CN114105553A - 一种含机制砂收尘石粉的大流态高抗分散性灌注桩混凝土 - Google Patents

一种含机制砂收尘石粉的大流态高抗分散性灌注桩混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，本发明公开了一种含机制砂收尘石粉的大流态高抗分散性灌注桩混凝土，本发明采用三异丙醇胺和三乙醇胺作为分散和离子促溶剂，通过陈化工艺促使三异丙醇胺和三乙醇胺强吸附于机制砂收尘石粉表面，提高机制砂收尘石粉反应活性，再采用机械力激活三异丙醇胺和三乙醇胺与溶出的钙、硅等离子之间的络合化学键，提高石粉颗粒间的分散性。用于制备灌注桩混凝土时，改性收尘石粉中的钙、硅等离子参与水泥水化，提高混凝土强度。此外，本发明复配掺入纳米二氧化硅促进水泥水化，且可以有效改善所配制的灌注桩混凝土的粘聚性和保水性，从而大大提高其抗水下分散性能。对制备大流态高抗分散性灌注桩混凝土具有重要意义。

Description

一种含机制砂收尘石粉的大流态高抗分散性灌注桩混凝土
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种含机制砂收尘石粉的大流态高抗分散性灌注桩混凝土。
背景技术
水下灌注桩的施工是将混凝土通过导管，依靠混凝土自重进行灌注形成密实体的方法，公路、铁路桥梁灌注桩桩基深度一般在20m以上，一些跨江大桥桩基深度可超100m。为保证水下混凝土灌注桩的质量，配制的混凝土除要求满足强度、抗渗、耐久性能外，其拌合物应具有高粘聚力、抗分散和抗离析的能力，并能在水下自流平、自密实形成匀质、密实的混凝土，防止混凝土在接触水后因水泥浆流失、骨料离析而影响桩身质量。另外，水下灌注桩由于在水下成型，必须连续不间断施工，防止断桩，因此水下灌注桩混凝土还要求很大的流动性且流动性经时损失小，以防止施工过程中混凝土堵泵、骨料离析、桩身出现蜂窝、断桩等质量通病。灌注桩混凝土拌合物工作性设计要求指标一般为：混凝土落度200～240mm，扩展度500～600mm，坍落度1h损失不大于20mm，初凝时间不短于8h，并具有较高的水陆强度比。因此，从本质上看灌注桩混凝土属于一种低强度等级的大流态高抗分散性混凝土。目前，其通常配制方法为：采用高胶凝材料用量(C30：400～430kg/m3，C35：420～450kg/m3)、中高粉煤灰掺量(10％～30％)，并适当引气(混凝土含气量约2～4％)，以改善混凝土的流动性、粘聚性和保水性，上述配制技术存在如下问题：胶材用量显著高于同强度等级的混凝土，混凝土材料成本较高，且由于粉煤灰偏轻，在混凝土灌注过程中容易浮于表面而造成灌注桩上部混凝土的水胶比偏高、气孔多、强度低，有时甚至没有强度。
我国基础设施建设对砂资源的需求量巨大，年消耗量高达60亿吨以上。受河砂资源的不可再生性、季节性及采砂政策的收紧，近年来机制砂迅速成为建设用砂的主要来源，尤其是山区高速公路、铁路建设中桥隧占比高，隧道开挖产生大量洞渣，同时工程建设又需要大量砂石骨料，将隧道洞渣加工成机制砂石骨料再用于配制混凝土，其生态意义重大，经济利益更为突出。机制砂是岩石经除土、多段破碎加整形后筛分制得的，生产方式决定了机制砂颗粒具有颗粒表面粗糙，粒形不够圆滑、尖锐有棱角等粒形特点，且细碎整形过程中会伴随产生机制砂质量15～25％的粒径小于75μm的石粉副产物，这也是机制砂区别于天然砂的最大特点。目前，我国国家标准《建设用砂》(GB/T 14684-2011)和交通行业标准《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T 3650-2020)等许多标准规定机制砂中石粉含量限值为10％，在实际应用中，配制强度等级C50以下的混凝土将机制砂石粉含量控制在7％左右，配制C50及以上混凝土控制机制砂石粉含量在5％以内。因此，机制砂生产中需要去除10％左右多余的石粉，除粉以前主要是通过水洗工艺将机制砂中多余的石粉洗去，而目前主要是通过收尘器和选粉机的协同作用将多余的石粉风选收集起来，也就是说每生产100吨机制砂大约要排放10吨左右的石粉。假设机制砂台时产量是100吨/小时，则一天石粉副产物的排放量就可能高达120吨(按每天12小时生产计算)，目前收集起来的石粉多数是通过粉料罐车外运至固定地点进行集中堆填，造成浪费资源，少数外运用于砖厂制地面砖、透水砖、砌墙砖等，或运至水泥厂作为硅质或钙质原材料的少量替代性材料，利用率和利用价值低。另外，外运费用高，而且经常因为外运不及时致使机制砂场石粉罐装满而造成机制砂不能正常生产。
而目前并没有利用机制砂收尘石粉制备灌注桩混凝土的先例，因此，利用机制砂收尘石粉制备灌注桩混凝土，提高机制砂收尘石粉副产物的资源化利用率，同时制备得到具有优异性能的灌注桩混凝土成为亟需。
发明内容
有鉴于此，本发明以机制砂干法生产中的收尘石粉为原料，将其用于制备灌注桩混凝土，以解决现有灌注桩混凝土胶材用量高、机制砂干法生产收尘石粉难以就地利用的问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种含机制砂收尘石粉的大流态高抗分散性灌注桩混凝土，所述灌注桩混凝土包含如下重量份数的组分：胶凝材料360～390份、水155～160份、机制砂700～850份、碎石1020～1230份。
作为优选，所述胶凝材料，按质量百分比计，包含如下组分：水泥65～75％、粉煤灰0～10％、改性机制砂收尘石粉15～30％。
作为优选，所述灌注桩混凝土还包括减水剂、纳米二氧化硅。
作为优选，所述减水剂的用量为胶凝材料用量的1～1.5％；纳米二氧化硅的用量为胶凝材料用量的1～2％。
作为优选，所述水泥为P·O42.5级普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰。
作为优选，所述机制砂的细度模数为2.5～3.2，MB值＜1.4g/kg，石粉含量≤10％。
作为优选，所述碎石为5～31.5mm连续级配碎石。
作为优选，所述改性机制砂收尘石粉的制备方法包括如下步骤：
(1)将助溶剂与水混合，得混合液；
(2)将混合液喷洒于机制砂收尘石粉表面，进行翻拌，之后陈化，干燥，球磨得到改性机制砂收尘石粉。
作为优选，所述助溶剂为三异丙醇胺和三乙醇胺的混合物；所述三异丙醇胺和三乙醇胺的质量比为2～3:1；所述助溶剂的用量为机制砂收尘石粉的用量的0.15～0.20％。
作为优选，所述陈化时间为12～24h，球磨时间为5～15min。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明有益效果如下：
1、本发明采用三异丙醇胺和三乙醇胺改性机制砂收尘石粉后，相对于未改性机制砂收尘石粉，可在部分甚至完全替代灌注桩混凝土中的粉煤灰的条件下，显著提高灌注桩混凝土的工作性能，并能提高灌注桩混凝土的早、后期强度，从而有利于在保证配制强度的前提下，降低胶材用量，而且本发明将纳米二氧化硅与改性的收尘石粉复掺，可显著提高灌注桩混凝土的水下抗分散性能。其中，配制的灌注桩混凝土工作性能满足要求，且在满足配制强度的前提下，可降低胶材用量5～12％，28d水陆抗压强度比可达90％以上。
2、本发明采用改性收尘石粉替代粉煤灰后，可以减少常规粉煤灰混凝土由于粉煤灰密度轻在而灌注桩头粉煤灰浮浆过多的问题，而且本发明消耗了机制砂石粉副出产物，有效利用了矿产资源。
3、本发明可采用改性机制砂收尘石粉等量代粉煤灰60～100％，可有效解决山区基础设施建设中粉煤灰资源来源短缺的问题，而且本发明可降低胶材用量5～12％，从而有利于节能减排，具有显著的社会和环保意义。
具体实施方式
本发明提供一种含机制砂收尘石粉的大流态高抗分散性灌注桩混凝土，所述灌注桩混凝土包含如下重量份数的组分：胶凝材料360～390份、水155～160份、机制砂700～850份、碎石1020～1230份。
在本发明中，所述胶凝材料，按质量百分比计，包含如下组分：水泥65～75％、粉煤灰0～10％、改性机制砂收尘石粉15～30％。
在本发明中，所述灌注桩混凝土还包括减水剂、纳米二氧化硅。
在本发明中，所述减水剂的用量优选为胶凝材料用量的1～1.5％，进一步优选为胶凝材料用量的1～1.2％；纳米二氧化硅的用量优选为胶凝材料用量的1～2％，进一步优选为胶凝材料用量的1.5％。
进一步地，所述减水剂为缓凝型聚羧酸高性能减水剂，减水剂的减水率＞25％。
在本发明中，所述水泥优选为P·O42.5级普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰优选为Ⅱ级粉煤灰。
在本发明中，所述机制砂的细度模数优选为2.5～3.2，进一步优选为2.8～3.0；MB值优选＜1.4g/kg，进一步优选为＜1.2g/kg；石粉含量优选为≤10％，进一步优选为5～8％。
进一步地，所述机制砂优选为花岗岩机制砂、玄武岩机制砂、石英岩机制砂、石灰石机制砂、大理岩机制砂中的一种，进一步优选为石灰岩机制砂或花岗岩机制砂或玄武岩机制砂。
在本发明中，所述碎石为5～31.5mm连续级配碎石。
进一步地，所述碎石由5～10mm、10～20mm、16～31.5mm单粒级碎石按1～2:5～6:2～3的质量比级配而成。
进一步地，所述碎石优选为花岗岩碎石、石灰岩碎石、白云岩碎石、辉绿岩碎石、凝灰岩、片麻岩碎石中的一种，进一步优选为花岗岩碎石或石灰岩碎石或白云岩碎石。
在本发明中，所述改性机制砂收尘石粉的制备方法包括如下步骤：
(1)将助溶剂与水混合，得混合液；
(2)将混合液喷洒于机制砂收尘石粉表面，进行翻拌，之后陈化，干燥，球磨得到改性机制砂收尘石粉。
在本发明中，所述助溶剂为三异丙醇胺和三乙醇胺的混合物；所述三异丙醇胺和三乙醇胺的质量比优选为2～3:1，进一步优选为2.5:1；所述助溶剂的用量优选为机制砂收尘石粉的用量的0.15～0.20％。
在本发明中，所述机制砂收尘石粉优选为石灰岩石粉、大理岩石粉、花岗岩石粉、玄武岩石粉、石英岩石粉中的一种或多种，进一步优选为石灰岩石粉或花岗岩石粉或玄武岩石粉。
进一步地，石灰岩石粉、大理岩石粉的性能指标为：碳酸钙含量≥75％，含水量≤2％；45μm方孔筛筛余≤45％，或比表面积≥200m2/kg；亚甲蓝值(MB)值≤1.75g/kg；流动度比≥90％，7d、28d抗压强度比≥60％。
玄武岩石粉、花岗岩石粉和石英岩石粉的性能指标为：SiO2含量分别≥45％、≥60％和≥75％，含水量≤2.0％；45μm方孔筛筛余≤45％，或比表面积≥200m2/kg；亚甲蓝值(MB)值≤2.1g/kg；流动度比≥85％，7d、28d抗压强度比≥60％。上述石粉MB值的试验均按GB/T 35164-2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的石灰石粉》中的石灰石粉MB值的测定方法进行测定。
在本发明中，所述陈化时间优选为12～24h，进一步优选为15～20h；球磨时间优选为5～15min，进一步优选为8～10min。
进一步地，所述混合液的喷洒和翻拌同时进行，直至翻拌均匀；干燥至陈化后的机制砂收尘石粉的含水量＜1％。
具体地说，本发明的工作机理如下：本发明采用三异丙醇胺和三乙醇胺作为分散和离子促溶剂，通过陈化工艺促使三异丙醇胺和三乙醇胺强吸附于石粉表面，并在形成的特定水环境条件下促进机制砂收尘石粉中有效成分钙、硅等离子的溶出，提高其反应活性，随后，采用机械力激活三异丙醇胺和三乙醇胺与溶出的钙、硅等离子之间的络合化学键，使其发生断裂，促使三异丙醇胺和三乙醇胺重新吸附于石粉表面，并提高石粉颗粒间的分散性，当将其用于制备灌注桩混凝土时，改性收尘石粉中的钙、硅等离子参与水泥水化，提高混凝土强度，同时，三异丙醇胺和三乙醇胺吸附于收尘石粉表面，可有效减弱收尘石粉对聚羧酸减水剂的竞争吸附，从而大大改善混凝土的工作性能。此外，本发明复配掺入纳米二氧化硅作为粘度调节剂，其一方面可作为晶核诱发剂，促进水泥水化，另一方面可有效改善所配制的灌注桩混凝土的粘聚性和保水性，从而大大提高其抗水下分散性能。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1～6以及对比例1～5所制花岗岩机制砂收尘石粉大流态高抗分散性灌注桩混凝土的组分及其添加量参见表1。
采用以下方法改性花岗岩收尘石粉：
(1)按照0.08的水料比，称取水和花岗岩收尘石粉；
(2)将三异丙醇胺和三乙醇胺溶于水中，然后，喷洒至花岗岩收尘石粉表面，边喷洒边翻拌，待翻拌均匀后，陈化24h，干燥至石粉含水量小于1％，随后，投入球磨机中粉磨5min，得到改性花岗岩收尘石粉，其中，三异丙醇胺和三乙醇胺的质量比为2:1，三异丙醇胺和三乙醇胺的总质量为花岗岩收尘石粉的质量的0.2％。
其中，对比例1为目前常规C30灌注桩混凝土的配合比。
表1实施例1～6以及对比例1～5所述灌注桩混凝土的组分及其添加量
Figure BDA0003332091510000101
其中，水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为II级粉煤灰；机制砂为花岗岩机制砂，其细度模数为3.0，压碎指标为21％，石粉含量为6.4％，机制砂MB值为1.12g/kg，其他指标符合《建设用砂》(GB/T 14684-2011)标准的II类机制砂；碎石为花岗岩碎石，其级配为：5～10mm、10～20mm、16～31.5mm＝2:5:3；减水剂为缓凝型聚羧酸高性能减水剂产品，减水率为30％；机制砂收尘石粉为花岗岩收尘石粉，其性能指标如表5所示。
进一步地，对实施例1～6以及对比例1～5机制砂收尘石粉大流态高抗分散性灌注桩混凝土进行性能测试，测试结果如表2所示：
表2实施例1～6以及对比例1～5所述灌注桩混凝土性能测试结果
Figure BDA0003332091510000111
Figure BDA0003332091510000121
其中，水陆强度比是指水中成型混凝土试件的抗压强度与空气中成型混凝土试件的抗压强度的比值，用于反映灌注桩混凝土在水下的抗分散能力，混凝土在水下的抗分散能力越差，浆体流失就越严重，混凝土的水下强度就越低。水下成型混凝土抗压强度试件的制作和养护及强度试验、空气中成型的混凝土抗压强度试件的制作和养护及强度试验、水陆强度比的计算按GB/T 37990-2019《水下不分散混凝土絮凝剂技术要求》附录B进行。
由表1和表2可知，相对于目前常规C30灌注桩混凝土，本发明的花岗岩机制砂收尘石粉大流态高抗分散性灌注桩混凝土，其在胶凝材料用量降低12％的条件下，仍然可达到与目前常规C30灌注桩混凝土基本相同的工作性能，且可有效降低坍落度损失。当改性花岗岩收尘石粉替代粉煤灰60％时，其28d抗压强度与目前常规C30灌注桩混凝土的强度值相近，远高于未改性花岗岩收尘石粉替代粉煤灰60％时灌注桩混凝土的强度；当改性花岗岩收尘石粉替代粉煤灰100％时，其28d强度依然可达到C30灌注桩混凝土的配制强度(38.2MPa)。同时，本发明的花岗岩机制砂收尘石粉大流态高抗分散性灌注桩混凝土的水陆强度比远高于目前常规C30灌注桩混凝土，其7d水陆强度比基本在87％以上，28d水陆强度比基本在90％以上。此外，本发明的花岗岩机制砂收尘石粉大流态高抗分散性灌注桩混凝土的56d电通量远低于目前常规C30灌注桩混凝土。
实施例7～12以及对比例6～10所制石灰岩机制砂收尘石粉大流态高抗分散性灌注桩混凝土的组分及其添加量参见表3。
采用以下方法改性石灰岩收尘石粉：
(1)按照0.1的水料比，称取水和石灰岩收尘石粉；
(2)将三异丙醇胺和三乙醇胺溶于水中，然后，喷洒至石灰岩收尘石粉表面，边喷洒边翻拌，待翻拌均匀后，陈化12h，干燥至石粉含水量小于1％，随后，投入球磨机中粉磨15min，得到改性石灰岩收尘石粉，其中，三异丙醇胺和三乙醇胺的质量比为3:1，三异丙醇胺和三乙醇胺的总质量为石灰岩收尘石粉的质量的0.15％。
其中，对比例6为目前常规C35灌注桩混凝土的配合比。
表3实施例7～12以及对比例6～10所述灌注桩混凝土所用组分及其添加量
Figure BDA0003332091510000131
Figure BDA0003332091510000141
其中，水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为II级粉煤灰；机制砂为石灰岩机制砂，其细度模数为2.8，压碎指标为18％，石粉含量为7.2％，机制砂MB值为0.85g/kg，其他指标符合《建设用砂》(GB/T 14684-2011)标准的II类机制砂；碎石为石灰岩碎石，其级配为：5～10mm、10～20mm、16～31.5mm＝1.5:5.5:3；减水剂为缓凝型聚羧酸高性能减水剂产品，减水率为27.9％；机制砂收尘石粉为石灰岩收尘石粉，其性能指标如表5所示。
进一步地，对实施例7～12以及对比例6～10石灰岩机制砂收尘石粉大流态高抗分散性灌注桩混凝土进行性能测试，测试结果如表4所示：
表4实施例7～12以及对比例6～10所述灌注桩混凝土性能测试结果
Figure BDA0003332091510000151
Figure BDA0003332091510000161
由表3和表4可知，相对于目前常规C35灌注桩混凝土，本发明的石灰岩机制砂收尘石粉大流态高抗分散性灌注桩混凝土，其在胶凝材料用量降低9.3％的条件下，仍然可达到与目前常规C35灌注桩混凝土基本相同的工作性能，且可有效降低坍落度损失。当改性石灰岩收尘石粉替代粉煤灰60％时，其强度值与目前常规C35灌注桩混凝土的强度性能相近，远高于未改性石灰岩收尘石粉替代粉煤灰60％时灌注桩混凝土的强度；当改性石灰岩收尘石粉替代粉煤灰100％时，其28d抗压强度依然可达到C35灌注桩混凝土的配制强度(43.2MPa)。同时，本发明的石灰岩机制砂收尘石粉大流态高抗分散性灌注桩混凝土的水陆强度比远高于目前常规C35灌注桩混凝土，其7d水陆强度比基本在89％以上，28d水陆强度比基本在93％以上。此外，本发明的石灰岩机制砂收尘石粉大流态高抗分散性灌注桩混凝土的56d电通量远低于目前常规C35灌注桩混凝土。
表5机制砂收尘石粉的主要性能指标
Figure BDA0003332091510000162
Figure BDA0003332091510000171
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)

1.一种含机制砂收尘石粉的大流态高抗分散性灌注桩混凝土，其特征在于，所述灌注桩混凝土包含如下重量份数的组分：胶凝材料360～390份、水155～160份、机制砂700～850份、碎石1020～1230份。
2.根据权利要求1所述的含机制砂收尘石粉的大流态高抗分散性灌注桩混凝土，其特征在于，所述胶凝材料，按质量百分比计，包含如下组分：水泥65～75％、粉煤灰0～10％、改性机制砂收尘石粉15～30％。
3.根据权利要求1或2所述的含机制砂收尘石粉的大流态高抗分散性灌注桩混凝土，其特征在于，所述灌注桩混凝土还包括缓凝型聚羧酸高性能减水剂、纳米二氧化硅。
4.根据权利要求3所述的含机制砂收尘石粉的大流态高抗分散性灌注桩混凝土，其特征在于，所述减水剂的用量为胶凝材料用量的1～1.5％；纳米二氧化硅的用量为胶凝材料用量的1～2％。
5.根据权利要求1所述的含机制砂收尘石粉的大流态高抗分散性灌注桩混凝土，其特征在于，所述水泥为P·O42.5级普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰。
6.根据权利要求5所述的含机制砂收尘石粉的大流态高抗分散性灌注桩混凝土，其特征在于，所述机制砂的细度模数为2.5～3.2，MB值＜1.4g/kg，石粉含量≤10％。
7.根据权利要求1所述的含机制砂收尘石粉的大流态高抗分散性灌注桩混凝土，其特征在于，所述碎石为5～31.5mm连续级配碎石。
8.根据权利要求2所述的含机制砂收尘石粉的大流态高抗分散性灌注桩混凝土，其特征在于，所述改性机制砂收尘石粉的制备方法包括如下步骤：
(1)将助溶剂与水混合，得混合液；
(2)将混合液喷洒于机制砂收尘石粉表面，进行翻拌，之后陈化，干燥，球磨得到改性机制砂收尘石粉。
9.根据权利要求8所述的含机制砂收尘石粉的大流态高抗分散性灌注桩混凝土，其特征在于，所述助溶剂为三异丙醇胺和三乙醇胺的混合物；所述三异丙醇胺和三乙醇胺的质量比为2～3:1；所述助溶剂的用量为机制砂收尘石粉的用量的0.15～0.20％。
10.根据权利要求8所述的含机制砂收尘石粉的大流态高抗分散性灌注桩混凝土，其特征在于，所述陈化时间为12～24h，球磨时间为5～15min。
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