CN115010439A - 一种抗裂大体积凝灰岩混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种抗裂大体积凝灰岩混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗裂大体积凝灰岩混凝土，各原料及其所占重量份数包括：水泥210～390份，凝灰岩粉20～70份，煅烧粉煤灰10～60份，煅烧矿粉10～20份，石灰石粉5～20份，砂780～850份，石1000～1200份，水140～160份，外掺0～3份聚丙烯纤维，外掺3.8～5.8份高性能聚羧酸减水剂；通过将各原料进行拌合，成型，再经温度匹配养护而成。本发明以凝灰岩粉、煅烧粉煤灰、煅烧矿粉和钙质石灰石粉为原料组成的矿物掺合料部分替代水泥，并结合温度匹配养护制度，在有效降低大体积混凝土开裂问题的基础上，同步增进工作性能、早期强度和耐久性能等；且涉及的制备方法较简单、成本较低，适合推广应用。

Description

一种抗裂大体积凝灰岩混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种抗裂大体积凝灰岩混凝土及其制备方法。
背景技术
随着土木工程行业的快速崛起与发展，混凝土的需求越来越大，因此水泥等胶凝材料的用量随之增加。由于水泥厂耗能较大且产生大量CO2，在国家倡导节能减排的大趋势下，大量水泥厂倒闭或合并重组，导致水泥出现了供不应求的局面，最终造成水泥的价格急剧上涨。众所周知，水泥是混凝土不可或缺的重要组成部分，控制混凝土生产成本是亟待解决的重要问题。
此外，在混凝土中的水泥掺量必须进行合理控制，否则容易导致开裂等问题，进而影响混凝土的耐久性能等，尤其是大体积混凝土。目前解决大体积混凝土开裂问题的主要方法是通过使用大量的矿物掺合料，但是现有的粉煤灰和矿粉等品质较差，不能根本上解决混凝土开裂这一问题，同时品质较低的矿物掺合料也会使混凝土拌合物的早期强度较低和工作性变差等问题；掺入大量的聚丙烯纤维或钢纤维等纤维等手段也可以减缓混凝土的开裂问题，但纤维的引入会带来施工困难等问题，对解决开裂问题造成一定的技术难度，同时也会带来大体积混凝土强度损失的问题。如何有效解决大体积混凝土开裂问题与强度之间的矛盾是亟待解决的一个棘手问题。
发明内容
本发明的主要目的在于针对粉煤灰、矿粉等矿物掺合料品质波动较大，容易引混凝土拌合用水量增大、工作性能差，以及水泥掺量过大等导致大体积混凝土开裂等问题，提供一种抗开裂大体积凝灰岩混凝土，在有效降低大体积混凝土开裂问题的基础上，同步增进工作性能、早期强度和耐久性能等；且涉及的制备方法较简单、成本较低，适合推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种抗裂大体积凝灰岩混凝土，各原料及其所占重量份数包括：水泥210～390份，凝灰岩粉20～70份，煅烧粉煤灰10～60份，煅烧矿粉10～20份，石灰石粉5～20份，砂780～850份，石1000～1200份，水140～160份，外掺0～3份聚丙烯纤维，外掺3.8～5.8份高性能聚羧酸减水剂；通过将各原料进行拌合，成型，再经温度匹配养护而成。
优选的，所述抗裂大体积凝灰岩混凝土中，各矿物掺合料及其所占重量份数为：凝灰岩粉55～70份，粉煤灰50～60份，矿粉10～20份，石灰石粉10～20份。
优选的，凝灰岩粉、煅烧粉煤灰、煅烧矿粉、石灰石粉的质量比为1:(0.8～1.2):(0.2～0.5):(0.1～0.4)。
上述方案中，所述水泥可选用P·O42.5普通硅酸盐水泥等，其比表面积为320～340m2/kg。
上述方案中，所述凝灰岩粉通过JO-31-4行星式球磨机在260～320r/min的转速条件下粉磨至其比表面积为380～420m2/kg而成。
上述方案中，所述凝灰岩粉中的主要成分其所占质量百分比包括：SiO2 50～70％，Al2O3 20～30％，CaO 0～3％，MgO 0～1％，K2O 0～2％，Na2O 0～1％。
上述方案中，所述煅烧粉煤灰通过将粉煤灰在800～1000℃煅烧0.5～2h，并粉磨至其比表面积为320～360m2/kg而成。
上述方案中，所述粉煤灰中的各组分及其所占质量百分比包括：SiO2 25～45％，Al2O3 30～40％，Fe2O3 1～4％，CaO 1～3％，MgO 0～1％，K2O 0～1％，Na2O 0～1％，SO3 0～1％，TiO2 0～1％，残碳2～8％。
上述方案中，所述煅烧矿粉通过将凝灰岩在800～1000℃煅烧0.5～1h，并粉磨至其比表面积为350～800m2/kg而成。
上述方案中，所述矿粉的化学组成及其所占质量百分比包括：SiO2 20～40％，Al2O3 15～20％，Fe2O3 1～4％，CaO 32～50％，MgO 0～1％，K2O 0～1％，Na2O 0～1％，SO30～1％，TiO2 0～1％，残碳2～5％。
上述方案中，石灰石粉通过将石灰石破碎至2～8mm，然后采用260～320r/min的转速粉磨之表面积为500～700m2/kg而成。
上述方案中，所述砂为天然砂或机制砂，细度模数2.3～3.0；属于二区中砂。
上述方案中，所述石为卵石，其粒径为5～20mm。
上述方案中，所述聚丙烯纤维长度为20～40mm，抗拉强度为500～625Mpa。
上述方案中，所述高性能聚羧酸减水剂的固含为16～20％，减水率为25～40％。
上述一种抗裂大体积凝灰岩混凝土的制备方法，包括如下步骤：
1)以水泥、凝灰岩粉、煅烧粉煤灰、煅烧矿粉、石灰石粉、砂、石和水为主要原料，将称取的原料拌合均匀，静置、拆模，得混凝土坯体；
2)将所得混凝土坯体进行干燥、进行温度匹配养护，即得所述抗裂大体积凝灰岩混凝土。
上述方案中，步骤1)中所述静置温度为15～25℃，时间为1～2d。
上述方案中，所述温度匹配养护条件包括：养护条件为以15～20℃为起点，以2～3℃/min的速率升温至18～30℃，保温1～2d；继续以2～3℃/min的速率升温至40～45℃，保温2～3d；继续以2～3℃/min的速率升温至48～50℃，保温1～2d；继续以0.7～1℃/min的速率降温至40～38℃，保温4～5d；继续以0.7～1℃/min的速率降温至28～30℃，保温10～11d；最后以0.7～1℃/min的速率降温至20～22℃，保温8～9d。
上述方案中，所述温度匹配养护步骤中采用的相对湿度保持在95～100％。
本发明的原理为：
本发明以凝灰岩粉、煅烧粉煤灰、煅烧矿粉和钙质石灰石粉为原料组成的矿物掺合料部分替代水泥制备抗开裂大体积凝灰岩混凝土，选择改性后的凝灰岩粉、粉煤灰和矿粉等矿物掺合料制备大体积混凝土，有利于保证所得混凝土的抗裂性能和工作性能；并依据混凝土的水化特点设置混凝土的温度和湿度，使大体积混凝土的环境温度与其内部温度保持一致；同时，通过调节大体积混凝土的环境温度和湿度的还能够加速水泥的水化进程，使水泥在水化早期产生较多的氢氧化钙，进而使凝灰岩、粉煤灰、矿粉等矿物掺合料的化学活性较早地发挥出来，并致密浆体结构，有效地促进大体积混凝土早期力学性能的发展，并进一步显著提升所得大体积混凝土的抗裂性能和耐久性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明提出对大体积混凝土进行温度匹配养护，在有效改善大体积混凝土的开裂问题的基础上，可显著提高混凝土的力学性能和耐久性能；
2)本发明提出对凝灰岩粉、粉煤灰和矿粉进行改性，不仅能有效解决大体积混凝土的工作性能，同时能提高抗开裂性能；
3)本发明涉及的制备方法较简单、操作方便，可实现多种、低品质矿物掺合料的高附加值资源化利用，具有较高的经济和环境效益，适合推广应用。
具体实施方式
为使本发明的目的、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，采用的凝灰岩粉通过JO-31-4行星式球磨机在280r/min的转速条件下粉磨至其比表面积为380m2/kg而成；其中，凝灰岩粉由中建西部建设伊宁厂提供，其主要化学组成及所占质量百分比包括：SiO2 69.4％，Al2O3 23.9％，CaO 3％，MgO 0.46％，K2O1.16％，Na2O 0.32％。
采用的煅烧粉煤灰通过将粉煤灰在960℃煅烧1.5h，并粉磨至其比表面积为345m2/kg而成；其中，粉煤灰由中建西部建设中心厂提供，其主要化学组成及所占质量百分比包括：SiO2 41.93％，Al2O3 35.19％，Fe2O3 2.95％，CaO 3％，MgO 0.74％，K2O 0.46％，Na2O 0.14％，SO3 0.24％，TiO2 0.38％，残碳8％。
采用的煅烧矿粉通过将凝灰岩在960℃煅烧1h，并粉磨至其比表面积为680m2/kg而成；其中，矿粉由中建西部建设中心厂提供，其主要化学组成及其所占质量百分比包括：SiO2 32.5％，Al2O3 19.2％，Fe2O3 1.4％，CaO 37.9％，MgO 0.8％，K2O 0.4％，Na2O 0.6％，SO3 0.6％，TiO2 0.9％，残碳4.2％，其比表面积为680m2/kg。
采用的石灰石粉比表面积为700m2/kg，通过将石灰石置于JO-31-4型颚式破碎机破碎至5mm，然后将石灰石碎屑置于YXQM-4L行星式球磨机在280r/min的转速条件下粉磨得到；
采用的水泥可选用P·O 42.5，比表面积340m2/kg；砂为天然砂，细度模数2.5属于二区中砂；石为卵石，其粒径为5～20mm；采用的聚丙烯纤维由中建西部建设中心厂提供，其长度为30mm，抗拉强度为560Mpa；采用的外加剂为中建西部建设新材料科技有限公司提供的ZJ-2005型高性能聚羧酸减水剂，其固含为18％，减水率为35％；水为自来水。
实施例1
一种抗裂大体积凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)称取原材料，各组分及其所占重量份数为：水泥230份，凝灰岩粉60份，煅烧粉煤灰60份，煅烧矿粉20份，石灰石粉20份，砂子823份，石子1127份，水154份；外掺3.8份ZJ～2005型高性能聚羧酸减水剂；
2)将所称取的原材料放置于HJW-60强制性搅拌机搅拌90min，试件放在温度为20±5℃的环境中静置1d，然后编号、拆模，即得到混凝土坯体；
3)将所得混凝土坯体置于高低温交变湿热试验箱中进行温度匹配养护，其中湿度控制在100％，具体步骤包括：以20℃为起点，首先以2℃/min的速率升温至30℃，保温1d；继续以2℃/min的速率升温至45℃，保温2d；继续以2℃/min的速率升温至50℃，保温1d；继续以1℃/min的速率降温至40℃，保温4d；继续以1℃/min的速率降温至30℃，保温11d；最后以1℃/min的速率降温至20℃，保温8d，即得所述抗裂大体积凝灰岩混凝土。
实施例2
一种抗裂大体积凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)称取原材料各组分及其所占重量分数为：水泥230份，凝灰岩粉70份，煅烧粉煤灰60份，煅烧矿粉20份，石灰石粉10份，砂子823份，石子1127份，水154份；外掺聚丙烯纤维2.3份，外掺ZJ～2005型高性能聚羧酸减水剂4.0份；
2)试件的成型和养护同实施例1相同。
对比例1
一种抗裂大体积凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)称取原材料各组分及其所占重量分数为：水泥390份，砂子823份，石子1127份，水154份；外掺5.8份的ZJ～2005型高性能聚羧酸减水剂；
2)将所称取的原材料放置于HJW-60强制性搅拌机搅拌90min，试件放在温度为20±5℃的环境中静置1天，然后编号、拆模；拆模后立即放入温度为20±2℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护至28天；标准养护室内的试件应放在支架上，彼此间隔10～20mm，试件表面应保持潮湿，即得到凝灰岩混凝土。
对比例2
一种抗裂大体积凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)称取原材料各组分及其所占重量分数为：水泥230份，凝灰岩粉60份，粉煤灰60份，矿粉20份，石灰石粉20份，砂子823份，石子1127份，水154份；外掺3.8份的ZJ～2005型高性能减水剂；
2)试件的成型和养护同对比例1相同。
对比例3
一种抗裂大体积凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)称取原材料各组分及其所占重量分数为：水泥230份，凝灰岩粉60份，煅烧粉煤灰60份，煅烧矿粉20份，石灰石粉20份，砂子823份，石子1127份，水154份；外掺聚丙烯纤维2.3份，外掺3.8份的ZJ～2005型高性能聚羧酸减水剂；
2)试件的成型和养护同对比例1相同。
对比例4
一种抗裂大体积凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)称取原材料，各组分及其所占重量份数为：水泥230份，凝灰岩粉60份，煅烧粉煤灰60份，煅烧矿粉20份，石灰石粉20份，砂子823份，石子1127份，水154份；外掺3.8份ZJ～2005型高性能聚羧酸减水剂；
2)将所称取的原材料放置于HJW-60强制性搅拌机搅拌90min，试件放在温度为20±5℃的环境中静置1d，然后编号、拆模，即得到混凝土坯体；
3)将所得混凝土坯体置于高低温交变湿热试验箱中进行温度匹配养护，其中相对湿度控制在100％，具体步骤包括：以20℃为起点，首先以2℃/min的速率升温至30℃，保温1d；继续以2℃/min的速率升温至50℃，保温3d；继续以1℃/min的速率降温至40℃，保温4d；最后以1℃/min的速率降温至20℃，保温19d，即得所述抗裂大体积凝灰岩混凝土。
对比例5
一种抗裂大体积凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)称取原材料，各组分及其所占重量份数为：水泥230份，凝灰岩粉60份，煅烧粉煤灰60份，煅烧矿粉20份，石灰石粉20份，砂子823份，石子1127份，水154份；外掺3.8份的ZJ～2005型高性能聚羧酸减水剂；
2)将所称取的原材料放置于HJW-60强制性搅拌机搅拌90min，试件放在温度为20±5℃的环境中静置1d，然后编号、拆模，即得到混凝土坯体；
3)将所得混凝土坯体置于高低温交变湿热试验箱中进行温度匹配养护，其中相对湿度控制在100％，具体步骤包括：以20℃为起点，首先以2℃/min的速率升温至30℃，保温1d；继续以2℃/min的速率升温至50℃，保温3d；继续以1℃/min的速率降温至40℃，保温4d；最后以1℃/min的速率降温至20℃，保温10d；
4)将温度匹配养护完毕的大体积混凝土试件立即放入温度为20±2℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护9d，标准养护室内的试件应放在支架上，彼此间隔10～20mm，试件表面应保持潮湿，即得所述抗裂大体积凝灰岩混凝土。
参照GB/T50081-2002，混凝土力学性能试验方法标准，对实施例1～2、对比例1～5所得混凝土试块进行力学性能测试：参照GB/T50082-2009，普通混凝土长期久性能试验方法标准，对实施例1～2和对比例1～5所得混凝土试块进行耐久性能结果具体见表1所示。
表1实施例1～2和对比例1～5所得混凝土的性能测试结果
Figure BDA0003725698120000061
上述结果表明：采用单纯水泥基胶凝材料制备的大体积混凝土试件的开裂情况严重，同时发现其抗氯离子侵蚀能力较差；而通过引入混凝土矿物掺合料(尤其引入如本发明所述改性粉煤灰和改性矿粉时)、优化温度匹配养护的工艺参数制备的抗裂大体积凝灰岩混凝土可以明显降低混凝土的开裂现象，同时能够提高混凝土的强度，增强混凝土的抗氯离子侵蚀和抗硫酸盐侵蚀性能，极大地改善混凝土的耐久性能。
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。

Claims (10)

1.一种抗裂大体积凝灰岩混凝土，其特征在于，各原料及其所占重量份数包括：水泥210～390份，凝灰岩粉20～70份，煅烧粉煤灰10～60份，煅烧矿粉10～20份，石灰石粉5～20份，砂780～850份，石1000～1200份，水140～160份，外掺0～3份聚丙烯纤维，外掺3.8～5.8份高性能聚羧酸减水剂；通过将各原料进行拌合，成型，再经温度匹配养护而成。
2.根据权利要求1所述的抗裂大体积凝灰岩混凝土，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥，其比表面积为320～340m2/kg。
3.根据权利要求1所述的抗裂大体积凝灰岩混凝土，其特征在于，所述凝灰岩粉通过在260～320r/min的转速条件下粉磨至其比表面积为380～420m2/kg而成。
4.根据权利要求1所述的抗裂大体积凝灰岩混凝土，其特征在于，所述煅烧粉煤灰通过将粉煤灰在800～1000℃煅烧0.5～2h，并粉磨至其比表面积为320～360m2/kg而成。
5.根据权利要求1所述的抗裂大体积凝灰岩混凝土，其特征在于，所述煅烧矿粉通过将矿粉在800～1000℃煅烧0.5～1h，并粉磨至其比表面积为350～800m2/kg而成。。
6.根据权利要求1所述的抗裂大体积凝灰岩混凝土，其特征在于，石灰石粉通过将石灰石破碎至2～8mm，然后采用260～320r/min的转速粉磨之表面积为500～700m2/kg而成。
7.根据权利要求1所述的抗裂大体积凝灰岩混凝土，其特征在于，所述砂为天然砂或机制砂，细度模数2.3～3.0；石为卵石，其粒径为5～20mm。
8.根据权利要求1所述的抗裂大体积凝灰岩混凝土，其特征在于，所述高性能聚羧酸减水剂的固含为16～20％，减水率为25～40％。
9.权利要求1～8任一项所述抗裂大体积凝灰岩混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)以水泥、凝灰岩粉、煅烧粉煤灰、煅烧矿粉、石灰石粉、砂、石和水为主要原料，将称取的原料拌合均匀，静置、拆模，得混凝土坯体；
2)将所得混凝土坯体进行干燥、进行温度匹配养护，即得所述抗裂大体积凝灰岩混凝土。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述温度匹配养护条件包括：养护条件为以15～20℃为起点，以2～3℃/min的速率升温至18～30℃，保温1～2d；继续以2～3℃/min的速率升温至40～45℃，保温2～3d；继续以2～3℃/min的速率升温至48～50℃，保温1～2d；继续以0.7～1℃/min的速率降温至40～38℃，保温4～5d，相对湿度为100％；继续以0.7～1℃/min的速率降温至28～30℃，保温10～11d；最后以0.7～1℃/min的速率降温至20～22℃，保温8～9d。
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