CN111018377A - 一种提升混凝土抗裂性能的胶凝材料体系 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升混凝土抗裂性能的胶凝材料体系，包括粗磨水泥与矿物掺合料，所述粗磨水泥由硅酸盐水泥熟料和天然二水石膏组成，所述矿物掺合料为磨细粉煤灰与磨细矿渣粉。该提升混凝土抗裂性能的胶凝材料体系，通过将粗磨水泥适当增加水泥中25～60μm及>60μm粗颗粒比例，延展水泥颗粒粒度范围，形成粗细颗粒分布合理，使水泥水化过程持续有效的抗裂剂技术，利用该抗裂剂在配制混凝土时，大大提升混凝土耐久性能，同时使用该混凝土抗裂性能优异的胶凝材料体系，使地下工程混凝土的开裂、渗漏等质量通病大大减少，大大的降低了维修和运营的成本，且采用大量的利用工业废渣用作矿物掺合料，减少了工业废渣排放的环境压力。

Description

一种提升混凝土抗裂性能的胶凝材料体系

技术领域

本发明涉及混凝土领域，具体是一种提升混凝土抗裂性能的胶凝材料体系。

背景技术

我国是水泥生产和消费大国，我国经济建设对水泥混凝土需求量巨大，相应对水泥的需求基数也就大。水泥的产量近年来一直稳居世界的第一位。作为经济建设的最基本的原材料，目前国内外尚无一种材料可以替代其地位。水泥就是一种高耗能、高污染的材料与产品，我国的水泥生产，一方面面临石灰石原材料资源越来越短缺，已勘探可用石灰石资源的可持续使用不到50年；另一方面是能耗大，对环境污染不断加剧，水泥生产中，每煅烧一吨水泥熟料将向大气排放约一吨温室气体CO2，另外还排出SO2、NO酸性气体和粉尘。无疑，水泥行业是高耗能、高污染的产业，其节能减排应予以重点关注和重视。节能减排、节约资源是国家经济发展的重要国策，在经济建设中，要正确处理经济增长速度与节能减排的关系；只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。通过粗磨水泥取代部分目前细磨的水泥，可以降低水泥生产的能耗，从而落实水泥行业节能减排的任务目标的实现。许多工程建设的实践经验教训和工程材料科学研究的成果告诉我们，水泥细度的大小和其粒度分布是影响混凝土开裂性能的重要因素之一。

有研究表明导致混凝土开裂的一个不可忽视的因素是水泥质量的变化。水泥细度过细导致水泥早期水化热增加、早期化学减缩增大并且加大了水泥开裂的敏感性。本茨等人（1999）也指出水泥细度对自收缩的影响非常大。因此人们建议在配制混凝土的工程中使用粗磨水泥。从水泥细度和粒度分布的方面控制裂缝的形成和发展。裂缝是混凝土的最常见的一种缺陷，成为外部环境水分和侵蚀介质渗入或侵入的通道，会降低混凝土的抗渗性、抗冻性和抗侵蚀性，并诱发钢筋锈蚀，从而损害工程结构的承载能力、使用功能和耐久性以及使用寿命。国内一些专家经过估算指出，工程使用寿命由10年提高到50年，可节省材料五分之一；工程寿命由50年提高到100～200年，材料消耗量可以相应减少50%～75%。由此可见使用粗磨水泥配制混凝土可以延长和提高混凝土结构与建筑物的使用寿命，从而减少材料、资源、能耗的消耗。

同时，水泥细度是水泥企业用来控制产品质量的重要指标之一，水泥细度影响水泥的凝结硬化速度、强度、需水性、干缩性、水化热等一系列性能。水泥颗粒尺寸小于40μm才具有较高活性，大于90μm的颗粒几乎接近惰性，仅起填充作用。因此水泥必须控制一定的粉磨细度，水泥颗粒越细，则凝结越快，早期强度发挥快，泌水性小；但细度不能过高，否则一方面水泥的需水量和减水剂掺量大幅增加，干缩大，水化放热集中；另一方面大大降低磨机产量，增加电耗，还容易导致混凝土的早期开裂，并影响外加剂的作用效果。

随着新技术的不断创新，目前，我国水泥工业技术正处于不断发展的状态，水泥细度也在不断的变化。近年来，我国多次对水泥的比表面积进行相应的调节，增加了其相应的抗压强度，从而提高了水泥的强度要求。从经济利益出发，生产厂家为了更好地满足水泥等级要求，普遍提高了水泥的细度。目前对于水泥细度的规定比较初略，从裂缝控制角度应不超过350m2/kg，而在实际的工程中，并没有严格按照相应的施工指南和验收标准进行加工制作，从而使得混凝土在投入使用中不能达到经久耐用的标准。其主要原因是由水泥过细而造成的，水泥过细也对水泥水化和混凝土早期收缩与开裂也具有一定的影响。由于缺乏对于水泥细度定量的认识，关于水泥细度的质量控制问题，常常成为管理单位与施工单位争论的焦点。

现今水泥中早强组分越来越多，细度又没有设定上限，导致水化热增大，抗裂性、抗腐蚀性越来越差。但对混凝土裂缝的产生及耐久性也带来了不利影响。特别是“高细度、高C3S含量、高标号”所谓的“三高”水泥对混凝土产生裂缝的不利影响越来越大。高强和早强的矿物以及过大的比表面积给混凝土带来的后果已是弊大于利。对于水泥用量较多、强度等级较高的混凝土，28d后强度增长率明显下降。因此，从目前水泥颗粒组成来看，作为混凝土的主要组分，是混凝土裂缝产生的重要原因之一，严重影响了混凝土结构抵抗环境作用的耐久性能。

与砂石骨料一样，水泥粉体也应该有其合理的颗粒级配。粗细颗粒级配恰当的水泥，可获得最小用水量，并得到良好的流变性能。我国目前大多数水泥无颗粒级配可言；水泥磨得越来越细，细颗粒越来越多，水化速度很快，流动度损失加大，且与外加剂相容性越来越差；早期强度发展很快，开裂敏感性加大，后期强度增长率降低。因此，改变水泥的细度和粒度分布是实现混凝土长期性和耐久性的重点工作，同时也是缓解现今水泥在配制混凝土并服役过程中降低其劣化影响的有效、必要途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提升混凝土抗裂性能的胶凝材料体系，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种提升混凝土抗裂性能的胶凝材料体系，包括粗磨水泥与矿物掺合料，所述粗磨水泥由硅酸盐水泥熟料和天然二水石膏组成，所述矿物掺合料为磨细粉煤灰与磨细矿渣粉。

作为本发明进一步的方案：所述粗磨水泥通过行星式球磨机磨制成四个细度，且四个细度，其比表面积分别为：200m2/kg、250m2/kg、300m2/kg、350m2/kg，并通过激光粒度仪分析四个细度的粗磨水泥中25～60μm及>60μm粗颗粒占比情况。

作为本发明再进一步的方案：四个细度的粗磨水泥采用Fuller级配理论，比选出粗细颗粒级配最恰、颗粒最大堆积密度的复配方式，从而选出抗裂剂。

作为本发明再进一步的方案：所述抗裂剂采用0.50及高性能混凝土常用的0.35水胶比，按水泥净浆圆环法，测试添加抗裂剂的水泥胶凝体系的抗裂敏感性，得到抗裂性能最优的抗裂剂。

作为本发明再进一步的方案：还包括天山P.O42.5水泥，所述矿物掺合料、天山P.O42.5水泥与抗裂剂复配，组成新的胶凝体系，并配制相应的混凝土。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过将粗磨水泥适当增加水泥中25～60μm及>60μm粗颗粒比例，延展水泥颗粒粒度范围，形成粗细颗粒分布合理，使水泥水化过程持续有效的抗裂剂技术，利用该抗裂剂在配制混凝土时，大大提升混凝土耐久性能，同时使用该混凝土抗裂性能优异的胶凝材料体系，使地下工程混凝土的开裂、渗漏等质量通病大大减少，大大的降低了维修和运营的成本，且采用大量的利用工业废渣用作矿物掺合料，减少了工业废渣排放的环境压力，更为重要的是，在大量节约水泥生产能耗的同时，减少了生产水泥对环境的污染，大大减少了生产水泥向大气排放粉尘、有害气体量，形成了良好的环境效益，保持了生态环境，减少了环境污染，环境效益显著。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中，一种提升混凝土抗裂性能的胶凝材料体系，包括粗磨水泥与矿物掺合料，所述粗磨水泥由硅酸盐水泥熟料和天然二水石膏组成，且天然二水石膏的掺量为3.5%，所述矿物掺合料为磨细粉煤灰与磨细矿渣粉，所述粗磨水泥通过行星式球磨机磨制成四个细度，且四个细度，其比表面积分别为：200m2/kg、250m2/kg、300m2/kg、350m2/kg，并通过激光粒度仪分析四个细度的粗磨水泥中25～60μm及>60μm粗颗粒占比情况，四个细度的粗磨水泥采用Fuller级配理论，比选出粗细颗粒级配最恰、颗粒最大堆积密度的复配方式，并尽量扩大复合后水泥颗粒的分布范围，实现水泥颗粒参与水化反应的短期和长期持续稳定，提出性能最优的水泥熟料颗粒组成，从而选出抗裂剂，所述抗裂剂采用0.50及高性能混凝土常用的0.35水胶比，按水泥净浆圆环法，测试添加抗裂剂的水泥胶凝体系的抗裂敏感性，得到抗裂性能最优的抗裂剂，并测试此体系胶砂的收缩率，充分掌握抗裂剂中25～60μm及>60μm粗颗粒含量与此胶凝体系抗裂性能及收缩的规律，同时，研究在上述情况下此胶凝体系胶砂短期及长期力学性能的发展，为实际应用抗裂剂奠定基础，最优的抗裂剂将应用当下的高性能混凝土当中，明晰使用效果，计划设计0.40、0.35、0.30、0.25四个水胶比，应用相同细度的水泥及最优抗裂剂配置高性能混凝土，研究不同水胶比下水泥+抗裂剂混凝土的水化热、早期自生收缩、早期抗裂性能及力学性能（3d、7d、14d、28d、60d、90d），还包括天山P.O42.5水泥，所述矿物掺合料、天山P.O42.5水泥与抗裂剂复配，组成新的胶凝体系，并配制相应的混凝土，以研究此胶凝体系对混凝土抗裂性能的影响，在0.35、0.25水胶比下，磨细粉煤灰、磨细矿渣粉均设计三个掺量水平(20%、30%、40%)，研究不同掺量下单掺磨细粉煤灰的抗裂剂混凝土、单掺磨细矿渣粉的抗裂剂混凝土、磨细粉煤灰和磨细矿渣复配的抗裂剂混凝土的水化热、早期自生收缩、早期抗裂性能、及相关力学性能。采用方法包括：采用水化热测定仪测试各配合比的水化热，采用非接触式混凝土收缩变形测定仪测定分析混凝土早期自生收缩发展规律，分析受约束高性能混凝土早期开裂敏感性，并同步采用平板法试验研究各混凝土抗裂性能，并对各组配合比进行3d、7d、14d、28d、60d、90d龄期下的力学性能等，研究其性能随龄期发展变化的规律。

本提升混凝土抗裂性能的胶凝材料体系的显著效果体现在：

1、经济效益：根据以往经验，我国水泥行业年均水泥生产总能源消耗约为17600万吨。通过本项目产品的应用，预计可以产生如下经济效益：

（1）可减少水泥用量，预计最少可替代水泥用量的30%，可以节约水泥约10-13万吨；

（2）地下工程混凝土的开裂、渗漏等质量通病大大减少，预计每年可以节省3000万元的维修、运营费用。

2、社会效益：能源是经济发展的基本保障，也是温室气体排放的重要来源。随着经济的快速持续发展，中国能源消耗量与温室气体排放量逐年增加，水泥生产导致能源消耗与温室气体排放尤为突出。控制水泥行业能源消耗总量，减少工业行业温室气体排放，关系到中国经济可持续发展进程，也是中国政府需要长期应对的一个重大问题。该项目通过减少水泥生产过程中能源消耗的同时缓解现今水泥在配制混凝土并服役过程中降低其劣化影响。因此，从长期运营使用看，该项目产品的研发及在工程结构中的应用可提高成本摊薄的时间，降低维修费用，使运营成本明显降低，修补费用会大幅度下降，使综合成本大幅度降低。通过项目在市政、水利等工程建设中的应用，对促进区内混凝土行业向高性能化发展起着积极的推动作用，也会连带的引起科技、环境、居民生活质量、社会进步、社会和谐和可持续发展等方方面面产生巨大收益，社会效益显著。

3、环境效益：本项目产品抗裂剂在配制混凝土时，大大提升混凝土耐久性能，而且大量的利用工业废渣，减少了工业废渣排放的环境压力。另外，更为重要的是，在大量节约水泥生产能耗的同时，减少了生产水泥对环境的污染。水泥企业是造成温室效应的CO2和形成酸雨的SOx的排放大户。依据目前的技术经济条件，生产1吨水泥熟料，要排放粉尘20kg，排放CO21000kg，排放SOx0.74kg，排放氮氧化合物1.15kg。使用本项目产品可增加各种地方性材料开发的复合掺合料掺量从而取代水泥用量，大大减少了生产水泥向大气排放粉尘、有害气体量，形成了良好的环境效益，保持了生态环境，减少了环境污染，环境效益显著。

本发明的工作原理是：

使用时，通过将粗磨水泥适当增加水泥中25～60μm及>60μm粗颗粒比例，延展水泥颗粒粒度范围，形成粗细颗粒分布合理，使水泥水化过程持续有效的抗裂剂技术，利用该抗裂剂在配制混凝土时，大大提升混凝土耐久性能，同时使用该混凝土抗裂性能优异的胶凝材料体系，使地下工程混凝土的开裂、渗漏等质量通病大大减少，大大的降低了维修和运营的成本，且采用大量的利用工业废渣用作矿物掺合料，减少了工业废渣排放的环境压力，更为重要的是，在大量节约水泥生产能耗的同时，减少了生产水泥对环境的污染，大大减少了生产水泥向大气排放粉尘、有害气体量，形成了良好的环境效益，保持了生态环境，减少了环境污染，环境效益显著。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提升混凝土抗裂性能的胶凝材料体系，其特征在于：包括粗磨水泥与矿物掺合料，所述粗磨水泥由硅酸盐水泥熟料和天然二水石膏组成，所述矿物掺合料为磨细粉煤灰与磨细矿渣粉。

2.根据权利要求1所述的提升混凝土抗裂性能的胶凝材料体系，其特征在于：所述粗磨水泥通过行星式球磨机磨制成四个细度，且四个细度，其比表面积分别为：200m2/kg、250m2/kg、300m2/kg、350m2/kg，并通过激光粒度仪分析四个细度的粗磨水泥中25～60μm及>60μm粗颗粒占比情况。

3.根据权利要求2所述的提升混凝土抗裂性能的胶凝材料体系，其特征在于：四个细度的粗磨水泥采用Fuller级配理论，比选出粗细颗粒级配最恰、颗粒最大堆积密度的复配方式，从而选出抗裂剂。

4.根据权利要求3所述的提升混凝土抗裂性能的胶凝材料体系，其特征在于：所述抗裂剂采用0.50及高性能混凝土常用的0.35水胶比，按水泥净浆圆环法，测试添加抗裂剂的水泥胶凝体系的抗裂敏感性，得到抗裂性能最优的抗裂剂。

5.根据权利要求1或3所述的提升混凝土抗裂性能的胶凝材料体系，其特征在于：还包括天山P.O42.5水泥，所述矿物掺合料、天山P.O42.5水泥与抗裂剂复配，组成新的胶凝体系，并配制相应的混凝土。