CN115286315A - 一种水泥净浆强化及增韧珊瑚骨料海水海砂混凝土的制备方法 - Google Patents

一种水泥净浆强化及增韧珊瑚骨料海水海砂混凝土的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水泥净浆强化及增韧珊瑚骨料海水海砂混凝土的制备方法，属于建筑材料应用与混凝土技术领域。它包括下列步骤：取适量珊瑚骨料去除杂质；将预处理的骨料置于拌制的水泥净浆中浸泡裹浆获得强化珊瑚骨料；并以此强化骨料与海砂、水泥、海水为原材料制备水泥净浆强化及增韧珊瑚骨料海水海砂混凝土。本发明采用堵孔造壳的强化方法，填充珊瑚骨料的内、外孔隙，并在骨料外部形成一层包裹层，进而达到减少珊瑚骨料混凝土整体孔隙率，优化骨料与包裹层以及包裹层与砂浆之间的双重界面过渡区的效果，此外还有效改善混凝土的横向变形，增加混凝土的延性，提高混凝土抗压强度、轴心抗压强度及劈裂抗拉强度。

Description

一种水泥净浆强化及增韧珊瑚骨料海水海砂混凝土的制备 方法
技术领域
本发明属于建筑材料应用与混凝土技术领域，具体涉及一种水泥净浆强化及增韧珊瑚骨料海水海砂混凝土的制备方法。
背景技术
随着海洋经济及战略地位不断提高，越来越多的国家将海洋资源的开发与利用提上了日程，但是海洋建设工程中，往往存在缺乏建设所需的淡水、粗骨料、细骨料等材料的问题。然而就地取材，找到合适建筑材料替代品，可以规避高昂的远洋运输费用，缩短项目建设工期，给海洋项目建设带来可观的经济效益和社会价值。
珊瑚作为远海地区储量丰富的海洋资源之一，其本质是一种沉积岩，但由于本身孔隙较多，质量较轻，与传统碎石骨料相比易破碎、筒压强度低，孔隙率和吸水率高，物理性能差。因此由其作为粗骨料制作而成的珊瑚混凝土与普通混凝土相比强度低，延性差，容易发生脆性破坏，综合性能较差，这在一定程度上阻碍了珊瑚骨料混凝土在实际工程中的应用。
目前为改善珊瑚混凝土质地脆，延性差的特性，主要选择向混凝土中添加矿物掺合料、具有韧性的纤维和一些外加剂等，以提高珊瑚混凝土的力学性能，此时混凝土会成为“胶凝材料强，内部骨料弱”的硬质材料。当受到外界荷载作用时，轻质脆性的珊瑚骨料会成为混凝土破坏时的薄弱环节，对混凝土力学性能造成严重影响。针对珊瑚骨料的弱点提供合理且绿色环保的强化增韧方法是改善珊瑚骨料性能提高珊瑚骨料混凝土强度，增加混凝土延性和韧性的关键之处。因此，在山东省自然科学基金(51978389)的资助下，发明了一种水泥净浆强化及增韧珊瑚骨料海水海砂混凝土。
发明内容
本发明鉴于上述背景提出的问题，提出了一种水泥净浆强化及增韧珊瑚骨料海水海砂混凝土的制备方法，其目的在于改善珊瑚骨料性能，提高珊瑚骨料混凝土强度以及抵抗和适应变形的延性与韧性的能力。
本发明一种水泥净浆强化及增韧珊瑚骨料海水海砂混凝土的制备方法，它主要包括下列步骤：
(1)准备珊瑚骨料、海砂、水泥、减水剂、拌养水以及模具；
(2)在室温20±2℃条件下对珊瑚骨料进行筛分，去除骨料杂质，并对潮湿的骨料采取自然风干处理；
(3)按预先设计的水灰比称量材料，将水倒入容器内，采用立式搅拌机边搅拌边加入水泥，水泥全部加入后，持续搅拌5分钟；
(4)准备好的珊瑚骨料投入卧式搅拌机中，将拌制均匀的水泥净浆采用少量多次的方法加入搅拌机内，依据骨料与浆液的质量比，设计搅拌时间为30～210秒，以保证浆液密实包裹骨料并不产生离析等现象，搅拌完成后，为确保骨料包裹层厚度均匀，将裹好的骨料取出放入振动筛中，利用振动除浆原理，去除骨料表面多余浆液；
(5)将处理后的骨料铺摊在振动盘中，并在正常室温下利用振动盘旋转抖动的工作原理对骨料进行定时翻动1～3小时，以防止骨料粘连；随后，为确保骨料定型并促进包裹层强度发展，采用有机非黏性混凝土养护膜覆盖，24小时后，将有机非黏性混凝土养护膜调换为缩绒透水毛毡覆盖同时开始洒水养护，养护7天后，强化骨料自然晾干包裹层完全硬化，即可制得所需强化珊瑚骨料；
(6)进行混凝土配合比计算和适配，按照珊瑚骨料1小时吸水量添加附加用水，利用强化珊瑚骨料、水泥、海砂、减水剂以及拌养水拌制珊瑚骨料海水海砂混凝土。
所述步骤(1)水泥采用强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥；海砂粒径范围为0.15～4.75毫米；减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水率为20％～40％；拌养水分为淡水和海水，淡水用于配制裹浆液，海水用于拌制混凝土以及混凝土后期的养护。
所述步骤(3)中水灰比设计为0.3～1。
所述步骤(4)中强化浆液与珊瑚骨料的质量比为1：0.5～1.3。
进一步重复上述操作步骤制备充足的不同水灰比的强化珊瑚骨料用于混凝土制备工作。
所述步骤(6)中，进行混凝土拌制，首先清理试验模具，并在内壁刷上一层脱模剂，对将要使用的搅拌机等器具进行润湿处理，依据配合比称取试验材料。
进一步按照粗骨料、水泥、细骨料的顺序投入到JQ350型强制式搅拌机中预拌至均匀，随后将掺有减水剂的拌合水采用少量多次的方法加入搅拌机中，每次搅拌时间为1分钟，待拌合水全部加入后，持续搅拌至混凝土拌制均匀，取出适量混凝土进行坍落度测试。
进一步将混凝土浇筑到准备好的模具中，使用振动台振动成型的同时用抹刀在试模四周进行辅助插捣，直至试件表面无浮浆及较大气泡溢出，此时将试件放置到平整地面，进行上表面抹平处理，用塑料薄膜覆盖。
进一步在室温20±2℃环境中静置24小时后对试件进行拆模和标记，随后放入水中进行养护，养护水和拌合水保持一致。
本发明一种水泥净浆强化及增韧珊瑚骨料海水海砂混凝土的制备方法具有如下优点：
(1)采用水泥浆强化及增韧珊瑚骨料处理成本较低，远低于其他胶凝材料，并且其提高珊瑚骨料自身强度的能力较强同时不会引入其他杂质或有害成分；
(2)水泥净浆的流动性好，更容易填充到骨料表面及内部的孔隙中，在骨料表面及内部生成球状III型C-S-H凝胶和水泥粒子原始周界内呈斑驳状的IV型C-S-H凝胶等改善孔隙结构降低骨料吸水率；
(3)填充裹壳以后，珊瑚骨料的强度得到提高，改善普通珊瑚骨料混凝土的延性；同时海水海砂中的氯离子会促进水泥浆的水化反应，生成水滑石类的双金属氢氧化物，其独特的层状架构能有效改善骨料与混凝土基体之间界面过渡区原本疏松的结构，增加界面过渡区的咬合作用强化原始界面的力学性能，提高骨料与砂浆基体间的粘结程度；在上述两方面的共同作用下，混凝土的变形和开裂被有效约束，显著提高混凝土的韧性和变形能力；
(4)秉承土木工程绿色、环保、节能的发展理念，用于解决岛礁工程建设过程中建筑材料短缺，运输任务艰难及工程造价成本过高的问题。
附图说明
图1为强化珊瑚骨料的制备流程图；
图2为本发明对比珊瑚骨料的微观形貌图；
图3为本发明典型实例步骤(5)强化珊瑚骨料的表面形貌图；
图4为本发明典型实例步骤(5)强化珊瑚骨料内部剖面图；
图5为本发明典型实例步骤(6)强化珊瑚骨料混凝土微观形貌图；
图6为本发明典型实例步骤(6)强化珊瑚骨料混凝土内部剖面图；
图7为各实例及对比例的混凝土坍落度；
图8为各实例及对比例的珊瑚骨料混凝土应力-应变曲线；
图9为珊瑚骨料混凝土试件破坏形式。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。
实例1
一种水泥净浆强化及增韧珊瑚骨料海水海砂混凝土的制备方法，它包括配置包裹浆液强化珊瑚骨料和拌制混凝土两部分，其中混凝土的细骨料为海砂,粒径范围为0.15～4.75毫米；拌养水为海水，氯离子含量为19.83g/L；减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水率为20％～40％。
其中，包裹浆液采用的水灰比为0.3，拌制珊瑚骨料混凝土净水灰比为0.305，设计强度为C30，基准配合比为海水：水泥：海砂：珊瑚骨料＝157.685：517：992：806。
水泥净浆强化及增韧珊瑚骨料海水海砂混凝土具体制备步骤如下：
(1)准备珊瑚骨料、海砂、水泥、减水剂、拌养水以及模具；
(2)在室温20±2℃条件下对珊瑚骨料进行筛分，去除骨料杂质，并对潮湿的骨料采取自然风干处理；
(3)按预先设计的水灰比称量材料，将水倒入容器内，采用立式搅拌机边搅拌边加入水泥，水泥全部加入后，持续搅拌5分钟；
(4)准备好的珊瑚骨料投入卧式搅拌机中，将拌制均匀的水泥净浆采用少量多次的方法加入搅拌机内，依据骨料与浆液的质量比，设计搅拌时间为30～210秒，以保证浆液密实包裹骨料并不产生离析等现象，搅拌完成后，为确保骨料包裹层厚度均匀，将裹好的骨料取出放入振动筛中，利用振动除浆原理，去除骨料表面多余浆液；
(5)将处理后的骨料铺摊在振动盘中，并在正常室温下利用振动盘旋转抖动的工作原理对骨料进行定时翻动1～3小时，以防止骨料粘连；随后，为确保骨料定型并促进包裹层强度发展，采用有机非黏性混凝土养护膜覆盖，24小时后，将有机非黏性混凝土养护膜调换为缩绒透水毛毡覆盖同时开始洒水养护，养护7天后，强化骨料自然晾干包裹层完全硬化，即可制得所需强化珊瑚骨料；
(6)清理试验模具，并在内壁刷上一层脱模剂，对将要使用的搅拌机等器具进行润湿处理，依据配合比称取试验材料；按照粗骨料、水泥、细骨料的顺序投入到JQ350型强制式搅拌机中预拌至均匀，将掺有减水剂的拌合水采用少量多次的方法加入搅拌机中，每次搅拌时间为1分钟，拌合水全部加入后，持续搅拌至混凝土均匀，取出适量混凝土进行坍落度测试，结果见图7；接着将混凝土浇筑到准备好的模具中，使用振动台振动成型的同时用抹刀在试模四周进行辅助插捣，直至试件表面无浮浆及较大气泡溢出，此时将试件放置到平整地面，进行抹平处理，然后用塑料薄膜对试件覆盖，在室温20±2℃环境中静置24小时后对试件进行拆模和标记，随后放入养护水中进行养护。
实例2(典型实例)
实例2与实例1的区别在于包裹浆液的水灰比不同。
水泥净浆强化及增韧珊瑚骨料海水海砂混凝土具体制备步骤如下：
(1)准备珊瑚骨料、海砂、水泥、减水剂、拌养水以及模具；
(2)在室温20±2℃条件下对珊瑚骨料进行筛分，去除骨料杂质，并对潮湿的骨料采取自然风干处理；
(3)按预先设计的0.4水灰比称量材料，将水倒入容器内，采用立式搅拌机边搅拌边加入水泥，水泥全部加入后，持续搅拌5分钟；
(4)准备好的珊瑚骨料投入卧式搅拌机中，将拌制均匀的水泥净浆采用少量多次的方法加入搅拌机内，依据骨料与浆液的质量比，设计搅拌时间为30～210秒，以保证浆液密实包裹骨料并不产生离析等现象，搅拌完成后，为确保骨料包裹层厚度均匀，将裹好的骨料取出放入振动筛中，利用振动除浆原理，去除骨料表面多余浆液；
(5)将处理后的骨料铺摊在振动盘中，并在正常室温下利用振动盘旋转抖动的工作原理对骨料进行定时翻动1～3小时，以防止骨料粘连；随后，为确保骨料定型并促进包裹层强度发展，采用有机非黏性混凝土养护膜覆盖，24小时后，将有机非黏性混凝土养护膜调换为缩绒透水毛毡覆盖同时开始洒水养护，养护7天后，强化骨料自然晾干包裹层完全硬化，即可制得所需强化珊瑚骨料；
(6)清理试验模具，并在内壁刷上一层脱模剂，对将要使用的搅拌机等器具进行润湿处理，依据配合比称取试验材料；按照粗骨料、水泥、细骨料的顺序投入到JQ350型强制式搅拌机中预拌至均匀，随后将掺有减水剂的拌合水采用少量多次的方法加入搅拌机中，每次搅拌时间为1分钟，拌合水全部加入后，持续搅拌至混凝土均匀，取出适量混凝土进行坍落度测试，结果见图7；接着将混凝土浇筑到准备好的模具中，使用振动台振动成型的同时用抹刀在试模四周进行辅助插捣，直至试件表面无浮浆及较大气泡溢出，此时将试件放置到平整地面，进行抹平处理，然后用塑料薄膜对试件覆盖，在室温20±2℃环境中静置24小时后对试件进行拆模和标记，随后放入养护水中进行养护。
对比例
同实例1，区别在于，步骤(2)使用未经强化珊瑚骨料作为粗骨料拌制混凝土。
按照《轻集料及试验方法第2部分:轻集料试验方法》(GB/T17431.2-2010)进行相关物理性能测试，并与未强化珊瑚骨料进行比较，结果见表1。
图1为强化珊瑚骨料的制备流程图；图2为本发明对比瑚骨料的微观形貌图；图3为本发明典型实例步骤(5)强化珊瑚骨料的表面形貌图；图4为本发明典型实例步骤(5)强化珊瑚骨料内部剖面图；图5为本发明典型实例步骤(6)强化珊瑚骨料混凝土微观形貌图；图6为本发明典型实例步骤(6)强化珊瑚骨料混凝土内部剖面图；图7为各实例及对比例的珊瑚骨料混凝土坍落度；图8为各实例及对比例的珊瑚骨料混凝土应力-应变曲线，图9为珊瑚骨料混凝土试件破坏形式。
表1强化珊瑚骨料物理性能
Figure BDA0003760806710000051
Figure BDA0003760806710000061
同未强化珊瑚骨料相比强化处理后珊瑚骨料吸水率随着水灰比变化分别降低56.8％、53.5％；孔隙率分别降低22.7％、26.4％；表观密度分别提高了3.2％、4.4％；筒压强度提高了143.8％、131.3％。水泥净浆的流动性较好，更容易填充到骨料内部的孔隙中，而且水化作用充分，可以在骨料表面及内部生成C-S-H凝胶以及AFt等水化产物改善孔隙结构促使硬化后的水泥更加密实，进而提高了骨料自身的物理性质。
按照规范《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)，浇筑150mm×150mm×150mm及100mm×100mm×300mm的试件以测定混凝土28天的强度和变形等力学性能。
表2强化珊瑚骨料混凝土28天力学性能及增长率
力学性能 对比例 实例1 实例2
抗压强度(MPa) 39.6 46.8 49.4
增长率 0 18.2％ 24.7％
轴心抗压强度(MPa) 32.2 38.7 41.0
增长率 0 20.2％ 27.3％
劈裂抗拉强度(MPa) 2.81 3.19 3.58
增长率 0 13.5％ 27.4％
弹性模量(10<sup>4</sup>Mpa) 2.49 2.97 2.90
增长率 0 19.2％ 16.5％
泊松比 0.23 0.205 0.209
增长率 0 -10.9％ -9.1％
延性系数 1.11 1.35 1.33
增长率 0 21.6％ 19.8％
应变能(kJ) 6.14 12.45 13.48
注：①延性系数用来反映强化珊瑚骨料混凝土的延性变化；
②韧性用混凝土在塑性变形和破裂过程中吸收能量的能力表示(应变能)。
强化珊瑚骨料混凝土的抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度同对比例相比平均提高了21.45％、23.75％、20.45％。这是由于骨料自身性质的改善以及高含量氯离子对水泥浆水化反应的促进作用，增加界面过渡区的咬合作用改善混凝土的微观组织，改善了混凝土的力学性能。
混凝土的泊松比同对比例平均降低了10.00％，混凝土延性、弹性模量同对比例相比平均提升了20.7％、17.85％，混凝土的平均应变能是对比例的2.11倍，水化生成的水滑石类双金属氢氧化物有效改善了骨料与混凝土基体之间界面过渡区原本疏松的结构，增加界面过渡区的咬合作用，提高骨料与砂浆基体间的粘结程度；在上述两方面的共同作用下，混凝土的变形和开裂被有效约束，提高混凝土的韧性。
分析混凝土试件的破坏形式(图9)可知：对比例试件破坏时仅有一条贯穿性宏观裂缝，无其他可视宏观裂缝，试件破坏前瞬间开裂，表现为明显的脆性破坏；强化珊瑚骨料混凝土试件，在受荷破坏过程中表面有多条可视裂纹，无较大贯穿性裂缝破坏前有明显预兆，试件破坏呈延性破坏。所以本实施例所制得的强化珊瑚骨料混凝土在强度上明显优于普通珊瑚骨料混凝土，延性和韧性也得到很大程度提高。其中采用0.4水灰比强化的珊瑚骨料所制备的混凝土力学性能及延性改善效果最好，为实例中较佳制备方案。
本实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，可完全适用于各种适合本发明的领域。

Claims (4)

1.一种水泥净浆强化及增韧珊瑚骨料海水海砂混凝土的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）准备珊瑚骨料、海砂、水泥、减水剂、拌养水以及模具；
（2）在室温20±2℃条件下对珊瑚骨料进行筛分，去除骨料杂质，并对潮湿的骨料采取自然风干处理；
（3）按预先设计的水灰比称量材料，将水倒入容器内，采用立式搅拌机边搅拌边加入水泥，水泥全部加入后，持续搅拌5分钟；
（4）准备好的珊瑚骨料投入卧式搅拌机中，将拌制均匀的水泥净浆采用少量多次的方法加入搅拌机内，依据骨料与浆液的质量比，设计搅拌时间为30~210秒，以保证浆液密实包裹骨料并不产生离析等现象，搅拌完成后，为确保骨料包裹层厚度均匀，将裹好的骨料取出放入振动筛中，利用振动除浆原理，去除骨料表面多余浆液；
（5）将处理后的骨料铺摊在振动盘中，并在正常室温下利用振动盘旋转抖动的工作原理对骨料进行定时翻动1～3小时，以防止骨料粘连；随后，为确保骨料定型并促进包裹层强度发展，采用有机非黏性混凝土养护膜覆盖，24小时后，将有机非黏性混凝土养护膜调换为缩绒透水毛毡覆盖同时开始洒水养护，养护7天后，强化骨料自然晾干包裹层完全硬化，即可制得所需强化珊瑚骨料；
（6）进行混凝土配合比计算和适配，按照珊瑚骨料1小时吸水量添加附加用水，利用强化珊瑚骨料、水泥、海砂、减水剂及拌养水拌制珊瑚骨料海水海砂混凝土。
2.如权利要求1所述的一种水泥净浆强化及增韧珊瑚骨料海水海砂混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）水泥采用强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥；海砂粒径范围为0.15~4.75毫米；减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水率为20%~40%；拌养水分为淡水和海水，淡水用于配制裹浆液，海水用于拌制混凝土以及混凝土后期的养护。
3.如权利要求1所述的一种水泥净浆强化及增韧珊瑚骨料海水海砂混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中水灰比设计为0.3~1。
4.如权利要求1所述的一种水泥净浆强化及增韧珊瑚骨料海水海砂混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中为保证骨料可完全被浆液包裹，关键在于设置水泥净浆与骨料的质量比为1：0.5~1.3。
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