CN102617055A - 高强混凝土多组分水泥混掺工艺技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强混凝土多组分水泥混掺工艺技术，包括了以下步骤：①对不同特性的水泥进行筛选；②检测选定的两种水泥的净浆流动度；③按水泥混掺工艺控制关系式计算混掺比例值；④对按照步骤③所得混掺比例值混合的混合水泥进行检测并确定其水泥流动度是否符合目标控制范围，如果符合则将所得混掺比例值设为控制标准，否则相应调整混掺比例值直到符合目标控制范围；⑤确定该批次的两种水泥混掺生产配合比并应用于管桩生产，本发明通过调整两种水泥的混掺比例值，从而使得混合水泥的水泥流动度符合目标控制范围，因此在不调整原设计好的混凝土配合比各组分的掺量，特别是维持水胶比不变的前提下，保持原配合比混凝土强度和工作性能的稳定。

Description

高强混凝土多组分水泥混掺工艺技术

技术领域

本发明涉及一种生产工艺，特别是涉及一种高强混凝土多组分水泥混掺工艺技术，该技术可应用于PHC管桩等生产。

背景技术

过去的二十年是PHC管桩高速发展的年代，随着管桩生产规模的高速发展，生产效率的不断提高，生产管桩的混凝土除了要保证高强度外，还对混凝土的工作性能提出了更高的要求，也就是说生产管桩的混凝土应有合适的流动性，又要有好的粘聚性与可浇注性。现代高强混凝土十分强调工作性能，混凝土工作性能对管桩生产的质量与生产效率会造成极大的影响。管桩混凝土的工作性能对管桩工业化生产影响主要在三个方面：

(1)对管桩产品的质量的影响；

(2)对有效利用混凝土、降低生产成本的影响；

(3)对生产效率、节能降耗的影响。

管桩生产混凝土配合比从早期的四组分三要素以高强度为目标已发展为多组分四要素，以耐久性和施工性为目标。对于给定混凝土配合比设计，混凝土强度和工作性能出现波动的原因是原材料的可变性，混凝土中胶凝材料(水泥、磨细砂)、骨料(砂、石)和高性能减水剂等材料的质量对管桩混凝土的工作性能都会产生影响，由于管桩生产企业的砂石骨料控制较严格，选定供应商后质量相对稳定，因此，管桩生产时水泥的质量对混凝土的工作性能影响变得最为敏感。任何管桩生产企业都无可避免地面对混凝土性能波动的问题，对管桩混凝土性能的调整，使之适合管桩生产，是一项及其重要的工作，其中涉及到水泥的选用、外加剂的掺量调整；砂、石的级配调整及砂率的调整等等。

现有高强混凝土工作性能调整方法是调整混凝土配合比中外加剂种类和掺量、调整骨料中砂石的掺量来实现，调整效果必需反复验证，工作量大，效果不一定理想，调整也滞后，对管桩强度、生产质量和工艺控制带来不良因素。

管桩混凝土的质量控制是通过混凝土配合比控制获取，混凝土配合比是生产核心技术。对于给定配合比设计，实际和理论往往存在一定的差异，混凝土的可变性最主要原因是原材料供应的变化——水泥和骨料等原材料的颗粒尺寸和颗粒分布以及其他方面的质量波动。这些差异和波动会极大地影响混凝土用水量，而混凝土的强度以及性能高度依赖于混凝土配合比中的水胶比值，混凝土水胶比值的改变，会直接引起混凝土强度的变化。

管桩是通过离心成型形成管状的高强预制混凝土构件，由于现代管桩生产提倡节能环保，管桩离心后排出的余浆要尽可能回收利用，因此加上对余浆的回用考虑，混凝土配合比的设计以及控制极其重要。管桩生产控制经常遇到混凝土出现如前所述的性能变化，国内管桩生产现有的控制手段是通过调整配合比中减水剂、骨料(砂、石)和水的用量，调整后必然对强度带来波动，经常会出现调整配合比后满足了混凝土工作性能却影响混凝土强度的状况。原有的这种配合比调整方法，都涉及到混凝土水胶比的调整，水胶比的调整直接影响混凝土强度。

发明内容

为了解决上述问题，克服现有技术的不足，本发明提出了一种通过将不同质量特性的水泥混掺使用，而不需要对混凝土配合比其它组分进行调整就能够保持混凝土强度和工作性能稳定的高强混凝土多组分水泥混掺工艺技术。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高强混凝土多组分水泥混掺工艺技术，包括以下工艺步骤：

①、按管桩生产混凝土对水泥的要求，对水泥矿物成份、水泥等级、比表面积、安定性、颗粒分布进行检测后，筛选管桩生产可用水泥；

②、筛选确定两种水泥后，购进对水泥进行检验，测定该厂该批次水泥的水泥净浆流动度；

③、按水泥混掺工艺控制关系式：h＝(f-n)/(m-n)计算混掺比例值，上述关系式中，h为混掺比例值，f为要求控制达到的流动度(m＞f＞n)，m为高流动度水泥的流动度值(mm)，n为低流动度水泥流动度值(mm)，m≠n；

④、将两种选定的水泥按步骤③中得出的混掺比例值进行混掺，测定混掺后水泥的流动度，并与预设目标控制值进行比较，比较结果相差在±3％以内的，以步骤③中得出的混掺比例值作为混掺比例标准，比较结果超出±3％则修正混掺比例值，直到混掺水泥的流动度符合目标控制范围；

⑤、确定该批次的两种水泥混掺生产配合比并应用于管桩生产。

进一步，所述的步骤③中水泥混掺工艺控制关系式：h＝(f-n)/(m-n)中f的范围优先选为f＝265±5mm。

进一步，所筛选水泥为PII42.5等级及以上的、质量符合GB175《通用硅酸盐水泥》规定。

本发明的有益效果是：由于本发明通过对不同特性的水泥进行检测筛选，将符合筛选要求的两种不同特性水泥进行混掺，通过调整两种水泥的混掺比例值，从而使得混合水泥的水泥流动度符合目标控制范围，因此在不调整混凝土配合比，特别是维持水胶比不变的前提下，保持了混凝土强度和工作性能的稳定，从而确保了管桩的质量，同时水泥相互掺合能够形成性能互补，混掺水泥改善了单一水泥粒子之间填充性，减少集料间的孔隙率，从而使得混凝土更加密实。

具体实施方式

为便于对本发明进一步理解，现结合具体实施例对本发明进行详细描述。

由于在管桩混凝土各组分材料中，水泥的性能对混凝土工作性能影响最为明显和敏感，而对于生产厂家来说，水泥的性能变化最不可控。生产中遇到混凝土因水泥质量波动而波动时，是通过对其他组分配合比调整的方式进行控制，效果不一定理想。经常出现调整了混凝土配合比，一段时间后使用另一批水泥又再出现波动，这是困扰管桩生产工艺控制的共性问题。因此本技术的研究内容是从水泥对混凝土工作性能影响作为切入点。

1、影响管桩混凝土工作性能的因素分析

管桩混凝土含有五种组分：水、胶凝材料(水泥、磨细砂等)砂、石和高效混凝土减水剂。要生产高性能的混凝土，五种组分材料必需符合质量要求，并须选择恰当混凝土配合比。高强预应力混凝土管桩经过二十多年的发展，对混凝土中各种原材料的质量要求，都有相关的国家标准控制，各管桩生产厂家对混凝土配合比和砂、石的质量控制是十分严格的。因此，影响混凝土工作性能差异波动的主要原因是水泥和减水剂。对于管桩生产日渐提高的混凝土具备高性能的要求，近年来，已有减水剂生产厂家开发研制适合管桩生产用的聚羧酸高性能减水剂，应用于管桩生产取得很好的效果；一些水泥生产厂家也为此调整水泥的生产工艺，专门生产更能适应管桩生产的管桩水泥。通过长期的管桩生产实践发现，目前最困扰管桩生产控制的问题是：在管桩的连续生产中，往往在同一批次的砂、石、减水剂、磨细砂，以及混凝土的配合比不变的情况下，使用不同厂家的水泥或同厂家不同批次的水泥，混凝土的工作性能会出现较大的变化，直接影响管桩生产。

2、水泥对管桩混凝土工作性能的影响

按GB13476-2009《先张法预应力混凝土管桩》标准要求，水泥宜采用强度等级不低于42.5级的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥，其质量应符合GB175《通用硅酸盐水泥》的规定。现在，大部分的管桩生产厂家多使用PII42.5R硅酸盐水泥。国标里对这种水泥有明确的技术要求。但具体到管桩生产，必须具备如下特性：

(1)、能适合多组分掺合料技术应用。管桩生产可应用硅砂粉、矿渣粉以及粉煤灰等掺合料，改善混凝土性能，同时降低水泥用量；

(2)、混凝土具有良好的工作性能：较低的水灰比，较小的混凝土坍落度，有一定的流动性，良好的粘聚性，混凝土不离析不泌水；

(3)、混凝土适合6～8小时常压蒸养，混凝土强度达到45MPa，然后经8～12小时的高压蒸养，混凝土强度超80MPa；

(4)、适合离心成型工艺，离心后管桩内壁光滑、不挂浆，余浆密度在1600～1800kg/m³之间，余浆成份相对稳定，确保余浆的循环使用。

在长期的生产应用中，可以总结出不同厂家的水泥在满足上述要求时，性能差异较大。一直以来，所有的管桩生产厂家都是通过大量的混凝土试验，从不同的水泥厂家中选用一种价格和性能较为合适的水泥用于生产，但实际生产应用中，很难找到一种PII42.5R硅酸盐水泥能够完全符合上述高强高性能混凝土的性能要求。PII52.5R硅酸盐水泥性能较之有提高，但价格相对较高，不利于生产成本控制。

为研究水泥与管桩生产时混凝土性能变化的关系，分别采用有代表性的广东三家水泥厂家生产的PII水泥：厂家A的PII52.5R水泥，厂家B和厂家C的PII42.5R水泥，先在试验室进行混凝土试配对比试验，再分别进行一段时间的管桩生产，观察管桩混凝土的性能。上述不同厂家的水泥均为硅酸盐水泥，是通过硅酸盐熟料粉磨时掺不超过水泥质量的5％石灰石或粒化高炉矿渣粉混合材料生产而成，经厂家按产品国标GB175-2007《通用硅酸盐水泥》规定，检验安定性、凝结时间、不溶物、消失最、三氧化硫、氧化镁、氯离子含最等指标符以及强度等级合格。

水泥的质量主要取决于熟料的矿物组成和结构以及粉磨工艺，熟料的矿物组成和结构又取决于化学组成和烧成热工条件。硅酸盐水泥孰料中主要含有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸钙和铁相固熔体四种矿物，还有少量的游离氧化钙、方镁石、玻璃体等。上述四种矿物是由生料中氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁经过高温煅烧化合而成。各厂家生产原材料化学成份含量差异、生产工艺控制差异导致了同一型号的产品性能存在较大差异。一直以来，因为性能差异的存在，担心会出现质量问题，各管桩生产企业不不允许对不同水泥的混掺使用。

上述的不同厂家水泥在管桩生产应用时混凝土性能各有长短，但均不能完全满足管桩生产中混凝土的所有性能要求，管桩生产过程混凝土的性能经常波动令工艺调整频繁，影响生产和产品质量。既然水泥性能各有特性，能否通过工艺调整的方法，互相掺用水泥，使其性能取长补短，既能满足管桩生产中混凝土性能的相对稳定，又能确保管桩的质量。这是管桩生产工艺一个创新思路。

从水泥的生产工艺以及矿物成份分析得出，上述几种四种主要矿物成份结构是稳定的，只是各厂家生产原材料化学成份含量差异、生产工艺控制差异导致了性能存在一定差异。不同厂家水泥的混掺，不会改变水泥的矿物结构，只改变矿物成份的质量分数和颗粒分配，这是多组分水泥混掺可行的基础。

3、混掺水泥技术方法

混掺水泥的工艺试验，我们从调整水泥的净浆流动度试验着手。水泥净浆流动度是反映水泥和减水剂适应情况的参数。在管桩生产中，通过设定减水剂基准样，测定不同水泥的流动度，来控制混凝土的工作性能。混凝土应用萘系减水剂的掺量一般为0.60～0.65％(固体掺量)，水泥净浆流动度应大于230mm，应用聚羧酸系减水剂掺量的标准同样为水泥净浆流动度大于230mm。从水泥的性能检验中发现，不同厂家、不同批次的水泥净浆流动度波动很大，通常在210～320mm范围内。当水泥净浆流动度波动大时，混凝土性能必然产生波动，如果不及时调整，管桩生产的质量也会产生很大的波动。水泥净浆流动度指标过高了会令混凝土产生泌水、离析现象；反之则混凝土流动性差，混凝土无粘聚性。要使混凝土在一定的水胶比，混凝土达到流动性、粘聚性好，强度稳定，管桩生产总结出水泥的净浆流动度最适宜控制在265±5mm。在生产中遇到水泥的净浆流动度波动引起混凝土性能波动时，一般是采取调整混凝土减水剂的掺量、砂率和砂石级配等方法控制，但需要经过多次试验，效果不一定理想，生产工艺控制相对滞后。

针对上述不同厂家水泥净浆流动度相差大的特点，通过实验发现：以互掺方式调整流动度，可以达到减少混凝土性能波动的目的，该技术工艺应用比其他的工艺控制更有效、可靠。

选用较为适合管桩生产的A、B厂家的水泥按一定的比例混掺，测定其混掺后水泥净浆流动度的变化。结果见图表：

表1 混掺水泥的净浆流动度

上表显示，不同比例混掺后水泥的净浆流动度与原来的水泥净浆流动度呈正相关性。单一种水泥的流动性是可以通过不同水泥混掺来调整，通过调整掺合的比例，把混合后水泥的流动度稳定在265mm数值附近。

根据实验数据，总结出水泥混掺后，水泥净浆流动度与混掺比例基本符合以下关系，我们称之为水泥混掺工艺控制关系式：

h＝(f-n)/(m-n)

式中，h为混掺比例值，f为要求控制达到的流动度(m＞f＞n，本例取f＝265)，m为高流动度水泥的流动度值(mm)，n为低流动度水泥流动度值(mm)，m≠n。

水泥混掺工艺控制关系式应用于混掺水泥试验，选用两家水泥，选定A厂的PII52.5R水泥和B厂的PII42.5R水泥，分别测定其比表面积、颗粒分布、水泥净浆流动度以及其他的物理性能指标，验证水泥混掺工艺控制关系式的准确性。

表2 混合水泥与单一水泥的物理性能对比

由表可见，混合后的水泥与混合前的单一水泥的流动度与混掺控制关系式基本吻合，而水泥的其他物理性能试验数据也呈正相关关系。得出结论：水泥混掺工艺控制关系式能反映两种水泥混合后的流动度性能关系，混合水泥可起到均化单一水泥性能的作用，能使用混合水泥配制的混凝土强度能满足要求。

使用混合水泥的混凝土强度均满足要求。由表数据可知，当使用混合水泥后的管桩混凝土工作性能稳定，水泥相互掺合能形成性能互补，明显弥补了使用单一水泥时的不足。混掺水泥改善了单一水泥粒子之间的填充性，粗细颗粒的相互良好填充，减少集料间的孔隙率；应用混掺水泥工艺生产管桩混凝土较应用单一水泥生产管桩的孔隙率小，混凝土更密实；用显微镜观察管桩抽芯试样外观，其表面微孔较少。

通过大量试验，本发明——高强混凝土多组分水泥混掺工艺技术，适用于其他生产厂家生产的PII42.5等级及以上的、质量符合GB175《通用硅酸盐水泥》规定的水泥混掺。

本发明公开了一种高强混凝土多组分水泥混掺工艺技术，其具体的工艺步骤是：

实施例1

①、按管桩生产混凝土对水泥的要求，通过对市场上不同特性的水泥对其水泥矿物成分、水泥等级、比表面积、安定性等进行检验，再考虑价格因素选定了广东青州PII52.5R硅酸盐水泥和华润PII42.5R硅酸盐水泥；

②、对广东青州PII52.5R硅酸盐水泥和华润PII42.5R硅酸盐水泥进行检测，得出这两种水泥的该批次净浆流动度分别为336mm和226mm；

③、根据管桩的混凝土配合比，选定水泥用量为300kg，磨细石英砂140kg，5-20mm连续级配压碎指标为7％的花岗岩石1228kg，细度模数为2.9肇庆河砂690kg，10％浓度QL-PC5聚羧酸高性能减水剂水剂掺量为2％，水胶比控制0.3，用水量132kg，再根据本发明中的水泥混掺工艺控制关系式：h＝(f-n)/(m-n)计算得出得这两种水泥混掺比例值为0.35，上述关系式中，h为混掺比例值，f为要求控制达到的流动度(m＞f＞n)，m为高流动度水泥的流动度值(mm)，n为低流动度水泥流动度值(mm)，m≠n，这里f的数值优先选为265mm；

④、测定混掺后水泥实际净浆流动度为269mm，然后将测定结果与要求控制达到的流动度f相比较，结果显示为偏差了1.5％，符合相差±3％的要求，从而确定混掺比例值为0.35；

⑤、按混掺比例值计算确定混凝土配合比中广东青州PII52.5R硅酸盐水泥用量为105kg，华润PII42.5R硅酸盐水泥用量为195kg，搅拌时间为100s，混凝土拌合物输送到管模，取样检测混凝土砃落度为28mm，混凝土具有黏性和流动性适中，工作性能良好，喂料完成后混凝土基本均匀分布在管模里。按管桩生产离心成型制度离心，管桩内壁光滑，余浆密度在1760kg/m³，适合于回收使用。混凝土经过7.5小时初级蒸养强度达44.6MPa，经过0.9MPa压蒸养护，混凝土强度达93.7MPa，管桩质量符合国标要求。

实施例2

①、按管桩生产混凝土对水泥的要求，通过对市场上不同特性的水泥对其水泥矿物成分、水泥等级、比表面积、安定性等进行检验，再考虑价格因素选定了广东青州PII52.5R硅酸盐水泥和华润PII42.5R硅酸盐水泥；

②、对广东青州PII52.5R硅酸盐水泥和华润PII42.5R硅酸盐水泥进行检测，得出这两种水泥的该批次净浆流动度分别为332mm和228mm；

③、根据管桩的混凝土配合比，选定水泥用量为255kg，磨细石英砂100kg，管桩离心后余浆120kg，5-20mm连续级配压碎指标为7％的花岗岩石1228kg，细度模数为2.9肇庆河砂690kg，10％浓度QL-PC5聚羧酸高性能减水剂水剂掺量为2％，水胶比控制0.3，用水量90kg，再根据本发明中的水泥混掺工艺控制关系式：h＝(f-n)/(m-n)计算得出得这两种水泥混掺比例值为0.35，上述关系式中，h为混掺比例值，f为要求控制达到的流动度(m＞f＞n)，m为高流动度水泥的流动度值(mm)，n为低流动度水泥流动度值(mm)，m≠n，这里f的数值优先选为265mm；

④、测定混掺后水泥实际净浆流动度为258mm，然后将测定结果与要求控制达到的流动度f相比较，结果显示为偏差了-2.6％，符合相差±3％的要求，从而确定混掺比例值为0.35；

⑤、按混掺比例值计算确定混凝土配合比中广东青州PII52.5R硅酸盐水泥用量为90kg，华润PII42.5R硅酸盐水泥用量为165kg，搅拌时间为100s，混凝土拌合物输送到管模，取样检测混凝土砃落度为33mm，混凝土具有黏性和流动性适中，工作性能良好，喂料完成后混凝土基本均匀分布在管模里。按管桩生产离心成型制度离心，管桩内壁光滑，余浆密度在1800kg/m3，适合于回收使用。混凝土经过7.5小时初级蒸养强度达46.8MPa，经过0.9MPa压蒸养护，混凝土强度达98.6MPa，管桩质量符合国标要求。

实施例3

①、按管桩生产混凝土对水泥的要求，通过对市场上不同特性的水泥对其水泥矿物成分、水泥等级、比表面积、安定性等进行检验，再考虑价格因素选定了广东青州PII52.5R硅酸盐水泥和华润PII42.5R硅酸盐水泥；

②、对广东青州PII52.5R硅酸盐水泥和华润PII42.5R硅酸盐水泥进行检测，得出这两种水泥的该批次净浆流动度分别为323mm和218mm；

③、根据管桩的混凝土配合比，选定水泥用量为300kg，磨细石英砂140kg，5-20mm连续级配压碎指标为7％的花岗岩石1228kg，细度模数为2.9肇庆河砂690kg，10％浓度QL-PC5聚羧酸高性能减水剂水剂掺量为2％，水胶比控制0.3，用水量132kg，再根据本发明中的水泥混掺工艺控制关系式：h＝(f-n)/(m-n)计算得出得这两种水泥混掺比例值为0.45，上述关系式中，h为混掺比例值，f为要求控制达到的流动度(m＞f＞n)，m为高流动度水泥的流动度值(mm)，n为低流动度水泥流动度值(mm)，m≠n，这里f的数值优先选为265mm；

④、测定混掺后水泥实际净浆流动度为250mm，然后将测定结果与要求控制达到的流动度f相比较，结果显示为偏差了-5.6％，不符合相差±3％的要求，将混掺比例值调整为0.5，重新测定混掺水泥净浆流动度为258mm，偏差-2.6％，符合相差±3％的要求，从而确定混掺比例值为0.5；

⑤、按混掺比例值计算确定混凝土配合比中广东青州水泥PII52.5R硅酸盐水泥用量为150kg，华润PII42.5R硅酸盐水泥用量为150kg，搅拌时间为100s，混凝土拌合物输送到管模，取样检测混凝土砃落度为22mm，混凝土具有黏性和流动性适中，工作性能一般，喂料完成后混凝土基本均匀分布在管模里。按管桩生产离心成型制度离心，管桩内壁光滑，余浆密度在1700kg/m3，适合于回收使用。混凝土经过7.5小时初级蒸养强度达43.6MPa，经过0.9MPa压蒸养护，混凝土强度达90.7MPa，管桩质量符合国标要求。

以上所述仅为本发明的优先实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.高强混凝土多组分水泥混掺工艺技术，其特征在于，包括以下工艺步骤：

按管桩生产混凝土对水泥的要求，对水泥矿物成份、水泥等级、比表面积、安定性、颗粒分布进行检测后，筛选管桩生产可用水泥；

筛选确定两种水泥后，购进对选定的水泥进行检验，测定该厂该批次水泥的水泥净浆流动度；

按水泥混掺工艺控制关系式: h=(f-n)/(m-n)计算混掺比例值，上述关系式中，h为混掺比例值，f为要求控制达到的流动度（m＞f＞n），m为高流动度水泥的流动度值（mm）,n为低流动度水泥流动度值（mm），m≠n；

将两种选定的水泥按步骤③中得出的混掺比例值进行混掺，测定混掺后水泥的流动度，并与预设目标控制值进行比较，比较结果相差在±3%以内的，以步骤③中得出的混掺比例值作为混掺比例标准，比较结果超出±3%则修正混掺比例值，直到混掺水泥的流动度符合目标控制范围；

确定该批次的两种水泥混掺生产配合比并应用于管桩生产。

2.根据权利要求1所述的高强混凝土多组分水泥混掺工艺技术，其特征在于：所述的步骤③中水泥混掺工艺控制关系式: h=(f-n)/(m-n)中f的范围优先选为f=265±5mm。

3.根据权利要求1所述的高强混凝土多组分水泥混掺工艺技术，其特征在于：所筛选水泥为PⅡ42.5等级及以上的、质量符合GB175《通用硅酸盐水泥》规定的水泥。