CN116730690A - 一种抗碳酸水侵蚀混凝土及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料混凝土技术领域，具体涉及一种抗碳酸水侵蚀混凝土及其制备方法和应用。该抗碳酸水侵蚀混凝土，由包括以下原料制成:普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉、机制砂、碎石、水、减水剂、缓凝剂、稳定剂，所述稳定剂由水溶性高分子聚合物、有机硅烷类憎水剂复合制备而成。本发明提供的抗碳酸水混凝土，能够在碳酸水环境中能保持优异的力学性能、抗渗性能和抵抗碳酸水侵蚀的能力。适用于岩溶区或含侵蚀性CO₂的地下水等碳酸水环境中的工程应用，可有效解决在碳酸水环境中混凝土各项性能退化，混凝土结构及材料安全与耐久性无法保证的技术问题。

Description

一种抗碳酸水侵蚀混凝土及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及材料混凝土技术领域，尤其涉及一种抗碳酸水侵蚀混凝土及其制备方法和应用。

背景技术

现国内外针对提高混凝土抗腐蚀性的研究多集中在抗硫酸盐侵蚀方面，而对在岩溶区或是含侵蚀性CO₂的地下水环境中，碳酸水对混凝土材料的破坏作用关注程度较低。在这些区域里，富含CO₂的环境水可与水泥基材料中的水化产物氢氧化钙(Ca(OH)₂)和水化硅酸钙凝胶(C-S-H)进一步反应生成可溶解物质，危害混凝土的服役寿命。

碳酸水对混凝土的侵蚀破坏是一种综合了化学碳化和酸腐蚀，并伴有物理性动水溶蚀的复杂过程。在长期的碳酸水侵蚀下，混凝土表面砂浆脱落，甚至出现黑色糜烂状。这是由于混凝土中Ca(OH)₂最先受到碳酸水侵蚀转变为碳酸钙(CaCO₃)，再不断生成易溶于水的碳酸氢钙被流水带走；随着Ca(OH)₂分解，C-S-H凝胶、钙矾石等不断分解脱钙向孔溶液中补充钙离子。混凝土内部碱度降低后，C-S-H凝胶也无法稳定存在，转变成为硅胶和结晶度较差的CaCO₃，混凝土失去胶结强度。同时，当混凝土孔隙溶液pH值低至9.4～10之间时，钢筋易脱钝锈蚀，危及混凝土结构安全。长期的碳酸水环境会造成混凝土各项性能退化，带来工程混凝土结构及材料安全与耐久性无法保证等问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种抗碳酸水侵蚀混凝土及其制备方法和应用。本发明提供的抗碳酸水混凝土，能够在碳酸水环境中能保持优异的力学性能、抗渗性能和抵抗碳酸水侵蚀的能力。

为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案:

第一方面，本发明提供一种抗碳酸水侵蚀混凝土，原料按重量份数计，包括：普通硅酸盐水泥145-160份；硫铝酸盐水泥110-120份；粉煤灰55-60份；矿渣粉55-60份；机制砂820-850份；碎石1000-1100份；水145-160份；减水剂3-8份；缓凝剂0.4-0.6份；稳定剂0.3-2份；所述稳定剂由水溶性高分子聚合物和有机硅烷类憎水剂复合配制而成。

粉煤灰的滚珠效应减少了混凝土单位用水量，矿渣粉延缓和减少早期水化产物相互搭接的隔离作用，改善混凝土的和易性。粉煤灰、矿渣粉复合使用充分发挥了微骨料的填充效应，产生致密势能，强化骨料界面黏结力，有效提高混凝土的密实性。同时，加入减水剂，减小水胶比可降低混凝土中有害孔的比例，提高混凝土的密实度，从而提高混凝土的抗腐蚀性能。

硫铝酸盐水泥的掺入缩短了混凝土凝结时间，提高混凝土早期的抗渗性能。同时，搭配普通硅酸盐水泥后期强度持续发展的优势，可使得混凝土在长期服役过程中保持优异的力学性能。

粉煤灰、矿渣粉的二次水化过程可消耗混凝土中Ca(OH)₂含量，增加有效水化产物，降低总钙含量及Ca(OH)₂含量；硫铝酸盐水泥的主要水化产物钙矾石、低硫型水化硫铝酸钙和铝胶等与碳酸水反应程度低，减少了混凝土中含钙水化产物流失与可溶性产物生成；水溶性高分子聚合物与有机硅烷类憎水剂复合配制而成的稳定剂可显著提高混凝土拌合物的抗离析性能，使拌合物坍落度≮160mm，与缓凝剂搭配使用可控制水泥水化速度，提高抗渗、抗侵蚀能力。本发明提供的混凝土制备方法可提高混凝土抗碳酸水侵蚀性能。

基于上述各原料各自的性能以及其在特定用量下的配合，本发明提供的抗碳酸水侵蚀混凝土具有优异的抗碳酸水侵蚀性能。

进一步，所述稳定剂由羟丙基甲基纤维素醚、二乙二醇和硬脂酸钙组成；所述羟丙基甲基纤维素醚、二乙二醇和硬脂酸钙的重量比为1-2:1.5-3:5-9。

羟丙基甲基纤维素醚分子链上的羟基和醚键可通过氢键与自由水结合，起保水增稠抗沉淀、离析作用；二乙二醇吸附在水泥颗粒表面，增加凝胶悬浮体稳定性和分散性，利于硬化浆体早期密实结构的形成；硬脂酸钙掺入后在水化产物表面形成憎水膜，阻止了水分浸入以及内部水分扩散，还可调节水化速度、改善孔结构。

作为抗碳酸水侵蚀混凝土进一步的改进：

进一步，所述抗碳酸水侵蚀混凝土按质量份数计，包括：普通硅酸盐水泥156份；硫铝酸盐水泥117份；粉煤灰59份；矿渣粉59份；机制砂840份；碎石1018份；水149份；减水剂7.2份；缓凝剂0.16份；稳定剂1.6份。

采用上述技术方案的原料配比得到的混凝土，具备更优异的力学性能、抗渗性能、抗碳酸水侵蚀性能。

进一步，所述普通硅酸盐水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，28d胶砂强度≥48MPa。

进一步，所述硫铝酸盐水泥为R·SAC 42·5快硬硫铝酸盐水泥，初凝时间≤25min、终凝时间≥180min。

采用上述技术方案，使用R·SAC 42·5快硬硫铝酸盐水泥可使混凝土的早期抗渗性能提高。

进一步，所述粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级磨细粉煤灰，比表面积≥310m²/kg。

进一步，所述矿渣粉为S95级或S105级磨细矿渣粉。

Ⅰ级或Ⅱ级磨细粉煤灰、S95级或S105级磨细矿渣粉能够利用颗粒填充作用影响水泥浆体的孔结构，更好地改变水泥浆体的颗粒分布状态，降低有效孔隙率。其中粉煤灰进一步优选采用Ⅰ级粉煤灰，矿渣粉进一步优选采用S95级矿渣粉。

进一步，所述机制砂为中砂，细度模数2.5～3.0，石粉含量小于3％，泥含量小于0.8％。

进一步，所述碎石粒径范围为5～25mm，含泥量小于0.3％。

进一步，所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率≥20％。

进一步，所述缓凝剂为柠檬酸钠、葡萄糖酸钠、硼砂中的一种或两种以上混合物。

柠檬酸钠、葡萄糖酸钠是羟基羧酸及其盐类缓凝剂，对水泥颗粒以及水化产物新相表面具有较强的活性作用，能够吸附于固体颗粒表面，延缓了水泥的水化和浆体结构的形成。

所述硼砂是无机盐类缓凝剂，可在水泥颗粒表面形成一层难溶的薄膜，对水泥颗粒的水化起屏障作用，可阻碍水泥的正常水化。

上述优选的缓凝剂，对于本发明提供的抗碳酸水侵蚀混凝土在缓凝效果上表现出更好的适应性。

第二方面，本发明还提供了一种上述抗碳酸水侵蚀混凝土的制备方法，至少包括以下依序进行的步骤：

步骤a、将机制砂、碎石依次加入混凝土搅拌机中干拌30～60s；

步骤b、将普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、矿渣粉、粉煤灰、缓凝剂和稳定剂依次加入混凝土搅拌机中继续干拌30～60s；

步骤c、加入水和减水剂，充分搅拌至均匀状态，即得混凝土拌合物；

步骤d、将步骤c所得的混凝土拌合物，填充至模具中，1d后脱模成型，在标准养护条件20±2℃，95％以上相对湿度下进行养护28d，即得到抗碳酸水侵蚀混凝土。

本发明的上述制备方法先将机制砂和碎石干拌混合，再加入普通硅酸盐水泥水泥、硫铝酸盐水泥、矿渣粉、粉煤灰、缓凝剂和稳定剂等粉体材料，在不加水的情况下进行干拌混匀，以避免细颗粒的团聚，提升原材料的分散性。随后加入溶有减水剂的拌合水，搅拌均匀得到所述的混凝土。该方法工艺简单，操作方便，可使混凝土充分混合，有效减少有害孔的比例，提高抗渗性能。

第三方面，本发明还提供了上述抗碳酸水侵蚀混凝土的应用，至少包括在岩溶区或是含侵蚀性CO₂的地下水环境中的工程应用。

岩溶区即喀斯特岩溶区，其发育依靠富含CO₂和其他酸性物质的运动水。此外部分地下工程(地下房屋和地下构筑物，地下铁道，公路隧道、水下隧道、地下共同沟和过街地下通道等)的施工环境会产生含侵蚀性CO₂的地下水，例如在广州、南宁等地区地下工程沿线水质中均检测到富含侵蚀性CO₂的地下水。这种带有溶蚀力的碳酸水可与混凝土中的水化产物氢氧化钙和水化硅酸钙凝胶进一步反应生成可溶性物质，破坏混凝土的结构。本发明所提供的抗碳酸水混凝土在岩溶区或是含侵蚀性CO₂的地下水环境的工程应用中，能够表现出良好的抗碳酸水侵蚀性能。

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，以下结合具体实施例，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仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例和对比例中，聚羧酸系高性能减水剂采用减水率为25％-30％的苏博特-Ⅰ系列聚羧酸高性能减水剂；缓凝剂柠檬酸钠、硼砂、葡萄糖酸钠采用分析纯试剂；稳定剂采用西安隆茂生物科技有限公司生产的工业级羟丙基甲基纤维素醚、济南启航化工科技有限公司生产的工业级二乙二醇、石家庄马跃建材有限公司生产的硬脂酸钙。以上每种组分也可采用同类其他型号产品。

实施例1

一种抗碳酸水侵蚀混凝土，包括如下重量份数的原料组分：P.O.42.5级普通硅酸盐水泥152份；R·SAC 42·5快硬硫铝酸盐水泥114份；S95级磨细矿渣粉57份；Ⅱ级磨细粉煤灰57份；机制砂840份；碎石1018份；聚羧酸系高性能减水剂5.6份；葡萄糖酸钠缓凝剂0.13份；稳定剂1.2份和水152份。其中稳定剂由羟丙基甲基纤维素醚、二乙二醇、硬脂酸钙按1:1.5:5的重量比例复合配制而成。

按照以下步骤进行制备：

(1)将上述机制砂、碎石加入混凝土搅拌机中干拌50s；

(2)将上述普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、矿渣粉、粉煤灰、缓凝剂和稳定剂混合加入混凝土搅拌机中继续搅拌50s；

(3)将剩余水和减水剂加入混凝土搅拌机中，充分搅拌的时间为5min。配制后的混凝土拌合物填充至模具中，1d后脱模成型，在标准养护条件20±2℃，95％相对湿度下进行养护28d。

即制得，抗碳酸水侵蚀混凝土C1。

实施例2

一种抗碳酸水侵蚀混凝土，包括如下重量份数的原料组分：P.O.42.5级普通硅酸盐水泥148份；R·SAC 42·5快硬硫铝酸盐水泥111份；S105级磨细矿渣粉56份；Ⅰ级磨细粉煤灰56份；机制砂850份；碎石1020份；聚羧酸系高性能减水剂4.6份；硼砂0.11份；稳定剂0.8份和水140份。其中稳定剂由羟丙基甲基纤维素醚、二乙二醇、硬脂酸钙按2:2:5的重量比例复合配制而成。

按照实施例1的制备步骤，制得抗碳酸水侵蚀混凝土C2。

实施例3

一种抗碳酸水侵蚀混凝土，包括如下重量份数的原料组分：P.O.42.5级普通硅酸盐水泥156份；R·SAC 42·5快硬硫铝酸盐水泥117份；S95级磨细矿渣粉59份；Ⅱ级磨细粉煤灰59份；机制砂820份；碎石1010份；聚羧酸系高性能减水剂7.2份；柠檬酸钠0.16份；稳定剂1.6份和水160份。其中稳定剂由羟丙基甲基纤维素醚、二乙二醇、硬脂酸钙按2:3:9的重量比例复合配制而成。

按照实施例1的制备步骤，制得抗碳酸水侵蚀混凝土C3。

实施例4

一种抗碳酸水侵蚀混凝土，包括如下重量份数的原料组分：P.O.42.5级普通硅酸盐水泥156份；R·SAC 42·5快硬硫铝酸盐水泥110份；S105级磨细矿渣粉57份；Ⅰ级磨细粉煤灰57份；机制砂845份；碎石1022份；聚羧酸系高性能减水剂5.8份；硼砂0.10份；稳定剂0.3份和水152份。其中稳定剂由羟丙基甲基纤维素醚、二乙二醇、硬脂酸钙按1.4:2.3:6的重量比例复合配制而成。

按照实施例1的制备步骤，制得抗碳酸水侵蚀混凝土C4。

实施例5

一种抗碳酸水侵蚀混凝土，包括如下重量份数的原料组分：P.O.42.5级普通硅酸盐水泥146份；R·SAC 42·5快硬硫铝酸盐水泥120份；S105级磨细矿渣粉57份；Ⅰ级磨细粉煤灰57份；机制砂848份；碎石1015份；聚羧酸系高性能减水剂5.1份；硼砂0.18份；稳定剂2.0份和水152份。其中稳定剂由羟丙基甲基纤维素醚、二乙二醇、硬脂酸钙按1.8:2.8:5.4的重量比例复合配制而成。

按照实施例1的制备步骤，制得抗碳酸水侵蚀混凝土C5。

对比例1

在实施例1的基础上不掺硫铝酸盐水泥、缓凝剂和稳定剂，P.O.42.5级普通硅酸盐水泥的用量增加至266份，其余组分同实施例1。

按照以下步骤进行制备：

(1)将上述机制砂、碎石加入混凝土搅拌机中干拌50s；

(2)将上述普通硅酸盐水泥、矿渣粉、粉煤灰混合加入混凝土搅拌机中继续搅拌50s；

(3)将剩余水和减水剂加入混凝土搅拌机中，充分搅拌的时间为5min。配制后的混凝土拌合物填充至模具中，1d后脱模成型，在标准养护条件20±2℃，95％相对湿度下进行养护28d。

即制得，混凝土D1。

对比例2

在实施例1的基础上不掺硫铝酸盐水泥和缓凝剂，P.O.42.5级普通硅酸盐水泥的用量增加至266份，其余组分同实施例1。

按照以下步骤进行制备：

(1)将上述机制砂、碎石加入混凝土搅拌机中干拌50s；

(2)将上述普通硅酸盐水、矿渣粉、粉煤灰和稳定剂混合加入混凝土搅拌机中继续搅拌50s；

(3)将剩余水和减水剂加入混凝土搅拌机中，充分搅拌的时间为5min。配制后的混凝土拌合物填充至模具中，1d后脱模成型，在标准养护条件20±2℃，95％相对湿度下进行养护28d。

即制得，混凝土D2。

对比例3

在实施例1的基础上不掺稳定剂，其余组分同实施例1。

按照以下步骤进行制备：

(1)将上述机制砂、碎石加入混凝土搅拌机中干拌50s；

(2)将上述普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、矿渣粉、粉煤灰和缓凝剂混合加入混凝土搅拌机中继续搅拌50s；

(3)将剩余水和减水剂加入混凝土搅拌机中，充分搅拌的时间为5min。配制后的混凝土拌合物填充至模具中，1d后脱模成型，在标准养护条件20±2℃，95％相对湿度下进行养护28d。

即制得，混凝土D3。

为了更好的说明本发明实施例提供的抗碳酸水侵蚀混凝土的特性，下面将实施例1～5以及对比例1～3制备的混凝土试块放置在50℃、5MPa的高温高压密闭容器中，向容器中充满水溶液，并通入CO₂直至饱和状态，此时CO₂溶解度为17.25dm³/kg。容器中试块架绕中心轴转动，实现腐蚀溶液与试块间的相对流动，并且每2天更换一次容器中溶液，实现腐蚀溶液的迁移。在流动迁移的碳酸水环境中侵蚀28d后取出，测试其各项性能指标。按照GB/T50081 2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》、GB/T50082 2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》检测结果如表1所示。

表1检测结果

由表中检测结果可知，上述实施例1-5的抗碳酸水混凝土试块侵蚀前后的抗压强度均超过40MPa，表明其具有较为优异的力学性能。混凝土质量损失率为-0.15～-0.34％，线膨胀率为-0.13～-0.25％(负数代表质量和线膨胀率降低)，质量及体积变化可以忽略不计，表明其具有优异的抗碳酸水侵蚀性能和稳定性。本发明实施例提供的抗碳酸水混凝土抗渗等级均可达到P12，因此采用氯离子扩散系数(ASTMC1202直流电量法)更准确地来评价混凝土的抗渗性。电通量越小，混凝土密实度越高，抗渗性能越好。本发明实施例提供的混凝土试块侵蚀前后6h总导电量均在100～1000之间，渗透性评价为非常低，表明其具有较好的的抗渗性能。由此可见，本发明实施例提供的抗碳酸水侵蚀混凝土，经流动迁移的碳酸水侵蚀28d后，仍保持优异的力学性能和抗渗性能，适用于碳酸水环境中混凝土结构建设。

通过三个对比例的试验结果可以看出：不掺入硫铝酸盐水泥的混凝土7d强度偏低，难以满足早期抗渗性能的要求；且侵蚀后质量损失增大，混凝土中含钙水化产物流失。不掺入稳定剂的混凝土强度、抗渗性能均有一定幅度降低，抗渗等级达不到P12。因此，用部分硫铝酸盐水泥替代普通硅酸盐水泥，并搭配稳定剂协同作用，才能实现混凝土力学性能、抗渗性能、抗碳酸水侵蚀性能同步提升，配制出适用于碳酸水环境的高性能混凝土。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗碳酸水侵蚀混凝土，其特征在于，原料按重量份数计，包括：普通硅酸盐水泥145-160份；硫铝酸盐水泥110-120份；粉煤灰55-60份；矿渣粉55-60份；机制砂820-850份；碎石1000-1100份；水145-160份；减水剂3-8份；缓凝剂0.1-0.2份；稳定剂0.3-2份；所述稳定剂由水溶性高分子聚合物和有机硅烷类憎水剂复合配制而成。

2.根据权利要求1所述的抗碳酸水侵蚀混凝土，其特征在于，所述稳定剂由羟丙基甲基纤维素醚、二乙二醇和硬脂酸钙组成；所述羟丙基甲基纤维素醚、二乙二醇和硬脂酸钙的重量比为1-2:1.5-3:5-9。

3.根据权利要求1或2所述的应用于抗碳酸水侵蚀混凝土，其特征在于，原料按重量份数计，包括：普通硅酸盐水泥156份；硫铝酸盐水泥117份；粉煤灰59份；矿渣粉59份；机制砂840份；碎石1018份；水149份；减水剂7.2份；缓凝剂0.16份；稳定剂1.6份。

4.根据权利要求1所述的抗碳酸水侵蚀混凝土，其特征在于，所述普通硅酸盐硅酸盐水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，28d胶砂强度≥48MPa；和/或

所述硫铝酸盐水泥为R·SAC 42·5快硬硫铝酸盐水泥，初凝时间≤25min，终凝时间≥180min。

5.根据权利要求1所述的抗碳酸水侵蚀混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级磨细粉煤灰，比表面积≥310m²/kg；和/或

所述矿渣粉为S95级或S105级磨细矿渣粉。

6.根据权利要求5所述的抗碳酸水侵蚀混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；和/或

所述矿渣粉为S95级矿渣粉。

7.根据权利要求1所述的抗碳酸水侵蚀混凝土，其特征在于，所述机制砂为中砂，细度模数2.5～3.0，石粉含量小于3％，泥含量小于0.8％；和/或

所述碎石粒径范围为5～25mm，含泥量小于0.3％。

8.根据权利要求1所述的抗碳酸水侵蚀混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率≥20％；和/或

所述缓凝剂为柠檬酸钠、葡萄糖酸钠、硼砂中的一种或其两种以上混合物。

9.一种权利要求1-8任意一项所述的抗碳酸水侵蚀混凝土的制备方法，其特征在于，至少包括以下依序进行的步骤:

步骤a、将机制砂、碎石依次加入混凝土搅拌机中干拌30～60s；

步骤b、将普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、矿渣粉、粉煤灰、缓凝剂和稳定剂依次加入混凝土搅拌机中继续干拌30～60s；

步骤c、加入水和减水剂，充分搅拌至均匀状态，得混凝土拌合物；

步骤d、将步骤c所得的混凝土拌合物，填充至模具中，1d后脱模成型，在标准养护条件20±2℃，95％以上相对湿度下进行养护28d，即得到抗碳酸水侵蚀混凝土。

10.权利要求1-8任意一项所述的抗碳酸水侵蚀混凝土在岩溶区或含侵蚀性CO₂的地下水等碳酸水环境中的工程应用。