拌方法使纤维充分分散，二次加水法改善浆体与粗骨料的界面性能，从而提高混凝土的整体性能。

Claims (10)

1.一种高抗折道路混凝土材料，主要由胶凝材料、砂石骨料、拌合水、外加剂和激发剂组成，其特征在于，所述的胶凝材料是由普通硅酸盐水泥、矿渣粉和钢渣粉组成，各组分按质量计：普通硅酸盐水泥60-70％、矿渣粉20-30％、钢渣粉0-10％；所述的激发剂的掺量为矿渣粉与钢渣粉总质量的5.0％-10.0％，所述的激发剂为石膏、硫酸钠、氟化钠、三乙醇胺中的一种或其混合物；所述外加剂的组成为聚羧酸高效减水剂、聚丙烯酰胺、三聚磷酸钠和聚醚消泡剂。

2.根据权利要求1所述的高抗折道路混凝土材料，其特征在于，所述的普通硅酸盐水泥为P.042.5级，比表面积大于350m²/kg；矿渣粉的比表面积为380-500m²/g；钢渣为存放期在一年以上磨成的细粉，钢渣粉中游离CaO质量含量为4％-6％、MgO质量含量为4％-8％，碱度＞1.2；钢渣和矿渣粉的勃氏比表面积为400-550m²/kg。

3.根据权利要求2所述的高抗折道路混凝土材料，其特征在于：激发剂所用的石膏是CaSO₄·2H₂O≥70％的天然二水石膏、(CaSO₄+CaSO₄·2H₂O)≥70％的天然硬石膏或者是CaSO₄·2H₂O≥80％的工业副产物石膏，所述的工业副产物石膏是排烟脱硫石膏、氟石膏、磷石膏或钛石膏；石膏掺量为矿渣、钢渣总量的4.5％-9.5％；激发剂所用的三乙醇胺的含量≥85％，活性物含量≥85％，pH值9.0-10.0，掺量为胶凝材料质量的0.02％-0.05％。

4.根据权利要求3所述的高抗折道路混凝土材料，其特征在于，所述外加剂的组成是，聚羧酸高效减水剂的掺量为胶凝材料质量的0.8-1.5％，聚丙烯酰胺的掺量为胶凝材料质量的0.005％-0.015％，三聚磷酸钠的掺量为胶凝材料质量的0.04％-0.1％，聚醚消泡剂的掺量为胶凝材料质量的0.1％-0.15％。

5.根据权利要求4所述的高抗折道路混凝土材料，其特征在于，各组分的质量份数为：硅酸盐水泥315-430、矿渣粉50-165、钢渣粉0-55、外加剂3.5-6.5、二水石膏5.0-14.5、三乙醇胺0.13-0.17、细集料680-860、粗骨料950-1100、水155-165。

6.根据权利要求5所述的高抗折道路混凝土材料，其特征在于，组分中还包括聚丙烯纤维，所述的聚丙烯纤维为单丝纤维，长15-20mm，直径0.02±0.015mm，密度0.91kg/m³。

7.根据权利要求6所述的高抗折道路混凝土材料，其特征在于，各组分的质量份数为：硅酸盐水泥315-330、矿渣粉100-120、钢渣粉25-35、外加剂3.5-4.8、二水石膏6.5-7.5、三乙醇胺0.13-0.15、细集料700-750、粗骨料1000-1100、水155-165、聚丙烯纤维0.8-1.9。

8.根据权利要求5所述的高抗折道路混凝土材料，其特征在于，组分中还包括钢纤维，钢纤维为剪切波浪型，表面粗糙，长度20-30mm，等效直径0.3-0.6，长径比50-70，密度7.8×103kg/m³。

9.根据权利要求6所述的高抗折道路混凝土材料，其特征在于，各组分的质量份数为：硅酸盐水泥315-330、矿渣粉100-120、钢渣粉25-35、外加剂4.5-5.2、二水石膏6.5-7.5、三乙醇胺0.13-0.15、细集料830-865、粗骨料950-1000、水155-165、钢纤维75-160。

10.如权利要求1所述的高抗折道路混凝土材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)用净浆流动度法进行外加剂相容性试验，确定浆体具有良好的初始流动度和较小的流动度经时损失、且无板结、无泌水时的外加剂中各组分最适宜比例，并按此比例复配成制备本发明混凝土材料所用的高效外加剂；

2)将称量好的砂石骨料、胶凝材料、激发剂依次加入强制式搅拌机中，干搅1～2分钟，使物料充分分散；

3)将水和外加剂混合，将总拌合水的二分之一的水量和外加剂加入搅拌机，搅拌1分钟左右，使胶凝材料包裹砂石骨料；

4)加入剩余的水和外加剂，将物料进一步拌合均匀后倒出搅拌机，浇注成型适当振捣。