CN111943583A - 一种低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土及其制备方法，该混凝土按质量份数计包括如下组分：中热硅酸盐水泥100份，粉煤灰48～56份，天然沸石粉32～37份，氧化镁膨胀剂4.2～6.4份，石灰石粉13～18份，砂428～440份，碎石599～607份，水85～92份，减水剂1.7～2.1份，消泡剂0.1～0.2份。其制备方法为：称取氧化镁膨胀剂与部分天然沸石粉混合均匀，得到减缩剂，与减水剂、消泡剂及水混合均匀，得到混合物Ⅱ；将其他原料与剩余的天然沸石粉干拌得到混合物Ⅰ；混合物Ⅱ与混合物Ⅰ搅拌均匀，即得。本发明通过原料的选用及配合比设计，有效抑制了混凝土收缩开裂，改善了混凝土的耐久性能，大大提高了重要混凝土结构物的服役寿命，预测使用寿命可达300年。

Description

一种低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种混凝土及其制备方法，特别涉及一种低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土及其制备方法，属于混凝土材料技术领域。
背景技术
近年来，我国基础设施建设规模空前扩大，混凝土作为最主要的土木工程材料被广泛应用于工业与民用建筑、水利工程、地下工程、公路、铁路、机场、桥梁及国防建设等工程中。矿物掺合料的使用，特别是粉煤灰和高炉矿渣粉，减少了混凝土的水泥用量，降低了成本，而且可以改善混凝土的各项性能，具有显著的技术和经济效益。
但是，大掺量矿物掺合料的使用，易导致混凝土收缩开裂，从而降低混凝土的耐久性能，大大缩短其服役寿命。根据现行国家标准，重要工程或大型工程的结构设计使用年限通常为100年；而且，随着时代的发展和科技的进步，一些国家重大工程对构筑物的服役寿命提出了更高的要求。目前，大掺量矿物掺合料混凝土的服役寿命难以达到工程要求。与此同时，大量短寿命混凝土结构物的拆除、重建导致了资源消耗大和环境污染严重等突出问题。另外，随着混凝土用量的增加，粉煤灰和矿渣等活性掺合料被广泛应用，逐渐从工业废渣变成资源，价格不断飙升，并且在我国不断调整能源结构和去产能的大背景下，优质的废渣资源会越来越少，不利于现有混凝土技术体系的可持续发展。
因此，需要充分利用自然资源，制备出长寿命的耐久混凝土，减少对资源的消耗和对环境的污染，实现绿色低碳环保可持续发展。
发明内容
发明目的：针对现有大掺量矿物掺合料混凝土服役寿命短难以达到工程要求、且大量拆除重建后导致资源消耗大、环境污染严重等问题，本发明提供一种低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土，并提供一种该混凝土的制备方法。
技术方案：本发明所述的一种低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土，按质量份数计包括如下组分：中热硅酸盐水泥100份，粉煤灰48～56份，天然沸石粉32～37份，氧化镁膨胀剂4.2～6.4份，石灰石粉13～18份，砂428～440份，碎石599～607份，水85～92份，减水剂1.7～2.1份，消泡剂0.1～0.2份。
优选的，中热硅酸盐水泥的比表面积为300～350m2/kg，3天水化热不高于251J/g，7天水化热不高于293J/g；且中热硅酸盐水泥中，铝酸三钙的含量不高于6％，硅酸三钙的含量不高于55％。
粉煤灰优选采用优质F类Ⅰ级粉煤灰，其需水量比不大于95％。
较优的，石灰石粉平均粒径为5～20μm，石灰石粉中碳酸钙含量不低于85％。
天然沸石粉优选采用经超细处理后的沸石粉，其比表面积为550～600m2/kg。氧化镁膨胀剂中，氧化镁的含量最好不低于90％。
砂为天然河砂，其细度模数优选为2.2～2.6，含泥量最好不大于2.0％。
碎石可为由三级配骨料混配而成的5～31.5mm连续粒级花岗岩；较优的，三级配骨料中，大石、中石、小石的质量比为(25～35):(45～55):(15～25)，其中，大石粒径为20～31.5mm，中石粒径为10～20mm，小石粒径为5～10mm。
减水剂可为聚羧酸类减水剂，减水率不小于30％。
消泡剂可为聚醚类消泡剂、有机硅类消泡剂、聚醚改性聚硅氧烷消泡剂中的一种。
本发明所述的一种低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)按质量份配比称取原料；
(2)将氧化镁膨胀剂与部分天然沸石粉按质量比1:(3.3～5.0)混合均匀，得到减缩剂；
(3)将中热硅酸盐水泥、粉煤灰、剩余的天然沸石粉、石灰石粉、砂和碎石干拌，得到混合物Ⅰ；
(4)将步骤(2)制得的减缩剂与减水剂、消泡剂及水混合均匀，得到混合物Ⅱ；
(5)将混合物Ⅱ加入混合物Ⅰ中，搅拌均匀，即得低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土。
发明原理：本发明采用水化热较低的中热硅酸盐水泥，可降低大体积混凝土结构物产生温度裂缝的风险；同时，采用超细处理的天然沸石粉，其内部多孔易吸水，与氧化镁膨胀剂混合均匀制得减缩剂，可减缓内部湿度降低速率，提高氧化镁的水化程度，同时，提高氧化镁的膨胀性能，改善基体孔隙结构，使混凝土结构更加密实，降低混凝土收缩开裂的风险，改善混凝土的耐久性能，从而提高重要混凝土结构物的服役寿命。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：(1)本发明通过原料的选用及合理的配合比设计，有效抑制了混凝土的收缩开裂，所得混凝土的180d收缩率≤497×10-6，抗裂等级达到L-Ⅳ级及以上，抗渗等级大于P12，56d氯离子扩散系数≤3.8×10-12m2/s，28d加速碳化深度值≤6.6mm，改善了混凝土的耐久性能，极大地提高了重要混凝土结构物的服役寿命，预测使用寿命可达到300年；同时，使用寿命的显著提高降低了混凝土的拆除重建率，减少了由此带来的生产能耗和环境污染，大大降低了后期运营、管理和维护成本；(2)本发明的混凝土充分利用自然资源丰富的沸石和石灰石，合理设计掺量，减少了工业废渣的用量，可缓解高价活性掺合料的不足，有利于混凝土技术体系的可持续发展。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的一种低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土，选用水化热较低的中热硅酸盐水泥，结合减缩剂的使用及组分配方的设计，可降低混凝土收缩开裂的风险，改善混凝土的耐久性能，从而提高重要混凝土结构物的服役寿命，可广泛应用于土木工程、交通工程和水利工程等领域。
下述实施例中选用的原料满足如下条件：
中热硅酸盐水泥的比表面积为300～350m2/kg，3天水化热不大于251J/g，7天水化热不大于293J/g，其中铝酸三钙的含量不大于6％，硅酸三钙的含量不大于55％；
粉煤灰为优质F类Ⅰ级粉煤灰，需水量比不大于95％；
天然沸石粉为经过超细处理的沸石粉，比表面积为550～600m2/kg；
氧化镁膨胀剂中，氧化镁的含量不小于90％；
石灰石粉中碳酸钙含量不小于85％，石灰石粉平均粒径为5μm～20μm；
砂为普通天然河砂，细度模数为2.2～2.6，含泥量不大于2.0％；
碎石为5mm～31.5mm连续粒级的花岗岩，由大石、中石、小石三级配骨料混配而成，其中，大石粒径为20mm～31.5mm，中石粒径为10mm～20mm，小石粒径为5mm～10mm；
水为自来水；
减水剂为聚羧酸类减水剂，减水率不小于30％。
实施例1
低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土组分配比按质量份计如表1。
表1实施例1混凝土各组分配合比
Figure BDA0002576894030000041
原料中，碎石由三级配大石、中石、小石按质量比3:5:2混配而成。消泡剂为聚醚类消泡剂。
低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土的制备步骤如下：
(1)按质量份称取中热硅酸盐水泥、粉煤灰、天然沸石粉、膨胀剂、石灰石粉、砂、碎石、水、减水剂和消泡剂；
(2)将称取的全部膨胀剂与部分天然沸石粉按质量比1:5混合均匀，得到减缩剂；
(3)将称取的中热硅酸盐水泥、粉煤灰、剩余天然沸石粉、石灰石粉、砂和碎石干拌2min，得到混合物Ⅰ；
(4)将步骤(2)中得到的减缩剂与称取的减水剂、消泡剂、水混合均匀得到混合物Ⅱ；
(5)将步骤(4)中得到的混合物Ⅱ加入步骤(3)中得到的混合物Ⅰ中，搅拌4min，得到低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土。
将本实施例制得的低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土倒入模具中成型，成型完毕后用保鲜膜覆盖模具，24h后脱模，在温度为20℃、相对湿度为95％的条件下养护28d得到低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土的试件。
实施例2
低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土组分配比按质量份计如表2。
表2实施例2混凝土各组分配合比
Figure BDA0002576894030000042
原料中，碎石由三级配大石、中石、小石按质量比5:11:4混配而成。消泡剂为有机硅类消泡剂。
低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土的制备步骤如下：
(1)按质量份称取中热硅酸盐水泥、粉煤灰、天然沸石粉、膨胀剂、石灰石粉、砂、碎石、水、减水剂和消泡剂；
(2)将称取的全部膨胀剂与部分天然沸石粉按质量比1:3.3混合均匀，得到减缩剂；
(3)将称取的中热硅酸盐水泥、粉煤灰、剩余天然沸石粉、石灰石粉、砂和碎石干拌2min，得到混合物Ⅰ；
(4)将步骤(2)中得到的减缩剂与称取的减水剂、消泡剂、水混合均匀得到混合物Ⅱ；
(5)将步骤(4)中得到的混合物Ⅱ加入步骤(3)中得到的混合物Ⅰ中，搅拌3min，得到低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土。
将本实施例制得的低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土倒入模具中成型，成型完毕后用保鲜膜覆盖模具，24h后脱模，在温度为20℃、相对湿度为95％的条件下养护28d得到低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土的试件。
实施例3
低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土组分配比按质量份计如表3。
表3实施例3混凝土各组分配合比
Figure BDA0002576894030000051
原料中，碎石由三级配大石、中石、小石按质量比3:5:2混配而成。消泡剂为聚醚改性聚硅氧烷消泡剂。
低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土的制备步骤如下：
(1)按质量份称取中热硅酸盐水泥、粉煤灰、天然沸石粉、膨胀剂、石灰石粉、砂、碎石、水、减水剂和消泡剂；
(2)将称取的全部膨胀剂与部分天然沸石粉按质量比1:5混合均匀，得到减缩剂；
(3)将称取的中热硅酸盐水泥、粉煤灰、剩余天然沸石粉、石灰石粉、砂和碎石干拌2min，得到混合物Ⅰ；
(4)将步骤(2)中得到的减缩剂与称取的减水剂、消泡剂、水混合均匀得到混合物Ⅱ；
(5)将步骤(4)中得到的混合物Ⅱ加入步骤(3)中得到的混合物Ⅰ中，搅拌4min，得到低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土。
将本实施例制得的低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土倒入模具中成型，成型完毕后用保鲜膜覆盖模具，24h后脱模，在温度为20℃、相对湿度为95％的条件下养护56d得到低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土的试件。
实施例4
低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土组分配比按质量份计如表4。
表4实施例4混凝土各组分配合比
Figure BDA0002576894030000061
原料中，碎石由三级配大石、中石、小石按质量比5:11:4混配而成。消泡剂为聚醚类消泡剂。
低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土的制备步骤如下：
(1)按质量份称取中热硅酸盐水泥、粉煤灰、天然沸石粉、膨胀剂、石灰石粉、砂、碎石、水、减水剂和消泡剂；
(2)将称取的全部膨胀剂与部分天然沸石粉按质量比1:3.3混合均匀，得到减缩剂；
(3)将称取的中热硅酸盐水泥、粉煤灰、剩余天然沸石粉、石灰石粉、砂和碎石干拌2min，得到混合物Ⅰ；
(4)将步骤(2)中得到的减缩剂与称取的减水剂、消泡剂、水混合均匀得到混合物Ⅱ；
(5)将步骤(4)中得到的混合物Ⅱ加入步骤(3)中得到的混合物Ⅰ中，搅拌3min，得到低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土。
将本实施例制得的低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土倒入模具中成型，成型完毕后用保鲜膜覆盖模具，24h后脱模，在温度为20℃、相对湿度为95％的条件下养护56d得到低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土的试件。
实施例5
低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土组分配比按质量份计如表5。
表5实施例5混凝土各组分配合比
Figure BDA0002576894030000062
Figure BDA0002576894030000071
原料中，碎石由三级配大石、中石、小石按质量比3:5:2混配而成。消泡剂为有机硅类消泡剂。
低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土的制备步骤如下：
(1)按质量份称取中热硅酸盐水泥、粉煤灰、天然沸石粉、膨胀剂、石灰石粉、砂、碎石、水、减水剂和消泡剂；
(2)将称取的全部膨胀剂与部分天然沸石粉按质量比1:5混合均匀，得到减缩剂；
(3)将称取的中热硅酸盐水泥、粉煤灰、剩余天然沸石粉、石灰石粉、砂和碎石干拌2min，得到混合物Ⅰ；
(4)将步骤(2)中得到的减缩剂与称取的减水剂、消泡剂、水混合均匀得到混合物Ⅱ；
(5)将步骤(4)中得到的混合物Ⅱ加入步骤(3)中得到的混合物Ⅰ中，搅拌4min，得到低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土。
将本实施例制得的低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土倒入模具中成型，成型完毕后用保鲜膜覆盖模具，24h后脱模，在温度为20℃、相对湿度为95％的条件下养护90d得到低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土的试件。
实施例6
低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土组分配比按质量份计如表6。
表6实施例6混凝土各组分配合比
Figure BDA0002576894030000072
原料中，碎石由三级配大石、中石、小石按质量比5:11:4混配而成。消泡剂为聚醚改性聚硅氧烷消泡剂。
低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土的制备步骤如下：
(1)按质量份称取中热硅酸盐水泥、粉煤灰、天然沸石粉、膨胀剂、石灰石粉、砂、碎石、水、减水剂和消泡剂；
(2)将称取的全部膨胀剂与部分天然沸石粉按质量比1:3.3混合均匀，得到减缩剂；
(3)将称取的中热硅酸盐水泥、粉煤灰、剩余天然沸石粉、石灰石粉、砂和碎石干拌2min，得到混合物Ⅰ；
(4)将步骤(2)中得到的减缩剂与称取的减水剂、消泡剂、水混合均匀得到混合物Ⅱ；
(5)将步骤(4)中得到的混合物Ⅱ加入步骤(3)中得到的混合物Ⅰ中，搅拌3min，得到所述低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土。
将本实施例制得的低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土倒入模具中成型，成型完毕后用保鲜膜覆盖模具，24h后脱模，在温度为20℃、相对湿度为95％的条件下养护90d得到低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土的试件。
对实施例1～6制得的混凝土试件按照相关国家标准进行各项性能测试，相关性能数据如下表7。
表7实施例1～6制备的混凝土试件的性能数据
Figure BDA0002576894030000081
由表7中可知，实施例1～6制得的混凝土试件的28d抗压强度≥33.0MPa，90d抗压强度≥52.1MPa，180d收缩率≤497×10-6，抗裂等级达到L-Ⅳ级及以上，抗渗等级均大于P12，56d氯离子扩散系数≤3.8×10-12m2/s，28d加速碳化深度值≤6.6mm，可见，本发明的混凝土收缩小，抗裂性能好，具有优良的耐久性能，可广泛应用于土木工程、交通工程和水利工程等领域。
根据Papadakis提出的模型，基于碳化的物理化学过程，综合考虑材料参数和环境参数，预测本发明制得的混凝土的使用寿命，模型试验结果表明，实施例3制得的混凝土试件的预测使用寿命可达300年，其他实施例制得的混凝土试件的预测使用寿命与实施例3相近。

Claims (9)

1.一种低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土，其特征在于，所述混凝土按质量份数计包括如下组分：中热硅酸盐水泥100份，粉煤灰48～56份，天然沸石粉32～37份，氧化镁膨胀剂4.2～6.4份，石灰石粉13～18份，砂428～440份，碎石599～607份，水85～92份，减水剂1.7～2.1份，消泡剂0.1～0.2份。
2.根据权利要求1所述的低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土，其特征在于，所述中热硅酸盐水泥的比表面积为300～350m2/kg，其3天水化热不高于251J/g，7天水化热不高于293J/g；所述中热硅酸盐水泥中，铝酸三钙的含量不高于6％，硅酸三钙的含量不高于55％。
3.根据权利要求1所述的低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为优质F类Ⅰ级粉煤灰，其需水量比不大于95％；所述石灰石粉的平均粒径为5～20μm，石灰石粉中碳酸钙含量不低于85％。
4.根据权利要求1所述的低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土，其特征在于，所述天然沸石粉为经超细处理后的沸石粉，其比表面积为550～600m2/kg。
5.根据权利要求1所述的低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土，其特征在于，所述氧化镁膨胀剂中，氧化镁的含量不低于90％。
6.根据权利要求1所述的低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土，其特征在于，所述砂为天然河砂，细度模数为2.2～2.6，含泥量不大于2.0％。
7.根据权利要求1所述的低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土，其特征在于，所述碎石为由三级配骨料混配而成的5～31.5mm连续粒级花岗岩；三级配骨料中，大石、中石、小石的质量比为(25～35):(45～55):(15～25)，其中，大石粒径为20～31.5mm，中石粒径为10～20mm，小石粒径为5～10mm。
8.根据权利要求1所述的低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸类减水剂，减水率不小于30％；所述消泡剂为聚醚类消泡剂、有机硅类消泡剂、聚醚改性聚硅氧烷消泡剂中的一种。
9.一种权利要求1所述的低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按质量份配比称取原料；
(2)将氧化镁膨胀剂与部分天然沸石粉按质量比1:(3.3～5.0)混合均匀，得到减缩剂；
(3)将中热硅酸盐水泥、粉煤灰、剩余的天然沸石粉、石灰石粉、砂和碎石干拌，得到混合物Ⅰ；
(4)将步骤(2)制得的减缩剂与减水剂、消泡剂及水混合均匀，得到混合物Ⅱ；
(5)将所述混合物Ⅱ加入混合物Ⅰ中，搅拌均匀，即得低收缩高抗裂高耐久长寿命混凝土。
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