CN109553355A - 一种c40p12地铁混凝土及其制备方法 - Google Patents

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CN109553355A CN201811606526.9A CN201811606526A CN109553355A CN 109553355 A CN109553355 A CN 109553355A CN 201811606526 A CN201811606526 A CN 201811606526A CN 109553355 A CN109553355 A CN 109553355A
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    • C04B2201/00Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values
    • C04B2201/50Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for the mechanical strength

Abstract

本发明属于混凝土领域,具体公开了一种C40P12地铁混凝土及其制备方法,该混凝土由以下材料组成:水泥184‑240份、矿粉25‑35份、粉煤灰20‑30份、固硫灰35‑55份、硅灰15‑25份、电石渣6‑12份、粗骨料1000‑1200份、细骨料530‑730份、轻质细骨料50‑100份、纤维2‑4份、乳胶粉0.6‑1.2份、膨胀剂5‑15份、减水剂1‑2份、水145‑165份,以重量份数计。本发明中以固硫灰、电石渣作地铁混凝土的部分掺合料,以高钛矿渣作地铁混凝土的轻质细骨料,制备出的混凝土具有良好的塌落度、扩展度,28d抗压强度均大于40MPa,抗渗等级均达P12,这有利于克服矿粉、粉煤灰、硅灰等传统水泥掺合料资源日益短缺及固硫灰、电石渣、高钛矿渣等工业固废资源化途径有限、利用率低的问题,同时有利于改善地铁混凝土耐久性。

Description

一种C40P12地铁混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于混凝土领域,具体公开一种C40P12地铁混凝土及其制备方法。
背景技术
地铁工程要求服役寿命不低于100年,地铁工程的耐久性问题一直是一个备受关注的重大工程问题。地铁混凝土是影响地铁工程寿命的关键因素,可以说,地铁混凝土的耐久性直接决定了地铁工程的寿命。地铁混凝土服役于地下空间,其耐久性受碱集料反应、氯离子腐蚀、硫酸盐腐蚀、碳化作用、冻融循环、杂散电流以及外力荷载等因素的影响,改善地铁混凝土的耐久性是一个值得持续关注和研究的课题。
地铁工程是一个复杂的系统,由多个不同的结构部位构成,地铁混凝土作为主体材料,被广泛应用于其各个结构部位中。在地铁工程的设计过程中,基于地下水文环境、应用场景、自然灾害冲击、使用寿命等的考虑,对地铁工程不同结构部位的材料性能提出了不同的要求。就地铁混凝土而言,主要对应用于地铁工程不同结构部位的地铁混凝土的强度等级和抗渗等级提出了差异化要求。C40P12地铁混凝土,常应用于对混凝土强度等级要求一般、抗渗等级要求很高的结构部位。
目前,在地铁混凝土的制备技术中,常常将矿粉、粉煤灰、硅灰等工业固废作为水泥掺合料,与普通硅酸盐水泥按一定比例复配后作为胶凝材料。这与全部采用普通硅酸盐水泥做胶凝材料相比而言,矿粉、粉煤灰、硅灰等的掺入可替代部分普通硅酸盐水泥,从而降低水泥用量,达到减少水泥工业生产耗能、污染性废气排放等目的;此外,矿粉、粉煤灰、硅灰等的掺入一般还可改善混凝土的力学性能、抗腐蚀、抗冻性、耐久性等,其作用原理主要是利用了矿渣微粉、粉煤灰等工业固废的微集料填充效应与潜在火山灰活性。然而,随着我国经济建设高速发展、建设规模不断扩张,矿粉、粉煤灰、硅灰等传统水泥掺合料也日益面临资源短缺、供应品质严重下滑等问题,常常引起混凝土性能不良的后果。
循环流化床燃煤固硫灰是指含硫煤与固硫剂以一定比例(Ca/S=2.0-2.5)混合后在循环流化床锅炉内经一定温度(850~950℃)煅烧固硫后所产生的收集于烟道的废弃灰,以下简称“固硫灰”。固硫灰中主要含有α-石英、活性硅铝矿物、赤铁矿与硬石膏,以及少量的游离氧化钙与石灰石,其化学成分主要包括Al2O3、SiO2、Fe2O3、SO3、CaO、MgO和f-CaO。不同地区的固硫灰,在化学成分、矿物组成、水化活性等方面存在一定差异。目前,我国固硫灰的年排放量在千万吨级,因存在资源化利用途径有限、利用率低等问题,多采用堆放或填埋的方式处理,不仅占用土地资源而且容易造成环境污染。研究表明,固硫灰不仅具有潜在火山灰活性,还具有水硬性等特点,同时也具有微米级颗粒粒径特征,因此具备了作水泥掺合料的基本条件。
电石渣是化工厂利用电石水解生产乙炔气后排出的以氢氧化钙为主要矿物成分的工业废渣,其颗粒粒径主要分布于0-100um的范围。电石渣的主要化学成分是CaO(含量≥60%),其余成分为SiO2、Al2O3、SO3、Mg和Fe等金属的氧化物和氢氧化物等无机物以及少量有机物,氯离子含量一般小于0.1%。化工厂排除的电石渣具有很高的含水率,一般高于70%,资源化利用电石渣常需要对其进行干燥处理。
高钛矿渣是钒钛磁铁矿冶炼工业排放的一类废渣,具有钛含量高、易磨性差、活性低、堆积密度小等特点,其主要化学成分包括CaO、Ti O2、SiO2、Al2O3,其中TiO2含量较高,一般大于10%,最高可达20%以上。高钛矿渣的颗粒表面存在大量的微孔,部分微孔延伸至颗粒内部并互为贯通,颗粒具有较高的吸水率。由于特定的形成环境,高钛矿渣中的泥、有机物、杂质等的含量很少,其颗粒粒径主要分布在零至几毫米的范围内。
因此,若能开发其它类的工业固废作水泥掺合料,并能部分替代或完全替代上述传统工业固废制备地铁混凝土,则不仅能缓解矿粉、粉煤灰、硅灰等资源日益短缺的问题,同时还可丰富其它类工业固废的资源化利用途径。
发明内容
为克服矿粉、粉煤灰、硅灰等传统水泥掺合料资源日益短缺的问题,以及固硫灰、电石渣、高钛矿渣等资源化途径有限、利用率低的问题,同时为改善地铁混凝土耐久性,本发明提供了一种C40P12地铁混凝土及其制备方法。
本发明的技术方案如下:
一种C40P12地铁混凝土,由以下材料组成:水泥184-240份、矿粉25-35份、粉煤灰20-30份、固硫灰35-55份、硅灰15-25份、电石渣6-12份、粗骨料1000-1200份、细骨料530-730份、轻质细骨料50-100份、纤维2-4份、乳胶粉0.6-1.2份、膨胀剂5-15份、减水剂1-2份、水145-165份,以重量份数计。
作为优选,一种C40P12地铁混凝土,由以下材料组成:由以下材料组成:水泥197-224份、矿粉28-33份、粉煤灰23-28份、固硫灰40-50份、硅灰18-23份、电石渣8-10份、粗骨料1050-1150份、细骨料580-680份、轻质细骨料60-80份、纤维2.9-3.1份、乳胶粉0.75-0.85份、膨胀剂9.5-10.5份、减水剂1.55-1.65份、水153-157份,以重量份数计。
进一步地,一种C40P12地铁混凝土,由以下材料组成:由以下材料组成:水泥212份、矿粉30份、粉煤灰25份、固硫灰45份、硅灰20份、电石渣9份、粗骨料1100份、细骨料630份、轻质细骨料70份、纤维3份、乳胶粉0.8份、膨胀剂10份、减水剂1.6份、水155份,以重量份数计。
所述水泥选自P.O 42.5水泥,由都江堰拉法基水泥有限公司提供,其性能检测结果如下:标准稠度需水量26.7%,比表面积369m2·kg-1,初凝时间170min,终凝时间246min,3天抗折强度6.0MPa,28天抗折强度8.3MPa,3天抗压强度31.2MPa,28天抗压强度50.1MPa,SO3含量2.03%(≤3.5%),MgO含量2.41%(≤5%),安定性合格。
所述矿粉选自S95级粒化高炉矿渣微粉,由成都砼新建材有限公司提供,其性能检测结果如下:比表面积为420m2·kg-1,流动度比100.5%,28天抗压强度比96.8%。
所述粉煤灰选自原状F类Ⅰ级粉煤灰,由四川铁润商贸有限公司提供,其性能检测结果如下:标准稠度需水量24.0%,比表面积476m2·kg-1,SO3含量1.3%,MgO含量0.80%,28天抗压强度比93.5%。
所述固硫灰选自经过粉磨处理的固硫灰,原状固硫灰由四川省内江市白马火电厂提供,粉磨处理后固硫灰的性能检测结果如下:标准稠度需水量37.9%,比表面积为735m2·kg-1,SO3含量8.7%,MgO含量2.74%,28天抗压强度比84.6%。其中,所述固硫灰的粉磨处理方法为:称取一定量的原状固硫灰投入Φ500×500mm水泥试验球磨机中粉磨60min即可。
所述硅灰选自高活性的硅灰,由四川慧业硅灰材料有限公司提供,其性能检测结果如下:SiO2含量为92.6%,比表面积为22000m2·kg-1,28天活性指数为121%。
所述电石渣选自干燥处理后的电石渣,原状电石渣由四川铁润商贸有限公司提供,含水率79.3%,干燥处理后电石渣的性能检测结果如下:CaO含量71.26%,Clˉ含量0.085%,D50=21.53um。其中,所述电石渣干燥处理方法为:称取一定量的原状电石渣,先在烘干机中105℃条件下烘干48h(每间隔2h翻动一次),然后将烘干后的电石渣投入Φ500×500mm水泥试验球磨机中粉磨10min,取出继续烘干24h备用。
所述粗骨料选自5-20mm连续粒径的石子。
所述细骨料选自天然河砂,属中砂,细度模数为2.67,颗粒粒径分布符合国家标准GB/T 14684-2011《建设用砂》中天然砂2区要求,含泥量0.1%。
所述轻质细骨料选自经过碾磨筛分处理的高钛矿渣,原状高钛矿渣由提供攀枝花钢铁公司提供,质量比饱和面干吸水率为12.2%。所述高钛矿渣的碾磨筛分方法为:将原状高钛矿渣投入Φ500×500mm水泥试验球磨机中粉磨3min,使原状高钛矿渣中的松散颗粒或薄弱结构(如部分大孔)被破坏,然后过4.75mm筛,留取4.75mm以下颗粒备用。其中,4.75mm以下颗粒细度模数为2.85。
所述纤维选自玄武岩纤维,由深圳市天之途科技有限公司提供,由不同长度规格的玄武岩纤维按一定质量比例复配得到,该比例为:玄武岩纤维(35mm):玄武岩纤维(15mm):玄武岩纤维(6mm)=(20-40):(30-40):(30-40)。
所述乳胶粉选自德国瓦克公司提供的8031H型可再分散乳胶粉(工业级,有效成分≥98%)。
所述膨胀剂选自四川美丽居建材有限公司提供的活性膨胀剂,自由膨胀率为0.02-0.06%。
所述减水剂选自Sika3301型聚羧酸高性能减水剂,由瑞士西卡公司提供,固含量为50%,减水率为40%,与水泥和矿物掺合料适应性良好。
一种C40P12地铁混凝土的制备方法,具体步骤如下:
(1)按上述重量比例准确称取原材料,将水泥、矿粉、粉煤灰、固硫灰、硅灰、电石渣、粗骨料、细骨料、轻质细骨料、纤维、乳胶粉、膨胀剂投入混凝土搅拌机中;
(2)再将减水剂与水混合成含减水剂的稀释溶液;
(3)启动搅拌机,搅拌30-60s使搅拌机中的物料先混合均匀,然后开始向搅拌机中匀速加入上述稀释溶液,稀释溶液全部加完时间控制在10-20s范围内,继续搅拌3-5min,即可制得C40P12地铁混凝土。
本发明中42.5普通硅酸盐水泥、S95级矿粉、Ⅰ级粉煤灰、粉磨固硫灰、高活性硅灰、电石渣构成了C40P12地铁混凝土的胶凝体系,质量比分别为53.96-70.38%:7.33-10.26%:5.86-8.80%:10.26-16.13%:4.40-7.33%:1.76-3.52%。水泥水化生成的Ca(OH)2及电石渣中的Ca(OH)2是矿粉、粉煤灰、硅灰及固硫灰的潜在活性的主要激发剂,同时矿粉、粉煤灰、固硫灰及硅灰是该胶凝体系胶凝性的重要来源。
矿粉是用水淬高炉矿渣经干燥、粉磨等工艺处理后得到的一种高细度、高活性粉料。矿粉的主要化学成分与硅酸盐水泥基本相同,其主要结构为硅酸盐玻璃体结构,其潜在活性主要源于其玻璃体结构中的硅氧四面体。研究表明,矿粉中的硅氧四面体聚合度较低,Si-O键的相对数量较少,从而具有较高的化学活性;除此之外,矿粉的玻璃体中还存在一定数量的铝氧四面体、六配位体、AlO+离子,这使得其潜在活性进一步增强。矿粉活性的激发方式包括物理激发和化学激发,但矿粉活性的发挥主要是依赖于化学激发的作用,常用的化学激发方式有碱激发和硫酸盐激发。OH-离子可使矿粉中的硅氧四面体、铝氧四面体等发生“解聚-聚合”反应,低聚合状态存在的硅氧四面体、铝氧四面体等逐渐减少,同时高聚合度物质含量逐渐增加,最终以C-S-H(水化硅酸钙)凝胶、C-A-H(水化铝酸钙)凝胶等水化产物存在。硫酸盐激发主要是指硫酸盐的加入使矿粉水化时的Ca2+和Al3+等离子的浓度平衡被破坏,Ca2+和Al3+等离子的浓度降低,促使水化反应向生产钙矾石及其它类似产物的方向发展,这可加速矿粉中CaO、Al2O3等的水化,从而促进矿粉的水化。研究表明,碱激发与硫酸盐激发共同作用,对矿粉潜在活性的激发效果最佳。本发明所选矿粉的比表面积为420m2·kg,水泥的比表面积369m2·kg-1,这表明矿粉颗粒粒径整体上低于水泥颗粒的粒径,部分矿粉颗粒可以填充在水泥颗粒之间形成的空隙中,从而使胶凝体系的颗粒堆积更加紧密。
粉煤灰一般是指从燃煤电厂烟气中收集到的一种细灰。粉煤灰中含有大量的活性硅铝矿物,但研究表明其硅铝矿物的硅氧四面体聚合度较高,因此,其潜在活性被激发的条件相对苛刻。OH-很难在初期就充分激发其潜在活性,其活性一般在水化的后期(几个月甚至几年之后)才被基本激发出来,并主要表现为增强胶凝体系的后期强度。粉煤灰颗粒具有表面光滑致密、内部中空的特点,用于胶凝体系中可发挥滚珠效益,减低胶凝体系的需水量,改善其和易性。本发明所选粉煤灰的比表面积为476m2·kg-1,水泥的比表面积369m2·kg-1,矿粉的比表面积为420m2·kg,这表明粉煤灰颗粒粒径整体上低于水泥和矿粉颗粒,部分粉煤灰颗粒可以填充在矿粉或水泥颗粒之间形成的空隙中,从而使胶凝体系的颗粒堆积更加紧密。
固硫灰一般是指从燃煤电厂烟道中收集到的一种细灰。尽管固硫灰与粉煤灰的收集方法相似,但两者的形成环境和过程不同,物化性能存在很大差异。固硫灰中也含有大量的活性硅铝矿物,但固硫灰中硅铝矿物的潜在活性低于粉煤灰,这是因为固硫灰的形成温度约850~950℃远低于粉煤灰的形成温度1300~1600℃。但有研究表明,固硫灰中硅铝矿物的硅氧四面体的聚合度低于粉煤灰,这使得固硫灰的潜在活性更容易被激发。本发明所选固硫灰的比表面积为735m2·kg,水泥的比表面积369m2·kg-1,矿粉的比表面积为420m2·kg-1,粉煤灰的比表面积为476m2·kg-1,这表明固硫灰颗粒粒径整体上远低于水泥、矿粉、粉煤灰颗粒,大量的固硫灰颗粒可以填充在粉煤灰或矿粉或水泥颗粒之间形成的空隙中,从而使胶凝体系的颗粒堆积更加紧密。
硅灰一般是指在冶炼硅铁和工业硅(金属硅)时含Si气体排放后与空气迅速氧化冷凝沉淀而成的一种灰。硅灰中的含硅量较高,一般可达90%左右,具有良好的火山灰活性;同时,硅灰的颗粒粒径很小,平均粒径约0.1-0.3um,比表面积很大;另一方面,由于硅灰在形成过程中,受到表面张力的作用,形成了非结晶相无定形圆球状颗粒,颗粒表面较为光滑,与水泥等掺合使用时可挥发润滑滚珠的作用。本发明所选用的硅灰比表面积为22000m2·kg-1,硅灰颗粒粒径整体上远低于胶凝体系中其他物料组分颗粒,硅灰颗粒可以填充在固硫灰等颗粒之间形成的空隙中,从而使胶凝体系的颗粒堆积更加紧密。
电石渣是化工厂利用电石水解生产乙炔气后排出的以氢氧化钙为主要矿物成分的工业废渣,其颗粒粒径主要分布于0-100um的范围。电石渣的主要化学成分是CaO(含量≥60%),其余成分为SiO2、Al2O3、SO3、Mg和Fe等金属的氧化物和氢氧化物等无机物以及少量有机物,氯离子含量一般小于0.1%。
上述五种水泥掺合料中,除电石渣外,均具有潜在火山灰活性。矿粉、粉煤灰、硅灰通常仅具有潜在火山灰活性,而固硫灰不仅具有潜在的火山灰活性,还具有水硬性和水化膨胀性,这源于其内部活性矿物组成的特殊性,除活性硅铝矿物外,固硫灰中还含有氧化钙、硬石膏;另外,不同于粉煤灰(及矿粉)颗粒具有光滑表面的特点,固硫灰颗粒呈现内外部均疏松多孔的形貌特征。通过粉磨处理,可改变固硫灰颗粒疏松多孔的形貌特征,使其颗粒粒径明显减小、颗粒内部孔隙率明显降低、比表面积明显增加,这有利于降低其需水量、减小其颗粒表面微孔对有机大分子的吸附、提高其整体活性、促进其中难溶性硬石膏加速水化等好处。
本发明中利用S95级矿粉、Ⅰ级粉煤灰、粉磨固硫灰、高活性硅灰、电石渣五种掺合料与42.5普通硅酸盐水泥进行复掺构成了C40P12地铁混凝土的胶凝体系,其创新性主要在于利用了不同物料组分物化性能上特点,使不同物料组分之间产生优势互补、协同增强的效应:(1)物理效应。在上述胶凝体系中,除电石渣外,各组分按比表面积排序有:硅灰>固硫灰>粉煤灰>矿粉>水泥,不同物料组分的颗粒粒径分布范围呈现一定梯度,不同物料组分颗粒之间相互填充,容易形成紧密堆积,有利于降低胶凝体系需水量,提高胶凝体系流动度与和易性,减少胶凝体系孔隙率与微观结构缺陷。(2)化学效应。硅酸盐水泥水化生成的Ca(OH)2可激发矿粉、粉煤灰、固硫灰及硅灰的潜在火山灰活性,同时固硫灰中硬石膏水化形成的二水石膏作为硫酸盐激发剂进一步激发矿粉、粉煤灰、固硫灰及硅灰自身的潜在火山灰活性,“碱激发+硫酸盐激发”使矿粉、粉煤灰、固硫灰及硅灰的潜在火山灰活性被更加充分地激发,其资源价值得到更加高效地利用,胶凝体系的水化产物更加丰富,结构更加密实坚固。电石渣水解后富含Ca(OH)2,电石渣的掺入,除可产生上述类似的碱激发效应外。此外,地铁混凝土一般为大体积混凝土,为避免大体积混凝土水化热集中效应而引起裂缝等问题,其胶凝体系中水泥用量通常较少,而辅助性胶凝材料较多,容易造成混凝土胶凝体系水化时浆体中Ca(OH)2含量不足,电石渣的掺入,能有效补充浆体中Ca(OH)2含量,充足的Ca(OH)2,还可发挥维持胶凝体系高碱度环境、提高水化产物稳定性、促进浆体中未水化颗粒后期二次水化的作用,这对于进一步降低胶凝体系孔隙率及微观结构缺陷十分有利,可有效改善胶凝体系的耐久性。
本发明中5-20mm粒径的石子、细度模数为2.67的天然河砂、经碾磨处理的高钛矿渣共同构成了混凝土的骨料体系。
粗骨料在高强混凝土中的体积占比一般为40-50%。粗骨料在混凝土可发挥刚性骨架作用,提高混凝土的强度和弹性模量,从而增强混凝土的体积稳定性和耐久性。粗骨料还可以发挥阻挡微裂纹扩展的作用,当因混凝土内应力引起的微裂纹扩展至粗骨料时,粗骨料可利用自身的高强度、大体积的特点有效阻挡裂纹的进一步扩展,从而增强混凝土的稳定性。另外,因粗骨料在混凝土中的体积占比很高,粗骨料与混凝土胶凝体系之间的界面过渡区较多,而界面过渡区是混凝土力学性能等的关键影响因素之一,粗骨料的表面性能常常通过影响界面过渡区来影响混凝土的性能。本发明所用粗骨料为5-20mm连续粒径的石子,其抗压强度较高、石子表面粗糙、针片状颗粒含量少、含泥量低,有利于在高强混凝土中发挥刚性骨料作用以及阻止微裂纹扩展的作用,同时使混凝土获得较高的界面过渡区强度。
细骨料在混凝土中的体积占比一般为25-35%。细骨料是胶凝体系与粗骨料之间的关键纽带,是混凝土性能的重要影响因素之一。细骨料在混凝土中也可以发挥刚性骨料作用和阻止微裂纹扩展的作用,但与粗骨料的作用仍然有所不同。细骨料颗粒可以填充在粗骨料颗粒之间形成的空隙中,而胶凝体系则主要填充在细骨料颗粒之间形成的空隙中,颗粒级配良好的细骨料趋于形成更加紧密的自身堆积,这既可有效填充粗骨料颗粒之间形成的空隙,又有利于降低填充细骨料颗粒之间形成的空隙所需的胶凝体系用量。因此,细骨料不仅可以影响混凝土的工作性能、力学性能、体积稳定性以及耐久性等,而且会影响到胶凝体系的用量。本发明所用的细骨料为天然河砂,其颗粒级配良好、含泥量低,这有助于使混凝土获得良好的工作性能、力学性能、体积稳定性以及耐久性等,同时减少胶凝体系的用量。
轻质细骨料是细骨料中的一个分类,包括轻砂、膨胀珍珠岩、玻化微珠等。本发明所用轻质细骨料为经过碾磨处理的高钛矿渣,其颗粒细度模数为2.85。
本发明利用石子、天然河砂、高钛矿渣构建了混凝土的骨料体系,质量比分别为54.64-67.42%:29.77-39.90%:2.81-5.46%。在充分考虑粗细骨料物理特征的基础上,基于最紧密堆积原理等,确定了骨料体系的砂率(即细骨料、轻质细骨料在骨料体系中的重量比),使骨料体系基本符合最紧密堆积原理,这可以极大地提高混凝土的工作性能、体积稳定性以及耐久性等,同时减少胶凝体系用量,节约资源与成本。此外,将高钛矿渣作为轻质细骨料用于混凝土,可发挥重要作用。在混凝土的拌合过程中,高钛矿渣颗粒表面的微孔结构会吸附一部分拌合用水,当混凝土中胶凝材料快速水化导致混凝土内部温升时,高钛矿渣吸附的拌合用水可以吸收一部分热量,从而降低混凝土内部温度,减小混凝土(尤其是大体积混凝土)开裂的风险;另一方面,由于地铁隧道混凝土多属大体积混凝土,为避免大体积混凝土水化内部温升引起的危害,通常做法是尽量增加辅助性胶凝材料与水泥用量的比例,而这些辅助性胶凝材料大多具有水化周期长的特点,存在后期二次水化的现象(混凝土水化硬化一段时间后仍存在未水化的活性颗粒,这些未水化的活性颗粒与氢氧化钙反应生成水化硅酸钙等的现象),二次水化有利于降低混凝土中的孔隙率或缺陷,进一步堵塞外界有害离子进入混凝土内部的通道,使混凝土结构更加致密,高钛矿渣吸附的拌合用水后期返出能够促进辅助性胶凝材料等的二次水化。
本发明中,选用不同长度的玄武岩纤维复合阻止或延缓C40P12地铁混凝土中宏、微观裂纹的形成,实现增强、增韧的目的。
本发明中,掺入少量的可再分散乳胶粉有利于增强C40P12混凝土的韧性即降低混凝土的脆性,改善混凝土的防水性能、抗裂性能、抗氯离子渗透性能、耐温湿变化性能、抗冻性能、抗碳化性能等,同时有利于改善新拌混凝土的流动性、和易性,对混凝土的抗压强度和抗硫酸盐侵蚀性能无负面影响。其主要作用基理在于:可再分散乳胶粉在高碱环境中释放的羧基与Ca(OH)2反应形成交联的网状结构产物,这种水化产物趋于将其他水化产物连接成一个整体;另外,未与Ca(OH)2反应的乳胶粉颗粒,随混凝土胶凝体系水化的进行,逐渐在混凝土内部形成分布于不同区域的聚合物膜结构,这些聚合物膜结构可有效堵塞混凝土中的孔隙、增强界面过渡区,从而起到阻止外部有害离子进入混凝土内部的作用,以及阻止内部微裂纹传播和应力集中的作用。
本发明中,膨胀剂主要用于补偿混凝土收缩、提高混凝土抗渗性能。
本发明中聚羧酸高性能减水剂主要用于降低混凝土用水量,提高混凝土的力学性能,同时改善混凝土的流动度与和易性,其主要作用机理是:通过静电排斥和空间位阻等效应使水分子在混凝土胶凝体系中高度分散、高效利用,从而降低一定流动度下混凝土的用水量。
本发明中C40P12地铁混凝土是一个有机整体,物质组成上由胶凝体系、骨料体系、纤维、外加剂与水构成,结构上由水泥石、骨料与界面过渡区构成,通过优化胶凝体系、骨料体系等的物质组成及比例,制备得到了一种具有优异综合性能的C40P12地铁混凝土。相对于C40P10地铁混凝土,本发明具有相同的强度等级以及更高的抗渗等级,然而该抗渗等级的进一步改善是富有挑战的,本发明抗渗等级的提高主要源于对地铁混凝土胶凝体系和外加剂体系的配比参数的进一步优化与调整。相对于C40P10地铁混凝土的胶凝体系,在本发明的胶凝体系中主要调整了固硫灰、硅灰、电石渣的比重,使胶凝体系的颗粒堆积状态更加合理、水化硬化后的微观结构缺陷更少;同时,本发明的外加剂体系中调整了膨胀剂和胶粉的比重,可进一步补偿地铁混凝土的自身水化收缩和阻止外界有害离子/分子进入其内部结构中。
本发明的有益效果是:
本发明提供一种C40P12地铁混凝土,由以下材料组成:水泥184-240份、矿粉25-35份、粉煤灰20-30份、固硫灰35-55份、硅灰15-25份、电石渣6-12份、粗骨料1000-1200份、细骨料530-730份、轻质细骨料50-100份、纤维2-4份、乳胶粉0.6-1.2份、膨胀剂5-15份、减水剂1-2份、水145-165份,以重量份数计。本发明中利用S95级矿粉、Ⅰ级粉煤灰、粉磨固硫灰、高活性硅灰、电石渣五种掺合料与42.5普通硅酸盐水泥进行复掺构成了C40P12地铁混凝土的胶凝体系,其创新性主要在于利用了不同物料组分物化性能上特点,使不同物料组分之间产生优势互补、协同增强的效应;本发明利用石子、天然河砂、高钛矿渣构建了混凝土的骨料体系,本发明还利用纤维、可分散乳胶粉、膨胀剂来改善混凝土综合性能。
本发明中,以固硫灰、电石渣作地铁混凝土的部分掺合料,以高钛矿渣作地铁混凝土的轻质细骨料,制备出了一种地铁混凝土,该混凝土具有良好的塌落度、扩展度,28d抗压强度均大于40MPa,抗渗等级均达P12,这表明本发明制备的地铁混凝土符合C40P12的要求,这有利于克服矿粉、粉煤灰、硅灰等传统水泥掺合料资源日益短缺及固硫灰、电石渣、高钛矿渣等工业固废资源化途径有限、利用率低的问题,同时有利于改善地铁混凝土耐久性。
具体实施方式:
实施例1:
一种C40P12地铁混凝土,由以下材料组成:由以下材料组成:水泥212份、矿粉30份、粉煤灰25份、固硫灰45份、硅灰20份、电石渣9份、粗骨料1100份、细骨料630份、轻质细骨料70份、纤维3份、乳胶粉0.8份、膨胀剂10份、减水剂1.6份、水155份,以重量份数计。
一种C40P12地铁混凝土的制备方法,具体步骤如下:
(1)按上述重量比例准确称取原材料,将水泥、矿粉、粉煤灰、固硫灰、硅灰、电石渣、粗骨料、细骨料、轻质细骨料、纤维、乳胶粉、膨胀剂投入混凝土搅拌机中;
(2)再将减水剂与水混合成含减水剂的稀释溶液;
(3)启动搅拌机,搅拌30s使搅拌机中的物料先混合均匀,然后开始向搅拌机中匀速加入上述稀释溶液,稀释溶液全部加完时间控制在15s范围内,继续搅拌5min即可制得C40P12地铁混凝土。
实施例2:
一种C40P12地铁混凝土,由以下材料组成:由以下材料组成:水泥224份、矿粉33份、粉煤灰28份、固硫灰50份、硅灰23份、电石渣10份、粗骨料1100份、细骨料630份、轻质细骨料70份、纤维3份、乳胶粉0.8份、膨胀剂10份、减水剂1.6份、水155份,以重量份数计。
一种C40P12地铁混凝土的制备方法,具体步骤如下:
(1)按上述重量比例准确称取原材料,将水泥、矿粉、粉煤灰、固硫灰、硅灰、电石渣、粗骨料、细骨料、轻质细骨料、纤维、乳胶粉、膨胀剂投入混凝土搅拌机中;
(2)再将减水剂与水混合成含减水剂的稀释溶液;
(3)启动搅拌机,搅拌30s使搅拌机中的物料先混合均匀,然后开始向搅拌机中匀速加入上述稀释溶液,稀释溶液全部加完时间控制在15s范围内,继续搅拌5min即可制得C40P12地铁混凝土。
实施例3:
一种C40P12地铁混凝土,由以下材料组成:由以下材料组成:水泥197份、矿粉28份、粉煤灰23份、固硫灰40份、硅灰18份、电石渣8份、粗骨料1100份、细骨料630份、轻质细骨料70份、纤维3份、乳胶粉0.8份、膨胀剂10份、减水剂1.6份、水155份,以重量份数计。
一种C40P12地铁混凝土的制备方法,具体步骤如下:
(1)按上述重量比例准确称取原材料,将水泥、矿粉、粉煤灰、固硫灰、硅灰、电石渣、粗骨料、细骨料、轻质细骨料、纤维、乳胶粉、膨胀剂投入混凝土搅拌机中;
(2)再将减水剂与水混合成含减水剂的稀释溶液;
(3)启动搅拌机,搅拌30s使搅拌机中的物料先混合均匀,然后开始向搅拌机中匀速加入上述稀释溶液,稀释溶液全部加完时间控制在15s范围内,继续搅拌5min,即可制得C40P12地铁混凝土。
实施例4:
一种C40P12地铁混凝土,由以下材料组成:由以下材料组成:水泥212份、矿粉30份、粉煤灰25份、固硫灰45份、硅灰20份、电石渣9份、粗骨料1150份、细骨料580份、轻质细骨料80份、纤维3.1份、乳胶粉0.85份、膨胀剂10.5份、减水剂1.65份、水153份,以重量份数计。
一种C40P12地铁混凝土的制备方法,具体步骤如下:
(1)按上述重量比例准确称取原材料,将水泥、矿粉、粉煤灰、固硫灰、硅灰、电石渣、粗骨料、细骨料、轻质细骨料、纤维、乳胶粉、膨胀剂投入混凝土搅拌机中;
(2)再将减水剂与水混合成含减水剂的稀释溶液;
(3)启动搅拌机,搅拌45s使搅拌机中的物料先混合均匀,然后开始向搅拌机中匀速加入上述稀释溶液,稀释溶液全部加完时间控制在15s范围内,继续搅拌4min即可制得C40P12地铁混凝土。
实施例5:
一种C40P12地铁混凝土,由以下材料组成:由以下材料组成:水泥212份、矿粉30份、粉煤灰25份、固硫灰45份、硅灰20份、电石渣9份、粗骨料1050份、细骨料680份、轻质细骨料60份、纤维2.9份、乳胶粉0.75份、膨胀剂9.5份、减水剂1.55份、水157份,以重量份数计。
一种C40P12地铁混凝土的制备方法,具体步骤如下:
(1)按上述重量比例准确称取原材料,将水泥、矿粉、粉煤灰、固硫灰、硅灰、电石渣、粗骨料、细骨料、轻质细骨料、纤维、乳胶粉、膨胀剂投入混凝土搅拌机中;
(2)再将减水剂与水混合成含减水剂的稀释溶液;
(3)启动搅拌机,搅拌60s使搅拌机中的物料先混合均匀,然后开始向搅拌机中匀速加入上述稀释溶液,稀释溶液全部加完时间控制在15s范围内,继续搅拌3min即可制得C40P12地铁混凝土。
实施例1-5配方物质,其中,水泥选自P.O 42.5水泥,由都江堰拉法基水泥有限公司提供,其性能检测结果如下:标准稠度需水量26.7%,比表面积369m2·kg-1,初凝时间170min,终凝时间246min,3天抗折强度6.0MPa,28天抗折强度8.3MPa,3天抗压强度31.2MPa,28天抗压强度50.1MPa,SO3含量2.03%(≤3.5%),MgO含量2.41%(≤5%),安定性合格。
其中,矿粉选自S95级粒化高炉矿渣微粉,由成都砼新建材有限公司提供,其性能检测结果如下:比表面积为420m2·kg-1,流动度比100.5%,28天抗压强度比96.8%。
其中,粉煤灰选自原状F类Ⅰ级粉煤灰,由四川铁润商贸有限公司提供,其性能检测结果如下:标准稠度需水量24.0%,比表面积476m2·kg-1,SO3含量1.3%,MgO含量0.80%,28天抗压强度比93.5%。
其中,固硫灰选自经过粉磨处理的固硫灰,原状固硫灰由四川省内江市白马火电厂提供,粉磨处理后固硫灰的性能检测结果如下:标准稠度需水量37.9%,比表面积为735m2·kg-1,SO3含量8.7%,MgO含量2.74%,28天抗压强度比84.6%。其中,所述固硫灰的粉磨处理方法为:称取一定量的原状固硫灰投入Φ500×500mm水泥试验球磨机中粉磨60min即可。
其中,硅灰选自高活性的硅灰,由四川慧业硅灰材料有限公司提供,其性能检测结果如下:SiO2含量为92.6%,比表面积为22000m2·kg-1,28天活性指数为121%。
其中,电石渣选自干燥处理后的电石渣,原状电石渣由四川铁润商贸有限公司提供,含水率79.3%,干燥处理后电石渣的性能检测结果如下:CaO含量71.26%,Clˉ含量0.085%,D50=21.53um。其中,所述电石渣干燥处理方法为:称取一定量的原状电石渣,先在烘干机中105℃条件下烘干48h(每间隔2h翻动一次),然后将烘干后的电石渣投入Φ500×500mm水泥试验球磨机中粉磨10min,取出继续烘干24h备用。
其中,粗骨料选自5-20mm连续粒径的石子。
其中,细骨料选自天然河砂,属中砂,细度模数为2.67,颗粒粒径分布符合国家标准GB/T 14684-2011《建设用砂》中天然砂2区要求,含泥量0.1%。
其中,轻质细骨料选自经过碾磨筛分处理的高钛矿渣,原状高钛矿渣由提供攀枝花钢铁公司提供,质量比饱和面干吸水率为12.2%。所述高钛矿渣的碾磨筛分方法为:将原状高钛矿渣投入Φ500×500mm水泥试验球磨机中粉磨3min,使原状高钛矿渣中的松散颗粒或薄弱结构(如部分大孔)被破坏,然后过4.75mm筛,留取4.75mm以下颗粒备用。其中,4.75mm以下颗粒细度模数为2.85。
其中,纤维选自玄武岩纤维,由深圳市天之途科技有限公司提供,由不同长度规格的玄武岩纤维按一定质量比例复配得到,该比例为:玄武岩纤维(35mm):玄武岩纤维(15mm):玄武岩纤维(6mm)=40:40:30。
其中,乳胶粉选自德国瓦克公司提供的8031H型可再分散乳胶粉(工业级,有效成分≥98%)。
其中,膨胀剂选自四川美丽居建材有限公司提供的活性膨胀剂,自由膨胀率为0.02-0.06%。
其中,减水剂选自Sika3301型聚羧酸高性能减水剂,由瑞士西卡公司提供,固含量为50%,减水率为40%,与水泥和矿物掺合料适应性良好。
将实施例1~5制备的C40P12地铁混凝土进行性能测试,结果如下:
由上表中数据可知,实施例1~5制备的C40P12地铁混凝土具有良好的塌落度、扩展度,28d抗压强度均大于40MPa,抗渗等级均达P12,这表明本发明制备地铁混凝土符合C40P12的要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的修改,均应含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种C40P12地铁混凝土,其特征在于:由以下材料组成:水泥184-240份、矿粉25-35份、粉煤灰20-30份、固硫灰35-55份、硅灰15-25份、电石渣6-12份、粗骨料1000-1200份、细骨料530-730份、轻质细骨料50-100份、纤维2-4份、乳胶粉0.6-1.2份、膨胀剂5-15份、减水剂1-2份、水145-165份,以重量份数计。
2.根据权利要求1所述的一种C40P12地铁混凝土,其特征在于:由以下材料组成:由以下材料组成:水泥197-224份、矿粉28-33份、粉煤灰23-28份、固硫灰40-50份、硅灰18-23份、电石渣8-10份、粗骨料1050-1150份、细骨料580-680份、轻质细骨料60-80份、纤维2.9-3.1份、乳胶粉0.75-0.85份、膨胀剂9.5-10.5份、减水剂1.55-1.65份、水153-157份,以重量份数计。
3.根据权利要求2所述的一种C40P12地铁混凝土,其特征在于:由以下材料组成:由以下材料组成:水泥212份、矿粉30份、粉煤灰25份、固硫灰45份、硅灰20份、电石渣9份、粗骨料1100份、细骨料630份、轻质细骨料70份、纤维3份、乳胶粉0.8份、膨胀剂10份、减水剂1.6份、水155份,以重量份数计。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种C40P12地铁混凝土,其特征在于:组分按比表面积排序:硅灰>固硫灰>粉煤灰>矿粉>水泥。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种C40P12地铁混凝土,其特征在于:水泥、矿粉、粉煤灰、固硫灰、硅灰、电石渣构成了混凝土的胶凝体系;粗骨料、细骨料、轻质细骨料共同构成了混凝土的骨料体系。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种C40P12地铁混凝土,其特征在于:所述水泥选自P.O 42.5水泥,比表面积369m2·kg-1;所述矿粉选自S95级粒化高炉矿渣微粉,比表面积为420m2·kg-1
7.根据权利要求1或2或3所述的一种C40P12地铁混凝土,其特征在于:所述粉煤灰选自原状F类Ⅰ级粉煤灰,比表面积476m2·kg-1;所述固硫灰选自经过粉磨处理的固硫灰,比表面积为735m2·kg-1;所述硅灰选自高活性的硅灰,比表面积为22000m2·kg-1;所述电石渣选自干燥处理后的电石渣。
8.根据权利要求1或2或3所述的一种C40P12地铁混凝土,其特征在于:所述粗骨料选自5-20mm连续粒径的石子;所述细骨料选自天然河砂,属中砂,细度模数为2.67;所述轻质细骨料选自经过碾磨筛分处理的高钛矿渣。
9.根据权利要求1或2或3所述的一种C40P12地铁混凝土,其特征在于:所述纤维选自玄武岩纤维,由不同长度规格的玄武岩纤维按一定质量比例复配得到,该复配质量比例为:35mm玄武岩纤维:15mm玄武岩纤维:6mm玄武岩纤维=(20-40):(30-40):(30-40);所述乳胶粉选自8031H型可再分散乳胶粉,有效成分≥98%;所述膨胀剂选自活性膨胀剂,自由膨胀率为0.02-0.06%;所述减水剂选自Sika3301型聚羧酸高性能减水剂。
10.根据权利要求1所述的一种C40P12地铁混凝土的制备方法,其特征在于:具体步骤如下:
(1)按上述重量比例准确称取原材料,将水泥、矿粉、粉煤灰、固硫灰、硅灰、电石渣、粗骨料、细骨料、轻质细骨料、纤维、乳胶粉、膨胀剂投入混凝土搅拌机中;
(2)再将减水剂与水混合成含减水剂的稀释溶液;
(3)启动搅拌机,搅拌30-60s使搅拌机中的物料先混合均匀,然后开始向搅拌机中匀速加入上述稀释溶液,稀释溶液全部加完时间控制在10-20s范围内,继续搅拌3-5min,即可制得C40P12地铁混凝土。
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