CN1911853A - 一种高体积稳定性海工混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海工混凝土及其制备方法领域。本发明所述的高体积稳定性海工混凝土，其组成的配比如下：微细合成纤维0.05～0.15％(以海工混凝土体积百分比计)、胶凝材料400～500kg/m³、碎石1000～1300kg/m³、黄砂600～1000kg/m³、塑化剂0.5～2.0％(以胶凝材料重量的百分比计)，其中，胶凝材料包括硅酸盐水泥I型或II型、磨细矿渣和硅灰。本发明所述的高体积稳定性海工混凝土提高了混凝土抗海水中硫酸盐和氯盐的侵蚀能力，降低了混凝土的水化热，提高了混凝土微观结构的密实性；提高了混凝土早期抗塑性收缩开裂的能力，增强了硬化混凝土的阻裂抗裂作用；降低了混凝土的成本，又大幅度提高了混凝土的体积稳定性和耐久性，从根本上改善了混凝土抵抗环境温湿度变化的能力。

Description

一种高体积稳定性海工混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于海工混凝土及其制备方法领域。

背景技术

海工混凝土面临的海洋环境较为恶劣。海水中约含3.5％的盐，其中主要有钠离子、镁离子、氯离子和硫酸根离子。除了这些可溶性盐外，悬浮在海水表面或溶解于海水中的氧气也促进了混凝土内部的化学反应和电化学反应，并对混凝土结构中的钢筋产生严重的腐蚀作用。海水中的可溶性的二氧化碳和硫化氢(主要来自于海洋中的腐烂的有机物)等酸性物质将导致混凝土中性化，从而破坏混凝土内部钢筋的钝化膜。海水的上下温差不仅在混凝土结构内部产生温度应力，而且还促进了混凝土内部化学和电化学反应的速率。海洋环境下混凝土的耐久性长期观察结果表明，在较热的气候条件下，混凝土内部钢筋的电化学腐蚀速率加快。海水温度梯度也对海工混凝土结构的安全构成巨大的威胁。海水的静水压力随深度的增加成线性增加，使化学介质向混凝土内部迁移的渗透压力也大幅度增加。海水涨落的潮汐现象将对海工混凝土成年累月地进行冷热变换、冻融循环(在寒冷的季节)和干湿交替的频繁作用。因此，对海洋工程而言，混凝土结构抵抗环境温湿度变化的能力、抗渗透、抗开裂的能力等显得尤为重要。如果因为混凝土体积稳定性不良而导致混凝土开裂，则海洋环境中的各种腐蚀介质就能轻易渗入混凝土内部，将引起混凝土性能急剧劣化，显著缩短结构的使用寿命。

发明内容

本发明的目的就是提供一种低收缩率、低热膨胀系数、低渗透性的新型海工混凝土。

本发明的另一个目的在于提供上述这种海工混凝土的制备方法。

根据实验室快速腐蚀试验、氯离子扩散试验、海水养护、长期收缩率和热膨胀系数测定等研究，提出了现场环境下海工混凝土无裂缝的控制模型和有关控制参数：

$\mathrm{\κ}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{f_t\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}\mathrm{\γ}(\mathrm{\τ}-t)\·E_c\left(t\right)\·[-\mathrm{\α}\left(t\right){\·T}^{\′}\left(t\right)+\mathrm{\β}\left(t\right)]\mathrm{dt}}$

式中κ(τ)-综合抗裂指标；f_t(τ)-龄期为τ时的混凝土的抗拉强度(MPa)；γ-混凝土的应力松弛系数；E_c-混凝土的弹性模量；α(t)-龄期为t时的混凝土热膨胀系数；T’(t)-温度变化率；β(t)-混凝土的收缩率系数。

满足κ(τ)大于1的混凝土将不会出现裂缝。

本发明开发出了低水化热、耐海水腐蚀的新型胶凝材料，再复合有机纤维，并通过混凝土配合比的优化设计，研制出了抗裂性强、高体积稳定性、低渗透性的海工混凝土。具体是控制硅酸盐水泥中的铝酸三钙的含量，复合磨细矿渣和硅灰，并掺入微细合成纤维，提高混凝土中骨料的体积含量。

本发明采用的技术方案是：

一种高体积稳定性海工混凝土，其组成的配比如下：

微细合成纤维        0.05～0.15％(以海工混凝土体积百分比计)

胶凝材料            400～500kg/m³

碎石                1000～1300kg/m³

黄砂                600～1000kg/m³

塑化剂              0.5～2.0％(以胶凝材料重量的百分比计)

其中，胶凝材料包括硅酸盐水泥I型或II型、磨细矿渣和硅灰。

本发明所述的高体积稳定性海工混凝土，优选的组成的配比是：

微细合成纤维        0.09～0.14％(以海工混凝土体积百分比计)

胶凝材料            400～450kg/m³

碎石                1100～1160kg/m³

黄砂                690～740kg/m³

塑化剂              1.2～2.0％(以胶凝材料重量的百分比计)

其中，胶凝材料包括硅酸盐水泥I型或II型、磨细矿渣和硅灰。

本发明所述的高体积稳定性海工混凝土，其中所说的微细合成纤维是指聚丙烯腈纤维、聚内烯纤维等。微细合成纤维要求长度在4-6毫米，直径小于50微米，延伸率大于14％，抗拉强度大于300MPa。

本发明所述的高体积稳定性海工混凝土，其中胶凝材料各组份的重量百分比(均以胶凝材料总量为基数的重量百分比计)为：硅酸盐水泥I型或II型40-50％，磨细矿渣43-58％，硅灰2-10％。硅酸盐水泥的强度等级为52.5，C₃A含量低于8％。磨细矿渣达到S95及以上等级。硅灰的颗粒粒径在0.01～0.1μm，SiO₂的含量大于90％。

本发明所述的高体积稳定性海工混凝土，其中所说的黄砂可以是中等河砂等；碎石的最大粒径小于25mm，可以是石灰石或花岗岩等。

本发明所述的高体积稳定性海工混凝土，其中所说的塑化剂减水率高于30％，可以是改性聚羧酸、聚羧酸类等。

本发明所述的高体积稳定性海工混凝土可广泛应用于土木、水利、海洋等领域的混凝土结构中。

本发明所述的高体积稳定性海工混凝土的制备方法如下：

按混凝土配合比要求分别称取原材料，加水搅拌均匀即可。搅拌用水量低于150kg/m3。

本发明的有益效果：

1.通过特种胶凝材料的开发，提高了混凝土抗海水中硫酸盐和氯盐的侵蚀能力，降低了混凝土的水化热，提高了混凝土微观结构的密实性。

2.通过掺入聚丙烯腈等合成纤维，提高了混凝土早期抗塑性收缩开裂的能力，增强了硬化混凝土的阻裂抗裂作用。

3.本发明选用了线胀系数较低的骨料(碎石和黄沙)，并将骨料的体积含量提高至68％以上，既降低了混凝土的成本，又显著降低了混凝土的干燥收缩率和热膨胀系数，大幅度提高了混凝土的体积稳定性，从根本上改善了混凝土抵抗环境温湿度变化的能力。

4.本发明选用了减水率高的超塑化剂，保证了骨料高体积含量下混凝土的流动性，满足工程现场泵送的要求。

5.本发明在不增加混凝土成本、保持混凝土强度不变的基础上，使混凝土的28天收缩率低于300微应变，6个月收缩率低于350微应变，混凝土热膨胀系数低于10微应变/度，90d氯离子电通量小于400库仑。显著提高了混凝土结构的体积稳定性和耐久性。

具体实施方式

实施例1～5

按表一中的混凝土配合比要求分别称取原材料和搅拌用水，倒入搅拌机中拌和30-60秒，至均匀即可。其中水泥的强度等级为52.5，C₃A含量低于8％。磨细矿渣达到S95及以上等级。硅灰的颗粒粒径在0.01～0.1μm，SiO₂的含量大于90％。石灰石或花岗岩的最大粒径小于25mm。合成纤维长度在4-6毫米，直径小于50微米，延伸率大于14％，抗拉强度大于300MPa。塑化剂的减水率高于30％。各实施例制得的海工混凝土中骨料的体积含量均在68％以上。

各实施例制得的海工混凝土的主要性能参数见表二。

                                表一

组份		实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
							胶凝材料	水泥	164kg	205kg	190kg	180kg	225kg
矿渣	236kg	184kg	205kg	180kg	194kg
						硅灰		10kg	21kg	25	40kg	31kg
碎石	石灰石	1153kg	1117kg	-	-								1125kg
						花岗岩	-	-	1150kg	1128kg	-
	微细合成纤维	聚丙烯腈纤维	1kg	1.2kg	-							-	1.5kg
聚丙烯纤维						-	-	0.9kg	1.2kg	-
		塑化剂	改性聚羧酸	4.92kg	5.10kg						-	7.0kg	-
聚羧酸	-					-	6.0kg	-	8kg
			黄沙	中砂	706kg					740kg	700kg	695kg	690kg
水		131kg				131kg	135kg	140kg	145kg

                                表二

性能参数	容重(kg/m3)	28天抗压强度(MPa)	28天收缩率(微应变)	28天热膨胀系数(微应变/度)	90天氯离子电通量(库仑)	90天的κ(τ)
							实施例1	2406	56.0	238	9.40	353	＞1.0
实施例2	2406	59.7	260	9.53	339	＞1.0
							实施例3	2412	55.4	269	9.30	383	＞1.0
实施例4	2402	57.6	276	9.75	367	＞1.0
							实施例5	2420	61.9	289	9.92	341	＞1.0

由表二可见，本发明所述的高体积稳定性海工混凝土具有低收缩率和低热膨胀系数的特点，在环境温湿度发生变化时具有优良的体积稳定性；较低的氯离子电通量表明本发明所述海工混凝土抵抗氯离子渗透能力极强，具备海洋环境下的高耐久性；综合抗裂指标大于1，表明海工混凝土具有显著的抗裂能力，提高了混凝土结构的完整性和安全性。

Claims (10)

1、一种高体积稳定性海工混凝土，其组成的配比如下：

微细合成纤维            0.05～0.15％(以海工混凝土体积百分比计)

胶凝材料                400～500kg/m³

碎石                    1000～1300kg/m³

黄砂                    600～1000kg/m³

塑化剂                  0.5～2.0％(以胶凝材料重量的百分比计)

其中，胶凝材料包括硅酸盐水泥I型或II型、磨细矿渣和硅灰。

2、如权利要求1所述的高体积稳定性海工混凝土，其特征在于，组成的配比如下：

微细合成纤维            0.09～0.14％(以海工混凝土体积百分比计)

胶凝材料                400～450kg/m³

碎石                    1100～1160kg/m³

黄砂                    690～740kg/m³

塑化剂                  1.2～2.0％(以胶凝材料重量的百分比计)。

3、如权利要求1或2所述的高体积稳定性海工混凝土，其特征在于，微细合成纤维是指聚丙烯腈纤维或聚丙烯纤维。

4、如权利要求3所述的高体积稳定性海工混凝土，其特征在于，微细合成纤维长度为4-6毫米，直径小于50微米，延伸率大于14％，抗拉强度大于300MPa。

5、如权利要求1或2所述的高体积稳定性海工混凝土，其特征在于，胶凝材料各组份的重量百分比(均以胶凝材料总量为基数的重量百分比计)为：硅酸盐水泥I型或II型40-50％，磨细矿渣43-58％，硅灰2-10％。

6、如权利要求5所述的高体积稳定性海工混凝土，其特征在于，硅酸盐水泥的强度等级为52.5，C₃A含量低于8％；磨细矿渣达到S95及以上等级；硅灰的颗粒粒径在0.01～0.1μm；SiO₂的含量大于90％。

7、如权利要求1或2所述的高体积稳定性海工混凝土，其特征在于，碎石是石灰石或花岗岩，最大粒径小于25mm。

8、如权利要求1或2所述的高体积稳定性海工混凝土，其特征在于，塑化剂的减水率高于30％。

9、如权利要求8所述的高体积稳定性海工混凝土，其特征在于，塑化剂是改性聚羧酸或聚羧酸类。

10、如权利要求1或2所述的高体积稳定性海工混凝土的制备方法，该方法是：按上述混凝土配合比要求分别称取原材料，加水搅拌均匀，搅拌用水量低于150kg/m3。