CN105906262B - 一种持续精细膨胀控制钢管混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种持续精细膨胀控制钢管混凝土，主要由硅酸盐水泥、矿物掺和料、级配碎石、河砂、减水组分和膨胀稳定组分制备而成。本发明通过将减水剂与消泡剂和引气剂进行复配可以将新拌混凝土的含气量有效控制在1.0‑2.5％范围内，改善了混凝土的初始流动性能；同时根据实际工程需要，采用将膨胀剂与减缩剂和/或内部湿度补偿剂进行复合的方式有效解决钢管混凝土存在的塑性收缩、自收缩和徐变大、钢管混凝土内部自干燥效应以及膨胀剂中后期膨胀率不足的问题，并进一步改善钢管混凝土含气量大的问题；所得钢管混凝土的膨胀率随龄期持续稳定增长，有利于混凝土与钢管的粘结和混凝土后期强度的强化，且可减少膨胀剂的使用量，适合推广应用。

Description

一种持续精细膨胀控制钢管混凝土

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种持续精细膨胀控制钢管混凝土。

背景技术

钢管混凝土是指将混凝土填充到钢管中，由钢管和核心混凝***同承担荷载的组合结构构件，其技术核心在于利用混凝土与钢管相结合产生的“套箍”效应。由于钢管的套箍，核心混凝土处于三轴受压状态，承载能力和抗变形能力得到极大提升。同时核心混凝土对钢管具有支撑作用，改善了钢管的局部失稳变形，具有承载力高、耐久性好、体积稳定性高、便于施工及经济等优点。因而在现代高层建筑和大跨径拱桥中得到了广泛的应用，包括钢管拱桥、钢管短柱和钢管桁架梁等形式。

但是在钢管混凝土结构中，核心混凝土收缩大，易与钢管发生脱空。核心混凝土由于存在着塑性收缩、自收缩、温度收缩和徐变等收缩，因而容易在混凝土与钢管壁之间出现脱空形成缝隙，使钢管混凝土的弹性模量和承载能力大幅下降，下降幅度可达10％～30％，纵向和侧向变形加剧，对工程造成潜在的安全隐患。高强度和超高强度等级的钢管混凝土由于水灰比低、胶凝材料用量高，混凝土单方用水量小，混凝土的自收缩值相当大，并且发展迅速，对其体积收缩的控制更加困难，更容易在核心混凝土与钢管壁之间形成空腔。其次，核心钢管混凝土水分消耗大，钢管混凝土密闭结构无法又从外界获取胶凝材料水化需水量，易造成内部的自干燥效应而影响胶凝材料特别是膨胀剂的水化，导致混凝土中后期膨胀率不足甚至倒缩，产生不良效果。与此同时，核心混凝土的含气量对钢管壁与混凝土的粘结有很大影响：若核心混凝土气体量过大，在进行钢管混凝土的泵送顶升施工过程中，这些气体极易在泵送压力和混凝土自身重力的作用下吸附于钢管内壁并富集而形成一层气体膜，抵消了核心混凝土的膨胀量，易造成钢管壁与混凝土脱粘。因此，提出一种持续精细膨胀控制的钢管混凝土具有重要的实际应用意义。

发明内容

针对上述钢管混凝土在制备和实际施工中存在的钢管-混凝土“脱空”的问题，本发明提出了一种持续精细膨胀控制钢管混凝土，可有效降低新拌混凝土的含气量，增加混凝土浆体保塑能力，增加混凝土中后期内部湿度和水化能力，保证混凝土持续稳定膨胀效果，确保钢管-混凝土复合组合构件的高承载力和高耐久性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种持续精细膨胀控制钢管混凝土，各组分及用量为：硅酸盐水泥300-500kg/m³、矿物掺和料50-100kg/m³、级配碎石900-1100kg/m³、河砂700-900kg/m³、减水组分5-12kg/m³、膨胀稳定组分25-60kg/m³，水胶比为0.22-0.45；所述持续精细膨胀控制钢管混凝土的设计强度等级为C30-C80。

上述方案中，所述普通硅酸盐水泥为42.5等级；所述矿物掺和料为粉煤灰、硅灰、矿粉中的一种或两种；所述级配碎石由粒径为5-10mm和10-25mm的碎石按4:6-2:8的质量比混合而成。

上述方案中，所述减水组分由高效聚羧酸系减水剂母液、消泡剂和引气剂按100:(0.02-0.10):(0.001-0.005)的质量比复配而成，所述减水组分的有效固含为22-25％。

上述方案中，所述聚羧酸系减水剂母液的有效固含为38-42％。

上述方案中，所述消泡剂可选择环氧乙烷和环氧丙烷嵌段共聚物、聚有机硅氧烷、聚醚改性有机硅氧烷中的一种或多种；所述引气剂为松香树脂类、烷基和烷基芳烃磺酸类、脂肪醇磺酸盐中的一种或多种。

上述方案中，所述膨胀稳定组分根据持续精细膨胀控制钢管混凝土在实际工程中对膨胀率δ_ef的要求进行选择：

1)60天自由膨胀率δ_ef在0.1×10^-4≤δ_ef＜1.9×10^-4范围内时，膨胀稳定组分由减缩剂和膨胀剂复合而成，其中膨胀剂占膨胀稳定组分的质量百分比为90-99％，其余为减缩剂；2)60天自由膨胀率δ_ef在1.9×10^-4≤δ_ef＜2.5×10^-4范围内时，膨胀稳定组分由内部湿度补偿剂和膨胀剂复合而成，其中膨胀剂占膨胀稳定组分的质量百分比为75-95％，其余为内部湿度补偿剂；3)60天自由膨胀率δ_ef在2.5×10^-4≤δ_ef＜3.5×10^-4范围内时，膨胀稳定组分由减缩剂、内部湿度补偿剂和膨胀剂复合而成，其中各组分所占质量百分比为：膨胀剂70-85％，内部湿度补偿剂5-20％，其余为减缩剂。

上述方案中，所述减缩剂为丁醇、聚乙二醇、聚亚丙基二醇、环氧乙烷环氧丙烷无规共聚物、聚醚、聚氧乙烯醚中的一种或多种。

上述方案中，所述内部湿度补偿剂为聚丙烯酸钠高吸水树脂、聚丙烯酰胺高吸水树脂、改性丙烯酸钠丙烯酰胺共聚物、羟乙基纤维素醚、多孔陶粒、硅藻土、浮石、膨胀珍珠岩中的一种或多种。

上述方案中，所述改性丙烯酸钠丙烯酰胺共聚物由以下原料依次经淀粉糊化、自由基引发、接枝共聚(温度50～80℃，中和度50～80％，反应时间2.0～3.5h)、提纯、干燥和粉磨而成，各原料所占质量百分比为：淀粉15～25％、硝酸铈铵和过硫酸铵混合物0.4～2.0％(硝酸铈铵和过硫酸铵的质量比为1:9)、丙烯酰胺单体50～60％、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体15～25％、N,N`-亚甲基双丙烯酰胺0.04～0.16％。

上述方案中，所述膨胀剂为氧化钙类、氧化镁类、硫铝酸盐类、铝酸盐类、硫铝酸钙-氧化钙类复合膨胀剂、铝酸盐-硫铝酸盐类复合膨胀剂、复合纤维类膨胀剂中的一种。

本发明的原理为：

1)本发明通过将高效聚羧酸系减水剂母液、消泡剂和引气剂进行复配的方式来解决聚羧酸系高效减水剂易引起气泡以及气泡大小和含量不易控制的问题，控制新拌钢管混凝土中含气量在1.0-2.5％范围内，保证混凝土良好的初始流动性能，同时也能避免钢管和混凝土由于气泡聚集形成的“脱空”问题；消泡剂主要能削减混凝土拌合物中的大气泡数量，降低水表面张力，使气泡的润湿角减小到直至气泡脱离混凝土与模板界面的吸附而逸出或者破灭；引气剂的掺入可以在混凝土中引入大小均匀且稳定的小气泡，以保证混凝土的施工性能但同时不影响强度和混凝土外观；通过消泡剂和引气剂与高效聚羧酸系减水剂母液的复配，使混凝土中的小气泡因其自身浮力和所受的毛细孔压力小而不易从混凝土中溢出，包裹在内部形成滚珠效应，保障混凝土的流动性，有效避免空气富集形成气膜而造成的核心混凝土与钢管壁脱空的问题。

2)本发明根据实际工程施工对钢管混凝土膨胀率的要求，通过将膨胀剂与膨胀剂和/或内部湿度补偿剂进行复配，可有效解决钢管混凝土塑性收缩、自收缩和徐变大、钢管混凝土内部自干燥效应以及膨胀剂中后期膨胀率不足的问题：从减少混凝土收缩、增加混凝土内部湿度和持续膨胀三方面着手，首先，针对混凝土收缩是由于浆体毛细孔和凝胶孔隙中的水分损失而产生的毛细管张力所造成的，毛细管张力与溶液表面张力呈正比关系的问题，采用减缩剂可大幅减小混凝土孔溶液的表面张力，使混凝土的自收缩与干燥收缩均能受到抑制；在钢管混凝土中掺入内部湿度补偿剂，可保证混凝土内部湿度的供给，使膨胀组分能持续稳定水化；内部湿度补偿剂在早期吸收水分，而在混凝土养护期间，这些吸水材料形成的“微型水库”在适当时候自动释放所吸收水分，提高混凝土内部湿度，从而促进水泥更有效水化，抑制混凝土内部自干燥效应；最后，随着混凝土收缩率尤其是早期收缩率的降低和混凝土中后期内部湿度的增加，膨胀剂可以充分参与水化反应，实现混凝土膨胀持续稳定发展；并且减缩剂和内部湿度补偿剂的添加可以有效减少膨胀剂的使用量，节约成本。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)采用本方法制备的钢管混凝土初始流动性、粘聚性、保塑性优异，含气量为1.0-2.5％，无气泡聚集情况，混凝土膨胀率持续稳定发展，无膨胀倒缩现象发生。

2)采用本方法制备的钢管混凝土可以实现体积膨胀持续有效控制，60d密闭自由膨胀率为(0.5-3.0)×10^-4，膨胀应力0.5-2.5Mpa，保证了钢管与内部核心混凝土的有效结合。

3)在采用本方法可有效减少膨胀剂的使用，降低钢管混凝土的整体成本，体积膨胀性能更加稳定和持续。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合具体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。

以下实施例中，如无具体说明，采用的试剂均为市售化学试剂。

实施例1

一种持续精细膨胀控制的钢管混凝土，用于制备C50钢管混凝土，其配合比见表1，水胶比为0.30。其中，减水组分由聚羧酸系减水剂母液(有效固含为40)、消泡剂和引气剂按100:0.04:0.003的质量比进行复配，然后稀释至固含为25％而成。所述高效聚羧酸系减水剂母液为江苏博特YJ-1减水剂母液；所述消泡剂为市售PAC有机硅类消泡剂；所述引气剂为市售LP.HW10十二烷基醇醚硫酸钠引气剂。

表1实施例1所述C50钢管混凝土的配合比(kg/m³)

本实施例所述水泥为华新水泥；所述矿物掺和料为Ⅱ级粉煤灰；所述内部湿度补偿剂为多孔页岩陶粒，粒径3-5mm，密度900kg/m³，简压强度2.5Mpa，试验前需饱水24h；所述减缩剂为江苏博特生产的型聚醚类减缩剂；所述膨胀剂为天津豹鸣生产的HCSA氧化钙-硫铝酸盐复合高性能混凝土膨胀剂；所述河砂为洞庭湖中砂，表观密度2680kg/m³，细度模数2.8，含泥量0.8％；所述级配碎石由五峰崇阳采石厂生产的粒径为5-10mm和10-25mm的碎石按质量比4:6复配而成，表观密度2720kg/m³，针片状2.8％，压碎值10.5％。

将本实施例制备的持续精细膨胀控制的钢管混凝土进行性能测试，结果见表2；膨胀率变化曲线见表3。

表2实施例1制备的C50钢管混凝土的性能测试结果

表3实施例1制备的C50钢管混凝土自由膨胀率随龄期的变化规律

实施例2

一种持续精细膨胀控制的钢管混凝土，用于制备C50钢管混凝土，其配合比见表4，水胶比为0.28。其中，减水剂组分由高效聚羧酸系减水剂母液(有效固含为42)、消泡剂和引气剂按100:0.06:0.002的质量比进行复配，然后稀释至固含为23％而成。所述高效聚羧酸系减水剂母液为江苏博特YJ-1减水剂母液；所述消泡剂为市售M.2005聚醚改性有机硅氧烷消泡剂；所述引气剂为市售3N70十二烷基醇醚硫酸钠引气剂。

将本实施例制备的持续精细膨胀控制的钢管混凝土进行性能测试，结果见表5；膨胀率变化曲线见表6。

表4实施例2所述C50钢管混凝土的配合比(kg/m³)

本实施例中所述水泥为“三峡牌”水泥；所述矿物掺和料为Ⅱ级粉煤灰与硅灰质量比5:1的混合物；所述河砂为柳州融安河砂，细度模数2.8，含泥量1.2％；所述级配碎石由广西鱼峰公司矿山***生产线生产的粒径为5-10mm和10-25mm的碎石按质量比4:6复配而成石，针片状含量4.1％，压碎值13.7％；所述膨胀剂为湖北武汉三源特种建材厂生产的钢管特用UEA硫铝酸盐膨胀剂；所述内部湿度补偿剂为改性丙烯酸钠丙烯酰胺共聚物，吸水倍率为300％，它由以下原料依次经淀粉糊化、自由基引发、接枝共聚(温度70℃，中和度65％，反应时间3h)、提纯、干燥和粉磨而成，各原料所占质量百分比为：淀粉20％、硝酸铈铵和过硫酸铵混合物1.5％(硝酸铈铵和过硫酸铵的质量比为1:9)、丙烯酰胺单体58.4％、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体20％、N,N`-亚甲基双丙烯酰胺0.10％。

表5实施例2制备的C50钢管混凝土的性能测试结果

表6实施例2制备的C50钢管混凝土自由膨胀率随龄期的变化规律

实施例3

一种持续精细膨胀控制的钢管混凝土，用于制备C80钢管混凝土，其配合比见表7，水胶比为0.24。其中，减水剂组分由高效聚羧酸系减水剂母液(有效固含为40)、消泡剂和引气剂按100:0.08:0.003的质量比进行复配，然后稀释至固含为25％而成。所述聚羧酸系减水剂母液为武汉浩源化学建材有限公司生产的PC-100型聚羧酸系减水剂母液；所述消泡剂为市售VIVID-200(DF3)有机硅类消泡剂；所述引气剂为市售LP.HW10十二烷基醇醚硫酸钠引气剂。

将本实施例制备的持续精细膨胀控制的钢管混凝土进行性能测试，结果见表8；膨胀率变化曲线见表9。

表7实施例3所述C80钢管混凝土的配合比(kg/m³)

本实施例中所述水泥为四川江油市双马牌P.O42.5；所述矿物掺和料为Ⅰ级粉煤灰与硅灰质量比1:1的混合物；所述河砂为华丰料场产中砂，细度模数为2.5，含泥量为0.5％；所述级配碎石由广西鱼峰公司矿山***生产线生产的粒径为5-10mm和10-25mm的碎石按质量比3:7复配而成，针片状含量4.5％，压碎值7.4％；所述膨胀剂为湖北武汉三源特种建材厂生产的钢管特用UEA硫铝酸盐膨胀剂；所述减缩剂为聚乙二醇，分子量1000-2000。

表8实施例3制备的C80钢管混凝土的性能测试结果

表9实施例3制备的C80钢管混凝土自由膨胀率随龄期的变化规律

实施例4

一种持续精细膨胀控制的钢管混凝土，用于制备C30钢管混凝土，其配合比见表10，水胶比为0.42。其中，减水剂组分由高效聚羧酸系减水剂母液(有效固含为39)、消泡剂和引气剂按100:0.05:0.002的质量比进行复配，然后稀释至固含为25％而成。所述聚羧酸系减水剂母液为江苏博特生产的VIVID-500(C)型聚羧酸系减水剂母液；所述消泡剂为市售VIVID-200(DF3)有机硅类消泡剂；所述引气剂为市售脂肪醇磺酸钠引气剂。

将本实施例制备的持续精细膨胀控制的钢管混凝土进行性能测试，结果见表11；膨胀率变化曲线见表12。

表10实施例4所述C30钢管混凝土的配合比(kg/m³)

本实施例中所述水泥为武汉亚东水泥有限公司普通硅酸盐水泥P.O42.5；所述矿物掺和料为武汉阳逻电厂II级干排粉煤灰；所述河砂为湖南岳阳天然河砂，表观密度2636kg/m³，细度模数2.36，含泥量1.7％；所述级配碎石由湖北宜城生产的粒径为5-10mm和10-25mm的石灰石碎石按质量比3:7复配而成，针片状含量2.75％，压碎值12.5％；所述膨胀剂为氧化钙-硫铝酸盐-氧化镁HCEA复合膨胀剂；所述减缩剂为聚氧乙烯醚，分子量300-400。

表11实施例4制备的C30钢管混凝土性的能测试结果

表12实施例4制备的C30钢管混凝土自由膨胀剂随龄期的变化规律

综上所述，本发明通过减水剂复配消泡剂和引气剂的方法可以将新拌混凝土的含气量有效控制在1.0-2.5％范围内，改善了混凝土的初始流动性能；同时添加膨胀稳定组分可有效解决钢管混凝土含气量大和塑性收缩、自收缩和徐变大、钢管混凝土内部自干燥效应以及膨胀剂中后期膨胀率不足的问题。通过设计混凝土龄期膨胀量来选择膨胀稳定组分的组成和掺量充分有效利用膨胀稳定组分的减缩效果，保证了高强钢管混凝土随龄期膨胀率持续稳定增长，有利于混凝土与钢管的粘结和混凝土后期强度的强化，且可一定程度上减少膨胀剂的使用量，适合推广应用。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种持续精细膨胀控制钢管混凝土，各组分及含量为：硅酸盐水泥300-500kg/m³、矿物掺和料50-100kg/m³、级配碎石900-1100kg/m³、河砂700-900kg/m³、减水组分5-12kg/m³、膨胀稳定组分25-60kg/m³，水胶比为0.22-0.45；所述持续精细膨胀控制钢管混凝土的设计强度等级为C30-C80；

所述膨胀稳定组分根据持续精细膨胀控制钢管混凝土实际工程中对膨胀率δ_ef的要求进行选择：1)60天自由膨胀率δ_ef要求为0.1×10^-4≤δ_ef＜1.9×10^-4时，膨胀稳定组分由减缩剂和膨胀剂复合而成，其中膨胀剂占膨胀稳定组分质量的90-99％，其余为减缩剂；2)60天自由膨胀率δ_ef要求为1.9×10^-4≤δ_ef＜2.5×10^-4时，膨胀稳定组分由内部湿度补偿剂和膨胀剂复合而成，其中膨胀剂占膨胀稳定组分质量的75-95％，其余为内部湿度补偿剂；3)60天自由膨胀率δ_ef要求为2.5×10^-4≤δ_ef＜3.5×10^-4时，膨胀稳定组分由减缩剂、内部湿度补偿剂和膨胀剂复合而成，各组分所占质量百分比为：膨胀剂70-85％，内部湿度补偿剂5-20％，其余为减缩剂；

所述减水组分由聚羧酸系减水剂母液、消泡剂和引气剂按100:(0.02-0.10):(0.001-0.005)的质量比复配而成，所述减水组分的固含量为22-25％；所述聚羧酸系减水剂母液的有效固含量为38-42％。

2.根据权利要求1所述的持续精细膨胀控制钢管混凝土，其特征在于，所述硅酸盐水泥为42.5等级；矿物掺和料为粉煤灰、硅灰、矿粉中的一种或多种；级配碎石由尺寸为5-10mm和10-25mm的碎石按4:6-2:8的质量比混合而成。

3.根据权利要求1所述的持续精细膨胀控制钢管混凝土，其特征在于，所述消泡剂可选择环氧乙烷和环氧丙烷嵌段共聚物、聚有机硅氧烷、聚醚改性有机硅氧烷中的一种或多种；所述引气剂为松香树脂类、烷基和烷基芳烃磺酸类、脂肪醇磺酸盐中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的持续精细膨胀控制钢管混凝土，其特征在于，所述减缩剂为丁醇、聚乙二醇、聚亚丙基二醇、环氧乙烷-环氧丙烷无规共聚物、聚醚、聚氧乙烯醚中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的持续精细膨胀控制钢管混凝土，其特征在于，所述内部湿度补偿剂为聚丙烯酸钠高吸水树脂、聚丙烯酰胺高吸水树脂、改性丙烯酸钠丙烯酰胺共聚物、羟乙基纤维素醚、多孔陶粒、硅藻土、浮石、膨胀珍珠岩中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的持续精细膨胀控制钢管混凝土，其特征在于，所述膨胀剂为氧化钙类、氧化镁类、硫铝酸盐类、铝酸盐类、硫铝酸钙-氧化钙类复合膨胀剂、铝酸盐-硫铝酸盐类复合膨胀剂、复合纤维类膨胀剂中的一种。