CN109776039A

CN109776039A - 一种改性地质聚合物海工混凝土及制备方法

Info

Publication number: CN109776039A
Application number: CN201910213237.0A
Authority: CN
Inventors: 王潇潇; 沈增晖; 王威; 李九苏; 黄志轩; 孙韵华; 郑英; 李�杰
Original assignee: Guangdong Changxing Investment Co Ltd; Hunan Xin Chang Sheng Mstar Technology Ltd
Current assignee: Guangdong Changxing Investment Co Ltd; Hunan Xin Chang Sheng Mstar Technology Ltd
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明涉及一种改性地质聚合物海水海砂混凝土及制备方法，该混凝土按质量百分数计，包括：海水5%‑15%、海砂10%‑30%、碎石30%‑55%、减水剂0.1%‑1%、矿渣10%‑30%、硅粉5%‑10%、粉煤灰5%‑15%、纤维0‑5%、煅烧菱镁石5%‑15%、激发剂0.1%‑0.5%。相较于其他海水海砂混凝土在抗氯离子渗透性能良好的同时还具有良好的抗裂性，制备的改性地质聚合物混凝土不仅能够防止钢筋侵蚀，并且能够抵抗外界海水有害离子的侵入，在强度方面也有一定的提升，进一步提高混凝土结构的耐久性。

Description

一种改性地质聚合物海工混凝土及制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，尤其涉及一种改性地质聚合物海工混凝土及制备方法。

背景技术

我国是一个干旱缺水严重的国家。人均淡水资源仅为世界平均水平的1/4、在世界上名列110位，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。人均可利用水资源量仅为900立方米，并且分布极不均衡。20世纪末，全国600多座城市中有400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为60亿立方米。随着大量工程的建设，淡水和河砂资源的不断消耗给工程带来了巨大的成本。而海砂作为仅次于石油天然气的第二大海洋矿产资源，其来源丰富。但是海砂当中的氯离子会侵蚀钢筋，导致混凝土结构出现不同程度的破坏。若能合理利用海洋资源，以海水代替淡水、海砂代替河砂、碎石作为混凝土集料，制备海水海砂混凝土，将在很大程度上为我国岛屿工程建设缩短工期、降低成本，对国防安全也有着重要的现实意义和应用价值。目前，国内外关于利用海砂制备混凝土的研究已取得一定进展，但在推广应用的过程中还存在一些问题。主要是由于海砂本身含盐量高，在钢筋混凝土的中易对钢筋造成腐蚀。

为了解决这个问题，许多研究人员以采用淡化海砂和防止钢筋锈蚀的方式来制备海砂混凝土，专利号为CN 108218307发明公开了一种海洋工程用海砂混凝土，由以下重量份的组分组成，水泥50-60份，熟料海砂10-15份，黏土20-30份，纳米高岭土粒子1-3份，减水剂1-3份，水灰比为0 .35-0 .6。该发明具有一定的抗氯离子渗透效果，但是未能有效利用海水资源，而且通过淡化海砂及处理工艺相对复杂，浪费了大量的水资源；专利号为CN108002785发明公开了一种改性海水海砂混凝土，该发明采用煅烧水滑石来固结混凝土中的自由氯离子，以此来改善了海水海砂混凝土护筋性能。但该发明未考虑到海水中氯离子同样也会对混凝土结构造成腐蚀问题，综上所述以上发明不能从根本上解决海水侵蚀和有效利用海水问题，在海水等自然因素以及外界荷载的作用下，海水海砂混凝土结构在使用一段时间后便出现了不同程度破坏的问题。为了解决这个问题，本发明提供一种新的地质聚合物混凝土及制备方法用于海工环境中。

发明内容

普通的海水海砂混凝土由于海砂中氯离子含量高或者海水有害离子的侵蚀，对钢筋混凝土结构造成了严重的破坏，目前海洋工程用混凝土抗侵蚀性能提升技术多从提高混凝土自身性能或降低钢筋锈蚀程度角度提出，如提高混凝土密实性、改善混凝土界面过渡区特性和加入阻锈剂等。这些方法不能从根本上解决海水中离子对混凝土基体的腐蚀以及钢筋锈蚀问题，原因在于普通水泥水化产物含有大量的结晶相，氯和镁等离子容易与产物中的结晶相发生反应，生成无胶结性能的产物导致结构疏松，甚至引起混凝土变形开裂，加速有害离子扩散。

针对现有技术的不足，本发明提供一种改性地质聚合物海工混凝土及制备方法，以解决因海水等自然因素以及外界荷载的作用下等引起的混凝土结构表面出现裂缝，从而产生钢筋锈蚀的问题；相比其他海砂海水混凝土，解决了海水侵蚀、钢筋锈蚀、抗裂性差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种改性地质聚合物海工混凝土，按质量百分数计，包括海水10%-15%、海砂20%-30%、碎石40%-50%、矿渣10%-30%、硅粉5%-10%、粉煤灰5%-15%。

进一步地，按质量百分数计，还包括纤维增强剂0-5% 。

进一步地，按质量百分数计，还包括减水剂0.5%-1% 。

进一步地，按质量百分数计，还包括所述补偿收缩剂煅烧菱镁石5%-15%以及碱性激发剂0.1%-0.5%，如此，可提升地质聚合物混凝土的抗氯离子渗透。

作为本发明的一个实施例，按质量百分数计，包括海水10％、海砂20％、碎石40％、减水剂0.5％、矿渣10%、硅粉5%、粉煤灰10％、纤维2％、煅烧菱镁石5%、激发剂0.2%。

进一步地，所述纤维增强剂为玄武岩纤维，玄武岩纤维是一种新型环保型纤维，由于玄武岩熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物等有害气体排出，其制造过程对环境无害，克服了传统材料在生产、使用和废弃过程中需消耗大量的能源和污染环境等缺点，而且玄武岩纤维能自动降解成为土壤的母质，可持续和循环利用。玄武岩纤维与地质聚合物具有较强的相容性，形成相互交错的网络结构，构筑了良好的界面特性，同时玄武岩纤维具有优异特性犹如加筋效果，将其中的碎石和中砂包络其中，形成相互联系的整体，对比水泥混凝土而言，减少了纤维-胶凝材料水化物、骨料-胶凝材料水化物之间的初始裂缝。

从胶凝材料类型角度出发，寻求和水泥组成、性能以及水化产物不同的胶凝材料，采用地质聚合物代替水泥胶凝材料，传统的单一的地质聚合物硬化过程中体积稳定性差、易收缩开裂，地质聚合物的反应产物与硅酸盐水泥不同，在海洋环境下稳定性高、不易腐蚀。地质聚合物是以烧粘土、工业废渣为主要原料，经适当的工艺处理，通过化学反应得到的一类新型无机聚合物，与普通水泥基材料相比具有以下优异性能：快硬快凝、早强高强和耐腐蚀等。地质聚合物反应产物主要为高碱度凝胶产物、沸石、长石、霞石类结构产物，反应产物呈网络状，具有致密的微观结构，因此地质聚合物具有较好的抗渗透性能以及抗腐蚀性能。

针对地质聚合物浆体收缩较大的特点，所述补偿收缩剂煅烧菱镁石为MgO，拟采用活性MgO对地质聚合物浆体的体积收缩进行补偿。MgO在地质聚合物浆体中的反应主要有MgO 的溶解、Mg(OH)₂以及水化硅酸镁的生成，基于热力学原理，MgO在地质聚合物浆体中反应主要生成 Mg(OH)₂ 和水化硅酸镁等产物。生成 Mg(OH)₂ 时固相体积增大。同时，部分MgO发生反应生成其它反应产物如水化硅酸镁凝胶、水滑石，或者以离子的状态进入到其它反应产物中，如以同位取代、吸附的形式进入水化硅酸钙结构中，因此，MgO在地质聚合物浆体中产生补偿体积收缩作用源于Mg(OH)₂ 的形成。

本发明中，通过地质聚合物+煅烧菱镁石（MgO）+玄武岩纤维复合改性地质聚合物体系的建立， MgO的加入一方面分散于地质聚合物浆体中，产生均匀的体积膨胀，有效地补偿了地质聚合物硬化过程中体积收缩；另外一方面煅烧菱镁石能够形成大量的阳离子氧化物，类似一种固结剂能够渗透到混凝土中氯离子的溶液中，重新结合混凝土溶液中的自由氯离子防止钢筋锈蚀，而玄武岩纤维能够与地质聚合物混凝土界面结合紧密、结构体系更加密实，防止海水中的氯离子侵蚀。其中的地质聚合物中含有大量的氯离子参与反应生成大量类水滑石相和少量盐，显著提高了水化产物固化氯离子能力，降低了浆体中游离氯含量，三者化学与物理、线性与网状的组合，能够形成有机的整体，相辅相成，共同促进和抵抗海砂和海水中氯离子的侵蚀。

基于同一发明构思，本发明还提供如上所述的改性地质聚合物海工混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1）按上述重量百分数分别称取原材料，备用；

2）将称好的矿渣、粉煤灰、硅灰按照比例投入到混凝土搅拌机中搅拌1-3min充分混合，停止搅拌，得到均匀的干料；

3）称取一定的激发剂和海水，加入混凝土搅拌机中搅拌1-2min,再加入菱镁石及纤维增强剂到搅拌机中搅拌1-2min，使其混合均匀；

4）用筛子将海砂中的贝壳筛去，将碎石、海砂依次加入到搅拌机内，搅拌30-60秒；再将减水剂加入到搅拌机中，搅拌1-2min，制得改性地质聚合物海工混凝土。

本发明的优点相较于其他海水海砂混凝土在抗氯离子渗透性能良好的同时还具有良好的抗裂性，在强度方面也有一定的提升，地质聚合物中水化产物与水泥水化产物不同，一方面海水中有害氯离子等无法与地质聚合物生成的水化产物发生化学反应，能够阻止氯离子的侵蚀，另外一方面地质聚合物中内部大量的氯离子能够参与反应生成大量类水滑石相和少量盐，大大降低孔溶液中的氯离子，有效固结氯离子的浓度。制备的改性地质聚合物更加密实，制备的混凝土标准试件抗压强度比普通混凝土强度大，能够抵抗海水海砂有害离子的侵入，提高混凝土结构的耐久性，经MgO改性后的地质聚合物形成致密的网络结构，改性后的地质聚合物耐久性和抗压强度方面得以增强。

具体实施方式

以下将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

本实施例中，按质量百分数计，包括海水10％、海砂20％、碎石40％、减水剂0.5％、矿渣10%、硅粉5%、粉煤灰10％、纤维2％、煅烧菱镁石5%、激发剂0.2%。

本实施例中，改性地质聚合物海水海砂混凝土的制备方法如下：

1）按上述重量百分比分别称取原材料，备用；

2）将称好的矿渣、粉煤灰、硅灰按照比例投入到混凝土搅拌机中搅拌1min充分混合，停止搅拌，得到均匀的干料；

3）称取一定的激发剂和海水，加入混凝土搅拌机中搅拌1min,再加入菱镁石及纤维增强剂到搅拌机中搅拌2min，使其混合均匀；

4）用筛子将海砂中的贝壳筛去，将碎石、海砂依次加入到搅拌机内，搅拌30秒；再将减水剂加入到搅拌机中，搅拌2min，制得改性地质聚合物海工混凝土。

制备好的混凝土在海水环境中经2年后，混凝土表面未出现脱落、裂缝等现象，混凝土内部钢筋未出现锈蚀。取混凝土芯样测试硬化中氯离子的固结率，按照硝酸银滴定法测试，28d固结率能够达到75.8%，显著降低氯离子的浓度。随着有害氯离子侵蚀的数量减少，混凝土强度有一定的提升。制备的地质聚合物标准试件混凝土3d、7d、28d抗压强度比普通硅酸盐水泥混凝土分别高出6.2 MPa、5.1MPa、3.8 MPa。

实施例2：

本实施例中，按质量百分数计，包括海水10％、海砂20％、碎石40％、减水剂0.5％、矿渣10%、硅粉5%、粉煤灰10％、纤维2％、煅烧菱镁石15%、激发剂0.2%。

1）按上述重量百分比分别称取原材料，备用；

制备好的混凝土在海水环境中经2年后，混凝土表面未出现脱落、裂缝等明显老化失效现象，混凝土内部钢筋未出现锈蚀。取混凝土芯样测试硬化中氯离子的固结率，按照硝酸银滴定法测试，28d固结率能够达到84.3%。随着有害氯离子侵蚀的数量进一步减少，制备的地质聚合物标准试件混凝土3d、7d、28d抗压强度比普通硅酸盐水泥混凝土分别高出7.3MPa、5.9 MPa、4.8 MPa。

对比例1：

本对比例中，按质量百分数计，包括海水10％、海砂20％、碎石40％、减水剂0.5％、普通硅酸盐水泥30%、纤维2％。

本对比例中，制备普通水泥海工混凝土的制备方法如下：

1）按上述重量百分比分别称取原材料，备用；

2）用筛子将海砂中的贝壳筛去，将碎石、海砂、海水、水泥和纤维依次加入到搅拌机内，搅拌3min；再将减水剂加入到搅拌机中，搅拌1min，制得普通水泥海工混凝土。

采用普通硅酸盐水泥代替地质聚合物胶凝材料，按上述配方制备及同种工艺制备的海工混凝土，经2年后混凝土结构表面在海水和自然因素作用下，海水中有害离子与水泥产物发生反应，出现脱落、裂缝等失效现象。取混凝土芯样测试硬化中氯离子的固结率，按照硝酸银滴定法测试，28d固结率能为34.5%，固结能力显著降低。

本发明制备的高抗海水海砂侵蚀的地质聚合物混凝土，且可就地取材使用海水海砂，能抵抗海水海砂中有害离子的侵蚀，提高混凝土的耐久性，有效解决远海岛礁建设材料短缺以及海洋环境下混凝土结构的腐蚀问题。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种改性地质聚合物海工混凝土，其特征在于，按质量百分数计，包括海水5%-15%、海砂10%-30%、碎石30%-55%、减水剂0.1%-1%、矿渣10%-30%、硅粉5%-10%、粉煤灰5%-15%、纤维0-5% 、煅烧菱镁石5%-15%、激发剂0.1%-0.5%。

2.根据权利要求1所述的改性地质聚合物海工混凝土，其特征在于，按质量百分数计，包括海水10%-15%、海砂20%-30%、碎石40%-50%、减水剂0.5%-1%、矿渣10%-20%、硅粉5%-8%、粉煤灰5%-10%、纤维1-4% 、煅烧菱镁石5%-10%、激发剂0.2%-0.5%。

3.根据权利要求1所述的改性地质聚合物，其特征在于，由以下原材料制备得到：矿渣20%、粉煤灰10%、硅灰5%、激发剂0.2%、煅烧菱镁石5%及纤维增强剂2%组成。

4.根据权利要求3所述的改性地质聚合物，其特征在于，所述矿渣为粒化高炉矿渣S95矿渣，比表面积不低于400m²/kg，化学组成中化学成分中SiO₂与Al₂O₃的质量比为2.5-3。

5.根据权利要求3所述的改性地质聚合物，其特征在于，所述粉煤灰为II 级细度（45μm）为20-25%；所述硅粉为加密硅粉，其中SiO₂的含量为90%-95%；所述激发剂为NaOH、NaSiO3中的一种。

6.根据权利要求3所述的改性地质聚合物，其特征在于，所述纤维增强剂为玄武岩纤维、钢纤维、碳纤维、聚丙烯纤维、聚氯乙烯纤维、聚甲醛纤维中的一种。

7.根据权利要求1所述的改性地质聚合物海工混凝土，其特征在于，所述海砂为中砂细度模数为2.4，所述的碎石粒径为5-30mm的连续级配碎石，其压碎指标为6%。

8.根据权利要求1所述的改性地质聚合物海工混凝土，其特征在于，所述外加剂为聚羧酸高效减水剂。

9.如权利要求1-8任一项所述的改性地质聚合物海工混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）按上述重量百分数分别称取原材料，备用；

3）称取一定的激发剂和海水，加入混凝土搅拌机中搅拌1-2min,再加入煅烧菱镁石及纤维增强剂到搅拌机中搅拌1-2min，使其混合均匀；

4）用筛子将海砂中的贝壳筛去，将碎石、海砂依次加入到搅拌机内，搅拌30-60秒；再加入减水剂到搅拌机中，搅拌1-2min，制得改性地质聚合物海工混凝土。