CN107098645A - 水下不分散混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下不分散混凝土及其制备方法，其技术方案要点是按重量份数计，包括砂590‑630份，石840‑900份，水泥320‑370份，粉煤灰30‑45份，水130‑170份，絮凝剂5‑7份，早强剂15‑22份，辅剂20‑35份，使得混凝土自身具有在水下浇筑过程中可以直接与环境水接触，并且混凝土拌合物各组分具有较好的抗分散能力，抗冻性、早期强度均有所提高。

Description

水下不分散混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土领域，特别涉及一种水下不分散混凝土及其制备方法。

背景技术

人类社会在不断发展进步，特别是进入20世纪中后期，发展日趋迅速。伴随着人类社会发展进步而来的是日益严重的矿产能源与空间资源短缺问题，人类转向江河湖泊和近海开发利用水下空间和矿产资源。水下工程因其周围环境复杂而要求建筑材料具有更高的质量和性能。水下工程中应用最多和最主要的一种建筑材料依然是混凝土，混凝土的性能则直接关系到水下工程的质量和使用寿命，因此工程技术界越来越重视水下浇筑混凝土的性能研究。

普通混凝土用于浇筑水下工程时，如果与水直接接触，水的冲刷会使水泥浆与骨料分离，造成部分水泥浆流失，剩余水泥浆中的水泥长时间地在水中处于悬浮状态，当这些水泥下沉时已经凝固，失去了与骨料胶结的能力，普通混凝土在水中直接浇筑时就会分成一层骨料和一层硬化的水泥浆两部分，这样的混凝土不符合水下工程技术要求。

为解决上述问题，人们主要从施工方法上进行了改进，减少或杜绝混凝土拌合物与水的接触，从而避免水的影响；传统的混凝土水下施工常用的方法有导管法、开底容器法等，但是上述方法存在着造价高、工期长、施工设备复杂、施工技术要求高、工程质量难以保证、易污染环境等缺点。

所以仅从施工工艺上避免水对水下混凝土的影响，已经不能满足对于混凝土水下施工的需求，对水下混凝土材料自身性能的研究改善十分必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下不分散混凝土，使得混凝土自身具有在水下浇筑过程中可以直接与环境水接触，并且混凝土拌合物各组分具有较好的抗分散能力。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种水下不分散混凝土，按重量份数计，包括砂590-630份，石840-900份，水泥320-370份，粉煤灰30-45份，水130-170份，絮凝剂5-7份，早强剂15-22份，辅剂20-35份。

通过采用上述技术方案，本发明中各个组分的配比使得本发明具有较好的性能，在此配比下，添加絮凝剂，絮凝剂可以增加混凝土拌合物的粘度，并且极大地改变了混凝土拌合物粗分散体系中颗粒的表面电位，使多相粗分散体系凝聚成稳定的絮凝体；此外，由于絮凝剂聚合物具有高分子化合物长链结构,通过长碳链上的一些活官能团可以吸附在分散体系的水泥颗粒上，它在水泥颗粒之间起到了纵横交叉的架桥联系作用,把许多颗粒联系在一起,形成稳定的絮团结构；絮凝剂的长分子链之间互相吸引,并且随分子链间距的缩短使吸引力增大,许多长链互相缠结形成网状结构,把水泥和抗分散剂包裹起来不易受到外界水分子的冲洗而分散，使得本发明可以直接与水环境接触，并且具有较好的抗分散能力；并且在本发明的配比情况下，加入粉煤灰，可以将水泥颗粒分开，使得水泥浆更充分地润滑骨料，具有较好的流动性以及自密实性；此外，早强剂以及辅剂的加入，促进了水泥的前期的水化反应，有助于保证本发明的早期强度，还可以提高本发明的抗冻性。

较佳的，早强剂包括氯化钠和三乙醇胺，其中氯化钠11-15份，三乙醇胺4-7份。

通过采用上述技术方案，氯化钠中氯离子以及钠离子的存在，由于盐效应，可以能使熟料矿物的溶解度增大，利于沉淀析出和晶核生成与成长；三乙醇胺是一种表面活性剂，掺入水泥混凝土中，在水泥水化过程中起到催化剂作用，加快C3A的水化和钙矾石的形成，其与氯化钠复合使用，可以进一步提高早强效果；此外，氯化钠可以降低冰点，进一步提高本水下不分散混凝土的抗冻性。

较佳的，辅剂包括脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠以及纳米硅粉，其中脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠10-20份，纳米硅粉10-15份。

通过采用上述技术方案，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠是一种表面活性剂，可以与氯化钠共同作用，在体系内形成一种粘弹性胶体，进一步提高体系的粘度，有助于进一步提高本发明的抗水泥能力，并且由于本发明的其他物料配比较合理，所以添加脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠后，仍可以保证水下不分散混凝土的流动性以及抗分散性；由于早强剂的加入，水下不分散混凝土的后期强度会具有降低的趋势，纳米硅粉的加入，由于纳米硅粉内具有较多高活性物质以及羟基，在碱性环境下与水接触，会大量吸附钙离子，使得氢氧化钙晶体不易形成；此外，纳米硅粉与钙离子反应后，容易反应生成C-S-H凝胶，C-S-H凝胶具有“吸附效应”，进而细化氢氧化钙颗粒，使得氢氧化钙颗粒可以进入粘弹性凝胶以及C-S-H凝胶的表面，或者粘弹性凝胶以及C-S-H凝胶层之间，抑制了大颗粒氢氧化钙的形成，还有效抑制碱-骨料反应，促进水泥水化的反应，从而使得水泥强度增加，进而有助于保证混凝土的后期强度；此外，纳米硅粉的平均粒径较小，具有优异的填充效应，纳米硅粉可以填充到水泥的水化产物中，提高了混凝土的密实度，有助于提高抗冻性以及抗渗性。

较佳的，所述石选用7-18mm连续级配。

通过采用上述技术方案，在此级配范围内，可以在保证混凝土强度以及流动性的情况下，提高混凝土的密实度。

较佳的，所述絮凝剂为羧甲基纤维素。

通过采用上述技术方案，羧甲基纤维素是一种阴离子表面活性剂，并且其侧链较长，水泥颗粒接触的几率较大；同时，羧甲基纤维素的溶解速度较大，羧甲基纤维素可以与水泥水化产物发生络合反应，形成无定型化和物，提高抗分散性的程度较明显；但是羧甲基纤维素会延缓水泥水化，降低混凝土的早期强度，早强剂的加入恰好可以弥补其早期强度的损失，有效地提高了水下不分散混泥土的早期强度。

本发明的另一目的是提供一种水下不分散混凝土，使得混凝土自身具有在水下浇筑过程中可以直接与环境水接触，并且混凝土拌合物各组分具有较好的抗分散能力。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现：一种水下不分散混凝土的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将砂、石加入搅拌釜内预拌30s；

步骤2：将水泥、絮凝剂、三乙醇胺以及3/4的氯化钠加入新的

搅拌器内进行搅拌，混合均匀后倒入步骤1的拌合物内，并同时加入3/4的水以及纳米硅粉，搅拌1min；

步骤3：将脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、粉煤灰、以及剩余1/4的氯化钠混合均匀后加入到步骤2的拌合物内，搅拌30s。

通过采用上述技术方案，先将砂、石混合搅拌均匀后，再加入水泥、絮凝剂、三乙醇胺以及3/4的氯化钠，这样在水泥水化时，可以将砂和石均匀的包裹住，有助于提高混凝土的抗分散性，并且三乙醇胺以及3/4氯化钠的加入，有助于保证混凝土拌合物的抗分散性，并且提高混凝土的早期强度，在步骤2中水分加了总水量的3/4，有助于水泥的水化反应，并且保证混凝土拌合物的流动性，在此步中，加入纳米硅粉，可以充分与水泥水化的产物接触，有助于纳米硅粉发挥填充作用，提高混泥土的密实度，并且提高混凝土拌合物后期的强度；步骤3才将脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠加入步骤2的拌合物内，并配合氯化钠，进一步提高混凝土拌合物的粘聚性，由于此时粘聚性增加，与此同时加入粉煤灰，可以使得水泥分散，保证混凝土拌合物的流动性和密实性，通过上述步骤制造的水下不分散混凝土具有良好的抗分散性，并且保证了早期强度和后期强度，具有良好的流动性以及密实性。

综上所述，本发明具有以下有益效果：1、抗分散剂的加入，配合各个物料的配比，使得水下不分散混凝土具有良好的水下抗分散性能，同时，早强剂以及纳米硅粉的加入，提高了水下不分散混凝土的早期强度，保证了后期强度，此外，还提高了水下不分散混凝土的密实度，保证了流动性；2、早强剂的加入，还提高了体系的抗冻性，配合辅剂中的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，进一步提高了体系的粘聚性；3、利用本发明制备的水下不分散混凝土，抗分散性良好，密实度高，并具有优良的抗冻性。

具体实施方式

实施例1至实施例6：具体选料如下：水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级42.5，自唐山冀东三友公司购得；河北遵化河沙，细度模数2.6；河北唐山7-18mm连续级配碎石。

絮凝剂为羧甲基纤维素，选自任丘诚亿化工；早强剂包括氯化钠和三乙醇胺，其中三乙醇胺选自石家庄市海森化工有限公司，氯化钠选自北京庆凯华丰科技开发有限公司；辅剂包括脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠以及纳米硅粉，其中脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠选自郑州盛泰化工有限公司。

选用的纳米硅粉从市场购得，主要技术指标包括：比表面积为640±50，粒径为10±5nm，表面羟基48％。

表1：为实施例1至实施例6中水下不分散混凝土的各个组分用量，按重量份。

实施例1至实施例6的混凝土制备过程包括以下步骤：

步骤1：按表1称量各组分，将称量结束的砂、石加入搅拌釜内预拌30s；

步骤2：将水泥、絮凝剂、三乙醇胺以及3/4的氯化钠加入新的搅拌器内进行搅拌，混合均匀后倒入步骤1的拌合物内，并同时加入3/4的水以及纳米硅粉，搅拌1min；

步骤3：将脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、粉煤灰、以及剩余1/4的氯化钠混合均匀后加入到步骤3的拌合物内，搅拌30s。

制备结束后，需要对新拌水下不分散混凝土性能进行研究，水下不分散混凝土的评价指标主要包括抗分散性和流动性，优良的抗分散性可以保证水下不分散混凝土在水中浇筑时抵抗水的冲洗作用；良好的流动性则可以保证水下不分散混凝土在振捣不便的情况下达到自密实、自流平的效果。

其中新拌水下不分散混凝土的抗分散性指标包括：水泥流失量和PH值；本试验参照规范DL/T 5117―2000主要测试了新拌水下不分散混凝土的水泥流失量和混凝土溶液PH值，测试结果记录在表2中。

水下不分散混凝土流动性试验主要包括坍落度和扩展度试验、扩展度试验，本试验参照规范DL/T5117―2000测试了水下不分散混凝土的坍落度和扩展度来评定其流动性，测试结果记录在表2中。表2，新拌水下不分散混凝土的性能记录表。

从表2可以看出，实施例1至实施例6中各组新拌不分散混凝土的水泥流失量均满足规范DL/T 5117―2000中对水泥流失量要求小于1.5％的规定；PH值均满足规范DL/T5117―2000中对PH值要求小于12的规定，本发明中的水下不分散混泥土具有良好的分散性。

对于流动性：从表1中数据还可以看出，在0h时各组水下不分散混凝土的坍落度均能大于200mm，每组的扩展度能大于400mm，可以满足自流平、自密实效果。在0h至2h的时间内，各组水下不分散混凝土的坍落度和扩展度并未减小，无经时损失,具有良好的流动性，可以满足流动性的要求。

同时对水下不分散混泥土的力学性能进行测定，力学性能的测试包括试件的制备、试件的养护以及测定，具体步骤如下：

试件的制备：水下不分散混凝土的水下成型方法参照规范DL/T 5117―2000中有关规定进行，步骤如下：(1)将混凝土试模放置于水箱中，然后向水箱中加入自来水至水面没过试模顶面150mm；(2)将新拌合好的水下不分散混凝土从水面开始倾倒，使其自行落入水中试模，混凝土应超出试模表面，浇筑过程连续，单个试件的浇筑时间应控制在30～60s之间；(3)取出试模，静置5～10min，使水下不分散混凝土自流平、自密实；(4)用橡皮锤轻敲试模两个侧面，以促进排水，然后将试件表面抹平，将试模放回水中静置两天后拆模、编号。

在本试验中水下浇筑成型试件时在试模上倒置安放一坍落度筒，坍落度筒作为导管和漏斗，模仿实际工程中的导管法施工。在浇筑陆上成型的试件时，需把试模放置于空气中，其他步骤与水下成型试件的成型步骤相同，陆上试件浇筑成型后，用塑料薄膜覆盖表面防止混凝土的水分蒸发，然后将试件放置在(20±5)℃环境中静置两天后拆模、编号。

试件的养护：陆上和淡水中成型的试件在编号完毕后需放在(20±2)℃、95％以上湿度的标准养护室或不流动的(20±2)℃的饱和氢氧化钙溶液里养护；试件养护到测试龄期后，取出擦干进行相应的性能测试试验。

力学性能的测定：水下不分散混泥土的力学性能试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)中的规定进行，力学性能的试件选用100mmX100mmX100mm的试模成型立方体试块，分别测得陆地和水中混凝土在7天和28天时的强度，结果记录在表3中。

表3，实施例1至实施例6中水下不分散混凝土的7d以及28d时的强度记录表。

从表3可以看出，同一配合比的水下不分散混凝土在水中成型的试件强度低于在陆上成型的试件强度，但是水下强度和陆上强度均较高，并且7d的强度最大达到了26.89Mpa，水陆强度比达到了86％，总体处于77％-86％之间；28d时，水下强度和陆上强度也较高，并且水陆强度比均处于80％-90％之间，也说明了本发明中的水下不分散混凝土具有较好的抗分散性。

抗冻性能的测定：抗冻耐久性试验，在电脑测控混凝土快速冻融试验仪上进行，动弹性模量是指在动负荷作用下物体应力与应变的比值，可用动弹性模量仪测定。动弹性模量测试仪是一种非破损性测试仪器，即在不破坏被测试件的情况下，通过振动方式测量出该物体的共振频率，从而确定材料的质量情况。本次试验采用DT-12动弹性模量仪，用来测定不同冻融循环作用前后混凝土的动弹性模量。

本试验按照《水工混凝土试验规程》(DL/T5150-2001)中的快冻法进行，得出的数据记录在表4中。

表4，实施例1至实施例6中水下不分散混凝土抗冻耐久性试验结果：

在快冻法中，可以用耐久性系数DF作为评价混凝土抗冻性的指标，其计算公式如下，计算结果记录在表4中：

DF＝P*N/300

式中，DF--混凝土的耐久性系数；

N--冻融循环次数；

P--经N次冻融循环后的相对动弹性模量。

一般认为DF值小于0.4时混凝土的抗冻性不好；DF值为0.4～0.6时抗冻性尚可；DF值大于0.6时则认为抗冻性好，由表4中可以看出实施例1和实施例2的混凝土耐久性系数在0.4～0.6之间，抗冻性尚可；实施例3至实施例6的耐久性系数大于0.6，抗冻性好。

由表4可以看出，实施例1至实施例6中，水下不分散混凝土的耐久性系数均大于0.6，抗冻性良好，并且冻融循环次数达到了250次。

下面介绍的为本发明的对比例。对比例1至对比例4中，按照各自的配比，并均按实施例6中的方法制备水下不分散混凝土，然后测定新拌水下不分散混凝土的性能以及水下不分散混凝土7d和28d的水下和陆上强度，并进行记录。

对比例1：

表5，对比例1中水下不分散混凝土配料组成表：

表6:对比例1中水下不分散混凝土各项性能的数据记录表。

从表5和6可以看出，与实施例6相比，对比例1中未加入絮凝剂，相对于实施例6，新拌水下不分散混凝土的水泥流失率增幅较大，接近1.35％，pH也升至11.90，接近于12，抗分散性较差；耐久性系数有所降低，说明絮凝剂的加入不会降低于提高水下不分散混凝土的抗冻性，反而有助于提高抗冻性。

对比例2：

表7，对比例2中水下不分散混凝土配料组成表：

表8:对比例2中水下不分散混凝土各项性能的数据记录表。

从表7和表8可以看出，与实施例6不同的是，对比例5中未加入早强剂，水下不分散混凝土的抗分散性有所下降，7d时的水中强度下降较多，水陆强度比也有所下降；但是28d时的强度降低相对较小，水陆强度比下降也较小，说明早强剂对水下不分散混凝土的早期强度影响较大，但是对后期的强度影响较小；耐久性系数降低较多，说明早强剂的加入有助于提高水下不分散混凝土的抗冻性。

对比例3：

表9，对比例3中水下不分散混凝土配料组成表：

表10:对比例3中水下不分散混凝土各项性能的数据记录表。

从表9和表10可以看出，与实施例6不同的是，对比例3中未加入氯化钠以及脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，水下不分散混凝土的抗分散性降低较多，并且早期强度也降低较多，证明氯化钠以及脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠共同使用有利于水下不分散混凝土的早期强度以及抗分散性的提高；耐久性系数降低较多，说明氯化钠和脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的加入有助于提高水下不分散混凝土的抗冻性。

对比例4：

表11，对比例4中水下不分散混凝土配料组成表：

表12:对比例4中水下不分散混凝土各项性能的数据记录表。

从表11和表12可以看出，对比例4与实施例6不同的是，对比例4中未加入粉煤灰以及纳米矿粉，水下不分散混凝土的流动性较差，后期强度也下降较多，说明粉煤灰以及纳米硅粉有利于水下不分散混凝土流动性以及后期强度的提高；耐久性系数有所降低，但是降低的程度较低，说明纳米硅粉的加入会对抗冻性产生影响，但是影响的程度较小。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.一种水下不分散混凝土，其特征在于：按重量份数计，包括砂590-630份，石840-900份，水泥320-370份，粉煤灰30-45份，水130-170份，絮凝剂5-7份，早强剂15-22份，辅剂20-35份。

2.根据权利要求1所述的水下不分散混凝土，其特征在于：早强剂包括氯化钠和三乙醇胺，其中氯化钠11-15份，三乙醇胺4-7份。

3.根据权利要求2所述的水下不分散混凝土，其特征在于：辅剂包括脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠以及纳米硅粉，其中脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠10-20份，纳米硅粉10-15份。

4.根据权利要求3所述的水下不分散混凝土，其特征在于：所述石选用7-18mm连续级配。

5.根据权利要求4所述的水下不分散混凝土，其特征在于：所述絮凝剂为羧甲基纤维素。

6.一种制备权利要求5所述的水下不分散混凝土的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将砂、石加入搅拌釜内预拌30s；

步骤2：将水泥、絮凝剂、三乙醇胺以及3/4的氯化钠加入新的搅拌器内进行搅拌，混合均匀后倒入步骤1的拌合物内，并同时加入3/4的水以及纳米硅粉，搅拌1min；

步骤3：将脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、粉煤灰、以及剩余1/4的氯化钠混合均匀后加入到步骤2的拌合物内，搅拌30s。