CN108218350A - 高强度珊瑚骨料混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高强度珊瑚骨料混凝土，包括按重量份计的如下配料：低热海工硅酸盐水泥260‑350份、粉煤灰漂珠35‑50份、矿粉35‑50份、硅灰8‑16份、偏高岭土8‑16份、纳米二氧化硅2‑6份、聚合氯化铝2‑6份、珊瑚礁砂550‑679份、珊瑚礁石890‑1000份和海水180‑256份。本发明降低远海工程施工成本，也符合土木工程绿色化、环保化、节能化的需求。

Description

高强度珊瑚骨料混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土领域。更具体地说，本发明涉及一种高强度珊瑚骨料混凝土。
背景技术
远海工程建设多远离大陆，物资、淡水资源匮乏，若使用传统的建筑材料进行远海工程施工，不仅存在着海上运输任务艰巨、运输成本过高的问题，而且传统的建筑材料在海洋气候环境下耐久性差、服役寿命短，严重制约了人类对远海的大规模建设、管理和资源开发。因此，远海工程建设可考虑充分利用远海工程周边的原材料来进行工程建设，例如可以利用珊瑚礁石、珊瑚礁砂分别作为粗、细骨料来制备无配筋的海工素混凝土结构，如护岸、防浪堤等，不仅可以摆脱远距离海上运输的制约，而且能够大幅度节省工程造价。
现有的珊瑚骨料混凝土制备方法，以珊瑚礁石、珊瑚礁砂作为粗、细骨料，海水作为拌和用水，水泥作为胶凝材料。但该珊瑚骨料混凝土由于珊瑚骨料疏通多孔、筒压强度低、吸水率大，所以强度低且无法泵送，制约了珊瑚骨料的大规模利用。
发明内容
本发明的目的是提供高强度珊瑚骨料混凝土及其制备方法，不仅降低远海工程施工成本，也符合土木工程绿色化、环保化、节能化的需求。本发明从降低生产成本、提高混凝土强度和耐久性的角度出发，并通过对常规工艺微小的改进，解决珊瑚骨料混凝土无法泵送的技术问题。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了高强度珊瑚骨料混凝土，包括按重量份计的如下配料：低热海工硅酸盐水泥260-350份、粉煤灰漂珠35-50份、矿粉35-50 份、硅灰8-16份、偏高岭土8-16份、纳米二氧化硅2-6份、聚合氯化铝2-6份、珊瑚礁砂550-679份、珊瑚礁石890-1000份和海水180-256份。
优选的是，还包括：1-8份的聚羧酸系高性能减水剂。
优选的是，所述珊瑚礁石为粒径5-20mm的天然原状或经破碎的珊瑚礁石；所述珊瑚礁砂为粒径4.75mm以下的天然原状珊瑚礁砂。
优选的是，所述纳米二氧化硅的SiO2含量大于99.8％，比表面积大于160000m2/kg。
优选的是，所述聚合氯化铝的比表面积大于180m2/kg。
优选的是，所述硅灰的SiO2含量大于92％，比表面积大于15000m2/kg；
所述矿粉的Al2O3含量大于18％，比表面积大于300m2/kg。
优选的是，所述高强度珊瑚骨料混凝土的制备方法为：
步骤一、在室温20±3℃条件下，将珊瑚礁石、珊瑚礁砂与1/10质量的海水进行50-70s 的预湿处理，得到A组分；
步骤二、将低热海工硅酸盐水泥、粉煤灰漂珠、矿粉、硅灰、偏高岭土、纳米二氧化硅、聚合氯化铝进行预混合，得到B组分；
步骤三、先将A组分置于混凝土搅拌机中拌合30s，再将B组分加入，拌合60s，最后将剩余的海水加入，拌合3～5min，即得高强度珊瑚骨料混凝土。
优选的是，剩余海水在加入混凝土搅拌机前和1-8份的聚羧酸系高性能减水剂进行了混合。
优选的是，所述珊瑚礁砂和珊瑚礁石预湿处理后，将预湿处理后的珊瑚礁砂、珊瑚礁石和助剂拌和充分，加入反应釜中并密闭，对反应釜中的物料进行逐渐加热，至温度为100-110℃后持续30min，停止加热，之后向反应釜中加入干冰，40min后将反应釜降至常压。
优选的是，所述助剂的制备方法为：
步骤一、按重量份计，将牛粪1-3份、甘油0.5-0.8份、姜油树脂0.2-0.5份、硅树脂聚醚乳液1-3份、马铃薯改性淀粉1-3份混合；
步骤二、将步骤一中的混合物加入到乙醇水溶液中，并加热至65℃，搅拌20min；
步骤三、将步骤二中搅拌完成后的液体进行过滤，烘干、研磨成粒径小于0.2mm的颗粒，即得所述助剂。
本发明至少包括以下有益效果：
1)水泥采用低热海工硅酸盐水泥，目的在于降低混凝土的水化温升，从而减少或避免温度裂缝。
2)使用矿粉的目的在于：矿粉是一种具有潜在水硬性的矿物掺合料，矿粉的加入可以显著改善珊瑚骨料混凝土的工作性和微观结构，提高力学性能和抗渗、抗侵蚀能力，降低水化热。
3)使用纳米二氧化硅的目的在于：纳米二氧化硅这种粒径更小的球体可以很好的填充于偏高岭土和硅灰颗粒之间，与偏高岭土和硅灰形成更好的颗粒级配。此外，纳米二氧化硅的表面性能更高，易与水泥石及珊瑚骨料界面过渡区的Ca(OH)2结合，加速生成更为致密、含更多微细孔且表面积巨大的C-S-H凝胶，大大增加了凝胶直间的接触面积，从而大大增强了混凝土的强度。
此外，纳米二氧化硅还有物理吸附固盐作用，其特殊的网状结构，能在胶凝材料体系原有的C-S-H凝胶网络层叠状结构的基础上附加建立一个新联络性Si-O网络，由此产生三维凝胶网络结构，体系表面积巨大吸附作用增强，可大大的提高胶凝材料体系对Na+、 K+,Ca2+、Mg2+等海盐阳离子的物理吸附，从而对其进行物理固定，防止其溶出而造成混凝土表面返碱爆皮剥落。
4)使用聚合氯化铝的目的在于：聚合氯化铝为工业水处理剂聚合铝，掺入聚合氯化铝后，Ca(OH)2的消耗速率增加，溶解于孔溶液中的Ca(OH)2与矿粉的反应程度提高，生成更多的水化产物。此外，聚合氯化铝中的Al3+会进入C-S-H凝胶链间，取代C-S-H凝胶中的Si，参与C-S-H凝胶的形成过程，水化产物Ca/(Si+Al)比降低，界面处胶凝材料的水化程度提高，水化产物的量增多，填充了界面空隙，使粘结界面更密实。
5)采用珊瑚骨料的目的在于：通过珊瑚骨料多孔预吸水+返水的内养护减缩特性来提高海水珊瑚骨料混凝土的强度并克服其长斯强度倒缩问题。
6)珊瑚礁砂和珊瑚礁石预湿处理后，在反应釜中海水在100-110℃形成水蒸气，水蒸气充分充满珊瑚礁砂和珊瑚礁石的孔隙中，当干冰加入后，干冰吸热，变成二氧化碳气体在气流的快速运动下带着助剂分散到水珊瑚礁砂和珊瑚礁石的孔隙中，另外，由于蒸气放热，最终海水也均匀分散至珊瑚礁砂和珊瑚礁石的孔隙中。
本发明主要用于解决远海工程建设过程中物资、淡水资源匮乏，若使用传统的建筑材料进行远海工程施工，不仅存在着海上运输任务艰巨、运输成本过高的问题，而且传统的建筑材料在海洋气候环境下耐久性差、服役寿命短，严重制约了人类对远海的大规模建设、管理和资源开发的问题。本发明提供了一种高强度珊瑚骨料混凝土的制备方法，不仅降低远海工程施工成本，也符合土木工程绿色化、环保化、节能化的需求。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1(没有加聚羧酸系高性能减水剂)
高强度珊瑚骨料混凝土，由以下重量份计的原料制成：低热海工硅酸盐水泥302份、粉煤灰漂珠42份、矿粉42份、硅灰13份、偏高岭土13份、纳米二氧化硅4份、聚合氯化铝4份、珊瑚礁砂625份、珊瑚礁石940份、海水218份。
制备方法为：
步骤一、在室温22℃条件下，将珊瑚礁石、珊瑚礁砂与1/10质量的海水进行60s的预湿处理，得到A组分；
步骤二、将低热海工硅酸盐水泥、粉煤灰漂珠、矿粉、硅灰、偏高岭土、纳米二氧化硅、聚合氯化铝进行预混合，得到B组分；
步骤三、先将A组分置于混凝土搅拌机中拌合30s，再将B组分加入，拌合60s，最后将剩余的海水加入，拌合4min，即得高强度珊瑚骨料混凝土。
实施例1采用预湿处理，克服了海水和珊瑚骨料拌和时流动性差的问题，坍落度170mm，泵送高度达到60m以上时，依然能够实现泵送施工。
对比例1
珊瑚骨料混凝土，由以下重量份计的原料制成：低热海工硅酸盐水泥302份、粉煤灰漂珠42份、矿粉42份、硅灰13份、偏高岭土13份、纳米二氧化硅4份、聚合氯化铝4 份、珊瑚礁砂625份、珊瑚礁石940份、海水218份。
制备方法为：
步骤一、在室温22℃条件下，将珊瑚礁石、珊瑚礁砂混合，得到A组分；
步骤二、将低热海工硅酸盐水泥、粉煤灰漂珠、矿粉、硅灰、偏高岭土、纳米二氧化硅、聚合氯化铝进行预混合，得到B组分；
步骤三、先将A组分置于混凝土搅拌机中拌合30s，再将B组分加入，拌合60s，将全部的海水加入，拌合4min，即得珊瑚骨料混凝土。
对比例1没有采用预湿处理，制备的珊瑚骨料混凝土流动性差，坍落度155mm，在泵送高度高于60m时，无法实现泵送施工。
实施例2
高强度珊瑚骨料混凝土，由以下重量份计的原料制成：低热海工硅酸盐水泥302份、粉煤灰漂珠42份、矿粉42份、硅灰13份、偏高岭土13份、纳米二氧化硅4份、聚合氯化铝4份、珊瑚礁砂625份、珊瑚礁石940份、海水218份和聚羧酸系高性能减水剂8份。
其中，
所述珊瑚礁石为粒径5-20mm的天然原状或经破碎的珊瑚礁石；所述珊瑚礁砂为粒径 4.75mm以下的天然原状珊瑚礁砂。
所述纳米二氧化硅的SiO2含量大于99.8％，比表面积大于160000m2/kg。
所述聚合氯化铝的比表面积大于180m2/kg。
所述硅灰的SiO2含量大于92％，比表面积大于15000m2/kg。
所述矿粉的Al2O3含量大于18％，比表面积大于300m2/kg。
所述低热海工硅酸盐水泥为强度不低于42.5级的低热海工硅酸盐水泥。
所述粉煤灰漂珠的平均粒径为1-5μm，比表面积在3000-3600m2/kg。
所述偏高岭土是由高岭土在600～900℃煅烧而来，Al2O3含量大于43％，比表面积大于120002/kg。
高强度珊瑚骨料混凝土的制备方法为：
步骤一、在室温22℃条件下，将珊瑚礁石、珊瑚礁砂与1/10质量的海水进行60s的预湿处理，得到A组分。预湿处理是将珊瑚礁石、珊瑚礁砂、海水在1min内充分拌和。
步骤二、将低热海工硅酸盐水泥、粉煤灰漂珠、矿粉、硅灰、偏高岭土、纳米二氧化硅、聚合氯化铝进行预混合，得到B组分。
步骤三、将8份的聚羧酸系高性能减水剂和剩余海水混合，得到C组分。
步骤四、先将A组分置于混凝土搅拌机中拌合30s，再将B组分加入，拌合60s，最后将C组分加入，拌合4min，即得高强度珊瑚骨料混凝土。
实施例2制备的高强度珊瑚骨料混凝土在90天后(进入干燥季节)表面没有出现返碱爆皮剥落的问题。
对比例2(没有加纳米二氧化硅)
珊瑚骨料混凝土，由以下重量份计的原料制成：低热海工硅酸盐水泥306份(保证胶材用量一致，不加纳米二氧化硅的时候，水泥多用4份)、粉煤灰漂珠42份、矿粉42份、硅灰13份、偏高岭土13份、聚合氯化铝4份、珊瑚礁砂625份、珊瑚礁石940份、海水 218份和聚羧酸系高性能减水剂8份。
其中，
所述珊瑚礁石为粒径5-20mm的天然原状或经破碎的珊瑚礁石；所述珊瑚礁砂为粒径 4.75mm以下的天然原状珊瑚礁砂。
所述聚合氯化铝的比表面积大于180m2/kg。
所述硅灰的SiO2含量大于92％，比表面积大于15000m2/kg。
所述矿粉的Al2O3含量大于18％，比表面积大于300m2/kg。
所述低热海工硅酸盐水泥为强度不低于42.5级的低热海工硅酸盐水泥。
所述粉煤灰漂珠的平均粒径为1-5μm，比表面积在3000-3600m2/kg。
所述偏高岭土是由高岭土在600～900℃煅烧而来，Al2O3含量大于43％，比表面积大于120002/kg。
高强度珊瑚骨料混凝土的制备方法为：
步骤一、在室温22℃条件下，将珊瑚礁石、珊瑚礁砂与1/10质量的海水进行60s的预湿处理，得到A组分。预湿处理是将珊瑚礁石、珊瑚礁砂、海水在1min内充分拌和。
步骤二、将低热海工硅酸盐水泥、粉煤灰漂珠、矿粉、硅灰、偏高岭土、聚合氯化铝进行预混合，得到B组分。
步骤三、将8份的聚羧酸系高性能减水剂和剩余海水混合，得到C组分。
步骤四、先将A组分置于混凝土搅拌机中拌合30s，再将B组分加入，拌合60s，最后将C组分加入，拌合4min，即得珊瑚骨料混凝土。
采用对比例2制备的珊瑚骨料混凝土在90天后(进入干燥季节)，出现了混凝土表面返碱爆皮剥落的问题。
实施例3
高强度珊瑚骨料混凝土，由以下重量份计的原料制成：低热海工硅酸盐水泥302份、粉煤灰漂珠42份、矿粉42份、硅灰13份、偏高岭土13份、纳米二氧化硅4份、聚合氯化铝4份、珊瑚礁砂625份、珊瑚礁石940份、海水218份和聚羧酸系高性能减水剂2份。
其中，
所述珊瑚礁石为粒径5-20mm的天然原状或经破碎的珊瑚礁石；所述珊瑚礁砂为粒径 4.75mm以下的天然原状珊瑚礁砂。
所述纳米二氧化硅的SiO2含量大于99.8％，比表面积大于160000m2/kg。
所述聚合氯化铝的比表面积大于180m2/kg。
所述硅灰的SiO2含量大于92％，比表面积大于15000m2/kg。
所述矿粉的Al2O3含量大于18％，比表面积大于300m2/kg。
所述低热海工硅酸盐水泥为强度不低于42.5级的低热海工硅酸盐水泥。
所述粉煤灰漂珠的平均粒径为1-5μm，比表面积在3000-3600m2/kg。
所述偏高岭土是由高岭土在600～900℃煅烧而来，Al2O3含量大于43％，比表面积大于120002/kg。
高强度珊瑚骨料混凝土的制备方法为：
步骤一、在室温22℃条件下，将珊瑚礁石、珊瑚礁砂与1/10质量的海水进行60s的预湿处理，将预湿处理后的珊瑚礁砂、珊瑚礁石和助剂拌和充分，加入反应釜中并密闭，对反应釜中的物料进行逐渐加热，至温度为110℃后持续30min，停止加热，之后向反应釜中加入干冰，40min后将反应釜降至常压，得到A组分。
步骤二、将低热海工硅酸盐水泥、粉煤灰漂珠、矿粉、硅灰、偏高岭土、纳米二氧化硅、聚合氯化铝进行预混合，得到B组分。
步骤三、将2份的聚羧酸系高性能减水剂和剩余海水混合，得到C组分。
步骤四、先将A组分置于混凝土搅拌机中拌合30s，再将B组分加入，拌合60s，最后将C组分加入，拌合4min，即得高强度珊瑚骨料混凝土。
实施例4
高强度珊瑚骨料混凝土，由以下重量份计的原料制成：低热海工硅酸盐水泥302份、粉煤灰漂珠42份、矿粉42份、硅灰13份、偏高岭土13份、纳米二氧化硅4份、聚合氯化铝4份、珊瑚礁砂625份、珊瑚礁石940份、海水218份和聚羧酸系高性能减水剂2份。
其中，
所述珊瑚礁石为粒径5-20mm的天然原状或经破碎的珊瑚礁石；所述珊瑚礁砂为粒径 4.75mm以下的天然原状珊瑚礁砂。
所述纳米二氧化硅的SiO2含量大于99.8％，比表面积大于160000m2/kg。
所述聚合氯化铝的比表面积大于180m2/kg。
所述硅灰的SiO2含量大于92％，比表面积大于15000m2/kg。
所述矿粉的Al2O3含量大于18％，比表面积大于300m2/kg。
所述低热海工硅酸盐水泥为强度不低于42.5级的低热海工硅酸盐水泥。
所述粉煤灰漂珠的平均粒径为1-5μm，比表面积在3000-3600m2/kg。
所述偏高岭土是由高岭土在600～900℃煅烧而来，Al2O3含量大于43％，比表面积大于120002/kg。
高强度珊瑚骨料混凝土的制备方法为：
步骤一、在室温22℃条件下，将珊瑚礁石、珊瑚礁砂与1/10质量的海水进行60S的预湿处理，将预湿处理后的珊瑚礁砂、珊瑚礁石和助剂拌和充分，加入反应釜中并密闭，对反应釜中的物料进行逐渐加热，至温度为110℃后持续30min，停止加热，之后向反应釜中加入干冰，40min后将反应釜降至常压，得到A组分。
其中，所述助剂的制备方法为：
a、按重量份计，将牛粪1-3份、甘油0.5-0.8份、姜油树脂0.2-0.5份、硅树脂聚醚乳液1-3份、马铃薯改性淀粉1-3份混合；
b、将步骤一中的混合物加入到乙醇水溶液中，并加热至65℃，搅拌20min；
c、将步骤二中搅拌完成后的液体进行过滤，烘干、研磨成粒径小于0.2mm的颗粒，即得所述助剂。
步骤二、将低热海工硅酸盐水泥、粉煤灰漂珠、矿粉、硅灰、偏高岭土、纳米二氧化硅、聚合氯化铝进行预混合，得到B组分。
步骤三、将2份的聚羧酸系高性能减水剂和剩余海水混合，得到C组分。
步骤四、先将A组分置于混凝土搅拌机中拌合30s，再将B组分加入，拌合60s，最后将C组分加入，拌合4min，即得高强度珊瑚骨料混凝土。
对比例3
珊瑚骨料混凝土，包括按重量计份的如下配料：低热海工硅酸盐水泥420份、珊瑚礁砂625份、珊瑚礁石940份、海水218份和聚羧酸系高性能减水剂8份。
对比例4
珊瑚骨料混凝土，由以下重量份计的原料制成：低热海工硅酸盐水泥310份(无氯化铝和纳米二氧化硅时，水泥多用8份，保证胶材用量一致)、粉煤灰漂珠42份、矿粉42 份、硅灰13份、偏高岭土13份、珊瑚礁砂625份、珊瑚礁石940份、海水218份和聚羧酸系高性能减水剂8份。
表1珊瑚骨料混凝土的检测结果
通过上述实验记录可知，实施例1相较于对比例1而言，采用预湿处理后，混凝土的流动性大大提高，在不加减水剂的前提下即可实现60m以上的泵送，解决了以珊瑚骨料为骨料制备的混凝土的大规模利用。
通过对比例4和实施例1～4的数据可知，高强度珊瑚骨料混凝土加入少量聚合氯化铝可以填充了界面空隙，使粘结界面更密实，从而提高了混凝土的强度和耐久性。
通过实施例2和对比例2中数据的比较可知，纳米二氧化硅的加入可以解决海盐阳离子溶出，造成混凝土表面返碱爆皮剥落的问题，纳米SiO2能够物理吸附固盐。
通过实施例3可知，将预湿处理后的珊瑚礁砂、珊瑚礁石和助剂拌和充分后，在反应釜中结合干冰进行处理，能够延长混凝土的初凝时间。
通过实施例4可知，采用本申请的助剂能够提高混凝土的耐久性，其电通量远低于常规混凝土的电通量。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (10)

1.高强度珊瑚骨料混凝土，其特征在于，包括按重量份计的如下配料：低热海工硅酸盐水泥260-350份、粉煤灰漂珠35-50份、矿粉35-50份、硅灰8-16份、偏高岭土8-16份、纳米二氧化硅2-6份、聚合氯化铝2-6份、珊瑚礁砂550-679份、珊瑚礁石890-1000份和海水180-256份。
2.如权利要求1所述的高强度珊瑚骨料混凝土，其特征在于，还包括：1-8份的聚羧酸系高性能减水剂。
3.如权利要求1所述的高强度珊瑚骨料混凝土，其特征在于，所述珊瑚礁石为粒径5-20mm的天然原状或经破碎的珊瑚礁石；所述珊瑚礁砂为粒径4.75mm以下的天然原状珊瑚礁砂。
4.如权利要求1所述的高强度珊瑚骨料混凝土，其特征在于，所述纳米二氧化硅的SiO2含量大于99.8％，比表面积大于160000m2/kg。
5.如权利要求1所述的高强度珊瑚骨料混凝土，其特征在于，所述聚合氯化铝的比表面积大于180m2/kg。
6.如权利要求1所述的高强度珊瑚骨料混凝土，其特征在于，所述硅灰的SiO2含量大于92％，比表面积大于15000m2/kg；
所述矿粉的Al2O3含量大于18％，比表面积大于300m2/kg。
7.如权利要求1所述的高强度珊瑚骨料混凝土，其特征在于，所述高强度珊瑚骨料混凝土的制备方法为：
步骤一、在室温20±3℃条件下，将珊瑚礁石、珊瑚礁砂与1/10质量的海水进行50-70s的预湿处理，得到A组分；
步骤二、将低热海工硅酸盐水泥、粉煤灰漂珠、矿粉、硅灰、偏高岭土、纳米二氧化硅、聚合氯化铝进行预混合，得到B组分；
步骤三、先将A组分置于混凝土搅拌机中拌合30s，再将B组分加入，拌合60s，最后将剩余的海水加入，拌合3～5min，即得高强度珊瑚骨料混凝土。
8.如权利要求7所述的高强度珊瑚骨料混凝土，其特征在于，剩余海水在加入混凝土搅拌机前和1-8份的聚羧酸系高性能减水剂进行了混合。
9.如权利要求1所述的高强度珊瑚骨料混凝土，其特征在于，所述珊瑚礁砂和珊瑚礁石预湿处理后，将预湿处理后的珊瑚礁砂、珊瑚礁石和助剂拌和充分，加入反应釜中并密闭，对反应釜中的物料进行逐渐加热，至温度为100-110℃后持续30min，停止加热，之后向反应釜中加入干冰，40min后将反应釜降至常压。
10.如权利要求9所述的高强度珊瑚骨料混凝土，其特征在于，所述助剂的制备方法为：
步骤一、按重量份计，将牛粪1-3份、甘油0.5-0.8份、姜油树脂0.2-0.5份、硅树脂聚醚乳液1-3份、马铃薯改性淀粉1-3份混合；
步骤二、将步骤一中的混合物加入到乙醇水溶液中，并加热至65℃，搅拌20min；
步骤三、将步骤二中搅拌完成后的液体进行过滤，烘干、研磨成粒径小于0.2mm的颗粒，即得所述助剂。
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