CN1772690A - 膨胀可设计的高强钢管混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种膨胀可设计C50和C60高强钢管混凝土及其制备方法。膨胀可设计的高强钢管混凝土及其制备方法，其特征是：采用P.O42.5或P.O52.5普通硅酸盐水泥、水、砂、碎石、粉煤灰、缓凝高效减水保塑剂(WUT－G)和封闭混凝土高能延迟膨胀剂制备含气量低于1.5％、工作性能好、膨胀可设计的C50、C60高强钢管混凝土，其中普通硅酸盐水泥用量为420－480kg/m3，水用量为163－195kg/m3，砂用量为591－730kg/m3，碎石用量为967－1082kg/m3，粉煤灰用量50－70kg/m3，封闭混凝土高能延迟膨胀剂用量为45－90kg/m3，缓凝高效减水保塑剂掺量所占总质量的百分比为0.9－1.5％。本发明降低混凝土的含气量，使混凝土含气量≤1.5％，减少因气体粘附在钢管内壁而造成钢管与混凝土的脱粘；实现核心混凝土的持续稳定膨胀。

Description

膨胀可设计的高强钢管混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于无机非金属材料类，具体涉及一种高强钢管混凝土及其制备方法。
背景技术
现代工程中使用的普通高强钢管混凝土，其核心混凝土强度高，强度等级普遍在C40以上，其水胶比低于0.40，自收缩大，在使用过程中钢管与混凝土之间易脱粘，钢管对混凝土的套箍作用减弱，结构承载力下降。
高强钢管膨胀混凝土中的核心混凝土虽掺有膨胀剂，但由于所使用的膨胀剂膨胀反应需要大量水，而核心混凝土处于密闭状态，无法得到水分补充，核心混凝土仅在早期产生膨胀，后期由于收缩而与钢管脱粘。
制备钢管混凝土所用外加剂的引气量对钢管与混凝土的粘结有很大影响。在混凝土灌注过程中，混凝土中的空气在压力作用下排出并粘附在钢管壁上，形成一层气膜，使混凝土与钢管产生间隙，抵消膨胀剂产生的膨胀，进一步加大核心混凝土与钢管的脱粘。以钢管混凝土直径1000mm计算，如有混凝土体积0.2％的气体粘附在钢管壁上，产生的间隙为0.5mm，混凝土必须产生10×10-4的膨胀量才能抵消这个间隙，要达到这个膨胀量对于密闭条件下的膨胀混凝土来说比较困难。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的在于提供一种混凝土与钢管壁紧密结合性好的膨胀可设计的高强钢管混凝土及其制备方法，以及膨胀可设计的高强钢管混凝土的配合比设计方法。
膨胀可设计的高强钢管混凝土，其特征在于：包括普通硅酸盐水泥、水、砂、碎石、粉煤灰、缓凝高效减水保塑剂(WUT-G)和封闭混凝土高能延迟膨胀剂，其中普通硅酸盐水泥用量为420-480kg/m3，水用量为163-195kg/m3，砂用量为591-730kg/m3，碎石用量为967-1082kg/m3，粉煤灰用量50-70kg/m3，封闭混凝土高能延迟膨胀剂用量为45-90kg/m3，缓凝高效减水保塑剂掺量所占总质量的百分比为0.9-1.5％；
所述的封闭混凝土高能延迟膨胀剂，它由硫铝酸盐水泥熟料、钢渣、CaO、MgO、硬石膏、多孔矿粉和多孔材料混合而成，其各组份所占封闭混凝土高能延迟膨胀剂质量配比为：硫铝酸盐水泥熟料∶钢渣∶CaO∶MgO∶硬石膏∶多孔矿粉∶多孔材料＝(20～35％)∶(10～20％)∶(3～8％)∶(3～8％)∶(20～35％)∶(5～10％)∶(5～10％)，各组份之和为100％；其中硫铝酸盐水泥熟料质量配比范围为：C4A3S：50～82％、C4AF：3～13％、C2S：5～37％；钢渣RO相Km(MgO/(FeO+MnO))＞1；CaO经过900℃～1100℃锻烧，MgO经过1100℃～1200℃锻烧；硬石膏为天然或人工硬石膏；多孔矿粉为孔隙率为30～40％的天然多孔沸石或650℃～800℃锻烧的煤矸石粉碎、磨细至≥280m2/kg的粉料，其需水量比在120％以上；多孔材料为多孔天然或人造集料，粒径范围为5～9mm，孔隙率为20～30％，吸水率为10～20％，表观密度1200-1500kg/m3，堆积密度700-1100kg/m3，筒压强度≥2.5MPa；
所述的缓凝高效减水保塑剂，它是由聚羧酸减水剂、葡萄糖酸钠、硫酸锌复合而成的水剂，固含量为30-36％；其中聚羧酸减水剂、葡萄糖酸钠、硫酸锌的固体质量配比为：聚羧酸减水剂∶葡萄糖酸钠∶硫酸锌＝(87-94.5)％∶(5-10)％∶(0.5-3)％，各组份之和为100％。
所述的聚羧酸减水剂的平均分子量在11000-15000，所用聚羧酸分子结构中作为侧链之一的聚氧乙烯基大于60，且分子中羧酸基与酯基的摩尔比为1.9-2.1。
普通硅酸盐水泥选用P.O.42.5或P.O.52.5水泥，其中C50钢管混凝土选用P.O.42.5水泥，C60钢管混凝土选用P.O.52.5水泥；砂为中粗河吵，细度模数2.4-2.8；碎石集料粒径范围4.75-19mm，含泥量＜1％；粉煤灰选用符合国家标准的一级粉煤灰。
膨胀可设计的高强钢管混凝土的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1).封闭混凝土高能延迟膨胀剂的制备：按各组份质量配比为：硫铝酸盐水泥熟料∶钢渣∶CaO∶MgO∶硬石膏∶多孔矿粉∶多孔材料＝(20～35％)∶(10～20％)∶(3～8％)∶(3～8％)∶(20～35％)∶(5～10％)∶(5～10％)，各组份之和为100％；进行混合、均化，得产品；
2).缓凝高效减水保塑剂的制备：按固体质量配比为：聚羧酸减水剂∶葡萄糖酸钠∶硫酸锌＝(87-94.5)％∶(5-10)％∶(0.5-3)％，各组份之和为100％，选取聚羧酸减水剂∶葡萄糖酸钠∶硫酸锌，将葡萄糖酸钠、硫酸锌和水依次溶于已称量好的聚羧酸减水剂，配成固含量为30-36％，充分搅拌使之混合均匀，得产品；
3).原材料的选取：按普通硅酸盐水泥用量为420-480kg/m3，水用量为163-195kg/m3，砂用量为591-730kg/m3，碎石用量为967-1082kg/m3，粉煤灰用量50-70kg/m3，封闭混凝土高能延迟膨胀剂用量为45-90kg/m3，缓凝高效减水保塑剂掺量所占总质量的百分比为0.9-1.5％；选取普通硅酸盐水泥、水、砂、碎石、粉煤灰、封闭混凝土高能延迟膨胀剂和缓凝高效减水保塑剂；
4).将普通硅酸盐水泥、砂、碎石、粉煤灰、封闭混凝土高能延迟膨胀剂放入混凝土强制式搅拌机预先搅拌20～30秒，其中C50钢管混凝土用普通硅酸盐水泥为42.5普通硅酸盐水泥，C60钢管混凝土用普通硅酸盐水泥为52.5普通硅酸盐水泥；
5).缓凝高效减水保塑剂倒入水中搅拌均匀；然后倒入步骤4)的搅拌机中与其余原材料搅拌60～90秒；
6).放出搅拌好的混凝土并泵入钢管中。
本发明的封闭混凝土高能延迟膨胀剂水化中有足够的碱度维持AFt以后种形式产生，从而具有高效能的膨胀能力；经过900℃～1100℃锻烧的CaO和1100℃～1200℃锻烧的MgO，其中CaO大部分水化反应发生在混凝土体系水化的早期，MgO大部分水化反应发生混凝土体系水化的中期；钢渣中RO相可以使得膨胀剂具有后期膨胀性能，对该发明体系中的AFt、CaO、MgO、RO相作为膨胀源而言，其膨胀时间的不同从而保证了该膨胀剂能够持续膨胀，因为AFt的生成及CaO水化反应主要发生在混凝土体系的水化早期，而氧化镁的水化反应膨胀时间可以认为是在中期，而RO相的水化反应膨胀时间则可以认为是在后期，利用三种水化反应速度的不同，来调整膨胀速率，从而到达可持续膨胀的功能。本发明封闭混凝土高能延迟膨胀剂中一个重要组成多孔材料即多孔矿粉与多孔材料，在膨胀混凝土体系中起到一个水源“补给站”的作用。封闭混凝土高能延迟膨胀剂的优点是膨胀效能高、膨胀时间长；可以对封闭混凝土产生2.0～5.0MPa的自应力，其14天限制膨胀率：0.03～0.05％；90d(天)限制膨胀率0.02～0.04％并开始稳定。本发明利用聚羧酸高减水率、低引气量的特点，复合缓凝保塑成分，高效缓凝减水保塑剂WUT-G的优点是引气量低、减水率高，使混凝土含气量≤1.5％，减少因气体粘附在钢管内壁而造成钢管与混凝土的脱粘。本发明将封闭混凝土高能延迟膨胀剂、高效缓凝减水保塑剂两种技术复合应用于C50、C60钢管混凝土中，封闭混凝土高能延迟膨胀剂产生膨胀量抵消空隙，高效缓凝减水保塑剂因引气量低，减少混凝土与钢管的空隙，二者共同作用的结果使混凝土与钢管壁紧密结合性好，实现核心混凝土的持续稳定膨胀。
膨胀可设计的高强钢管混凝土的配合比设计方法，包括以下步骤：
1)自由膨胀率与限制膨胀率的确定：
膨胀可设计的高强钢管混凝土中核心混凝土的自应力值σc与混凝土的限制膨胀率εR由下式给出：
                          σc＝Ec((ε0-0.00012)-εR)ξ                   (1)
其中：Ec—混凝土弹性模量
      Es—钢管弹性模量
      ε0—混凝土自由膨胀率
      εR-混凝土限制膨胀率
      ξ—应力松驰影响系数， ξ = 1.5 1 + 0.3 ( 1000 ϵ 0 ) 4
膨胀可设计的高强钢管混凝土的核心混凝土自由膨胀率ε0与钢管限制下的限制膨胀率εR关系由公式(2)给出：
ϵ 0 = 24.5 E c + E s 24.5 E c ϵ R + 0.00012 . . . ( 2 )
根据设计的钢管混凝土自应力值，由以上两式计算出混凝土的自由膨胀率与限制膨胀率；
2)膨胀剂基准掺量的测定：对于选定的原材料，选取混凝土水胶比0.31、砂率40％、水泥用量440kg/m3，粉煤灰用量60kg/m3，膨胀剂掺量分别取30、35、40、45kg/m3制备混凝土，测试其90d自由膨胀率(90d时混凝土的膨胀已基本稳定)ε0，并找出ε0值最接近零的膨胀剂掺量W0，作为膨胀剂的基准掺量；
3)膨胀剂掺量-自由膨胀率曲线的测定：在基准掺量的基础上，以同样的混凝土配合比，每次增加膨胀剂掺量10kg/m3直至90kg/m3，测试各个掺量下混凝土密闭条件下90d自由膨胀率，作出膨胀剂掺量-自由膨胀率曲线；
4)膨胀剂掺量-自由膨胀率曲线的修正：根据设计的混凝土水胶比、砂率按以下公式对膨胀剂各掺量下混凝土的自由膨胀剂进行修正，并作出经过修正的膨胀剂掺量-自由膨胀率曲线；
                        ε0′＝8.06ε0·(W/C)·ρs                     (3)
其中：(W/C)—混凝土水胶比
        ρs—砂率
5)膨胀剂掺量的确定：根据修距的膨剂掺量—自由膨胀率曲线求出设计膨胀率的膨胀剂掺量；
6)根据水胶比、砂率、膨胀剂掺量，选定水泥和粉煤灰用量，计算出混凝土配合比。
膨胀可设计的高强钢管混凝土实现钢管高强混凝土膨胀率可调的原理如下：
封闭混凝土高能延迟膨胀剂中的不同膨胀组份水化速率不一致，为混凝土不同龄期的膨胀提供膨胀动力。其中一个重要组成多孔惰性矿粉，在膨胀混凝土体系中起到一个水源“补给站”的作用，其在混凝土硬化早期作为微集料提高混凝土的密实度；而混凝土硬化后期，由于混凝土体系中毛细孔的水被不断消耗，在毛细孔产生负压的作用下，惰性矿粉孔中的自由水进入毛细孔为膨胀剂继续水化反应提供水，解决了钢管混凝土核心混凝土处于密闭条件下无法得到外部水源而无法完成后期膨胀的问题。封闭混凝土高能延迟膨胀剂的应用保证了钢管混凝土核心混凝土的持续稳定膨胀，使混凝土的膨胀量可设计。
目前在进行钢管混凝土的泵送顶升施工过程中，减水剂和机械搅拌引入的气体在泵送压力和混凝土自身重力的作用下排出混凝土并吸附于钢管内壁形成一层气体膜，抵消了核心混凝土的膨胀量，极易造成钢管壁与混凝土脱粘。通常应用萘系高效减水剂复合保塑成分葡萄糖酸钠等或用萘系与氨基磺酸盐类减水剂复合制备钢管混凝土时，钢管混凝土的含气量较大，为2.3％～3.0％，当核心混凝土含气量2.3％时，以直径1m跨度200m的钢管混凝土拱桥计算，施工过程中混凝土的泵送压力达10MPa，在泵送压力和混凝土的自重作用下将有占混凝土体积0.2％～0.5％的引气量富集在钢管内壁处，造成混凝土与钢管内壁间会形成宽0.5mm的圆环形间隙，因而要求核心混凝土的膨胀率至少要大于10×10-4才能保证不发生脱粘现象。而在钢管拱的拱顶附近，空气因混凝土重力沉降等原因造成的吸附富集现象更为严重，因而脱粘产生机率更大，从而降低了钢管混凝土结构的整体性，劣化了其结构力学性能。实验研究表明，对直径1m跨度200～300m的钢管混凝土拱桥，其施工泵送压力10～20MPa，当核心混凝土的含气量小于1.5％时，吸附于钢管壁处的空气量仅占混凝土体积的0.02％～0.05％。以吸附空气量0.05％计算是，造成的钢管与混凝土间隙为0.12mm，混凝土只需产生2.4×10-4的膨胀量就可以抵消此间隙。应用本发明的缓凝高效减水保塑剂WUT-G可以使核心混凝土拌合物含气量小于1.5％，进一步保证混凝土膨胀的持续稳定，增加了核心混凝土膨胀率的可设计。
混凝土水胶比、砂率对混凝土的膨胀有显著影响。水胶比不但影响混凝土的收缩，而且影响膨胀剂膨胀作用的发挥；砂率越小，碎石用量越大，碎石对混凝土膨胀的限制作用越大，砂率的大小反映了碎石对混凝土膨胀的限制作用；在小范围内，可以认为水胶比、砂率与混凝土的膨胀率成正比，从而可以在试验的基础上对水胶比、砂率小幅变化的混凝土膨胀量进行计算。
附图说明
图1为C50钢管混凝土密闭条件下90d自由膨胀率随膨胀剂掺量变化曲线图
图2为C60钢管混凝土密闭条件下自由膨胀率随膨胀剂掺量变化曲线图
具体实施方式
实例1：膨胀可设计的高强钢管混凝土及其制备方法，应用钢管混凝土专用外加剂(缓凝高效减水保塑剂)，减小因气体粘附在钢管壁上而造成的空隙；应用封闭混凝土高能延迟膨胀剂和钢管混凝土专用外加剂实现钢管高强混凝土的持续稳定膨胀；以上两种技术复合应用于C50、C60钢管混凝土中，钢管混凝土专用缓凝高效减水保塑剂WUT-G的掺量所占总质量的百分比为0.9-1.5％，封闭混凝土高能延迟膨胀剂的用量为45-90kg/m3；根据混凝土水胶比、砂率大小，通过调整封闭混凝土高能延迟膨胀剂的用量，实现混凝土膨胀量的可设计。
具体应用于C50钢管混凝土中：
混凝土原材料如下：
水泥：华新P.O.42.5水泥，
粉煤灰：武汉阳逻电厂一级粉煤灰，
碎石：粒径4.75-19mm，含泥量＜1％，
砂：中粗河砂，细度模数2.6-2.7，
膨胀剂：封闭混凝土高能延迟膨胀剂，
外加剂：钢管混凝土专用缓凝高效减水保塑剂WUT-G，
水泥用量为420-480kg/m3，自来水用量为163-195kg/m3，砂用量为591-730kg/m3，碎石用量为967-1082kg/m3，粉煤灰用量50-70kg/m3，钢管混凝土专用缓凝高效减水保塑剂WUT-G掺量所占总质量的百分比为0.9-1.5％，封闭混凝土高能延迟膨胀剂用量为45-90kg/m3。
钢管尺寸为Φ180×3×630。
所述的封闭混凝土高能延迟膨胀剂，它由硫铝酸盐水泥熟料、钢渣、CaO、MgO、硬石膏、多孔矿粉和多孔材料混合而成，其各组份所占封闭混凝土高能延迟膨胀剂质量配比为：硫铝酸盐水泥熟料∶钢渣∶CaO∶MgO∶硬石膏∶多孔矿粉∶多孔材料＝(20～35％)∶(10～20％)∶(3～8％)∶(3～8％)∶(20～35％)∶(5～10％)∶(5～10％)，各组份之和为100％；其中硫铝酸盐水泥熟料质量配比范围为：C4A3S：50～82％、C4AF：3～13％、C2S：5～37％；钢渣RO相Km(MgO/(FeO+MnO))＞1；CaO经过900℃～1100℃锻烧，MgO经过1100℃～1200℃锻烧；硬石膏为天然或人工硬石膏；多孔矿粉为孔隙率为30～40％的天然多孔沸石或650℃～800℃锻烧的煤矸石粉碎、磨细至≥280m2/kg的粉料，其需水量比在120％以上；多孔材料为多孔天然或人造集料，粒径范围为5～9mm，孔隙率为20～30％，吸水率为10～20％，表观密度1200-1500kg/m3，堆积密度700-1100kg/m3，筒压强度≥2.5MPa；
所述的缓凝高效减水保塑剂，它是由聚羧酸减水剂、葡萄糖酸钠、硫酸锌复合而成的水剂，固含量30-36％；其中聚羧酸减水剂、葡萄糖酸钠、硫酸锌的固体质量配比为：聚羧酸减水剂∶葡萄糖酸钠∶硫酸锌＝(87-94.5)％∶(5-10)％∶(0.5-3)％，各组份之和为100％；所述的聚羧酸减水剂的平均分子量在11000-15000，所用聚羧酸分子结构中作为侧链之一的聚氧乙烯基大于60，且分子中羧酸基与酯基的摩尔比为1.9-2.1。
具体实施结果见图1及表1、2。
                                表1  C50钢管高强混凝土配合比：
编号   水泥(kg/m3)   水(kg/m3)   粉煤灰(kg/m3)   碎石(kg/m3)   砂(kg/m3)   封闭混凝土高能延迟膨胀剂(kg/m3)   WUT-G所占总质量(％)
  1   420   171   60   991   718   90   1.2
  2   420   163   60   1082   669   47   1.2
  3   430   166   55   1022   710   67   1.2
  4   430   168   50   1027   714   61   1.3
  5   430   175   65   1106   622   51   1.2
  6   440   185   60   1029   658   78   1.2
  7   440   179   55   1071   657   48   1.3
  8   440   182   50   995   721   62   1.0
  9   450   177   60   1065   653   45   1.1
  10   450   179   65   1016   678   62   1.1
  11   450   176   60   978   708   78   1.2
  12   460   193   60   1036   635   66   1.0
  13   460   184   65   1082   608   51   1.1
  14   460   185   60   985   684   76   1.2
  15   470   195   50   1031   632   72   0.9
  16   470   180   60   1013   676   51   1.1
  17   470   187   60   1024   655   54   1.0
  18   480   191   50   975   706   48   0.9
  19   480   178   55   1007   671   59   1.2
  20   480   195   60   1050   591   74   1.1
                                表2  C50钢管高强混凝土实施结果：
编号 含气量(％) 坍落度(cm)   混凝土抗压强度(MPa)   密闭条件下核心混凝土90d自由膨胀率(×10-4)   钢管限制下核心混凝土90d膨胀率(×10-4)   90d钢管混凝土自应力(MPa)
  3d   28d   设计值   实测值   设计值   实测值
  1   1.34   22   41   59.5   8.30   8.11   6.63   7.0   6.74
  2   1.29   21   42.5   61.6   2.14   2.37   1.88   1.0   1.14
  3   1.33   20   40.5   62.1   4.50   4.05   2.32   3.5   3.05
  4   1.34   23   38.6   60.2   4.98   5.02   4.08   4.0   4.17
  5   1.25   22   41.7   60.9   3.08   3.14   2.66   2.0   1.94
  6   1.33   23   40.5   59.3   7.06   6.57   5.02   6.0   5.88
  7   1.38   24   37.2   61.8   3.08   2.85   1.47   2.0   1.87
  8   1.27   20   39.4   58.6   5.48   5.35   4.38   4.5   4.21
  9   1.31   19   43.2   62.6   2.14   2.01   1.60   1.0   0.86
  10   1.26   21   40.5   61.8   4.98   4.43   3.52   4.0   3.75
  11   1.38   22   41.5   61.5   7.06   6.82   5.52   6.0   5.64
  12   1.33   20   40.2   60.8   5.48   5.31   4.27   4.5   4.41
  13   1.35   20   42.8   63.4   2.61   2.83   2.45   1.5   1.72
  14   1.39   23   43.2   64.5   7.06   6.72   4.47   6.0   5.83
  15   1.22   20   40.5   59.3   6.52   6.67   5.61   5.5   5.62
  16   1.32   21   38.6   62.2   3.55   3.68   3.13   2.5   2.64
  17   1.26   20   43.6   61.4   4.02   4.19   2.51   3.0   3.25
  18   1.28   21   42.1   62.9   3.55   3.79   3.30   2.5   2.68
  19   1.38   22   44.8   65.9   4.50   4.68   3.96   3.5   3.58
  20   1.29   20   40.5   64.1   5.99   5.91   4.89   5.0   4.82
实例2：膨胀可设计的高强钢管混凝土，应用钢管混凝土专用外加剂(缓凝高效减水保塑剂)，减小因气体粘附在钢管壁上而造成的空隙；应用封闭混凝土高能延迟膨胀剂和钢管混凝土专用外加剂实现钢管高强混凝土的持续稳定膨胀；以上两种技术复合应用于C50、C60钢管混凝土中，钢管混凝土专用缓凝高效减水保塑剂WUT-G的掺量所占总质量的百分比为0.9-1.5％，封闭混凝土高能延迟膨胀剂的用量为45-90kg/m3；根据混凝土水胶比、砂率大小，通过调整封闭混凝土高能延迟膨胀剂的用量，实现混凝土膨胀量的可设计。
具体应用于C60钢管混凝土中：
混凝土原材料如下：
水泥：华新P.O.52.5水泥
粉煤灰：武汉阳逻电厂一级粉煤灰
碎石：粒径4.75-19mm，含泥量＜1％
砂：中粗河砂，细度模数2.6-2.7
膨胀剂：封闭混凝土高能延迟膨胀剂
外加剂：钢管混凝土专用缓凝高效减水保塑剂WUT-G
水泥用量为420-480kg/m3，自来水用量为163-195kg/m3，砂用量为591-730kg/m3，碎石用量为967-1082kg/m3，粉煤灰用量50-70kg/m3，封闭混凝土高能延迟膨胀剂用量为45-90kg/m3，钢管混凝土专用缓凝高效减水保塑剂WUT-G掺量所占总质量的百分比为0.9-1.5％。
钢管尺寸为Φ180×3×630。
所述的封闭混凝土高能延迟膨胀剂，它由硫铝酸盐水泥熟料、钢渣、Ca0、MgO、硬石膏、多孔矿粉和多孔材料混合而成，其各组份所占封闭混凝土高能延迟膨胀剂质量配比为：硫铝酸盐水泥熟料∶钢渣∶CaO∶MgO∶硬石膏∶多孔矿粉∶多孔材料＝(20～35％)∶(10～20％)∶(3～8％)∶(3～8％)∶(20～35％)∶(5～10％)∶(5～10％)，各组份之和为100％；其中硫铝酸盐水泥熟料质量配比范围为：C4A3S：50～82％、C4AF：3～13％、C2S：5～37％；钢渣RO相Km(MgO/(FeO+MnO))＞1；CaO经过900℃～1100℃锻烧，MgO经过1100℃～1200℃锻烧；硬石膏为天然或人工硬石膏；多孔矿粉为孔隙率为30～40％的天然多孔沸石或650℃～800℃锻烧的煤矸石粉碎、磨细至≥280m2/kg的粉料，其需水量比在120％以上；多孔材料为多孔天然或人造集料，粒径范围为5～9mm，孔隙率为20～30％，吸水率为10～20％，表观密度1200-1500kg/m3，堆积密度700-1100kg/m3，筒压强度≥2.5MPa；
所述的缓凝高效减水保塑剂，它是由聚羧酸减水剂、葡萄糖酸钠、硫酸锌复合而成的水剂，固含量30-36％；其中聚羧酸减水剂、葡萄糖酸钠、硫酸锌的固体质量配比为：聚羧酸减水剂∶葡萄糖酸钠∶硫酸锌＝(87-94.5)％∶(5-10)％∶(0.5-3)％，各组份之和为100％；所述的聚羧酸减水剂的平均分子量在11000-15000，所用聚羧酸分子结构中作为侧链之一的聚氧乙烯基大于60，且分子中羧酸基与酯基的摩尔比为1.9-2.1。
具体实施结果见图2及表3、表4。
                                  表3  C60钢管高强混凝土配合比：
编号   水泥(kg/m3)   水(kg/m3)   粉煤灰(kg/m3)   碎石(kg/m3)   砂(kg/m3)   封闭混凝土高能延迟膨胀剂(kg/m3)   WUT-G所占总质量(％)
  1   420   164   70   1062   679   55   1.5
  2   420   167   70   1105   622   66   1.5
  3   430   173   65   1004   698   80   1.4
  4   430   169   60   1007   730   54   1.4
  5   430   175   70   1060   650   65   1.5
  6   440   175   60   981   711   83   1.4
  7   440   184   65   1036   635   90   1.4
  8   440   187   70   1041   638   74   1.3
  9   450   180   70   1030   659   61   1.3
  10   450   183   60   999   695   63   1.3
  11   450   188   65   1066   626   55   1.4
  12   460   186   70   1003   641   90   1.5
  13   460   184   55   997   692   62   1.2
  14   460   191   70   1040   638   51   1.4
  15   470   184   65   1003   668   60   1.4
  16   470   193   65   991   661   70   1.2
  17   470   195   60   1019   624   82   1.3
  18   480   195   55   967   700   53   1.2
  19   480   182   65   996   664   63   1.4
  20   480   193   65   1013   621   78   1.5
                              表4  C60钢管高强混凝土实施结果：
编号 含气量(％) 坍落度(cm)   混凝土抗压强度(MPa)   密闭条件下核心混凝土90d自由膨胀率(×10-4) 钢管限制下核心混凝土90d膨胀率(×10-4)   90d钢管混凝土自应力(MPa)
3d 28d 设计值   实测值   设计值   实测值
  1   1.46   23   48.6   71.7   2.14   2.34   0.98   1.0   1.08
  2   1.41   22   49.9   72.5   4.02   3.78   3.15   3.0   2.76
  3   1.42   21   50.1   72.1   5.99   6.12   5.12   5.0   5.08
  4   1.38   21   49.3   71.4   3.08   3.12   2.50   2.0   2.19
  5   1.47   24   46.8   70.5   4.98   4.63   3.80   4.0   3.73
  6   1.4   22   51.2   71.4   6.52   6.71   5.42   5.5   5.71
  7   1.36   20   49.3   70.3   7.06   6.88   5.78   6.0   5.89
  8   1.31   19   49.1   69.1   5.48   5.45   4.45   4.5   4.41
  9   1.35   19   50.3   71.4   3.55   3.74   2.09   2.5   2.78
  10   1.4   20   50.9   68.5   4.98   4.45   2.55   4.0   3.62
  11   1.38   21   48.5   70.2   2.61   2.77   2.32   1.5   1.67
  12   1.44   23   50.2   73.3   7.06   6.82   5.03   6.0   6.17
  13   1.35   19   47.3   70.5   4.50   4.72   3.76   3.5   3.81
  14   1.42   22   49.6   71.2   2.14   2.30   1.94   1.0   1.12
  15   1.45   21   48.2   71.8   4.02   4.11   2.49   3.0   3.09
  16   1.32   20   46.2   70.4   5.48   5.57   4.61   4.5   4.42
  17   1.32   21   49.2   69.4   6.52   6.31   5.14   5.5   5.35
  18   1.29   23   48.7   70.8   3.08   3.11   2.55   2.0   2.09
  19   1.38   22   50.9   74.8   4.02   4.00   3.16   3.0   3.08
  20   1.36   20   48.5   73.6   5.99   6.24   5.11   5.0   5.21
本发明的硅酸盐水泥、水、砂、碎石、粉煤灰、缓凝高效减水保塑剂、封闭混凝土高能延迟膨胀剂的上、下限的取值(包含取值范围内的取值)，以及缓凝高效减水保塑剂、封闭混凝土高能延迟膨胀剂各组份的上、下限的取值(包含取值范围内的取值)，都能实现本发明，不进行一一列举实例。

Claims (5)

1.膨胀可设计的高强钢管混凝土，其特征在于：包括普通硅酸盐水泥、水、砂、碎石、粉煤灰、缓凝高效减水保塑剂和封闭混凝土高能延迟膨胀剂，其中普通硅酸盐水泥用量为420-480kg/m3，水用量为163-195kg/m3，砂用量为591-730kg/m3，碎石用量为967-1082kg/m3，粉煤灰用量50-70kg/m3，封闭混凝土高能延迟膨胀剂用量为45-90kg/m3，缓凝高效减水保塑剂掺量所占总质量的百分比为0.9-1.5％；
所述的封闭混凝土高能延迟膨胀剂，它由硫铝酸盐水泥熟料、钢渣、CaO、MgO、硬石膏、多孔矿粉和多孔材料混合而成，其各组份所占封闭混凝土高能延迟膨胀剂质量配比为：硫铝酸盐水泥熟料∶钢渣∶CaO∶MgO∶硬石膏∶多孔矿粉∶多孔材料＝20～35％∶10～20％∶3～8％∶3～8％∶20～35％∶5～10％∶5～10％，各组份之和为100％；其中硫铝酸盐水泥熟料质量配比范围为：C4A3S：50～82％、C4AF：3～13％、C2S：5～37％；钢渣RO相Km(MgO/(FeO+MnO))＞1；CaO经过900℃～1100℃锻烧，MgO经过1100℃～1200℃锻烧；硬石膏为天然或人工硬石膏；多孔矿粉为孔隙率为30～40％的天然多孔沸石或650℃～800℃锻烧的煤矸石粉碎、磨细至≥280m2/kg的粉料，其需水量比在120％以上；多孔材料为多孔天然或人造集料，粒径范围为5～9mm，孔隙率为20～30％，吸水率为10～20％，表观密度1200-1500kg/m3，堆积密度700-1100kg/m3，筒压强度≥2.5MPa；
所述的缓凝高效减水保塑剂，它是由聚羧酸减水剂、葡萄糖酸钠、硫酸锌复合而成的水剂，固含量为30-36％；其中聚羧酸减水剂、葡萄糖酸钠、硫酸锌的固体质量配比为：聚羧酸减水剂∶葡萄糖酸钠∶硫酸锌＝87-94.5％∶5-10％∶0.5-3％，各组份之和为100％。
2.根据权利要求1所述的膨胀可设计的高强钢管混凝土，其特征在于：所述的聚羧酸减水剂的平均分子量在11000-15000，所用聚羧酸分子结构中作为侧链之一的聚氧乙烯基大于60，且分子中羧酸基与酯基的摩尔比为1.9-2.1。
3.根据权利要求1所述的膨胀可设计的高强钢管混凝土，其特征在于：普通硅酸盐水泥选用P.O.42.5或P.O.52.5水泥，其中C50钢管混凝土选用P.O.42.5水泥，C60钢管混凝土选用P.O.52.5水泥；砂为中粗河吵，细度模数2.4-2.8；碎石集料粒径范围4.75-19mm，含泥量＜1％；粉煤灰选用符合国家标准的一级粉煤灰。
4.如权利要求1所述的膨胀可设计的高强钢管混凝土的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1).封闭混凝土高能延迟膨胀剂的制备：按各组份质量配比为：硫铝酸盐水泥熟料∶钢渣∶CaO∶MgO∶硬石膏∶多孔矿粉∶多孔材料＝20～35％∶10～20％∶3～8％∶3～8％∶20～35％∶5～10％∶5～10％，各组份之和为100％；进行混合、均化，得产品；
2).缓凝高效减水保塑剂的制备：按固体质量配比为：聚羧酸减水剂∶葡萄糖酸钠∶硫酸锌＝87-94.5％∶5-10％∶0.5-3％，各组份之和为100％，选取聚羧酸减水剂∶葡萄糖酸钠∶硫酸锌，将葡萄糖酸钠、硫酸锌和水依次溶于已称量好的聚羧酸减水剂，配成固含量为30-36％，充分搅拌使之混合均匀，得产品；
3).原材料的选取：按普通硅酸盐水泥用量为420-480kg/m3，水用量为163-195kg/m3，砂用量为591-730kg/m3，碎石用量为967-1082kg/m3，粉煤灰用量50-70kg/m3，封闭混凝土高能延迟膨胀剂用量为45-90kg/m3，缓凝高效减水保塑剂掺量所占总质量的百分比为0.9-1.5％；选取普通硅酸盐水泥、水、砂、碎石、粉煤灰、封闭混凝土高能延迟膨胀剂和缓凝高效减水保塑剂；
4).将普通硅酸盐水泥、砂、碎石、粉煤灰、封闭混凝土高能延迟膨胀剂放入混凝土强制式搅拌机预先搅拌20～30秒，其中C50钢管混凝土用普通硅酸盐水泥为42.5普通硅酸盐水泥，C60钢管混凝土用普通硅酸盐水泥为52.5普通硅酸盐水泥；
5).缓凝高效减水保塑剂倒入水中搅拌均匀；然后倒入步骤4)的搅拌机中与其余原材料搅拌60～90秒；
6).放出搅拌好的混凝土并泵入钢管中。
5.如权利要求1所述的膨胀可设计的高强钢管混凝土的配合比设计方法，其特征在于包括以下步骤：
1)自由膨胀率与限制膨胀率的确定：
膨胀可设计的高强钢管混凝土中核心混凝土的自应力值σc与混凝土的限制膨胀率εR由下式给出：
                  σc＝Ec((ε0-0.00012)-εR)ξ            (1)
其中：Ec-混凝土弹性模量
Es-钢管弹性模量
ε0-混凝土自由膨胀率
εR-混凝土限制膨胀率
ξ-应力松驰影响系数， ξ = 1.5 1 + 0.3 ( 1000 ϵ 0 ) 4
膨胀可设计的高强钢管混凝土的核心混凝土自由膨胀率ε0与钢管限制下的限制膨胀率εR关系由公式(2)给出：
ϵ 0 = 24.5 E c 24.5 E c ϵ R + 0.00012 - - - ( 2 )
根据设计的钢管混凝土自应力值，由以上两式计算出混凝土的自由膨胀率与限制膨胀率；
2)膨胀剂基准掺量的测定：对于选定的原材料，选取混凝土水胶比0.31、砂率40％、水泥用量440kg/m3，粉煤灰用量60kg/m3，膨胀剂掺量分别取30、35、40、45kg/m3制备混凝土，测试其90d自由膨胀率(90d时混凝土的膨胀已基本稳定)ε0，并找出ε0值最接近零的膨胀剂掺量W0，作为膨胀剂的基准掺量；
3)膨胀剂掺量-自由膨胀率曲线的测定：在基准掺量的基础上，以同样的混凝土配合比，每次增加膨胀剂掺量10kg/m3直至90kg/m3，测试各个掺量下混凝土密闭条件下90d自由膨胀率，作出膨胀剂掺量-自由膨胀率曲线；
4)膨胀剂掺量-自由膨胀率曲线的修正：根据设计的混凝土水胶比、砂率按以下公式对膨胀剂各掺量下混凝土的自由膨胀剂进行修正，并作出经过修正的膨胀剂掺量-自由膨胀率曲线；
                   ε′0＝8.06ε0·(W/C)·ρs             (3)
其中：(W/C)-混凝土水胶比
ρs-砂率
5)膨胀剂掺量的确定：根据修正的膨剂掺量-自由膨胀率曲线求出设计膨胀率的膨胀剂掺量；
6)根据水胶比、砂率、膨胀剂掺量，选定水泥和粉煤灰用量，计算出混凝土配合比。
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