CN104817310B - 用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土定量设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土定量设计方法，其包括以下步骤：步骤一：利用公式绘制λ随胶凝材料的组合不同以及各自质量分数之间的关系曲线图，在该曲线图上选取λ最低点对应的N和ω，确定复合胶凝材料的最优用水量，根据最优用水量确定复合胶凝材料的最优组合。本发明在水泥中掺入具有不同颗粒分布和不同活性的细掺合料得到的复合胶凝材料混凝土，其具有紧密堆积效应和复合胶凝效应；本发明的利用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土不仅具有低发热性能、且其抗裂性能远远优于仅按强度要求进行设计的混凝土，尤其适用于大体积水工建筑物的修建或修补时混凝土的抗裂设计。

Description

用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土定量设计方法

技术领域

本发明涉及水工混凝土的设计制备方法，尤其是涉及一种利用复合胶凝粉体材料制备低热高抗裂水工混凝土的定量设计方法，利用该设计方法制备的发热量低、抗裂性能优异的水工混凝土适用于有温控防裂要求的水工建筑物。

背景技术

目前，随着我国经济的持续快速发展，我国对清洁可再生能源的需求持续增加，一大批混凝土大高坝如向家坝、溪洛渡、白鹤滩、乌东德等将在或正在我国西南部修建，这些高坝的建设对低放热、高抗裂的高性能水工混凝土提出了更高的要求。

现有的混凝土设计方法(如中国专利CN200710201132，C100高性能混凝土及其配制方法、中国专利CN201110074370一种纳米材料复合超高性能混凝土等)均是面向强度的设计方法，往往掺加硅灰、纳米材料等来提高混凝土强度。通过这种设计方法制备的混凝土放热量大、混凝土早期收缩大，抗裂性能低、容易出现裂纹，不适合水工混凝土建筑物。如果通过在混凝土中掺加钢纤维或聚丙烯纤维来增加混凝土抗裂能力，这样会显著增加混凝土的成本，仍然无法适用于大坝等大体积水工建筑物的建设。

由此可见，现有水工混凝土设计制备方法仍然存在明显的不足和缺陷，亟待进一步的改进。因此，如何发明一种水工混凝土的设计方法，从而制备低热、高抗裂的高性能混凝土的仍然是当前水工建设中需要解决的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土的定量设计方法，解决了常规方法制备的混凝土发热量大、早期收缩性大以及抗裂性能低、容易开裂、不适用于水工混凝土建筑物的缺陷。本发明的定量设计方法制备的混凝土具有发热低、抗裂性能优异，建成的坝体浇筑块具有温升低、温控措施相对简单、温度裂缝少、耐久性能高的优点。

为解决上述技术问题，本发明提出一种用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土定量设计方法，其包括以下步骤：

步骤一：利用公式绘制λ随胶凝材料的组合不同以及各自质量分数之间的关系曲线图，在该曲线图上选取λ最低点对应的N和ω，确定复合胶凝材料的最优用水量，根据最优用水量确定复合胶凝材料的最优组合；

其中，式中λ为复合胶凝材料的标准稠度相对用水量，N为复合胶凝材料的标准稠度用水量，N_i为各胶凝材料的标准稠度用水量，ω_i为各胶凝材料的质量分数，i为不同的胶凝材料；

步骤二：根据所述复合胶凝材料的最优组合，通过对含不同掺合料以及含掺合料的比例不同的所述复合凝胶材料的最优组合进行水化热实验，确定低热高抗裂的复合胶凝材料的组合；

步骤三：测定所述步骤二中的不同复合胶凝材料组合的力学性能以及绝热温升，根据复合胶凝材料的力学性能以及绝热温升实验结果确定最优复合胶凝材料。

本发明的一个实施例中，所述掺合料为硅粉、粉煤灰、矿渣粉、石灰石中的一种或几种。

本发明的一个实施例中，所述步骤二中，所述水化热实验中，将胶凝复合材料与等质量的纯硅酸盐的放热曲线比较后，选择总体放热量低、前期放热量小且后期放热缓慢的复合胶凝材料。

本发明的一个实施例中，所述复合胶凝材料为水泥、矿渣和粉煤灰体系。

本发明的一个实施例中，所述复合胶凝材料为水泥和粉煤灰体系。

本发明的一个实施例中，所述最优复合胶凝材料通过混凝土力学性能试验验证其抗压强度与龄期的关系确定。

本发明的一个实施例中，所述最优复合胶凝材料通过混凝土干缩试验试验验证其干缩性能以及抗裂能力确定。

本发明的一个实施例中，所述最优复合胶凝材料通过混凝土自生体积变形试验验证其体积变形性能以及抗裂能力确定。

本发明的一个实施例中，所述最优复合胶凝材料通过混凝土绝热温升试验验证其绝热温升发展规律确定。

本发明的一个实施例中，所述最优复合胶凝材料的实验中均通过最优复合胶凝材料制备的混凝土与硅粉混凝土的各项性能进行对比得到。

本发明用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土定量设计方法有益技术效果为：

1、本发明在水泥中掺入具有不同颗粒分布和不同活性的细掺合料得到的复合胶凝材料混凝土，其具有紧密堆积效应和复合胶凝效应；

2、本发明制备的水工混凝土不仅具有低发热性能、且其抗裂性能远远优于仅按强度要求进行设计的混凝土，尤其适用于大体积水工建筑物的修建或修补时混凝土的抗裂设计；

3、本发明的复合胶凝材料水工混凝土复合胶凝材料中不需要掺加除减水剂、引气剂以外的其它外加剂，更不需要掺加各种形式的纤维，配制简单，使用方便。

附图说明

图1为本发明的各胶凝材料的标准稠度需水量比曲线图；

图2为本发明的不同复合胶凝材料的水化放热过程曲线图；

图3为本发明的各复合胶凝材料的抗压强度的曲线图；

图4为本发明的MARC1、MARC2、MARC3复合胶凝材料的制备的混凝

土以及硅粉混凝土MARC0的干缩与其龄期d之间的关系曲线图；

图5为本发明的MARC1复合胶凝材料混凝土和硅粉混凝土MARC0的自

生体积变形与龄期d之间的关系曲线图；

图6为本发明的MARC1复合胶凝材料混凝土和硅粉混凝土MARC0的

绝热温升与龄期d之间的曲线图。

具体实施方式

本发明提出利用复合胶凝材料(水泥中掺加粉煤灰、矿渣、石灰石粉等)进行制备低热高抗裂水工混凝土的定量设计方法。该定量设计方法包括以下步骤：

步骤一：通过标准稠度试验，确定复合胶凝材料的最优用水量，从而确定该最优用水量所对应的复合凝胶材料的最优组合。

确定复合胶凝材料最优用水量的方法，即通过测试复合胶凝材料的标准稠度相对用水量λ来确定复合胶凝材料的最优组合。其中λ为复合胶凝材料的标准稠度用水量与各组分胶凝材料分计标准稠度用水量之和的比值，即

$\mathrm{\λ}=N/M=N/\underset{i=1,n}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i{N}_i,$

其中N为复合胶凝材料的标准稠度用水量，N_i为各胶凝材料的标准稠度用水量，ω_i为各胶凝材料的质量分数，i为不同的胶凝材料。

通过试验得到λ随胶凝材料的组合不同以及各自质量分数之间的关系曲线图，在曲线图上选取λ最低点对应的N和ω，通过最低点可确定不同胶凝材料组合对应的该复合胶凝材料的最优用水量。

步骤二：对不同的最优组合复合胶凝材料(掺合料不同以及掺合料比例不同)进行水化热试验，确定低热高抗裂的复合胶凝材料。

低热高抗裂复合胶凝材料选取的原则为：将复合胶凝材料与等质量的纯硅酸盐水泥的放热曲线相比，若复合胶凝材料的总体放热量低、前期放热量小且后期放热缓慢，则利用该复合胶凝材料制备的混凝土早期发热量低、抗裂性能高，可用于大体积混凝土的施工。

步骤三：测定步骤二中的不同复合胶凝材料力学性能以及绝热温升，根据复合胶凝材料力学性能和绝热温升实验结果确定最优复合胶凝材料。

这样通过不同种类、不同矿物掺合料的复合胶凝材料制备的混凝土材料的强度和变形性能试验，对所选的复合胶凝材料制备的混凝土的进行优化设计和校核，最终确定最优复合胶凝材料。

实验证明，优化颗粒级配的多元胶凝材料组合需具有紧密堆积结构及低空隙率,在满足相同和易性的情况下,可以降低用水量；或者在相同用水量的条件下,可以得到更优异的工作性。

以下通过具体实施例说明采用复合胶凝材料设计制备低热高抗裂混凝土的具体过程：

1、标准稠度需水量比试验。

本试验中采用强度等级42.5中热硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣微粉A、矿渣微粉B和矿渣微粉C；其中，粉煤灰细度3.5％，需水量比89％，烧失量0.7％。各个胶凝材料粉体的比表面积和颗粒分布如表1所示。

表1各胶凝材料的比表面积和粒径分布

请配合参阅图1所示的各胶凝材料的标准稠度需水量比曲线图，每条曲线表明每种矿物掺合料和水泥组成的复合胶凝材料的需水量比N/M与矿物掺合料的质量分数的之间的关系。由图1中可知水泥和超细矿渣A的复合胶凝材料的减水效果最显著，当矿渣A含量达到复合胶凝材料的20％-40％时，可减少胶凝材料体系用水量12％，从而可大幅度降低胶凝材料用量和混凝土用水量。由此可选择相对胶凝材料用量少且用水量少的胶凝材料组合。

请配合参阅图2所示，本发明的不同复合胶凝材料的水化放热过程曲线图。由图2中可知，由3号样品(70％水泥+30％矿渣A)、4号样品(70％水泥+30％矿渣B)的水化放热过程曲线可知，矿渣A的活性明显大于矿渣B，矿渣A在3d以前就参与了水化反应，说明磨细的矿渣可以大幅度提高矿渣在胶凝材料组合中的活性。

由表1可知矿渣B与粉煤灰的比表面积、颗粒分布非常接近，但对样品2(70％水泥+30％粉煤灰)和4号(70％水泥+30％矿渣B)的水化热过程曲线进行比较可以得出，矿渣B的活性大于粉煤灰。因此，从降低胶凝材料体系早期水化热方面看，采用水泥-矿渣-粉煤灰的三元体系的复合凝胶材料组合效果最佳，其次是水泥-粉煤灰二元体系的复合胶凝材料。

请配合参阅图3所示，本发明的各复合胶凝材料的抗压强度的曲线图。本发明的复合胶凝材料的水泥-粉煤灰、水泥-矿渣-粉煤灰复合胶凝材料的抗压强度试验采用3cm*3cm*3cm立方体净浆试件，水胶比为0.35。

在含40％水泥的复合胶凝材料中，8号样品(40％水泥+20％矿渣A+40％粉煤灰)的强度明显高于7号样品(50％水泥+50％粉煤灰)，而9号样品(40％水泥+20％矿渣B+40％粉煤灰)由于所用矿渣较粗导致其强度增长明显落后于8号样品(40％水泥+20％矿渣A+40％粉煤灰)，且其3d、7d强度也低于10号样品(60％水泥+40％粉煤灰)和7号样品(50％水泥+50％粉煤灰)。但到28d由于矿渣水化对强度增长的贡献，9号样品(40％水泥+20％矿渣B+40％粉煤灰)的强度已赶上10号样品，超过7号样品(50％水泥+50％粉煤灰)。

本发明的复合胶凝材料的混凝土性能试验根据前述对水泥-矿渣-粉煤灰三元体系复合胶凝材料的水化放热曲线和水化放热研究结果，分别制备MARC1、MARC2、MARC3三种复合胶凝材料进行混凝土配合比和性能试验，其中，MARC0为硅粉混凝土，硅粉掺量10％，MARC0作为对照。骨料最大粒径40mm，坍落度40-60mm。混凝土配合比如下表2所示：

表2混凝土配合比

请配合参阅图表3所示，本发明的混凝土的力学性能试验结果，各个复合胶凝材料制备的混凝土的抗压强度与其龄期之间关系。可看出利用复合胶凝材料制备的混凝土的强度增长规律与硅粉混凝土明显不同。MARC0硅粉混凝土在28d以后，强度增长很少，90d龄期强度较28d仅增长5％。而复合胶凝材料混凝土的后期抗压强度增长率较大，90d强度平均比28d增长20％左右。与MARC0硅粉混凝土相比，利用复合胶凝材料制备的混凝土具有早期强度适中、中后期强度持续发展的优点。

表3混凝土力学性能试验结果

请配合参阅图4所示，本发明的MARC1、MARC2、MARC3复合胶凝材料的制备的混凝土以及硅粉混凝土MARC0的干缩与其龄期d之间的关系曲线图。利用复合胶凝材料制备的混凝土MARC1、MARC2、MARC3的28d干缩比硅粉混凝土MARC0减少约140个微应变，降低40％以上；MARC1、MARC2、MARC3的90d龄期干缩比硅粉混凝土MARC0减少约100-130个微应变，降低近30％；MARC1、MARC2、MARC3的180d龄期干缩比硅粉混凝土MARC0减少100-130个微应变，降低近20％。图4表明利用复合胶凝材料设计制备的混凝土的干缩小、抗裂能力优异。

请配合参阅图5所示，本发明的MARC1复合胶凝材料混凝土和硅粉混凝土MARC0的自生体积变形与龄期d之间的关系曲线图，图5中可知MARC1复合胶凝材料混凝土和硅粉混凝土MARC0的自生体积变形均为收缩型，但硅粉混凝土MARC0的自生体积收缩远大于MARC1混凝土，到90d龄期趋于稳定，而复合胶凝材料混凝土MARC1的自生体积变形7d就基本稳定。两者趋于稳定时的自生体积变形相差近80个微应变。上述实验结果表明利用复合胶凝材料设计制备的混凝土的自生体积变形小、抗裂能力优异。

请配合参阅图6所示，本发明的MARC1复合胶凝材料混凝土和硅粉混凝土MARC0的绝热温升与龄期d之间的曲线图，图6中，横坐标为龄期d，纵坐标为绝热温升。图6中的曲线分别为MARC1复合胶凝材料混凝土和硅粉混凝土MARC0的绝热温升曲线图。由图中曲线可知复合胶凝材料混凝土MARC1的早期绝热温升明显降低，其中1d比硅粉混凝土MARC0降低近13℃，2d降低近10℃，3d降低近8℃。7d以后由于胶凝材料活性效应的发挥，其绝热温升逐渐赶上硅粉混凝土，上述试验结果与复合胶凝材料混凝土的水化热和抗压强度发展规律相吻合，也验证了本发明利用复合胶凝材料来设计制备低热高抗裂水工混凝土方法的正确性。

由此可见，针对我国修建的大坝中存在的不少混凝土开裂的现象，发明人经过不断实验发现这种混凝土的开裂现象与混凝土早期发热量大、抗裂性能不足存在着很大关系，并针对该现象经过大量实验得出本发明提出的利用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土的定量设计方法。

本发明克服了一般的硅酸盐水泥的颗粒粒径分布要满足高性能混凝土的强度与抗裂性的统一十分困难，而且其对混凝土后期强度增长(28d以后)的贡献小，不够理想的缺陷，通过在水泥中掺入具有不同颗粒分布和不同活性的细矿物掺合料得到复合胶凝材料，使其具有紧密堆积效应和复合胶凝效应。

本发明用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土的定量设计方法通过优化复合胶凝材料的活性组分、含量和细度，降低了复合胶凝粉体材料的用水量，调控其各胶凝组分反应的进程匹配，水化放热过程和强度发展过程，从而得到所期望的低发热量、高抗裂性能的混凝土，该复合胶凝材料混凝土的抗裂性能远远优于仅按强度要求进行设计的混凝土。

以上仅为本发明的较佳实施例，不得以此限定本发明实施的保护范围，因此凡参考本发明的说明书内容所作的简单等效变化与修饰，仍属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土定量设计方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：利用公式绘制λ随胶凝材料的组合不同以及各自质量分数之间的关系曲线图，在该曲线图上选取λ最低点对应的N和ω，确定复合胶凝材料的最优用水量，根据最优用水量确定复合胶凝材料的紧密堆积最优组合；

其中，式中λ为复合胶凝材料的标准稠度相对用水量，N为复合胶凝材料的标准稠度用水量，N_i为各胶凝材料的标准稠度用水量，ω_i为各胶凝材料的质量分数，i为不同的胶凝材料；

步骤二：根据所述复合胶凝材料的最优组合，通过对含不同掺合料以及含掺合料的比例不同的所述复合凝胶材料的最优组合进行水化热实验，确定低热高抗裂的复合胶凝材料的组合，所述掺合料为硅粉、粉煤灰、矿渣粉、石灰石中的一种或几种，经过定量设计的不同掺合料之间的粒径分布和质量比满足紧密颗粒堆积要求；

步骤三：测定所述步骤二中的不同复合胶凝材料组合的力学性能以及绝热温升，根据复合胶凝材料的力学性能以及绝热温升实验结果确定最优复合胶凝材料。

2.根据权利要求1所述的用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土定量设计方法，其特征在于，

所述步骤二中，所述水化热实验中，将胶凝复合材料与等质量的纯硅酸盐的放热曲线比较后，选择总体放热量低、前期放热量小且后期放热缓慢的复合胶凝材料。

3.根据权利要求2所述的用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土定量设计方法，其特征在于，

所述复合胶凝材料为水泥、矿渣和粉煤灰体系。

4.根据权利要求2所述的用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土定量设计方法，其特征在于，

所述复合胶凝材料为水泥和粉煤灰体系。

5.根据权利要求1所述的用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土定量设计方法，其特征在于，

所述最优复合胶凝材料通过混凝土力学性能试验验证其抗压强度与龄期的关系确定。

6.根据权利要求1所述的用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土定量设计方法，其特征在于，

所述最优复合胶凝材料通过混凝土干缩试验试验验证其干缩性能以及抗裂能力确定。

7.根据权利要求1所述的用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土定量设计方法，其特征在于，

所述最优复合胶凝材料通过混凝土自生体积变形试验验证其体积变形性能以及抗裂能力确定。

8.根据权利要求1所述的用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土定量设计方法，其特征在于，

所述最优复合胶凝材料通过混凝土绝热温升试验验证其绝热温升发展规律确定。

9.根据权利要求6至8任一项所述的用复合胶凝材料制备低热高抗裂水工混凝土定量设计方法，其特征在于，

所述最优复合胶凝材料的实验中均通过最优复合胶凝材料制备的混凝土与硅粉混凝土的各项性能进行对比得到。