CN111606621B - 一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土及其制备方法，该清水混凝土由水泥、石灰石粉、磨细矿渣粉、水洗偏高岭土、硅灰、海砂、河砂、碎石、高效减水剂和水制备而成。本申请就地取材，采用海砂代替部分河砂，可降低混凝土生产成本；其次，本申请采用石灰石粉代替粉煤灰，可以明显减少清水混凝土色差，改善混凝土黏度，提高混凝土匀质性；同时，本申请采用磨细矿渣粉、水洗偏高岭土和硅灰复掺的方法，可以满足海洋环境下桥梁结构用清水混凝土所需要的高强度和高耐久性能。

Description

一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土及其制备方法
技术领域
本申请涉及建筑材料领域，特别涉及一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土及其制备方法。
背景技术
海水中的各种盐离子、海水浸泡、风浪、潮汐因素等都会对混凝土产生很大的破坏作用，因此这种复杂的海洋环境就要求混凝土具备很好的耐久性。目前，海洋环境下耐久性混凝土多采用粉煤灰、矿渣粉单掺或复掺的技术路线，这种技术路线会导致混凝土表面出现色差。但随着经济社会的发展，海洋环境下的桥梁结构对混凝土的外观也在不断提出更高的要求。清水混凝土是一次成型，表面不做任何装饰，颜色均匀，表面光滑，美观，可以满足对混凝土外观的要求，然而普通清水混凝土更加注重装饰外观、防裂和防渗，对耐久性的要求相对较低，普通清水混凝土也因耐久性不足，不能在海洋环境下桥梁结构中应用。因此，有必要针对海洋环境下开发一种新型清水混凝土，既可以解决现阶段普遍存在的色差问题，也可以达到耐久性的要求。
发明内容
本申请提供一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土及其制备方法，以解决现有技术中清水混凝土因耐久性不足，不能在海洋环境下桥梁结构中应用的问题。
第一方面，本申请提供一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土，其原材料的配合比如下：
Figure BDA0002484770540000021
优选地，所采用水泥为42.5、52.5标号的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；水泥的初凝时间≥45min，终凝时间≤600min。
优选地，所采用石灰石粉为白色，含水量≤1.0wt％，比表面积为600m2/kg～750m2/kg，45μm筛余量≤15wt％，平均粒径为7.5μm～8.0μm，碳酸钙含量≥75wt％，需水量比为96％～98％，流动度比≥100％，亚甲蓝值≤1.4g/kg，7d活性指数≥60％，28d活性指数≥60％。
优选地，所采用磨细矿渣粉的比表面积为400m2/kg～450m2/kg，平均粒径为12μm～15μm，流动度比≥95％，7d活性指数≥75％，28d活性指数≥95％。
优选地，采用白色水洗偏高岭土，其平均粒径为3μm～5μm，BET比表面积为10m2/g～20m2/g；水洗偏高岭土由水洗高岭土在600℃～800℃热活化生成，其中，水洗高岭土中Al2O3含量为30wt％～40wt％，SiO2含量为40wt％～50wt％。
优选地，所采用硅灰中SiO2含量≥90wt％，平均粒径≤0.1μm，比表面积≥20000m2/kg，需水量比≤125％，28d活性指数≥90％。
优选地，所采用海砂颜色较浅，细度模数为2.5～3.0，表观密度为2600kg/m3～2680kg/m3，氯离子含量≤0.02wt％，贝壳含量≤3.0wt％。
优选地，所采用河砂的细度模数为2.5～3.5，表观密度为2600kg/m3～2650kg/m3。
优选地，所采用碎石为5mm～16mm连续级配和16mm～25mm连续级配，压碎值≤10％，表观密度为2680～2720kg/m3。
本申请提供的海洋环境下桥梁结构用清水混凝土，以胶凝材料为100wt％计，水泥占40wt％～65wt％、石灰石粉占6wt％～12wt％、磨细矿渣粉占15wt％～30wt％、水洗偏高岭土占3wt％～8wt％、硅灰占3wt％～6wt％；清水混凝土的砂率为0.40～0.48，水胶比为0.30～0.38，高效减水剂掺量为胶凝材料用量的0.8wt％～1.2wt％。
另一方面，本申请还提供了一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土的制备方法，包括以下步骤：
按上述配合比称取各原材料，先将海砂、河砂、碎石和各种粉料在搅拌锅中搅拌均匀；分2-3次将水与高效减水剂混匀后倒入搅拌锅中，继续搅拌，将搅拌好的混凝土浇筑成型、养护、拆模，得到海洋环境下桥梁结构用清水混凝土。
本申请实施例提供的一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土，原理如下：
(1)由于采用具有良好填充效应的石灰石粉取代了部分水泥，一方面减少了水泥用量，另一方面由于石灰石粉需水量小于水泥，用水量相应减少，这些均导致整个体系的反应程度随之减缓，因此增大了混凝土坍落度初始值，降低了混凝土坍落度损失，提高了混凝土工作性能。石灰石粉对水泥混凝土的影响主要与其形态效应、火山灰效应和微集料效应有关，具体表现为：石灰石粉可以作为C-S-H凝胶的成核基体，加速C3S的水化；石灰石粉中的CaCO3可以与水泥熟料中的铝相反应，并且可以与水泥水化生成的Ca(OH)2反应，加速生成碳铝酸钙；石灰石粉颗粒可以分散在水泥颗粒中，起到分散作用，促进水泥解絮，其次石灰石粉颗粒较细，可以填充在水泥颗粒和孔隙之间，使水泥石密实。
(2)本申请所采用的具有潜在水硬活性的矿渣粉在碱性环境中可以被激发，与水泥水化生成的Ca(OH)2反应生成针棒状的AFt，通过降低Ca(OH)2的含量以促进水泥水化，使水化产物增多，促进了界面过渡区的密实，提高了水泥石的强度；且矿渣粉填充在水泥颗粒之间，可以置换出其中的水分，使拌合物表面水分增大，改善了浆体的流动性。
(3)水洗高岭土粒径较小，颜色偏白，结晶度较高，水洗高岭土热活化生成的水洗偏高岭土是一种高活性的非晶相，粒径小，比表面积大，其中的Si相和Al相可以与水泥水化生成的Ca(OH)2反应，通过降低Ca(OH)2的含量以促进水泥水化，提高水化凝胶的含量和混凝土密实度，细化孔隙结构，明显提高混凝土的早期强度、后期强度和耐久性，但降低混凝土的坍落度。
(4)本申请采用的硅灰中含有很多高活性SiO2，具有良好的火山灰作用，且粒径更小，比表面积更大，在水泥基材料中的作用与水洗偏高岭土相近，同样可以消耗水泥水化生成的Ca(OH)2，通过降低Ca(OH)2的含量以促进水泥水化，改善混凝土内部孔隙，提高混凝土密实度、早期强度、后期强度和耐久性，但也会导致降低混凝土的坍落度。
(5)本申请采用石灰石粉、磨细矿渣粉、水洗偏高岭土和硅灰复掺的方法制备的清水混凝土，工作性能、自收缩性能、干缩性能、力学性能和耐久性能明显改善，其中石灰石粉和磨细矿渣粉可改善混凝土工作性，水洗偏高岭土和硅灰可以提高混凝土的早期强度、后期强度和耐久性，四种掺合料之间可以相互弥补不足，复掺时制备的清水混凝土性能优于各自单掺时制备的清水混凝土性能。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
(1)本申请以聚羧酸高效减水剂为母液，并辅掺增稠剂、消泡剂、引气剂、纤维素醚和水配制出的高效减水剂，可起到控制和调节混凝土黏度、气泡含量以及增强混凝土保坍性能的作用。
(2)本申请采用的石灰石粉来源广，原材料资源丰富，可以很好地取代粉煤灰，弥补粉煤灰资源短缺的问题，并且石灰石粉颜色较浅，色泽相对均一，可以解决因粉煤灰密度小，颜色深，色差大，品质参差不齐造成的清水混凝土存在色差的问题，对清水混凝土的进一步发展提供了条件。
(3)高岭土是一种自然资源，储量丰富，热活化生成的偏高岭土火山灰活性高，是一种新型的绿色矿物掺合料，其中水洗高岭土颜色较浅，多为白色，煤系高岭土颜色较深，大多为黑灰色，与煤系高岭土相比，水洗高岭土粒径更小，比表面积更大，更适合减少清水混凝土色差，有利于高岭土的进一步发展和利用。
(4)采用海砂代替部分河砂作为细集料，不仅可以实现就地取材，减少河砂运输成本，降低混凝土生产成本，并且与河砂相比，海砂颜色较浅，更有利于制备清水混凝土。
(5)采用石灰石粉、磨细矿渣粉、水洗偏高岭土、硅灰和高效减水剂复掺制备的清水混凝土，其工作性能明显得到改善，混凝土的坍落度提高，混凝土坍落度损失降低，既保证了海洋环境下桥墩用清水混凝土的外观和色泽，又保证了海洋环境下桥墩用清水混凝土的力学性能和耐久性能。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请配制清水混凝土的关键点在于选用合适的矿物掺合料以及控制混凝土的黏度。矿物掺合料是混凝土的重要组成之一，与水泥相比，矿物掺合料粒径较小，比表面积较大，用来取代水泥时，不仅可以降低混凝土生产成本和水化热，还可以明显改善混凝土的孔结构，提高混凝土的耐久性能。其中粉煤灰是一种玻璃微珠，在水泥混凝土中可以发挥三种效应，包括形态效应、火山灰效应和微集料效应，可以显著改善混凝土的工作性能，提高混凝土的和易性，因此被广泛应用于清水混凝土中。然而，粉煤灰是煤燃烧过程中的产物，在粉煤灰生产过程中会造成大气污染，甚至破坏生态环境，这就导致粉煤灰的来源受限，不能满足混凝土生产的需求，并且粉煤灰材料性质参差不齐，颜色深，密度小，易浮于混凝土表面，造成混凝土色泽不均匀。
石灰石粉是以碳酸钙为主要成分的粉磨石灰石，掺入水泥混凝土中，加快水泥水化，与水泥熟料中的铝相和水泥水化生成的氢氧化钙反应，并且具有形态效应和填充效应，可以改善混凝土的工作性，降低混凝土黏度和水化热，减小混凝土坍落度损失，但由于其活性较低，可能导致混凝土的早期强度降低；磨细矿渣粉、水洗偏高岭土和硅灰具有较高的活性，可以明显提高混凝土的力学性能和耐久性能，其中磨细矿渣粉、水洗偏高岭土和硅灰的掺入还可以增加混凝土的黏度。另外，在高效减水剂中复配一些增稠剂、消泡剂、引气剂和纤维素醚可以进一步控制和调节混凝土的黏度，增强混凝土粘聚性和保水性，降低泌浆的概率，大幅提高色泽的均匀性。
此外，由于海洋地理位置往往远离内陆，河砂的运输成本会导致混凝土的生产成本增加，因此需要寻找可以替代河砂的细集料。与河砂相比，海砂的级配与河砂相近，但含有较多的氯盐和贝壳，会对混凝土工作性、强度和耐久性造成不利影响，使钢筋锈蚀，限制其在混凝土中的应用，但经过淡化处理的海砂中氯盐和贝壳的含量可以得到控制，满足《海砂混凝土应用技术规范》(JGJ206-2010)的要求。同时，上述矿物掺合料对氯离子有很强的固化能力，可以进一步降低海砂的使用对混凝土产生的不利影响，并且我国海砂储量丰富，用来取代河砂，不仅可以解决河砂紧缺的问题，而且海砂价格便宜，降低因远离内陆造成的运输成本，具有很高的经济效益和应用前景。
本申请利用石灰石粉+矿渣粉的掺合料体系的代替粉煤灰，辅助掺加水洗偏高岭土和硅灰提升耐久性，并且采用高效减水剂调节黏度的方法来制备清水混凝土，混凝土黏度值宜控制在1900～2200MPa.s之间。
本申请采用的高效减水剂由聚羧酸高效减水剂母液(40wt％～45wt％)、增稠剂(1wt％～2wt％)、消泡剂(0.01wt％～0.03wt％)、引气剂(0.4wt％～0.6wt％)、纤维素醚(5wt％～10wt％)和水(45wt％～50wt％)组成，制成的高性能高效减水剂的减水率≥30wt％；其中，聚羧酸高效减水剂母液由丙烯酸、甲基烯丙醇聚氧乙烯醚、过硫酸铵和亚磷酸钠组成，烯酸与甲基烯丙醇聚氧乙烯醚的重量比为8％～12％，过硫酸铵含量为0.5wt％～0.8wt％，亚磷酸钠含量为1.0wt％～1.3wt％。
实施例1
本实施例中，水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥；石灰石粉为400目，碳酸钙含量为99wt％，密度为2.70g/cm3，流动度比96.9％；矿渣粉流动度比为120.4％，密度为2.95g/cm3，比表面积为469kg/m2；水洗偏高岭土由北海高岭土热活化生成，平均粒径为4.02μm，BET比表面积13.56m2/g；硅灰中SiO2含量为95wt％，比表面积为22437m2/kg；海砂细度模数为2.60，氯离子含量为0.015wt％，贝壳含量为2.8wt％；河砂细度模数为2.52，海砂与河砂的重量比为1:2；碎石采用花岗岩，5mm～16mm和16mm～25mm连续级配，其中，5mm～16mm级配碎石与16mm～25mm级配碎石的重量比为0.67；高效减水剂采用苏博特公司生产的聚羧酸高效减水剂。
本实施例提供一种海洋环境下C40桥墩用清水混凝土，其制备方法如下：
1)海洋环境下C40桥墩用清水混凝土的原材料及其配合比如表1-1所示；
2)按表1-1所示配合比称取各原材料，先将海砂、河砂、碎石和各种粉料投入搅拌机中混合均匀，搅拌时间为30s，然后将水和高效减水剂加入搅拌机中混合均匀，搅拌时间为2min，得到黏度为1960MPa.s的拌合料；最后将拌合料浇筑成型、养护、拆模，即得到海洋环境下C40桥墩用清水混凝土。
实施例1中制备的海洋环境下C40桥墩用清水混凝土性能测试结果如表1-2所示。
表1-1实施例1制备的C40桥墩用清水混凝土的配合比(kg/m3)
Figure BDA0002484770540000091
表1-2实施例1制备的C40桥墩用清水混凝土的工作性能和力学性能
Figure BDA0002484770540000101
表1-3实施例1制备的C40桥墩用清水混凝土56d耐久性能
Figure BDA0002484770540000102
表1-1、表1-2和表1-3结果表明，复掺石灰石粉、磨细矿渣粉、水洗偏高岭土、硅灰和高效减水剂制备的清水混凝土工作性能好，并且可以满足需要的力学性能和耐久性能。本申请制备的桥墩颜色均匀，气泡少，表面光滑。本申请利用复合掺合料体系制备的清水混凝土适应范围广泛，可依据现场施工实际，通过适当调整石灰石粉、矿渣粉、偏高岭土和硅灰的掺量，制备不同强度等级、不同工作性能、符合现场施工要求的清水混凝土。
实施例2
本实施例中，水泥为P.O52.5普通硅酸盐水泥；石灰石粉为600目，碳酸钙含量为99wt％，密度为2.78g/cm3，流动度比为100.2％；矿渣粉流动度比为118.6％，密度为2.97g/cm3，比表面积为465kg/m2；水洗偏高岭土为茂名偏高岭土，平均粒径为3.88μm，BET比表面积为18.06m2/g；硅灰中SiO2含量为93wt％，比表面积为22356m2/kg；海砂细度模数为2.58，氯离子含量为0.008wt％，贝壳含量为2.7wt％；河砂细度模数为3.30，湿砂含水率为6wt％～6.5wt％，海砂与河砂的重量比为1:2；碎石为5mm～16mm和16mm～25mm连续级配，5mm～16mm级配碎石与16mm～25mm级配碎石的重量比为0.43；高效减水剂采用柯之杰公司生产的聚羧酸高效减水剂。
本实施例提供一种海洋环境下C45桥墩用清水混凝土，其制备方法如下：
1)海洋环境下C45桥墩用清水混凝土的原材料及其配合比如表1-1所示；
2)按表2-1所示配合比称取各原材料，先将海砂、河砂、碎石和各种粉料投入搅拌机中混合均匀，搅拌时间为30s，然后将水和高效减水剂加入搅拌机中混合均匀，搅拌时间为2min，得到黏度为1990MPa.s的拌合料；最后将拌合料浇筑成型、养护、拆模，即得到海洋环境下C45桥墩用清水混凝土。
实施例2中制备的海洋环境下C45桥墩用清水混凝土性能测试结果如表2-2所示。
表2-1实施例2制备的C45桥墩用清水混凝土配合比(kg/m3)
Figure BDA0002484770540000111
表2-2实施例2制备的C45桥墩用清水混凝土工作性能和力学性能
Figure BDA0002484770540000112
表2-3实施例2制备的C45桥墩用清水混凝土56d耐久性能
Figure BDA0002484770540000113
表2-1、表2-2和表2-3结果表明，复掺石灰石粉、磨细矿渣粉、水洗偏高岭土、硅灰和高效减水剂制备的清水混凝土既能满足工作性能要求，又可以满足需要的力学性能和耐久性能要求，制备的桥墩色差明显变小，气泡减少，表面光滑。本申请利用复合掺合料体系制备的清水混凝土适应范围广泛，可依据现场施工实际，通过适当调整石灰石粉、矿渣粉、水洗偏高岭土和硅灰的掺量，改变清水混凝土的黏度，以满足实际施工需要。
对比例1
除了不添加石灰石粉、水洗偏高岭土和硅灰，添加了粉煤灰，其他条件同实施例1。
对比例2
除了不添加水洗偏高岭土，其他条件同实施例1。
对比例3
除了不添加海砂，细集料全部为河砂，其他条件同实施例1。
实施例1及对比例1～3制备的清水混凝土配合比如表3-1所示。
表3-1实施例1及对比例1～3制备的清水混凝土配合比(kg/m3)
Figure BDA0002484770540000121
Figure BDA0002484770540000131
对对比例1～3制备的C40清水混凝土的抗压强度、冻融循环、电通量和氯离子扩散系数进行测试，测试项目及相应的试验数据如表3-2所示。
表3-2实施例1与对比例1～3制备的C40清水混凝土力学性能和56d耐久性能
Figure BDA0002484770540000132
对比例1为粉煤灰+矿渣粉制备的普通清水混凝土，对比实施例1与对比例1可知，采用本申请的矿物掺合料体系制备的清水混凝土的各龄期抗压强度明显提高，且耐久性能也明显改善。对比例2为未掺水洗偏高岭土制备的清水混凝土，对比实施例1与对比例2可知，水洗偏高岭土的掺入可以提高清水混凝土各龄期抗压强度，相应的耐久性能也得到改善。对比例3为未掺海砂制备的清水混凝土，对比实施例1与对比例3可知，用海砂取代部分河砂制备的清水混凝土力学性能和耐久性能与全部由河砂制备的清水混凝土力学性能和耐久性能相近。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土，其特征在于，其原材料的配合比如下：
Figure FDA0003402171440000011
或者其原材料的配合比如下：
Figure FDA0003402171440000012
Figure FDA0003402171440000021
2.根据权利要求1所述的一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土，其特征在于：所述水泥为42.5、52.5标号的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；所述水泥的初凝时间≥45min，终凝时间≤600min。
3.根据权利要求1所述的一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土，其特征在于：所述石灰石粉为白色，含水量≤1.0wt％，比表面积为600m2/kg～750m2/kg，45μm筛余量≤15wt％，平均粒径为7.5μm～8.0μm，碳酸钙含量≥75wt％，需水量比为96％～98％，流动度比≥100％，亚甲蓝值≤1.4g/kg，7d活性指数≥60％，28d活性指数≥60％。
4.根据权利要求1所述的一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土，其特征在于：所述磨细矿渣粉的比表面积为400m2/kg～450m2/kg，平均粒径为12μm～15μm，流动度比≥95％，7d活性指数≥75％，28d活性指数≥95％。
5.根据权利要求1所述的一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土，其特征在于：所述水洗偏高岭土为白色，平均粒径为3μm～5μm，BET比表面积为10m2/g～20m2/g；所述水洗偏高岭土由水洗高岭土在600℃～800℃热活化生成，其中，水洗高岭土中Al2O3含量为30wt％～40wt％，SiO2含量为40wt％～50wt％。
6.根据权利要求1所述的一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土，其特征在于：所述硅灰中SiO2含量≥90wt％，平均粒径≤0.1μm，比表面积≥20000m2/kg，需水量比≤125％，28d活性指数≥90％。
7.根据权利要求1所述的一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土，其特征在于：所述海砂的细度模数为2.5～3.0，表观密度为2600kg/m3～2680kg/m3，氯离子含量≤0.02wt％，贝壳含量≤3.0wt％。
8.根据权利要求1所述的一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土，其特征在于：所述河砂的细度模数为2.5～3.5，表观密度为2600kg/m3～2650kg/m3。
9.根据权利要求1所述的一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土，其特征在于：所述5mm～16mm级配碎石与16mm～25mm级配碎石的重量比为0.4～0.7，所述碎石压碎值≤10％，表观密度为2680～2720kg/m3。
10.一种海洋环境下桥梁结构用清水混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按权利要求1～9任一项所述的配合比称取各原材料，先将海砂、河砂、碎石和各种粉料在搅拌锅中搅拌均匀；分2-3次将水与高效减水剂混匀后倒入搅拌锅中，继续搅拌，将搅拌好的混凝土浇筑成型、养护、拆模，得到海洋环境下桥梁结构用清水混凝土。
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