CN104743984A - 一种利用偏高岭土制备的高性能抗冻混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种利用偏高岭土制备的高性能抗冻混凝土，该抗冻混凝土是将水泥、偏高岭土、粉煤灰以及减水剂按一定的配合比混合后配制混凝土，所述的偏高岭土由高岭土在700℃～900℃下煅烧2～3小时后制得，其主要成分为SiO₂和Al₂O₃。偏高岭土由于其细度低、活性高能够显著增强混凝土的力学性能并有效改善混凝土的微观孔结构从而提高混凝土的抗冻融能力。与粉煤灰复掺进一步减少了由于掺入偏高岭土从而导致混凝土工作性能的降低，同时一定程度上增加了偏高岭土的改性效果。

Description

一种利用偏高岭土制备的高性能抗冻混凝土

技术领域

本发明属建筑材料技术领域，具体涉及一种利用偏高岭土制备高性能抗冻混凝土的方法。

背景技术

一、提高混凝土抗冻能力的重要性

混凝土的耐久性是混凝土抵抗气候变化、化学侵蚀、磨损或任何其他破坏过程从而维持混凝土结构的安全、正常使用的能力。其中，混凝土在饱水状态下因冻融循环产生的破坏作用称为冻融破坏，混凝土的抗冻耐久性(简称抗冻性)即是指饱水混凝土抵抗冻融循环作用的性能。混凝土处于饱水状态和冻融循环交替作用是发生混凝土冻融破坏的必要条件，因此，混凝土的冻融破坏一般发生于寒冷地区经常与水接触的混凝土结构物，如水位变化区的海工、水工混凝土结构物以及与水接触部位的道路、建筑物勒脚、阳台等。在我国东北、华北和西北地区的水利大坝，尤其是东北严寒地区的混凝土结构物，几乎100％的工程局部或大面积地遭受不同程度的冻融破坏。混凝土冻融循环产生的破坏作用主要有冻胀开裂和表面剥蚀两个方面，水在混凝土毛细孔中结冰造成的冻胀开裂使混凝土的弹性模量、抗压强度、抗拉强度等力学性能严重下降，危害结构物的耐用性，因此为了提高混凝土结构的耐久性能，保证人民群众财产及人身的安全，提高能源环境资源利用效率，研究提高混凝土的抗冻性有着极其重要意义。

二、混凝土冻融破坏机理及提高抗冻性的传统技术方法

通常情况下,混凝土的冻融破坏是一个极其复杂的物理变化过程,而且受许多因素的影响。(诸如:混凝土中孔隙的充水程度、水灰比、水泥品种及集料质量、含气量、环境温度以及反复冻融的次数等。)因此，对于混凝土冻融破坏的机理难以得出一致性的定论，主要有以下一些具有代表性的理论:冰的分离层理论、充水系数理论、渗透压理论、水压力理论、孔结构理论。上述几种理论从不同角度阐述了混凝土冻融破坏的机理,尽管这些理论相互之间还有分歧,但是一般可以认为混凝土的冻融破坏是一个由表及里,先大孔后小孔的物理变化过程。由于水结成冰产生体积膨胀,在混凝土中形成内压力，当这种内压力超过混凝土所能承受的极限时,引起混凝土内部孔隙和裂隙不断地发育,由小变大,由短变长,相互贯通,最终导致混凝土破坏。

传统的提高混凝土抗冻性的方法主要有：严格控制水灰比、添加引气剂、掺入适量的优质矿物掺合料以及采用树脂浸渍混凝土四种。然而，这些方法都不可避免地有其各自的局限性，例如硅灰的价格太高，且不同产地的硅灰其品质差别较大；粉煤灰的早期活性较低，单掺时会对混凝土的早期强度有不利的影响；矿渣的来源紧张，高品质的矿粉稀缺。

三、利用偏高岭土提高混凝土抗冻性的机理及其局限性

偏高岭土主要化学组成是SiO₂和Al₂O₃，与目前正在大量应用的高炉矿渣、粉煤灰、硅灰等掺合料非常接近，且具有很高的活性，因而水化后期偏高岭土的二次水化反应产物填充了水泥的较大孔隙优化了混凝土的孔结构；另一方面，偏高岭土颗粒粒径较细，使其在混凝土中能够起到一定的填充微细孔的作用。因而混凝土中掺入偏高岭土能使混凝土内部的孔径细化，降低冰点，从而有效地改善混凝土的抗冻性能。然而利用偏高岭土提高混凝土抗冻性存在一些局限性例如，偏高岭土价格偏高会在一定程度上加大混凝土的制造成本；偏高岭土的活性较高，能够极大的提高混凝土的各项力学性能，然而偏高岭土的需水量极大，在掺入混凝土中后不易分散，单掺偏高岭土时会显著降低混凝土的工作性能，甚至影响正常施工。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提出一种合理利用偏高岭土制备的高性能抗冻混凝土。利用偏高岭土代替部分水泥，并配以粉煤灰以及外加剂等材料进行复合改性，显著提高了混凝土的各项力学性能，并有效改善了混凝土的抗冻融能力，同时降低了混凝土的制备成本。

技术方案：本发明利用偏高岭土制备的高性能抗冻混凝土中每方混凝土其各组分质量配比如下：

该抗冻混凝土是将水泥、偏高岭土、粉煤灰以及减水剂按一定的配合比混合后配制混凝土，其中每立方混凝土各组分质量配比如下：

其中胶凝材料的质量配比如下：

水泥        75-85％

偏高岭土    5-15％

粉煤灰      10-15％

减水剂掺量为胶凝材料总质量的0.8-1.7％。

所述的偏高岭土按如下方法制得：

将高岭土粉末在700℃～900℃的温度下煅烧2～3小时，平均粒径在3μm以下；所述的偏高岭土其SiO₂和Al₂O₃的含量在80％wt以上。

所述的粉煤灰是热电厂煤燃烧后的烟气中收集下来的细灰，其外形为珠状颗粒，粒径在在1～150μm，平均粒径为10-15μm，所述粉煤灰的SiO₂和Al₂O₃的含量在60％wt以上。

所用的水泥为P·II42.5的水泥，减水剂为聚羧酸系高效减水剂，其减水率大于20％。

具体制备方式如附图1所示。

冻融试验方法按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中抗冻性试验的“快冻法”进行。

有益效果：依据本发明配合比制备混凝土能够使其具有良好的工作性能并显著提高混凝土的力学强度和抗冻融性能。

附图说明

图1：混凝土制备方式流程图。

图2：偏高岭土粒径分布图。

图3：本发明中不同配合比混凝土的强度。

图4：本发明中不同配合比混凝土快速冻融循环300次后表观破坏情况。

具体实施方式

该抗冻混凝土是将水泥、偏高岭土、粉煤灰以及减水剂按一定的配合比混合后配制混凝土，其中每立方混凝土各组分质量配比如下：

其中胶凝材料的质量配比如下：

水泥        75-85％

偏高岭土    5-15％

粉煤灰      10-15％

减水剂掺量为胶凝材料总质量的0.8-1.7％。

所述的偏高岭土按如下方法制得：

将高岭土粉末在700℃～900℃的温度下煅烧2～3小时，平均粒径在3μm以下；所述的偏高岭土其SiO₂和Al₂O₃的含量在80％wt以上。

实施例：

一、本实施例中所用的偏高岭土及粉煤灰的化学组成

本发明中所使用的偏高岭土及粉煤灰的成分参数如表一所示，偏高岭土的粒径分布见附图2。

表1偏高岭土及粉煤灰的主要化学成分(％)

二、配合比及混凝土的基本性能

1.配合比

本实施例设计了三种配合比，其具体成分组成如表2所示；偏高岭土以及粉煤灰的掺量以水泥的质量为基准，分别内掺5％、10％、15％。

表2实施例混凝土配合比

2.各配合比混凝土的基本性能

为了确保高性能抗冻混凝土具有良好的工作性能，本实施例的混凝土其塌落度都控制在200±10mm的范围内，从表2中的减水剂用量可知由于偏高岭土的粒径很细、需水量较大，因此随着偏高岭土掺量的增加减水剂的用量也不断上升，然而当内掺15％的粉煤灰后混凝土的流动性得到了一定程度上的改善，减水剂的用量得到显著降低。

表3分别为各配合比混凝土的初终凝时间以及坍落度，由于偏高岭土中含有可促进水泥水化的物质，会使水泥的早期水化速度加快，因而凝结时间相应缩短，然而当复掺10％以及15％的粉煤灰后，由于粉煤灰的早期活性比水泥低，因此拌合物的初终凝结时间都有一定程度的增加。

表3混凝土初、终凝时间

表4为各个配合比混凝土的抗压强度。

表4混凝土抗压强度/MPa

如附图3所示，本实施例所设计的4中配合比能够有效提高混凝土的抗压强度，在56d时分别相较于基准组提高9.2％、15.46％、17.28％、18.11％，此外从7d强度上也可知粉煤灰和偏高岭土的复掺能够有效避免单掺粉煤灰时早期强度较低的不良效果。

3.参考配合比混凝土的抗冻性能

混凝土的抗冻融实验按照GB/T50082-2009中的“快冻法”进行测定，该标准规定试件达到破坏和终止试验的标准为：

1.已达到300次循环，便可终止试验；

2.相对动弹性模量降到60％以下或质量损失率达5％，即表明试件已被冻坏。

附图4为300次冻融循环后各个配合比试件的表观破坏情况，从各试件的表观损伤情况来看基准组的表面破坏最为严重而复掺的两组配合比表面几乎没有明显的剥落痕迹。冻融实验结果如表5、表6所示。

表5混凝土抗冻性能(质量损失率)测试结果

表6混凝土抗冻性能(相对动弹模量)测试结果

从上述数据可知，实施例的四种配合比其混凝土的抗冻融性能都有了显著的改善，相对动弹模量以及质量损失率均低于基准组。当复掺粉煤灰10％、15％时，抗冻性能的提高更为明显，在冻融循环300次后复掺试组的相对动弹模损失量相比于单掺10％偏高岭土的配合比降低26％以及51％。因此，可以认为粉煤灰以及偏高岭土在复掺情况下其填充效应和二次水化效应效果显著，可见本发明中提出的利用偏高岭土来提高混凝土的抗冻性能是十分有效的。

综上所述，本发明所设计的配合比能够在保证混凝土具有良好工作性能的同时显著提高其力学强度和抗冻融性能。

Claims (4)

1.一种利用偏高岭土制备的高性能抗冻混凝土，其特征在于该抗冻混凝土是将水泥、偏高岭土、粉煤灰以及减水剂按一定的配合比混合后配制混凝土，其中每立方混凝土各组分质量配比如下：

其中胶凝材料的质量配比如下：

水泥      75-85％

偏高岭土  5-15％

粉煤灰    10-15％

减水剂掺量为胶凝材料总质量的0.8-1.7％。

2.如权利1所述的利用偏高岭土制备的高性能抗冻混凝土，其特征在于所述的偏高岭土按如下方法制得：

将高岭土粉末在700℃～900℃的温度下煅烧2～3小时，平均粒径在3μm以下；所述的偏高岭土其SiO₂和Al₂O₃的含量在80％wt以上。

3.如权利1所述的利用偏高岭土制备的高性能抗冻混凝土，其特征在于所述的粉煤灰是热电厂煤燃烧后的烟气中收集下来的细灰，其外形为珠状颗粒，粒径在在1～150μm，平均粒径为10-15μm，所述粉煤灰的SiO₂和Al₂O₃的含量在60％wt以上。

4.如权利1所述的利用偏高岭土制备的高性能抗冻混凝土，其特征在于所用的水泥为P·II42.5的水泥，减水剂为聚羧酸系高效减水剂，其减水率大于20％。