CN102452814A - 一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土及其制备方法，高强混凝土由水泥、粉煤灰、矿渣粉、活化煤矸石、偏高岭土、脱硫石膏、消石灰、蔗糖酯、机制砂、碎石、聚羧酸系减水剂和水按配方组成。可有效提高混凝土对各种工业废弃物的利用比例，水泥用量低，并有助于提高混凝土的抗渗性，抗碳化性和抗Cl-渗透性，具有成本低廉，绿色化程度高，降低碳排放等突出优点。本发明适用于各类建筑物的柱子，高架桥的桥墩和箱梁，跨海大桥的桥墩和主塔的施工，也适合于高强灌注桩、钢管混凝土柱(拱)、钢-混凝土组合结构等的施工。
Description
技术领域
本发明属建筑材料技术领域，具体涉及一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土及其制备方法。
背景技术
随着我国高层建筑、高速轨道交通和大跨度桥梁建设量的迅速增加，高强混凝土的需求量越来越大。按照有关规范，抗压强度等级为C60及C60以上的混凝土为高强混凝土。据统计，2000年前，我国各项工程中高强混凝土所占比例不超过2％，而10年后的今天，高强混凝土几乎占整个混凝土用量的6％左右。在实际工程中，高强混凝土的配制是一项十分复杂的工作，它受水泥强度等级、掺合料种类和品质、集料品种和品质、减水剂效能和适应性等多项因素的影响，而混凝土的搅拌制备工艺对高强混凝土的力学性能和耐久性也有一定影响。当前，水泥标准的两次修订致使市场供应水泥的比表面积不断增大，与减水剂适应性变差，且所配制混凝土后期强度发展不理想，加之优质河砂资源的枯竭，给高强混凝土的配制、实际生产和应用带来很大的技术难题，所以，利用地方材料配制力学性能和耐久性均十分优良的高强混凝土的研究方兴未艾。
“十一五”环境规划中国家对大型燃煤企业烟气脱硫工程的投入加大，产生的工业副产品脱硫石膏的高效利用问题已经引起人们的广泛关注，若处置不当，烟气脱硫工程只是转化了污染形态，并未从根本上解决二氧化硫的污染，且堆置起来将更加严重地污染土地和水源。因此，如何资源化高效利用脱硫石膏成为解决二氧化硫污染的关键。本发明将脱硫石膏作为高强混凝土中的一种活性激发剂，既有助于激发掺合料粉煤灰、矿渣粉、活化煤矸石和偏高岭土的早期活性，提高混凝土早期和后期强度，又能在一定程度上帮助解决脱硫石膏的资源化高效利用问题，可谓一举两得。
发明内容
本发明的目的在于提供的高强混凝土由水泥、粉煤灰、矿渣粉、活化煤矸石、偏高岭土组成复合胶凝材料，由消石灰为液相补充氢氧化钙，以脱硫石膏为粉煤灰、矿渣粉、活化煤矸石和高岭土的活性激发剂，利用机制砂作为细集料。本发明的高强混凝土制备中采用先用2/3的拌合水搅拌胶凝材料、消石灰、脱硫石膏、蔗糖酯和聚羧酸系减水剂，然后加入机制砂和碎石，混合后加剩余1/3的水搅拌均匀；使高强混凝土坍落度达220-260mm，坍扩度达550-750mm，28d抗压强度达60-80MPa，抗渗性好，抗氯离子渗透性极好，碳化速度极慢的一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土及其制备方法。
本发明提出的一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土，由水泥、粉煤灰、矿渣粉、活化煤矸石、偏高岭土、脱硫石膏、消石灰、蔗糖酯、机制砂、碎石、聚羧酸系减水剂和水组成，其特征在于：
其配方(其组份的重量比如下)：
水泥 100
粉煤灰 30-70
矿渣粉 30-70
活化煤矸石 0-35
偏高岭土 0-35
脱硫石膏 10-27
消石灰 0.006-5.3
蔗糖酯 0.0002-0.001
机制砂 370-410
碎石 430-510
聚羧酸系减水剂 2.35-2.75
水 61-68
以上均为市售
本发明中，所述水泥为42.5级硅酸盐水泥，42.5级普通硅酸盐水泥，52.5级硅酸盐水泥，52.5级普通硅酸盐水泥中的一种，且比表面积大于等于310m2/Kg，但小于等于380m2/Kg；
本发明中，所述粉煤灰为Ⅰ级C类粉煤灰或Ⅱ级C类粉煤灰中的一种，需水量比小于等于110％；
本发明中，所述矿渣粉为S95或S105中的一种；
本发明中，所述活化煤矸石为600-950℃煅烧1.5小时以上并磨细至比表面积大于350m2/Kg的粉体；
本发明中，所述偏高岭土为天然高岭土在600-1000℃煅烧1.5小时以上并磨细至比表面积大于350m2/Kg的粉体；
本发明中，所述脱硫石膏，其主要组分为CaSO4.2H2O，且SO3重量含量大于等于40％；
本发明中，所述机制砂的细度模数大于1.5小于3.6，石粉的重量含量小于等于10％，含泥重量小于等于2％；
本发明中，所述碎石的粒径范围为5-20mm，母岩为花岗岩或安山岩中的一种，压碎指标小于等于12％，针片状颗粒重量含量小于等于10％；
本发明提出的一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土的制备方法的具体步骤如下：
(1)按重量比称取原料，并将水泥，粉煤灰，矿渣粉，活化煤矸石，偏高岭土，脱硫石膏，消石灰，蔗糖酯预先干拌至均匀状态；
(2)将聚羧酸系减水剂和占总用水重量2/3的水加入至步骤(1)中的混合物中，混合30s；
(3)将机制砂，碎石加入步骤(2)的浆体中，搅拌30s；
(4)将剩余的占总用水重量1/3的水加入步骤(3)的混合物中，混合均匀；
以上步骤都是在常温和常压下进行；
本发明所得的高强混凝土，可通过机械化运输至浇筑地点进行浇筑施工，养护28d后可形成高强度且耐久性优异的结构体。
由于本发明中，水泥，粉煤灰，矿渣粉，活化煤矸石，偏高岭土共同组成多元化胶凝材料体系。水泥中包含四大矿物C3S，C2S，C3A，C4AF和调凝剂石膏，水泥从加水开始，先是C3A与调凝剂石膏发生反应形成钙矾石，阻止了C3A的快速水化，使水泥的水化能在较长时间处于“停滞”状态，大约2小时后，C3S开始大量水化，形成CSH凝胶和氢氧化钙，相互搭接、穿插，出现凝结和硬化。粉煤灰，矿渣粉，活化煤矸石，偏高岭土都为辅助性胶凝材料，由于含有较多具有火山灰活性的SiO2，Al2O3，SiO2能与水泥水化形成的Ca(OH)2进一步结合形成CSH凝胶，Al2O3能与水泥水化形成的Ca(OH)2和液相中残存的石膏进一步结合形成钙矾石，增加水化产物的数量，密实浆体结构。而未参加反应的粉煤灰，矿渣粉，活化煤矸石，偏高岭土颗粒将作为填充料存在，有助于提高硬化浆体的强度。由于矿渣粉，活化煤矸石，偏高岭土中的CaO含量均较低，掺入混凝土中发生二次火山灰反应后会大幅度降低浆体液相中Ca(OH)2浓度，不利于水化速度的加快，本发明特别引入少量熟石灰来补充液相中的Ca(OH)2，由于它的引入量较小，不至于影响浆体的强度。本发明中，所用粉煤灰选用C类粉煤灰(高钙粉煤灰)，而非普通粉煤灰(F类粉煤灰)，目的也是在于增加体系中的Ca(OH)2含量，从而加速辅助性胶凝材料的水化。众所周知，石膏和石灰是粉煤灰，矿渣粉，活化煤矸石，偏高岭土等辅助性胶凝材料的活性激发剂，只有在这两种激发剂同时存在情况下，这几种火山灰活性矿物掺合料才能较好的参与水化。本发明在引入部分Ca(OH)2的前提下，通过计算并通过实验验证，引入了较佳比例的脱硫石膏，其主要组分为二水石膏(CaSO4.2H2O)。脱硫石膏中的二水石膏与天然二水石膏的溶解速率相当，可以在混凝土加水搅拌后3d-14d内缓慢溶解，溶解出的SO4 2-不断地与本发明中四种活性矿物掺合料结合，形成钙矾石晶体，穿插在凝胶体系中，有助于增加混凝土的抗压强度和韧性。由于大城市中河砂资源枯竭，本发明考虑到这一现状，采用了机制砂来配制高强混凝土，但为保证高强混凝土质量，对机制砂的细度模数、石粉含量和含泥量提出具体限制。配制高强混凝土采用最大粒径小于等于20mm的碎石时强度较理想，但考虑到集料的强度必须大于混凝土配制强度才合理，所以对碎石的母岩品种做了具体规定，这样可以保证混凝土中胶凝材料用量不致过高，从而降低混凝土的收缩，提高其抗开裂性。为降低混凝土水胶比，提高混凝土强度，本发明采用第三代混凝土减水剂---聚羧酸系减水剂，它减水率高，对水泥和掺合料适应性强，混凝土拌合物和易性较理想。由于当前混凝土产量的30％以上实现了集中搅拌并通过专用的运输车运输至浇筑地点，期间要经历30min-120min的路程，为预防混凝土拌合物的流动性损失，通常尚需掺加能延缓水泥水化速率，抑制拌合物流动性损失的添加剂。本发明选择蔗糖酯作为流动性损失抑制剂，它不仅能较好地控制水泥水化速率，而且与聚羧酸系减水剂具有较好的适应性。
使用本发明可有效提高混凝土对各种工业废弃物的利用比例，水泥用量低，并有助于提高混凝土的抗渗性，抗碳化性和抗Cl-渗透性，具有成本低廉，绿色化程度高，降低碳排放等突出优点。本发明适用于各类建筑物柱子，高架桥的桥墩和箱梁，跨海大桥的桥墩和主塔的施工，也适合于高强灌注桩、钢管混凝土柱(拱)、钢-混凝土组合结构等的施工。
本发明提出的一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土，由于引入了脱硫石膏，大幅度提高了粉煤灰，矿渣粉，活化煤矸石和偏高岭土替代水泥的比例，从而可以在水泥用量非常低的情况下，配制出高强混凝土。此外，本发明的细集料采用机制砂，有助于减少对天然砂的开采和对环境的破坏。本发明产品生产工艺简单，性能优于单纯以水泥为胶凝材料的同类产品，产品生产成本可降低10％左右，具有较好的应用前景。
具体实施方式
以下用实施例为例，对本发明的进一步描述：
实施例1
一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土，按重量份数计，42.5级硅酸盐水泥100，Ⅰ级C类粉煤灰30，S105矿渣粉70，活化煤矸石0，偏高岭土35，脱硫石膏20，消石灰5.3，蔗糖酯0.0002，机制砂400，母岩为安山岩的碎石500，聚羧酸系减水剂2.35，水67。
其制备方法具体步骤如下：
(1)按重量比称取原料，并将水泥，粉煤灰，矿渣粉，活化煤矸石，偏高岭土，脱硫石膏，消石灰，蔗糖酯预先干拌至均匀状态；
(2)将聚羧酸系减水剂和占总用水重量2/3的水加入至步骤(1)中的混合物中，混合30s；
(3)将机制砂，碎石加入步骤(2)的浆体中，搅拌30s；
(4)将剩余的占总用水重量1/3的水加入步骤(3)的混合物中，混合均匀；
以上步骤都是在常温和常压下进行；
其坍落度为240mm，坍落扩展度为650mm，60min坍落度为220mm，坍落扩展度为600mm，3d抗压强度为28.5MPa，7d抗压强度为56.3MPa，28d抗压强度为71.3MPa，28的收缩率为560×10-6，28d碳化深度为1.2mm，电通量为620C。
实施例2
一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土，按重量份数计，42.5级普通硅酸盐水泥100，Ⅰ级C类粉煤灰70，S95矿渣粉30，活化煤矸石35，偏高岭土0，脱硫石膏27，消石灰0.006，蔗糖酯0.0004，机制砂370，母岩为花岗岩的碎石430，聚羧酸系减水剂2.65，水61。其制备方法的具体步骤同上。
其坍落度为230mm，坍落扩展度为630mm，60min坍落度为190mm，坍落扩展度为550mm，3d抗压强度为34.2MPa，7d抗压强度为59.8MPa，28d抗压强度为74.6MPa，28的收缩率为572×10-6，28d碳化深度为1.3mm，电通量为670C。
实施例3
一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土，按重量份数计，52.5级硅酸盐水泥100，Ⅰ级C类粉煤灰50，S105矿渣粉60，活化煤矸石25，偏高岭土25，脱硫石膏10，消石灰2.1，蔗糖酯0.001，机制砂410，母岩为花岗岩的碎石510，聚羧酸系减水剂2.6，水68。其制备方法的具体步骤同上。
其坍落度为260mm，坍落扩展度为750mm，60min坍落度为250mm，坍落扩展度为700mm，120min坍落度为230mm，坍落扩展度为660mm，3d抗压强度为41.5MPa，7d抗压强度为65.2MPa，28d抗压强度为86.3MPa，28的收缩率为584×10-6，28d碳化深度为1.0mm，电通量为540C。
实施例4
一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土，按重量份数计，52.5级普通硅酸盐水泥100，Ⅱ级C类粉煤灰50，S95矿渣粉50，活化煤矸石35，偏高岭土25，脱硫石膏24，消石灰0.01，蔗糖酯0.0008，机制砂380，母岩为安山岩的碎石440，聚羧酸系减水剂2.75，水64。其制备方法的具体步骤同上。
其坍落度为230mm，坍落扩展度为630mm，60min坍落度为210mm，坍落扩展度为570mm，3d抗压强度为30.2MPa，7d抗压强度为54.3MPa，28d抗压强度为71.4MPa，28的收缩率为612×10-6，28d碳化深度为1.4mm，电通量为650C。
上述实施例仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，凡在本发明的原则之内，所做的任何等同替代、修改和变化，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土及其制备方法，其特征在于所述高强混凝土由水泥、粉煤灰、矿渣粉、活化煤矸石、偏高岭土、脱硫石膏、消石灰、蔗糖酯、机制砂、碎石、聚羧酸系减水剂和水组成，其特征在于(组份按重量比)：
水泥 100
粉煤灰 30-70
矿渣粉 30-70
活化煤矸石 0-35
偏高岭土 0-35
脱硫石膏 10-27
消石灰 0.006-5.3
蔗糖酯 0.0002-0.001
机制砂 370-410
碎石 430-510
聚羧酸系减水剂 2.35-2.75
水 61-68
以上原料均为市售制备方法，
2.根据权利要求1所述的一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土及其制备方法，其特征在于：
其制备方法的具体步骤如下，
(1)按重量比称取原料，并将水泥，粉煤灰，矿渣粉，活化煤矸石，偏高岭土，脱硫石膏，消石灰，蔗糖酯预先干拌至均匀状态；
(2)将聚羧酸系减水剂和占总用水重量2/3的水加入至步骤(1)中的混合物中，混合30s；
(3)将机制砂，碎石加入步骤(2)的浆体中，搅拌30s；
(4)将剩余的占总用水重量1/3的水加入步骤(3)的混合物中，混合均匀；
以上步骤都是在常温和常压下进行；
3.根据权利要求1所述的一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土及其制备方法，其特征在于：所述水泥为42.5级硅酸盐水泥，42.5级普通硅酸盐水泥，52.5级硅酸盐水泥，52.5级普通硅酸盐水泥中的一种，且比表面积大于等于310m2/Kg，但小于等于380m2/Kg。
4.根据权利要求1所述的一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土及其制备方法，其特征在于：所述粉煤灰为Ⅰ级C类粉煤灰或Ⅱ级C类粉煤灰中的一种，需水量比小于等于110％。
5.根据权利要求1所述的一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土及其制备方法，其特征在于：所述矿渣粉为S95或S105中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土及其制备方法，其特征在于：所述活化煤矸石为600-950℃煅烧1.5小时以上并磨细至比表面积大于350m2/Kg的粉体。
7.根据权利要求1所述的一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土及其制备方法，其特征在于：所述偏高岭土为天然高岭土在600-1000℃煅烧1.5小时以上并磨细至比表面积大于350m2/Kg的粉体。
8.根据权利要求1所述的一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土及其制备方法，其特征在于：所述脱硫石膏，其主要组分为CaSO4.2H2O，且SO3重量含量大于等于40％。
9.根据权利要求1所述的一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土及其制备方法，其特征在于：所述机制砂的细度模数大于1.5小于3.6，石粉的重量含量小于等于10％，含泥重量小于等于2％。
10.根据权利要求1所述的一种以脱硫石膏为激发剂的高强混凝土及其制备方法，其特征在于：所述碎石的粒径范围为5-20mm，母岩为花岗岩或安山岩中的一种，压碎指标小于等于12％，针片状颗粒重量含量小于等于10％。
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