CN110885218B

CN110885218B - 一种低温升、低收缩、高抗裂、高耐久碾压混凝土及其制备方法

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Publication number: CN110885218B
Application number: CN201911330065.1A
Authority: CN
Inventors: 李文伟; 陆超
Original assignee: China Three Gorges Corp
Current assignee: China Three Gorges Corp
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: CN110885218A

Abstract

本发明涉及一种低温升、低收缩、高抗裂、高耐久碾压混凝土及其制备方法。该碾压混凝土所有组分按重量份数计如下：低热硅酸盐水泥60‑80份、粉煤灰89‑114份、砂740‑771份、石1486‑1514份、减水剂0.89‑1.18份。本发明较传统中热硅酸盐水泥碾压混凝土，具有良好的工作性能、力学性能和耐久性能，同时混凝土绝热温升更低、自生体积变形收缩小甚至呈现微膨胀特性、温控防裂能力显著改善，可进一步简化温控措施、降低工程成本，同时可实现高温季节施工、低温季节逐步取消冷却水管，技术经济效益显著。

Description

一种低温升、低收缩、高抗裂、高耐久碾压混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土工程新技术应用领域，尤其是一种低温升、低收缩、高抗裂、高耐久碾压混凝土及其制备方法。

背景技术

碾压混凝土筑坝技术始于上世纪80年代，迄今经历了大量的探索、研究与工程实践，因其施工快、工期短、资费低等特点，一直备受水电坝工界的青睐。但传统碾压混凝土选用中热硅酸盐水泥，施工过程中采取薄层摊铺、不间断碾压升层，导致混凝土内外部温差明显，易产生温度裂缝。主要原因如下：一方面所用水泥的水化热偏高，易导致水化热在内部聚集；另一方面这种快速施工方式，主要依靠层间散热以及埋设冷却水管控温，但一般工程最高温度比环境气温高，层面散热效果不佳，国内中小型碾压混凝土坝施工通常被迫选取低温季节施工来解决，无法充分发挥碾压混凝土快速施工等技术优势。

低热硅酸盐水泥具有低水化热的独有特点，但因其生产技术难度较大、早期强度低、施工经验不足等问题，近些年经反复试验、局部试应用、多方论证，仅在常态混凝土中应用，并无成功应用于碾压混凝土的先例。低热硅酸盐水泥对碾压混凝土性能的改善、对施工工艺的影响等方面尚不明确，导致国内中小型碾压混凝土坝从设计到施工依然采用中热硅酸盐水泥的方案，延缓了这一新技术的推广应用。

发明内容

鉴于上述现有生产技术的不足，本发明的目的在于依托低热硅酸盐水泥，提出一种低温升、低收缩、高抗裂、高耐久碾压混凝土及其制备方法，其制备的碾压混凝土自生体积变形收缩小，甚至呈现微膨胀特性、温控防裂能力显著改善，工作性能好、力学性能和耐久性能良好。

本发明采用以下技术方案：

一种低温升、低收缩、高抗裂、高耐久碾压混凝土，其特征在于，所述碾压混凝土所有组分按重量份数计如下：低热硅酸盐水泥60-80份，粉煤灰89-114份，砂740-771份，石1486-1514份，减水剂0.89-1.18份，水80-89份，减水剂0.89-1.18份。

优选地，所述低热硅酸盐水泥对比表面积、水化热等指标优化后，取代中热硅酸盐水泥创新性地应用于碾压混凝土，取得了低收缩甚至微膨胀、低温升等性能优化。控制水泥比表面积不大于340m²/kg，3d水化热分别不大于220kJ/kg、7d水化热分别不大于250kJ/kg。GB/T 200-2017提出比表面积不小于250m²/kg，因水泥细度对其抗压强度和水化热影响较大，水泥越细、比表面积越大时，水化作用越快，28d抗压强度越高；但细度越细，早期水化热越大，不利于温度控制，同时不仅在磨细过程中消耗更多能量，增加成本，且会增加水泥需水量，对抗裂性不利。综合考虑比表面积对水泥强度、水化热等性能影响，提出了控制上限值340m²/kg。提出3d、7d水化热分别不大于220kJ/kg、250kJ/kg，基于水泥熟料比例控制，优化C₂S、C₃S含量，进一步降低水化热以降低温控压力。所述低热硅酸盐水泥MgO含量控制在3.5％-5％；低热硅酸盐水泥一般在2％-3％。实际工程研究表明：更高的MgO含量，有利于混凝土呈现微膨胀特性，能显著补充收缩变形，为混凝土高抗裂性奠定基础。

优选地，所述粉煤灰提出了控制碱含量宜不大于2.7％的要求。GB/T 1596-2017中并无粉煤灰碱含量的明确要求，因碱骨料反应周期长、影响大，应予以重视。本发明结合实际工程应用经验，从安全性角度出发，增补控制该指标，取得较好的效果。

优选地，所述为天然砂或人工砂均可，其中人工砂由碎石加工制得，同时质地坚硬，级配良好，细度模数为2.6±0.2。同时控制石粉(d≤0.16mm的颗粒)含量为16％～24％，其中d≤0.08mm的微粒含量为6％～12％。结合实际工程经验，石粉含量偏高混凝土粘度增大显著，微粒含量亦不宜过大，均在原标准要求的基础上，控制指标进行了适当优化，对工作性能的提升效果显著；天然砂细度模数为2.2～2.8，含泥量应不大于5％。

优选地，所述石为二级配、三级配或四级配，天然或人工骨料均可。

更进一步优选地，二级配的组合按体积比中石：小石为(50～55):(45～50)；三级配的组合按体积比大石：中石：小石为(25～35)：(35～45)：(25～35)；四级配的组合按体积比特大石：大石：中石：小石为(15～25)：(25～35)：(25～35)：(15～25)，所述特大石粒径为80mm～150mm，大石粒径为40mm～80mm，中石粒径为20mm～40mm：小石粒径为5mm～20mm。

进一步优选地，所述的减水剂为按折固含量计碱含量低于5％、经优选的低碱型萘磺酸盐甲醛缩合物。一方面提高了碾压混凝土施工性能，同时较低的碱含量有利于降低后期碾压混凝土的碱骨料反应风险，相比使用传统普通减水剂对混凝土的施工性能和耐久性的提升具有更大的有益效果。

优选地，所述碾压混凝土还包括按重量份计如下组分：引气剂0.010-0.058份。

进一步优选地，所述引气剂是以二乙烯三胺为起始剂，氢氧化钠为催化剂，升温至90～120℃反应15～25min，加入环氧乙烷，110～120℃反应1～2小时后，再次升温至130～150℃，加入环氧丙烷继续反应1～3小时，降温至100℃以下得到引气剂，二乙烯三胺和氢氧化钠的质量比为1000:(1～3)，二乙烯三胺、环氧乙烷、环氧丙烷的质量比为1:(3.5-4.5):(5.5-6.5)。引气剂具有多臂结构的高效引气剂，可以在混凝土中引入细密的气泡，并且气泡的稳定性极佳，可以使得混凝土具有更优异的气孔结构和参数，更有利于提升混凝土的抗渗和抗冻融性能，从而提升混凝土的耐久性和服役寿命。

更进一步优选地，所述碾压混凝土还包括按重量份计如下组分：减缩剂0.75-1.94份。

再更进一步优选地，所述减缩剂为聚醚型减缩剂。有助于进一步控制体积变形，与低热硅酸盐水泥微膨胀特性耦合叠加，确保混凝土自生体积变形呈现微膨胀。

所述碾压混凝土制备方法，步骤如下：

(1)将低热硅酸盐水泥、粉煤灰、砂和石按比例干拌得到混合物；

(2)将减水剂、引气剂、减缩剂、水进行混合，得到悬浊液；

(3)将步骤(2)中的悬浊液倒入步骤(1)所得混合物中，进行搅拌得到所述低热硅酸盐水泥碾压混凝土。

优选地，所述步骤(3)中搅拌选自落式拌和机，则搅拌时间为110s-130s；所述步骤(3)中搅拌选强制式拌和机，则搅拌时间为70s-80s。依据施工经验，采用低热硅酸盐水泥制备碾压混凝土，搅拌时间较中热硅酸盐水泥应适当延长。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明依托某工程前期采用低热水泥制备碾压混凝土过程中，因单位用水量降低导致VC值波动、现场可碾压变差，不利于施工。本工艺配方通过提高粉煤灰掺量(最高可达到65％)、严格控制骨料石粉含量(16％～24％)及微粉含量(6％～12％)、采用减水效果更佳的高效减水剂(减水率＞22％)、引入气泡细密且稳定的高效引气剂(气泡平均直径90-95μm、气泡间距系数115-135)等手段结合现场情况优化了VC值，解决了可碾性不佳的问题，更易于现场施工。

2、降低水化温升、提高抗裂性：与传统中热硅酸盐水泥碾压混凝土对比，因低热硅酸盐水泥具有早期强度发展慢、后期强度高、水化放热迟缓且总量低的优势，采用90d或180d作为设计龄期，低热硅酸盐水泥碾压混凝土后期强度发展快，采用较少的胶凝材料总量即可满足设计强度要求，进而同等水胶比下可降低用水量，改善混凝土性能。本发明提供的混凝土用水量降低4kg/m³-6kg/m³，胶凝材料用量降低8kg/m³-10kg/m³，28d绝热温升值降低2.3℃-2.8℃，180d自生体积变形微膨胀，达到10×10^-6以上，抗裂性能显著提升，有利于简化温控措施。

3、提高施工进度：传统中热硅酸盐水泥碾压混凝土因层面散热缓慢，浇筑分层厚度一般为1.5m～3.0m，本发明提供的混凝土因发热量低，层面散热需求小，可加大浇筑分层厚度至3.0m～6.0m，有效提升了混凝土浇筑速度；同时减少了水平施工缝，有利于改善混凝土层间结合质量，进一步提高了施工进度。

4、解决施工区环境条件的限制：传统中热硅酸盐水泥碾压混凝土通常选择在低温季节或低温时段施工，以缓解温控压力，降低温控成本。本发明提供的低热硅酸盐水泥碾压混凝土可有效解决温控压力，较设计提出的最高温度富裕5～6℃，其中高、低温季节设计提出最高温度分别为31℃和32℃，现场高温季节应用68d最高温度仅25.5℃，现场低温季节应用81d最高温度仅25.8℃。因此不受施工区环境条件的限制，可实现高温季节施工，低温季节取消冷却水管，并已成功应用于干热河谷气候地区，取得了良好的效果。

5、降低施工成本：本发明提供的混凝土可显著降低施工成本，并降低因混凝土开裂导致的维修风险，经济效益显著，宜推广应用。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明作进一步详细的阐述，但本发明的实施方式并不局限于实施例表示的范围。这些实施例仅用于说明本发明，而非用于限制本发明的范围。

实施例1

一种低温升、低收缩、高抗裂、高耐久碾压混凝土按重量份计组分如下：低热硅酸盐水泥60份、粉煤灰89份、砂740份、石1514份、减水剂0.89份、引气剂0.045份、减缩剂0.75份、水82份，每份为1kg，如表1所示。

所述低热硅酸盐水泥比表面积332m²/kg，MgO含量4.7％，3d、7d水化热分别为194kJ/kg、234kJ/kg；

所述粉煤灰碱含量为0.9％；砂为灰岩骨料加工制得，细度模数为2.71；

所述石中d≤0.16mm的颗粒含量为19％，其中d≤0.08mm的微粒含量为8％，

所述石为三级配，大石(40mm-80mm)、中石(20mm-40mm)、小石(5mm-20mm)，体积比为30：40：30。

所述减水剂为按折固含量计碱含量低于5％，为低碱型萘磺酸盐甲醛缩合物；

所述引气剂是以二乙烯三胺为起始剂，氢氧化钠为催化剂，升温至110℃反应18min，加入环氧乙烷，115℃反应1.5小时后，再次升温至140℃，加入环氧丙烷继续反应2.5小时，降温至100℃以下得到引气剂，二乙烯三胺和氢氧化钠的质量比为1000:2，二乙烯三胺、环氧乙烷、环氧丙烷的质量比为1:3:4.5；

所述的减缩剂是聚醚型减缩剂，满足JC/T 2361-2016的要求。

表1 C₉₀15F100W8三级配低热硅酸盐水泥碾压混凝土配合比

水泥	粉煤灰	砂	碎石	减水剂	引气剂	减缩剂	水
								60	89	740	1514	0.89	0.045	0.75	82

按如下步骤制备碾压混凝土：(1)将水泥、粉煤灰、砂和碎石按比例干拌30s；(2)按比例将称量精确的减水剂、引气剂、减缩剂、水进行混合，得到悬浊液。(3)将步骤(2)中的悬浊液倒入步骤(1)所得混合物中，搅拌120s后出料。根据SL352-2006对低热硅酸盐水泥碾压混凝土的VC值、抗压强度、弹性模量、极限拉伸值、自生体积变形、绝热温升、抗冻和抗渗性能进行对比结果见表2。

表2低热硅酸盐水泥碾压混凝土性能检测结果

实施例2

不同点在于采用中热硅酸盐水泥替代低热硅酸盐水泥，其他与实施例1相同。中热硅酸盐水泥比表面积338m²/kg，MgO含量4.2％，3d、7d水化热分别为239kJ/kg、280kJ/kg。

表3 C₉₀15F100W8三级配中热硅酸盐水泥碾压混凝土配合比

水泥	粉煤灰	砂	碎石	减水剂	引气剂	减缩剂	水
								63	94	734	1501	0.94	0.047	0.75	86

表4中热硅酸盐水泥碾压混凝土性能检测结果

由表1和表3可知，满足现场施工要求下，相比同条件传统的中热硅酸盐水泥碾压混凝土，采用低热硅酸盐水泥用水量降低4kg/m³，胶凝材料总量降低8kg/m³，减水剂相对降低了5.6％，可大大节约工程成本，经济效益显著。

由表2和表4可知，采用低热硅酸盐水泥碾压混凝土，工作性能更佳，VC值降低至2.0，现场反应更易于施工；改性后的低热硅酸盐水泥微膨胀性能显著，180d自生体积变形量提高4.7×10^﹣6；采用低水化热的水泥，28d绝热温升值降低2.3℃，可极大缓解温控压力；两种碾压混凝土90d龄期下抗压强度、弹性模量、抗冻和抗渗性能相当。

实施例3

不同点在于不包括减水剂，其他与实施例1相同。

现场试验表明，不添加减水剂，碾压混凝土拌合性能极差，不易于成型，无法满足施工要求。

实施例4

不同点在于不包括引气剂，其他与实施例1相同。

低热硅酸盐水泥60份g、I级粉煤灰89份、人工砂740份、碎石1514份、减水剂0.89份、减缩剂0.75份、生活用水82份，如表1所示。

所述低热硅酸盐水泥比表面积326m²/kg，MgO含量4.5％，3d、7d水化热分别为200kJ/kg、242kJ/kg；

所述I级粉煤灰碱含量为0.8％；人工砂为灰岩骨料加工制得，细度模数为2.68；

所述碎石中d≤0.16mm的颗粒含量为21％，其中d≤0.08mm的微粒含量为9％，所述碎石为三级配，大石(40mm-80mm)、中石(20mm-40mm)、小石(5mm-20mm)，体积比为30：40：30。

所述减水剂为按折固含量计碱含量低于5％、减水剂为低碱型萘磺酸盐甲醛缩合物；

表5 C₉₀15F100W8三级配低热硅酸盐水泥碾压混凝土配合比

水泥	粉煤灰	砂	碎石	减水剂	减缩剂	水
							60	89	740	1514	0.89	0.75	82

按如下步骤制备碾压混凝土：(1)将水泥、粉煤灰、砂和碎石按比例干拌30s；(2)按比例将称量精确的缓凝型高效减水剂、减缩剂、水进行混合，得到悬浊液。(3)将步骤(2)中悬浊液倒入步骤(1)所得混合物中，搅拌110s后出料。根据SL352-2006对低热硅酸盐水泥碾压混凝土的VC值、抗压强度、弹性模量、极限拉伸值、自生体积变形、绝热温升、抗冻和抗渗性能进行对比结果见表2。

表6低热硅酸盐水泥碾压混凝土性能检测结果

由表2和表6可知，采用低热硅酸盐水泥碾压混凝土，不加引气剂，VC值显著升高至3.1，不易于施工；因缺少引气剂引入均匀的小气泡，抗冻性能降低，抗冻等级仅达到F75，同时未引气气泡，混凝土更密实，抗压强度、弹性模量略有提高，绝热温升值因该批次水泥的水化热偏高，表现出绝热温升值上升，其他性能基本相当。

实施例5

不同点在于不包括减缩剂，其他与实施例1相同。

低热硅酸盐水泥60份g、I级粉煤灰89份、人工砂740份、碎石1514份、减水剂0.89份、引气剂0.045份、生活用水82份，如表7所示。

所述低热硅酸盐水泥比表面积326m²/kg，MgO含量4.4％，3d、7d水化热分别为197kJ/kg、235kJ/kg；

所述I级粉煤灰碱含量为0.7％；人工砂为灰岩骨料加工制得，细度模数为2.66；所述碎石中d≤0.16mm的颗粒含量为21％，其中d≤0.08mm的微粒含量为8％，所述碎石为三级配，大石(40mm-80mm)、中石(20mm-40mm)、小石(5mm-20mm)，体积比为30：40：30。

表7 C₉₀15F100W8三级配低热硅酸盐水泥碾压混凝土配合比

水泥	粉煤灰	砂	碎石	减水剂	引气剂	水
							60	89	740	1514	0.89	0.045	82

按如下步骤制备碾压混凝土：(1)将水泥、粉煤灰、砂和碎石按比例干拌30s；(2)按比例将称量精确的减水剂、引气剂、水进行混合，得到悬浊液。(3)将步骤(2)中的悬浊液倒入步骤(1)所得混合物中，搅拌120s后出料。

根据SL352-2006对低热硅酸盐水泥碾压混凝土的VC值、抗压强度、弹性模量、极限拉伸值、自生体积变形、绝热温升、抗冻和抗渗性能进行对比结果见表2。

表8低热硅酸盐水泥碾压混凝土性能检测结果

由表2和表8可知，采用低热硅酸盐水泥碾压混凝土，不加减缩剂，因减缩剂有部分增强效果，抗压强度、弹性模量均略有提高；自生体积变形因低热硅酸盐水泥本身的作用依然呈现微膨胀，但缺少减缩剂后，膨胀值略有降低，其他性能基本相当。

实施例6

在实施例1的基础上，所述低热硅酸盐水泥碾压混凝土还按重量份计组分如下：羧甲基壳聚糖1.5份，其中羧甲基壳聚糖重均分子量为90-150万、脱乙酰度大于89％，如表9所示。

表9 C₉₀15F100W8三级配低热硅酸盐水泥碾压混凝土配合比

水泥	粉煤灰	砂	碎石	减水剂	引气剂	减缩剂	羧甲基壳聚糖	水
									60	89	740	1514	0.89	0.045	0.75	1.5	82

按如下步骤制备碾压混凝土：(1)将水泥、粉煤灰、砂和碎石按比例干拌30s；(2)按比例将称量精确的减水剂、减缩剂、引气剂、羧甲基壳聚糖、水进行混合，得到悬浊液。(3)将步骤(2)中的悬浊液倒入步骤(1)所得混合物中，搅拌120s后出料。

表10低热硅酸盐水泥碾压混凝土性能检测结果

由表2和表10可知，添加羧甲基壳聚糖之后，与混凝土中的碱性物料(氢氧化钠、氢氧化钙)形成网络结构可以包裹住引气剂形成的气泡，气泡的稳定性极佳，可以使得混凝土具有更优异的气孔结构和参数，同时羧甲基壳聚糖与多臂结构的长分子链材料引气剂进行复合，引入了羟基亲水基团，可以对混凝土中的胶凝材料低热水泥进行包覆，进而改善施工拌合物和易性，另外羧甲基壳聚糖是属于多糖类物质，粘性较大，与细骨料充分的融合交联，改善混凝土骨料界面与浆体的密实度，进而提高整体的屈服应力，对改善混凝土的早期强度也有一定的效果。

Claims

1.一种低温升、低收缩、高抗裂、高耐久碾压混凝土，其特征在于，所述碾压混凝土包括按重量份计如下组分：低热硅酸盐水泥60-80份，粉煤灰89-114份，砂740-771份，石1486-1514份，水80-89份，减水剂0.89-1.18份，引气剂0.010-0.058份，减缩剂0.75-1.94份；所述低热硅酸盐水泥的比表面积不大于340m²/kg，3d水化热不大于220kJ/kg，7d水化热不大于250kJ/kg；

MgO含量控制在3.5%-5%；

所述粉煤灰碱含量不大于2.7%；

所述砂为天然砂或人工砂，其中人工砂由碎石加工制得，细度模数为2.4~2.8，d≤0.16mm 的颗粒含量为16%~24%，d≤0.08mm的颗粒含量为6%~12%；天然砂细度模数为2.2~2.8，含泥量不大于5%；所述石为二级配、三级配或四级配；所述二级配的组合按体积比中石：小石为（50~55）:（45~50）；三级配的组合按体积比大石：中石：小石为（25~35）：（35~45）：（25~35）；四级配的组合按体积比特大石：大石：中石：小石为（15~25）：（25~35）：（25~35）：（15~25），所述特大石粒径为80mm~150mm，大石粒径为40mm~80mm，中石粒径为20mm~40mm：小石粒径为5mm~20mm；

引气剂是以二乙烯三胺为起始剂，氢氧化钠为催化剂，升温至90～120℃反应15～25min，加入环氧乙烷，110～120℃反应1～2小时后，再次升温至130～150℃，加入环氧丙烷继续反应1～3小时，降温至100℃以下得到引气剂，二乙烯三胺和氢氧化钠的质量比为1000:(1～3)，二乙烯三胺、环氧乙烷、环氧丙烷的质量比为1:（3.5-4.5）:（5.5-6.5）。

2.根据权利要求1所述的碾压混凝土，其特征在于：所述减水剂为按折固含量计碱含量低于5%。

3.权利要求1-2任意一项所述碾压混凝土的制备方法，步骤如下：

（1）将低热硅酸盐水泥、粉煤灰、砂和石干拌得到混合物；

（2）将减水剂、引气剂、减缩剂、水进行混合，得到悬浊液；

（3）将步骤（2）中的悬浊液倒入步骤（1）所得混合物中，进行搅拌得到所述低温升、低收缩、高抗裂、高耐久碾压混凝土。