CN111995323B - 一种高海拔寒冷地区长服役寿命混凝土及其配制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高海拔寒冷地区长服役寿命混凝土及其制备方法，混凝土包括按重量份计的如下组分：水泥425～455份，硅粉9～30份，天然砂384份，机制砂384份，石子1059份，减水剂7.7～9.9份，水172份，引气剂0～0.006份，增稠剂0～0.25份。本发明提供的混凝土适用于高海拔寒冷地区，其具有长服役寿命、较好的抗压强度、抗冻性、抗氯离子渗透性；且其性能稳定，成本低廉，经济的优点。

Description

一种高海拔寒冷地区长服役寿命混凝土及其配制方法

技术领域

本发明涉及一种高海拔寒冷地区长服役寿命混凝土及其配制方法，属于建筑材料技术领域。

背景技术

近年来，随着建筑技术的发展，混凝土的高性能化要求越来越多，也越来越高，比如高工作性、高耐久性或高表面感观要求等。这些混凝土性能要求都会涉及到混凝土配合比的一个重要参数——混凝土含气量。在混凝土拌合物中引入一定数量和大小的气泡，是提高混凝土的施工性能和耐久性的常见措施之一，尤其是在有冻融破坏作用的地区。但是，高海拨地区的混凝土引气较为困难。

青藏高原地区平均海拔4500m以上，由于空气稀薄，太阳辐射强烈，部分地区年正负温天数达到180d。拉萨地区海拔为3650m左右，年平均气压65.2kPa，年降水量少、空气水分含量低、昼夜温差大。日温差年平均13.5℃，最大日温差21℃；气温年平均10.2℃，最低-13℃，最高29℃，温湿度变化剧烈，环境温湿度直接影响混凝土的温湿度变化，导致混凝土发生较大形变甚至开裂。而且，近两年的气象资料也表明，当地年正负温天数平均为134d(主要集中在11月至次年3月)，正负温的变化也会使混凝土结构物面临严重的冻融循环破坏。另外，拉萨地区的混凝土原材料资源较少，且品质较差，购买及运输成本高，品种与内地差别也较大，尤其是当地矿物掺合料资源匮乏，周边无粉煤灰和矿粉供应资源。石灰石粉有应用，但质量波动大。当地高标号预拌混凝土配合比设计时，绝大部分是纯水泥，导致泵送施工困难，混凝土结构易出现裂缝。甘肃兰州的硅粉产量较大，如果在本工程混凝土中掺加少量硅粉提高混凝土泵送施工性能和结构耐久性，质量效益和经济成本相对合理，但是具体如何添加才能达到性能要求，还没有研究报道。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种高海拔寒冷地区长服役寿命混凝土。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种高海拔寒冷地区长服役寿命混凝土，其包括按重量份计的如下组分：水泥425～455份，硅粉9～30份，天然砂384份，机制砂384份，石子1059份，减水剂7.7～9.9份，水172份，引气剂0～0.006份，增稠剂为0～0.25份。

如上所述的高海拔寒冷地区长服役寿命混凝土，优选地，所述水泥435份，天然砂384份，机制砂384份，石子1059份，减水剂7.7份，水172份，引气剂0.0001～0.0054份，增稠剂为0.01～0.23份，所述硅粉占水泥与硅粉总重量的3％～6％。

如上所述的高海拔寒冷地区长服役寿命混凝土，优选地，所述硅粉占水泥与硅粉总重量的4％～5％，配制后混凝土中的含气量占4～5.5％。

如上所述的高海拔寒冷地区长服役寿命混凝土，优选地，所述增稠剂为0.01～0.23份，所述增稠剂的有效物质含量≥20％，pH值6.0±1.0，旋转粘度在18～22℃时≥200mPa·s。

优选的，所述增稠剂为丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物。

如上所述的高海拔寒冷地区长服役寿命混凝土，优选地，所述水泥的3d抗压强度28.4MPa，28d为51.2MPa，碱含量1.07％～1.21％；

所述天然砂的细度模数2.1～2.4，含泥量2.5％～3.5％，碱活性0.25；

所述机制砂的细度模数2.5～2.8，石粉含量2.7％～6.1％，碱活性0.29；

所述石子的粒径为5～25mm，表观密度2650kg/m³，孔隙率39％，含泥量0.3％，碱活性0.27；

所述硅粉的SiO₂含量91.2％～93.6％、比表面积≥21000m²/kg；

所述减水剂的各项指标均满足GB8076-2008中高性能的减水剂；

所述引气剂的减水率7％，含气量5.5％，1h含气量经时变化量+0.5％的引气剂。

优选地，所述减水剂为聚羧酸，所述引气剂为脂肪醇磺酸盐类。

一种高海拔寒冷地区长服役寿命混凝土的配制方法，按重量份计称量如下组分：水泥425～455份，硅粉9～30份，天然砂384份，机制砂384份，石子1059份，减水剂7.7～9.9份，水172份，引气剂0～0.006份，增稠剂为0～0.25份，将上述原料搅拌混合，其中，所述硅粉掺量为水泥和硅粉总重量的3％～6％，搅拌混合后的引气剂掺量为使含气量在2～6.5％进行配制。

如上所述的配制方法，优选地，所述硅粉的掺量为水泥和硅粉总重量的4～5％，引气剂掺量为使含气量在4～5.5％。

如上所述的配制方法，优选地，所述水泥的3d抗压强度28.4MPa，28d为51.2MPa，碱含量1.07％～1.21％；

所述天然砂的细度模数2.1～2.4，含泥量2.5％～3.5％，碱活性0.25；

所述机制砂的细度模数2.5～2.8，石粉含量2.7％～6.1％，碱活性0.29；

所述石子的粒径为5～25mm，表观密度2650kg/m³，孔隙率39％，含泥量0.3％，碱活性0.27；

所述硅粉的SiO₂含量91.2％～93.6％、比表面积≥21000m²/kg；

所述减水剂为各项指标均满足GB8076-2008中高性能的减水剂；

所述引气剂的减水率7％，含气量5.5％，1h含气量经时变化量+0.5％的引气剂；

所述增稠剂的有效物质含量≥20％，pH值6.0±1.0，旋转粘度在18～22℃时≥200mPa·s。

如上所述的配制方法，优选地，所述引气剂为脂肪醇磺酸盐类，所述减水剂为聚羧酸，所述增稠剂为丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明提供的高海拔寒冷地区长服役寿命混凝土，适用于高海拔寒冷的地区，具有较好的抗压强度、抗冻性、抗氯离子渗透性。

本发明提供的高海拔寒冷地区长服役寿命混凝土的配制方法，添加有引气剂或/和增稠剂，有效解决了要求耐久性、高强度为目标的合理的含气量，制备出具有高抗冻性能，长服役寿命的混凝土，且其性能稳定，成本低，尤其适用于拉萨地区。

对于拉萨地区混凝土矿物掺合料资源匮乏，本发明的配制方法中采用硅粉等低掺量和增稠剂的复合使用，配制长服役寿命高性能混凝土，解决高海拔地区混凝土引气难的问题，同时又解决了当地无掺合料混凝土施工性能差、成本高的问题。有效降低成本，有利于经济的发展。

附图说明

图1为含气量与抗压强度和抗冻耐久性指数关系图；

图2为常压与低气压环境引气效果对比图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段或国家标准。

实施例1

西藏拉萨某工程地下室与水土直接接触的混凝土墙体结构强度等级为C45P6，所处的环境作用等级为：冻深线以下的地下室底板、侧墙为Ⅰ-C，冻深线以上的侧墙为Ⅱ-C；室外坡道板的环境作用等级(除冰盐等其他氯化物)为Ⅳ-C。为此，要求所配制的混凝土的化学腐蚀下冻融抗冻耐久性指数DF为80％，并控制混凝土结构的裂缝宽度。

经调研和充分讨论后，采用当地工程常用的现有材料，安排专人和固定试验仪器(含气量仪等)分别在北京和西藏进行试验室对比研究。所用的引气剂为改性脂肪醇磺酸盐类，所用的增稠剂为丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物，原材料具体产地、性能等情况如表1所示。经X射线分析，当地石粉中的CaCO₃含量仅为35％左右，而SiO₂含量高达32％左右。因此，在试验研究过程中，未掺加石粉。另外，当地粗细骨料均存在潜在碱硅酸反应活性危害。具体试验方案为：首先以强度、工作性、耐久性和经济性为设计目标研究硅粉应用效果，确定合理的配合比体系；其次，以耐久性、强度为设计目标确定合理含气量，确定出基准配合比，同时评估硅粉对混凝土含气量的影响；最后，进行拉萨地区低气压与北京地区常压环境条件下引气剂引气效果的对比试验，并再次确认满足要求的优化配合比。

表1混凝土原材料

根据原材料品质和拉萨当地历史抗压强度数据，初步确定C45配合比水胶比为0.38，砂率为42％，设定硅粉掺量为0、2％、4％、6％，其中硅粉掺量是指硅粉占水泥和硅粉总重量的百分比，所用原料按具体配合比见表2，进行配制搅拌混合，之后初步考察混凝土的相关性能指标：出机坍落度、抗压强度、抗冻性、抗氯离子渗透性(电通量)和硅粉掺量之间的关系结果见表2。相关性能指标分别采用《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T50080-2016、《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081-2019和《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009中规定的方法进行试验检测。

表2初步试验配合比与试验结果

从表2的检测结果可以看出：硅粉在0～6％掺量范围内，随着硅粉掺量的提高，混凝土流动性逐渐提高；2#、3#、4#配合比的抗压强度在合理区间，为提高含气量带来的强度损失留出富裕，3#、4#工作性均满足要求；抗冻耐久性指数均大于80％，抗氯离子渗透性也均满足要求。因此，结合考虑经济性，掺加硅粉的配合比体系可行，且4％为最佳硅粉掺量。

实施例2

为了满足C45混凝土能达到300～350次冻融循环的要求，在同实施例1中的所用原料、4％硅粉掺量基础上，设定含气量2％、4％、6％的三组试配，确定引气剂的掺量范围，具体配料详见表3。

表3初步试验配合比

按表3中的原料混合配制后，检测各自的出机含气量、抗压强度、抗冻性和抗氯离子渗透性，验证合理的含气量区间结果见表4。拌合物的含气量检测按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T50080-2016中规定的方法进行，分别检测出机时和出机1h时的含气量，将测量发现出机时和出机1h时的含气量基本不发生变化，表4中为出机时的含气量。

表4试验结果

从表4的检测结果可以看出：含气量在4～5％时(6#配合比)混凝土的工作性、抗压强度、抗冻性和抗氯离子渗透性均满足要求。

将检测结果按横坐标为含气量，纵坐标为抗压强度和抗冻耐久性指数制图，结果如图1所示。从图1可以看出，含气量在6％以内时，随含气量提高，抗冻耐久性指数逐渐提高。

实施例3低气压与常压环境对比试验

拉萨当地试验室，具体环境条件是：试验温度10℃、相对湿度44％、海拔3645m、气压65.6kPa。混凝土试件的配料比例按表5中所示进行，并在当地成型并进行力学检测，具体试验结果如表6所示。

表5混凝土试验配合比

注：1.上述各组配合比的1h含气量基本无损失。

2.引气剂和增稠剂的掺量以胶凝材料总重量(包括水泥+硅粉)的百分数计。

表6测试结果

采用拉萨地区同品种同批次的原材料，在北京进行对比试验。具体环境条件是：试验温度4℃、相对湿度38％、海拔1.3m、气压101.32kPa。试验配比情况如表7所示。(其中，抗冻耐久性指数依据《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T 50476-2008计算，试验检测按照《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009进行。)

表7混凝土试验配合比与试验结果(试验地：北京)

注：引气剂和增稠剂的掺量以胶凝材料总质量(胶凝材料包括水泥+硅粉)的百分数计。

常压与低气压环境引气效果对比见图2。由上试验结果，结合图1、图2可以看出：

(1)所用减水剂具有一定的引气功能，8#配合比在没有使用引气剂和增稠剂的情况下，混凝土含气量达到了3.4％。

(2)在不使用引气剂和增稠剂情况下(8#和14#配合比)，胶凝材料体系不同，则其含气量也不同。

(3)随着引气剂掺量的提高，含气量逐步增大，抗压强度逐步降低，从12#配合比可以看出，含气量达到6％时，抗压强度下降较多。

(4)从10#配合比可以再次确认，水胶比为0.38、硅粉掺量4％、含气量在4～5％时，工作性、抗压强度、抗冻性和抗氯离子渗透性能均能满足施工常规要求和DF为80％要求，可作为基准配合比。

(5)相同混凝土配合比，拉萨地区低气压环境与北京地区常压环境相比，引气剂掺量更高，引气剂的引气能力更低。同样掺量下，引气能力下降23％～40％。

(6)增稠剂可以明显地提高浆体的起泡能力。

当大气压降低时，液体表面张力会有不同程度的增加，导致引气剂的引气能力减弱，混凝土含气量降低；同时，表面张力增大，气泡膜强度降低、稳定性变差而易于破裂，寿命缩短。本发明有研究发现，当掺加一定量的增稠剂后，浆体的黏度有所增加，液膜的表面黏度有所提高，从而增加了引气剂的引气能力和气泡的稳定性。

本发明中首先根据设计要求，设计满足强度要求的混凝土配合比，调整减水剂掺量和掺合料品种使之满足施工性能要求，最后在优化引气剂与增稠剂的品种和用量，使混凝土达到一定的含气量，以满足高耐久长寿命要求。高海拔低气压地区如拉萨，当地普通掺合料匮乏，若按常规技术路线配制混凝土，其性价比很低。本发明通过采用少量的优质超细掺合料(硅粉)和增稠剂，解决混凝土引气困难、气泡寿命短的难题；可以配制出性价比较高的长寿命高性能混凝土，且质量稳定，有效降低成本，有利于经济的发展。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.一种高海拔寒冷地区长服役寿命混凝土，其特征在于，其由按重量份计的如下组分构成：水泥435份，硅粉9～30份，天然砂384份，机制砂384份，石子1059份，减水剂7.7份，水172份，引气剂0.0001～0.0054份，增稠剂为0.01～0.23份，所述硅粉占水泥与硅粉总重量的3～5％，配制后混凝土中的含气量占4～5.5％；

所述增稠剂的有效物质含量≥20％，pH值6.0±1.0，旋转粘度在18～22℃时≥200mPa·s；

所述水泥的3d抗压强度为28.4MPa，28d为51.2MPa，碱含量为1.07％～1.21％；

所述天然砂的细度模数为2.1～2.4，含泥量为2.5％～3.5％，碱活性为0.25；

所述机制砂的细度模数为2.5～2.8，石粉含量为2.7％～6.1％，碱活性为0.29；

所述石子的粒径为5～25mm，表观密度为2650kg/m³，孔隙率39％，含泥量为0.3％，碱活性为0.27；

所述硅粉的SiO₂含量为91.2％～93.6％，比表面积≥21000m²/kg；

所述减水剂为各项指标均满足GB8076-2008中高性能的减水剂；

所述引气剂的减水率为7％，含气量为5.5％，1h含气量经时变化量+0.5％的引气剂；

所述引气剂为脂肪醇磺酸盐类，所述减水剂为聚羧酸，所述增稠剂为丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物。

2.一种高海拔寒冷地区长服役寿命混凝土的配制方法，其特征在于，按重量份计称量如下组分：水泥435份，硅粉9～30份，天然砂384份，机制砂384份，石子1059份，减水剂7.7份，水172份，引气剂0.0001～0.0054份，增稠剂为0.01～0.23份，将上述原料搅拌混合，其中，所述硅粉掺量为水泥和硅粉总重量的3％～5％，搅拌混合后的引气剂掺量为使含气量在4～5.5％进行配制；

所述水泥的3d抗压强度为28.4MPa，28d为51.2MPa，碱含量1.07％～1.21％；

所述天然砂的细度模数为2.1～2.4，含泥量为2.5％～3.5％，碱活性为0.25；

所述机制砂的细度模数为2.5～2.8，石粉含量为2.7％～6.1％，碱活性为0.29；

所述石子的粒径为5～25mm，表观密度为2650kg/m³，孔隙率为39％，含泥量为0.3％，碱活性为0.27；

所述硅粉的SiO₂含量为91.2％～93.6％、比表面积≥21000m²/kg；

所述减水剂为各项指标均满足GB8076-2008中高性能的减水剂；

所述引气剂的减水率为7％，含气量为5.5％，1h含气量经时变化量+0.5％的引气剂；

所述增稠剂的有效物质含量≥20％，pH值为6.0±1.0，旋转粘度在18～22℃时≥200mPa·s；

所述硅粉的掺量为水泥和硅粉总重量的4～5％；

所述引气剂为脂肪醇磺酸盐类，所述减水剂为聚羧酸，所述增稠剂为丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物。

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