CN115321924B - 地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料 - Google Patents

地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供了地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，属于混凝土技术领域。地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，由胶凝材料、骨料、外加剂和水制成，其中：所述胶凝材料包括水泥和矿物掺合料，所述水泥与矿物掺合料的重量比为1：(1‑3)；所述骨料包括粗骨料和细骨料，所述粗骨料与细骨料的重量比为(1‑2)：1；所述外加剂包括抗裂组合物，所述抗裂组合物包括莫来石粉、氧化钙膨胀剂和偏高岭土，所述莫来石粉、氧化钙膨胀剂和偏高岭土的重量比为(1‑2)：(1.5‑2)：1。本发明混凝土材料，自密实性能和耐久性能显著，适用于地下结构工程。

Description

地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，具体涉及一种地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料。
背景技术
自密实混凝土是具有高流动性、均匀性和稳定性，浇筑时无需外力振捣，能够在自重作用下流动并充满模板空间的混凝土。作为一种绿色高性能混凝土，因其在施工方面的优越性而被广泛应用于隧道施工、水库施工、桥梁工程和地下结构工程等多个领域。
地下结构工程建设大部分是在场地下进行，受限于场地、空间、机械等条件，地下结构工程施工不可避免地存在很多隐蔽性工程。隐蔽性工程从外部无法直接观测施工过程的整体情况，其生产结果不易被发现，一旦存在问题，后期修复处理的难度和成本很大，问题也很难解决，这就要求在施工过程中必须保证隐蔽性工程的质量。自密实混凝土良好的工作性能能够更好满足地下结构工程的基本要求，使施工质量易于控制。
自密实混凝土具有高流动性，不离析，不泌水，配制时需要使用大量水泥(450～600kg/m3)，水泥的大量掺入造成自密实混凝土水化热高、自收缩大和成本高，也会出现因材料选择或搭配不当，引起工程出现裂缝等缺陷，影响工程耐久性。
公开号CN109369116A的专利文献提供了一种自密实混凝土，包括水泥、砂、石子、粉煤灰、硅灰、水、减水剂和碳纤维，所述碳纤维包括长碳纤维和短碳纤维；所述长碳纤维和所述短碳纤维的质量比为2：1；所述长碳纤维的长度为2～4厘米；所述短碳纤维的长度为1～2厘米；按照重量份计算，包括：所述砂的细度模数为2.5～2.9；所述石子的粒径为5～15mm；所述水泥为强度等级为42.5或者52.5的硅酸盐水泥。该发明提供的混凝土能应用于工业与民用建筑及其他工程。
公开号为CN112707691A的专利文献涉及一种自密实混凝土及其制备方法，其技术要点如下：水泥370～400份，粗骨料700～750份，细骨料800～850份，缓释聚羧酸减水剂4～9份，粉煤灰120～190份，液晶单体5～10份，改性玻璃微珠35～45份，有机硅防水剂2～8份，松香皂5～10份，水200～250份和增强改良组分4～12份；增强改良组分包括细菌纤维素和黄酮糖苷。该发明通过聚羧酸减水剂的改性，在碱性条件下水解产生大量羧基，在一定时间内使聚合物分子对水泥颗粒的分散作用缓慢、持续的进行，并通过液晶单体的加入，对水泥水化过程中出现的孔隙进行填充，阻止二氧化碳与氢氧化钙接触，避免碳酸钙质地较脆容易发生断裂，从而避免混凝土上出现裂缝，提高自密实混凝土的强度。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种混凝土材料，提高自密实性能以及耐久性能，以更好地应用于地下结构工程。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，由胶凝材料、骨料、外加剂和水制成，其中：
所述胶凝材料包括水泥和矿物掺合料，所述水泥与矿物掺合料的重量比为1：(1-3)；
所述骨料包括粗骨料和细骨料，所述粗骨料与细骨料的重量比为(1-2)：1；
所述外加剂包括抗裂组合物，所述抗裂组合物包括莫来石粉、氧化钙膨胀剂和偏高岭土，所述莫来石粉、氧化钙膨胀剂和偏高岭土的重量比为(1-2)：(1.5-2)：1。
优选地，所述矿物掺合料为粉煤灰、硅灰和石灰石粉的一种，粒径在10微米以下。
优选地，所述粗骨料为石灰石碎石或废弃混凝土碎块，粒径不大于15mm。
优选地，所述细骨料为天然砂、人工砂或混合砂，细度模数为2.5-2.8。
优选地，所述地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，其原料以重量份计为，胶凝材料200-600份、骨料为900-1100份、外加剂为2-20份，水胶比为0.2-0.4。
优选地，所述外加剂还包括：钢纤维、聚羧酸减水剂和废旧轮胎橡胶粉的一种以上。
优选地，所述钢纤维的长度为20-50mm，直径为0.3-0.5mm，可以选择直钢纤维、压制棱柱钢纤维、波纹钢纤维、钩形钢纤维、大头钢纤维、双头钢纤维和捆绑钢纤维的一种或两种以上。本发明对于钢纤维的种类不限，其长径比控制在50-100，以增强与水泥或骨料之间的界面粘结，提高自密实混凝土的强度。
优选地，所述废旧轮胎橡胶粉为900型以上废旧轮胎生产的粒径为0.15mm-0.55mm的胶粉。
优选地，所述莫来石粉的粒径在300目以下；所述偏高岭土的粒径在500目以下。
本发明从整体上控制各原料的粒径，以提高混凝土级配，获得内部堆积紧密的自密实混凝土，提高混凝土的强度。
优选地，所述抗裂组合物通过如下方法进行预制，具体为：将莫来石粉、氧化钙膨胀剂和偏高岭土在球磨机中充分混合制得。在本发明中，抗裂组合物在使用前进行预先制备，可以使莫来石粉、氧化钙膨胀剂和偏高岭土充分混合均匀，以更好地发挥组合物的抗裂作用。
优选地，所述地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，其原料以重量份计为，水泥100-250份、粉煤灰50-220份、硅灰50-130份、石灰石粉0-50份、粗骨料600-800份、细骨料300-500份、抗裂组合物1.5-10份、钢纤维0-7份、聚羧酸减水剂0.2-3份、废旧轮胎橡胶粉0-4份、水胶比为0.2-0.4。在本发明中，水泥可以为100、110、120、130、140、150、180、200、210、230或250重量份；粉煤灰可以为50、60、70、85、100、120、135、150、165、180、200或220重量份；硅灰可以为50、60、70、80、90、100、110、120、130、140或150重量份；石灰石粉可以为0、1、2、5、10、20、30、40或50重量份；粗骨料可以为600、620、650、700、730、750、780或800重量份；细骨料可以为300、315、330、340、350、365、380、400、415、430、450、480或500重量份；抗裂组合物可以为1.5、1.8、2.0、2.5、3、3.5、4、5、6、7、8、9或10重量份；钢纤维可以为0、0.5、1、2、3、4.5、5、6、6.5或7重量份；聚羧酸减水剂可以为0.2、0.3、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5或4重量份；废旧轮胎橡胶粉可以为0、0.2、0.5、1、1.3、1.5、2、2.5、3、3.5或4重量份；水胶比可以为0.2、0.22、0.23、0.25、0.3、0.32、0.35或0.4。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明基于自密实混凝土在地下结构工程使用中普遍存在的易开裂、耐久性不足的问题，通过科学调配原料及其比例，加入防止开裂并对提高混凝土耐久性有益的抗裂组合物，使自密实混凝土除满足自密实性能要求外，还具有优良的抗裂性和耐久性。
2、本发明抗裂组合物中，莫来石粉(莫来粉)化学组成主要为3Al2O3·2SiO2；氧化钙膨胀剂中含80％以上的CaO，还含有少量MgO；偏高岭土主要成分就是硅铝酸盐，上述原料组合用于控制收缩与开裂，提高自密实混凝土的耐久性，同时保持自密实混凝土较高的抗压强度。上述组合物中的Ca2+溶于水，易与环境中的CO2生成碳酸钙晶体，Ca2+、A13+及SO4 2-结合可以生成AFT晶体，晶体的填充可以在一定程度上防止裂缝产生；同时A13+也会生成A1(OH)3凝胶，凝胶与晶体相互交织形成网络结构，降低开裂；更深层地，莫来石晶体、A1(OH)3凝胶与AFT晶体相互穿插、交错形成骨架结构，增强了混凝土结构的稳定性。
3、本发明将水胶比控制在0.2-0.4，以适宜的水胶比提高自密实混凝土的抗压强度，同时避免水胶比过低对混凝土和易性的影响；辅以适量粉煤灰对其和易性进行调节，同时提高自密实混凝土的流动性。本发明掺加硅灰以适度提高自密实混凝土的抗压强度，避免掺量过多对混凝土后期强度的不利影响。本发明整体控制各原料的粒径，以提高混凝土级配，获得内部堆积紧密的自密实混凝土，提高混凝土的强度。本发明优选聚羧酸减水剂，与各原料配合以提高自密实混凝土的抗压强度，减慢胶凝材料水化初期的水化热速度，减小自密实混凝土的温度应力，减少开裂。本发明在自密实混凝土中优选加入钢纤维、废旧轮胎橡胶粉，以增强自密实混凝土的强度和填充性，与抗裂组合物复合，可进一步补偿因温湿度变化及化学反应产生的收缩变形，进一步减小开裂。
4、本发明自密实混凝土具有良好的自密实性能、耐久性，以及较高的抗压强度，可以更好地适应复杂的地下结构工程。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
若无特殊说明，所有原料均来源于市售产品，且若无特殊说明，则不含有除不可避免的杂质以外的其他未明确指出的组分。
下述实施例中，粗骨料为石灰石碎石(实施例4-6)或废弃混凝土碎块(实施例7-10)，粒径不大于15mm；
细骨料为混合砂，细度模数为2.5-2.8的连续级配砂，筛孔4.75mm的累计筛余量在10％以下，筛孔2.36mm的累计筛余量为5-15％，筛孔1.18mm的累计筛余量为20-30％，筛孔0.6mm的累计筛余量为45-60％，筛孔0.3mm的累计筛余量为55-85％，筛孔0.15mm的累计筛余量为85-100％；
钢纤维的长度为20-50mm，直径为0.3-0.5mm，长径比在50-100；
废旧轮胎橡胶粉为900型以上废旧轮胎生产的粒径为0.15mm-0.55mm的胶粉；
氧化钙膨胀剂来源于江苏博特新材料有限公司，含88.3％CaO，1.74％MgO；
水泥为PO42.5水泥。
实施例1：抗裂组合物的制备
提供300目莫来石粉、氧化钙膨胀剂和600目偏高岭土，投入球磨机中充分混合，备用；其中：莫来石粉、氧化钙膨胀剂和偏高岭土的重量比为1：1.5：1。
实施例2：抗裂组合物的制备
提供500目莫来石粉、氧化钙膨胀剂和1000目偏高岭土，投入球磨机中充分混合，备用；其中：莫来石粉、氧化钙膨胀剂和偏高岭土的重量比为1.5：1.8：1。
实施例3：抗裂组合物的制备
提供325目莫来石粉、氧化钙膨胀剂和500目偏高岭土，投入球磨机中充分混合，备用；其中：莫来石粉、氧化钙膨胀剂和偏高岭土的重量比为2：2：1。
实施例4：自密实混凝土的制备
地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，其原料以重量份计为，水泥120份、粉煤灰75份、硅灰60份、石灰石粉10份、粗骨料650份、细骨料350份、抗裂组合物2份、钢纤维3份、聚羧酸减水剂1.2份、废旧轮胎橡胶粉1份、水胶比为0.3。
抗裂组合物采用实施例1制备的组合物；
其制备方法为：第一步准备各原料，将水泥、粉煤灰、硅灰、石灰石粉、粗骨料、细骨料和废旧轮胎橡胶粉混合；第二步加入抗裂组合物、聚羧酸减水剂和水，浆体拌匀后，加入钢纤维继续拌匀，即得。
实施例5：自密实混凝土的制备
地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，其原料以重量份计为，水泥200份、粉煤灰100份、硅灰120份、粗骨料700份、细骨料450份、抗裂组合物5份、聚羧酸减水剂1份、水胶比为0.4。
抗裂组合物采用实施例1制备的组合物；
其制备方法为：其制备方法为：第一步准备各原料，将水泥、粉煤灰、硅灰、粗骨料和细骨料混合；第二步加入抗裂组合物、聚羧酸减水剂和水，浆体拌匀，即得。
实施例6：自密实混凝土的制备
地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，其原料以重量份计为，水泥220份、粉煤灰180份、硅灰100份、石灰石粉30份、粗骨料750份、细骨料400份、抗裂组合物7份、钢纤维1份、聚羧酸减水剂0.5份、水胶比为0.4。
抗裂组合物采用实施例1制备的组合物；
其制备方法为：第一步准备各原料，将水泥、粉煤灰、硅灰、石灰石粉、粗骨料和细骨料混合；第二步加入抗裂组合物、聚羧酸减水剂和水，浆体拌匀后，加入钢纤维继续拌匀，即得。
实施例7：自密实混凝土的制备
地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，其原料以重量份计为，水泥150份、粉煤灰150份、硅灰50份、石灰石粉50份、粗骨料600份、细骨料300份、抗裂组合物8份、聚羧酸减水剂1.5份、废旧轮胎橡胶粉3份、水胶比为0.2。
抗裂组合物采用实施例1制备的组合物；
其制备方法为：第一步准备各原料，将水泥、粉煤灰、硅灰、石灰石粉、粗骨料、细骨料和废旧轮胎橡胶粉混合；第二步加入抗裂组合物、聚羧酸减水剂和水，浆体拌匀后，加入钢纤维继续拌匀，即得。
实施例8：自密实混凝土的制备
地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，其原料以重量份计为，水泥250份、粉煤灰220份、硅灰80份、粗骨料800份、细骨料500份、抗裂组合物10份、钢纤维6份、聚羧酸减水剂3份、废旧轮胎橡胶粉4份、水胶比为0.3。
抗裂组合物采用实施例1制备的组合物；
其制备方法为：第一步准备各原料，将水泥、粉煤灰、硅灰、粗骨料、细骨料和废旧轮胎橡胶粉混合；第二步加入抗裂组合物、聚羧酸减水剂和水，浆体拌匀后，加入钢纤维继续拌匀，即得。
实施例9：自密实混凝土的制备
地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，其原料以重量份计为，水泥100份、粉煤灰50份、硅灰10份、石灰石粉40份、粗骨料620份、细骨料300份、抗裂组合物1.5份、钢纤维0.5份、聚羧酸减水剂0.2份、废旧轮胎橡胶粉4份、水胶比为0.3。
抗裂组合物采用实施例2制备的组合物；
其制备方法为：第一步准备各原料，将水泥、粉煤灰、硅灰、石灰石粉、粗骨料、细骨料和废旧轮胎橡胶粉混合；第二步加入抗裂组合物、聚羧酸减水剂和水，浆体拌匀后，加入钢纤维继续拌匀，即得。
实施例10：自密实混凝土的制备
地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，其原料以重量份计为，水泥250份、粉煤灰220份、硅灰130份、石灰石粉50份、粗骨料720份、细骨料500份、抗裂组合物3份、钢纤维7份、聚羧酸减水剂3份、废旧轮胎橡胶粉1份、水胶比为0.3。
抗裂组合物采用实施例3制备的组合物；
其制备方法为：第一步准备各原料，将水泥、粉煤灰、硅灰、石灰石粉、粗骨料、细骨料和废旧轮胎橡胶粉混合；第二步加入抗裂组合物、聚羧酸减水剂和水，浆体拌匀后，加入钢纤维继续拌匀，即得。
对比例1：
本对比例1描述的自密实混凝土，其原料组成与实施例4不同的是：以300目莫来石粉替换抗裂组合物。
对比例2：
本对比例2描述的自密实混凝土，其原料组成与实施例4不同的是：以氧化钙膨胀剂替换抗裂组合物。
对比例3：
本对比例3描述的自密实混凝土，其原料组成与实施例4不同的是：以600目偏高岭土替换抗裂组合物。
对比例4：
本对比例4描述的自密实混凝土，其原料组成与实施例4不同的是：莫来石粉、氧化钙膨胀剂和偏高岭土的重量比为0.5：2：0.5。
将上述实施例4-10及对比例1-4制备的自密实混凝土，在拌匀后，立即对拌合浆体的自密实性能进行测定，然后成型为不同尺寸的试件，24h后(温度30℃，湿度70％)脱模养护至7d、28d，养护温度为(20±2)℃，相对湿度为95％，取养护至7d、28d龄期且未测试其他性能的相应试样，测试力学性能。
自密实性能：依据T/CECS203-2021《自密实混凝土应用技术规程》、JGJ/T 283-2012《自密实混凝土应用技术规程》对自密实混凝土拌合物的自密实性能进行测试和评价。
力学性能：依据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对自密实混凝土试样进行7d、28d抗压强度进行测试，试件为100mm×100mm×100mm的立方体。
耐久性：依据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能及力学性能试验方法标准》对自密实混凝土的收缩变形性能(接触法)和早期抗裂性能进行测试。
表一自密实性能测试结果
组别 坍落扩展度/mm 扩展时间T500/s 拌合物状态
实施例4 803 1.25 无泌水、离析
实施例5 763 1.83 无泌水、离析
实施例6 767 1.71 无泌水、离析
实施例7 775 1.90 无泌水、离析
实施例8 769 1.78 无泌水、离析
实施例9 792 1.53 无泌水、离析
实施例10 784 1.42 无泌水、离析
对比例1 683 2.86 无泌水、离析
对比例2 716 2.57 无泌水、离析
对比例3 647 3.05 无泌水、离析
对比例4 735 2.14 无泌水、离析
结合JGJ/T 283-2012《自密实混凝土应用技术规程》中自密实混凝土拌合物的自密实性能的要求可知，本发明实施例4-实施例10自密实混凝土拌合物满足自密实性能的控制指标，填充性优异，满足SF3和VS2的要求，可以较好地用于相对复杂的地下结构工程。对比例1、2和4自密实混凝土拌合物满足SF2和VS1的要求，对比例3自密实混凝土拌合物满足SF1和VS1的要求，应用范围受限，适用于一般的或简单的混凝土结构。
表二力学性能和耐久性测试结果
由上表结果可知，本发明自密实混凝土的7d抗压强度大于37MPa，28d抗压强度大于60MPa，力学性能良好；收缩平均值在120×10-6～150×10-6，360d终极收缩率值在100×10-6～140×10-6，开裂面积小于500mm2/m2，耐久性能优异。
对比例1以300目莫来石粉替换抗裂组合物，7d抗压强度较高，28d抗压强度不及实施例4，收缩及开裂较显著；对比例2以氧化钙膨胀剂替换抗裂组合物，力学性能明显降低，收缩及抗裂性能不及实施例4；对比例3以600目偏高岭土替换抗裂组合物，力学性能较好，收缩及开裂显著；对比例4改变莫来石粉、氧化钙膨胀剂和偏高岭土的重量比为0.5：2：0.5，7d抗压强度与实施例4相当，28d抗压强度较低，收缩及开裂面积较实施例4大。
综上可知，加入本发明抗裂组合物的自密实混凝土的力学性能、填充性及其耐久性能整体更显著，取得了较好的平衡效果。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，其特征在于：由胶凝材料、骨料、外加剂和水制成，以重量份计为，胶凝材料200-600份、骨料为900-1100份、外加剂为2-20份，水胶比为0.2-0.4，其中：
所述胶凝材料包括水泥和矿物掺合料，所述水泥与矿物掺合料的重量比为1：(1-3)；
所述骨料包括粗骨料和细骨料，所述粗骨料与细骨料的重量比为(1-2)：1；
所述外加剂包括抗裂组合物，所述抗裂组合物包括莫来石粉、氧化钙膨胀剂和偏高岭土，所述莫来石粉、氧化钙膨胀剂和偏高岭土的重量比为(1-2)：(1.5-2)：1；所述抗裂组合物通过将莫来石粉、氧化钙膨胀剂和偏高岭土在球磨机中充分混合制得。
2.如权利要求1所述的地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，其特征在于：所述矿物掺合料为粉煤灰、硅灰和石灰石粉的一种或多种，粒径在10微米以下。
3.如权利要求1所述的地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，其特征在于：所述粗骨料为石灰石碎石或废弃混凝土碎块，粒径不大于15mm。
4.如权利要求1所述的地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，其特征在于：所述细骨料为天然砂、人工砂或混合砂，细度模数为2.5-2.8。
5.如权利要求2所述的地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，其特征在于：所述外加剂还包括：钢纤维、聚羧酸减水剂和废旧轮胎橡胶粉的一种以上。
6.如权利要求5所述的地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，其特征在于：所述钢纤维的长度为20-50mm，直径为0.3-0.5mm，长径比控制在50-100；
所述废旧轮胎橡胶粉为900型以上废旧轮胎生产的粒径为0.15mm-0.55mm的胶粉。
7.如权利要求1所述的地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，其特征在于：所述莫来石粉的粒径在300目以下；所述偏高岭土的粒径在500目以下。
8.如权利要求6所述的地下结构工程用耐久自密实填充混凝土材料，其特征在于：其原料以重量份计为，水泥100-250份、粉煤灰50-220份、硅灰50-130份、石灰石粉0-50份、粗骨料600-800份、细骨料300-500份、抗裂组合物1.5-10份、钢纤维0-7份、聚羧酸减水剂0.2-3份、废旧轮胎橡胶粉0-4份、水胶比为0.2-0.4。
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