CN111635195A - 一种海水海砂混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种海水海砂混凝土及其制备方法，属于混凝土材料技术领域。本发明以海砂作为骨料，以礁石粉作为主要胶凝材料，提高混凝土的抗压强度，以海水作为水化反应水；同时添加减水剂提高混凝土的致密性，而致密性的提高能够有效阻止氯离子的侵蚀，进而增强混凝土的抗氯离子渗透性能；利用硅粉与矿渣共同填充水泥材料之间的缝隙，进一步增强混凝土的致密性，并辅以纤维增强，再利用混凝土防腐阻锈剂进一步阻隔氯离子对钢筋的腐蚀。本发明通过控制原料的规格和配比，得到的海水海砂混凝土具有较高的致密性，能够减少氯离子对钢筋的侵蚀，提高混凝土结构的耐久性。

Description

一种海水海砂混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土材料技术领域，尤其涉及一种海水海砂混凝土及其制备方法。
背景技术
随着海洋工程和沿海工程建设的快速发展，远离陆地的岛礁和沿海工程建设也越来越多。以水泥为主要胶凝材料的混凝土凭其原材料来源丰富、制备工艺简单、生产成本低、力学性能稳定等一系列优点，已发展成为用量最多、使用范围最广的建筑材料，也是目前海工建设的主要建筑材料。然而随着重大工程建设、高层大跨、有特殊功能要求的重要建筑结构不断出现，对混凝土结构的力学性能和耐久性的要求也越来越高，所以实现混凝土材料的更高强度以及更好的耐久性，是海洋工程稳步发展的重大需求。
海砂作为建筑用砂存在两面性：一方面用海砂取代或部分取代河砂，可以缓解河砂缺乏现象，“变废为宝”；另一方面，海砂中含盐，对钢筋混凝土有破坏作用。氯盐对钢筋的腐蚀是制约海砂、珊瑚作为骨料推广应用的主要原因，海工混凝土及其制品的优劣，主要是由于氯离子扩散渗透，造成钢筋锈蚀、劣化、失效的结果。钢筋混凝土结构如果必须使用海砂时，首先要严格进行除盐处理，使其氯离子含量低于0.02％才能使用。但是，由于未经处理的海砂的价格仅为河砂的1/3～1/4，而按照规定对氯离子含量超标的海砂进行淡化处理不仅费时费力，而且会导致成本大幅提高。
专利号为CN106904910A的发明专利公开了一种利用高石粉含量机制砂制备的抗裂耐蚀海工混凝土，它由水泥、硅灰、粉煤灰微珠、碎石、机制砂、仿钢纤维、减水剂、侵蚀性离子抑制剂、内养护减缩功能材料和水制备而成。该海工混凝土采用的是内陆混凝土常用的材料，未能充分利用海砂和海水，在远海作业时，成本高。
专利号为CN108002785的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，以此来改善海水海砂混凝土的护筋性能。但该方法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，以上方法均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的破坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海水海砂混凝土及其制备方法，所述海水海砂混凝土具有高致密性，能够抵抗海水、海砂、礁石粉等内的有害离子的侵入，减少氯离子对钢筋的侵蚀，提高混凝土结构的耐久性。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种海水海砂混凝土，包括以下质量百分含量的制备原料：
海水5～15％、海砂10～30％、礁石粉20～35％、减水剂0.1～2％、矿渣10～30％、粉煤灰5～10％、硅粉5～10％、纤维0.5～5％、水泥5～15％、混凝土防腐阻锈剂1～2％。
优选的，所述海砂的组成细度模数为2.4，所述海砂包括中砂和细砂，所述中砂和细砂的质量比为1:(1～4)。
优选的，所述礁石粉的粒径为200目。
优选的，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂、奈系减水剂或氨基磺酸系减水剂。
优选的，所述矿渣的型号为S95或S115，所述矿渣的比表面积≥6000cm2/g，所述矿渣的成分包括CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3。
优选的，所述粉煤灰为I级粉煤灰，所述粉煤灰的45μm筛余量为20～25％。
优选的，所述硅粉的比表面积为20万cm2/g，所述硅粉中SiO2的含量为90～95％。
优选的，所述纤维为钢纤维、碳纤维和聚丙烯纤维中的一种或两种。
优选的，所述水泥为P.O52.5水泥或PⅡ52.5水泥。
本发明提供了上述技术方案所述海水海砂混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将海砂、礁石粉、减水剂、矿渣、粉煤灰、硅粉、纤维、水泥和混凝土防腐阻锈剂混合，得到干料；
将所述干料与海水混合，发生水化反应，得到海水海砂混凝土。
本发明提供了一种海水海砂混凝土，包括以下质量百分含量的制备原料：海水5～15％、海砂10～30％、礁石粉20～35％、减水剂0.1～2％、矿渣10～30％、粉煤灰5～10％、硅粉5～10％、纤维0.5～5％、水泥5～15％、混凝土防腐阻锈剂1～2％。本发明以海砂作为骨料，以礁石粉作为主要胶凝材料，提高混凝土浆体的屈服应力和塑性粘度，提高混凝土的抗压强度，以海水作为水化反应水；同时添加减水剂提高混凝土的致密性，而致密性的提高能够有效阻止氯离子的侵蚀，进而增强混凝土的抗氯离子渗透性能，同时致密性的提高还能够提高混凝土的力学性能；利用硅粉与矿渣共同填充水泥材料之间的缝隙，进一步增强混凝土的致密性，并辅以纤维增强，提高混凝土的抗压抗折性能，再利用混凝土防腐阻锈剂进一步阻隔氯离子对钢筋的腐蚀。本发明通过控制原料的规格和配比，得到的海水海砂混凝土具有较高的致密性，制备的混凝土标准试件力学性能优于普通混凝土，能够抵抗海水、海砂、礁石粉等内的有害离子的侵入，减少氯离子对钢筋的侵蚀，提高混凝土结构的耐久性。
本发明充分利用海砂、海水和礁石粉，能显著降低混凝土的成本，而且，普通水化热时间在12h达到高峰，而本发明所述海水还少混凝土能够延长水化热至19h，能够避免混凝土受热膨胀，增强了混凝土的力学性能。
具体实施方式
本发明提供了一种海水海砂混凝土，包括以下质量百分含量的制备原料：
海水5～15％、海砂10～30％、礁石粉20～35％、减水剂0.1～2％、矿渣10～30％、粉煤灰5～10％、硅粉5～10％、纤维0.5～5％、水泥5～15％、混凝土防腐阻锈剂1～2％。
在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
以质量百分含量计，本发明提供的海水海砂混凝土的制备原料包括海水5～15％，优选为8～12％，更优选为9～10％。本发明利用海水作为水化反应用水。
以质量百分含量计，本发明提供的海水海砂混凝土的制备原料包括海砂10～30％，优选为15～25％，更优选为18～23％，进一步优选为20％。在本发明中，所述海砂的组成细度模数优选为2.4，所述海砂优选包括中砂和细砂，所述中砂和细砂的质量比优选为1:(1～4)，更优选为1:(2～3)。本发明利用海砂作为混凝土的骨料。
以质量百分含量计，本发明提供的海水海砂混凝土的制备原料包括礁石粉20～35％，优选为25～30％。在本发明中，所述礁石粉的粒径优选为200目。礁石是造礁石珊瑚群死后其遗骸构成的岩体风化后形成的产物，其主要成分是碳酸钙，礁石粉一般来源于航道疏浚、岛礁建设后产生的固体废弃物，本发明利用礁石粉作为主要胶凝材料。本发明通过控制礁石粉的掺入量，保证混凝土浆体的屈服应力和塑性粘度，提高混凝土的抗压强度，尤其是3d抗压强度；此外，本发明通过加入礁石粉可以显著降低水泥水化放热峰值，且礁石粉掺量越大，水化放热峰值降低的越明显，礁石粉的加入能明显推迟水泥水化放热达到峰值的时间。本发明采用礁石粉取代部分水泥，不仅可以减轻远海工程对大陆原材料的依赖，也对减少水泥用量、提升混凝土的生态化具有重要意义。
以质量百分含量计，本发明提供的海水海砂混凝土的制备原料包括减水剂0.1～2％，优选为0.5～1.5％，更优选为0.8～1.2％，进一步优选为1.0％。在本发明中，所述减水剂优选为聚羧酸高效减水剂、奈系减水剂或氨基磺酸系减水剂；所述聚羧酸高效减水剂优选为聚羧酸减水剂8020或聚羧酸减水剂109，所述萘系减水剂优选为萘磺酸盐甲醛缩合物，所述氨基磺酸系减水剂优选为木糖醇改性氨基磺酸。本发明利用减水剂提高混凝土的施工性能和硬化性能，节约水泥，降低能耗，提高混凝土的致密性，而致密性的提高能够有效阻止氯离子的侵蚀，进而增强混凝土的抗氯离子渗透性能，同时致密性的提高还能够提高混凝土的力学性能。
以质量百分含量计，本发明提供的海水海砂混凝土的制备原料包括矿渣10～30％，优选为15～25％，更优选为20％。在本发明中，所述矿渣的粒径优选为5～10μm；所述矿渣的型号优选为S95或S115，所述矿渣的比表面积优选≥6000cm2/g，所述矿渣的成分优选包括CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3，其含量依次优选为35％、32％、12％和6％。本发明利用矿渣填充水泥材料之间的缝隙。
以质量百分含量计，本发明提供的海水海砂混凝土的制备原料包括粉煤灰5～10％，优选为6～9％，更优选为7～8％。在本发明中，所述粉煤灰优选为I级粉煤灰，所述粉煤灰的45μm筛余量优选为20～25％，更优选为22～24％。
以质量百分含量计，本发明提供的海水海砂混凝土的制备原料包括硅粉5～10％，优选为6～9％，更优选为7～8％。在本发明中，所述硅粉的比表面积优选为20万cm2/g，所述硅粉中SiO2的含量优选为90～95％。本发明利用硅粉与矿渣共同填充水泥材料之间的缝隙。
以质量百分含量计，本发明提供的海水海砂混凝土的制备原料包括纤维0.5～5％，优选为1～4％，更优选为2～3％。在本发明中，所述纤维优选为钢纤维、碳纤维和聚丙烯纤维中的一种或两种；当所述纤维为上述中的两种时，本发明对不同种类纤维的配比没有特殊的限定，任意配比均可。本发明利用纤维作为增强材料，提高混凝土的抗压抗折性能，提高混凝土的抗压、抗裂强度。
以质量百分含量计，本发明提供的海水海砂混凝土的制备原料包括水泥5～15％，优选为8～12％，更优选为9～10％。在本发明中，所述水泥优选为P.O52.5水泥或PⅡ52.5水泥。
以质量百分含量计，本发明提供的海水海砂混凝土的制备原料包括混凝土防腐阻锈剂1～2％，优选为1.2～1.8％，更优选为1.5～1.6％。在本发明中，所述混凝土防腐阻锈剂优选包括MNF-D混凝土防腐剂、H-503混凝土防腐剂或COR混凝土防腐剂。本发明所述混凝土防腐阻锈剂可以进一步阻隔氯离子对钢筋的腐蚀。
本发明提供了上述技术方案所述海水海砂混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将海砂、礁石粉、减水剂、矿渣、粉煤灰、硅粉、纤维、水泥和混凝土防腐阻锈剂混合，得到干料；
将所述干料与海水混合，发生水化反应，得到海水海砂混凝土。
本发明将海砂、礁石粉、减水剂、矿渣、粉煤灰、硅粉、纤维、水泥和混凝土防腐阻锈剂混合，得到干料。在本发明中，所述混合优选在混凝土搅拌机中进行；所述混合的过程优选为先将海砂、礁石粉、矿渣、粉煤灰、硅粉、水泥和混凝土防腐阻锈剂投入到混凝土搅拌机中搅拌5～10min使物料充分混合，然后向所得混合物料中加入减水剂和纤维，继续搅拌10～20min，得到干料。在本发明中，所述搅拌的转速优选为50～200r/min。
得到干料后，本发明将所述干料与海水混合，发生水化反应，得到海水海砂混凝土。本发明优选将所述海水加入到干料中，继续进行搅拌5～20min，得到海水海砂混凝土，在所述搅拌过程中，发生水化反应，在水化反应过程中，原料中的氧化钙与水发生放热反应，形成混凝土。本发明对所述水化反应的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。
以下实施例中，所用海砂的组成细度模数为2.4，所述海砂包括中砂和细砂，所述中砂和细砂的质量比为1:3；所用礁石粉的粒径为200目；所用矿渣的粒径为8μm，矿渣的比表面积≥6000cm2/g，所述矿渣的成分包括CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O，其含量依次为35％、32％、12％和6％；所用粉煤灰为I级粉煤灰，所述粉煤灰的45μm筛余量为25％；所用硅粉的比表面积为20万cm2/g，所述硅粉中SiO2的含量为90％；
实施例1
原料配比：
海水100g，海砂300g，礁石粉300g，聚羧酸高效减水剂(8020)2.5g，矿渣(S95)150g，粉煤灰80g，硅粉70g，纤维(聚丙烯纤维)15g，P.O5.25水泥100g，混凝土防腐阻锈剂(型号为H-503)12g。
制备方法：
将称好的海砂、礁石粉、矿渣、粉煤灰、硅粉、水泥和混凝土防腐阻锈剂投入到混凝土搅拌机中搅拌10min(转速为100r/min)，然后向所得混合物料中加入聚羧酸高效减水剂和纤维，继续搅拌20min停止搅拌，得到干料；
称取海水并投入混凝土搅拌机中，继续搅拌20min(发生水化反应)，得到海水海砂混凝土。
性能测试
根据《混凝土强度检验评定标准》GB/T50107-2010记载的方法，对本实施例制备的海水海砂混凝土进行性能测试，结果表明，该混凝土的28天抗压强度＞60Mpa，流动性280mm，氯离子扩散系数＜4×10-8cm/s。
在制备所述海水海砂混凝土过程中发现，该实施例能够将水化热延长至18h，最高温度为60℃。
实施例2
原料配比：
海水120g，海砂350g，礁石粉300g，聚羧酸高效减水剂(8020)3g，矿渣(S115)150g，粉煤灰80g，硅粉65g，纤维50g(钢纤维和聚乙烯纤维，二者质量比为3:1)、P.O5.25水泥150g、混凝土防腐阻锈剂(型号为COR)15g。
制备方法：
将称好的海砂、礁石粉、矿渣、粉煤灰、硅粉、水泥和混凝土防腐阻锈剂投入到混凝土搅拌机中搅拌8min(转速为150r/min)，然后向所得混合物料中加入聚羧酸高效减水剂和纤维，继续搅拌15min停止搅拌，得到干料；
称取海水并投入混凝土搅拌机中，继续搅拌10min(发生水化反应)，得到海水海砂混凝土。
性能测试
根据《混凝土强度检验评定标准》GB/T50107-2010记载的方法，对本实施例制备的海水海砂混凝土进行性能测试，结果表明，该混凝土的28天抗压强度＞75Mpa，流动性220mm，氯离子扩散系数＜4×10-8cm/s。
在制备所述海水海砂混凝土过程中发现，该实施例能够将水化热延长至19h，最高温度65℃。
以上所述仅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)

1.一种海水海砂混凝土，其特征在于，包括以下质量百分含量的制备原料：
海水5～15％、海砂10～30％、礁石粉20～35％、减水剂0.1～2％、矿渣10～30％、粉煤灰5～10％、硅粉5～10％、纤维0.5～5％、水泥5～15％、混凝土防腐阻锈剂1～2％。
2.根据权利要求1所述的海水海砂混凝土，其特征在于，所述海砂的组成细度模数为2.4，所述海砂包括中砂和细砂，所述中砂和细砂的质量比为1:(1～4)。
3.根据权利要求1所述的海水海砂混凝土，其特征在于，所述礁石粉的粒径为200目。
4.根据权利要求1所述的海水海砂混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂、奈系减水剂或氨基磺酸系减水剂。
5.根据权利要求1所述的海水海砂混凝土，其特征在于，所述矿渣的型号为S95或S115，所述矿渣的比表面积≥6000cm2/g，所述矿渣的成分包括CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3。
6.根据权利要求1所述的海水海砂混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为I级粉煤灰，所述粉煤灰的45μm筛余量为20～25％。
7.根据权利要求1所述的海水海砂混凝土，其特征在于，所述硅粉的比表面积为20万cm2/g，所述硅粉中SiO2的含量为90～95％。
8.根据权利要求1所述的海水海砂混凝土，其特征在于，所述纤维为钢纤维、碳纤维和聚丙烯纤维中的一种或两种。
9.根据权利要求1所述的海水海砂混凝土，其特征在于，所述水泥为P.O 52.5水泥或PⅡ52.5水泥。
10.权利要求1～9任一项所述海水海砂混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将海砂、礁石粉、减水剂、矿渣、粉煤灰、硅粉、纤维、水泥和混凝土防腐阻锈剂混合，得到干料；
将所述干料与海水混合，发生水化反应，得到海水海砂混凝土。
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