CN116986866A - 一种适用于氯盐干湿环境的混凝土及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于氯盐干湿环境的混凝土及制备方法，该混凝土包括以下重量份的组分：粗骨料1087～1106份，细骨料623～643份，水泥267～298份，粉煤灰57～74份，硅灰39～48份，矿渣粉44～53份，纳米SiO22.21～8.82份，纳米CaCO33.53～7.94份，玄武岩纤维3.09～7.50份，消泡剂0.04～0.13份，减水剂2.21～3.09份，水158～167份，通过掺杂料之间的协同增强效应，使得胶凝材料粉体之间互相填充，实现紧密堆积，混凝土结构更密实，力学强度高，耐久性能佳，抗氯盐侵蚀性能好，具有良好的经济和环境效益，适合推广使用。
Description
技术领域
本发明属于混凝土制备技术领域，具体涉及到一种适用于氯盐干湿环境的混凝土及制备方法。
背景技术
混凝土是一种广泛应用于建筑、道路、桥梁等工程领域的材料。然而，在沿海、盐湖地区等富含氯离子环境下，混凝土长期遭受氯盐干湿环境侵蚀，导致混凝土的力学性能和耐久性能急剧下降，服役寿命也会大大减少，混凝土结构往往在其达到设计使用寿命前因耐久性不足发生腐蚀破坏，严重影响建筑物和构筑物的使用安全。因此十分有必要研究如何提高混凝土在干湿循环条件下的力学性能和抗氯离子侵蚀性能。
掺加矿物掺合料和纤维是改善混凝土整体性能的有效途径，用粉煤灰、硅灰、矿渣粉等矿物掺合料取代水泥是减少碳排放和促进混凝土建筑的可持续绿色发展最实用和经济的方法。相比于单掺矿物掺合料，复掺矿物掺合料和纤维的混凝土抗氯离子侵蚀性能更好，这是由于掺加多种矿物掺合料后，混凝土内部会发生火山灰效应和微集料效应等多种复合效应，复掺矿物掺合料的颗粒级配更加均匀，不同颗粒粒径的胶凝材料之间互相填充，使得胶凝材料粉体实现紧密堆积，具有良好的连续级配，且纤维能显著改善混凝土的界面结构和孔结构，有效缓解混凝土由于氯盐侵蚀造成的破坏。
纳米材料作为发展迅速的新兴材料，其颗粒细小，比表面积较大，表面吸附能力强，具有良好的填充效应、活性效应，使其在促进水泥水化方面具有独特的优势。纳米SiO2和纳米CaCO3具有力学强度高，环保无污染等优点，在混凝土中掺加纳米SiO2减少了腐蚀性介质——氯离子的渗透，其二次水化和分散填充的致密作用使混凝土的孔结构高度细化，微观结构更密实，改善了混凝土抗氯离子的渗透性能。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种适用于氯盐干湿环境的混凝土。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：以质量份数计，包括，
粗骨料1087～1106份，细骨料623～643份，水泥267～298份，粉煤灰57～74份，硅灰39～48份，矿渣粉44～53份，纳米SiO22.21～8.82份，纳米CaCO33.53～7.94份，玄武岩纤维3.09～7.50份，消泡剂0.04～0.13份，减水剂2.21～3.09份，水158～167份。
作为本发明所述的适用于氯盐干湿环境的混凝土的一种优选方案，其中：所述水泥、粉煤灰、硅灰、矿渣粉的质量比为13：3：2：2，玄武岩纤维掺量为1.2％，纳米SiO2的掺量为1％，纳米CaCO3的掺量为1.3％。
本发明优选的复掺矿物掺合料-水泥、粉煤灰、硅灰、矿渣粉显著改善了混凝土拌合状态的和易性，同时胶凝材料的矿物组分、化学成分及颗粒形态等特征，有效填充混凝土内部微孔，实现紧密堆积，微观结构更加致密。其中粉煤灰、矿渣粉能提供更多的C3A、Ca(OH)2与氯离子反应，生成层间距更小的Friedel's，进而对氯离子进行化学固化；硅灰促进了C-S-H凝胶的形成，进而对氯离子进行物理吸附。矿物掺合料的复合增强效应能有效抑制氯盐侵蚀的劣化作用。
作为本发明所述的适用于氯盐干湿环境的混凝土的一种优选方案，其中：所述混凝土在经过60次干湿循环后，抗压强度≥47MPa，劈裂抗拉强度≥4.8MPa，质量损失率≤1.2％，相对动弹性模量≥90％，混凝土的氯离子侵蚀深度≤16mm。
作为本发明所述的适用于氯盐干湿环境的混凝土的一种优选方案，其中：所述粗骨料为花岗岩碎石，粒径为5～25mm，所述细骨料为河砂，细度模数≥2.4，含泥量≤0.5％，粒径≤4.75mm。
作为本发明所述的适用于氯盐干湿环境的混凝土的一种优选方案，其中：所述水泥为强度等级为P.O52.5硅酸盐水泥，所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，细度≤12％，需水量比≤95％，所述硅灰中SiO2含量≥97.8％，比表面积≥20m2/g，烧失量≤1.48％，氯离子含量≤0.01wt％，所述矿渣粉为S105级矿渣粉，烧失量≤1.0％。
作为本发明所述的适用于氯盐干湿环境的混凝土的一种优选方案，其中：所述纳米SiO2为白色球形粉末，SiO2含量≥99.5％，比表面积≥240m2/g，平均粒径为20±5nm，烧矢量(950℃×2h)≤5，所述纳米CaCO3为白色粉末，平均粒径为40nm。
作为本发明所述的适用于氯盐干湿环境的混凝土的一种优选方案，其中：所述玄武岩纤维的长度为6mm，直径为13～20μm，密度为2.65g/cm3。
作为本发明所述的适用于氯盐干湿环境的混凝土的一种优选方案，其中：所述消泡剂的pH为6～8，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水效率为35％。
本发明的再一目的是，克服现有技术中的不足，提供一种适用于氯盐干湿环境的混凝土的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：将搅拌机内壁及叶片进行湿润处理，将粗骨料、细骨料加入搅拌机中，以80～120r/min的转速搅拌25～35s；
水泥、粉煤灰、硅灰、矿渣粉和玄武岩纤维混合均匀后，加入搅拌机中搅拌25～35s后继续加水搅拌25～35s；
将纳米SiO2、纳米CaCO3、减水剂、消泡剂和剩余水进行拌合，制成悬浮液，并在超声振荡器中进行震荡处理，后加入搅拌机中搅拌60s，得到混凝土拌合料；
将拌合料装入模具，在振动台上振捣密实5～10s，经抹面后在室内静置24h后脱模，之后移入标准养护室养护28d得到适用于氯盐干湿环境的混凝土。
作为本发明所述的适用于氯盐干湿环境的混凝土的制备方法一种优选方案，其中：所述继续加水搅拌，水的重量与所述水泥、粉煤灰、硅灰、矿渣粉的总重量之比为0.33～0.38。
本发明有益效果：
本发明提供了一种适用于氯盐干湿环境的混凝土的配方，通过向混凝土中掺杂经过优化配比的纳米材料与玄武岩，提高了混凝土的力学性能、使用寿命以及抗氯盐侵蚀性能，制得的混凝土性能优异，干湿循环60次(120d)后，其抗压强度≥47MPa，劈裂抗拉强度≥4.8MPa，力学性能较佳；其质量损失率≤1.2％，相对动弹性模量≥90％，耐久性能良好；其混凝土的氯离子侵蚀深度≤16mm，抗氯盐侵蚀性能较好。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
按以下方法对本发明制得的混凝土进行氯盐干湿环境模拟试验：
干湿循环试验过程中，NaCl溶液浓度为10％(质量分数)。将混凝土试件在氯盐溶液中浸泡22h，取出擦干表面水分，室温下风干2h，然后放入60℃的烘箱中干燥22h，取出擦干表面水分，在室温下风干2h，此为1次干湿循环，整个试验一共进行了60次干湿循环，为确保氯离子是一维传输，除一个侧面外，混凝土试件的其余5个面均用环氧树脂密封。
依据GB/T50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》分别测量其抗压强度和劈裂抗拉强度；
依据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》分别测量其质量损失率、相对动弹性模量和氯离子侵蚀深度。
本发明所用粗骨料为花岗岩碎石，粒径为5～25mm；细骨料为细度模数≥2.4，含泥量≤0.5％，粒径≤4.75mm的河砂；水泥为强度等级为P.O52.5普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，其细度≤12％，需水量比≤95％；硅灰中SiO2含量≥97.8％，比表面积≥20m2/g，烧失量≤1.48％，氯离子含量≤0.01wt％；矿渣粉为S105级矿渣粉，烧失量≤1.0％；纳米SiO2为白色球形粉末，SiO2含量≥99.5％，比表面积≥240m2/g，平均粒径为20±5nm，烧矢量(950℃×2h)≤5；纳米CaCO3为白色粉末，平均粒径为40nm；玄武岩纤维的长度为6mm，直径为13～20μm，密度为2.65g/cm3；减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水效率为35％。
本发明其余所用原料无特殊说明均为本领域普通市售。
实施例1
本实施例提供了一种适用于氯盐干湿环境的混凝土的制备方法，具体为：
1)称取以下重量份的原料：
粗骨料1095份，细骨料634份，水泥284份，粉煤灰65份，硅灰44份，矿渣粉48份，纳米SiO24.41份，纳米CaCO35.73份，玄武岩纤维5.29份，消泡剂0.09份，减水剂2.65份，水163份；
2)制备混凝土：
取25份水将搅拌机内壁及其叶片进行湿润处理，将粗骨料、细骨料加入搅拌机中搅拌30s；
水泥、粉煤灰、硅灰、矿渣粉和玄武岩纤维混合均匀后，加入搅拌机中搅拌30s后将69份水加入搅拌机中搅拌30s；
将纳米SiO2、纳米CaCO3、减水剂、消泡剂和剩余水进行拌合，制成悬浮液，并在超声振荡器中进行震荡处理，后加入搅拌机中搅拌60s，搅拌均匀得到混凝土拌合料；
将拌合料装入模具，在振动台上振捣密实10s，经抹面后在室内静置24h后脱模，之后移入标准养护室(温度20±2℃，相对湿度95±3％)养护28d得到一种适用于氯盐干湿环境的混凝土。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，调整混凝土的配方，具体配方为；
粗骨料1098份，细骨料631份，水泥297份，粉煤灰57份，硅灰40份，矿渣粉45份，纳米SiO22.21份，纳米CaCO33.53份，玄武岩纤维3.09份，消泡剂0.04份，减水剂2.22份，水161份；
其余制备工艺均与实施例1相同，制得本实施例的混凝土。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于，调整混凝土的配方，具体配方为；
骨料1092份，细骨料638份，水泥269份，粉煤灰74份，硅灰47份，矿渣粉52份，纳米SiO26.62份，纳米CaCO37.94份，玄武岩纤维7.50份，消泡剂0.13份，减水剂3.09份，水164份；
其余制备工艺均与实施例1相同，制得本实施例的混凝土。
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处在于，混凝土的配方中不添加纳米CaCO3、纳米SiO2以及玄武岩纤维，具体配方为；
粗骨料1095份，细骨料634份，水泥284份，粉煤灰65份，硅灰44份，矿渣粉48份，消泡剂0.09份，减水剂2.65份，水163份；其余制备工艺均与对比例1相同，制得本对比例的混凝土。
测定实施例1～实施例3以及对比例1制得混凝土的力学性能以及抗氯离子侵蚀深度，结果如表1所示。
表1不同配比的混凝土性能
从表1数据可以看出，本发明通过添加纳米材料与玄武岩复配得到的混凝土具有优异的力学性能的同时，其抗氯盐侵蚀性能最好、使用寿命也最长，尤其是本发明实施例1，当水泥、粉煤灰、硅灰、矿渣粉的比例为13：3：2：2，且玄武岩纤维掺量为1.2％，纳米SiO2和纳米CaCO3掺量为1％和1.3％时性能提升最为显著，这是由于在该配比下改善了混凝土的微粒级配，使其中的孔隙填充互补，形成复合互补效应，进而提高了协同提高了混凝土对氯离子的物理吸附和化学固化能力，增强了基体粘结强度和抗氯离子的渗透性能。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处在于，混凝土的配方中不添加纳米CaCO3以及玄武岩纤维，具体配方为；
粗骨料1095份，细骨料634份，水泥284份，粉煤灰65份，硅灰44份，矿渣粉48份，纳米SiO24.41份，消泡剂0.09份，减水剂2.65份，水163份；其余制备工艺均与对比例1相同，制得本对比例的混凝土。
对比例3
本对比例与实施例1的不同之处在于，混凝土的配方中不添加纳米SiO2以及玄武岩纤维，具体配方为；
粗骨料1095份，细骨料634份，水泥284份，粉煤灰65份，硅灰44份，矿渣粉48份，纳米CaCO35.73份，消泡剂0.09份，减水剂2.65份，水163份；其余制备工艺均与对比例1相同，制得本对比例的混凝土。
对比例4
本对比例与实施例1的不同之处在于，混凝土的配方中不添加纳米CaCO3以及纳米SiO2，具体配方为；
粗骨料1095份，细骨料634份，水泥284份，粉煤灰65份，硅灰44份，矿渣粉48份，玄武岩纤维5.29份，消泡剂0.09份，减水剂2.65份，水163份；其余制备工艺均与对比例1相同，制得本对比例的混凝土。
对比例5
本对比例与实施例1的不同之处在于，调整混凝土的配方中纳米SiO2的添加量为13.94份，具体配方为；
粗骨料1095份，细骨料634份，水泥284份，粉煤灰65份，硅灰44份，矿渣粉48份，纳米SiO213.94份，纳米CaCO35.73份，玄武岩纤维5.29份，消泡剂0.09份，减水剂2.65份，水163份；
其余制备工艺均与对比例1相同，制得本对比例的混凝土。
对比例6
本对比例与实施例1的不同之处在于，调整混凝土的配方中纳米CaCO3的添加量为14.55份，具体配方为；
粗骨料1095份，细骨料634份，水泥284份，粉煤灰65份，硅灰44份，矿渣粉48份，纳米SiO24.41份，纳米CaCO314.55份，玄武岩纤维5.29份，消泡剂0.09份，减水剂2.65份，水163份；
其余制备工艺均与对比例1相同，制得本对比例的混凝土。
对比例7
本对比例与实施例1的不同之处在于，调整混凝土的配方中玄武岩纤维的添加量为15.44份，具体配方为；
粗骨料1095份，细骨料634份，水泥284份，粉煤灰65份，硅灰44份，矿渣粉48份，纳米SiO24.41份，纳米CaCO35.73份，玄武岩纤维15.44份，消泡剂0.09份，减水剂2.65份，水163份；其余制备工艺均与对比例1相同，制得本对比例的混凝土。
测定对比例2～7制得混凝土的力学性能以及抗氯离子侵蚀深度，与实施例1进行对比，结果如表2所示。
表2不同配方制得的混凝土性能
表2展示了不同配方以及不同配比的掺合料下制得混凝土的性能与实施例1的混凝土性能进行对比，由对比例2～4可以看出，只有纳米CaCO3、纳米SiO2以及玄武岩纤维三者复配时，才能够实现混凝土综合性能的整体提升。
纳米SiO2能够填充混凝土中的孔隙和裂缝，增加混凝土的致密性和强度，而纳米CaCO3能够促进混凝土的水化反应，形成致密的水化产物，二者共同存在时相互作用进一步提高混凝土的力学性能和耐久性，玄武岩纤维加入到混凝土中能够阻止裂缝的扩增，增加混凝土的抗裂性能，但分散性较差，与基体的界面结合强度较低，而纳米SiO2能够填充纤维之间的孔隙，提高纤维与基体的结合强度，纳米CaCO3能够改善玄武岩纤维在混凝土中的分散性和分布均匀性，并与玄武岩纤维通过物理或化学键结合在一起，增强纤维与基体之间的力学连接，提高混凝土的强度和韧性。
而从对比例5～对比例6的数据可以看出，三者复配时的配比对技术效果也有着显著影响，由于三者之间存在相互协同的效果，故，若单纯增加其中一种原料的用量，不仅不能对混凝土的性能起到改善效果，反而会进一步降低混凝土的性能，如对比例6的方案中纳米CaCO3含量过高，其相较于未添加纳米CaCO3的对比例2，其综合性能均有一定下降，这是由于，单纯增加纳米碳酸钙会增加混凝土的黏稠性，从而混凝土中的缝隙难以有效填充，自身又会形成一定的孔隙结构，使混凝土易受水分和气体的侵入，降低使用寿命的同时降低混凝土的致密性和强度。
再如对比例7的方案中玄武岩纤维的含量过高，其相较于未添加玄武岩纤维的对比例2、对比例3其力学性能、使用寿命以及抗氯离子效果均有一定下降，如前所示，这是由于在混凝土中添加玄武岩纤维存在分散性差、与基体的结合强度低的问题，当其含量过多，而纳米SiO2和纳米CaCO3的的添加量不足时，无法对其进行改善，从而导致过量添加玄武岩纤维实现的效果反而不如不加的情况。
综上，本发明提供了一种适用于氯盐干湿环境的混凝土及制备方法，通过复配纳米CaCO3、纳米SiO2以及玄武岩纤维并优化配比，掺杂到混凝土中，制得的混凝土性能优异，干湿循环60次(120d)后，其抗压强度≥47MPa，劈裂抗拉强度≥4.8MPa，力学性能较佳；其质量损失率≤1.2％，相对动弹性模量≥90％，耐久性能良好；其混凝土的氯离子侵蚀深度≤16mm，抗氯盐侵蚀性能较好，具有良好的经济和环境效益，适合推广使用。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种适用于氯盐干湿环境的混凝土，其特征在于：以质量份数计，包括，
粗骨料1087～1106份，细骨料623～643份，水泥267～298份，粉煤灰57～74份，硅灰39～48份，矿渣粉44～53份，纳米SiO22.21～8.82份，纳米CaCO33.53～7.94份，玄武岩纤维3.09～7.50份，消泡剂0.04～0.13份，减水剂2.21～3.09份，水158～167份。
2.如权利要求1所述的适用于氯盐干湿环境的混凝土，其特征在于：所述水泥、粉煤灰、硅灰、矿渣粉的质量比为13：3：2：2，玄武岩纤维掺量为1.2％，纳米SiO2的掺量为1％，纳米CaCO3的掺量为1.3％。
3.如权利要求1或2所述的适用于氯盐干湿环境的混凝土，其特征在于：所述混凝土在经过60次干湿循环后，抗压强度≥47MPa，劈裂抗拉强度≥4.8MPa，质量损失率≤1.2％，相对动弹性模量≥90％，混凝土的氯离子侵蚀深度≤16mm。
4.如权利要求1所述的适用于氯盐干湿环境的混凝土，其特征在于：所述粗骨料为花岗岩碎石，粒径为5～25mm，所述细骨料为河砂，细度模数≥2.4，含泥量≤0.5％，粒径≤4.75mm。
5.如权利要求1或2所述的适用于氯盐干湿环境的混凝土，其特征在于：所述水泥为强度等级为P.O52.5的硅酸盐水泥，所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，细度≤12％，需水量比≤95％，所述硅灰中SiO2含量≥97.8％，比表面积≥20m2/g，烧失量≤1.48％，氯离子含量≤0.01wt％，所述矿渣粉为S105级矿渣粉，烧失量≤1.0％。
6.如权利要求1所述的适用于氯盐干湿环境的混凝土，其特征在于：所述纳米SiO2为白色球形粉末，SiO2含量≥99.5％，比表面积≥240m2/g，平均粒径为20±5nm，烧矢量(950℃×2h)≤5，所述纳米CaCO3为白色粉末，平均粒径为40nm。
7.如权利要求1所述的适用于氯盐干湿环境的混凝土，其特征在于：所述所述玄武岩纤维的长度为6mm，直径为13～20μm，密度为2.65g/cm3。
8.如权利要求1所述的适用于氯盐干湿环境的混凝土，其特征在于：所述所述消泡剂的pH为6～8，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水效率为35％。
9.如权利要求1～8任一所述的混凝土的制备方法，其特征在于：包括，
将搅拌机内壁及叶片进行湿润处理，将粗骨料、细骨料加入搅拌机中，以80～120r/min的转速搅拌25～35s；
水泥、粉煤灰、硅灰、矿渣粉和玄武岩纤维混合均匀后，加入搅拌机中搅拌25～35s后继续加水搅拌25～35s；
将纳米SiO2、纳米CaCO3、减水剂、消泡剂和剩余水进行拌合，制成悬浮液，并在超声振荡器中进行震荡处理，后加入搅拌机中搅拌60s，得到混凝土拌合料；
将拌合料装入模具，在振动台上振捣密实5～10s，经抹面后在室内静置24h后脱模，之后移入标准养护室养护28d得到适用于氯盐干湿环境的混凝土。
10.如权利要求9所述的混凝土的制备方法，其特征在于：所述继续加水搅拌，水的重量与所述水泥、粉煤灰、硅灰、矿渣粉的总重量之比为0.33～0.38。
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