CN103288398B

CN103288398B - 高性能机制砂海工混凝土及其制备方法

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Publication number: CN103288398B
Application number: CN201310182847.1A
Authority: CN
Inventors: 刘慈军; 秦明强; 陈方东; 陈涛; 屠柳青; 徐文冰; 马芹纲; 占文
Original assignee: NINGBO HIGH-GRADE HIGHWAYS CONSTRUCTION HEADQUARTERS; CCCC Wuhan Harbour Engineering Design and Research Institute Co Ltd; Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning Design and Research Co Ltd
Current assignee: NINGBO HIGH-GRADE HIGHWAYS CONSTRUCTION HEADQUARTERS; CCCC Wuhan Harbour Engineering Design and Research Institute Co Ltd; Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning Design and Research Co Ltd; Zhejiang Shuzhijiaoyuan Technology Co Ltd
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-05-15
Also published as: CN103288398A

Abstract

本发明公开了一种高性能机制砂海工混凝土及其制备方法，该机制砂海工混凝土的原料组分包括硅酸盐水泥、粉煤灰、矿粉、机制砂、碎石、聚羧酸减水剂和水，各组分的重量配比如下：硅酸盐水泥100份，粉煤灰10～50份，矿粉10～50份，机制砂240～290份，碎石320～370份，聚羧酸减水剂0.9～1.5份，水44～57份。本发明的机制砂海工混凝土具有施工便利、成本低廉、工作性能良好、早期和中后期力学性能高、耐久性优良、体积稳定性好和可泵性强的特点，其在混凝土性能和技术指标方面与河砂海工混凝土接近甚至更高，克服了河砂资源紧缺，质量不稳定，价格较高等弊端，解决了机制砂在海工混凝土配制和性能研究领域的技术难题。

Description

高性能机制砂海工混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，具体地指一种高性能机制砂海工混凝土及其制备方法。

背景技术

随着跨海大型桥梁和海底隧道等基础建设工程的不断发展，海工混凝土被广泛地应用于基础建设工程中，这对海工混凝土的性能提出了比普通混凝土更高的技术要求。目前，海洋环境或滨海环境下的海工混凝土主要利用河砂进行混凝土的配制，但存在许多问题，如：河砂质量不稳定，资源日益紧缺，价格上涨，供应不及时，容易影响施工工期，增加工程造价；由于河砂的紧缺，一些不法商贩将海砂冒充河砂进行销售，直接导致建设工程质量下降，达不到设计的使用年限要求，造成重大的质量隐患，严重影响和威胁了国家基础建筑设施的安全性；而大量开采河砂会导致自然环境，尤其是河道河床污染过大。因此，致力寻找出河砂的替代原料，并将其应用于混凝土领域便显得极为必要，而机制砂是一种矿山资源，其颗粒级配一般不如河砂优良，用机制砂替代河砂配制泵送混凝土时，容易因砂率不当降低混凝土的整体性能，影响混凝土的强度和耐久性，机制砂在海工混凝土领域暂无大面积应用实例，其配制和性能研究尚为技术空白。

因此，在当前河砂供应减少、质量下降，及质量波动较大的形势下下，利用机制砂配制出高性能的机制砂海工混凝土，便显得极为必要。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种高性能机制砂海工混凝土及其制备方法，以使得该机制砂海工混凝土质量稳定，同时具有高流动性、高力学性、高体积稳定性、高耐久性和高可泵性，满足海工混凝土技术指标，解决机制砂在海工混凝土配制和性能研究领域的技术难题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高性能海工混凝土，其原料组分包括硅酸盐水泥、粉煤灰、矿粉、机制砂、碎石、聚羧酸减水剂和水，各组分的重量配比如下：

上述矿粉为GB/T18046-2000中所定义的矿粉。

进一步地，所述原料组分的重量配比如下：

进一步地，所述机制砂为粒径0.075mm～5mm的连续级配Ⅱ区机制砂，机制砂的细度模数为2.6～3.0，石粉含量为5%～8%，MB值≤1.0。机制砂是将小颗粒岩石进行破碎后所形成的粒径0.075mm～5mm连续级配的一种建设用砂；机制砂质量稳定，价格低廉，利用机制砂配制海工混凝土在保证海工混凝土良好的工作性、力学性能、体积稳定性、高耐久性和质量稳定性的同时可兼顾节能环保；根据海工混凝土的技术要求，利用机制砂可配制出不同强度等级和适用于不同结构部位的海工混凝土，可用于海洋环境或滨海环境下的建筑、水利、水工、桥梁、隧道、公路、铁路、码头和大坝等建设工程中。

进一步地，所述硅酸盐水泥为P.Ⅱ型硅酸盐水泥，强度等级为42.5级，比表面积在300m²/kg～400m²/kg之间。硅酸盐水泥是以铝矿、铁矿、粘土和石灰石为主要原料，经过高温煅烧粉磨后形成的以硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙为主要矿物组成，再复掺5%的细磨石灰石粉和少量石膏而配制而成的水泥。

进一步地，所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，或为Ⅱ级粉煤灰且粉煤灰细度≤12%、需水量比≤105%、烧失量≤5%。粉煤灰是从电厂烟尘中收集的以活性二氧化硅、活性氧化铝和活性氧化钙为主要成分的一种物质，添加到海工混凝土体系中可以改善混凝土的工作性能及耐久性能。

进一步地，所述矿粉为S95级矿粉或S105级矿粉，比表面积≥350m²/kg。按照上述技术方案，矿粉是炼钢厂的高炉废渣经过冷淬后细磨到一定细度要求，且以氧化钙、氧化铝为主要成分的一种物质，添加到海工混凝土体系中可以改善混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能和体积稳定性。

进一步地，所述碎石为粒径5mm～25mm连续级配碎石，碎石的针片状含量≤10%，含泥量≤1%。

进一步地，所述聚羧酸减水剂为LN型聚羧酸减水剂、SP型聚羧酸减水剂或PC型聚羧酸减水剂，所述聚羧酸减水剂的减水率≥25%。聚羧酸类减水剂为化学合成的一种含有羧基的化学物质，其结构通式为：

优选地，所述原料组分的重量配比如下：

上述高性能海工混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1）按原料组分的重量配比，硅酸盐水泥:粉煤灰:矿粉:机制砂:碎石:聚羧酸减水剂:水为100:10～50:10～50:240～290:320～370:0.9～1.5:44～57分别称取相应重量份的硅酸盐水泥、粉煤灰、矿粉、机制砂、碎石、聚羧酸减水剂和水，备用；

2）将机制砂和碎石混合形成组分A；将硅酸盐水泥、粉煤灰，及矿粉混合形成组分B；将聚羧酸减水剂和水混合形成组分C；

3）先将组分A置于混凝土搅拌机中，然后将组分B加入搅拌机中，开启混凝土搅拌机将组分A与组分B搅拌混合5～20秒后，再将组分C加入搅拌机中，使组分A、组分B与组分C一起搅拌混合2～4分钟后停止，即可制备出高性能机制砂海工混凝土。

本发明的机制砂海工混凝土的施工方法是：按上述制备方法将原料配制成具有流动性能的混凝土拌合物后，利用混凝土高压泵车进行混凝土结构部位的混凝土施工，机制砂海工混凝土浇筑施工完成后，混凝土自行硬化成型，待2～3天后拆除模板即可制得设计尺寸形状的混凝土结构。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

其一，在本发明的机制砂海工混凝土体系中，因机制砂自身性能及通过合理的配比优化使得机制砂海工混凝土的整体性能得到改善，本机制砂海工混凝土工作性能良好、早期和中后期力学性能高，具有高流动性、高粘聚性、高体积稳定性、高耐久性和高可泵性；本发明的机制是海工混凝土在混凝土性能和技术指标方面，与河砂海工混凝土接近甚至更高，能够满足设计技术要求，具有良好的可行性和应用性，完全能代替河砂制备出性能更优的海工混凝土。

其二，机制砂是一种矿山资源，质量稳定可控，利用机制砂配制高性能高耐久的海工混凝土是海工混凝土配制技术领域的一个领先发展方向，本发明解决了河砂资源紧缺，河砂来源质量不稳定所导致的海工混凝土质量下降等问题，保证了混凝土工程施工的顺利推进及混凝土结构质量优良；本发明中利用机制砂所配制的海工混凝土，施工便利、成本低廉。

其三，机制砂与硅酸盐水泥、粉煤灰、矿粉、碎石、聚羧酸减水剂和水这多种原料组分的合理配比进一步提高了海工混凝土的的整体性能，解决了机制砂在海工混凝土配制和性能研究领域的技术难题。

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述本发明内容，但是本发明并不限于下述实施例。

高性能机制砂海工混凝土的制备方法包括以下步骤：

1）按原料组分的重量配比，分别称取相应重量份的硅酸盐水泥、粉煤灰、矿粉、机制砂、碎石、聚羧酸减水剂和水，备用。其中原料配备如下：

硅酸盐水泥为湖北亚东水泥有限公司生产的P.Ⅱ型硅酸盐水泥，强度等级为42.5级，比表面积为385m²/kg，标稠需水量27.4%，初凝时间136min，终凝时间195min，3d抗压强度和抗折强度分别为31.0MPa和5.3MPa，28d抗压强度和抗折强度分别为58.4MPa和9.4MPa；

粉煤灰为武汉阳逻电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，细度为7.1%，烧失量为3.4%；

矿粉为武汉黄陂生产的S95级矿粉，比表面积400m²/kg，烧失量1.9%，流动度比为96%，28d活性指数为105%；

碎石为武汉江夏生产的5mm～25mm连续级配碎石，堆积密度1550m²/kg，针片状含量9.2%，压碎值3.4%，含泥量1%；

机制砂为Ⅱ级配区机制砂，细度模数2.6～3.0，石粉含量5～8%，MB值≤1.0。配备过程为：将机制砂烘干后，利用标准砂石筛进行细度模数试验、石粉含量试验和MB值试验，选用机制砂粒径在0.075mm～5mm间连续Ⅱ级配区、细度模数2.6～3.0、石粉含量5～8%、MB值≤1.0的干净机制砂；

所用的减水剂为LN型聚羧酸减水剂、SP减水剂，或PC减水剂；

拌和水为洁净自来水；

3）先将组分A置于卧轴式混凝土搅拌机中，然后将组分B加入搅拌机中，开启卧轴式混凝土搅拌机将组分A与组分B搅拌混合10秒后，再将组分C加入搅拌机中，使组分A、组分B与组分C一起搅拌混合180秒后停止，即可制备出高性能海工混凝土。

C50海工混凝土的技术指标要求如表1：

表1

实施例1～3

实施例1～3为采用上述制备方法按三种不同的重量配比配制而成的海工混凝土，并增设一河砂混凝土作为对比例，各原材料组分重量配比如表2所示：

表2

其中，实施例1中所用的减水剂为武汉港湾生产的LN型聚羧酸减水剂，减水率为35.6%；实施例2和对比例1～3中所用的减水剂为上海德顺生产的SP减水剂，减水率33.1%；实施例3中所用的减水剂为江苏奥莱特生产的PC水剂，减水率为32.6%。

表2中各实施例和对比例制得的混凝土的主要性能参数如表3所示：

表3

对比例1和对比例2为原料组分配比不在本发明配比范围内的混凝土，对比例3为河砂混凝土，对比例1和对比例2制成的混凝土出现离析现象。由表3数据结合表1技术指标可以看出，对比例1中混凝土的4d抗压强度、28d抗压强度，及56d氯离子扩散系数不能满足C50海工混凝土技术指标；对比例2混凝土的56d氯离子扩散系数不能满足C50海工混凝土技术指标；对比例3的4d抗压强度为42.7MPa不能满足设计技术指标的要求。而实施例2中利用机制砂所配制的海工混凝土坍落度为190mm，4d抗压强度达到53.2MPa，28d抗压强度在58.2MPa以上，早期抗压强度达到了设计强度的80%，可以满足预应力张拉的要求，实施例2中的56d氯离子扩散系数为1.9×10^-12m²/s，低于海工混凝土的抗氯离子渗透技术要求2.0×10^-12m²/s。

由表2和表3可以看出，按照不同配比的机制砂和河砂所配制的海工混凝土具有不同的工作性能、力学性能和耐久性。实施例1～3中所配制的机制砂海工混凝土坍落度在180±20mm范围内；4d抗压强度46.6MPa以上，28d抗压强度在58.2MPa以上，早期抗压强度达到了设计强度的80%，可以满足预应力张拉的要求；56d氯离子扩散系数试验结果均在2.0×10^-12m²/s以下，低于海工混凝土的抗氯离子渗透技术要求，同时兼顾了经济技术性。从实施例1～3的试验结果可看出，利用机制砂配制的海工混凝土的工作性能和耐久性能与河砂海工混凝土相比较为接近，但机制砂海工混凝土的力学性能和体积稳定性更优，比河砂混凝土具有更高的4d、28d和56d抗压强度，综合性能更优。

从表3可以看出，本发明中利用机制砂所配制的海工混凝土具有非常好的各项性能指标，利用机制砂配制的海工混凝土性能完全能够满足设计的技术要求，具有良好的可行性和应用性，完全能代替河砂制备出性能更优的海工混凝土，解决了机制砂在海工混凝土领域的应用难题，也解决了河砂资源紧缺，供应不足所带来的工程质量的问题，保证了公路、桥梁和隧道等工程的质量。

实施例4

采用前述机制砂海工混凝土的制备方法，按原材料组分重量配比P.Ⅱ42.5型硅酸盐水泥288kg、Ⅱ级粉煤灰96kg、S95级矿粉96kg、机制砂761kg、碎石1009kg、减水剂3.36kg和拌和水148kg制成机制砂海工混凝土。其中，本实施例中所用的减水剂为上海德顺生产的SP型聚羧酸减水剂，减水率为33.1%；本实施例中所用的机制砂为宁海创利生产的Ⅱ级配区机制砂，细度模数2.9，石粉含量8%，MB值为0.8。

经测试得知，本实施例中制成的机制砂海工混凝土具备较好的工作性、力学性和耐久性，坍落度达到185mm，4d抗压强度53.3MPa，28d抗压强度67.5MPa，56d抗压强度76.1MPa，28d和56d氯离子扩散系数分别为3.6×10^-12m²/s和2.0×10^-12m²/s，各项性能指标满足技术要求。

实施例5

采用前述机制砂海工混凝土的制备方法，按原材料组分重量配比P.Ⅱ42.5型硅酸盐水泥336kg、Ⅱ级粉煤灰72kg、S95级矿粉72kg、机制砂810kg、碎石1105kg、减水剂3.84kg和拌和水148kg制成机制砂海工混凝土。其中，本实施例中所用的减水剂为武汉港湾生产的LN型聚羧酸减水剂，减水率为35.6%；本实施例中所用的机制砂为宁波富家岭生产的Ⅱ级配区机制砂，细度模数2.9，石粉含量5%，MB值为0.5。

经测试得知，本实施例中制成的机制砂海工混凝土具备较好的工作性、力学性和耐久性，坍落度达到195mm，4d抗压强度52.9MPa，28d抗压强度71.5MPa，56d抗压强度79.4MPa，28d和56d氯离子扩散系数分别为3.5×10^-12m²/s和1.9×10^-12m²/s，各项性能指标满足技术要求。

实施例6～13

采用前述机制砂海工混凝土的制备方法，原材料组分按下述表4中八种不同的重量配比配制海工混凝土。

表4

经测试得知，实施例6～13制成的机制砂海工混凝土均具备良好的性能参数，其坍落度均在180±20mm范围内，4d抗压强度均在46.6MPa以上，28d抗压强度均在58.2MPa以上，早期抗压强度达到了设计强度的80%，可以满足预应力张拉的要求；56d氯离子扩散系数试验结果均在2.0×10^-12m²/s以下，满足海工混凝土的抗氯离子渗透技术要求。

本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims

1.一种高性能机制砂海工混凝土，其原料组分包括硅酸盐水泥、粉煤灰、矿粉、机制砂、碎石、聚羧酸减水剂和水，各组分的重量配比如下：

所述机制砂为粒径0.075mm～5mm的连续级配Ⅱ区机制砂，机制砂的细度模数为2.6～3.0，石粉含量为5％～8％，MB值≤1.0；所述硅酸盐水泥为P.Ⅱ型硅酸盐水泥，强度等级为42.5级，比表面积在300m²/kg～400m²/kg之间；所述矿粉为S95级矿粉或S105级矿粉，比表面积≥350m²/kg。

2.根据权利要求1所述的高性能机制砂海工混凝土，其特征在于：所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，或为Ⅱ级粉煤灰且粉煤灰细度≤12％、需水量比≤105％、烧失量≤5％。

3.根据权利要求1所述的高性能机制砂海工混凝土，其特征在于：所述碎石为粒径5mm～25mm连续级配碎石，碎石的针片状含量≤10％，含泥量≤1％。

4.根据权利要求1所述的高性能机制砂海工混凝土，其特征在于：所述聚羧酸减水剂为LN型聚羧酸减水剂、SP型聚羧酸减水剂或PC型聚羧酸减水剂，所述聚羧酸减水剂的减水率≥25％。

5.一种如权利要求1所述的高性能机制砂海工混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1)按原料组分的重量配比，硅酸盐水泥:粉煤灰:矿粉:机制砂:碎石:聚羧酸减水剂:水为336:72:72:810:1105:3.22:148分别称取相应重量份的硅酸盐水泥、粉煤灰、矿粉、机制砂、碎石、聚羧酸减水剂和水，备用；

2)将机制砂和碎石混合形成组分A；将硅酸盐水泥、粉煤灰，及矿粉混合形成组分B；将聚羧酸减水剂和水混合形成组分C；

3)先将组分A置于混凝土搅拌机中，然后将组分B加入搅拌机中，开启混凝土搅拌机将组分A与组分B搅拌混合5～20秒后，再将组分C加入搅拌机中，使组分A、组分B与组分C一起搅拌混合2～4分钟后停止，即可制备出高性能机制砂海工混凝土。