CN1045280C - 水硬性组合物及用该组合物生产混凝土桩的方法 - Google Patents

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Abstract

一种水硬性组合物，包含(a)一种由经过水喷射处理以提高烧失量0.5-2.0%的粒度调整水泥制备的水泥组合物和(b)一种减水剂，所述粒径调整水泥具有调整过的粒度分布，50%通过颗粒直径为2-7μm且90%通过颗粒直径与10%通过颗粒直径之比为25-40；以及一种生产混凝土桩的方法，包括使用所述水硬性组合物和以所述水硬性组合物为基础18-25%的水。所述水硬性组合物的砂浆或混凝土混合物显示足够的流动度并能提供一种极大改善抗压强度的硬化制品。

Description

水硬性组合物及用该组合物生产混凝土桩的方法
本发明有关一种硬化时能显示出高强度的新型水硬性组合物和用该组合物生产混凝土桩的方法。更准确地说，有关一种新型水硬性组合物，它包含一种水泥组合物和一种减水剂，所述水泥组合物具有调整过的粒度分布和烧失量，和有关一种用所述水硬性组合物生产高强度混凝土桩的方法。
改进硬化水泥强度一直是人们研究的课题。研究的最终目的是降低生产成本。
人们已经从(1)材料和(2)工作方法角度研究该课题。材料(1)角度的课题可再分成(a)水泥化学和物理性质的改进，(b)添加剂的利用，并且还将大量研究投入它们的结合上。作为(a)的例子，所获改进水泥是通过把普通水泥研磨到比表面积按勃氏法计8000cm2/g或更高(如JP-A-2-208252所述，用于该文献术语“JP-A”意指“未审查的公开日本专利申请”)，水硬性水泥主要由三组颗粒组成，各组的粒径分别为不超过10μm、20-45μm和63-150μm(按JP-A-1-242445所述)，还有一个类似的技术(如JP-B-2-31020和US4,353,746所述，用于该文献的术语“JP-B”意指“已审查公开日本利申靖”)。作为(b)的例子，已提出减水剂和硅灰结合(如JP-B-60-59182和加拿大专利1190947所述)。
JP-A-62-162506和US 4,915,741建议了加水水泥组合物，该组合物的制备是通过往普通水泥添加0.1-10％(按重量计)的水并将得到的加水水泥与减水剂混合得到的。根据公开，加水水泥组合物显示出令人满意的流动度、令人满意的水减少作用和改进的强度。
然而，即使使用目前的水泥并认真的操作，强度方面所能取得的改进仍不超过市售购得水泥强度的10-15％左右，而且没有希望得到更进一步的改进。
根据这些情况，本发明者为求得从材料方面进一步改善强度进行了广泛的研究。结果，他们研制了水硬性组合物，它可以较容易地制备并且意外地提供了显著改善的强度，超过了常规技术。他们还发现该水硬性组合物可满足混凝土桩的生产(混凝土桩必须具备所有混凝土制品最高的强度)。根据这些知识完成了本发明。
因此，本发明的目的在于提供一种新型的水硬性组合物，该组合物有很高的抗压强度，即作为硬化砂浆1天龄期为700kgf/cm2或更高。
本发明的第二个目的在于提供用水硬性组合物生产混凝土桩的方法，通过该法能获得1天龄期抗压强度为800kgf/cm2或更高的混凝土桩，制作的方法是只需简单地在湿空气(湿养护)中不用加热养护模制的混凝土混合物。
本发明另外一些目的和效果由下列说明将会明显。
本发明提供一种水硬性组合物，它含有(a)一种水泥组合物和一种减水剂，所述水泥组合物的制备是通过水泥经过水喷射处理以提高其烧失量0.5-2.0％(按重量计)，所述水泥的粒度分布已经被调整，50％通过颗粒直径为2-7μm，90％通过颗粒直径与10％通过颗粒直径之比为25～40。
本发明还提供一种使用上述水硬性组合物和特定量水的混合物生产高强度混凝土桩的方法，也就是说，一种生产高强度混凝土桩的方法，包括离心成型和混凝土原料混合物的养护，所述混凝土原料混合物包括(A)水硬性组合物，作为一种水泥，包含(a)一种水泥组合物，它是由水泥经喷水处理制成的，以提高其烧失量0.5-2.0％(按重量计)，所述水泥的粒径分布已调整至50％通过颗粒直径为2-7μm且90％通过颗粒直径与10％通过颗粒直径之比为25-40，和(b)减水剂，以及(B)以所述水硬性组合物为基的18-25％的水(按重量计)(水与所述水硬性组合物的混合比在下文称为“水/水硬性组合物”)。
专门术语“50％通过颗粒直径”(下文简称为“50％直径”意指与(按重量计)50％的粉末通过的筛孔相对应的颗粒尺寸。同样，专门术语“90％通过颗粒直径”(下文简称为“90％直径”)或“10％通过颗粒直径”(下文简称“10％直径”)意指与90％或10％(按重量计)的粉末通过的筛孔相对应的颗粒尺寸。90％直径与10％直径比值下文简称“直径比”。
其粒度分布已经调整的水泥(下文简称“粒度调整水泥”)，能用于本发明，它是市场上买得到的波特兰水泥，例如普通、早强或超早强波特兰水泥，而且最好是早强波特兰水泥，通过调整其粒度分布使50％直径2-7μm和直径比为25-40。
市场上可买得到的早强波特兰水泥一般50％直径为8-10μm且直径比为20-23。适用于波特兰水泥，如早强波特兰水泥粒度调整的方法没有特殊的限制。例如，粒度调整可通过一般使用的方法适当组合完成，如研磨、分级和混合。
如果粒度调整水泥太细，如50％直径低于2μm，使用所得到的水硬性组合物制备的砂浆或混凝土混合物的流动度较差。这种情况，用于混合水硬性组合物的水量(下文称“混合水”)或下文将要说明的水喷射处理用水量必须增加，以改进流动度，最终造成硬化产品强度降低。另一方面，假若50％直径超过7μm，所得到的强度也要下降。因此，粒度调整水泥的50％直径范围为2-7μm，最好2-5μm。
如果粒度调整水泥直径比低于25，这种水泥只含大量的中间颗粒，所提供的砂浆或混凝土混合物流动度差。这种情况，流动度不能简单地通过增加水喷射量来改善，但仅通过增加混合水量，最终会使硬化产品在强度上严重下降。另一方面，假若直径比超过40，这种水泥含细颗粒比大。从而使含所得到的水硬性组合物的砂浆或混凝土混合物的流动度遭到破坏。为补偿极差的流动度，混合水量和喷射水量必须增加，否则不仅会使硬化产品的强度下降而且还会增加粒度调整的费用。因此，粒度调整水泥的直径比应落在25-40的范围内，最好30-40。
通常，用于本发明的粒度调整水泥比表面积约6000cm2/g或更高。
在本发明中，水泥在经水喷射处理之前，必须经过调整，以使具有上述特定的50％直径和直径比。
制备用于本发明的水泥组合物是将水均匀地喷射在上述粒度调整水泥上，以产生痕量的水合物。自来水可用于水喷射处理。对提高烧失量极为重要的是水喷射处理。本发明涉及的“烧失量”，按JISR5202“波特兰水泥化学分析法”的规定，将样品在950±50℃下灼烧失重(％)至恒重。
在水喷射处理之前，粒度调整水泥的烧失量通常在约0.8-1.5％(按重量计)范围内。本发明必须通过水喷射处理提高粒度调整水泥的烧失量0.5-2.0％(按重量计)。
假若烧失量的增加低于0.5％(按重量计)，混合物的流动度差，而且所能达到的强度低。假若超过2.0％(按重量计)，所能达到的强度也低。烧失量最好提高0.8-1.8％(按重量计)。
尽管烧失量可借助添加有机物质，石灰石等得到提高，但是这种作法在本发明中是无效的。
粒度调整水泥的水喷射处理应尽可能均匀地进行。水喷射处理的方式没有特别的限制，并且所述处理可通过任何通用的方法适当地进行，例如双轴搅拌机和超声加湿器联用，和对粉末加湿适用的针型搅拌器(Pin Mixer)。
用于本发明的减水剂没有特别限制。其实例包括β-萘磺酸盐-甲醛缩合物、密胺磺酸盐-甲醛缩合物、多元羧酸化合物和芳族多氨基磺酸盐化合物。在它们当中，以β-萘磺酸盐-甲醛缩合物用于本发明最好。
配料用减水剂量不特别严格，但最好在0.5-2.0％(固体基，重量计)，以水泥组合物为基。
本发明水硬性组合物是由减水剂和上述水泥组合物充分混合后制成的。在本发明的一个实施方案中，减水剂被加到所述水泥组合物中，该组合物是由粒度调整水泥经水喷射处理以形成痕量水合物获得的。完成混合可用任何通用方法。
在另一个也包括在本发明范围内的实施方案中，本发明的水泥组合物的制备就象普通的砂浆或混凝土混合物制备一样，将所述水泥组合物和减水剂及其它的砂浆或混凝土原料一起混合。在本发明中重要的是最终的砂浆或混凝土混合物含有水泥组合物和减水剂，并为本发明所特定的水硬性组合物形式。
减水剂当在水中溶解就可使用，它作为砂浆或混凝土原料中的一种混合。然而，减水剂如予先溶于水喷射处理用的水中，再喷射到粒度调整水泥上，所制取的水硬混合物流动度则差，减水的效率很小，而且获得的强度低。
因此，在本发明中非常重要的是水硬性组合物应是减水剂和水喷射处理过的水泥组合物的混合物。如果上述任何一项要求没有满足，如下述表1所证实的，1天龄期的硬化砂浆不可能得到要求的至少700kgf/cm2抗压强度。
使用上述水硬性组合物生产混凝土桩的方法将在下面予以说明。
所述方法包括离心模制和养护混凝土原料混合物，其中混凝土原料混合物含有作为水泥的水硬性组合物和以水硬性组合物为基准18-25％(按重量计)的水。
然而按照JISA5337“预应力离心成型高强混凝土桩”，规定离心成型制得的混凝土抗压强度使用时至少800kgf/cm2，本发明使用“1天龄期的抗压强度”作为本发明的标准。
满足JISA5337规定要求的混凝土桩用常规方法生产时，混凝土混合物的离心成型件应经蒸汽养护或蒸压养护(在下文称作“热养护”)，接着空气养护数日。在这些方法中，需要养护的专用设备和满足生产规模的空间。
与此相反，按照本发明方法，既不需要专用设备，也不需要养护的空间。也就是说，在普通的离心成形条件下，通过向水硬性组合物添加特定量的水量制取的混凝土混合物可被模制。然后在正常的湿养护条件下养护(下文称“湿养护”)1天，产生抗压强度高至800kgf/cm2或更高的混凝土桩。
因此，本发明方法的显著特点在于短期内生产出的混凝土桩具有所要求的高强度，而不像常规方法那样必须包括热养护。在本发明中，除了或替代湿养护，采用蒸汽养护或蒸压养护，可使养护时间进一步降低。
与水硬性组合物混合的混合水量以水硬性组合物重量为基准为18-25％(按重量计)。
假若混合水量低于18％(按重量计)，混凝土原料的混合不会充分，得到的混合物流动度差，离心成形不能很好地完成。如果超过25％(按重量计)，1天龄期的抗压强度急剧下降。
现以实例为参考同时考虑对比例，极为详细地对本发明进行说明，但是应该理解到本发明不受其限制。给定的所有百分比和比值除另有指示外都按重量计。
                            例1-9 (1)水泥组合物的制备：
市场可买到的早强波特兰水泥(Nihon水泥有限公司生产“Velo水泥”；烧失量：1.1％；比表面积：4,350cm2/g)在一实验研磨机中研磨，获得几种粉末水泥，其比表面积变化范围为4500-17000cm2/g。
所得到的不同粒径水泥颗粒适当地混合以制取粒度调整水泥，其50％直径和直径比列于下列表1。所制得的粒度调整水泥烧失量在1.1％和1.2％之间。
将粒度调整水泥装入一个双轴搅拌机内，搅拌的同时用超声加湿器喷水，接着静置12小时以引起水化作用，获取一种水泥性组合物，该组合物烧失量增加。烧失量增加的百分比列于表1。
用激光衍射仪和散射粒度分析器测量50％直径和直径比(所述分析器是Seishin Kigyo有限公司的一种产品)，并按JIS R5202测量烧失量。(2)水硬性组合物的制备：
β-萘磺酸盐-甲醛缩合物(Kao公司生产“Mighty 100”)作为减水剂按一定配料比(列于表1)加到每一份所得到的水泥组合物中，且将混合物以一种常用的方式彻底混合以便制取水硬性组合物。(3)硬化砂桨的制备和强度测量：
水硬性组合物作为细集料与金刚砂(由Kiura金刚砂有限公司生产“Emery”；粒度分布：2.5-1.5mm/1.2-0.3mm/＜0.3mm＝2/3/1)以1/3的比率混合，然后向其加入混合水，其量致使所得到的混合物流动值按JIS·R5201“水泥物理检验法”测量为190(mm)。采用Hobart混合器进行混合。
所制得的砂浆混合物在-4×4×16cm的模具中成形，20℃下湿养护24小时，脱模后获得硬化砂浆试块，该试块供测量各种龄期抗压强度用。
立即测量一个试块的1天龄期抗压强度，而另外一个试块要在20℃下水中养护28天，然后再测量抗压强度。所获结果列于表1。
                        对比例1-8
按例1-(1)相同方法制备列于表1的对比水泥组合物。粒度调整水泥的烧失量在1.1和1.2％之间。
按例1-(2)相同方法将每份水泥组合物与减水剂混合以制备水硬性组合物。
按例1-(3)相同方法使用所得到的水硬性组合物制备砂浆混合物和硬化砂浆试块。试块的抗压强度列于表1。
通过将如上使用的市场上可买到的早强波特兰水泥与减水剂混合制备对比例8的砂浆。
                                表1
    50％例号   直径    直径比   烧失量增加    减水剂量   水/水硬性组合物        抗压强度
   (μm)                  (％)          (％)            (％)            1天    28天例1     2.3       33.5        1.5            1.6             21.0           800     1,240例2     3.3       35.1        1.5            1.6             22.0           770     1,230例3     4.0       28.2        1.5            1.6             24.0           730     1,120例4     4.2       38.4        0.7            1.6             23.1           750     1,200例5     4.2       38.4        1.2            1.6             19.9           830     1,270例6     4.2       38.4        1.8            1.6             20.3           820     1,250例7     4.6       25.2        1.5            1.6             24.9           710     1,140例8     5.0       32.5        1.2            1.6             22.7           780     1,210例9     6.8       28.1        1.5            1.6             24.8           700     1,120
                                                                                (待续)
                         表1      (续)
       50％例号      直径     直径比   烧失量增加   减水剂量   水/水硬性组合物     抗压强度
      (μm)                   (％)         (％)           (％)           1天   28天对比例1    1.7        30.2        1.5          1.6            29.7           550    970对比例2    3.8        41.5        1.6          1.6            26.4           540    990对比例3    4.2        38.4        0.3          1.6            35.6           430    920对比例4    4.2        38.4        2.5          1.6            22.5           490    890对比例5    5.2        24.0        1.5          1.6            27.5           570    990对比例6    8.1        25.4        1.5          1.6            28.2           530    910对比例7    4.2        38.4        1.8          0              45.0           250    680对比例8    9.0        22.5        0            1.6            35.0           380    750
根据表1的结果可以获悉，使用本发明的水硬性组合物制备的硬化砂浆，1天龄期的抗压强度为700kgf/cm2或更高，28天龄期为1120kgf/cm2或更高，反之，对比试块在每种情况下的抗压强度都低。
                     例10-12和对比例9
将例6制备的水泥组合物、与用于上述各例相同的早强波特兰水泥，细集料(日本，ohme的轧碎矿)、粗集料(日本，ohme的碎石)和减水剂(Kao公司生产“Mighty 150”；β-萘磺酸盐-甲醛缩合物的水溶液；固体含量：42％；比重：1.20)用作混凝土原料。这些原料的混合比列于下面的表2中。
水泥组合物与细集料在-混合器中干混，然后向其倒入溶有减水剂水溶液的混合水，接着捏混。再加入粗集料，继续捏混以制备混凝土混合物。
将混凝土混合物按JIS A1132“制造和养护混凝土试块的方法”成形成圆柱状，其直径为10cm，高20cm，再按上述各例相同的方法养护。测量1天或28天龄期的抗压强度。所获结果列于表2。
                                表2
                                                                                                        抗压强度
     水/水硬性组合物                  单位    重量(kg/m 3 )                    混凝土混合物性质      (kgf/cm 2 ) 例号    (水/水泥组合物)  s/a **   水泥组合物    混合水   细集料   粗集料   减水剂  坍落度  空气含量  1天    28天
          (％)         (％)                                                 (％*)   (cm)     (％)例10          21.0         40.0        700         147      626      961          2      17.5      1.5     921    1,004
         (21.0)                                                             (0.84)例11          24.7         40.7        700         173      613      914          2      17.9      1.9     814    983
         (24.7)                                                             (0.84)例12          25.6         40.9        500         128      728      1,077        2      18.1      1.7     784    985
         (25.6)                                                             (0.84)对比例9       33.9         42.6        500         170      715      986          2      18.2      1.7     372    321
         (34.0)                                                             (0.84)注解：*水溶液配料比。园括号中的数值为固体基的配料比。
  **砂-粗集料比。
根据表2的结果获悉，它证实与上述各例相类似的高抗压强度也可以出现，即使水泥组合物和减水剂依次与其它的混凝土原料捏混，最终也能产生含本发明水硬性组合物的混凝土混合物。
             例13-15和对比例10-11按下列方法生产和评价混凝土桩。(1)材料、配料和捏混：
使用同种的混凝土原料，通过如用于例10-12和对比例9相同的捏混方法制取一种混凝土组合物。这些原料的配料比示于下列表3。(2)试块的制备和养护：
通过离心成形将混凝土组合物模制成空心圆柱体，其直径为20cm，高30cm，壁厚4cm，依据是JIS A1136离心成形混凝土抗压强度检验方法。进行离心成形的条件是：头2分钟5G；中间1分钟15G；最后5分钟30G，完成一个循环。
紧接成形之后，将成形件湿养护24小时后脱模。立即测量试块之一的1天龄期的抗压强度，而另一个试块在20℃水中养护3天。(3)抗压强度的测量：
抗压强度的测量按JIS A1108“混凝土抗压强度检验方法”进行。所获结果列于表3。
结果，使用本发明特定水/水硬性组合物比的水硬性组合物生产的混凝土桩，显示的1天龄期抗压强度高达800kgf/cm2或更高。(4)徐变和淤渣产率比：
按ASTM C512“受压中混凝土徐变标准检验方法”检验例14制备的混凝土混合物的徐变。所获结果也列于表3。
通常，生产混凝土桩的离心成形兼有付产淤渣。测量淤渣产率比，即以成形中所加混凝土混合物的重量为基准淤渣的重量百分比。所获结果列于表3。
                         对比例12
按常规方法制备供抗压强度测量用混凝土桩试块。也就是说，按表3所列配料比，使用上述早强波特兰水泥制备混凝土组合物，只是另外还使用硅质粉末(Chichibu Mining有限公司的一种产品；比表面积：3950cm2/g)作为原料，并按例12相同方法成形。
成形件量于20℃下2小时，随后在60℃下用蒸汽养护4小时，再于20℃下静置3小时，再随后于180℃和10kgf/cm2下蒸压养护5小时，继之冷却，最后于20℃下按规定龄期水养护。
测量每一个试块的抗压强度，均按例13-15所述相同的方法进行。还按与例13-15相同方法测量徐变和淤渣产率比。所获结果列于表3。
                             表3
                                             单位重量(kg/m 3 )
    水/水硬性组合物例号   (水/水泥组合物)  s/a **  水泥组合物  硅质粉末  混合水  细集料  粗集料    减水剂
         (％)         (％)                                                         (％)对比例10     16.0         42.8        480         0        77       826     1,129        2
        (16.0)                                                                     (0.84)例13         18.9         43.4        480         0        91       821     1,098        2
        (19.0)                                                                     (0.84)例14         22.0         44.0        480         0        106      818     1,062        2
        (22.1)                                                                     (0.84)例15         25.0         44.6        480         0        120      811     1,031        2
        (25.0)                                                                     (0.84)对比例11     27.9         45.2        480         0        134      805     999          2
        (27.9)                                                                     (0.84)对比例12     30.6         45.6        480         80       147      792     967          2
        (30.6)                                                                     (0.84)注解：*水溶液配料比。括号中的数值是固体基的配料比。                                   (待续)
  **砂-粗集料比。
                             表3    (续)
                             抗压强度
        混凝土混合物的性质   (kgf/cm 2 ) 例号      坍落度  空气含量   1天   3天       单位徐变         淤渣产率比
        (cm)      (％)                       (×10-6kgf/cm2)      (％)对比例10     -         -                         (混合困难)
例13     3.4      1.9       994    1,190          -                   0
例14     2.4      2.0       891    1,068          1.25                0
例15     3.2      2.1       810    987            -                   0对比例11     3.5      2.0       729    939            -                   0.2对比例12     3.2      1.8       539    850            1.28                1.0
由表3可见当水/水硬性组合物比为25％或更少时，无淤渣付产。
正如上文说明和证实的，本发明提供了一种水硬性组合物，它包括(a)一种经水喷射处理过的粒度调整水泥，以便获得控制的烧失量和(b)一种减水剂。用这种水硬性组合物制备的砂浆或混凝土混合物，能显示足够的流动度，且由此获得的硬化砂浆或混凝土具有的抗压强度较由常规方法获得的高得多。
所述本发明的水硬性组合物可以采用已知的水泥或已知减水剂并采用通常所用的设备和方法加以制备，因此，其特征在于容易实际使用。另外，在特定水/水硬性组合物比的条件下，由上述水硬性组合物制备的一种混凝土混合物，通过离心成形继之湿养护1天可生产高强度混凝土桩。
常规方法必然包括蒸汽或蒸压养护，而本发明方法无需这种热养护的设备，因此就能量和空间节约而言，本发明做出了很大的工业的贡献。另外，伴随本法基本上无淤渣付产，从环境卫生的观点考虑，这是第二个有益的效果。
尽管本发明被详细地并参照其特定实例进行了说明，但是对于本领域普通技术人员来说应该明白在不偏离本发明的精神和保护范围的条件下可以完成各种变化和改进。

Claims (8)

1.一种水硬性组合物，包含(a)一种水泥组合物，所述水泥组合物是由粒度调整水泥经水喷射处理以提高烧失量0.5-2.0％(按重量计)制成的，所述粒度调整水泥的粒度分布已经调整至50％通过颗粒直径为2-7μm，90％通过颗粒直径与10％通过颗粒直径之比为25-40，和(b)一种减水剂。
2.一种按权利要求1的水硬性组合物，其中所述粒度调整水泥具有调整过的粒度分布，50％通过颗粒直径为2-5μm。
3.一种按权利要求1的水硬性组合物，其中所述粒度调整水泥具有调整过的粒度分布，90％通过颗粒直径与10％通过颗粒直径之比为30-40。
4.一种按权利要求1的水硬性组合物，其中所述粒度调整水泥是由波特兰水泥经粒度调整制备的。
5.一种按权利要求1的水硬性组合物，其中所述粒度调整水泥是由早强波特兰水泥经粒度调整后制备的。
6.一种按权利要求1的水硬性组合物，其中所述水泥组合物是一种经过水喷射处理以提高烧失量0.8-1.8％(按重量计)的水泥组合物。
7.一种按权利要求1的水硬性组合物，其中所述减水剂是β-萘磺酸盐-甲醛缩合物。
8.一种生产高强混凝土桩的方法，包括离心成形和固化混凝土原料的混合物，所述混凝土原料混合物包含(A)一种水硬性组合物，和(B)以所述水硬性组合物为基准18-25％(按重量计)的水，所述水硬性组合物，作为一种水泥，含有(a)一种经过水喷射处理以提高烧失量0.5-2.0％(按重量计)的粒度调整水泥制备的水泥组合物，所述粒度调整水泥的50％通过颗粒直径为2-7μm且90％通过颗粒直径与10％通过颗粒直径之比为2540，和(b)一种减水剂。
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