CN115611595A - 一种固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变c50混凝土 - Google Patents
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Abstract
一种固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土，本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土。混凝土由按重量份数由280～320份水泥、160～200改性掺合料、740～780份机制砂、1000～1100份粗集料、4.5～5份减水剂和140～150份水组成。本发明100％替代天然砂石骨料，通过大量改性掺合料，有效解决机制砂石骨料工作性能差的问题，能获得较好的塌落度，实现超高泵送。采用改性掺合料固废大掺量，实现低水泥高标号，并且显著降低水化热，有效降低收缩徐变。本发明用于地形复杂山区建设特大斜拉桥的超高主塔。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土。
背景技术
特大斜拉桥的跨度大，且主塔超高，且由于往往在山区，更缺乏天然砂石骨料。因此，需要大量采用机制砂石骨料；然而，混凝土要求的标号高，为保证混凝土结构实体具有较高的强度，配制混凝土时，要保证有足够的强度富余系数；另外，还要求有较高的流动性和较小的黏度。同时由于泵送高度大、距离长，且钢筋较密并夹有钢板，因此要求混凝土流动性要高，而且要有较小的黏度，以利于降低泵送压力。尤其是要求混凝土有良好的防收缩徐变性能。
然而上述性能要求同时存在，为其同时实现带来了很大矛盾和难度。高强混凝土水灰比低，胶凝材料等细颗粒总量多，内聚性较高，在泵管内作塞形运动时阻碍形成合适的润滑层，导致流动阻力增加；表现在混凝土性能上就是混凝土的黏度较大，而且比普通低强度等级混凝土要大的多。另外，黏度较高也不利于混凝土的浇筑和密实，这也是高强混凝土的致命弱点。因此，在高强混凝土配制与施工过程中要解决以下几个主要矛盾问题：
首先，黏度与和易性之间的矛盾；泵送失败的两个主要原因是摩擦阻力大和离析；因此配合比设计不良的混凝土需要更大输送能力的泵，且更易堵塞管道；摩擦阻力正比于混凝土的黏度、流速与管道的粗糙程度等，黏度大则泵送阻力大，且泵的吸入效率也会降低。黏度较大是高强混凝土的共性，因此提高高强混凝土可泵性的技术关键是降低混凝土内聚性，降低混凝土的黏度。可是，当坍落度增大而黏度降低时，其和易性也会有所降低。尤其是在高坍落度的情况下，可能出现离析等和易性变差的现象。
其次，坍落度与扩展度泵送损失的矛盾。长距离泵送混凝土，经过泵送挤压后，坍落度、扩展度、黏度和流动性等都会损失，损失率随着泵送距离的增加而进一步加大；即便是自密实性能很好的混凝土，通过泵送后，在泵送至所浇筑的部位后能否达到自密实性能也是一个问题；以及混凝土的高流动性与超高抗压强度保证的矛盾。现有材料很难***解决这一系列矛盾问题。
发明内容
本发明为解决上述问题，而提供一种固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土。
本发明一种固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土按重量份数由280～320份水泥、160～200改性掺合料、740～780份机制砂、1000～1100份粗集料、4.5～5份减水剂和140～150份水组成；该混凝土的塌落度为170～200mm，砂率为40～43％，水胶比为0.27～0.33，容重为2400～2500kg/m3。
本发明的有益效果：
本发明不仅实现改性掺合料固废大掺量，实现低水泥高标号，并且显著降低水化热，有效降低收缩徐变。
采用机制砂和机制碎石100％替代天然砂石骨料，通过大量改性掺合料，有效解决机制砂石骨料工作性能差的问题，进而获得较好的塌落度，实现超高泵送。利用机制砂石骨料的机械咬合作用，不仅确保高标号强度，而且进一步显著改善混凝土收缩徐变。本发明通过严格的级配设置，有效改善堆积模型，保障100％采用机制砂和机制碎石代替天然砂石骨料，制备出低水泥含量的高标号混凝土，制备出的混凝土抗压强度普遍高于60MPa，不仅适于超高泵送，而且有效解决高塔水泥混凝土收缩徐变问题。
本发明水泥、粉煤灰、矿渣粉采用较低的比表面积，较好地调整了放热速率，并整体降低放热量，并且通过C2S和C3S的量，降低水化热同时解决高标号混凝土收缩徐变，而且保障高标号混凝土的强度。
本发明通过设计机制砂的级配，确保机制砂的强度和弹性模量，尤其通过严格控制堆积密度、孔隙率和吸水率，不仅提高混凝土强度、更是显著降低高标号混凝土收缩徐变。尤其通过控制5～10mm和10～20mm的级配、堆积密度、孔隙率、针片状含量，不仅改善高标号混凝土的收缩徐变，而且确保混凝土的工作性能，实现超高泵送顺利施工。
附图说明
图1为混凝土强度与水灰比关系曲线；
图2为剑黎高速公路南孟溪特大桥照片；
图3为剑黎高速公路南孟溪特大桥立面图；
图4为试样1单位面积贯入阻力与测试时间关系曲线；
图5为试样2单位面积贯入阻力与测试时间关系曲线；
图6为试样3单位面积贯入阻力与测试时间关系曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土按重量份数由280～320份水泥、160～200改性掺合料、740～780份机制砂、1000～1100份粗集料、4.5～5份减水剂和140～150份水组成；该混凝土的塌落度为170～200mm，砂率为40～43％，水胶比为0.27～0.33，容重为2400～2500kg/m3。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述水泥为P.O42.5水泥，比表面积为300～350m2/kg，C2S含量为35～40％，C3S含量为40～50％。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述改性掺合料包括粉煤灰、矿渣、CFB脱硫灰和硅灰；所述粉煤灰、矿渣、CFB脱硫灰和硅灰的相对质量比为(40～50):(70～80):(20～30):(30～40)。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述粉煤灰为F类Ⅱ级，比表面积为300～350m2/kg，需水量比为100～105％。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述矿渣粉等级为S105，比表面积为300～350m2/kg，需水量比为95～100％。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述CFB脱硫灰的比表面积为300～350m2/kg，需水量比为95～105％；所述CFB脱硫灰中SiO2含量为50～65％，Al2O3含量为15～25％，CaO含量为5～12％，Fe2O3含量为3～5％。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述硅灰中SiO2含量为85～95％，含水率为1.5～2.5％，烧失量为2～4％。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述机制砂的粒径≤4.75mm，所述机制砂的加工母料岩石抗压强度为150～350MPa，细度模数为2.8～3.2；所述机制砂中各粒径质量配合比为：粒径≤0.075mm的含量为2～5％、粒径为0.075～0.15mm的含量为2～5％、粒径为0.15～0.3mm的含量为6～8％、粒径为0.3～0.6mm的含量为19～21％、粒径为0.6～1.18mm的含量为18～22％，粒径为1.18～2.36mm的含量为28～32％、粒径为2.36～4.75mm的含量为18～22％；
所述机制砂的Cl含量≤0.01％，SO3含量≤0.1％，云母含量≤0.5％，轻物质含量≤0.5％；堆积密度为1600～1700g/cm3，表观密度为2650～2750g/cm3，含泥量≤0.2％，坚固性为3～5％，孔隙率为35～40％，石粉含量≤0.7％，压碎值为15～20％，吸水率为0.80～0.85％。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述粗集料是由粒径为5～10mm的机制碎石和粒径为10～20mm的机制碎石混合而成，所述5～10mm的机制碎石和粒径为10～20mm的机制碎石的质量比为(2.8～3.2):(6.8～7.2)；所述粗集料的加工母料岩石抗压强度为100～350MPa，堆积密度为1350～1450g/cm3，表观密度为2650～2750g/cm3，孔隙率为40～45％，含泥量≤0.2％，针片状含量≤8％。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述减水剂为高性能缓凝型减水剂，减水率为25～30％，泌水率比为40～50％。其它与具体实施方式一相同。
通过以下试验验证本发明的效果：
实施例：固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土按重量份数由312份水泥、168份改性掺合料、763份机制砂、1053份粗集料、4.8份减水剂和144份水组成水泥采用贵州锦屏和泰水泥有限公司P.O42.5水泥，各项实测性能指标见下表：
表1水泥实测性能指标
粉煤灰采用贵州黔东火电厂F类Ⅱ级灰；试验检测报告如下：
机制砂采用黎平鑫坤石料有限公司粒径≤4.75mm的机制砂；筛分结果为中砂，各项性能指标如下：
表2机制砂各项实测性能指标
机制砂细度模数检测指标如下：
表3机制砂细度模数检测指标
粗集料采用黎平鑫坤石料有限公司机制碎石5～20mm；其中5～10mm和10～20mm的碎石掺配比例为3:7；检测结果如下：
表4粗集料各项实测性能指标
机制砂有害成分检测结果如下：
表5机制砂有害成分检测结果
减水剂采用贵州凯襄新材料有限公司高性能减水剂缓凝型，检测结果如下：
表6高性能减水剂缓凝型检测结果
水采用江水，检测结果如下：
表7江水试验检测结果
成型时采用不变水量法，另外两个配合比的水胶比基准配合比分别增加和减少0.05，砂率按递增1％、递减1％进行适配，混凝土配合比时间强度检测结果表如下：
表8混凝土配合比时间强度检测结果
| 水灰比 | 7天抗压强度MPa | 28天抗压强度MPa |
| 0.25 | 58.5 | 67.4 |
| 0.30 | 53.9 | 63.4 |
| 0.35 | 48.7 | 59.2 |
混凝土强度与水灰比关系曲线如图1所示：
根据混凝土试拌工作性能及28d室内试验结果，如表9所示。
表9C50混凝土最优配合比
在系列工程中采用实施例所述比例进行施工建设，下面以南孟溪特大桥为例进行论述。
贵州剑黎高速公路南孟溪特大桥位于贵州省黔东南自治州剑河县南加镇起止里程K34+815.0K35+802.5横跨清水江支流南孟溪，距三板溪电站大坝约27公里是剑黎高速公路的控制性工程。大桥立面图如图3所示。
桥梁全长987.5m，孔跨布置为2×30m+(160+360+160m+6×40m。主桥为160+360+160m双塔双索面预应力混凝土斜拉桥全桥共152根钢绞线斜拉索，主梁采用双边箱断面，桥面全宽29.5m梁高3.0m，标准节段长度9.0m3#主塔高度244.5m4主塔高度253.5m主塔承台尺寸35m×29m×6.5m，下设30根直径2.8m桩基础。
桩基础根据地质条件采用旋挖钻成孔、人工挖孔工艺；主塔采用液压爬模施工，分节浇筑高度6m；主梁采用前支点挂篮施工，最大悬浇节段重量约630t。
有害物质检测，混凝土配合比Cl-含量、碱含量和SO3含量如下：
Cl含量合计0.168kg/m3，胶凝材料重量500kg/m3，占胶凝材料总量0.03％。
碱含量合计2.05kg/m3，小于2.1kg/m3。
SO3含量合计10.722kg/m3，胶凝材料重量500kg/m3，占胶凝材料总量2.14％。
工程项目水泥混凝土配合比设计试验检测记录如下：
表10混凝土拌合物稠度实验监测结果
表11混凝土表观密度测试结果
对混凝土进行凝结时间测试，给出三组试样的测试结果，单位面积贯入阻力与测试时间关系曲线如图4、图5和图6所示，试样1的初凝时间为04:39、终凝时间为07：42，试样2的初凝时间为04:30、终凝时间为07：36；试样3的的初凝时间为04:35、终凝时间为07：40；平均初凝时间为04:35、平均终凝时间为07：40；凝结时间测试结果见表12。
表12混凝土凝结时间测试结果
总结：
本申请的科技成果在多个重大工程中得到应用，其中南孟溪特大桥的两座主塔高度244.5m、253.5m，采用矿物掺合料固废大掺量凝土，大幅减少水泥用量，不仅成本大幅降低，而且碳排放也显著降低。
由于工程在偏远山区，就地取材，采用100％机制砂和机制碎石替代天然砂石骨料，采用粉煤灰、硅灰、矿渣粉、减水剂，不仅达到高标号混凝土的力学要求，更解决了机制砂石骨料工作性能差的问题，获得十分理想的塌落度，实现超高泵送。
采用固废大掺量、机制砂、机制碎石实现了低水泥高标号，不仅显著降低水化热，而且采用高弹性、低吸水了的机制砂石骨料，通过最优的级配，有效降低收缩徐变。
首次提出提高机制砂和机制碎石的比重，利用机制砂石骨料的机械咬合作用，确保高标号混凝土的强度，而且显著改善混凝土收缩徐变。然而对于超高泵送确实巨大挑战，通过精准的级配控制以及掺合料的添加，在不影响初凝时间的情况下，能够对棱角进行一定的包裹，对实现超高泵送起到关键作用。
通过系列正交实验和优化设计，获得最佳配比，保障100％采用机制砂石骨料代替天然砂石骨料制备、低水泥含量的高标号混凝土，混凝土抗压强度普遍高于60MPa，不仅适于超高泵送，而且有效解决高塔水泥混凝土收缩徐变问题。
水泥、粉煤灰、矿渣粉采用较低的比表面积，较好地调整了放热速率，并整体降低放热量，并且通过严格控制C2S和C3S的量以及比表面积，才能有效降低水化热，解决高标号混凝土收缩徐变，而且保障高标号混凝土的强度。
通过优化设计机制砂的最佳级配，确保机制砂的强度和弹性模量，尤其通过严格控制堆积密度、孔隙率和吸水率，不仅提高混凝土强度、更是显著降低高标号混凝土收缩徐变。
通过紧密堆积模型和正交实验，优化设计机制碎石的最佳级配，尤其通过控制5～10mm和10～20mm的级配、堆积密度、孔隙率、针片状含量不仅改善高标号混凝土的收缩徐变，而且确保混凝土的工作性能，实现超高泵送顺利施工。
Claims (10)
1.一种固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土，其特征在于固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土按重量份数由280～320份水泥、160～200改性掺合料、740～780份机制砂、1000～1100份粗集料、4.5～5份减水剂和140～150份水组成；该混凝土的塌落度为170～200mm，砂率为40～43％，水胶比为0.27～0.33，容重为2400～2500kg/m3。
2.根据权利要求1所述的一种固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土，其特征在于所述水泥为P.O42.5水泥，比表面积为300～350m2/kg，C2S含量为35～40％，C3S含量为40～50％。
3.根据权利要求1所述的一种固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土，其特征在于所述改性掺合料包括粉煤灰、矿渣、CFB脱硫灰和硅灰；所述粉煤灰、矿渣、CFB脱硫灰和硅灰的相对质量比为(40～50):(70～80):(20～30):(30～40)。
4.根据权利要求3所述的一种固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土，其特征在于所述粉煤灰为F类Ⅱ级，比表面积为300～350m2/kg，需水量比为100～105％。
5.根据权利要求3所述的一种固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土，其特征在于所述矿渣粉等级为S105，比表面积为300～350m2/kg，需水量比为95～100％。
6.根据权利要求3所述的一种固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土，其特征在于所述CFB脱硫灰的比表面积为300～350m2/kg，需水量比为95～105％；所述CFB脱硫灰中SiO2含量为50～65％，Al2O3含量为15～25％，CaO含量为5～12％，Fe2O3含量为3～5％。
7.根据权利要求3所述的一种固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土，其特征在于所述硅灰中SiO2含量为85～95％，含水率为1.5～2.5％，烧失量为2～4％。
8.根据权利要求1所述的一种固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土，其特征在于所述机制砂的粒径≤4.75mm，所述机制砂的加工母料岩石抗压强度为150～350MPa，细度模数为2.8～3.2；所述机制砂中各粒径质量配合比为：粒径≤0.075mm的含量为2～5％、粒径为0.075～0.15mm的含量为2～5％、粒径为0.15～0.3mm的含量为6～8％、粒径为0.3～0.6mm的含量为19～21％、粒径为0.6～1.18mm的含量为18～22％，粒径为1.18～2.36mm的含量为28～32％、粒径为2.36～4.75mm的含量为18～22％；
所述机制砂的Cl含量≤0.01％，SO3含量≤0.1％，云母含量≤0.5％，轻物质含量≤0.5％；堆积密度为1600～1700g/cm3，表观密度为2650～2750g/cm3，含泥量≤0.2％，坚固性为3～5％，孔隙率为35～40％，石粉含量≤0.7％，压碎值为15～20％，吸水率为0.80～0.85％。
9.根据权利要求1所述的一种固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土，其特征在于所述粗集料是由粒径为5～10mm的机制碎石和粒径为10～20mm的机制碎石混合而成，所述5～10mm的机制碎石和粒径为10～20mm的机制碎石的质量比为(2.8～3.2):(6.8～7.2)；所述粗集料的加工母料岩石抗压强度为100～350MPa，堆积密度为1350～1450g/cm3，表观密度为2650～2750g/cm3，孔隙率为40～45％，含泥量≤0.2％，针片状含量≤8％。
10.根据权利要求1所述的一种固废大掺量全机制骨料的超高泵送低收缩徐变C50混凝土，其特征在于所述减水剂为高性能缓凝型减水剂，减水率为25～30％，泌水率比为40～50％。
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