CN115215617A - 一种绿色低碳超高性能海工混凝土及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绿色低碳超高性能海工混凝土及其制备方法和应用，涉及超高性能混凝土技术领域。本发明充分利用海洋资源(海水、海砂)和储量丰富的高岭土与石灰石来取代传统超高性能混凝土中的淡水、细骨料及部分水泥，大幅降低了超高性能混凝土的制备成本和混凝土的水泥用量，减少了二氧化碳排放，有效改善了大量开采河砂、淡水资源以及大量生产水泥带来的环境破坏问题，克服了目前海水、海砂难以在混凝土领域应用的技术难题。本发明制备得到的超高性能海工混凝土力学性能优异，实现了新型绿色材料在超高性能混凝土中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及超高性能混凝土技术领域，特别是涉及一种绿色低碳超高性能海工混凝土及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，超高性能混凝土(UHPC)因其优越的力学性能和耐久性而受到人们的广泛关注。UHPC在结构中使用不仅可以节省混凝土用量，还可以有效地减小结构尺寸，增加建筑的整体空间。
但是UHPC在实际工程中的使用并不普遍，限制UHPC广泛使用的原因是UHPC造价高，较低的水灰比导致水泥用量大，通常为900-1200kg/m3。据统计，每年生产的水泥所排放的二氧化碳占二氧化碳总排放量的5％以上，减少水泥消耗迫在眉睫。此外，UHPC中不使用粗骨料，导致消耗大量细骨料，河砂和石英砂的大量使用，不仅导致UHPC的成本较高，而且在开采过程中消耗大量的自然资源，还会对环境造成严重的污染。因此，减少水泥和细骨料用量是解决UHPC使用限制问题的关键。
此外，海水、海砂作为丰富的海洋资源，其主要成分为氯化钠、氯化钙和氯化镁等氯盐，这些氯化物会对混凝土性能产生较大的不利影响，限制了其在混凝土领域中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种绿色低碳超高性能海工混凝土及其制备方法和应用，以解决上述现有技术存在的问题，利用海水、海砂以及偏高岭土和石灰石，取代传统超高性能混凝土中的细骨料和部分水泥，有效改善了大量开采河砂以及大量生产水泥带来的环境问题，克服了目前海水、海砂难以在混凝土领域应用的难题，并使得制备得到的超高性能海工混凝土力学性能优异。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种超高性能海工混凝土，按照质量份数计，原料包括以下组分：
普通硅酸盐水泥52.5 731-1097份，煅烧黏土0-366份，石灰石粉122份，海砂975份，海水247份，高效减水剂27份，钢纤维157份。
进一步地，所述煅烧黏土为偏高岭土。
进一步地，所述高效减水剂为聚羧酸高效减水剂。
进一步地，所述硫酸根浓度为2300-2740mg·L-1，氯离子浓度为16000-19700mg·L-1。
进一步地，按照质量份数计，该超高性能海工混凝土原料包括以下组分：
普通硅酸盐水泥52.5 731-975份，煅烧黏土122-366份，石灰石粉122份，海砂975份，海水247份，高效减水剂27份，钢纤维157份。
本发明还提供上述超高性能海工混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量配比，将所述普通硅酸盐水泥52.5、煅烧黏土、石灰石粉和海砂进行混合；
(2)向步骤(1)得到的混合物中加入所述钢纤维，搅拌，得混合物；
(3)向步骤(2)得到的混合物中加入所述海水和高效减水剂，搅拌，得混合物；
(4)将步骤(3)得到的混合物进行养护，即得所述超高性能海工混凝土。
本发明进一步提供上述超高性能海工混凝土在建筑工程领域中的应用。
辅助胶凝材料(SCM)广泛应用于UHPC中，以减少UHPC中的水泥用量，主要来自工业废料(硅灰、粉煤灰等)，SCM低取代率有利于UHPC的性能，但高取代率对UHPC的性能有不利影响，特别是对早期性能，如降低了凝结速度和强度发展，工业固废的利用不能有效地解决水泥大量使用的问题。
LC3是一种包括煅烧黏土和石灰石的三元粘结剂体系，煅烧黏土中存在的铝相，与石灰石(LS)反应生成碳铝酸盐，有利于混凝土中水泥用量的减少，且强度不会有明显的牺牲。部分研究表明，当50％的OPC被石灰石和煅烧粘土取代后，经过7天的强度与普通混凝土相差不大，形成高度聚合的C-A-S-H凝胶和丰富的钙矾石可以提高抗弯强度。
煅烧黏土是一种高活性火山灰，可以促进微结构的发展，细化孔隙结构，密实的内部结构使得LC3混凝土比普通混凝土具有更好的抗氯离子渗透和碱硅反应(ASR)性能。
本发明公开了以下技术效果：
本发明创造性的在LC3三元粘结剂体系基础上添加海水、海砂组分，充分利用海洋资源(海水、海砂)和储量丰富的高岭土与石灰石，取代传统超高性能混凝土中的细骨料和部分水泥，进而降低混凝土的水泥用量，减少二氧化碳排放，有效改善了大量开采河砂以及大量生产水泥带来的环境问题，克服了目前海水、海砂难以在混凝土领域应用的难题。
本发明制备得到的超高性能海工混凝土力学性能优异，性能与现有常规UHPC接近甚至更优，实现了新型绿色材料在超高性能混凝土中的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的超高性能海工混凝土的水化热放热曲线；(a)为放热速率曲线，(b)为总放热量曲线；
图2为本发明实施例1制备的超高性能海工混凝土进行标准养护后的微观分析图：(a)、(b)分别为实施例1中编号A超高性能海工混凝土标准养护3天和90天后的微观图；(c)、(d)分别为实施例1中编号B超高性能海工混凝土标准养护3天和90天后的微观图；(e)、(f)分别为实施例1中编号C超高性能海工混凝土标准养护3天和90天后的微观图；(g)、(h)分别为实施例1中编号D超高性能海工混凝土标准养护3天和90天后的微观图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明实施例所用高效减水剂为聚羧酸高效减水剂；所用淡水为自来水；海砂的堆积密度为1460kg/m3，表观密度为2610kg/m3，破碎值为3.1％，含泥量为1.6％，氯离子质量分数为0.012％，硫酸盐质量分数为0.11％，贝壳质量分数为1.85％；所用海水为青岛地区海水，主要成分含量如下：
表1
实施例1
按照表2中的配合比配置本发明超高性能海工混凝土及常规超高性能混凝土：
表2
其中，石灰石粉、煅烧粘土的百分含量为石灰石粉、煅烧粘土在LC3(普通硅酸盐水泥、煅烧黏土与石灰石粉体系)中的质量百分含量。
本发明超高性能海工混凝土(绿色低碳超高性能混凝土)的制备过程如下：
(1)按照配合比，将普通硅酸盐水泥52.5、煅烧黏土(偏高岭土)、石灰石粉和海砂进行混合，在68r/min转速下搅拌2min；
(2)向步骤(1)的混合物中加入钢纤维，在68r/min转速下搅拌2min；
(3)向步骤(2)的混合物中加入海水和高效减水剂，先在68r/min转速下搅拌3min，然后在147r/min转速下搅拌3min，得到混合物；
(4)将得到的混合物用保鲜膜进行包裹，24h后拆模在标准养护室中进行标准养护(21℃，98％相对湿度)。
其中，编号D的超高性能海工混凝土中不含有煅烧黏土(偏高岭土)组分，因此，制备编号D的超高性能海工混凝土时，步骤(1)省略该组分的添加。
作为对照组的常规UHPC混凝土的制备过程如下：
(1)按照配合比，将普通硅酸盐水泥52.5、硅灰和石英砂进行混合，在68r/min转速下搅拌2min；
(2)向步骤(1)的混合物中加入钢纤维，在68r/min转速下搅拌2min；
(3)向步骤(2)的混合物中加入淡水和高效减水剂，先在68r/min转速下搅拌3min，然后在147r/min转速下搅拌3min，得到混合物；
(4)将得到的混合物用保鲜膜进行包裹，24h后拆模在标准养护室中进行标准养护(21℃，98％相对湿度)。
上述混凝土试样不同养护天数下的抗压强度和抗折强度分别见表3-4。
表3
表4
| 抗折强度(MPa) | 28d |
| A | 19.8 |
| B | 22.1 |
| C | 23.4 |
| D | 25.3 |
| UHPC(对照组) | 22.9 |
可以看出，采用一定偏高岭土(MK)掺量可以有效减少混凝土水泥用量，并保证混凝土满足UHPC力学性能要求，其中MK掺量20％的超高性能海工混凝土90d抗压强度超过对照组26.2MPa，同时节约水泥244kg/m3。
本发明编号B超高性能海工混凝土在海水中养护后的抗压强度如表5所示(海水养护条件为将混凝土试块放入海水中，在20℃下进行养护)：
表5
由表5和表3的对比可以看出，海水养护下的超高性能海工混凝土早期强度明显高于标准养护，后期强度并无明显下降(其中一天强度标准养护和海水养护均相同，此时为刚拆模24小时的强度)。
对比常规石灰石煅烧粘土UHPC，本发明中的超高性能海工混凝土(石灰石煅烧粘土海水海砂UHPC)早期强度(1d)明显提高，这主要是由于海水中氯离子与硫酸根离子带来的促凝效应，硫酸根离子加速钙矾石的形成，氯化钙与铝酸三钙生成几乎不溶解于水的水化氯铝酸钙，氯化钙还可以与氢氧化钙反应促进固相的早期析出，加速水泥浆体的形成。此外煅烧粘土中丰富的铝相也会与海水中Cl-、SO4 2-进行反应，促进水化进行，海水提供的碱环境也会对混凝土水化进行一定的促进作用。
图1为本发明实施例1制备的超高性能海工混凝土的水化热放热曲线；(a)为放热速率曲线，(b)为总放热量曲线；
可以看出，随着煅烧粘土掺量的增加，主放热峰逐渐提前，表明早期水化的加速，早期获得更高的强度。且随着煅烧黏土掺量的增加，水化热峰值强度逐渐降低，A、B、C主放热峰均低于UHPC，早期施工阶段水化热温度的降低。B、C、D组总放热量均高于UHPC，表明后期煅烧黏土的火山灰效应消耗更多氢氧化钙生成水化硅酸钙凝胶，保证充分的水化。通过水化热数据可以看出，煅烧黏土可以有效地降低施工阶段水化热温度的同时还可以保证胶凝材料的水化程度。
目前海水、海砂应用于混凝土最大的阻碍是海水内氯离子导致的氯离子侵蚀问题，对本发明的超高性能海工混凝土进行标准养护后进行微观分析，结果如图2所示：(a)、(b)分别为实施例1中编号A超高性能海工混凝土标准养护3天和90天后的微观图；(c)、(d)分别为实施例1中编号B超高性能海工混凝土标准养护3天和90天后的微观图；(e)、(f)分别为实施例1中编号C超高性能海工混凝土标准养护3天和90天后的微观图；(g)、(h)分别为实施例1中编号D超高性能海工混凝土标准养护3天和90天后的微观图。
钙矾石、单硫型水化硫铝酸钙、CaCl2与铝酸三钙和高硫型水化硫铝酸钙相反应生成的弗雷德尔盐；C-S-H在MgSO4存在下转化为的M-S-H；同时由于海水中氯化钠、氯化镁、硫酸钙和硫酸镁的存在，水化产物中有水镁石和水滑石的存在，对混凝土基体的密实程度有一定的提升作用，对强度均起到提升作用。密实程度的提升不仅对力学性能有提升作用，同时对混凝土碳化，氯离子侵蚀均有一定的提升。
扫描电镜结果显示，本发明超高性能海工混凝土体系具有一定固氯作用，混凝土内部海水海砂中的氯离子对UHPC基体的侵蚀十分有限，由于基体密实程度的提高，外部氯离子很难侵入基体，并不会造成氯离子侵蚀伤害。
常规超高性能混凝土主要由水泥(用量950-1200kg/m3)、水、细骨料(河砂或石英砂)、钢纤维、辅助胶凝材料(粉煤灰硅灰等，掺量较少)等配合得到，其水泥含量极高，本发明利用海水海砂替换淡水河砂的使用，与LC3同时应用于超高性能混凝土，水泥使用量可降低至731kg/m3，获得了与常规超高性能混凝土相似的性能，最高可减少水泥用量近40％。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种超高性能海工混凝土，其特征在于，按照质量份数计，原料包括以下组分：
普通硅酸盐水泥52.5 731-1097份，煅烧黏土0-366份，石灰石粉122份，海砂975份，海水247份，高效减水剂27份，钢纤维157份。
2.根据权利要求1所述的超高性能海工混凝土，其特征在于，所述煅烧黏土为偏高岭土。
3.根据权利要求1所述的超高性能海工混凝土，其特征在于，所述高效减水剂为聚羧酸高效减水剂。
4.根据权利要求1所述的超高性能海工混凝土，其特征在于，所述海水中硫酸根浓度为2300-2740mg·L-1，氯离子浓度为16000-19700mg·L-1。
5.根据权利要求1所述的超高性能海工混凝土，其特征在于，按照质量份数计，原料包括以下组分：
普通硅酸盐水泥52.5 731-975份，煅烧黏土122-366份，石灰石粉122份，海砂975份，海水247份，高效减水剂27份，钢纤维157份。
6.如权利要求1-5任一项所述的超高性能海工混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照质量配比，将所述普通硅酸盐水泥52.5、煅烧黏土、石灰石粉和海砂进行混合；
(2)向步骤(1)得到的混合物中加入所述钢纤维，搅拌，得混合物；
(3)向步骤(2)得到的混合物中加入所述海水和高效减水剂，搅拌，得混合物；
(4)将步骤(3)得到的混合物进行养护，即得所述超高性能海工混凝土。
7.如权利要求1-5任一项所述的超高性能海工混凝土在建筑工程领域中的应用。
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