CN114368946A - 一种矿物掺合料水工混凝土 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿物掺合料水工混凝土，包括水泥322‑460份、石灰石粉0‑69份、粉煤灰0‑69份、矿渣粉0‑69份、细骨料724份、粗骨料1086份、水180份和减水剂4.6份。细骨料为天然河砂，选取细骨料为中粗砂，粒径范围为0.3‑1.25mm，使用前完全晾干。粗骨料选取粒径为5‑25mm的连续级配，骨料形状饱满，无针片状和片状碎石。减水剂为聚羧酸盐减水剂，聚羧酸盐减水剂对水泥颗粒有很好的分散作用，能减少单位用水量，改善混凝土拌合物的流动性。本发明采用石灰石粉、粉煤灰和矿渣粉作为掺合料代替原有的混凝土原料，可以有效的处理了三种工业废料，保护环境，同时也提升了水工混凝土的力学性能和抗冻性，满足水工建筑物的承载力和抗冻性的要求。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种矿物掺合料水工混凝土。
背景技术
在寒冷地区，水利工程、水泥混凝土路面、桥梁等基础设施在冻融循环的侵蚀下力学性能及微观结构迅速劣化，工程达不到设计的使用寿命。北方地区昼夜温差大，水利枢纽工程所使用的混凝土遭受不同程度的冻融破坏，混凝土在冻融情况下的破坏是不可逆的，加之近些年来气候变化，南方地区冰冻灾害频发，所以提高混凝土的抗冻性是非常有必要的。
凝土复合掺合料可明显改善硅酸盐水泥自身难以克服的组成和微结构等方面的缺陷，包括劣化的界面区、耐久性不良的晶相结构、高水化热造成的微裂纹等，赋予混凝土优异的耐久性能和工作性，超越了传统的降低成本和环境保护的意义，已成为混凝土材料一个不可或缺的组分，有人称之为混凝土的第六组分。
石灰石粉，粉煤灰和矿渣粉作为工业废料，处理不当会造成环境的严重污染。但三种材料可以作为矿物掺合料掺入混凝土中，改善混凝土的抗冻性和力学性能，这样既能保护环境，也能降低混凝土的成本。但是三种矿物掺合料单独掺入混凝土也会起到一定的不良影响，其中石灰石粉掺入混凝土中，虽然强度有所提升，但是提升速度慢，且抗冻性也会下降。粉煤灰混凝土在后期强度普遍升高，但在养护前期会影响混凝土的强度。矿渣粉虽然在前期也能参与水化反应，但掺入过量的矿渣粉也会因活性不高影响水化反应。
基于上述分析，如何提高石灰石粉，粉煤灰和矿渣粉的利用度的同时，还能保证在与混凝土进行掺和后改善其力学性能和抗冻性，是目前行业内难以克服的。
发明内容
鉴于上述不足，本发明对石灰石粉，粉煤灰和矿渣粉进行了充分的利用，将三种矿物掺合料加入混凝土中，有效提升了力学性能和抗冻性。本发明是通过如下手段实现的：
一种矿物掺合料水工混凝土，包括如下重量份的原料：
水泥322-460份、石灰石粉0-69份、粉煤灰0-69份、矿渣粉0-69份、细骨料724份、粗骨料1086份、水180份和减水剂4.6份。
通过以上技术方案，石灰石粉在早期时会依靠晶核效应加快水化反应，而到了后期石灰石粉的活性效应会增长混凝土的抗压强度，当石灰石粉到一定细度以后，表面积会随着粒径减小而使表面积增大，随着表面积的增大，处于表面的原子数也会随着增加，这些表面的的原子具有高活跃性，易于其他原子反应，从而使石灰石粉具有了活性效应，其活性效应提高了混凝土的抗压强度；但混凝土掺入石灰石粉后，改变了混凝土本身的孔结构，导致在饱和水的情况下，更加容易的遭受冻融破坏。粉煤灰在前期不参加水化反应，而到了后期会增长混凝土强度，主要是因为粉煤灰的活性效应和微集料效应的共同作用导致的。绝大多数粉煤灰的绝大多数成分为玻璃微珠，玻璃微珠表面光滑，内部致密且强度很高，对混凝土强度的提升起到了一定的作用，且粉煤灰的粒径小于水泥的粒径可以使粉煤灰更均匀的掺入水泥浆内，使水泥的孔隙和孔隙得到填充，从而使混凝土的孔结构得到得到改善，增加混凝土的密实度，并且随着水化反应的进行，粉煤灰使混凝土越来越密实，后期强度也越来越高，这就是粉煤灰的微集料效应。粉煤灰的火山灰反应能力使粉煤灰的活性氧化硅(SiO2)和活性氧化铝(Al2O3)和水化反应产物Ca(OH)2反应产生C-S-H胶凝和C-A-H胶凝，填充毛细孔隙使混凝土的强度得到提高，粉煤灰的火山灰效应会使水泥水化反应产生的Ca(OH)2的含量减小，从而使界面过渡区的结构得到改善，而且随着水化反应进行，混凝土会越来越致密从而提高了混凝土的强度和抗冻性。矿渣粉和粉煤灰一样也具有一定的火山灰活性效应，跟水化产物Ca(OH)2“二次水化反应”，产生C-S-H胶凝，在与Ca(OH)2同时，可以减小Ca(OH)2在界面过度区的数量，使混凝土中的骨料和水泥石的粘结力更强，从而提高混凝土的强度。与粉煤灰不同的是，矿渣粉含有一定量的水泥熟料矿物C2S和CS，这些成分可以直接进行水化反应，生成水硬化水化产物，进而产生强度。
作为优选，所述水泥391份、石灰石粉23份、粉煤灰23份、矿渣粉23份、细骨料724份、粗骨料1086份、水180份和减水剂4.6份。
作为优选，所述水泥为普通硅酸盐水泥，其添加量为322-437份。
作为优选，所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰。
作为优选，所述矿渣粉为S95级矿渣粉。
作为优选，所述细骨料为天然河砂，选取细骨料为中粗砂，粒径范围为0.3-1.25mm，使用前完全晾干。
作为优选，粗骨料选取粒径为5-25mm的连续级配，骨料形状饱满，无针片状和片状碎石。
作为优选，所述减水剂为聚羧酸盐减水剂，聚羧酸盐减水剂对水泥颗粒有很好的分散作用，能减少单位用水量，改善混凝土拌合物的流动性。
本发明的有益效果在于：
用石灰石粉、粉煤灰和矿渣粉三种矿物掺合料作为掺合料代替原有的混凝土原料，可以有效的处理了三种工业废料，保护环境，同时也提升了水工混凝土的力学性能和抗冻性，满足水工建筑物的承载力和抗冻性的要求。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明做进一步描述。实施例的描述仅为便于理解和应用本发明，而非对本发明保护的限制。
本发明可以根据实际工程对混凝土性能的要求适当调整配方，按照以下实施例所述方法进行操作，配制出满足性能要求的矿物掺合料水工混凝土。
本发明所使用的原材如下：
水泥：采用水泥为P.O 42.5太行牌普通硅酸盐水泥。
粉煤灰：使用的粉煤灰为邯郸市某热电厂生产的Ⅱ级粉煤灰。
石灰石粉：使用的石灰石粉是河南义翔新材料公司生产的石灰石粉。
矿渣粉：使用的矿渣粉为巩义市龙泽净水公司生产的S95级矿渣粉。
粗骨料：粗骨料为邯郸市某采石厂的生产的碎石，粗骨料选取粒径为5-25mm的连续级配。
细骨料：细骨料为天然河砂。
减水剂：所用减水剂为粉末状聚羧酸高效减水剂。
测试标准：
抗压强度测试标准按照GBT 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。
抗冻性测试按照GBT-T50082-2009_《普通混凝土长期性能和耐久性试验标准》进行。
空白例：
空白例为未掺加任何矿物掺合料的普通混凝土，其配合比为：水泥：水：粗骨料：细骨料＝460:180:724:1086。
实施例1-5：
如表1所示，选取实施例1-5的水泥、石灰石粉、粉煤灰、矿渣粉、粗骨料、细骨料和减水剂。
实施例1与空白例的区别为，掺入了空白例组水泥成分5％的石灰石粉。其余与空白例相同。
实施例2与空白例的区别为，掺入了空白例组水泥成分5％的石灰石粉和5％粉煤灰。其余与空白例相同。
实施例3与空白例的区别为，掺入了空白例组水泥成分5％的石灰石粉和5％矿渣粉。其余与空白例相同。
实施例4与空白例的区别为，掺入了空白例组水泥成分15％的矿渣粉和15％粉煤灰。其余与空白例相同。
实施例5与空白例的区别为，掺入了空白例组水泥成分5％的石灰石粉、5％粉煤灰和5％矿渣粉，其余与空白例相同。
表1矿物掺合料水工混凝土配合比
| 编号 | 水泥 | 石灰石粉 | 粉煤灰 | 矿渣 | 细骨料 | 粗骨料 | 水 | 减水剂 |
| 空白例 | 460 | 0 | 0 | 0 | 724 | 1086 | 180 | 4.6 |
| 实施例1 | 437 | 23 | 0 | 0 | 724 | 1086 | 180 | 4.6 |
| 实施例2 | 414 | 23 | 23 | 0 | 724 | 1086 | 180 | 4.6 |
| 实施例3 | 414 | 23 | 0 | 23 | 724 | 1086 | 180 | 4.6 |
| 实施例4 | 322 | 0 | 69 | 69 | 724 | 1086 | 180 | 4.6 |
| 实施例5 | 391 | 23 | 23 | 23 | 724 | 1086 | 180 | 4.6 |
根据表1的配合比做出的空白例和实施例1-5的混凝土试件养护28天后进行抗压试验和0～100次快速冻融试验得到试验结果如表2～表5所示。
表2各组混凝土28d抗压强度数据表
| 组别 | 空白例 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| 28d抗压强度 | 36.9 | 39 | 41.2 | 42.4 | 37.3 | 38.9 |
表3各组混凝土冻融循环后质量损失变化表
表4各组混凝土冻融循环后动弹性模量变化表
表5各组混凝土冻融循环抗压强度变化表
| 冻融循环次数 | 0次 | 25次 | 50次 | 75次 | 100次 |
| 空白例 | 36.9 | 32.6 | 27.5 | 23.3 | 19.6 |
| 实施例1 | 39 | 34.5 | 28.6 | 23.8 | 20.3 |
| 实施例2 | 41.2 | 37.3 | 32.8 | 28.1 | 25.6 |
| 实施例3 | 42.4 | 39.5 | 35.8 | 30.4 | 27.3 |
| 实施例4 | 37.5 | 33.1 | 28.5 | 24.1 | 20 |
| 实施例5 | 38.9 | 35.8 | 30.5 | 26.3 | 23.1 |
由表2可知，在龄期28天时，掺入石灰石粉、矿渣粉和粉煤灰三种掺合料的混凝土强度均得到了提升。其中：
掺合料掺入5％石灰石粉的实施例1组的强度为空白例强度的105.6％；
掺合料掺入5％粉煤灰和5％石灰石粉的实施例2组的混凝土试块，强度得到提升，强度是空白例组的111.6％；
掺合料掺入5％矿渣粉和5％石灰石粉的实施例3组的火山灰活性效应、胶凝效应、晶核效应以及活性效应出现显著提升，叠加作用下其抗压强度最高；
掺合料掺入15％粉煤灰和15％的矿渣粉的实施例4组强度是空白例组强度的101.6％；
掺合料掺入5％石灰石粉、5％粉煤灰和5％矿渣粉的实施例5组在28天时三种掺合料的叠加效应使强度大于空白例抗压强度，强度为空白例组的105.4％。
由表3～表5可知，实施例3组的质量损失和相对通弹性模量均是最小的，所以该组的抗冻性最好。实施例2组、实施例4组和实施例5组的质量损失和相对通弹性模量也均小于空白组，所以实施例2组、实施例4组和实施例5组抗冻性也好于空白例组。实施例1组的质量损失和动弹性模量的损失大于空白例组，通过100次冻融循环试验后的抗压强度变化可以看出，实施例1组～实施例5组的抗压强度在冻融循环100次后均大于空白例组的抗压强度。通过对各组的质量损失、动弹性模量和抗压强度分析可以发现，石灰石粉会使混凝土抗冻性下降，在掺入了粉煤灰和矿渣粉后，两种掺合料弥补了石灰石粉降低的缺点，抗冻性得了有效的提升。
综上所述，本发明通过双掺和三掺的方式，将石灰石粉、粉煤灰和矿渣粉三种矿物掺合料掺入混凝土，所发明的一种环保型抗冻矿物掺合料水工混凝土，在三种掺合料之间叠加作用可以有效提升矿物掺合料水工混凝土的力学性能和抗冻性。其中掺入了空白例组水泥成分5％的石灰石粉、5％粉煤灰和5％矿渣粉的实施例5组，是5组中综合条件最好的一组。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，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、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种矿物掺合料水工混凝土，包括：
水泥322-460份、石灰石粉0-69份、粉煤灰0-69份、矿渣粉0-69份、细骨料724份、粗骨料1086份、水180份和减水剂4.6份。
2.根据权利要求1所述的矿物掺合料水工混凝土，其中：
所述水泥391份、石灰石粉23份、粉煤灰23份、矿渣粉23份、细骨料724份、粗骨料1086份、水180份和减水剂4.6份。
3.根据权利要求1或2所述的矿物掺合料水工混凝土，其中：
所述水泥为普通硅酸盐水泥，其添加量为322-437份。
4.根据权利要求1或2所述的矿物掺合料水工混凝土，其中：
所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰。
5.根据权利要求1或2所述的矿物掺合料水工混凝土，其中：
所述矿渣粉为S95级矿渣粉。
6.根据权利要求1或2所述的矿物掺合料水工混凝土，其中：
所述细骨料为天然河砂，粒径为0.3-1.25mm。
7.根据权利要求6所述的矿物掺合料水工混凝土，其中：
细骨料使用前还包括完全晾干。
8.根据权利要求1或2所述的矿物掺合料水工混凝土，其中：
粗骨料选取粒径为5-25mm的连续级配。
9.根据权利要求1或2所述的矿物掺合料水工混凝土，其中：
所述减水剂为聚羧酸盐减水剂。
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