CN114804759B - 一种增强型隧道路面碾压混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增强型隧道路面碾压混凝土，各组分及其含量包括：水泥147‑193kg/m3，粉煤灰17‑22kg/m3，改性钢渣细集料640‑654kg/m3，改性钢渣粗集料1492‑1526kg/m3，水95‑105kg/m3；所述改性钢渣细集料和改性钢渣粗集料分别将钢渣细集料和钢渣粗集料依次加入沸石粉分散液和纳米二氧化硅凝胶中进行浸润处理，再经干燥而成。本发明所得增强型隧道路面碾压混凝土，可有效解决隧道路面碾压混凝土抗弯拉强度低、抗裂性能差等技术难题；并有效实现钢渣等工业废弃物在碾压混凝土的高效资源化利用，具有重要的经济和环境效益，适合推广应用。

Description

一种增强型隧道路面碾压混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种增强型隧道路面碾压混凝土及其制备方法。
背景技术
碾压混凝土属于超干硬性混凝土，拌和物呈松散状态无任何流动性，需经振动碾压密实成型，凝结硬化后具有混凝土的性能特征。碾压混凝土具有水泥用量少、拌和成型效率高、施工速度快、养护周期短等特点，可有效缩短工期、降低造价。近年来，部分公路工程项目采用碾压混凝土替代普通水泥混凝土，作为隧道基层路面结构层。
然而，由于碾压混凝土水泥用量少、用水量低，容易导致水化程度低、干燥收缩大等问题，进而造成碾压混凝土抗弯拉强度不足、抗裂性能差等问题，已成为制约碾压混凝土在路面大规模推广应用的关键瓶颈。目前钢渣作为集料在碾压混凝土中的应用已有一定报道，但钢渣多孔结构导致的吸水特性，更容易加剧碾压混凝土抗弯拉强度不足、抗裂性能差等问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题和不足，提供一种增强型隧道路面碾压混凝土，有效解决隧道路面碾压混凝土抗弯拉强度低、抗裂性能差等技术难题；并可实现钢渣等工业废弃物在碾压混凝土的高效资源化利用，具有重要的推广应用价值。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种增强型隧道路面碾压混凝土，各组分及其含量包括：水泥147-193kg/m3，粉煤灰17-22kg/m3，改性钢渣细集料640-654kg/m3，改性钢渣粗集料1492-1526kg/m3，水95-105kg/m3；所述改性钢渣细集料和改性钢渣粗集料分别将钢渣细集料和钢渣粗集料依次加入沸石粉分散液和纳米二氧化硅凝胶中进行浸润处理，再经干燥而成。
上述方案中，所述改性钢渣细集料和改性钢渣粗集料的制备方法具体包括如下步骤：
1)将沸石粉与水混合，超声处理，得沸石粉分散液；
2)将钢渣粗集料或钢渣集料加入沸石粉混分散液中，进行一次浸润处理，取出晾干至饱和面干状态；
3)将步骤1)所得钢渣粗集料或钢渣细集料加入纳米二氧化硅凝胶中，进行二次浸润处理，再次晾干至饱和面干状态，即得所述改性钢渣细集料或改性钢渣粗集料。
上述方案中，所述沸石粉分散液中沸石粉的浓度为70～80wt％。
上述方案中，所述沸石粉的细度要求0.08mm的方孔筛筛余不超过8％，符合JG T3048的相关性能要求。
上述方案中，所述纳米二氧化硅凝胶的浓度为25-40wt％，pH值9-10，纳米二氧化硅尺寸小于10nm。
上述方案中，所述一次浸润处理时间为18～24h，二次浸润时间为8～12h。
上述方案中，所述钢渣细集料的粒径为0-4.75mm(不包括4.75mm)，细度模数2.9-3.4，呈多孔结构，吸水率为5％以下。
上述方案中，所述钢渣粗集料由19～31.5mm粒级的颗粒、9.5～19mm粒级的颗粒(不包括19mm)和4.75～9.5mm粒级的颗粒(不包括9.5mm)按5:3:2～6:3:1的质量比掺配得到；呈多孔结构，压碎值＜20％，针片状含量＜10％，吸水率为5％以下。
上述方案中，所述水泥为P.O 42.5或P.II 42.5水泥，其比表面积为300～350m2/kg，C3A含量≤8％。
上述方案中，所述粉煤灰为F类I级或II级粉煤灰；其比表面积为300～500m2/kg，45μm筛余≤20％。
上述方案中，所述水可选用饮用水、河水或江水等。
上述一种增强型隧道路面碾压混凝土的制备方法，包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其含量包括：水泥147-193kg/m3，粉煤灰17-22kg/m3，改性钢渣细集料640-654kg/m3，改性钢渣粗集料1492-1526kg/m3，水95-105kg/m3；
2)将称取的水泥、粉煤灰、改性钢渣细集料、改性钢渣粗集料、水倒入混凝土搅拌机中搅拌混合均匀，将所得混合料分层加入模具；其中加入一层混合料进行插捣处理；进行振动成型，即得所述增强型隧道路面碾压混凝土。
上述方案中，所述振动成型步骤采用平板振动器。
本发明采用的原理为：
本发明首先采用沸石粉分散液浸润钢渣集料，填充钢渣集料的内部和外部孔隙，利用沸石粉内在的格架状结构和亲水特性(蓄水作用)，后期水化过程中沸石粉吸附的水能逐渐释放出来，对水泥的水化起到自养护作用，降低收缩；同时为水泥和粉煤灰的水化反应提供水分，提供胶凝材料的水化程度，提高碾压混凝土强度；同时，在拌合和碾压状态下，钢渣集料和沸石粉的组合结构无法保持足够稳定，沸石粉容易从钢渣孔隙分离，本发明进一步采用纳米二氧化硅凝胶对钢渣进行浸润改性，可形成骨料表面成膜效应，对孔隙中的沸石粉起到一定的暂时性封闭保护作用，强化沸石粉的孔隙填充效果，并可一定程度改善多孔钢渣的吸水问题；此外，纳米二氧化硅颗粒具有良好的火山灰活性，可迅速与水泥水化产生的Ca(OH)2反应，生成胶结力强、比表面积大的C-S-H凝胶，不仅提高了碾压混凝土强度，还可有效降低骨料表面的Ca(OH)2含量，使水泥浆体与骨料过渡区的结构得以改善，有效提升混凝土浆体与钢渣集料之间的结合性能，保证所得钢渣集料基混凝土的整体性能；
此外，在拌合和碾压状态下，会有一部部分沸石粉进入碾压混凝土基体，与水泥、粉煤灰配合填充不同尺寸的孔隙，可进一步提高碾压混凝土的压实度，提升碾压混凝土的早期强度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)引入适量吸水率较大的工业废弃物钢渣集料作为“蓄水-释水”因子，形成物理和化学内养护因子相结合、内养护和外养护方式相结合的养护体系，减少碾压混凝土收缩，提高抗裂性能；
2)纳米二氧化硅凝胶的使用，在多孔钢渣骨料表面形成了“保护膜”，解决了拌合和碾压状态下沸石粉容易从钢渣集料孔隙分离的问题；纳米二氧化硅颗粒还可以降低骨料表面的Ca(OH)2含量，使水泥浆体与骨料过渡区的结构得以改善，提升碾压混凝土性能；
3)基于紧密堆积理论，从提高压实度和水化程度两方面入手，提升了粉料堆积密度，保障了后期水化用水需求，提高了强度。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中，采用的水泥为P.O 42.5水泥，比表面积330m2/kg，C3A含量5％；粉煤灰为F类II级粉煤灰，比表面积为450m2/kg，45μm筛余为12％；水为饮用水；采用的沸石粉0.08mm的方孔筛筛余为6％；
采用的钢渣集料为武钢钢渣，包括钢渣粗集料和钢渣细集料；其中钢渣粗集料由19～31.5mm粒级的颗粒、9.5～19mm粒级的颗粒和4.75～9.5mm粒级的颗粒按5:3:2的质量比掺配得到；呈多孔结构，压碎值为18.5％，针片状含量为3％，吸水率为5％；钢渣细集料的粒径为0～4.75mm，其细度模数3.4，呈多孔结构，吸水率为3.5％。
以下实施例中，采用的改性钢渣细集料和粗集料的制备方法包括如下步骤：
1)将水和沸石粉按7:3的质量比例混合，采用30KHZ频率的超声波处理10min后，得沸石粉混合液；
2)将钢渣粗集料或细集料浸润在沸石粉混合液中24小时，浸润完成后取出晾干至饱和面干状态；
3)再将步骤2)所得钢渣粗集料或细集料浸润到浓度30wt％、pH值9、平均尺寸7nm的纳米二氧化硅凝胶(由湖北汇富纳米材料股份有限公司提供)中12h；
4)全部浸润完成后，将集料再次晾干至饱和面干状态。
实施例1～4
实施例1～4所述增强型隧道路面碾压混凝土的制备方法包括如下步骤：
1)按表1所述配方要求称取各原料；
2)将称取的水泥、粉煤灰、改性钢渣细集料、粗集料、水倒入混凝土搅拌机中搅拌2min以上后，将混料分两层装入100mm×100mm×400mm的试模，每一层混料入模后，先用镘刀沿试模内壁上下插捣一周，再用捣棒插捣，每层插捣50下。通过平板振动器成型后，得所述增强型隧道路面碾压混凝土。
表1实施例1～4所述增强型隧道路面碾压混凝土的原料配方
Figure BDA0003577676010000041
将实施例1～4所得隧道路面碾压混凝土分别进行密度、力学性能等测试，结果见表2。
表2实施例1～4所得增强型隧道路面碾压混凝土的性能测试结果
编号 最大干密度(kg/m3) 7d/28d抗弯拉强度(MPa)
实施例1 2345 4.36/7.36
实施例2 2345 4.05/7.12
实施例3 2355 4.25/7.85
实施例4 2348 4.11/7.28
以上实施例，干密度为2345kg/m3和2355kg/m3，水泥掺量分别为8％、10％，用水量6％，28d抗弯拉强度均满足并显著高于4MPa的设计要求，符合隧道路面碾压混凝土的规范要求。
对比例1～6
对比例1～6所述路面碾压混凝土的制备方法包括如下步骤：
1)按表3所述配方要求称取各原料；
2)将称取的水泥、粉煤灰、沸石粉、纳米二氧化硅、改性钢渣细集料、粗集料、水倒入混凝土搅拌机中搅拌2min以上后，将混料分两层装入100mm×100mm×400mm的试模，每一层混料入模后，先用镘刀沿试模内壁上下插捣一周，再用捣棒插捣，每层插捣50下。通过平板振动器成型后，得所述增强型隧道路面碾压混凝土。
表3对比例1～4所述增强型隧道路面碾压混凝土的原料配方
Figure BDA0003577676010000042
Figure BDA0003577676010000051
其中，采用的普通碎石为普通石灰岩碎石，压碎值为16％，针片状含量为1.5％；机制砂为普通石灰岩机制砂，细度模数2.9；采用的纳米二氧化硅为市售纳米二氧化硅粉，其平均粒径为7nm；其他原料的选择同本发明实施例。
将对比例1～6所得隧道路面碾压混凝土分别进行密度、力学性能等测试，结果见表4。
表4对比例1～6所得增强型隧道路面碾压混凝土的性能测试结果
编号 最大干密度(kg/m3) 7d/28d抗弯拉强度(MPa)
对比例1 2332 2.95/3.83
对比例2 2335 3.06/3.49
对比例3 2340 3.26/3.77
对比例4 2338 3.19/3.63
对比例5 2343 3.56/3.96
对比例6 2340 3.48/3.84
对比例1～4结果表明，采用普通碎石粗集料及机制砂替代钢渣集料，28d抗弯拉强度均无法满足4MPa的设计要求，本发明实施例1～4所得碾压混凝土抗弯拉强度得到显著提升。将对比例5～6分别与对比例3和4进行对比，结果表明，通过在碾压混凝土中直接添加沸石粉、纳米二氧化硅，不能在水泥用量和用水量很低的条件下充分水化，仍无法有效解决抗弯拉性能不足等问题。
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种增强型隧道路面碾压混凝土，其特征在于，各组分及其含量包括：水泥147-193kg/m3，粉煤灰17-22kg/m3，改性钢渣细集料640-654kg/m3，改性钢渣粗集料1492-1526kg/m3，水95-105kg/m3；所述改性钢渣细集料和改性钢渣粗集料分别将钢渣细集料和钢渣粗集料依次加入沸石粉分散液和纳米二氧化硅凝胶中进行浸润处理，再经干燥而成；
所述钢渣细集料的粒径为0-4.75mm，细度模数2.9-3.4，呈多孔结构，吸水率为5%以下；
所述钢渣粗集料由19~31.5mm粒级的颗粒、9.5~19mm粒级的颗粒和 4.75~9.5mm粒级的颗粒掺配得到；呈多孔结构，压碎值＜20%，针片状含量＜10%，吸水率为5%以下；
所述改性钢渣细集料和改性钢渣粗集料的制备方法具体包括如下步骤：
1）将沸石粉与水混合，超声处理，得沸石粉分散液；
2）将钢渣粗集料或钢渣集料加入沸石粉分散液中，进行一次浸润处理，取出晾干至饱和面干状态；
3）将步骤1）所得钢渣粗集料或钢渣细集料加入纳米二氧化硅凝胶中，进行二次浸润处理，再次晾干至饱和面干状态，即得所述改性钢渣细集料或改性钢渣粗集料；
所述沸石粉分散液中沸石粉的浓度为70~80wt%；所述沸石粉 0.08mm的方孔筛筛余不超过8%；
所述纳米二氧化硅凝胶的浓度为25-40wt%，pH值为9-10；纳米二氧化硅颗粒的尺寸小于10nm；
所述一次浸润处理时间为18~24小时，二次浸润时间为8~12小时。
2.根据权利要求1所述的增强型隧道路面碾压混凝土，其特征在于，所述水泥为P.O42.5或P.II 42.5水泥，其比表面积为300~350 m2/kg，C3A含量≤8 %；所述粉煤灰为F类I级或II级粉煤灰，其比表面积为300~500 m2/kg。
3.权利要求1~2任一项所述增强型隧道路面碾压混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按配比称取各原料，各原料及其含量包括：水泥147-193kg/m3，粉煤灰17-22kg/m3，改性钢渣细集料640-654kg/m3，改性钢渣粗集料1492-1526kg/m3，水95-105kg/m3；
2）将称取的水泥、粉煤灰、改性钢渣细集料、改性钢渣粗集料、水倒入混凝土搅拌机中搅拌混合均匀，将所得混合料分层加入模具；其中加入一层混合料进行插捣处理；最后进行振动成型，即得所述增强型隧道路面碾压混凝土。
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