CN110981380B - 地下管道用混凝土及其制备方法 - Google Patents

地下管道用混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地下管道用混凝土及其制备方法，按质量份计，该混凝土包括如下组分：胶凝材料200‑240份、天然砂280‑310份、粗骨料380‑420份和激发剂80‑90份，所述胶凝材料包括粉煤灰120‑140份、硅灰40‑50份、矿粉20‑25份和偏高岭土20‑25份。本发明以粉煤灰、矿粉、硅灰和偏高岭土作为原料，在水化过程中不会产生钙钒石，而且由于这些矿物掺合料的钙含量较少，所以引起体积膨胀的石膏含量也很低，进而有利于抗硫酸腐蚀抵抗力的提高，再配合少量碱‑激发剂，大幅度减少了二氧化碳的排放量。

Description

地下管道用混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及地下管道，具体地，涉及一种地下管道用混凝土及其制备方法。
背景技术
随着我国城市化水平的不断提升，着力推进基础设施建设已成为必然趋势，作为城市“血管”的城市排水管网***是不可或缺的基础设施重要组成部分，在城市建设、生产发展、人们生活水平提高以及保障城市的正常运行中起到着重要作用，是城市水污染治理和城市排涝、防洪的关键一环。近年来，随着城市人口激增，生活用水也大大增加，同时水污染程度也随之提高，我国的城市污水管道多以混凝土材料为主，很多地下管道埋地时间过长且缺少防腐措施，在成分复杂的污水常年累月的侵蚀之下，容易产生局部腐蚀和破损，一方面污水渗漏导致土壤和地下水污染，另一方面管道结构功能丧失，严重的会造成路面塌陷。截至2016年末，中国内地的地下管线总长度为346.5万公里，其中，城市地下管线总长度为212.7万公里，占全国地下管线总长度的61.39％。但是近年来，国内城市多次发生地下管道事故，造成严重的生命财产损失，仅2018年下半年国内地下管线相关事故298起。据住建部规划管理中心统计，全国每年由于地下开挖造成的直接经济损失高达2000亿元。
地下管道内污水主要包括工业废水和生活污水。工业废水主要来源于制造业和能源产业的排放，污水中含有大量的腐蚀性酸、碱类无机化合物，主要是是硫化物和各种盐类。生活废水中含有大量的新生有机废物(如粪便)、腐蚀性洗涤用品、浮游微生物。按成分种类不同，污水腐蚀可分为无机物腐蚀、有机物腐蚀和微生物腐蚀，而这之中酸性物质的腐蚀作用是地下管道化学腐蚀产生的重要来源，酸性腐蚀是指酸性水与混凝土中的Ca(OH)2反应生成可溶性的钙盐，这些钙盐通过滤析被带走，造成混凝土侵蚀。除了污水中本身含有的酸性物质以外，微生物的生命活动产生酸性物质被认为是导致地下污水管道腐蚀破坏的主要原因，主要表现为硫酸类腐蚀。
混凝土管道制造主要使用普通硅酸盐水泥，水泥的生产会消耗大量资源和能源，并产生较高的温室气体排放，生产1吨硅酸盐水泥熟料的二氧化碳排放量约1吨，全球每年约8％的二氧化碳排放来自于硅酸盐水泥的生产。开发新型低碳耐腐蚀胶凝材料并推广到管道工程应用将为我国水泥混凝土可持续发展以及城市管网建设提供有力支撑。
发明内容
本发明一方面所要解决的问题是提供一种地下管道用混凝土，该混凝土采用特有的配方取代普通硅酸盐水泥熟料，能够大幅度减少二氧化碳排放量，并且有较好的力学性能和耐久性。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种地下管道用混凝土，该混凝土按质量份计，包括如下组分：胶凝材料200-240份、天然砂280-310份、粗骨料380-420份和激发剂80-90份，所述胶凝材料包括粉煤灰120-140份、硅灰40-50份、矿粉20-25份和偏高岭土20-25份。
优选地，所述粉煤灰为F型1级粉煤灰。
优选地，所述硅灰的比表面积为1800-1900cm2/g。
优选地，所述矿粉为S95级矿粉。
优选地，所述矿粉中含有铜和/或钴。
优选地，所述激发剂包括氢氧化钠溶液和可溶性硅酸钠液体和/或固体，所述激发剂模数为1.5-2.5，其中氧化钠所占胶凝材料质量百分比为4％-8％。
本发明另一方面提供一种地下管道用混凝土的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
1)、按质量份计，将120-140份粉煤灰、40-50份硅灰、20-25份矿粉和20-25份偏高岭土和280-310份天然砂投入搅拌机，混合均匀；
2)、再将80-90份激发剂和380-420份砾石倒入搅拌机搅拌，混合均匀；
3)、将步骤2)制得的混合物装入模具中振捣成型；
4)、在温度为15-25℃的环境中静置1-2天后拆模，拆模后置于温度为18-22℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护至规定龄期。
优选地，在所述步骤1)的各组分投入搅拌机之前，将各组分干燥至恒重。
优选地，所述步骤1)中的矿粉的制备方法为：将Cu(NO3)2或Co(NO3)2加至质量浓度为10％-15％的盐水中，搅拌至完全溶解；在溶液中加入矿粉，在140-160rpm的搅拌速度下搅拌8-10小时；用滤纸将含铜或钴的矿渣分离出来；用烘干机在60-80℃条件下烘干至恒重后研磨成粒径为0.0156-0.0078mm的颗粒。
优选地，所述步骤2)中的激发剂的制备方法为：先将NaOH固体溶于水中，再将溶液与水玻璃混合，充分搅拌后静置20-24小时。
通过上述技术方案，本发明实现了以下有益效果：
(1)本发明以粉煤灰、矿粉、硅灰和偏高岭土作为原料，在水化过程中不会产生钙钒石，而且由于这些矿物掺合料的钙含量较少，所以引起体积膨胀的石膏含量也很低，进而有利于抗硫酸腐蚀抵抗力的提高；
(2)本发明加入少量矿粉，其目的在于矿粉由于钙含量较高，它的加入会产生更多的C-A-S-H凝胶，虽然C-A-S-H凝胶的形成使得混凝土微观结构更加致密，进而提高混凝土强度，但是由于在硫酸环境下的脱钙作用，会使其产生大量石膏，导致体积膨胀，所以掺入一定量的矿粉保证强度；
(3)本发明加入一定量的硅灰，其目的在于，由于矿粉含量较少，粉煤灰较多，混凝土孔隙率很大，硅灰的细微颗粒可以填充在这些间隙当中，改善混凝土微观结构，进而提高强度；
(4)本发明微掺一定量的铜、钴重金属，是因为它们的加入能抑制石膏的形成，降低孔隙率，抑制细菌生长，减少腐蚀深度；
(5)本发明利用激发剂配合粉煤灰、矿粉、硅灰和偏高岭土，取代普通硅酸盐水泥熟料，大幅度减少了二氧化碳的排放量。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
1)、制备激发剂
将8mol/L的氢氧化钠溶液与由湖南荷塘化工有限公司生产的液体水玻璃混合，充分搅拌后静置20小时，激发剂模数(激发剂中SiO2与Na2O的当量的摩尔比)为1.5，控制其中氧化钠质量控制在胶凝材料(本发明中胶凝材料有粉煤灰、硅灰、矿粉和偏高岭土，下同)的4％，可根据条件通过计算确定氢氧化钠溶液与液体水玻璃的用量。
2)、制备含Cu/Co矿粉
将20g的Cu(NO3)2加入到1L浓度为10％的盐水中，搅拌至完全溶；在溶液中加入50g矿粉，在150rpm的搅拌速度下搅拌8小时；用定性滤纸将含铜矿渣分离出来；用烘干机在80℃条件下烘干至恒重；研磨成粒径为0.0156-0.0078mm的细粉；
将20g的Co(NO3)2加入到1L浓度为10％的盐水中，搅拌至完全溶；在溶液中加入50g矿粉，在150rpm的搅拌速度下搅拌8小时；用定性滤纸将含钴矿渣分离出来；用烘干机在80℃条件下烘干至恒重；研磨成粒径为0.0156-0.0078mm的细粉。
3)、胶凝材料前处理
将粉煤灰、硅灰、矿粉和偏高岭土干燥至恒重。
4)、制备混凝土
按质量份计，将120份粉煤灰(F型1级粉煤灰，下同)、40份硅灰(比表面积1800cm2/g)、20份矿粉(S95级矿粉，下同)和20份偏高岭土和280份天然砂(选用河沙，堆积密度为1610kg/m3，表观密度为2700kg/m3，下同)投入搅拌机，混合均匀；再将80份激发剂和380份砾石(采用连续级配，颗粒粒径为5-20cm，堆积密度为1520kg/m3，表观密度为2730kg/m3，下同)倒入搅拌机搅拌，混合均匀；将制得的混合物分装入到100×100×100mm的塑料模具中，采用机械振捣成型；在温度为15℃的环境中静置1天后拆模，拆模后置于温度为18℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护28d。
实施例2
1)、制备激发剂
将8mol/L的氢氧化钠溶液与由湖南荷塘化工有限公司生产的可溶性固体水玻璃混合，充分搅拌后静置24小时，激发剂模数为2.5，控制其中氧化钠质量控制在胶凝材料的8％，可根据条件通过计算确定氢氧化钠溶液与液体水玻璃的用量。
2)、制备含Cu/Co矿粉
将20g的Cu(NO3)2加入到1L浓度为15％盐水中，搅拌至完全溶；在溶液中加入50g矿粉，在150rpm的搅拌速度下搅拌8小时；用定性滤纸将含铜矿渣分离出来；用烘干机在60℃条件下烘干至恒重；研磨成粒径为0.0156-0.0078mm的细粉；
将20g的Co(NO3)2加入到1L浓度为10％的盐水中，搅拌至完全溶；在溶液中加入50g矿粉，在150rpm的搅拌速度下搅拌8小时；用定性滤纸将含钴矿渣分离出来；用烘干机在60℃条件下烘干至恒重；研磨成粒径为0.0156-0.0078mm的细粉。
3)、胶凝材料前处理
将粉煤灰、硅灰、矿粉和偏高岭土干燥至恒重。
4)、制备混凝土
按质量份计，将140份粉煤灰、50份硅灰(比表面积1900cm2/g)、25份矿粉和25份偏高岭土和310份天然砂投入搅拌机，混合均匀；再将90份激发剂和420份砾石倒入搅拌机搅拌，混合均匀；将制得的混合物分装入到100×100×100mm的塑料模具中，采用机械振捣成型；在温度为25℃的环境中静置2天后拆模，拆模后置于温度为22℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护28d。
实施例3
1)、制备激发剂
将8mol/L的氢氧化钠溶液与由湖南荷塘化工有限公司生产的液体水玻璃混合，充分搅拌后静置22小时，激发剂模数为2，控制其中氧化钠质量控制在胶凝材料的6％，可根据条件通过计算确定氢氧化钠溶液与液体水玻璃的用量。
2)、制备含Cu矿粉
将20g的Cu(NO3)2加入到1L浓度为12％盐水中，搅拌至完全溶；在溶液中加入50g矿粉，在150rpm的搅拌速度下搅拌8小时；用定性滤纸将含铜矿渣分离出来；用烘干机在70℃条件下烘干至恒重；研磨成粒径为0.0156-0.0078mm的细粉。
3)、胶凝材料前处理
将粉煤灰、硅灰、矿粉和偏高岭土干燥至恒重。
4)、制备混凝土
按质量份计，将130份粉煤灰、45份硅灰(比表面积1850cm2/g)、22份矿粉和22份偏高岭土和300份天然砂投入搅拌机，混合均匀；再将85份激发剂和400份砾石倒入搅拌机搅拌，混合均匀；将制得的混合物分装入到100×100×100mm的塑料模具中，采用机械振捣成型；在温度为20℃的环境中静置1天后拆模，拆模后置于温度为20℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护28d。
实施例4
1)、制备激发剂
将8mol/L的氢氧化钠溶液与由湖南荷塘化工有限公司生产的液体和可溶性固体水玻璃(液体、固体质量各占一半)混合，充分搅拌后静置23小时，激发剂模数为2.2，控制其中氧化钠质量控制在胶凝材料的7％。
2)、制备含Co矿粉
将20g的Co(NO3)2加入到1L浓度为13％盐水中，搅拌至完全溶；在溶液中加入50g矿粉，在150rpm的搅拌速度下搅拌8小时；用定性滤纸将含铜矿渣分离出来；用烘干机在80℃条件下烘干至恒重；研磨成粒径为0.0156-0.0078mm的细粉。
3)、胶凝材料前处理
将粉煤灰、硅灰、矿粉和偏高岭土干燥至恒重。
4)、制备混凝土
按质量份计，将135份粉煤灰、48份硅灰(比表面积1880cm2/g)、23份矿粉和23份偏高岭土和290份天然砂投入搅拌机，混合均匀；再将83份激发剂和390份砾石倒入搅拌机搅拌，混合均匀；将制得的混合物分装入到100×100×100mm的塑料模具中，采用机械振捣成型；在温度为18℃的环境中静置1天后拆模，拆模后置于温度为21℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护28d。
对比例1
1)、制备激发剂
将8mol/L的氢氧化钠溶液与由湖南荷塘化工有限公司生产的液体水玻璃混合，充分搅拌后静置22小时，激发剂模数为2，控制其中氧化钠质量控制在胶凝材料的6％。
2)、胶凝材料前处理
将粉煤灰、硅灰、矿粉和偏高岭土干燥至恒重。
3)、制备混凝土
按质量份计，将130份粉煤灰、45份硅灰(比表面积1850cm2/g)、22份矿粉和22份偏高岭土和300份天然砂投入搅拌机，混合均匀；再将85份激发剂和400份砾石倒入搅拌机搅拌，混合均匀；将制得的混合物分装入到100×100×100mm的塑料模具中，采用机械振捣成型；在温度为20℃的环境中静置1天后拆模，拆模后置于温度为20℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护28d。
对比例2
1)、制备激发剂
将8mol/L的氢氧化钠溶液与由湖南荷塘化工有限公司生产的液体水玻璃混合，充分搅拌后静置22小时，激发剂模数为2，控制其中氧化钠质量控制在胶凝材料的6％。
2)、胶凝材料前处理
将粉煤灰、硅灰和偏高岭土干燥至恒重。
3)、制备混凝土
按质量份计，将130份粉煤灰、45份硅灰(比表面积1850cm2/g)和22份偏高岭土和300份天然砂投入搅拌机，混合均匀；再将85份激发剂和400份砾石倒入搅拌机搅拌，混合均匀；将制得的混合物分装入到100×100×100mm的塑料模具中，采用机械振捣成型；在温度为20℃的环境中静置1天后拆模，拆模后置于温度为20℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护28d。
对比例3
1)、制备激发剂
将8mol/L的氢氧化钠溶液与由湖南荷塘化工有限公司生产的液体水玻璃混合，充分搅拌后静置20小时，激发剂模数为2，控制其中氧化钠质量控制在胶凝材料的6％。
2)、制备含Cu/Co矿粉
将20g的Cu(NO3)2加至1L浓度为12％的盐水中，搅拌至完全溶；在溶液中加入50g矿粉，在150rpm的搅拌速度下搅拌8小时；用定性滤纸将含铜矿渣分离出来；用烘干机在40℃条件下烘干至恒重；研磨成粒径为0.0156-0.0078mm的细粉。
3)、胶凝材料前处理
将粉煤灰、矿粉和偏高岭土干燥至恒重。
4)、制备混凝土
按质量份计，将130份粉煤灰、22份矿粉和22份偏高岭土和300份天然砂投入搅拌机，混合均匀；再将85份激发剂和400份砾石倒入搅拌机搅拌，混合均匀；将制得的混合物分装入到100×100×100mm的塑料模具中，采用机械振捣成型；在温度为20℃的环境中静置1天后拆模，拆模后置于温度为20℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护28d。
对比例4
制备普通混凝土
按质量份计，将174份普通硅酸盐水泥，300份天然砂投入搅拌机，混合均匀；再将85份水和400份砾石倒入搅拌机搅拌，混合均匀；将制得的混合物分装入到100×100×100mm的塑料模具中，采用机械振捣成型；在温度为20℃的环境中静置1天后拆模，拆模后置于温度为20℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护28d。
性能检测：
分别对实施例1至4和对比例1至4中方法制得的混凝土进行如下试验：
(1)防腐和耐久性试验
根据《GB50224-2010建筑防腐蚀工程施工质量验收规范》规定的试验方法，将成型后的试块放入40％工业硫酸溶液中，浸泡温度为20-25℃、浸泡28昼夜后取出，用水冲洗并阴干24小时，观察试块有无起鼓、发酥、有裂纹、有掉角。
根据GB/T50082-2009普通混凝土长期性和耐久性试验方法标准，试块成型28d后，用石蜡密封后放入混凝土渗透测定仪中检测渗水高度，检测结果如表1所示。
(2)孔隙率检测
根据BS ISO 15901-1:2005《英国标准协会：用压汞法和气体吸附法评价固体材料的孔径分布和孔隙率》，用压汞法对此高抗酸低碳混凝土的孔隙结构进行评估，以获得其孔隙率。
(3)强度检测
根据GB50107-2010《混凝土强度检验评定标准》，立方体抗压强度标准值为按标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件，用标准试验方法在18d龄期测得的混凝土抗压强度总体分布中的一个值，强度低于该值的概率应为5％。
(4)碳排放检测
碳排放量的计算包含了每一项活动中产生CO2、CH4、NO等温室气体的释放量，同时考虑燃料完全燃烧时的能量散失，产生的温室气体类型以及各自的全球变暖影响趋势值。
CO2-e＝Q×EC×GWP
CO2-e为CO2-emission，即CO2排放量，Q为完成某项活动时的燃料用量(kg)，EC是用于某项活动的燃料的能量(J/kg)，GWP为全球变暖趋势值，指的是完成特定活动时排放的温室气体排放量的总和(kg/J)。数据来源于澳大利亚国家温室气体核算数据库。
表1各实施例中混凝土性能检测结果
Figure BDA0002328766590000111
从上表可以看出，采用本发明的组分和方法制备的混凝土防腐性和耐久性均较优，孔隙率大大降低，强度大大提高，碳排放量大幅减少。
以上结合实施例详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (7)

1.一种地下管道用混凝土，其特征在于，按质量份计，原料组分为：胶凝材料200-240份、天然砂280-310份、粗骨料380-420份和激发剂80-90份，所述粗骨料为砾石，所述胶凝材料由粉煤灰120-140份、硅灰40-50份、矿粉20-25份和偏高岭土20-25份组成，所述激发剂包括氢氧化钠溶液和可溶性硅酸钠液体和/或固体，所述激发剂模数为1.5-2.5，其中氧化钠所占胶凝材料质量百分比为4%-8%；所述矿粉中含有铜和/或钴，所述含有铜和/或钴的矿粉的制备方法为：将Cu（NO3）2和/或Co（NO3）2加至质量浓度为10%-15%的盐水中，搅拌至完全溶解；在溶液中加入矿粉，在140-160rpm的搅拌速度下搅拌8-10小时；用滤纸将含铜或钴的矿渣分离出来；用烘干机在60-80℃条件下烘干至恒重后研磨成粒径为0.0156-0.0078mm的颗粒。
2.根据权利要求1所述的地下管道用混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为F型1级粉煤灰。
3.根据权利要求1所述的地下管道用混凝土，其特征在于，所述硅灰的比表面积为1800-1900cm2/g。
4.根据权利要求1所述的地下管道用混凝土，其特征在于，所述矿粉为S95级矿粉。
5.一种如权利要求1所述的地下管道用混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）、按质量份计，将120-140份粉煤灰、40-50份硅灰、20-25份矿粉和20-25份偏高岭土和280-310份天然砂投入搅拌机，混合均匀；
2）、再将80-90份激发剂和380-420份砾石倒入搅拌机搅拌，混合均匀；
3）、将步骤2）制得的混合物装入模具中振捣成型；
4）、在温度为15-25℃的环境中静置1-2天后拆模，拆模后置于温度为18-22℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护至规定龄期。
6.根据权利要求5中所述的地下管道用混凝土的制备方法，其特征在于，在所述步骤1）的各组分投入搅拌机之前，将各组分干燥至恒重。
7.根据权利要求5中所述的地下管道用混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中的激发剂的制备方法为：先将NaOH固体溶于水中，再将溶液与水玻璃混合，充分搅拌后静置20-24小时。
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