CN111943548A - 一种phc管桩免蒸压混凝土活性粉及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PHC管桩免蒸压混凝土活性粉，其包含如下质量百分比的组分：粒化高炉矿渣粉35%～65%，粉煤灰20%～45%，硅灰5%～15%，微珠5%～35%，石膏粉5%～20%，镍渣粉5%～25%，早强剂0.01%～5%。其制备方法是将粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、镍渣粉投入球磨机粉磨20min～40min，粉磨至比表面积为400m2/kg～450m2/kg，再与硅灰、微珠、石膏粉、早强剂在混料机中混合15min～25min即可制得。本发明的一种PHC管桩免蒸压混凝土活性粉既能保证混凝土的早后期强度，又能缩短蒸养时间，提高生产效率，还能增强混凝土的耐久性，可取得良好的社会经济效应。

Description

一种PHC管桩免蒸压混凝土活性粉及制备方法
技术领域
本发明涉及PHC管桩免蒸压混凝土活性粉及制备方法，属于管桩混凝土领域。
背景技术
中国管桩发展至今已有30多年历程，大都采用蒸压工艺，其缺陷是①能耗大，生产成本高；②环境污染大；③混凝土易产生微裂纹等缺陷从而降低耐久性；④高压釜是 重大危险源，易发生生产安全事故。⑤蒸压PHC管桩(尤其是掺加硅砂粉)脆性大， 影响耐打性。
国内公开日2015年1月21日，公开号为CN104291757A的中国发明专利申请介 绍了一种高性能混凝土掺合料制备方法：其公开了一种适用于腐蚀环境下的免蒸压 PHC管桩，所述混凝土的原材料包括减水剂、胶凝材料、水和砂石；减水剂为聚羧酸系 减水剂，所述胶凝材料为硅酸盐水泥和掺合料，所述胶凝材料的用量为440kg/m3～ 520kg/m3。所述掺合料用量为胶凝材料总质量的32％～48％；水胶比为0.18～0.23。管桩 带模养护时间为8h～9h。管桩混凝土1d抗压强度超过80MPa，5d抗压强度超过90MPa， 28d电量值低于150C，氯离子扩散系数低于1.0×10-12m2/s，抗硫酸盐等级达到KS150 要求，抗冻等级达到F400要求，具有裂缝自愈合能力。所制得的免蒸压PHC管桩耐久 性好，且具有裂缝自愈合能力，适用于腐蚀环境。但也存在以下缺陷：胶凝材料用量仍 然偏高，掺合料添加比例较大，水胶比过小，使得混凝土流动性变差且较黏，不利于现 场施工操作。
申请号为201510513444X的中国专利，公开了一种蒸养混凝土制品专用高活性复合 掺合料，其制备方法为：按比例配好原料；按照质量比，硬石膏：硅微粉：粉煤灰：磨 细矿渣微粉之间的比例为0.35:0.30:0.30:1的比例混合，上述原料混合均匀后，进行球磨 加工得到。所述微粉的按胶凝材料(混凝土的材料等)的25％～35％比例添加。该蒸养 混凝土制品专用高活性复合掺合料有利于管桩高性能混凝土工作性的改善，加入微粉， 对新拌混凝土浆体，增大初始坍落度和流动性优于硫酸钙自身特性，可以在一定程度上 使得浆体塑化，提高混凝土浆体的黏聚性，使得混凝土在较大坍落度的情况下，不容易 产生离析和泌水，使得混凝土的整体和易性提高。但掺合料中硬石膏比例较大，硫酸盐 过多时混凝土发生体积膨胀而破坏的几率较高，大大降低了混凝土的耐久性。
申请号为201810113066.X的发明公开了一种主要应用于活性粉末混凝土中代替传 统活性成分的免蒸养活性粉末混凝土掺合料，包括如下组分：高钙粉煤灰+脱硫石膏：25％～40％(高钙粉煤灰与脱硫石膏质量比为5:2)；S105矿渣微粉+炉渣+石灰石+固态 表面活性剂总量：40％～75％(其中S105矿渣微粉：炉渣：石灰石：固态表面活性剂质 量比为3:1:0.8:1)液态功能调节剂：0.2％～1.0％；原材料质量要求：高钙粉煤灰中CaO 含量≥15％，烧失量≤3.0％；S105矿渣微粉中SO3含量≤4.0％，碱性系数＞1，玻璃体含 量≥90％，28d活性指数≥105％。该发明的缺陷是高钙粉煤灰可能含有游离氧化钙，导致 后期混凝土体积稳定性不良，从而对混凝土的耐久性有影响。
综上所述，现有技术的PHC管桩混凝土用掺合料部分解决了建筑行业对混凝土性能的要求，但其配方仍有不合理的地方，需要一种常压蒸养时间短、早后期强度高、生 产效率高、耐久性好的PHC免蒸压管桩混凝土专用活性粉，以满足建筑市场的需求。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种PHC管桩免蒸压混凝土活性粉及其制备方法，既能保证混凝土的早后期强度，又能缩短蒸养时间，提高生产 效率，还能增强混凝土的耐久性，可取得良好的社会经济效应。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的PHC管桩免蒸压混凝土活性粉包含如下质量百分比的组分：粒化高炉矿渣粉35％～65％、粉煤灰20％～45％、硅灰5％～15％、微珠5％～35％、石膏粉5％～20％、镍渣粉5％～25％和早强剂0.01％～5％。其中,粒化 高炉矿渣粉的主要矿物组成是C2S，且含有大量非晶态物质，为混凝土后期强度发展提 供物质基础。石膏粉用于激发粒化高炉矿渣粉，促进其水化反应，缩短强度发展时间。 微珠与硅灰作用包括：(1)提供活性SiO2参与水化反应；(2)改善胶材粒径分布提 高混凝土密实度；(3)改善混凝土拌合物和易性级可泵性；(4)降低用水量从而减小 水胶比。早强剂可以提供晶核并降低水泥颗粒水化能垒。镍渣粉与粉煤灰一方面提供 SiO2、Al2O3和CaO，一方面降低活性粉成本。
其中，上述组分中的粉煤灰为广义的粉煤灰，粒径分布在1μm～500μm，比表面积在300m2/kg～500m2/kg，500倍显微镜下观察到大量不规则非球状的颗粒，球状粒形较 少，28d活性指数不大于75％。
优选地，所述镍渣粉的比表面积不小于400m2/kg，按重量计，非晶体含量不小于35％，SiO2、Al2O3和CaO的总含量不小于50％，MgO含量小于25％。由于非晶体在 能量上处于较高能级，在晶体结构上处于不稳定状态，在一定的条件下会产生物理化学 反应，因此非晶体的含量决定了镍渣粉的活性。SiO2、Al2O3和CaO是镍渣粉在碱环境 下反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙的必备物质。控制MgO含量小于25％是为了避免 高含量的MgO引起体积膨胀导致混凝土耐久性变差。
优选地，所述镍渣粉的SiO2/MgO质量比大于1.8。控制SiO2/MgO质量比目的在于 一方面提高SiO2含量降低MgO含量，为活性粉提供足够的非晶态物质；另一方面在于 尽量减少MgO参与水化消耗SiO2。
所述石膏粉包括无水石膏和二水石膏，无水石膏：二水石膏的质量比为8:2～9:1。无水石膏溶解度低，加入少量二水石膏可以促进无水石膏溶解。
所述石膏粉与粒化高炉矿渣粉的质量比为1：3～1：8，该比例下可以成分激发粒化高炉矿渣粉。
具体地，所述石膏粉为β-CaSO4和α-CaSO4·2H2O。β-CaSO4具有潜在水化活性， α-CaSO4·2H2O可以促进β-CaSO4解离。
所述硅灰比表面积不低于15000m2/kg。
所述早强剂为Fe2SO4、甲酸钙和CSH晶核的任意一种或几种的组合。
优选地，所述微珠为粒径小于5μm、SiO2+Al2O3含量不少于75％、比表面积不低于900m2/kg的粉煤灰颗粒。在某个具体的实施例中，所述微珠产于山西大同，为为风选最 小粒径范围1％的粉煤灰，500倍显微镜下呈灰白色或透明状球体，28d活性指数不低于110％。
本发明进一步提出了上述PHC管桩免蒸压混凝土活性粉的制备方法，包括以下步骤：
a)按配比称取原料；
b)将粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、镍渣粉投入球磨机粉磨20min～40min，粉磨至比表面积为400m2/kg～450m2/kg，再与硅灰、微珠、石膏粉、早强剂在混料机中混合15min～25min即可制得。
有益效果：本发明的部分原料稍经物理方式处理，再与其它原料搅拌混合，在无需大幅度提高粉体比表面积的情况下，通过物理、化学、纳米尺寸效应三种作用协调，即 可使PHC管桩混凝土经6h～8h常压蒸汽养护后强度达到80.0MPa，自然养护28d后强 度继续发展到100.0MPa，甚至达到110.0MPa。具体地，物理作用：(1)通过适当的粉 磨工艺处理，调节粉体粒径，使其具有连续粒级分布，填充更密实；(2)引入球形颗 粒提高混凝土拌合物的和易性并减水用水量。化学作用：活性粉中的非晶态SiO2在碱 溶液中反应形成硅溶胶，硅溶胶间通过脱水反应，由H-O-H氢键结合变为Si-O-Si极性 键结合，形成空间网络结构，提供较高的早期强度。纳米尺寸效应：在水泥水化进程中 CSH晶核提供晶种，降低成核势垒，促进水泥水化。通过在蒸养混凝土中添加20-30wt％ 左右的本活性粉，可节省养护时间，降低燃料成本，减少CO2排放，经济和社会效益显 著。
具体实施方式
下面通过具体的实施例详细说明本发明。其中，下述实施例中，微珠为产于山西大同，为风选最小粒径范围1％的粉煤灰，粒径小于5μm、SiO2+Al2O3含量不少于75％、 比表面积不低于900m2/kg，500倍显微镜下呈灰白色或透明状球体，28d活性指数不低 于110％。而其他地方的粉煤灰无特别说明外，均为广义上的粉煤灰，粒径分布在1μm～ 500μm，比表面积在300m2/kg～500m2/kg，500倍显微镜下观察到大量不规则非球状的 颗粒，球状粒形较少，28d活性指数不大于75％。
实施例1
一种PHC管桩免蒸压混凝土活性粉，包含粒化高炉矿渣粉35％，粉煤灰20％，硅 灰5％，微珠10％，石膏粉5％，镍渣粉20％，早强剂5％。
其中镍渣粉的比表面积不小于400m2/kg，按质量计，非晶体含量不小于35％，SiO2、Al2O3和CaO含量不小于50％，MgO含量小于25％，SiO2/MgO大于1.8；石膏粉包括 无水石膏和二水石膏，按质量比，无水石膏：二水石膏为8:2，石膏粉为β-CaSO4和 α-CaSO4·0.5H2O；早强剂为CSH晶核。
上述PHC管桩免蒸压混凝土活性粉的制备方法为：
步骤一：将粒化高炉矿渣粉35％、粉煤灰20％、镍渣粉10％分别计量后投入球磨机粉磨20min，粉磨至比表面积为400m2/kg～450m2/kg；
步骤二：将粉磨好的样品，与计量好的硅灰5％、微珠20％、石膏粉5％、早强剂 5％在混料机中混合20min即可制得PHC管桩免蒸压混凝土高性能活性粉。
在具体实施过程中，参考JG/T486-2015《混凝土用复合掺合料》、T/CBMF64-2019《预应力高强混凝土管桩免蒸压生产技术要求》以及行业通行惯例，以表1指标作为技 术指标：
表1活性粉技术指标
Figure BDA0002413011850000051
注：活性指数*的养护工艺为成型后40℃静停3h→3h升温至85℃→85℃恒温4h→冷却至室温。
将制备好的PHC管桩免蒸压混凝土活性粉分别按0、20％、25％、30％比例等质量替代水泥，按表2、表3分别制备净浆和混凝土，按照GB/T1346-2011《水泥标准稠度 用水量、凝结时间、安定性检验方法》测试安定性，养护工艺按表4执行，按照 GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》制作100mm×100mm×100mm 试件，并按上述养护方式养护，冷却至室温后按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学 性能试验方法标准》分别测试强度，按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐 久性能试验方法标准》测试耐久性，结果见表5～表7。
表2净浆配比
Figure BDA0002413011850000052
Figure BDA0002413011850000061
表3混凝土配合比
Figure BDA0002413011850000062
表4常压蒸汽养护工艺
工艺阶段 时间 温度
静停 4h 20℃带模养护
升温 2h 均匀升温至95℃
恒温 4h 95℃
降温 / 开盖冷却至室温
表5净浆安定性
活性粉比例/％ 0 20 25 30
(C-A)/mm 2.0 2.0 2.5 2.5
表6混凝土强度
Figure BDA0002413011850000063
Figure BDA0002413011850000071
注：3d、28d是指试件蒸养后置于室内的龄期。
表7混凝土耐久性
Figure BDA0002413011850000072
实施例2
一种PHC管桩免蒸压混凝土活性粉，包含粒化高炉矿渣粉49％，粉煤灰20％，硅 灰5％，微珠8.9％，石膏粉7％，镍渣粉10％，早强剂0.1％。
其中镍渣粉的比表面积不小于400m2/kg，按质量计，非晶体含量不小于35％，SiO2、Al2O3和CaO含量不小于50％，MgO含量小于25％，SiO2/MgO大于1.8；石膏粉包括 无水石膏和二水石膏，按质量比，无水石膏：二水石膏为8:2，石膏粉为β-CaSO4和 α-CaSO4·0.5H2O；早强剂为甲酸钙。
上述PHC管桩免蒸压混凝土活性粉的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将粒化高炉矿渣粉49％、粉煤灰20％、镍渣粉10％分别计量后投入球磨机粉磨20min，粉磨至比表面积为400m2/kg～450m2/kg；
步骤二：将粉磨好的样品，与计量好的硅灰5％、微珠8.9％、石膏粉7％、早强剂0.1％在混料机中混合20min即可制得PHC管桩免蒸压高性能活性粉。
按表3配合比制备混凝土，分别按表4、表8执行养护工艺，试验结果见表9、表 10。
表8蒸压养护工艺
Figure BDA0002413011850000081
表9混凝土强度
Figure BDA0002413011850000082
表10混凝土耐久性
Figure BDA0002413011850000083
Figure BDA0002413011850000091
实施例3
一种PHC管桩免蒸压混凝土活性粉，包含粒化高炉矿渣粉40％，粉煤灰20％，硅 灰5％，微珠15％，石膏粉8％，镍渣粉10％，早强剂2％。
其中镍渣粉的比表面积不小于400m2/kg，按质量计，非晶体含量不小于35％，SiO2、Al2O3和CaO含量不小于50％，MgO含量小于25％，SiO2/MgO大于1.8；石膏粉包括 无水石膏和二水石膏，按质量比，无水石膏：二水石膏为8:2，石膏粉为β-CaSO4和 α-CaSO4·0.5H2O；早强剂由Fe2SO4、甲酸钙、CSH晶核复配而成，其质量比为Fe2SO4： 甲酸钙：CSH晶核＝1：2：7。
一种PHC管桩免蒸压混凝土活性粉的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将粒化高炉矿渣粉40％、粉煤灰20％、镍渣粉10％分别计量后投入球磨机粉磨30min，粉磨至比表面积为400m2/kg～450m2/kg；
步骤二：将粉磨好的样品，与计量好的硅灰5％、微珠15％、石膏粉8％、早强剂 2％在混料机中混合15min即可制得PHC管桩免蒸压高性能活性粉。
将上述制得的PHC管桩免蒸压混凝土活性粉按表3、表4制备混凝土并养护，其力学及耐久性性能见表11、表12。
表11混凝土强度
Figure BDA0002413011850000092
Figure BDA0002413011850000101
表12混凝土耐久性
Figure BDA0002413011850000102
上述实施实例表明，PHC管桩免蒸压混凝土活性粉安定性合格，20％～30％比例活性粉制备混凝土的脱模、3d、28d、蒸压强度均高于基准样品，且脱模强度即可达到80.0MPa，后期强度和蒸压强度仍有较大增长。活性粉蒸养混凝土的抗冻性超过D300 级别、抗渗性达到P20、电通量小于400C、抗硫酸盐达到KS150以上，展现了优良的 耐久性能。同时使用活性粉只需要蒸养工艺，无需蒸压工艺，节省模具周转时间8h20min， 减少燃煤使用，约每方混凝土蒸汽成本可节省20元～30元。
综上所述，使用本发明一种PHC管桩免蒸压混凝土活性粉可以简化现有的PHC管桩生产工艺，节省了养护时间，提高生产效率，降低生产成本，减少污染排放，但仍能 保证管桩混凝土的强度和耐久性要求。
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PHC管桩免蒸压混凝土活性粉，其特征在于，其包含如下质量百分比的组分：粒化高炉矿渣粉35％～65％、粉煤灰20％～45％、硅灰5％～15％、微珠5％～35％、石膏粉5％～20％、镍渣粉5％～25％和早强剂0.01％～5％。
2.根据权利要求1所述PHC管桩免蒸压混凝土活性粉，其特征在于，所述镍渣粉的比表面积不小于400m2/kg，按重量计，非晶体含量不小于35％，SiO2、Al2O3和CaO的总含量不小于50％，MgO含量小于25％；所述镍渣粉中的SiO2/MgO质量比大于1.8。
3.根据权利要求1所述PHC管桩免蒸压混凝土活性粉，其特征在于，所述石膏粉包括无水石膏和二水石膏，无水石膏：二水石膏的质量比为8:2～9:1。
4.根据权利要求1所述PHC管桩免蒸压混凝土活性粉，其特征在于，所述石膏粉与粒化高炉矿渣粉的质量比为1：3～1：8。
5.根据权利要求1所述PHC管桩免蒸压混凝土活性粉，其特征在于，所述石膏粉为β-CaSO4和α-CaSO4·2H2O。
6.根据权利1所述PHC管桩免蒸压混凝土活性粉，其特征在于，所述硅灰比表面积不低于15000m2/kg。
7.根据权利1所述PHC管桩免蒸压混凝土活性粉，其特征在于，所述早强剂为Fe2SO4、甲酸钙和CSH晶核的任意一种或几种的组合。
8.根据权利1所述PHC管桩免蒸压混凝土活性粉，其特征在于，所述微珠为粒径小于5μm、SiO2+Al2O3含量不少于75％、比表面积不低于900m2/kg的粉煤灰颗粒。
9.权利要求1至8任一项所述的PHC管桩免蒸压混凝土活性粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)按配比称取原料；
b)将粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、镍渣粉投入球磨机粉磨20min～40min，粉磨至比表面积为400m2/kg～450m2/kg，再与硅灰、微珠、石膏粉、早强剂在混料机中混合15min～25min即可制得。
10.权利要求1-8任一项所述的的PHC管桩免蒸压混凝土活性粉在制备净浆和混凝土中的应用，其特征在于，以20～30wt％的比例等质量代替水泥。
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