CN108129077A - 一种适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土，其每方混凝土中原材料各组分及用量为：工业废渣：370~450kg/m3，激发剂：以Na2O的质量计，为工业废渣用量的4.5%~7.0%，粗骨料：1100~1400kg/m3，细骨料：550~700kg/m3。本发明利用激发剂激发工业废渣的胶凝活性，完全取代水泥，制备的混凝土预制桩具有高强、耐腐蚀等优异性能，工业废渣利用率达100%，解决了工业废渣资源化利用的问题；且工业废渣和激发剂来源广泛，成本低，经济效益好，同时还能显著降低CO2排放量，CO2排放量最高可降低73%左右，对保护环境及实现混凝土预制桩可持续发展具有显著的生态及社会效益。

Description

一种适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土
技术领域
本发明涉及一种适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土，属于建筑材料技术领域。
背景技术
水泥被誉为“建筑工业的粮食”，是全球消耗量最大的人造材料之一，传统的水泥基复合材料在国民经济中仍然发挥着不可取代的作用；而水泥工业排放的CO2是工业CO2排放的主要来源。因此，硅酸盐水泥工业的发展受到资源、能源短缺和环境污染的制约越来越严重，这使得生态友好型的绿色建筑材料的研发迫在眉睫。众所周知，以水泥为主要原材料的混凝土预制桩，是建筑基础工程中最常用的桩型，被广泛应用于各类建筑工程中。目前，我国不仅是混凝土预制桩的生产大国，也是使用大国，其生产工艺主要采用的是常压+高压蒸养两段式生产工艺。从我国现有的生产技术水平来看，混凝土预制桩仍属于一种高能耗的建筑产品，CO2排放量较高。以PHC管桩为例，据不完全统计，仅在其生产工艺中，CO2排放量高达104.5kg/每方混凝土，SO2排放量约0.54kg/每方混凝土。
从混凝土预制桩的生产工艺来看，其CO2排放来源主要有两个方面：(一)使用的原材料属高能耗产品，间接地增加了CO2排放量，如水泥；(二)桩的生产工艺中排放的CO2，如养护工艺需提供大量饱和蒸汽或高压，能耗大。因此，在现有的技术中，主要是通过掺加矿物掺合料(如磨细矿渣、粉煤灰、硅灰、偏高岭土以及电石渣等掺合料)降低水泥用量，或通过掺加外加剂(如早强型高效聚羧酸减水剂、引气剂等外加剂以及一些具有特殊要求的矿物外加剂)，部分取消或全部取消其两段式蒸养工艺，以此来降低生产能耗及CO2排放量。不可否认，这些免蒸压技术均取得良好的效果，但在这些技术在应用过程中，水泥仍然是主要原材料，使用量仍高达70％～85％，工业废渣利用率仅在15％～30％。因此，如何最大限度地降低水泥用量，提高工业废渣利用率，简化混凝土预制桩的生产工艺，降低生产能耗以及CO2，开发低碳型混凝土预制桩，不仅是混凝土预制桩向环保绿色建筑材料转型研究过程中重要目标，也是混凝土预制品行业可持续发展的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土，利用激发剂激发下工业废渣的胶凝活性，完全取代水泥，制备的混凝土预制桩，不仅具有高强、耐腐蚀等优异性能，还降低混凝土预制桩的生产能耗，同时还能解决工业废渣的资源化利用问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土，每方混凝土中原材料各组分及用量为：工业废渣：370～450kg/m3，激发剂：以Na2O的质量计，为工业废渣用量的4.5％～7.0％，粗骨料：1100～1400kg/m3，细骨料：550～700kg/m3。
前述的工业废渣为高炉矿渣，比表面积不低于350m2/kg，碱性系数M0＝0.8～1.2，玻璃体质量分数不低于70％。
前述的工业废渣的主要化学组分按质量份比计，由以下组分组成：SiO2：31～38，CaO：32～40，MgO：7～10，Al2O3：12～16。
前述的激发剂为硅酸钠溶液，主要化学组分为Na2O、SiO2和H2O，所述硅酸钠溶液中SiO2含量按质量计不低于24.0％，Na2O含量按质量计不低于8.0％，且SiO2与Na2O的摩尔比值为1.8～3.0。
前述的硅酸钠溶液中，主要化学组分H2O的总质量为混凝土中工业废渣用量的35％～50％。
前述的细骨料为天然硬质中粗砂或人工砂，细度模数为2.6～3.0。
前述的粗骨料由：5～10mm的小石和10～20mm的中石组成，所述小石和中石质量比为1:(2.5～5.0)。
前述的激发剂用量以Na2O的质量计，为工业废渣用量的4.8％～6.0％。
前述的硅酸钠溶液中，主要化学组分SiO2与Na2O的摩尔比值为2.2～2.8。
与现有相关技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)高效地利用工业废渣——高炉矿渣，在混凝土预制桩中利用矿渣的潜在胶凝活性，完全取代水泥，废渣利用率达到100％。这不仅解决产业上工业废渣的废物利用问题，同时还突破了工业废渣在混凝土预制桩中利用率较低的技术局限。
(2)采用本发明的无熟料混凝土制备混凝土预制桩不仅满足其生产以及使用要求，还具有较高的强度，而且后期强度还能持续发展，能确保预制桩长期的耐久性。同时桩身混凝土内部结构致密，孔隙溶液中pH值较高，胶凝材料与骨料界面粘结性较好，对氯离子也具有良好的结合能力，因而能有效阻止氯离子侵蚀，对混凝土内部钢筋提供更安全有效的保护，因此采用本发明的无熟料混凝土制备混凝土预制桩具有比水泥类混凝土更优异的耐腐蚀性。
(3)采用本发明的无熟料混凝土制备混凝土预制桩，其生产方式与常用的混凝土预制桩的基本一致，对生产设备以及生产工艺无其他特殊要求，无需对生产设备或生产工艺做额外的改动，可采用传统的两段式养护工艺，也可仅用常压蒸养的养护工艺生产混凝土预制桩。
(4)本发明的无熟料混凝土原材料来源广泛、成本低，而且也无需对原材料进行额外的特殊加工。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行更加详细的说明，所用的具体实施例是用于描述本发明，而不是限制本发明。
本发明的适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土，每方混凝土中原材料各组分及用量为：工业废渣：370～450kg/m3，激发剂：以Na2O的质量计，为工业废渣质量的4.5％～7.0％，粗骨料：1100～1400kg/m3，细骨料：550～700kg/m3。
作为本发明的适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土的优选，所述工业废渣为高炉矿渣，其主要化学组分按质量份比计，由以下组分组成：SiO2：31～38，CaO：32～40，MgO：7～10，Al2O3：12～16。
作为本发明的适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土的优选，所述工业废渣比表面积不低于350m2/kg，碱性系数M0＝0.8～1.2，玻璃体质量分数不低于70％。
作为本发明的适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土的优选，所述激发剂为硅酸钠溶液，硅酸钠溶液的主要化学成分为Na2O，SiO2和H2O。激发剂溶液中Na2O含量(按质量计)不低于8.0％，SiO2含量(按质量计)不低于24.0％，且SiO2与Na2O的摩尔比值为1.8～3.0，溶液中水的总质量为混凝土中工业废渣用量的35％～50％。
作为本发明的适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土的优选，所述细骨料为天然硬质中粗砂或人工砂，细度模数为2.6～3.0；所述粗骨料由：5～10mm的小石和10～20mm的中石组成，小石和中石的质量比为1:(2.5～5.0)。
作为进一步优选，激发剂用量以Na2O的质量计，为工业废渣用量的4.8％～6.0％。
作为进一步优选，硅酸钠溶液中，主要化学组分SiO2与Na2O的摩尔比值为2.2～2.8。
实施例1
本实施例中，适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土原材料为：工业废渣、激发剂、细骨料及粗骨料。
工业废渣为高炉矿渣，每方混凝土中用量为380kg/m3，其中高炉矿渣的比表面积为390～420m2/kg，碱性系数M0＝0.8～1.2，玻璃体质量分数不低于70％。工业废渣其主要化学组分按质量份比计，由以下组分组成：SiO2：31～38，CaO：32～40，MgO：7～10，Al2O3：12～16。
激发剂为硅酸钠，主要化学组成为Na2O、SiO2和H2O，激发剂在每方混凝土的用量(以溶液中Na2O的质量计)为工业废渣用量的5.3％；硅酸钠溶液中SiO2与Na2O的摩尔比值为2.6～2.8，SiO2含量按质量计不低于24.0％，Na2O含量按质量计不低于8.0％；硅酸钠溶液中主要化学组分H2O的总质量为混凝土中工业废渣用量的43％。
细骨料为细度模数为2.8的人工砂，在每方混凝土中用量为560kg/m3；粗骨料为5～10mm的小石和10～20mm的中石组成，在每方混凝土中用量为1350kg/m3，其中，小石与中石的质量比为1：3.5。
按上述混凝土原材料的用量称取原材料，并按现行的PHC管桩生产工艺成型和养护，即成型后静置1.5～3h后，带模先进行常压蒸汽养护，养护时间为4h(包括升、降温时间)，控制恒温温度为75～85℃；然后脱模，入高压釜，进行高压蒸汽养护，控制恒温温度为180℃～210℃，气压为10个大气压，养护时间为10h。
本实施例中，所得到新拌混凝土凝结时间为120min，坍落度为60mm，完全满足PHC管桩的生产工艺要求；混凝土在常压蒸汽养护后脱模强度为76.39MPa，高压蒸汽养护后混凝土强度为89.3MPa，混凝土进行高压养护后，再自然环境下养护5天后，其混凝土强度为99.8MPa。
本实施例中，所得到适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土的pH值为12.5～12.6，氢氧根浓度为0.030～0.035mol/L，而同等条件下成型的水泥C80PHC管桩混凝土对比样的混凝土pH值为12.1～12.2，氢氧根浓度为0.013～0.016mol/L，因此，与水泥管桩混凝土的对比样相比，无熟料高强预制桩的混凝土中氢氧根浓度是管桩混凝土的2倍，因而具有对防止内部钢筋锈蚀更加有利的碱性环境。
实施例2
本实施例中，适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土原材料为：工业废渣、激发剂溶、细骨料及粗骨料。
工业废渣为高炉矿渣，每方混凝土中用量为390kg/m3，其中高炉矿渣的比表面积为390～420m2/kg，碱性系数M0＝0.8～1.2，玻璃体质量分数不低于70％。工业废渣其主要化学组分按质量份比计，由以下组分组成：SiO2：31～38，CaO：32～40，MgO：7～10，Al2O3：12～16。
激发剂为硅酸钠溶液，主要化学组成为Na2O、SiO2和H2O，激发剂在每方混凝土的用量(以溶液中Na2O的质量计)为工业废渣用量的5.5％；硅酸钠溶液中SiO2与Na2O的摩尔比值为2.4～2.6，SiO2含量按质量计不低于24.0％，Na2O含量按质量计不低于8.0％；硅酸钠溶液中主要化学组分H2O的总质量为混凝土中工业废渣用量的44％。
细骨料为细度模数为2.8的人工砂，每方混凝土中用量为680kg/m3；粗骨料为5～10mm的小石和10～20mm的中石组成，每方混凝土中用量为1300kg/m3，其中，小石与中石的质量比为1：3。
按上述混凝土原材料的用量称取原材料，并按常规混凝土的工艺搅拌成型，成型后静置24h后，脱模后送入高压釜，进行高压蒸汽养护，控制恒温温度为180℃～210℃，气压为10个大气压，养护时间为10h。
将本实施例的混凝土埋置钢筋，并通过外加电压加速腐蚀法对钢筋锈蚀性能进行测试，同时与水泥类C80PHC混凝土进行对比，试验结果见表1，结果表明：采用本发明的无熟料混凝土在42d测试龄期内，混凝土中钢筋失重率最低，具有优秀的钢筋耐腐蚀性能。
表1不同混凝土中钢筋锈蚀试验结果
实施例3
本实施例中，适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土原材料为：工业废渣、激发剂、细骨料及粗骨料。
工业废渣为高炉矿渣，每方混凝土中用量为430kg/m3，其中高炉矿渣的比表面积为390～420m2/kg，碱性系数M0＝0.8～1.2，玻璃体质量分数不低于70％。工业废渣其主要化学组分按质量份比计，由以下组分组成：SiO2：31～38，CaO：32～40，MgO：7～10，Al2O3：12～16。
激发剂为硅酸钠溶液，主要化学组成为Na2O、SiO2和H2O，激发剂在每方混凝土的用量(以溶液中Na2O的质量计)为工业废渣用量的5.0％；硅酸钠溶液中SiO2与Na2O的摩尔比值为2.5～2.7，SiO2含量按质量计不低于24.0％，Na2O含量按质量计不低于8.0％；硅酸钠溶液中主要化学组分H2O的总质量为混凝土中工业废渣用量的40％。
细骨料为细度模数为2.8的人工砂，每方混凝土中用量为680kg/m3；粗骨料为5～10mm的小石和10～20mm的中石组成，每方混凝土中用量为1300kg/m3，其中，小石与中石的质量比为1：3.5。
按上述混凝土原材料的用量称取原材料，并按常规混凝土的工艺搅拌成型，成型后静置30min后，带模先进行低温常压蒸汽养护，养护时间为1～3h(包括升、降温时间)，控制恒温温度为40～55℃；然后进行高温常压蒸汽养护，养护时间4～10h(包括升、降温时间)，控制恒温温度为80～90℃。
本实施例中，所得到新拌混凝土凝结时间为100min，坍落度为45mm；混凝土在养护结束后脱模强度为75～80MPa，1d龄期混凝土强度为82～95MPa，7d龄期混凝土抗压强度为84～99MPa。
表2是根据现有一些数据资料，初步统计出的采用本发明的无熟料混凝土制备PHC管桩与现下传统工艺生产的PHC管桩，在各自生产过程中每立方混凝土的CO2排放量。传统工艺生产PHC管桩的CO2排放量约为296.3～537.6kg/每m3混凝土；而采用本发明的无熟料混凝土制备PHC管桩的CO2排放量约为150～234.6kg/每m3混凝土，CO2排放量的降低率高达73％左右。
表2传统工艺的PHC管桩与本发明的无熟料混凝土制备管桩在生产过程中CO2排放量
(单位：每m3混凝土)
因此，采用本发明额无熟料混凝土制备混凝土预制桩不仅具有高强、耐腐蚀等优异性能，还显著地降低了现有生产工艺能耗及CO2排放量，促进工业废渣的资源化利用，具有较好的经济、环保效益，同时对促进混凝土预制桩向环保绿色建材方向转型具有重大意义。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明。应当指出的是，本领域的技术人员在不脱离本发明原理的情况下，还可进行若干改动和变型，这也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土，其特征在于：每方混凝土中原材料各组分及用量为：工业废渣：370~450kg/m3，激发剂：以Na2O的质量计，为工业废渣用量的4.5%~7.0%，粗骨料：1100~1400 kg/m3，细骨料：550~700kg/m3。
2.根据权利要求1所述一种适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土，其特征在于：所述工业废渣为高炉矿渣，比表面积不低于350 m2/kg，碱性系数M0=0.8~1.2，玻璃体质量分数不低于70%。
3.根据权利要求2所述一种适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土，其特征在于：所述工业废渣的主要化学组分按质量份比计，由以下组分组成：SiO2：31~38，CaO：32~40，MgO：7~10，Al2O3：12~16。
4.根据权利要求1所述一种适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土，其特征在于：所述激发剂为硅酸钠溶液，主要化学组分为Na2O、SiO2和H2O，所述硅酸钠溶液中SiO2含量按质量计不低于24.0%，Na2O含量按质量计不低于8.0%，且SiO2与Na2O的摩尔比值为1.8~3.0。
5.根据权利要求4所述一种适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土，其特征在于：所述硅酸钠溶液中，主要化学组分H2O的总质量为混凝土中工业废渣用量的35%~50%。
6.根据权利要求1所述一种适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土，其特征在于：所述细骨料为天然硬质中粗砂或人工砂，细度模数为2.6~3.0。
7.根据权利要求1所述一种适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土，其特征在于：所述粗骨料由：5～10mm的小石和10～20mm 的中石组成，所述小石和中石质量比为1:（2.5~5.0）。
8.根据权利要求1所述一种适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土，其特征在于：所述激发剂用量以Na2O的质量计，为工业废渣用量的4.8%~6.0%。
9.根据权利要求4所述一种适用于混凝土预制桩的无熟料混凝土，其特征在于：所述硅酸钠溶液中，主要化学组分SiO2与Na2O的摩尔比值为2.2~2.8。
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