CN104909596A - 适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑领域，具体涉及一种适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂及其制备方法。所述高效复合膨胀剂各组分按质量百分比计为：轻烧氧化镁22％～40％，活性氧化钙12％～25％，煅烧白云石6％～14％，硫铝酸盐水泥熟料18％～30％，天然石膏12％～18％和改性海泡石粉2％～6％。本发明通过不同组分水化膨胀特性的设计，制备得到膨胀性能与高强混凝土强度协调发展，膨胀效能高、水化需水少、膨胀开始时间早，膨胀性能稳定的高效复合膨胀剂，并通过引入养护材料，解决钢管封闭条件下养护困难，膨胀剂和混凝土水化需水难以供给的问题，适用于钢管封闭条件下的高强自应力混凝土的配制。

Description

适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑领域，具体涉及一种适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂及其制备方法。

背景技术

钢管混凝土由于其独特的组合式结构优势，逐渐被广泛运用于建筑领域，随着建筑结构逐渐向超高层、大跨度方向发展，更高强度等级的钢管混凝土也应运而生。为了充分发挥高强混凝土与钢管结合构件的力学优势，在混凝土中掺入膨胀剂，配制高强自应力钢管混凝土，可达到与钢管紧密集合，防止脱粘、脱空，提高承载力的目的。而目前各种钢管混凝土膨胀剂并不能满足高强自应力钢管混凝土的性能要求，存在诸多问题：(1)随着钢管混凝土向高强、大管径发展，使混凝土的收缩增大，因而需要更高膨胀效能的高效膨胀剂，才能达到补偿混凝土收缩，预防钢管的脱空、脱粘，提高承载力的目的；(2)目前运用较多的硫铝酸盐类、氧化钙类及复合膨胀剂的早期水化和膨胀速度较快，但长龄期膨胀性能不稳定，后期收缩增大，不能补偿混凝土后期收缩；(3)普通膨胀剂的膨胀量不可控，难以实现膨胀性能与强度的协调发展，高强混凝土由于强度发展较快，要求膨胀反应开始时间较早且前期膨胀能较大，后期膨胀性能稳定保证构件不脱粘，力学性能稳定；(4)膨胀剂水化需水大，而高强混凝土用水量低，收缩大，因而膨胀剂的水化反应易受用水低的影响而难以实现较高的膨胀效能；(5)处于钢管的封闭条件下，混凝土养护困难，难以提供混凝土和膨胀剂水化所需的水分供给，因而，养护技术也成为制约高强自应力混凝土膨胀性能的关键。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

一种适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂，各组分按质量百分比计为：轻烧氧化镁22％～40％，活性氧化钙12％～25％，煅烧白云石6％～14％，硫铝酸盐水泥熟料18％～30％，天然石膏12％～18％和改性海泡石粉2％～6％。

按上述方案，所述轻烧氧化镁为多孔表面结构，是由菱镁矿经煅烧后置于空气下快速冷却制备而成，所述煅烧为：将菱镁矿置于温度650℃～850℃条件下保温2h。

按上述方案，所述活性氧化钙由石灰石煅烧制备而成，煅烧的温度为1100℃～1250℃，时间为2h，煅烧结束后活性氧化钙的含量为70wt％～85wt％。

按上述方案，所述煅烧白云石由白云石破碎后煅烧制备，所述煅烧为：在100min内升温至650℃～850℃保温1h，继续升温至1050℃～1200℃保温1h。

按上述方案，所述改性海泡石粉是采用无机盐溶液改性所得，其比表面积大于4750m².kg^-1。

按上述方案，所述无机盐溶液为氯化钙溶液。

按上述方案，所述氯化钙溶液的质量分数为15％～20％。

上述适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂的制备方法，包括如下步骤：(1)按各组分配比称取轻烧氧化镁，活性氧化钙，煅烧白云石，硫铝酸盐水泥熟料，天然石膏和改性海泡石粉；(2)首先将硫铝酸盐水泥熟料和天然石膏粉磨40min～50min，然后加入煅烧白云石、轻烧氧化镁、活性氧化钙继续粉磨20～30min，至平均粒径为6μm～10μm，比表面积为350m²/kg～385m²/kg，最后掺入改性海泡石粉混匀即得到适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂。

本发明中，轻烧氧化镁是由菱镁矿煅烧制备，其中菱镁矿中碳酸镁的质量分数为80％～95％，通过低温煅烧、延长保温时间和快速降温，使碳酸镁分解充分并提高其活性，煅烧结束后轻烧氧化镁的质量分数为75％～90％，其在21d空气中养护砂浆的限制膨胀率可以达到0.25％。活性氧化钙由石灰石煅烧制备，煅烧后活性氧化钙的质量分数为70％～85％，活性氧化钙水化速率快，膨胀反应主要发生在前期。煅烧白云石的主要物质组成为氧化钙、过烧氧化镁、过烧固溶体相，需水量少，主要膨胀反应发生在后期，用于补偿混凝土后期收缩，保证膨胀剂膨胀性能的稳定，其在21d空气中养护砂浆的限制膨胀率可以达到0.15％。硫铝酸盐水泥熟料的主要物质组成为硫铝酸钙和铝酸钙，硫铝酸盐水泥熟料和天然石膏的膨胀反应产物为钙矾石，反应主要发生在中期。改性海泡石粉是一种富镁纤维状硅酸盐矿物，内部 微孔多，比表面积可达4750m².kg^-1，采用无机盐溶液改性海泡石粉，特别是质量分数为15％～20％的氯化钙溶液，可显著提高海泡石粉的吸湿容量、改善放湿特性，起到调节混凝土内部湿度和收缩的作用。海泡石晶体成束状纤维，纤维直径多为0.3μm左右，纤维长度多为10μm，改性海泡石粉具有更短的纤维尺寸，有利于分散和改善结构韧性。

上述不同的膨胀组分，由于煅烧后物料的易磨性不尽相同，共同粉磨易出现过细粉磨、膨胀效能下降的问题，因而采用将难磨的硫铝酸盐水泥熟料和石膏先磨，煅烧石灰石粉、轻烧氧化镁和活性氧化钙后磨，改性海泡石粉最后掺入混匀的方法进行膨胀剂制备，并在密封干燥的环境下保存。该复合膨胀剂通过各组分不同水化膨胀特性的设计，得出膨胀性能与高强混凝土强度协调发展，膨胀效能高、水化需水少、膨胀开始时间早，膨胀性能稳定的高效复合膨胀剂。并通过引入养护材料，解决钢管封闭条件下养护困难，膨胀剂和混凝土水化需水难以供给的问题，适用于钢管封闭条件下的高强自应力混凝土的配制。

本发明的有益效果如下：本发明为氧化镁-氧化钙-钙矾石多元复合膨胀剂，通过不同组分的水化膨胀特性的匹配，制备得到的膨胀剂具有膨胀效能高、膨胀开始时间早、长期膨胀性能稳定、水化需水少、自养护的优点；能解决高强自应力钢管混凝土中核心混凝土强度等级要求高、膨胀率值要求高且难以养护的问题，使钢管构件和核心高强混凝土紧密粘结、防止脱粘、脱空，提高构件整体承载力。

附图说明

图1为钢管混凝土中钢管和混凝土的受力分析图。

图2为轻烧氧化镁经粉磨后颗粒的微观SEM照片。

图3为改性海泡石粉微观SEM形貌。

图4为混凝土自由膨胀率曲线。

图5为应变片测点布置图。

图6为C60自应力钢管混凝土的应力-应变测试。

图7为C70高强自应力混凝土的自由膨胀率。

图8为C70自应力钢管混凝土的应力-应变测试。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂，各组分按质量百分比计为：

膨胀剂HEC-a(轻烧氧化镁30％，活性氧化钙17％，煅烧白云石12％，硫铝酸盐水泥熟料22％，天然石膏15％，改性海泡石粉4％)；

膨胀剂HEC-b(轻烧氧化镁22％，活性氧化钙20％，煅烧白云石14％，硫铝酸盐水泥熟料30％，天然石膏12％，改性海泡石粉2％)；

膨胀剂HEC-c(轻烧氧化镁40％，活性氧化钙12％，煅烧白云石6％，硫铝酸盐水泥熟料18％，天然石膏18％，改性海泡石粉6％)。

上述轻烧氧化镁由菱镁矿经破碎、煅烧制备而成，首先将菱镁矿破碎至粒径为1cm～2cm，然后置于煅烧温度为650℃～850℃条件下保温2h，随后置于空气下快速冷却(室温20±2℃)。煅烧后轻烧氧化镁的质量分数为75％～90％，所述轻烧氧化镁为多孔表面结构，所述菱镁矿中碳酸镁的质量分数为80％～95％。

上述活性氧化钙由石灰石煅烧制备，煅烧温度为1100℃～1250℃，煅烧后CaO的含量为70％～85％，活性氧化钙水化速率快，膨胀反应主要在前期。

上述煅烧白云石由白云石煅烧制备而成，所述煅烧为：在100min内升温至650℃～850℃保温1h，继续升温至1050℃～1200℃保温1h。煅烧白云石的主要物质组成为氧化钙、过烧氧化镁、过烧固溶体相，需水量少，主要膨胀反应发生在后期，用于补偿混凝土后期收缩，保证膨胀剂膨胀性能的稳定。

上述改性海泡石粉是一种富镁纤维状硅酸盐矿物，内部微孔多，比表面积可达4750m².kg^-1，采用质量分数为15％～20％的氯化钙溶液改性海泡石粉，可显著提高海泡石粉的吸湿容量、改善放湿特性，起到调节混凝土内部湿度和收缩的作用。海泡石晶体成束状纤维，纤维直径多为0.3μm左右，纤维长度多为10μm，改性海泡石粉具有更短的纤维尺寸，有利于分散和改善结构韧性。

上述适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂的制备方法，包括如下步骤：(1)按各组分配比称取轻烧氧化镁，活性氧化钙，煅烧白云石，硫铝酸盐水泥熟料，天然石膏和改性海泡石粉；(2)首先将硫铝酸盐水泥熟料和天然石膏粉磨40min～50min，然后加入煅烧白云石、轻烧氧化镁、活性氧化钙继续粉磨20～30min，至平均粒径为6μm～10μm，比表面积为350m²/kg～385m²/kg，最后掺入改性海泡石粉混匀即得到适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂。

上述高效复合膨胀，参照《GB/T23439-2009混凝土膨胀剂》进行膨胀性能和强度检测，7d水养的限制膨胀率均大于0.12％，21d空气中养护的膨胀率均大于0.21％；7d抗压强度均大于42Mpa，28d抗压强度均大于60Mpa，满足标准要求。

采用上述高效复合膨胀剂配制C60高强自应力混凝土，凝胶材料总量为560kg，膨胀剂采用内掺，为凝胶材料总量的10％；水泥用量330kg，砂率0.42，水胶比0.27，高效聚羧酸外加剂的掺量为1.8％，膨胀混凝土的抗压强度和工作性能如表1所示。混凝土自由膨胀率测试参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，试件采用塑料薄膜进行隔绝空气恒温养护，利用非接触式定位收缩测试仪，连续采集测试得出混凝土的自由膨胀曲线，如图4所示。

表1 混凝土工作性能及强度测试结果

上述制备的HEC膨胀剂对混凝土的工作性能和强度并无不良影响或影响较小，且能达到较高的膨胀效能，可达到的最大自由膨胀率范围为0.09％～0.11％。如图4所示，膨胀剂HEC-a、HEC-b和HEC-c的主要区别在于膨胀剂原材料组成的质量分数不相同，混凝土的膨胀性能也不尽相同，可据此实现膨胀性能及膨胀量的可控性。

膨胀剂HEC-a、HEC-c与HEC-b相比，轻烧氧化镁的质量百分数提高，而活性氧化钙的质量分数降低，改性海泡石粉的质量分数提高，因而其在3d内的早期膨胀性能受到一定程 度的影响，而7d内的膨胀率涨幅明显，达到较高的总膨胀率值，且后期膨胀性能稳定。活性氧化钙的水化速率快，膨胀反应主要在前期。轻烧MgO比结晶完整的重烧MgO具有更高的早期水化活性和更高的膨胀效能，在水化前、中期即能发生膨胀反应，因而对早期膨胀性能的影响较小，且后期的膨胀性能也较稳定。

适量的自养护材料改性海泡石粉对于混凝土早期的膨胀性能没有不利影响，后期由于混凝土收缩增大，自养护材料的释水特性表现出增大混凝土内部湿度，降低干缩的效果，同时由于改性海泡石粉后期的释水作用，膨胀剂中、后期水化所需水分得到补充供给，因而，可抑制和抵消混凝土后期的收缩性能，因而，HEC-a在前期达到较高膨胀能的同时，后期的膨胀性能也较稳定。

采用上述HEC膨胀剂进行C60自应力钢管混凝土的浇筑，膨胀剂掺量为10％。设计钢管尺寸：直径为165mm，钢管厚度4mm，长度为600mm，钢管底部焊有厚度为20mm的钢板，使得钢管能够平稳，减小外界振动的影响。采用西格玛应力-应变仪测量钢管外壁环向应变和轴向应变，通过黏贴于钢管外壁的应变片传递钢管在自应力混凝土作用下的微变型作用，并通过钢管应变计算得到混凝土的自应力值。钢管混凝土的测点布置如图5所示，在钢管外壁同一垂直高度上焊贴轴向和环向应变片。

在混凝土产生一定膨胀变形的基础上，钢管混凝土中钢管和混凝土的受力分析图见图1，

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{E_S}{1-{{\mathrm{\μ}}_S}^2}({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}+\mathrm{\μ}{\mathrm{\ϵ}}_Z)---\left(1\right)$

${\mathrm{\σ}}_Z=\frac{E_S}{1-{{\mathrm{\μ}}_S}^2}({\mathrm{\ϵ}}_Z+\mathrm{\μ}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\θ}})---\left(2\right)$

其中：σ_θ、σ_Z分别是钢管环向和轴向应力；ε_θ、ε_Z分别为实测环向和轴向应变；E_S,μ_S 分别是钢管的弹性模量和泊松比。

根据图1所示，有：2σ_θt＝2rq，解得核心混凝土径向压应力q为：

$q=\frac{t}{r}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}---\left(3\right)$

式中：r为钢管内径，t为钢管壁厚。 

根据轴向平衡条件A_Sσ_Z＝A_Cσ_CZ，解得核心混凝土轴向压应力σ_cz为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cz}}=\frac{2t}{r}{\mathrm{\σ}}_z---\left(4\right)$

依据上述方程式计算得钢管混凝土径向应力如图6所示。

如图6所示，混凝土在HEC高效膨胀剂的作用下，可达到较高的自应力等级，普通膨胀剂由于膨胀效能较低，一般用于补偿收缩混凝土的配制，难以进行自应力混凝土的配制，所能达到的自应力值一般在1MPa以下，而该发明制备的HEC高效膨胀剂不仅具有较高的膨胀效能，可用于高强自应力钢管混凝土的配制，且能实现较高的自应力等级，其径向自应力的范围可达到2MPa～4MPa。这意味着核心混凝土由于膨胀剂的膨胀反应能达到较大的膨胀能，而这种膨胀效能在钢管的套箍作用下，转化为混凝土与钢管之间的相互作用力，即自应力产生的原因。钢管混凝土的自应力值不仅反映核心混凝土与钢管的结合情况，对于预防钢管混凝土脱空、脱粘，提高构件整体力学性能具有重要的意义。

膨胀剂对C60自应力钢管混凝土自应力的影响与膨胀剂原材料的质量分数具有紧密的联系。如图6所示，改性海泡石粉具有补偿和稳定混凝土后期收缩的作用，因而，自应力值在后期逐渐平衡。活性氧化钙的掺量不易降低明显，否则影响早期膨胀效能，而降低自应力值，轻烧氧化镁的后期稳定性较好，而早期膨胀效能略低于活性氧化钙，因而通过不同原材料组分适当的调整以实现高强自应力钢管混凝土强度与自应力的协调发展，对于改善构件性能具有重要意义。

实施例2

采用上述高效复合膨胀剂进行C70高强自应力混凝土的配制。膨胀剂原料组成及质量配比如下所示：膨胀剂HEC-a(轻烧氧化镁30％，活性氧化钙17％，煅烧白云石12％，硫铝酸 盐水泥熟料22％，天然石膏15％，改性海泡石粉4％)，凝胶材料总量为600kg，膨胀剂采用内掺，分别为凝胶材料总量的6％、8％和10％，取代粉煤灰和矿粉(70％取代粉煤灰，30％取代矿粉)；水泥用量360kg，砂率0.42，水胶比0.24，高效聚羧酸外加剂的掺量为2.3％，C70膨胀混凝土的抗压强度和工作性能如表2所示。

表2 混凝土工作性能及强度测试结果

HEC膨胀剂对于混凝土强度和工作性能的影响如表2所示，膨胀剂掺量增加，混凝土的工作性和强度略有降低，这是由于混凝土较高的膨胀效能造成的，但混凝土仍能达到70MPa以上的强度等级。混凝土的自由膨胀率如图7所示，由于C70混凝土水胶比降低，因而相同膨胀剂掺量下，混凝土的膨胀率值较C60有所降低，膨胀剂掺量分别为6％、8％和10％时，混凝土达到的最大自由膨胀率分别为0.04％、0.055％和0.07％。

采用上述HEC膨胀剂进行C70自应力钢管混凝土的浇筑，膨胀剂掺量分别为8％和10％，钢管尺寸：直径为165mm，钢管厚度4mm，长度为600mm，钢管底部焊有厚度为20mm的钢板，使得钢管能够平稳，减小外界振动的影响。测得钢管混凝土环向应力如图8所示，膨胀剂掺量为8％时，自应力钢管混凝土能达到的自应力值为1.5Mpa～2.0MPa；膨胀掺量为10％时，自应力钢管混凝土能达到的自应力值为2.0MPa～2.5MPa。混凝土强度等级越高，水胶比愈低，因而，普通膨胀剂更难以实现其膨胀性能，满足自应力混凝土的配制，而本发明HEC膨胀剂，能在满足高强度等级的基础上，达到高膨胀效能和较高的自应力值，并克服用水量少、养护苦难的问题，实现高强度自应力钢管混凝土的配制，对于改进高强钢管混凝土构件的力学性能，改善其易脱空、脱粘的结构缺陷，推广其在高强、高层建筑结构中的运用具有重要意义。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。 这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂，其特征在于，各组分按质量百分比计为：轻烧氧化镁22％～40％，活性氧化钙12％～25％，煅烧白云石6％～14％，硫铝酸盐水泥熟料18％～30％，天然石膏12％～18％和改性海泡石粉2％～6％。

2.根据权利要求1所述的适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂，其特征在于，所述轻烧氧化镁为多孔表面结构，是由菱镁矿经煅烧后置于空气下快速冷却制备而成，所述煅烧为：将菱镁矿置于温度650℃～850℃条件下保温2h。

3.根据权利要求1所述的适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂，其特征在于，所述活性氧化钙由石灰石经煅烧制备而成，所述煅烧的温度为1100℃～1250℃，时间为2h。

4.根据权利要求1所述的适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂，其特征在于，所述煅烧白云石由白云石破碎后煅烧制备而成，所述煅烧为：在100min内升温至650℃～850℃保温1h，继续升温至1050℃～1200℃保温1h。

5.根据权利要求1所述的适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂，其特征在于，改性海泡石粉是采用无机盐溶液改性所得，其比表面积大于4750m².kg^-1。

6.根据权利要求1所述的适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂，其特征在于，所述无机盐溶液为氯化钙溶液。

7.权利要求1～6任一所述适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)按各组分配比称取轻烧氧化镁，活性氧化钙，煅烧白云石，硫铝酸盐水泥熟料，天然石膏和改性海泡石粉；(2)首先将硫铝酸盐水泥熟料和天然石膏粉磨40min～50min，然后加入煅烧白云石、轻烧氧化镁、活性氧化钙继续粉磨20～30min，至平均粒径为6μm～10μm，比表面积为350m²/kg～385m²/kg，最后掺入改性海泡石粉混匀即得到适用于高强自应力钢管混凝土的高效复合膨胀剂。