CN103193425A

CN103193425A - 矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土及其生产方法

Info

Publication number: CN103193425A
Application number: CN2013101215881A
Authority: CN
Inventors: 牟廷敏; 管理; 丁庆军; 梁毅; 范碧琨; 赖长福; 王剑川; 解超平; 成荣军; 杨胜利
Original assignee: Sichuan Department of Transportation Highway Planning Prospecting and Design Research Institute
Current assignee: Sichuan Highway Planning Survey and Design Institute Ltd
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-04-09
Also published as: CN103193425B

Abstract

矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土及其生产方法，以有效消纳利用矿物废渣，不仅可满足工程应用的各项要求，而且有利于提升混凝土的耐久性。本发明矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土由以下重量份的原料组成：水140～175重量份，凝胶材料490～550重量份，粗集料1000～1200重量份，细集料600～800重量份，内养护剂10～20重量份，减水剂的质量掺量为胶凝材料总质量的1.0～2.0%；其中，凝胶材料由430～460重量份的水泥和60～90重量份的矿物掺合料组成；粗集料为碎石；细集料为高钛重矿渣砂；内养护剂为淀粉接枝阴离子—非离子基团内养护材料。其生产方法步骤如下：a、将高钛重矿渣砂、碎石与胶凝材料混合，搅匀；b、加入部分水，搅匀；c、将剩余的水和原料加入，搅匀，即得。本发明混凝土物理性能优良，耐久性能良好，能很好的满足工程要求。

Description

矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土及其生产方法

技术领域

本发明涉及混凝土及其制备方法，属于混凝土领域。

背景技术

高钛重矿渣是高炉冶炼钒钛磁铁矿时产生的熔融矿渣冷却形成的一种由钛辉石、钙钛矿等矿物为主的石质材料，具有多孔、高强、化学稳定性好等特点。目前，国内外高钛高炉矿渣的利用技术手段，仅能满足一般民用建筑工程的需求，未有利用其制备桥梁高性能混凝土的方法的文献报道。采用高钛重矿渣砂作为粗细集料，制备高性能混凝土应用于桥梁、高速公路还存在下列问题：首先，高钛重矿渣砂级配较差，粉尘含量较高，表面粗糙，不利于用于配制高强混凝土。其次，高钛重矿渣砂是一种多孔材料，较普通河砂表观密度大，且表面粗糙度较大，在混凝土泵送过程中由于受到泵送压力的做用，高钛重矿渣砂极易吸附外加剂和吸收部分水分，从而影响混凝土的工作能，不利于泵送混凝土泵送施工。如果混凝土初始坍落度过大时，在泵送压力作用下，高钛重矿渣砂孔隙中会释出部分水分，导致混凝土易出现扒底现象，同样不利于泵送混凝土泵送施工。因此，目前将高钛重矿渣砂应用于高强泵送混凝土的应用中还存在一定的问题。攀钢面临着高钛重矿渣堆积如山的局面，急需一种高效利用钛矿渣砂的方法；同时，攀枝花市的建设每年需消耗大量砂，由于地处长江上游，砂石集料匮乏，天然砂成本相当高，过度的开山炸石将导致破坏自然植被。因此，利用高钛重矿渣砂配制高强泵送混凝土，有利于社会经济的可持续发展，对节约自然资源，降低工程成本，保护生态环境等方面均具有重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土及其生产方法，以有效消纳利用矿物废渣，不仅可满足工程应用的各项要求，而且有利于提升混凝土的耐久性。

本发明矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土，由以下重量份的原料组成：

水 140～175重量份，

凝胶材料 490～550重量份，

粗集料 1000～1200重量份，

细集料 600～800重量份，

内养护剂 10～20重量份，

减水剂的质量掺量为胶凝材料质量的1.0～2.0%；

其中，作为优选方案，凝胶材料由430～460重量份的水泥和60～90重量份的矿物掺合料组成；粗集料为碎石；细集料为高钛重矿渣砂；内养护剂为淀粉接枝阴离子—非离子基团内养护材料。

进一步的，为了提高混凝土减水效果，所述减水剂优选为聚羧酸系高效减水剂。作为优选方案，聚羧酸系高效减水剂由有机硅油消泡剂5～10wt%、松香热聚物引气剂1～2wt%、纤维素醚增粘剂2.5～5wt%、减缩组分7.5～15wt%，与聚羧酸系母液复合而成；减缩组分由C1～C3的低级醇环氧化合物和烷基聚氧乙烯醚按照质量比1:1～1:2组成。

上述聚羧酸高效减水剂是专为本发明研制的。由于高强及泵送工艺的需要，在严格控制用水量前提下，为了满足适当的浆体含量和适宜的流动性，同时，具有早期强度好、收缩低、后期强度好的性能。通过调整外加剂中不同组分来发明一种专为高钛重矿渣砂高强泵送混凝土外加剂。由于高钛重矿渣砂的比表面积较大，一方面摩擦阻力大，另一方面对外加剂吸附较严重，导致混凝土初始工作状态不佳，扩展度偏低，无法满足混凝土施工过程的要求。为此，本发明通过掺加一定量含有阴离子表面活性剂的引气组分，使混凝土在拌和过程中产生大量相同电荷并能均匀分布的微气泡，这些微气泡起到“滚珠”效应，有效提高混凝土初始扩展度。混凝土外加剂的加入会在混凝土内部引入大气泡，不仅不利于改善混凝土的初始状态，而且对混凝土的物理力学性能及长期耐久性有害。通过引入一种能改变体系的界面状态破坏或抑制泡沫的物质可消除大气泡。该消泡剂具有较高的表面活性，能形成新的表面膜或改变原表面膜，降低泡沫的强度，进而有效的减少混凝土中大气泡的生成量。为避免混凝土在泵送过程中因离析而堵管现象的发生，在外加剂中掺加一定量具有保水和增稠作用的增黏组分，使其高分子长链可以在水泥颗粒、水泥和骨料之间形成稳定的空间柔性网络结构，提高新拌混凝土的粘聚力，且其所含有的化学基团如羟基和醚键上的氧原子与水分子缔合成氢键，使游离水变成结合水，以保证水泥水化时具有足够的水，故使水泥浆体黏度上升，有效的避免在泵送过程中因离析而堵管现象的发生。为减少混凝土的收缩量，在外加剂中增加一种使混凝土毛细孔溶液表面张力显著降低的减缩组分，从根本上减小了混凝土产生自收缩，孔隙细化，没有明显的原生裂纹产生，混凝土结构更加致密，提高混凝土的抗裂性能，减小收缩。消泡剂选用有机硅油5～10%、引气剂选用松香热聚物1～2%、增粘剂选用纤维素醚2.5～5%、减缩组分选用低级醇的环氧化合物与烷基聚氧乙烯醚混合而得。通过调整以上各成分占外加剂量的含量与减水剂复合而得到的一种适用于高钛重矿渣砂混凝土的外加剂。

其中，所述的水泥优选为P.O.52.5普通硅酸盐水泥。

进一步的，所述碎石优选为5～25mm连续级配，堆积密度优选为1500～1700kg/m³，吸水率优选为0.1～1.5%，压碎值指标优选为6～16%；

进一步的，所述高钛重矿渣砂细度模数优选为2.5～3.2，表观密度为2600～3300kg/m³。进一步的，淀粉接枝阴离子—非离子基团内养护材料的结构式如式（Ⅰ）所示

其中，式（Ⅰ）所示的淀粉接枝阴离子—非离子基团内养护材料的制备方法如下：

a、淀粉糊化：将0.15重量份的木薯淀粉和0.04重量份的高岭土溶于3重量份的蒸馏水，温度为70～80℃，搅匀，糊化30min，得到溶液1；

b、自由基引发：称取0.0012重量份的硝酸铈铵和0.0108重量份的过硫酸铵，溶于2重量份的蒸馏水，温度为60～70℃，搅匀，加入a步骤得到溶液1中，反应10min，得到溶液2；

c、接枝共聚：称取0.416重量份的单体丙烯酰胺、0.132重量份的单体2-丙烯酰胺基-2甲基丙磺酸和0.0045重量份的交联剂，溶于3重量份的蒸馏水，温度为60～70℃，搅匀，加入到溶液2中，反应得到溶液3，溶液3为无色凝胶状物质或者含凝胶浓溶液；其中，单体丙烯酰胺和单体2-丙烯酰胺基-2甲基丙磺酸的滴加时间控制在2～4h内；

d、水解：将0.13～0.14重量份NaOH溶于4重量份的蒸馏水，加入到溶液3中，水解30min得到粗产物；

e、脱水、洗涤：将粗产物脱水，然后用乙醇或丙酮对初产物浸泡6～12h，洗涤，得到纯产物；

f、干燥、粉碎：将e步骤得到的纯产物干燥，粉碎，即得。

通过掺加一种含有大量强亲水基团且呈三维网状交联结构的高吸水树脂材料作为内养护组分，利用聚合物分子与水分子之间的化学键吸收并保存水分，在混凝土内部形成持续供水的养护环境，对混凝土强度的发展起到重要的作用。内养护剂为自主研发的淀粉接枝阴离子-非离子基团内养护材料，如式（Ⅰ）所示，具有较好的吸水—释水功能，对混凝土起到内养护作用。该内养护剂碱性环境下的高吸水能力，是由于阴离子性单体和非离子性单体具有高亲水性的-SO₃H和-NH₂所确定的。-SO₃H对二价、三价阳离子具有很好耐受力，而-NH₂具有很好的水解稳定性、抗酸碱及热稳定性，-SO₃H/-NH₂中非离子性基团的引入较好地调控了主链上的电荷密度，降低了高分子网络在碱性溶液的敏感性，从而提高了内养护材料对碱性溶液的吸收能力。吸水前高分子长链相互靠拢缠在一起彼此交联呈网状结构，高分子网络是固态网束未电离成离子对，当遇水时亲水基团与水分子的水和作用，使高分子网束扩张产生网内外离子浓度差，从而产生渗透压水分子在渗透压作用下向网结构内渗透，从而吸水。当非离子化程度提高后，静电斥力大大减少，网络变得更易收缩，饱水凝胶同时受到热和压力的作用，其释水加速、释水量也加大。从而保证了其吸水-释水特性，对混凝土起到较好的内养护作用。

本发明矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土的生产方法，包括如下步骤：

a、将高钛重矿渣砂、碎石与胶凝材料混合，并搅匀；且投料前，高钛重矿渣砂的含水率在7～10%；

b、加入部分水，搅匀；

c、将剩余的水和原料加入，搅匀，即得。

其中，a步骤使高钛重矿渣砂与胶凝材料充分的混合均匀并将其表面孔隙堵住，胶凝材料填充部分孔隙，以减少矿渣砂对外加剂的吸附。投料前，高钛重矿渣砂的含水率在7%～10%。做为优选方案，高钛重矿渣砂在投料前，先进行饱水处理，至少提前24小时将高钛重矿渣砂置于蓄水池中对其进行饱水处理，使高钛重矿渣砂充分润湿。在拌制混凝土前4～5小时将蓄水池中的水放净，让高钛重矿渣砂自由失水。在拌制混凝土前1小时将砂堆中的高钛重矿渣砂用铲车混合均匀，在拌制混凝土前半小时至少取砂堆中三个有代表性位置测砂堆中砂的含水率并取平均值以保证其含水率。b步骤加入部分水搅拌，使浆体充分的与高钛重矿渣砂接触，减少由于高钛重矿渣砂比表面积较大，减少对外加剂的吸附，同时起到封水作用；c步骤最后将剩余的水和原料加入搅拌机拌合，达到混凝土中自由水充分与胶凝材料结合的作用，避免由于搅拌时间不足致使混凝土初始状态不佳情况的发生，同时提高混凝土拌合物的匀质性，对混凝土的物理力学性能及长期耐久性均有益处，作为优选方案，拌合总用时比普通河砂混凝土多10s～30s。

本发明矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土可以达到如下性能：强度等级C65，坍落度18～22cm，抗氯离子渗透系数C65<1.0×10^-12，360d徐变系数＜2.0；抗冻等级C65＞F300；抗硫酸盐侵蚀系数C65＞0.9，物理性能优良，耐久性能良好，具有高强泵送以及抗裂等性能，可以很好的满足工程要求。

本发明将高钛重矿渣砂作为细集料应用于混凝土中，满足工程应用的各项要求，且有利于混凝土的耐久性提升，在道路、桥梁与隧道等工程中有广阔的应用前景。并且有利于社会经济的可持续发展，对节约自然资源，降低工程成本，保护环境等均具有重要的意义。

具体实施方式

实施例1

按照表1中的原料配比选取原料，将高钛重矿渣砂、碎石与胶凝材料干拌，让高钛重矿渣砂与胶凝材料充分的混合均匀，再加入部分水搅拌，使浆体充分的与高钛重矿渣砂接触，最后将剩余的部分水和全部外加剂加入搅拌机拌合，即得。其工作性能和力学性能数据列于表5和表6。

表1 矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土的原料配比

其中，粉煤灰密度0.8g/cm³～1.1g/cm³。减水剂为聚羧酸系高效减水剂。水泥为普通硅酸盐水泥P.O.52.5；细集料为高钛重矿渣砂，表观密度为2600～3300kg/m³；粗集料为普通石灰岩碎石，5～25mm连续级配，堆积密度1500～1700kg/m³。

实施例2

按照表2中的原料配比选取原料，将高钛重矿渣砂、碎石与胶凝材料干拌，让高钛重矿渣砂与胶凝材料充分的混合均匀，再加入部分水搅拌，使浆体充分的与高钛重矿渣砂接触，最后将剩余的部分水和全部外加剂加入搅拌机拌合，即得。其工作性能和力学性能数据列于表5和表6。

表2 矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土的原料配比

其中，水泥为普通硅酸盐水泥P.O.52.5；细集料为高钛重矿渣砂，表观密度为2600～3300kg/m³；粗集料为普通石灰岩碎石，5～25mm连续级配，堆积密度1500～1700kg/m³。

实施例3

按照表3中的原料配比选取原料，将高钛重矿渣砂、碎石与胶凝材料干拌，让高钛重矿渣砂与胶凝材料充分的混合均匀，再加入部分水搅拌，使浆体充分的与高钛重矿渣砂接触，最后将剩余的部分水和全部外加剂加入搅拌机拌合，即得。其工作性能和力学性能数据列于表5和表6。

表3 矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土的原料配比

其中，水泥为普通硅酸盐水泥P.O.52.5；细集料为高钛重矿渣砂，表观密度为2600～3300kg/m³；所述的粗集料为普通石灰岩碎石，5～25mm连续级配，堆积密度1500～1700kg/m³。

实施例4

按照表4中的原料配比选取原料，将高钛重矿渣砂、碎石与胶凝材料干拌，让高钛重矿渣砂与胶凝材料充分的混合均匀，再加入部分水搅拌，使浆体充分的与高钛重矿渣砂接触，最后将剩余的部分水和全部外加剂加入搅拌机拌合，即得。其工作性能和力学性能数据列于表5和表6。

表4 矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土的原料配比

表5 实施例1～4制得的混凝土的技术指标

实施例	坍落度（mm）	扩展度（mm）	7d/28d抗压强度/Mpa	7d/28d抗折强度/Mpa
					1	220	530	61.3/73.5	5.4/6.6
2	210	500	63.6/74.2	5.5/6.8
					3	200	520	64.8/77.5	5.7/6.9
4	210	520	62.5/75.1	5.6/6.7

上表说明，本发明矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土的各项物理性能良好，匀质性高，具有优异的工作性能。

表6 实施例1～4制得混凝土的耐久性能技术指标

上表说明，本发明矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土具有良好的耐久性能。

本发明所列举的各具体原料，以及各原料的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims

1.矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土，其特征在于，由以下重量份的原料组成：

水 140～175重量份，

凝胶材料 490～550重量份，

粗集料 1000～1200重量份，

细集料 600～800重量份，

内养护剂 10～20重量份，

减水剂的质量掺量为胶凝材料质量的1.0～2.0%；

其中，所述凝胶材料由430～460重量份的水泥和60～90重量份的矿物掺合料组成；所述粗集料为碎石；所述细集料为高钛重矿渣砂；内养护剂为淀粉接枝阴离子—非离子基团内养护材料。

2.根据权利要求1所述矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂。

3.根据权利要求2所述矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土，其特征在于：所述聚羧酸系高效减水剂由以下组分组成：有机硅油消泡剂5～10wt%、松香热聚物引气剂1～2wt%、纤维素醚增粘剂2.5～5wt%、减缩组分7.5～15wt%，与聚羧酸系母液复合而成；所述减缩组分由C1～C3的低级醇环氧化合物和烷基聚氧乙烯醚按照质量比1:1～1:2组成。

4.根据权利要求1～3任一项所述矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土，其特征在于：所述的水泥为P.O.52.5普通硅酸盐水泥。

5.根据权利要求1～4任一项所述矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土，其特征在于：所述碎石为5～25mm连续级配，堆积密度为1500～1700kg/m³，吸水率为0.1～1.5%，压碎值指标为6～16%。

6.根据权利要求1～5任一项所述矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土，其特征在于：所述高钛重矿渣砂细度模数为2.5～3.2，表观密度为2600～3300kg/m³。

7.根据权利要求1～6任一项所述矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土，其特征在于，所述淀粉接枝阴离子—非离子基团内养护材料结构如式（Ⅰ）所示：

8.根据权利要求7所述矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土，其特征在于，所述淀粉接枝阴离子—非离子基团内养护材料制备方法如下：

c、接枝共聚：称取0.416重量份的单体丙烯酰胺、0.132重量份的单体2-丙烯酰胺基-2甲基丙磺酸和0.0045重量份的交联剂，溶于3重量份的蒸馏水，温度为60～70℃，搅匀，并加入到溶液2中，反应得到溶液3，溶液3为无色凝胶状物质或者含凝胶浓溶液；其中，单体丙烯酰胺和单体2-丙烯酰胺基-2甲基丙磺酸的滴加时间控制在2～4h内；

d、水解：将0.13～0.14重量份的NaOH溶于4重量份的蒸馏水，加入到溶液3中，水解30min得到粗产物；

f、干燥、粉碎：将e步骤得到的纯产物干燥，粉碎，即得。

9.权利要求1～8任一项所述矿渣集料制备的高强泵送抗裂混凝土的生产方法，其特征在于包括如下步骤：

a、将高钛重矿渣砂、碎石与胶凝材料混合，搅匀；且投料前，高钛重矿渣砂的含水率在7～10%；

b、加入部分水，搅匀；

c、将剩余的水和原料加入，搅匀，即得。