CN110407541A - 一种用于水工大体积抗裂混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于水工大体积抗裂混凝土及其制备方法，所述用于水工大体积抗裂混凝土的组分包括：水泥、粉煤灰、膨胀剂、水、砂、碎石、减水剂；其中，各组分质量配比为：水泥5‑10％，粉煤灰2‑4％，膨胀剂1‑2％，水5‑10％，砂28‑32％，碎石50‑55％，减水剂0.05‑0.1％，各组分质量百分比总和满足100％。本发明的用于水工大体积抗裂混凝土的抗压、劈拉强度相对于由传统U型膨胀剂制成的补偿收缩混凝土有明显的提升、且抗裂性能明显增强。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土材料技术领域，特别是指一种用于水工大体积抗裂混凝土及其制备方法。
背景技术
国内外大体积水工结构工程实践表明，水工大体积混凝土在养护过程和水库蓄水前后常因多种原因产生裂缝，其中开裂的主要原因是因为混凝土在浇筑之后会产生体积的收缩，根据引起的收缩变形因素不同，混凝土的收缩变形可以分为：塑性收缩、干燥收缩、温度收缩及自收缩等。
干燥收缩：混凝土在停止养护之后，在未饱和的空气中因水分散失而产生的体积的收缩。混凝土的干燥收缩的时间较长。在大体积混凝土的干缩变形主要集中在浇筑完成之后的7-180d。
温度收缩：混凝土随着温度下降而发生的收缩变形。对水工大体积混凝土，温度收缩是其发生开裂的最主要的原因。
自收缩：混凝土在与外界无物质交换的条件下，胶凝材料的水化反应引起毛细孔负压和内部相对湿度降低而导致混凝土体积的减小。自收缩主要发生在混凝土水化的早期，3d自收缩量能达到28d的60％左右。
大体积混凝土如碾压混凝土坝在浇筑完成之后不可避免的发生混凝土收缩，严重的甚至导致混凝土开裂，降低混凝土的耐久性能，当大坝内部钢筋通过裂缝处，就会因长期经受漏水而产生锈蚀对坝体的安全稳定性造成影响。
针对大体积混凝土因收缩开裂问题，有较多的工程解决方案，各有利弊。补偿收缩混凝土是近些年来发展迅速的抗裂防渗材料，它在普通混凝土中掺入膨胀剂，利用其膨胀产生的预压应力来抵消一部分混凝土硬化期间产生的收缩，同时反应生成的膨胀源等化学产物可以填充混凝土内部形成的微小缝隙，改善混凝土的微观结构，增加其致密性，进而减少混凝土裂缝的产生和发展，提高了混凝土的耐久性能，上述性质决定了补偿收缩混凝土在水利行业中有着良好的应用前景。目前国内常使用的膨胀剂分为：硫铝酸钙类、氧化镁、氧化钙等。
硫铝酸钙类膨胀剂是目前使用最为广泛的一种，其膨胀源是膨胀剂水化时形成的钙凡石晶体(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)，此类膨胀剂最主要的特点是早期膨胀量大，膨胀主要集中在3-14d，可以在混凝土早期建立一定的预压应力以抵消混凝土早期的收缩，但对水工大体积混凝土浇筑后期的温度收缩并没有明显的补偿作用。
氧化钙膨胀剂主要的膨胀源是水化反应生成的氢氧化钙(Ca(OH)2)。此类膨胀剂的特点是膨胀主要发生在浇筑完成后的7d之内，但膨胀剂水化反应受温度及湿度等环境影响十分敏感，因此不适用于大体积混凝土。
氧化镁膨胀剂主要膨胀源为水化反应生成的氢氧化镁(Mg(OH)2)。此类膨胀剂的特点是具有一定的延迟性膨胀，对于补偿水工大体积混凝土后期的温度收缩与干燥收缩具有较好的效果，但对于早期混凝土的收缩抑制效果不佳。氧化镁的掺量受到体积安定性的限制，一般要求掺量不得高于胶凝材料总量的5％。
单掺硫铝酸钙类膨胀剂只能对早期收缩进行补偿，而大体积混凝土的收缩开裂并不仅仅是由于上述单一收缩原因造成的，大体积混凝土在浇筑完成后不同龄期产生收缩的原因也不同，早期裂缝(1-7d)主要因为干燥收缩、温度收缩与自收缩等，中期裂缝(7-180d)主要因为温度收缩与干燥收缩，180d之后主要因为温度收缩。工程实践表明，大体积混凝土开裂主要发生在早期养护阶段和中期温度收缩阶段，已有多个工程中补偿收缩混凝土失效的案例。对于大体积混凝土既要考虑早期的自收缩、干燥收缩和温度收缩又要考虑中期的温度收缩及干燥收缩，单掺一种膨胀剂并不能满足实际的工程需要。如何使补偿收缩混凝土在工程全过程中正常发挥抗收缩功能是急需解决的一个重要工程问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于水工大体积抗裂混凝土及其制备方法，以解决现有的补偿收缩混凝土的抗裂性能不足的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于水工大体积抗裂混凝土，所述用于水工大体积抗裂混凝土的组分包括：水泥、粉煤灰、膨胀剂、水、砂、碎石、减水剂；其中，各组分质量配比为：水泥5-10％，粉煤灰2-4％，膨胀剂1-2％，水5-10％，砂28-32％，碎石50-55％，减水剂0.05-0.1％，各组分质量百分比总和满足100％。
可选地，所述水泥为42.5级普通硅酸盐水泥。
可选地，所述粉煤灰为F类Ⅰ级粉煤灰。
可选地，所述膨胀剂包括UEA膨胀剂和MgO膨胀剂。
可选地，所述砂为非活性天然河砂，其细度模数为2.4-2.8，平均粒径为0.35-0.5mm。
可选地，所述碎石包括粒径为5mm-20mm的非活性碎石和粒径为20mm-40mm的非活性碎石；其中，粒径为5mm-20mm的非活性碎石和粒径为20mm-40mm的非活性碎石的掺量分别为40％和60％。
可选地，所述减水剂为FDN-C高效减水剂。
优选地，所述用于水工大体积抗裂混凝土中的各组分的单方混泥土用量为：水泥214kg/m3，粉煤灰60kg/m3，UEA膨胀剂15kg/m3，MgO膨胀剂15kg/m3，水140kg/m3，砂711kg/m3，碎石1283kg/m3，减水剂2.09kg/m3。
相应地，为解决上述技术问题，本发明还提供一种上述用于水工大体积抗裂混凝土的制备方法，所述制备方法依次包括以下步骤：
步骤一、将水泥、粉煤灰、膨胀剂在搅拌机中充分混合；
步骤二、向搅拌机中加入砂和碎石并充分搅拌，搅拌时间不少于2分钟；
步骤三、将粉状减水剂溶于水中，制成溶液，然后将制成的溶液缓慢倒入搅拌机，并充分搅拌均匀。
进一步地，所述制备方法在制备过程中环境温度高于0℃。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明的用于水工大体积抗裂混凝土的抗压强度、劈拉强度相对于传统单掺U型膨胀剂的补偿收缩混凝土有明显的提升，早期限制膨胀率满足规范《混凝土外加剂应用技术规范》要求，中期膨胀率明显高于传统单掺U型膨胀剂的补偿收缩混凝土，该混凝土极大程度的限制了混凝土中期的收缩，提高了混凝土的全龄期抗裂性能，减少了裂缝的产生。
附图说明
图1为本发明的用于水工大体积抗裂混凝土与U型膨胀剂补偿收缩混凝土的抗压强度对比图；
图2为本发明的用于水工大体积抗裂混凝土与U型膨胀剂补偿收缩混凝土的劈拉强度对比图；
图3为本发明的用于水工大体积抗裂混凝土与U型膨胀剂补偿收缩混凝土的限制膨胀率对比图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本实施例提供一种用于水工大体积抗裂混凝土，所述用于水工大体积抗裂混凝土的组分包括：水泥、粉煤灰、膨胀剂、水、砂、碎石、减水剂；其中，各组分质量配比为：水泥5-10％，粉煤灰2-4％，膨胀剂1-2％，水5-10％，砂28-32％，碎石50-55％，减水剂0.05-0.1％，各组分质量百分比总和满足100％。
其中，所述水泥为42.5级普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为F类Ⅰ级粉煤灰；所述膨胀剂包括UEA膨胀剂和MgO膨胀剂；所述砂为非活性天然河砂，其细度模数为2.4-2.8，平均粒径为0.35-0.5mm，砂应质地坚硬、清洁、级配良好；所述碎石包括粒径为5mm-20mm的非活性碎石和粒径为20mm-40mm的非活性碎石；其中，粒径为5mm-20mm的非活性碎石和粒径为20mm-40mm的非活性碎石的掺量分别为40％和60％；所述减水剂为FDN-C高效减水剂。
本实施例的用于水工大体积抗裂混凝土的制备方法依次包括以下步骤：
步骤一、先将水泥、粉煤灰、膨胀剂等胶凝材料在搅拌机中充分混合；
步骤二、加入砂、碎石等骨料并充分搅拌，搅拌时间不少于2分钟；
步骤三、将粉状减水剂按厂家浓度要求溶于水中，制成溶液，然后将制成的溶液缓慢倒入搅拌机，并充分搅拌均匀。
进一步地，所述制备方法在制备过程中环境温度应高于0℃；并应尽量在混凝土初凝前完成浇筑工作，终凝后方可拆模；混凝土制作要求应满足《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB50081-2002)和《混凝土结构工程施工规范》(GB50666-2011)。
具体地，本实施例的用于水工大体积抗裂混凝土的各组分要求明细如下：
1、水泥
本实施例的水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，根据《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)标准要求，按《水泥比表面积测定方法-勃氏法》(GB/T8074-2008)、《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T1346-2011)、《水泥胶砂强度检验方法ISO法》(GB/T17671-1999)和《水泥密度测定方法》(GB/T208-2014)对本实施例中使用的水泥样品进行比表面积、凝结时间、安定性、强度等级、密度检验，水泥样品的各项物理指标均达标，结果如表一所示。
表一 水泥物理指标
2、粉煤灰
本实施例的粉煤灰采用F类Ⅰ级粉煤灰，根据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596-2005)对F类Ⅰ级粉煤灰的技术要求，按《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596-2005)、《水泥密度测定方法》(GB/T 082014)和《水泥化学分析方法》(GB/T 176-2008)对本实施例所用的粉煤灰的细度、需水量比、烧失量、含水量、密度、SO3含量进行检验，按《水泥化学分析方法》(GB/T176-1996)对本实施例中使用的粉煤灰样品的碱含量进行检验，粉煤灰样品各项指标均符合要求，检测结果如表二所示。
表二 粉煤灰物理指标
3、膨胀剂
本实施例的膨胀剂采用UEA膨胀剂和MgO膨胀剂，UEA膨胀剂根据《混凝土膨胀剂》(GB23439-2009)，MgO膨胀剂根据《混凝土用氧化镁膨胀剂》(CBMF19-2017)，分别对本实施例中使用的膨胀剂样品的限制膨胀率、抗压强度、细度、凝结时间进行检验，膨胀剂样品各项指标均符合要求，检测结果如表三和表四所示。
表三 UEA膨胀剂物理指标
表四 MgO膨胀剂物理指标
4、减水剂
本实施例的减水剂采用FDN-C高效减水剂(粉状)，根据《混凝土外加剂》(GB8076-2008)及《混凝土外加剂均质性检验方法》(GB/T8077-2012)对本实施例中使用的减水剂样品进行减水率、泌水率比、含气量、凝结时间差、抗压强度比、密度、PH值、氯离子含量、碱含量检验，减水剂样品各项指标均符合要求，检测结果如表五所示。
表五 减水剂物理指标
5、细骨料
本实施例的混凝土采用天然河砂(非活性)，根据《水工混凝土施工规范》(SL677-2014)对细骨料的品质要求，按《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)，对本实施例中使用的细骨料样品进行细度模数、含泥量、泥块含量、表观密度、饱和面干密度、吸水率进行检验，细骨料样品各项指标均符合要求，检测结果如表六所示。
表六 细骨料物理指标
6、粗骨料
本实施例的混凝土所用粗骨料为非活性碎石，粒径采用5mm-20mm(掺量40％)、20mm-40mm(掺量60％)二级配。根据《水工混凝土施工规范》(SL677-2014)对粗骨料的品质要求，按《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)，对本实施例中使用的粗骨料样品的含泥量、泥块含量、堆积密度、紧密密度、中径筛余量、吸水率、超逊径进行检验，粗骨料样品各项指标均符合要求，检测结果如表七所示。
表七 粗骨料物理指标
优选地，本实施例的用于水工大体积抗裂混凝土的配合比设计如下表：
表八 用于水工大体积抗裂混凝土配合比设计表
表九 单方混凝土用量表(kg/m3)
其中，各组分材料的品质要求如下：
水泥：标号为P.O42.5的普通硅酸盐水泥。
粉煤灰：符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GBT 1596-2005)中技术要求。
膨胀剂：根据膨胀率及强度试验，采用工程中最常用的UEA膨胀剂和MgO膨胀剂，限制膨胀率需满足表十，同时需符合《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119-2013)13节中的技术要求。
表十 补偿收缩混凝土限制膨胀率
减水剂：建议使用萘系高效减水剂FDN-C，应符合《混凝土外加剂》(GB8076-2008)中的技术要求。
1、混凝土配制强度确定
根据《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)附录A水工混凝土配合比设计方法，混凝土配制强度按下式计算：
fcu，0＝fcu，k+tσ
式中：
fcu，0——混凝土配制强度(MPa)；
fcu，k——混凝土设计龄期的设计抗压强度(MPa)；
t——保证率系数，由给定的保证率P选定；
σ——混凝土立方体抗压强度标准差(MPa)。
本实施例混凝土设计抗压强度为25MPa，设计龄期为28d，抗压强度保证率P取95％，取概率系数t＝1.645，取立方体抗压强度标准差σ＝4.0，得：
fcu，0＝25+1.645*4＝31.58MPa
2、水胶比
根据混凝土应达到设计要求的强度等级及耐久性要求，混凝土符合《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)，初选水胶比为0.4，0.45，0.5进行配合比试验，由水胶比与28天强度相关性曲线，推出水胶比为0.47的二级配补偿收缩混凝土。
3、粉煤灰及外加剂
依据实际工程需要，补偿收缩混凝土粉煤灰掺量选择20％，粉状减水剂掺量为0.7％。
4、砂率
根据选定的骨料(粗细骨料按照水利标准SL352-2006时，均以饱和面干状态计)，按照在水胶比为0.47和胶凝材料用量保持不变条件下，通过砂率的变化，混凝土拌和物坍落度较大、拌和物和易性好，所对应的最优砂率为37％。
5、用水量
根据骨料最大粒径、坍落度、外加剂、粉煤灰掺量以及最优砂率通过试拌，确定单方混凝土用水量为140kg/m3。
6、砂、石料用量
依据《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)，砂、石料用量由已确定的用水量、胶凝材料用量和砂率，根据绝对体积法计算，公式如下：
砂料用量：
ms＝Vs，gSvρs
石料用量：
mg＝Vs，g(1-Sv)ρg
式中：
Vs，g——砂、石的绝对体积，m3
mw——每立方米混凝土用水量，kg
mc——每立方米混凝土水泥用量，kg
mp——每立方米混凝土掺合料用量，kg
ms——每立方米混凝土砂料用量，kg
mg——每立方米混凝土石料用量，kg
α——混凝土含气量
Sv——体积砂率
ρw——水的密度，kg/m3
ρc——水泥密度，kg/m3
ρp——掺合料密度，kg/m3
ρs——砂料饱和面干密度密度，kg/m3
ρg——石料饱和面干密度密度，kg/m3
对本发明的用于水工大体积抗裂混凝土和传统U型补偿收缩混凝土分别进行抗压、劈拉、限制膨胀率试验，所得试验数据如表十一、十二、十三。
表十一 混凝土抗压试验数据
表十二 混凝土劈拉试验数据
表十三 混凝土限制膨胀率试验数据
本实施例的用于水工大体积抗裂混凝土的早期劈拉强度和抗压强度相对于传统单掺U型膨胀剂的补偿收缩混凝土有明显的提升，对比结果如图1和图2所示；早期限制膨胀率满足规范《混凝土外加剂应用技术规范》要求；中期膨胀率明显高于传统U型膨胀剂的补偿收缩混凝土，两种混凝土限制膨胀率对比如图3所示，本实施例的用于水工大体积抗裂混凝土极大程度的限制了混凝土中期的收缩，提高了混凝土的全龄期抗裂性能，减少了裂缝的产生。
此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
还需要说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于水工大体积抗裂混凝土，其特征在于，所述用于水工大体积抗裂混凝土的组分包括：水泥、粉煤灰、膨胀剂、水、砂、碎石、减水剂；其中，各组分质量配比为：水泥5-10％，粉煤灰2-4％，膨胀剂1-2％，水5-10％，砂28-32％，碎石50-55％，减水剂0.05-0.1％，各组分质量百分比总和满足100％。
2.如权利要求1所述的用于水工大体积抗裂混凝土，其特征在于，所述水泥为42.5级普通硅酸盐水泥。
3.如权利要求1所述的用于水工大体积抗裂混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为F类Ⅰ级粉煤灰。
4.如权利要求1所述的用于水工大体积抗裂混凝土，其特征在于，所述膨胀剂包括UEA膨胀剂和MgO膨胀剂。
5.如权利要求1所述的用于水工大体积抗裂混凝土，其特征在于，所述砂为非活性天然河砂，其细度模数为2.4-2.8，平均粒径为0.35-0.5mm。
6.如权利要求1所述的用于水工大体积抗裂混凝土，其特征在于，所述碎石包括粒径为5mm-20mm的非活性碎石和粒径为20mm-40mm的非活性碎石；其中，粒径为5mm-20mm的非活性碎石和粒径为20mm-40mm的非活性碎石的掺量分别为40％和60％。
7.如权利要求1所述的用于水工大体积抗裂混凝土，其特征在于，所述减水剂为FDN-C高效减水剂。
8.如权利要求4所述的用于水工大体积抗裂混凝土，其特征在于，所述用于水工大体积抗裂混凝土中的各组分的单方混泥土用量为：水泥214kg/m3，粉煤灰60kg/m3，UEA膨胀剂15kg/m3，MgO膨胀剂15kg/m3，水140kg/m3，砂711kg/m3，碎石1283kg/m3，减水剂2.09kg/m3。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的用于水工大体积抗裂混凝土的制备方法，其特征在于，所述制备方法依次包括以下步骤：
步骤一、将水泥、粉煤灰、膨胀剂在搅拌机中充分混合；
步骤二、向搅拌机中加入砂和碎石并充分搅拌，搅拌时间不少于2分钟；
步骤三、将粉状减水剂溶于水中，制成溶液，然后将制成的溶液缓慢倒入搅拌机，并充分搅拌均匀。
10.如权利要求9所述的用于水工大体积抗裂混凝土的制备方法，其特征在于，所述制备方法在制备过程中环境温度高于0℃。
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