CN113979710A - 一种适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土及其制备方法，涉及混凝土技术领域。本发明提供的适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土，包括以下重量份数的制备原料：水泥300～450份，粗集料1000～1200份，细集料620～700份，水150～165份，低温活化剂10～20份，稻壳灰30～40份，偏高岭土30～40份，硅藻土5～10份，引气剂0.01～0.03份，减水剂3～5份。本发明提供的混凝土具有优良的抗氯盐冻性能，可以显著提高混凝土在寒冷地区的使用寿命，应用前景广阔。

Description

一种适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，具体涉及一种适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土及其制备方法。
背景技术
随着国家发展，兰新高铁、川藏铁路、青藏公路等一大批重大基础工程在建设或规划中。混凝土材料作为基础工程建设的主体，因具有取材容易、造价低廉、性能优良等优点在国家发展中发挥了重大作用。然而我国西部盐湖盐渍土地区处高原内陆，气候条件十分严酷，夏季炎热、冬天干冷、温差变化大，具有冻融循环的气候特性。如青海察尔汗盐湖地面极端最高温度为62～69℃，极端最低温度为-28.9～-33.4℃，大气最高温度为34.9℃，最低温度-33.6℃，最大日较差28.8℃；新疆的气温年较差为26.3～47.9℃、日较差为10～30℃；西藏的气温年较差为18～22℃。冻融循环作用下导致混凝土内部开裂和表面剥落，最终导致混凝土过早失效。因此，有必要研究一种可在西部高寒地区广泛应用且满足工作性能和力学性能的抗冻混凝土。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土及其制备方法，本发明提供的混凝土具有优良的抗氯盐冻性能，可以显著提高混凝土在寒冷地区的使用寿命，应用前景广阔。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土，包括以下重量份数的制备原料：水泥300～450份，粗集料1000～1200份，细集料620～700份，水150～165份，低温活化剂10～20份，稻壳灰30～40份，偏高岭土30～40份，硅藻土5～10份，引气剂0.01～0.03份，减水剂3～5份；
所述粗集料的粒径为5～20mm；所述细集料的细度模数为2.6～3.0。
优选地，所述低温活化剂包括纳米C-S-H凝结晶种、铝酸钙、二水石膏、甲酸钙、酒石酸和碳酸锂；
所述纳米C-S-H凝结晶种、铝酸钙、二水石膏和甲酸钙的质量比为35～45:40～50:5～15:4～6；所述酒石酸的质量为纳米C-S-H凝结晶种、铝酸钙、二水石膏和甲酸钙总质量的0.001～0.003％；所述碳酸锂的质量为纳米C-S-H凝结晶种、铝酸钙、二水石膏和甲酸钙总质量的0.003～0.005％。
优选地，所述粗集料包括花岗岩和/或玄武岩。
优选地，所述细集料包括天然河砂和/或机制砂；所述天然河砂的含泥量小于3wt％，泥块含量为0％；所述机制砂的石粉含量小于5wt％。
优选地，所述偏高岭土的尺寸小于10μm；所述偏高岭土的比表面积为1500～2000m2/kg。
优选地，所述稻壳灰的SiO2质量分数不小于90％，比表面积为30～80m2/g，碳含量不大于3wt％，需水量比小于105％，28天活性比大于110％。
优选地，所述硅藻土的比表面积不大于500m2/kg，饱和吸水率不小于350％。
优选地，所述引气剂为阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂。
本发明提供了上述技术方案所述抗腐蚀混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将上述技术方案所述抗腐蚀混凝土的制备原料混合，得到适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土。
优选地，所述混合包括：将水泥、偏高岭土、稻壳灰、硅藻土和低温活化剂进行第一混合，得到第一混合料；将所述第一混合料和粗集料以及细集料进行第二混合，得到第二混合料；将所述第二混合料和水、引气剂以及减水剂进行第三混合，得到适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土。
本发明提供了一种适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土，本发明利用低温活化剂促使水泥混凝土低温或负温正常水化，提高高寒地区混凝土早龄期力学性能。与此同时，稻壳灰和偏高岭土可以促进混凝土在低温或负温环境下水化结构强度快速形成，其中稻壳灰的超大比表面积和多孔结构促进水化产物结晶，偏高岭土水化产生的铝酸具有较强氯离子吸附性能，实现了水泥混凝土抗盐腐蚀性能的大幅提升。此外，本发明还复合一定量的硅藻土，其微纳米尺度的孔结构，有效改善了混凝土的孔结构，提高混凝土的抗冻性。本发明提供的混凝土具有优良的抗氯盐冻性能，可以显著提高混凝土在寒冷地区的使用寿命，应用前景广阔。
具体实施方式
本发明提供了一种适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土，包括以下重量份数的制备原料：水泥300～450份，粗集料1000～1200份，细集料620～700份，水150～165份，低温活化剂10～20份，稻壳灰30～40份，偏高岭土30～40份，硅藻土5～10份，引气剂0.01～0.03份，减水剂3～5份；
所述粗集料的粒径为5～20mm；所述细集料的细度模数为2.6～3.0。
在本发明中，若无特殊说明，所有的原料组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。
在本发明中，按重量份数计，制备所述抗腐蚀混凝土的原料包括水泥300～450份，优选为350～400份。在本发明中，所述水泥优选为P.O.42.5普通硅酸盐水泥或P.O.52.5普通硅酸盐水泥。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，制备所述抗腐蚀混凝土的原料包括粗集料1000～1200份，优选为1050～1100份。在本发明中，所述粗集料的粒径为5～20mm；所述粗集料具有连续级配。在本发明中，所述粗集料优选包括花岗岩和/或玄武岩。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，制备所述抗腐蚀混凝土的原料包括细集料620～700份，优选为650～670份。在本发明中，所述细集料的细度模数为2.6～3.0。在本发明中，所述细集料优选包括天然河砂和/或机制砂；所述天然河砂的含泥量优选小于3wt％，泥块含量优选为0％；所述机制砂的石粉含量优选小于5wt％。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，制备所述抗腐蚀混凝土的原料包括水150～165份，优选为155～160份。在本发明中，所述水优选为饮用水。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，制备所述抗腐蚀混凝土的原料包括低温活化剂10～20份，优选为15～17份。在本发明中，所述低温活化剂优选包括纳米C-S-H凝结晶种、铝酸钙、二水石膏、甲酸钙、酒石酸和碳酸锂。在本发明中，所述纳米C-S-H凝结晶种、铝酸钙、二水石膏和甲酸钙的质量比优选为35～45:40～50:5～15:4～6，更优选为40：45：10：5。在本发明中，所述酒石酸的质量优选为纳米C-S-H凝结晶种、铝酸钙、二水石膏和甲酸钙总质量的0.001～0.003％，更优选为0.002％；所述碳酸锂的质量优选为纳米C-S-H凝结晶种、铝酸钙、二水石膏和甲酸钙总质量的0.003～0.005％，更优选为0.004％。
本发明通过添加低温活化剂可实现高寒地区混凝土正常负温条件下水化硬化，这与传统的防冻混凝土不同。在本发明中，纳米C-S-H凝结晶种可以降低水化产物结晶成核位垒，有利于硅酸钙在较低温度成核结晶，另外，硫酸钙体系形成了一定的水化微结构和水化热量，为普通硅酸盐水泥水化产物结构形成提供了晶种和反应热量。在本发明中，甲酸钙低温下防冻，酒石酸缓凝，碳酸锂促凝，其中酒石酸和碳酸锂配合使用，缓凝和促凝搭配可以调节混凝土的凝结时间。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，制备所述抗腐蚀混凝土的原料包括稻壳灰30～40份，优选为35～38份。在本发明中，所述稻壳灰优选由稻壳在750～800℃焚烧制备而成。在本发明中，所述稻壳灰的SiO2质量分数优选不小于90％，比表面积优选为30～80m2/g，碳含量优选不大于3wt％，需水量比优选小于105％，28天活性比优选大于110％。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，制备所述抗腐蚀混凝土的原料包括偏高岭土30～40份，优选为35～37份。在本发明中，所述偏高岭土优选由高岭土粘土矿在650～800℃煅烧制备而成。在本发明中，所述偏高岭土的颗粒尺寸优选小于10μm，比表面积优选为1500～2000m2/kg。
本发明掺入稻壳灰和偏高岭土，能够改善水泥混凝土的致密性和抗盐腐蚀。首先，稻壳灰自身的超大比表面积和多孔结构可有效促进水化产物结晶共生以及改善C-S-H凝胶交织结构，其次，偏高岭土水化产生的铝酸具有较强氯离子吸附性能，实现了水泥混凝土抗盐腐蚀性能的大幅提升。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，制备所述抗腐蚀混凝土的原料包括硅藻土5～10份，优选为6～8份。在本发明中，所述硅藻土的比表面积优选不大于500m2/kg，饱和吸水率优选不小于350％；所述硅藻土中二氧化硅的质量含量优选为90％。本发明通过含微纳米孔结构的硅藻土提高水泥混凝土的抗冻性能，传统的引气剂其气泡尺寸较大，一般在10微米至几十毫米，而高抗冻混凝土要求引入尺寸较小气泡，恰好具有微纳米孔结构的硅藻土(90％二氧化硅)弥补了传统引气剂所不能引入的气孔孔径，在复合使用引气剂的前提下完善了混凝土的孔结构和分布特征，切实提高了高寒地区水泥混凝土的抗冻性。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，制备所述抗腐蚀混凝土的原料包括引气剂0.01～0.03份，优选为0.02份。在本发明中，所述引气剂优选为阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂；所述阴离子表面活性剂优选为脂肪醇磺酸酯的阴离子表面活性剂，具体优选为脂肪醇醚硫酸钠(AES)；所述非离子表面活性剂优选为6501。
在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，制备所述抗腐蚀混凝土的原料包括减水剂3～5份，优选为4份。在本发明中，所述减水剂优选为高效减水剂，更优选为聚羧酸高效减水剂。在本发明中，所述减水剂的减水率优选大于28％。
在本发明中，所述适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土的密度优选为2450～2500kg/m3。
本发明还提供了上述技术方案所述抗腐蚀混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将上述技术方案所述抗腐蚀混凝土的制备原料混合，得到适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土。
在本发明中，所述混合优选包括：将水泥、偏高岭土、稻壳灰、硅藻土和低温活化剂进行第一混合，得到第一混合料；将所述第一混合料和粗集料以及细集料进行第二混合，得到第二混合料；将所述第二混合料和水、引气剂以及减水剂进行第三混合，得到适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土。在本发明中，所述第一混合、第二混合和第三混合优选在搅拌条件下进行；所述第一混合、第二混合和第三混合的时间优选为1min。
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。
本实施例采用的制备原料：
水泥为P.O.42.5普通硅酸盐水泥。
粗集料为5～20mm连续级配的花岗岩。
细集料为天然河砂，砂细度模数为2.6～3.0，含泥量小于3％，泥块含量为0％。
水为饮用水。
低温活化剂的组成见表1，表1中纳米C-S-H凝结晶种、铝酸钙、二水石膏和甲酸钙的总含量为100％；酒石酸的质量为纳米C-S-H凝结晶种、铝酸钙、二水石膏和甲酸钙总质量的0.002％；碳酸锂的质量为纳米C-S-H凝结晶种、铝酸钙、二水石膏和甲酸钙总质量的0.004％。
表1低温活化剂的成分(wt％)
Figure BDA0003404926380000061
稻壳灰为稻壳在750下焚烧制备而成；稻壳灰的SiO2质量分数不小于90％，比表面积为80m2/g，碳含量不大于3％，需水量比小于105％，28天活性比大于110％。
偏高岭土由高岭土粘土矿在650下煅烧制备而成，颗粒尺寸小于10μm，比表面积为2000m2/kg。
硅藻土比表面积为500m2/kg，饱和吸水率为350％。
引气剂为非离子表面活性剂6501。
减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率大于28％。
实施例1
将300kg水泥、30kg偏高岭土、40kg稻壳灰、5kg硅藻土和10kg低温活化剂加入搅拌锅搅拌1min至均匀，再将1000kg粗集料和700kg细集料加入搅拌锅搅拌1min，最后将150kg水、0.01kg引气剂和5kg减水剂加入搅拌锅搅拌1min，使其混合均匀，得到适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土。
实施例2
将450kg水泥、40kg偏高岭土、30kg稻壳灰、10kg硅藻土和20kg低温活化剂加入搅拌锅搅拌1min至均匀，再将1200kg粗集料和620kg细集料加入搅拌锅搅拌1min，最后将165kg水、0.03kg引气剂和3kg减水剂加入搅拌锅搅拌1min，使其混合均匀，得到适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土。
测试例
(1)5℃环境下
在5℃环境下，实施例1制备的适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土的抗压强度比和实施例2制备的适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土的抗压强度比，7天提升了30％，可以达到设计值80～90％，28天提升了20％，达到设计值110～120％。
一般认为混凝土的盐溶液中冻融30次后剥落量达到500～1500kg/m2时即为不合格产品，我国一般以1000g/m2为临界值。本发明实施例1制备的适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土在经30次冻融循环后，其剥落量仅为450g/m2；经过55次盐溶液冻融循环后，剥落量达到临界值1000g/m2。
实施例2制备的适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土在纯水溶液中的冻融循环次数达到了F400，即400次冻融循环质量损失没有达到5％，动弹性模量下降至60％。
(2)-5℃环境下
在-5℃环境下，实施例1制备的适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土的抗压强度比和实施例2制备的适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土的抗压强度比，7天提升了70％，可以达到设计值60～75％，28天提升了30％，达到设计值100～110％左右。
本发明实施例1制备的适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土在经30次冻融循环后，其剥落量仅为620g/m2；经过43次盐溶液冻融循环后，剥落量达到临界值1000g/m2。
实施例2制备的适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土在纯水溶液中的冻融循环次数达到了F300，即300次冻融循环质量损失没有达到5％，动弹性模量下降至60％。
本发明提供的适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土已成功应用于内蒙古经乌高速公路、山西长临高速以及黑龙江的哈尔滨至五常的哈五高速，具有优良的抗氯盐冻性能，可以显著提高混凝土在寒冷地区的使用寿命。
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)

1.一种适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土，包括以下重量份数的制备原料：水泥300～450份，粗集料1000～1200份，细集料620～700份，水150～165份，低温活化剂10～20份，稻壳灰30～40份，偏高岭土30～40份，硅藻土5～10份，引气剂0.01～0.03份，减水剂3～5份；
所述粗集料的粒径为5～20mm；所述细集料的细度模数为2.6～3.0。
2.根据权利要求1所述的抗腐蚀混凝土，其特征在于，所述低温活化剂包括纳米C-S-H凝结晶种、铝酸钙、二水石膏、甲酸钙、酒石酸和碳酸锂；
所述纳米C-S-H凝结晶种、铝酸钙、二水石膏和甲酸钙的质量比为35～45:40～50:5～15:4～6；所述酒石酸的质量为纳米C-S-H凝结晶种、铝酸钙、二水石膏和甲酸钙总质量的0.001～0.003％；所述碳酸锂的质量为纳米C-S-H凝结晶种、铝酸钙、二水石膏和甲酸钙总质量的0.003～0.005％。
3.根据权利要求1所述的抗腐蚀混凝土，其特征在于，所述粗集料包括花岗岩和/或玄武岩。
4.根据权利要求1所述的抗腐蚀混凝土，其特征在于，所述细集料包括天然河砂和/或机制砂；所述天然河砂的含泥量小于3wt％，泥块含量为0％；所述机制砂的石粉含量小于5wt％。
5.根据权利要求1所述的抗腐蚀混凝土，其特征在于，所述偏高岭土的尺寸小于10μm；所述偏高岭土的比表面积为1500～2000m2/kg。
6.根据权利要求1所述的抗腐蚀混凝土，其特征在于，所述稻壳灰的SiO2质量分数不小于90％，比表面积为30～80m2/g，碳含量不大于3wt％，需水量比小于105％，28天活性比大于110％。
7.根据权利要求1所述的抗腐蚀混凝土，其特征在于，所述硅藻土的比表面积不大于500m2/kg，饱和吸水率不小于350％。
8.根据权利要求1所述的抗腐蚀混凝土，其特征在于，所述引气剂为阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂。
9.权利要求1～8任一项所述抗腐蚀混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将权利要求1～8任一项所述抗腐蚀混凝土的制备原料混合，得到适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述混合包括：将水泥、偏高岭土、稻壳灰、硅藻土和低温活化剂进行第一混合，得到第一混合料；将所述第一混合料和粗集料以及细集料进行第二混合，得到第二混合料；将所述第二混合料和水、引气剂以及减水剂进行第三混合，得到适用于高寒地区的抗腐蚀混凝土。
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