CN108623251A - 一种用于深海环境的超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于深海环境的超高性能混凝土及其制备方法，该超高性能混凝土的主要组成为：普通硅酸盐水泥573‑596份，精细沉珠286‑298份，硅灰95‑100份，河砂1050‑1093份，膨胀剂28‑30份，钢纤维190‑200份，减水剂18‑20份，水155‑195份。本发明所得超高性能混凝土可以在深海高压、低温及侵蚀性环境下发挥着优良的力学性能和耐久性，相较于普通混凝土更加安全可靠，安全服役寿命更长。

Description

一种用于深海环境的超高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种用于深海环境的超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
随着国民经济的迅猛发展和国防建设的大力发展，传统混凝土难以满足发展的需求。因此，通过材料设计与结构优化，提升与改善混凝土的力学性能，延长混凝土结构服役寿命是亟需解决的重要难题。传统混凝土经历了长期发展，而今超高性能混凝土这一新型建筑材料是建筑材料行业最新发展趋势，超高性能混凝土，通常是指抗压强度大于150MPa、抗拉强度大于7MPa的“超级混凝土”。
在海洋环境下，建筑结构的破坏因素主要有钢筋锈蚀作用、碳化作用、溶蚀作用、盐类侵蚀作用、冻融循环作用、碱集料反应、酸碱侵蚀作用、冲击磨损和机械破坏作用等。其中，在深海作业中，混凝土最主要会受到海水的冲击磨损和机械破坏力学作用以及海水的酸碱侵蚀耐久性问题。
因此，在深海严酷环境下对混凝土材料的性能要求高，包括高强度、高耐久性和高体积稳定性，然而传统的混凝土技术已经无法适应现代海洋工程的要求，迫切需要研究与发展新的具有优良的防水、抗渗耐久性、优异的抗压抗折强度的力学性能的超高性能深海工程混凝土。
发明内容
发明目的：为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于深海环境的超高性能混凝土及其制备方法。
技术方案：为了实现上述目的，本发明公开了一种用于深海环境的超高性能混凝土，其主要由以下重量份比例的原料制成：
普通硅酸盐水泥573-596份
精细沉珠286-298份
硅灰95-100份
河砂1050-1093份
膨胀剂28-30份
钢纤维190-200份
减水剂18-20份
水155-195份
所述的普通硅酸盐水泥为PII·52.5级普通硅酸盐水泥，与聚羧酸系减水剂相容性较好。
所述的精细沉珠呈全球状、连续粒径分布、超细、实心，其中SiO2含量为51％-53％，Al2O3含量为21-23％，Fe2O3含量为3-5％，CaO含量为11-13％。
所述的硅灰中SiO2含量大于等于95％，火山灰活性指数大于95％，比表面积不小于15000m2/kg。
所述的河砂为普通河砂，其细度模数为2.5，粒径为0-5mm，密度为2.55-2.70g/cm3，吸水率为0.6-0.8％。
所述的膨胀剂为钙质膨胀剂，淡黄色粉末，比表面积大于等于200m2/Kg，1.18mm筛筛余小于等于0.5％，限制膨胀率水中7d大于等于0.06％，水中7d转空气中21d大于等于-0.01％。
所述的钢纤维为微丝钢纤维，微丝钢纤维直径大于等于0.2mm，长度大于等于13mm，长径比为64-66，抗拉强度大于等于3000MPa。
所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂，外观呈无色至浅黄色，密度为1.05-1.15g/ml，固含量大于等于40％(质量含量)，pH值为4±2，减水率大于等于33.9％。
所述水为自来水或饮用水，符合《混凝土用水标准》(JGJ63-2006)的要求。
所述用于深海环境的超高性能混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)取普通硅酸盐水泥、精细沉珠、硅灰、膨胀剂混合，搅拌均匀得到混合胶凝材料；
(2)将河砂加入上述混合胶凝材料中，得到均匀料；
(3)向上述均匀料中加入减水剂与水搅拌均匀的水溶剂，得到均匀混合浆体；
(4)向上述混合浆体中加入钢纤维，混合均匀后装模，最后按国家标准成型养护，即可得到所述的绿色超高性能水泥基材料。
步骤(1)中混合原料加入标准水泥胶砂行星搅拌机中，选择高速搅拌档位，混合时间为90-150S；
步骤(2)中普通河砂加入混合胶凝材料中，选择高速搅拌档位，混合时间为60-90S；
步骤(3)中减水剂与水提前混合均匀后加入混合料中，选择高速搅拌档位，搅拌时间为140-200S；
步骤(4)中加入钢纤维后，选择高速搅拌档位，混合时间为90-150S；
本发明用于深海环境的超高性能混凝土，原材料配方设计中充分考虑了各个原材料组分的粒径分布，并且替换了传统的粉煤灰，选用了各项性能指标较好的精细沉珠，其与普通河砂搭配使用效果更佳，大大提高了最终材料的性能。
技术效果：相比现有的普通海工混凝土材料，本发明中充分考虑各种原材料组分的粒径分布，优化设计出一种具有优良力学性能及耐久性的超高性能混凝土，另外相较于之前采用普通粉煤灰设计的高性能混凝土，本发明中使用精细沉珠可有效降低超高性能混凝土的粘度，使硬化混凝土的内部孔结构更加密实，抗渗性能更好。
具体实施方式
下面结合具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
以下实施例中所用原料均为以下要求：
普通硅酸盐水泥为PII·52.5级普通硅酸盐水泥，与聚羧酸系减水剂相容性较好。
精细沉珠呈全球状、连续粒径分布、超细、实心，其中SiO2含量为52％，Al2O3含量为22％，Fe2O3含量为4％，CaO含量为12％。
硅灰中SiO2含量大于等于95％，火山灰活性指数大于95％，比表面积不小于15000m2/kg。
河砂为普通河砂，其细度模数为2.5，粒径为0-5mm，密度为2.62g/cm3，吸水率为0.7％。
膨胀剂为钙质膨胀剂，淡黄色粉末，比表面积大于等于200m2/Kg，1.18mm筛筛余小于等于0.5％，限制膨胀率水中7d大于等于0.06％，水中7d转空气中21d大于等于-0.01％。
钢纤维为微丝钢纤维，微丝钢纤维直径大于等于0.2mm，长度大于等于13mm，长径比为65，抗拉强度大于等于3000MPa。
减水剂为聚羧酸高效减水剂，外观呈无色至浅黄色，密度为1.09g/ml，固含量大于等于40％(质量含量)，pH值为4±2，减水率大于等于33.9％。
水为自来水或饮用水，符合《混凝土用水标准》(JGJ63-2006)的要求。
使用的搅拌机为标准水泥胶砂行星搅拌机。
实施例1
一种用于深海环境的超高性能混凝土材料，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥595.7份、精细沉珠297.9份、硅灰99.3份、普通河砂1092.2份、膨胀剂29.8份、微丝钢纤维195.0份、聚羧酸减水剂19.9份、水158.9份。
制备方法：
(1)称取所需材料，包括：普通硅酸盐水泥、精细沉珠、硅灰、普通河砂、膨胀剂、微丝钢纤维、聚羧酸高效减水剂及自来水；
(2)润湿搅拌机及所使用的工具及模具；
(3)依次将称量好的普通硅酸盐水泥、精细沉珠、硅灰及膨胀剂加入到标准水泥行星搅拌机中，选择高速搅拌档位，高速搅拌120S；
(4)将称量好的河砂加入步骤(3)中的混合胶凝材料中，高速搅拌60S；
(5)取与聚羧酸高效减水剂等量的水与减水剂进行1:1混合，用玻璃棒搅拌数秒，得到均匀的水溶剂。将搅拌均匀的水溶剂的缓慢加入到混合料中，再加入剩余的水，等所有溶剂及水加完后，高速搅拌180S；
(6)停止搅拌机，将称量好的微丝钢纤维加入到混合浆体中，然后启动搅拌机，高速搅拌120S，即可得到所述的绿色超高性能水泥基材料。
实施例2
一种用于深海环境的超高性能混凝土材料，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥584.2份、精细沉珠292.1份、硅灰97.4份、普通河砂1071.0份、膨胀剂29.2份、微丝钢纤维195.0份、聚羧酸减水剂19.5份、水175.2份。
制备方法：
(1)称取所需材料，包括：普通硅酸盐水泥、精细沉珠、硅灰、普通河砂、膨胀剂、微丝钢纤维、聚羧酸高效减水剂及自来水；
(2)润湿搅拌机及所使用的工具及模具；
(3)依次将称量好的普通硅酸盐水泥、精细沉珠、硅灰及膨胀剂加入到标准水泥行星搅拌机中，选择高速搅拌档位，高速搅拌120S；
(4)将称量好的河砂加入步骤(3)中的混合胶凝材料中，高速搅拌60S；
(5)取与聚羧酸高效减水剂等量的水与减水剂进行1:1混合，用玻璃棒搅拌数秒，得到均匀的水溶剂。将搅拌均匀的水溶剂的缓慢加入到混合料中，再加入剩余的水，等所有溶剂及水加完后，高速搅拌180S；
(6)停止搅拌机，将称量好的微丝钢纤维加入到混合浆体中，然后启动搅拌机，高速搅拌120S，即可得到所述的绿色超高性能水泥基材料。
实施例3
一种用于深海环境的超高性能混凝土材料，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥573份、精细沉珠286.5份、硅灰95.5份、普通河砂1050.5份、膨胀剂28.7份、微丝钢纤维195份、聚羧酸减水剂19.1份、水191份。
制备方法：
(1)称取所需材料，包括：普通硅酸盐水泥、精细沉珠、硅灰、普通河砂、膨胀剂、微丝钢纤维、聚羧酸高效减水剂及自来水；
(2)润湿搅拌机及所使用的工具及模具；
(3)依次将称量好的普通硅酸盐水泥、精细沉珠、硅灰及膨胀剂加入到标准水泥行星搅拌机中，选择高速搅拌档位，高速搅拌120S；
(4)将称量好的河砂加入步骤(3)中的混合胶凝材料中，高速搅拌60S；
(5)取与聚羧酸高效减水剂等量的水与减水剂进行1:1混合，用玻璃棒搅拌数秒，得到均匀的水溶剂。将搅拌均匀的水溶剂的缓慢加入到混合料中，再加入剩余的水，等所有溶剂及水加完后，高速搅拌180S；
(6)停止搅拌机，将称量好的微丝钢纤维加入到混合浆体中，然后启动搅拌机，高速搅拌120S，即可得到所述的绿色超高性能水泥基材料。
实施例4
一种用于深海环境的超高性能混凝土材料，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥595.7份、精细沉珠297.9份、硅灰99.3份、普通河砂1092.2份、膨胀剂29.8份、微丝钢纤维190份、聚羧酸减水剂18份、水155份。
制备方法：
(1)称取所需材料，包括：普通硅酸盐水泥、精细沉珠、硅灰、普通河砂、膨胀剂、微丝钢纤维、聚羧酸高效减水剂及自来水；
(2)润湿搅拌机及所使用的工具及模具；
(3)依次将称量好的普通硅酸盐水泥、精细沉珠、硅灰及膨胀剂加入到标准水泥行星搅拌机中，选择高速搅拌档位，高速搅拌90S；
(4)将称量好的河砂加入步骤(3)中的混合胶凝材料中，高速搅拌75S；
(5)取与聚羧酸高效减水剂等量的水与减水剂进行1:1混合，用玻璃棒搅拌数秒，得到均匀的水溶剂。将搅拌均匀的水溶剂的缓慢加入到混合料中，再加入剩余的水，等所有溶剂及水加完后，高速搅拌140S；
(6)停止搅拌机，将称量好的微丝钢纤维加入到混合浆体中，然后启动搅拌机，高速搅拌90S，即可得到所述的绿色超高性能水泥基材料。
实施例5
一种用于深海环境的超高性能混凝土材料，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥595.7份、精细沉珠297.9份、硅灰99.3份、普通河砂1092.2份、膨胀剂29.8份、微丝钢纤维200份、聚羧酸减水剂20份、水195份。
制备方法：
(1)称取所需材料，包括：普通硅酸盐水泥、精细沉珠、硅灰、普通河砂、膨胀剂、微丝钢纤维、聚羧酸高效减水剂及自来水；
(2)润湿搅拌机及所使用的工具及模具；
(3)依次将称量好的普通硅酸盐水泥、精细沉珠、硅灰及膨胀剂加入到标准水泥行星搅拌机中，选择高速搅拌档位，高速搅拌150S；
(4)将称量好的河砂加入步骤(3)中的混合胶凝材料中，高速搅拌90S；
(5)取与聚羧酸高效减水剂等量的水与减水剂进行1:1混合，用玻璃棒搅拌数秒，得到均匀的水溶剂。将搅拌均匀的水溶剂的缓慢加入到混合料中，再加入剩余的水，等所有溶剂及水加完后，高速搅拌200S；
(6)停止搅拌机，将称量好的微丝钢纤维加入到混合浆体中，然后启动搅拌机，高速搅拌150S，即可得到所述的绿色超高性能水泥基材料。
对比例1：
与实施例1相同，不同之处在于，将精细沉珠替换为同等量的精细沉珠与I级粉煤灰混合原料，其中，精细沉珠与I级粉煤灰按2:1混合，其他均不变。
对比例2：
与实施例1相同，不同之处在于，将精细沉珠替换为同等量的精细沉珠与I级粉煤灰混合原料，其中，精细沉珠与I级粉煤灰按1:1混合，其他均不变。
对比例3：
与实施例1相同，不同之处在于，将精细沉珠替换为同等量的精细沉珠与I级粉煤灰混合原料，其中，精细沉珠与I级粉煤灰按1:2混合，其他均不变。
对比例4：
与实施例1相同，不同之处在于，将精细沉珠全部替换为同等量的I级粉煤灰，其他均不变。
性能检测：
对上述实施例1-3及对比例1-4的混凝土拌合物及硬化混凝土性能进行试验，结果如表一。
表一测试结果
由上表一结果可得，与对比例1-4相比较，本发明使用精细沉珠后，仍能满足超高性能水泥基材料的基本指标，并且随着精细沉珠替换量越大，直至完全替代I级粉煤灰，产品流动性、抗压强度、抗折强度等性能均明显提高，内部孔结构也明显改善，抗渗性也显著提高。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案。若本领域普通技术人员对本发明的技术例进行修改或等同替换，而不脱离本发明的宗旨，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种用于深海环境的超高性能混凝土，其特征在于，其主要由以下重量份比例的原料制成：
普通硅酸盐水泥573-596份
精细沉珠286-298份
硅灰95-100份
河砂1050-1093份
膨胀剂28-30份
钢纤维190-200份
减水剂18-20份
水155-195份。
2.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述的普通硅酸盐水泥为PII·52.5级普通硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述的精细沉珠呈全球状、连续粒径分布、超细、实心，其中SiO2含量为51％-53％，Al2O3含量为21-23％，Fe2O3含量为3-5％，CaO含量为11-13％。
4.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述的硅灰中SiO2含量大于等于95％，火山灰活性指数大于95％，比表面积不小于15000m2/kg。
5.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述的河砂为普通河砂，其细度模数为2.5，粒径为0-5mm，密度为2.55-2.70g/cm3，吸水率为0.6-0.8％。
6.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述的膨胀剂为钙质膨胀剂，淡黄色粉末，比表面积大于等于200m2/Kg，1.18mm筛筛余小于等于0.5％，限制膨胀率水中7d大于等于0.06％，水中7d转空气中21d大于等于-0.01％。
7.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述的钢纤维为微丝钢纤维，微丝钢纤维直径大于等于0.2mm，长度大于等于13mm，长径比为64-66，抗拉强度大于等于3000MPa。
8.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂，外观呈无色至浅黄色，密度为1.05-1.15g/ml，固含量大于等于40％(质量含量)，pH值为4±2，减水率大于等于33.9％。
9.权利要求1-8任一项所述的用于深海工程的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取普通硅酸盐水泥、精细沉珠、硅灰、膨胀剂混合，搅拌均匀得到混合胶凝材料；
(2)将河沙加入上述混合胶凝材料中，得到均匀料；
(3)向上述均匀料中加入减水剂与水搅拌均匀的水溶剂，得到均匀混合浆体；
(4)向上述混合浆体中加入钢纤维，混合均匀后装模，最后按国家标准成型养护，即可得到所述的超高性能混凝土。
10.根据权利要求9所述的用于深海环境的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中混合原料加入标准水泥胶砂行星搅拌机中，选择高速搅拌档位，混合时间为90-150S；
步骤(2)中普通河砂加入混合胶凝材料中，选择高速搅拌档位，混合时间为60-90S；
步骤(3)中减水剂与水提前混合均匀后加入混合料中，选择高速搅拌档位，搅拌时间为140-200S；
步骤(4)中加入钢纤维后，选择高速搅拌档位，混合时间为90-150S。
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