CN105084836B - 一种c30自密实微膨胀钢管混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种C30自密实微膨胀钢管混凝土，属于建筑材料领域，它以水泥、粉煤灰、复合膨胀剂、碎石、河砂、增粘保塑超分散外加剂、内养护材料、微米级改性脱脂棉纤维素和水为原料制备而成。本发明所述的C30自密实微膨胀钢管混凝土中胶凝材料用量较少，具有自密实性好、含气量低、微膨胀与强耐久等优点，适用于密集配筋、形状复杂、截面尺寸小的大管径薄壁钢管混凝土水下桩的密实灌注，以及钢管混凝土桁架梁桥的上下钢管混凝土弦管泵送灌注和钢管混凝土墩柱的高抛免振捣灌注，可有效解决钢管混凝土的“脱空”问题，应用前景广阔。

Description

一种C30自密实微膨胀钢管混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种C30自密实微膨胀钢管混凝土及其制备方法。

背景技术

C30自密实微膨胀钢管混凝土主要应用在大管径薄壁钢管混凝土水下桩、钢管混凝土桁架梁桥的上下钢管混凝土弦管以及钢管混凝土墩柱。其中，钢管混凝土水下桩因配筋密集、灌注深度大，混凝土浇筑施工困难，要求钢管混凝土具有良好的流动性、粘聚性、低含气量、微膨胀等特点。若混凝土性能达不到设计施工要求，易出现断桩、灌注不密实脱空的问题。钢管混凝土墩柱多采用高抛灌注，抛落高度一般在10～20m，普通C30混凝土在此条件下易离析分层，进而降低结构的承载能力；钢管混凝土桁架梁桥的上下钢管混凝土弦管采用泵送顶推灌注，普通C30混凝土因其包裹性、自密实性不良，含气量高，易造成堵管和钢管混凝土脱空，因此上述结构均要求C30混凝土流动性、均匀性、粘聚性良好，含气量低，达到自密实微膨胀性能。

目前钢管混凝土多为C50～C80等级，因胶凝材料用量多，混凝土粘聚性好，易达到自密实。相对而言C30混凝土的胶凝材料质量较少，新拌混凝土粘结性差，为实现浆体完全包裹骨料，从而满足自密实混凝土高流态的要求很难达到。实际中通常引入增粘组分，通过增加水泥浆体的粘度提高其保水性，但增粘组分的加入改变了浆体的界面张力，带来额外的引气作用，会进一步导致混凝土含气量的增大，影响钢管混凝土的服役特性。同时钢管自密实混凝土较普通混凝土胶凝材料用量、砂率、水胶比大，粗骨料用量和粒径均较小，容易产生较大的温度收缩和自收缩，导致钢管与核心混凝土之间“脱粘”，影响结构的协同性，缩短服役寿命。掺入普通的膨胀剂补偿混凝土收缩，由于钢管核心混凝土处于绝湿密封环境中，后期水分供应不足，存在市售的膨胀剂早期膨胀速率过快，稳定性差，对后期水分补充依赖程度高、且膨胀行为不可调控的问题，很难匹配强度和膨胀协调发展的要求，劣化结构的承载能力。因此，需要制备出一种具有良好的流动性、粘聚性、低含气量、微膨胀与高耐久的C30自密实钢管混凝土。

发明内容

本发明的目的是提供一种C30自密实微膨胀钢管混凝土，具有自密实性、低含气量、微膨胀和高耐久的特点，可有效解决钢管混凝土的“脱空”问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种C30自密实微膨胀钢管混凝土，其各组分及含量为：普通硅酸盐水泥230～320kg/m³，粉煤灰60～150kg/m³，复合膨胀剂30～50kg/m³，碎石942～996kg/m³，河砂816～870kg/m³，增粘保塑超分散外加剂4.68～5.00kg/m³，内养护材料0.8～1.2kg/m³，微米级改性脱脂棉纤维素0.5～1.2kg/m³，水168～180kg/m³。

上述方案中，所述复合膨胀剂为以为膨胀源，其制备方法包括以下步骤：

1)以石灰石、铝矾土和石膏为原料，混合粉磨均化后在1300～1350℃的温度下煅烧40～60min，自然冷却后粉磨至80μm方孔筛余≤10％，得HCSA膨胀组分；其中各原料所占质量百分数为：石灰石48～50％、铝矾土14～16％、石膏35～37％，并控制Al₂O₃/SO₃为0.5～0.55，碱度系数C_m为3.1～3.5；所得HCSA膨胀组分包含的矿物组成中CaO、C₄A₃S和CaSO₄所占质量百分数分别为45～55％、15～20％和15～25％；

2)以方镁石为原料，粉磨后在1400～1500℃下煅烧1～1.2h，自然冷却后粉磨至80μm方孔筛余≤10％，制备得到具有延迟膨胀特性的MgO膨胀组分；

3)将步骤1)制备的HCSA膨胀组分、步骤2)制备得到的MgO延迟膨胀组分、石膏和硼酸(白色粉末状结晶，有滑腻手感，无臭味，密度约为1.44g/cm³)进行复配，即得所述的复合膨胀剂，其中各组分所占质量百分数为：HCSA膨胀组分55～60％、MgO膨胀组分28～32％、石膏10～15％、硼酸0.3～0.5％。

上述方案中，所述增粘保塑超分散外加剂的制备方法包括以下步骤：

1)以甲基烯丙醇、氨水和环氧丙烷为原料，甲基烯丙醇钠或甲基烯丙醇钾为催化剂，在压力为0.10～0.40MPaG、温度为50～150℃的条件下，反应3～7h，制得甲基烯丙醇聚氧丙烯醚与三异丙醇胺的混合物，所述甲基烯丙醇、氨水和环氧丙烷的摩尔比为1：(0.2～0.5):(5.0～78.0)，催化剂的用量为甲基烯丙醇质量的0.10～0.60％；

2)以步骤1)制得的甲基烯丙醇聚氧丙烯醚与三异丙醇胺的混合物、丙烯酸磺酸钠、甲基丙烯酸酯和水为原料，加入带有回流冷凝器、温度计和滴液漏斗的三口烧瓶中，加热升温至60～90℃，在2～2.5h内匀速滴加丙烯酸和过硫酸铵溶液，保温反应1.0～1.5h，停止加热，降温至40～50℃加入NaOH溶液将溶液pH值调节至6～8，搅拌20～25min放料，得到超分散保坍型聚羧酸减水剂A；该步骤中各原料所占质量百分比为：甲基烯丙醇聚氧丙烯醚与三异丙醇胺的混合物80～90％、丙烯酸磺酸钠1～5％、甲基丙烯酸酯5～10％、水1～5％；过硫酸铵溶液中过硫酸铵的质量为甲基丙烯酸酯质量的2.0％，丙烯酸为甲基丙烯酸酯的摩尔数的3.75；

3)以甲基丙烯酸、聚丙二醇单甲醚为原料，催化剂甲苯磺酸和阻聚剂对苯二酚分别为酸醇总质量的1.5％、0.5％，在65～75℃的温度下，反应8～9h，得具有超分散减水功能的甲基丙烯酸聚丙二醇单甲醚单体，其中甲基丙烯酸和聚丙二醇单甲醚的摩尔比为(1.15～1.20):1；将二丙二醇单丁醚和马来酸酐以(1～2):1的摩尔比，在100～140℃下反应3～5h，缩合成具有减缩功能的缩二乙二醇二丙二醇单丁醚单体；

4)按以下质量配比甲基丙烯酸聚丙二醇单甲醚单体75～85％、缩二乙二醇二丙二醇单丁醚单体1～5％、甲基丙烯酸5～10％、二甲胺基乙醇1～5％、甲基丙烯磺酸钠1～5％，将步骤3)中制备的甲基丙烯酸聚丙二醇单甲醚单体和缩二乙二醇二丙二醇单丁醚单体升温到90～100℃后滴加甲基丙烯酸、二甲胺基乙醇和甲基丙烯磺酸钠进行反应，反应5～7h后(反应结束)加入NaOH溶液调节PH至中性，得到减缩型聚羧酸减水剂B；

5)将步骤2)制备的超分散保坍型聚羧酸减水剂A、步骤4)制备的减缩型聚羧酸减水剂B、葡萄糖酸钠、纳米SiO₂(增粘剂，无定形的白色粉末状颗粒，粒径25～35nm，具有超强的水溶性、悬浮性)、有机硅消泡剂和水进行复配，得所述的超分散减水减缩保塑外加剂；其中各组分所占质量百分数为：超分散保坍型聚羧酸减水剂A 20％、减缩型聚羧酸减水剂B30％、葡萄糖酸钠3～4.7％、纳米SiO₂ 0.2～0.3％、有机硅消泡剂0.03～0.04％、水45～46％。

上述方案中，所述AN-ICA内养护剂(阴-非离子型聚合物内养护材料)为武汉理工大学刘荣进博士论文《有机-无机复合混凝土内养护材料设计、合成与性能研究》中所述的有机-无机型木薯淀粉改性聚合物，为淀粉分子链上接枝非离子型酰胺基团和强阴离子型磺酸基团形成的线型长链不饱和烃支链型聚合物，其电荷密度为20～25％，吸水倍率达210～287、保水率达80％以上。

上述方案中，所述改性脱脂棉纤维素是将脱脂棉经质量浓度为40～45％的硫酸催化处理4h后，进行抽滤烘干得到的微米级改性脱脂棉纤维素，直径为15～30nm，平均长度150～250nm。

上述方案中，所述普通硅酸盐水泥的强度等级为42.5及以上，比表面积>350m²/kg；粉煤灰为F类I级或II级灰中的一种或二者按任意比例混合。

上述方案中，所述碎石为5～25mm连续级配的石灰石碎石，其针片状含量﹤4％，压碎值﹤14％；所述河砂为天然河砂，其细度模数2.27～2.67，泥块含量<1.3％。

上述一种C30自密实微膨胀钢管混凝土的制备方法，它包括以下步骤：

1)原料的称取，按以下配比称取各原料：普通硅酸盐水泥230～320kg/m³，粉煤灰60～150kg/m³，复合膨胀剂30～50kg/m³，碎石942～996kg/m³，河砂816～870kg/m³，增粘保塑超分散外加剂4.68～5.00kg/m³，内养护材料0.8～1.2kg/m³，微米级改性脱脂棉纤维素0.5～1.2kg/m³，水168～180kg/m³；

2)内养护材料预吸水，将内养护材料按1:15的质量比置于水中进行吸水，吸水时间为2～3h，搅拌均匀至分散成无明显大粒状；

3)将称取的普通硅酸盐水泥、粉煤灰、复合膨胀剂、碎石和河砂置于搅拌机中干拌2～5min，在干拌的过程中将称取的微米级改性脱脂棉纤维素加入搅拌机中，充分干拌均匀得干拌料；将预吸水后的内养护材料、增粘保塑超分散外加剂和水混合均匀，然后置于干拌料中继续搅拌5～10min，得所述的C30自密实微膨胀钢管混凝土。

根据上述方案所得C30自密实微膨胀钢管混凝土出搅拌机后无需振捣便可成型，24h后拆模进行标准养护，即得所述C30自密实微膨胀钢管混凝土构件。

根据上述方案制备的C30自密实微膨胀钢管混凝土中，胶凝材料用量≤420kg/m³，初始坍落/扩展度≥230/640mm，2h坍落度几乎无损失，含气量＜2％，T₅₀＜10s，28d抗压强度＞44Mpa，60d密闭环境下混凝土自由膨胀率100×10^-6～200×10^-6，且60d体积基本稳定，表现出优异的工作性能、力学性能与稳定的膨胀性能。

本发明制备的C30自密实微膨胀钢管混凝土适用于密集配筋、形状复杂、截面尺寸小的大管径薄壁钢管混凝土水下桩的密实灌注，以及钢管混凝土桁架梁桥的上下钢管混凝土弦管泵送灌注和钢管混凝土墩柱的高抛免振捣灌注，可有效解决钢管混凝土的“脱空”问题，具有重要的工程应用价值。

本发明的原理为：

1)增粘保塑超分散外加剂的作用机理是：增粘保塑超分散外加剂中的三异丙醇胺分子具有超分散水泥颗粒作用，能充分发挥胶凝材料的水化活性，显著降低水泥用量；同时具有缓释特性的减水剂母液分子中的酰胺基、酰酐等亲水型基团能在碱性环境下水解，逐步转化成水溶性分散剂，提供持续的分散能力，具有良好的保坍性能；纳米SiO₂为增粘组分，具有较高的比表面积，溶于水后形成硅溶胶，硅溶胶凝胶化引起水泥颗粒团聚，导致水泥浆体粘度急剧增大；同时其纳米诱导水化效应及其较高的火山灰活性，可加快水泥水化进程；另外纳米SiO₂能较好地填充在界面过渡区的孔隙里，细化氢氧化钙晶体尺寸，改善界面过渡区的密实度；葡萄糖酸钠为混凝组分，其分子结构中的羟基(-OH)被吸附在水泥颗粒表面并与水化产物C₃A上的O^2-形成氢键，水分子与剩下的羟基结合成氢键形成稳定的水膜，阻碍水泥颗粒间的相互接触，延缓水泥水化速度；有机硅消泡剂为消泡组分，其高表面活性能在泡沫表面自动展开，破坏表面膜，削弱泡沫的强度，降低大气泡的数量，具有消泡迅速、抑泡持久的功效，有利于钢管混凝土含气量的控制，实现低胶凝材料用量下自密实混凝土低含气量与大流动性的匹配设计。

2)复合膨胀剂的作用机理是：利用不同膨胀源在不同阶段发生水化反应，其中，高温下发生固相反应形成的水化生成钙矾石膨胀主要发生在早中期；高温分解生成的CaO(f-CaO)被包裹在C₄AF等矿物中，其活性显著降低，水化膨胀适时延迟，主要发生在中期，生成的Ca(OH)₂既产生一定的膨胀，又补充了水泥体系中反应消耗的Ca(OH)₂，保持液相中Ca(OH)₂的高浓度，改善了体系的弱碱状态，有利于彼此交叉搭接呈辐射状的细小钙矾石晶体析出；高温煅烧后的MgO组分具有明显的水化膨胀延迟特性，能有效弥补混凝土后期膨胀不足。膨胀组分的合理设计制备，克服了普通膨胀剂早期膨胀速率过快，稳定性差，对后期水分补充依赖程度高的缺点，实现了低胶凝材料用量下自密实混凝土的强度增长与体积变形的协调发展。

3)内养护材料的作用机理是：利用自身分子结构上的化学键与水分子上的O^2-键结合形成氢键急剧吸收并储存水分，吸水后呈凝胶状，具有增稠保水作用，改善混凝土的工作性能。随着水化进程的不断进行，自由水含量逐渐减少，而Ca(OH)₂浓度稳步升高，毛细管失水引起内部湿度下降。在湿度差和毛细管拉应力的双重作用驱动下，内养护材料持续释放预先储存的水分，促进后期水泥水化程度，细化水泥石孔结构，同时改善内部相对湿度，减小自收缩的驱动力，稳定提高混凝土的膨胀性能。

4)微米级改性脱脂棉纤维素作用机理为：微米级改性脱脂棉纤维素表面亲水和超强吸附特性使C-S-H凝胶依附在其表面生长，交叉分布的纤维诱导C-S-H凝胶交联融生，将孤立的C-S-H凝胶簇连接在一起，最终形成结构均匀的连续凝胶相；微米级改性脱脂棉纤维素的自持水特性对水泥矿物水化起内养护作用，使C-S-H凝胶相体积和交联融生概率增大；纤维状物态可在胶凝浆体中形成空间网络结构，传递和分散胶凝浆体微结构形成过程中因各组分水化特性的差异而引起的不均匀内应力，提高胶凝浆体抗拉强度，减少胶凝浆体收缩；微米级脱脂棉纤维素在混凝土塑性阶段形成乱向分布的网络结构，提高胶凝浆体对碎石的包裹性，防止混凝土在高抛或顶推灌注钢管内出现离析分层堵管现象，提高混凝土的均匀性和密实性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明开发的增粘保塑超分散外加剂具有超分散水泥颗粒和提高水泥胶结性能等功能，可充分发挥胶凝材料的水化活性，降低水泥用量，实现低胶凝材料用量下混凝土自密实与低含气量匹配设计，解决低胶凝材料用量下混凝土流动性能不良的问题。

2)本发明将开发的以CaSO₄·2H₂O、CaO和MgO为膨胀源的复合膨胀剂与内养护材料进行复掺，能促进所得混凝土在水化早期表现出适宜的膨胀速率，并在后期持续稳定膨胀，实现C30自密实微膨胀钢管混凝土的强度增长与膨胀变形的协调发展，解决了普通膨胀混凝土后期膨胀不足，易出现倒缩的问题，确保钢管等部件与混凝土形成良好“套箍”效应。

3)微米级脱脂棉纤维素凭借其亲水和超强吸附特性，将孤立的C-S-H凝胶簇连接在一起，最终形成结构均匀的连续凝胶相；且其形成的空间网络结构，可以传递和分散胶凝浆体微结构形成过程中因各组分水化特性的差异而引起的不均匀内应力，提高混凝土的力学性能、体积稳定性能；同时微米级脱脂棉纤维素在混凝土塑性阶段形成乱向分布的网络结构，提高胶凝浆体对碎石的包裹性，防止混凝土在高抛或顶推灌注钢管内出现离析分层堵管现象，提高混凝土的均匀性和密实性。

4)本发明制备的C30自密实微膨胀钢管混凝土中水泥和胶凝材料用量较少，具有自密实性好、含气量低、微膨胀与强耐久等优点，可有效解决钢管混凝土的“脱空”问题，具有重要的工程应用价值。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中，所述普通硅酸盐水泥采用华新P.O42.5普通硅酸盐水泥，其比表面积为360m²/kg；粉煤灰采用武汉阳逻电厂II级粉煤灰。

所述碎石为5～25mm连续级配的石灰石碎石，针片状含量﹤4％，压碎值﹤14％；河砂为巴河细砂，细度模数2.5；水为普通自来水。

所述AN-ICA内养护剂(阴-非离子型聚合物内养护材料)为武汉理工大学刘荣进博士论文《有机-无机复合混凝土内养护材料设计、合成与性能研究》中所述的在最优配比和最佳工艺条件下制备的有机-无机型木薯淀粉改性聚合物，为淀粉分子链上接枝非离子型酰胺基团和强阴离子型磺酸基团形成的线型长链不饱和烃支链型聚合物，其电荷密度为20～25％，吸水倍率达210～287，保水率达80％以上。

所述微米级改性脱脂棉纤维素是脱脂棉在质量浓度为40～45％的硫酸催化处理4h后，抽滤烘干得到的微米级改性脱脂棉纤维素，直径为15～30nm，平均长度150～250nm。

实施例2～5中，所述增粘保塑超分散外加剂的制备方法包括以下步骤：

1)以甲基烯丙醇、氨水和环氧丙烷为原料，甲基烯丙醇钠或甲基烯丙醇钾为催化剂，在压力为0.10～0.40MPaG、温度为50～150℃的条件下，反应3～7h，制得甲基烯丙醇聚氧丙烯醚与三异丙醇胺的混合物，所述甲基烯丙醇、氨水和环氧丙烷的摩尔比为1:(0.2～0.5):(5.0～78.0)，催化剂的用量为甲基烯丙醇质量的0.10～0.60％；

2)以步骤1)制得的甲基烯丙醇聚氧丙烯醚与三异丙醇胺的混合物、丙烯酸磺酸钠、甲基丙烯酸酯和水为原料，加入带有回流冷凝器、温度计和滴液漏斗的三口烧瓶中，加热升温至60～90℃，在2～2.5h内匀速滴加丙烯酸和过硫酸铵溶液，保温反应1.0～1.5h，停止加热，降温至40～50℃加入NaOH溶液将溶液pH值调节至6～8，搅拌20～25min放料，得到超分散保坍型聚羧酸减水剂A；该步骤中各原料所占质量百分比为：甲基烯丙醇聚氧丙烯醚与三异丙醇胺的混合物80～90％、丙烯酸磺酸钠1～5％、甲基丙烯酸酯5～10％、水1～5％；过硫酸铵溶液中过硫酸铵的质量为甲基丙烯酸酯质量的2.0％，丙烯酸为甲基丙烯酸酯的摩尔数的3.75；

3)以甲基丙烯酸、聚丙二醇单甲醚为原料，甲苯磺酸为催化剂、对苯二酚为阻聚剂，在65～75℃的温度下，反应8～9h，得具有超分散减水功能的甲基丙烯酸聚丙二醇单甲醚单体，其中甲基丙烯酸和聚丙二醇单甲醚的摩尔比为(1.15～1.20):1，催化剂和阻聚剂的添加量分别为甲基丙烯酸和聚丙二醇单甲醚总质量的1.5％和0.5％；将二丙二醇单丁醚和马来酸酐以(1～2):1的摩尔比，在100～140℃下反应3～5h，缩合成具有减缩功能的缩二乙二醇二丙二醇单丁醚单体；

4)按以下质量配比甲基丙烯酸聚丙二醇单甲醚单体75～85％、缩二乙二醇二丙二醇单丁醚单体1～5％、甲基丙烯酸5～10％、二甲胺基乙醇1～5％、甲基丙烯磺酸钠1～5％，将步骤3)中制备的甲基丙烯酸聚丙二醇单甲醚单体和缩二乙二醇二丙二醇单丁醚单体升温到90～100℃后滴加甲基丙烯酸、二甲胺基乙醇和甲基丙烯磺酸钠进行反应，反应5～7h后加入NaOH溶液调节PH至中性，得到减缩型聚羧酸减水剂B；

5)将步骤2)制备的超分散保坍型聚羧酸减水剂A、步骤4)制备的减缩型聚羧酸减水剂B、葡萄糖酸钠、纳米SiO₂(增粘剂，无定形的白色粉末状颗粒，粒径25～35nm，具有超强的水溶性、悬浮性)、有机硅消泡剂(EL-2701消泡剂)和水进行复配，得所述的增粘保塑超分散外加剂，其中各组分所占质量百分数为：超分散保坍型聚羧酸减水剂A 20％、减缩型聚羧酸减水剂B 30％、葡萄糖酸钠3～4.7％、纳米SiO₂ 0.2～0.3％、有机硅消泡剂0.03～0.04％、水45～46％。

实施例1中增粘保塑超分散外加剂的制备方法与实施例2～5大致相同，不同之处在于：1)甲基烯丙醇、氨水和环氧丙烷的摩尔比为1:0.4:20，催化剂的用量为甲基烯丙醇的质量的0.4％，反应压力为0.30MPaG、温度为105℃、时间为5h；2)甲基烯丙醇聚氧丙烯醚与三异丙醇胺的混合物86％、丙烯酸磺酸钠3％、甲基丙烯酸酯8％、水3％；3)甲基丙烯酸和聚丙二醇单甲醚的摩尔比为1.18:1，二丙二醇单丁醚和马来酸酐的摩尔比为1.5:1，反应温度为120℃、时间为4h；4)甲基丙烯酸聚丙二醇单甲醚单体82％、缩二乙二醇二丙二醇单丁醚单体3％、甲基丙烯酸8％、二甲胺基乙醇3％、甲基丙烯磺酸钠4％，反应温度为95℃，反应时间为6h；5)超分散保坍型聚羧酸减水剂A 20％、减缩型聚羧酸减水剂B 30％、葡萄糖酸钠4.21％、纳米SiO₂ 0.25％、有机硅消泡剂0.04％、水45.5％。

实施例2～5中，所述复合膨胀剂的制备方法包括以下步骤：

1)以石灰石、铝矾土和石膏为原料，混合粉磨均化后在1300～1350℃的温度下煅烧40～60min，自然冷却后粉磨至80μm方孔筛余≤10％，得HCSA膨胀组分；其中各原料所占质量百分数为：石灰石48～50％、铝矾土14～16％、石膏35～37％，并控制Al₂O₃/SO₃为0.5～0.55，碱度系数C_m为3.1～3.5；所得HCSA膨胀组分包含的矿物组成中CaO、和CaSO₄所占质量百分数分别为45～55％、15～20％和15～25％；

2)以方镁石为原料，将其粉磨后在1400～1500℃下煅烧1～1.2h，自然冷却后粉磨至80μm方孔筛余≤10％，制备得到具有延迟膨胀特性的MgO膨胀组分；

3)将步骤1)制备的HCSA膨胀组分、步骤2)制备得到的MgO膨胀组分、石膏和硼酸(白色粉末状结晶，有滑腻手感，无臭味，密度约为1.44g/cm³)进行复配，即得所述的复合膨胀剂，其中各组分所占质量百分数为：HCSA膨胀组分55～60％、MgO膨胀组分28～32％、石膏10～15％、硼酸0.3～0.5％。

实施例1中复合膨胀剂的制备方法与实施例2～5大致相同，不同之处在于：1)石灰石、铝矾土和石膏煅烧温度为1350℃，时间为40min；石灰石、铝矾土和石膏所占的质量百分数分别为50％、15％、35％；2)方镁石煅烧温度为1400℃，煅烧时间为1h；3)HCSA膨胀组分58％、MgO膨胀组分29.6％、石膏12％、硼酸0.4％。

以下实施例中，所述C30自密实微膨胀钢管混凝土均以普通硅酸盐水泥(C)、粉煤灰(FA)、复合膨胀剂(HBEA)、微米级改性脱脂棉纤维素(CF)、河砂(S)、碎石(G)、内养护材料(AN-ICA)、增粘保塑超分散外加剂(PC)和水(W)为原材料制备而成。

以下实施例中，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)、《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)、《混凝土耐久性检验评定标准》JGJ/193-2009所述方法对所得混凝土的工作性能、力学性能及体积稳定性能进行测试。

实施例1

一种C30自密实微膨胀钢管混凝土，将其应用于浇注大管径薄壁钢管混凝土水下桩(根据《公路桥涵施工技术规范JTG_TF50-2011》中关于浇注水下混凝土有规定，当掺有适宜数量的减水剂或粉煤灰时，水泥用量不得少于300kg/m³)，其制备方法包括以下步骤：

1)按表1所述配比称取各原材料；

2)内养护材料预吸水，将内养护材料置于水中按1:15的质量比进行吸水，吸水时间为2～3h，搅拌均匀；

3)将称取的普通硅酸盐水泥、粉煤灰、复合膨胀剂、碎石和河砂置于混凝土搅拌机中干拌，在干拌的过程中将称取的微米级改性脱脂棉纤维素加入搅拌机中，充分干拌均匀(2～5min)，得干拌料；将预吸水后的内养护材料、增粘保塑超分散外加剂和水混合均匀，然后置于干拌料中继续搅拌5～10min，得所述的C30自密实微膨胀钢管混凝土；所得C30自密实微膨胀钢管混凝土出搅拌机后无需振捣便可成型，24h后拆模进行标准养护，即得所述的大管径薄壁钢管混凝土水下桩(C30自密实微膨胀钢管混凝土构件)。

本实施例所得的C30自密实微膨胀钢管混凝土及其构件的性能测试结果见表2。

表1 实施例1配制的C30自密实微膨胀钢管混凝土的原料配比(kg/m³)

表2 实施例1配制的C30自密实微膨胀钢管混凝土的性能测试结果

实施例2

一种C30自密实微膨胀钢管混凝土，将其应用于制备钢管混凝土桁架梁桥的上下钢管混凝土弦管，其制备方法包括以下步骤：

1)按表3所述配比称取各原材料；

2)内养护材料预吸水，将内养护材料置于水中按1:15的质量比进行吸水，吸水时间为2～3h，搅拌均匀；

3)将称取的普通硅酸盐水泥、粉煤灰、复合膨胀剂、碎石和河砂置于混凝土搅拌机中干拌，在干拌的过程中将称取的微米级改性脱脂棉纤维素加入搅拌机中，充分干拌均匀(2～5min)，得干拌料；将预吸水后的内养护材料与增粘保塑超分散外加剂和水混合均匀，然后置于干拌料中继续搅拌5～10min，得所述的C30自密实微膨胀钢管混凝土；所得混合浆料出搅拌机后无需振捣便可成型，24h后拆模进行标准养护，即得所述钢管混凝土桁架梁桥的上下钢管混凝土弦管(C30自密实微膨胀钢管混凝土构件)。

本实施例所得的C30自密实微膨胀钢管混凝土及其构件的性能测试结果见表4。

表3 实施例2配制的C30自密实微膨胀钢管混凝土的原料配比(kg/m³)

表4 实施例2配制的C30自密实微膨胀钢管混凝土的性能测试结果

实施例3

一种C30自密实微膨胀钢管混凝土，将其应用于浇注钢管混凝土桁架梁桥的上下钢管混凝土弦管，其制备方法包括以下步骤：

1)按表5所述配比称取各原材料；

2)内养护材料预吸水，将内养护材料置于水中按1:15的质量比进行吸水，吸水时间为2～3h，搅拌均匀；

3)将称取的普通硅酸盐水泥、粉煤灰、复合膨胀剂、碎石和河砂置于混凝土搅拌机中干拌，在干拌的过程中将称取的微米级改性脱脂棉纤维素加入搅拌机中，充分干拌均匀(2～5min)，得干拌料；将预吸水后的内养护材料与增粘保塑超分散外加剂和水混合均匀，然后置于干拌料中继续搅拌5～10min，得所述的C30自密实微膨胀钢管混凝土；所得混合浆料出搅拌机后无需振捣便可成型，24h后拆模进行标准养护，即得所述的钢管混凝土桁架梁桥的上下钢管混凝土弦管(C30自密实微膨胀钢管混凝土构件)。

本实施例所得的C30自密实微膨胀钢管混凝土及其构件的性能测试结果见表6。

表5 实施例3配制的C30自密实微膨胀钢管混凝土的原料配比(kg/m³)

表6 实施例3配制的C30自密实微膨胀钢管混凝土的性能测试结果

上述结果表明，本发明制备的C30自密实微膨胀钢管混凝土中胶凝材料用量少，其自密实型达II级，具有高流态，且含气量低、具有较大的强度富余系数与稳定的膨胀性能，适用于密集配筋、形状复杂、截面尺寸小的大管径薄壁钢管混凝土水下桩的密实灌注，以及钢管混凝土桁架梁桥的上下钢管混凝土弦管泵送灌注和钢管混凝土墩柱的高抛免振捣灌注，可有效解决钢管混凝土的“脱空”问题，应用前景广阔。

显然，上述实施例仅仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种C30自密实微膨胀钢管混凝土，其特征在于，其各组分及含量为：普通硅酸盐水泥230～320kg/m³，粉煤灰60～150kg/m³，复合膨胀剂30～50kg/m³，碎石942～996kg/m³，河砂816～870kg/m³，增粘保塑超分散外加剂4.68～5.00kg/m³，内养护材料0.8～1.2kg/m³，微米级改性脱脂棉纤维素0.5～1.2kg/m³，水168～180kg/m³；

所述复合膨胀剂的制备方法包括以下步骤：

1)以石灰石、铝矾土和石膏为原料，混合粉磨均化后在1300～1350℃的温度下煅烧40～60min，自然冷却后粉磨至80μm方孔筛余≤10％，得HCSA膨胀组分；其中各原料所占质量百分数为：石灰石48～50％、铝矾土14～16％、石膏35～37％，并控制Al₂O₃/SO₃为0.5～0.55，碱度系数C_m为3.1～3.5；所得HCSA膨胀组分包含的矿物组成中CaO、和CaSO₄所占质量百分数分别为45～55％、15～20％和15～25％；

2)以方镁石为原料，将其粉磨后在1400～1500℃下煅烧1～1.2h，自然冷却后粉磨至80μm方孔筛余≤10％，得MgO膨胀组分；

3)将步骤1)制备的HCSA膨胀组分、步骤2)制备得到的MgO膨胀组分、石膏和硼酸进行复配，即得所述的复合膨胀剂，其中各组分所占质量百分数为：HCSA膨胀组分55～60％、MgO膨胀组分28～32％、石膏10～15％、硼酸0.3～0.5％；

所述增粘保塑超分散外加剂的制备方法包括以下步骤：

1)以甲基烯丙醇、氨水和环氧丙烷为原料，甲基烯丙醇钠或甲基烯丙醇钾为催化剂，在压力为0.10～0.40MPaG、温度为50～150℃的条件下，反应3～7h，制得甲基烯丙醇聚氧丙烯醚与三异丙醇胺的混合物，其中甲基烯丙醇、氨水和环氧丙烷的摩尔比为1:(0.2～0.5):(5.0～78.0)，催化剂的用量为甲基烯丙醇质量的0.10～0.60％；

2)以步骤1)制得的甲基烯丙醇聚氧丙烯醚与三异丙醇胺的混合物、丙烯酸磺酸钠、甲基丙烯酸酯和水为原料，加入带有回流冷凝器、温度计和滴液漏斗的三口烧瓶中，加热升温至60～90℃，在2～2.5h内匀速滴加丙烯酸和过硫酸铵溶液，保温反应1.0～1.5h，停止加热，降温至40～50℃加入NaOH溶液将溶液pH值调节至6～8，搅拌20～25min放料，得到超分散保坍型聚羧酸减水剂A；该步骤中各原料所占质量百分比为：甲基烯丙醇聚氧丙烯醚与三异丙醇胺的混合物80～90％、丙烯酸磺酸钠1～5％、甲基丙烯酸酯5～10％、水1～5％；过硫酸铵溶液中过硫酸铵的质量为甲基丙烯酸酯质量的2.0％，丙烯酸为甲基丙烯酸酯的摩尔数的3.75；

3)以甲基丙烯酸、聚丙二醇单甲醚为原料，甲苯磺酸为催化剂、对苯二酚为阻聚剂，在65～75℃的温度下，反应8～9h，得具有超分散减水功能的甲基丙烯酸聚丙二醇单甲醚单体，其中甲基丙烯酸和聚丙二醇单甲醚的摩尔比为(1.15～1.20):1，催化剂和阻聚剂的添加量分别为甲基丙烯酸和聚丙二醇单甲醚总质量的1.5％和0.5％；将二丙二醇单丁醚和马来酸酐以(1～2):1的摩尔比，在100～140℃下反应3～5h，缩合成具有减缩功能的缩二乙二醇二丙二醇单丁醚单体；

4)按以下质量配比：甲基丙烯酸聚丙二醇单甲醚单体75～85％、缩二乙二醇二丙二醇单丁醚单体1～5％、甲基丙烯酸5～10％、二甲胺基乙醇1～5％、甲基丙烯磺酸钠1～5％，将步骤3)中制备的甲基丙烯酸聚丙二醇单甲醚单体和缩二乙二醇二丙二醇单丁醚单体升温到90～100℃后滴加甲基丙烯酸、二甲胺基乙醇和甲基丙烯磺酸钠进行反应，反应5～7h后加入NaOH溶液调节pH至中性，得到减缩型聚羧酸减水剂B；

5)将步骤2)制备的超分散保坍型聚羧酸减水剂A、步骤4)制备的减缩型聚羧酸减水剂B、葡萄糖酸钠、纳米SiO₂、有机硅消泡剂和水进行复配，得所述的增粘保塑超分散外加剂；其中各组分所占质量百分数为：超分散保坍型聚羧酸减水剂A20％、减缩型聚羧酸减水剂B30％、葡萄糖酸钠3～4.7％、纳米SiO₂ 0.2～0.3％、有机硅消泡剂0.03～0.04％、水45～46％。

2.根据权利要求1所述的C30自密实微膨胀钢管混凝土，其特征在于，所述纳米SiO₂为无定形的白色粉末状颗粒，粒径25～35nm。

3.根据权利要求1所述的C30自密实微膨胀钢管混凝土，其特征在于，所述内养护材料为AN-ICA内养护剂，为有机-无机型木薯淀粉改性聚合物，为淀粉分子链上接枝非离子型酰胺基团和强阴离子型磺酸基团形成的线型长链不饱和烃支链型聚合物，其电荷密度为20～25％，吸水倍率达210～287，保水率达80％以上。

4.根据权利要求1所述的C30自密实微膨胀钢管混凝土，其特征在于，所述微米级改性脱脂棉纤维素是将脱脂棉经质量浓度为40～45％的硫酸催化处理4h后，进行抽滤烘干得到的微米级改性脱脂棉纤维素，直径为15～30nm，平均长度150～250nm。

5.根据权利要求1所述的C30自密实微膨胀钢管混凝土，其特征在于，所述普通硅酸盐水泥的强度等级为42.5及以上，比表面积>350m²/kg；粉煤灰为F类I级或II级灰中的一种或二者按任意比例混合。

6.根据权利要求1所述的C30自密实微膨胀钢管混凝土，其特征在于，所述碎石为5～25mm连续级配的石灰石碎石，其针片状含量﹤4％，压碎值﹤14％；所述河砂为天然河砂，其细度模数2.27～2.67，泥块含量<1.3％。

7.权利要求1～6任一项所述C30自密实微膨胀钢管混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)原料的称取，按以下配比称取各原料：普通硅酸盐水泥230～320kg/m³，粉煤灰60～150kg/m³，复合膨胀剂30～50kg/m³，碎石942～996kg/m³，河砂816～870kg/m³，增粘保塑超分散外加剂4.68～5.00kg/m³，内养护材料0.8～1.2kg/m³，微米级改性脱脂棉纤维素0.5～1.2kg/m³，水168～180kg/m³；

2)内养护材料预吸水，将内养护材料按1:15的质量比置于水中进行吸水，吸水时间为2～3h，搅拌均匀；

3)将称取的普通硅酸盐水泥、粉煤灰、复合膨胀剂、碎石和河砂置于搅拌机中干拌，在干拌的过程中将称取的微米级改性脱脂棉纤维素加入搅拌机中，充分干拌均匀得干拌料；将预吸水后的内养护材料、增粘保塑超分散外加剂和水混合均匀，然后置于干拌料中继续搅拌5～10min，得所述的C30自密实微膨胀钢管混凝土。