CN105819718B - 混凝土高强掺合料、水泥混合物及免蒸压超高强混凝土制品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混凝土高强掺合料、水泥混合物及免蒸压超高强混凝土制品，其中混凝土高强掺合料由如下重量百分含量的原料组成：石膏20％～80％；活性混合材10％～78％；无机激发剂0.1％～30％。本发明的混凝土高强掺合料可使混凝土制品仅需常压养护即可达到较高的强度。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种混凝土高强掺合料、水泥混合物及免蒸压超高强混凝土制品。
背景技术
预应力高强混凝土管桩(Prestressed High strength Concrete，简称PHC管桩)是通过先张法离心成型工艺，再通过85℃左右的常压蒸汽养护以及10个标准大气压下180℃的高压蒸汽养护，得到的一种混凝土强度等级达到C80的圆筒型混凝土管桩。近年来，随着国内各项工程建设的持续、高速发展，PHC管桩因为制桩周期短、力学性能优异、桩材质量好、工程地质适应性强等优点，成为现阶段应用最为广泛的基础建设材料之一，目前PHC管桩已广泛地应用于工业与民用建筑、公路与铁路桥梁、港口码头等各类工程结构中。我国的PHC管桩生产企业也得到迅猛的发展，截止2011年底，全国PHC管桩生产厂家超过500家，年产量超过3亿米成为全球生产应用PHC管桩最多的国家。
于此同时，PHC管桩的生产也带来了许多负面问题。首先，PHC管桩的能耗大，养护能耗占据管桩生产总能耗的90％左右，其中蒸压养护占其中的80％以上。第二，经蒸压养护的PHC管桩出釜温度高，若降温措施不合理，易在混凝土内部产生大量的微裂纹，导致管桩的耐久性降低。第三，养护温度超过70℃以上的混凝土制品，在水分、硫酸盐充足的条件下，会产生延迟钙矾石(Delayed Ettringite Formation，简称DEF)膨胀，而导致制品膨胀破坏，PHC管桩在使用过程中，其所处的周围环境提高了产生DEF膨胀的风险，使管桩的寿命缩短，并可能威胁建筑安全。第四，蒸压养护所需的蒸压釜设备，不仅价格昂贵，而且可能因为安全联锁装置失效引发爆炸等安全事故，造成人身伤亡和财产损失。第五，PM2.5已成为我国突出的环境问题，大部分PHC管桩生产企业使用燃煤锅炉，产生大量粉尘，是PM2.5的主要来源之一。随着我国政府逐渐重视对PM2.5的整治，各省市也开始加大限制燃煤锅炉的使用力度，因此利用蒸压养护生产PHC管桩的企业必定会受到强有力的冲击。免蒸压技术是解决以上难题的有效措施之一，仅通过蒸汽养护就可以达到PHC管桩所需的力学性能和耐久性能。但是，国内目前的免蒸压PHC管桩技术强度等级较低，仅维持在C80、C90的强度等级，很少能达到C120以上的水准，与日本的免蒸压技术差距甚远。免蒸压超高强预应力混凝土管桩(Prestressed Super High strength Concrete，简称PSHC管桩)是在国内现有的免蒸压PHC管桩生产技术的基础上，进一步提高混凝土的强度等级，达到C120的水准。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种混凝土高强掺合料、水泥混合物及免蒸压超高强混凝土制品，主要目的是使混凝土制品在蒸汽养护下即可达到较高强度。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种混凝土高强掺合料，由如下重量百分含量的原料组成：
石膏 20％～80％
活性混合材 10％～78％
无机激发剂 0.1％～30％。
作为优选，所述石膏的平均粒径小于10μm；所述石膏为Ⅱ型无水石膏。
作为优选，所述活性混合材的粒径为水泥平均粒径的1/10以下；所述活性混合材为硅灰、矿粉和粉煤灰中的一种或至少两种的混合物。
作为优选，所述无机激发剂为硫酸钠、消石灰和生石灰中的一种或至少两种的混合物。
另一方面，本发明实施例提供了一种高强水泥混合物，由高强掺合料和水泥组成，其中高强掺合料的重量百分含量为5％～30％，水泥的重量百分含量为70％～95％；所述高强掺合料为上述的高强掺合料，所述水泥为通用硅酸盐水泥。
作为优选，所述通用硅酸盐水泥中水泥熟料含量为80％～97％，且水泥熟料中C3S含量为45％～60％。
另一方面，本发明实施例提供了一种免蒸压超高强混凝土制品，其中混凝土包括水泥，还包括混凝土高强掺合料，所述混凝土高强掺合料与水泥组成上述的高强水泥混合物，每立方米混凝土包含所述高强水泥混合物450～700kg,优选500～650kg。
作为优选，所述混凝土中还包括高效减水剂，所述高效减水剂为减水率大于20％的聚羧酸减水剂和萘系减水剂中的一种，所述高效减水剂用量以固含量计为所述高强水泥混合物质量的0.1％～2％。
作为优选，所述混凝土中还包括消泡剂，所述消泡剂为非离子表面活性剂、有机硅消泡剂或聚合物消泡剂，所述消泡剂的用量为高强水泥混合物(胶凝材料)质量的0.01％～2％。
作为优选，所述混凝土中还包括碎石，所述碎石的岩石抗压强度不低于80MPa，且为5～25mm的连续级配，所述碎石优选玄武岩和花岗岩中的一种，或者是两者的混合物。
作为优选，所述混凝土中还包括河砂。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明实施例的混凝土高强掺合料加入到混凝土中，所得混凝土制品仅需采用70℃的常压蒸汽养护，就能够大幅度提高混凝土制品的早期强度，后期采用自然养护就能使混凝土抗压强度达到130MPa以上。本发明实施例的混凝土高强掺合料加入到混凝土中制备混凝土制品可降低养护总煤耗达70％以上，减少粉尘、烟气排放，简化生产工艺，缩短生产周期，大幅度降低生产成本。同时由于仅需常压养护，也消除了高压釜带来的安全隐患以及混凝土制品可能会发生DEF膨胀的风险，且生产的混凝土制品各项性能明显提高。实践证明，采用了本发明实施例的混凝土高强掺合料的混凝土制品的7天抗压强度大于120MPa，28天抗压强度大于130MPa，混凝土的抗冻融循环次数超过500次，氯离子电通量小于500C。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本发明实施例中未限定的原料及方法均采用通用的原料及方法。
实施列1
混凝土高强掺合料，由如下组分组成，各组分的重量百分比分别为：60％的磨细Ⅱ型无水石膏、20％的硅灰、16％的超细矿粉、3％的生石灰和1％的硫酸钠。混凝土对比掺合料，由如下组分组成，各组分的重量百分比分别为：60％的脱硫石膏、20％的硅灰、16％的超细矿粉、3％的生石灰和1％的硫酸钠。Ⅱ型无水石膏的平均粒径小于10μm，硅灰和超细矿粉的粒径不大于水泥粒径的十分之一。
高强水泥混合物，将上述的混凝土高强掺合料与通用硅酸盐水泥组成高强水泥混合物，其中混凝土高强掺合料重量百分含量为9％，硅酸盐水泥重量百分含量为91％。
实施例2
本实施例与实施例1不同在于混凝土高强掺合料中石膏选用脱硫石膏。
对比实验1
未采用本发明实施例的混凝土高强掺合料的砂浆(组号1)，成型养护。用上述的实施例1的高强水泥混合物配置砂浆(组号2)，成型养护。采用本发明实施例2的混凝土对比掺合料的砂浆(组号3)，成型养护。对组号1、2、3成型制品进行相关性能测试。组号为1、组号为2和组号为3的混凝土砂浆的组分、配比及性能参数见表1。需说明的是：混凝土高强掺合料和对比掺合料为外掺，等量替代部分砂子；采用蒸汽养护，养护过程具体为，成型后静置2～4h，再放入70℃的蒸汽养护池中养护6h，后自然冷却至常温，后期采用自然养护。表1中各组分选用P·O52.5R水泥，聚羧酸高效减水剂，以及河砂。
表1
从表1可以看出，用本发明实施例的高强掺合料拌合的砂浆扩展度有较大的提高，尤其是采用了Ⅱ型无水石膏的高强掺合料效果更佳，说明本发明实施例的高强掺合料具有减水的效果。掺入本发明实施例的高强掺合料以后，砂浆的抗折、抗压强度都得到明显的提高，尤其是抗压强度，各龄期增幅均超过25％。本发明实施例1较实施例2的高强掺合料效果更优，本发明实施例1较实施例2对强度的增幅约10％。因此，使用Ⅱ型无水石膏的增强效果明显优于脱硫石膏。
对比试验2
利用组号1、2、3的砂浆分别加入粗骨料，拌合成坍落度在30～50mm的混凝土，组号分别为4、5、6。混凝土采用对比试验1中相同的蒸汽养护，养护完成后进行相关性能测试。组号4、5、6的混凝土的配合比及相关性能见下表2。
表2
从表2可知，用高强混合物拌合的混凝土，仅通过70℃的蒸汽养护6h，就能实现1d强度大于70MPa。尤其是采用实施例1的高强掺合料的混凝土的1d强度大于80MPa，完全达到PHC管桩所需的力学性能；同时耐久性指标也更优于普通混凝土，达到PHC管桩所需的耐久性能。采用了本发明实施例的高强掺合料的混凝土仅通过70℃的蒸汽养即可达到较高的强度，特别是实施例1的高强掺合料效果更优。
对比试验3
选用P·O 42.5水泥、聚羧酸高效减水剂、石以及河砂，并与实施例1中的混凝土高强掺合料配合设计标号分别为C30、C40、C50的混凝土，设计坍落度为100～240mm，拌合后，混凝土采用标准养护，每一标号为两组进行对照，其中一组掺入本发明实施例1的高强掺合料。各混凝土的配比及相关性能见下表3。
表3
从表3可以看出，加入本发明实施例的混凝土高强掺合料的混凝土坍落度较普通混凝土提高20mm左右，且各龄期强度均得到较大的提高，增幅约10％。
实施例3
混凝土高强掺合料，与实施例1中的高强掺合料不同仅在于各组分及重量百分比分别为：30％的磨细Ⅱ型无水石膏、50％的硅灰、12％的超细粉煤灰、6.5％的生石灰和1.5％的硫酸钠。
高强水泥混合物，将上述的混凝土高强掺合料与通用硅酸盐水泥组成高强水泥混合物，其中的混凝土高强掺合料的重量百分比为16.7％，通用硅酸盐水泥的重量百分比为83.3％。
实施例4
本实施例与实施例3不同在于混凝土高强掺合料中石膏选用脱硫石膏。
对比试验4
未采用本发明实施例的混凝土高强掺合料的砂浆(组号13)，成型养护。用上述实施例3的高强水泥混合物配置砂浆(组号14)，成型养护。采用本发明实施例4的混凝土对比掺合料的砂浆(组号15)，成型养护。对组号13、14、15成型制品进行相关性能测试。组号为13、组号为14和组号为15的混凝土砂浆的组分、配比及性能参数见表4。需说明的是：混凝土高强掺合料和对比掺合料为外掺，等量替代部分砂子；采用蒸汽养护，养护过程具体为，成型后静置2～4h，再放入70℃的蒸汽养护池中养护6h，后自然冷却至常温，后期采用自然养护。表4中各组分选用P·O52.5R水泥，聚羧酸高效减水剂，以及河砂。
表4
从表4可以看出，加入了本发明实施例的高强掺合料的砂浆扩展度提高，说明高强掺合料具有减水的效果。掺入高强掺合料以后，砂浆的抗折、抗压强度都得到明显的提高，特别是掺入了实施例3的高强掺合料后效果更加明显。其中抗压强度，各龄期增幅均超过40％。
对比试验5
利用组号13、14、15的砂浆分别加入粗骨料，拌合成坍落度在30～50mm的混凝土，组号分别为16、17、18。混凝土采用对比试验4中相同的标准养护，养护完成后进行相关性能测试。组号16、17、18的混凝土的配合比及相关性能见下表5。
表5
从表5可知，加入本发明实施例的高强掺合料的混凝土，仅通过70℃的蒸汽养护6h，就能实现较高的强度，特别是掺入了实施3的高强掺合料后，1d强度大于90MPa，28d混凝土强度大于110MPa，远高于国内PHC管桩所需的力学性能；同时耐久性指标也更优于普通混凝土，达到PHC管桩所需的耐久性能。
表5中，第17组混凝土28d的抗压强度达到110MPa，接近PSHC管桩混凝土的强度要求，因此，可利用该组配比，制备免蒸压PSHC管桩。
按第17组配比，拌合混凝土，用离心成型制作直径为200mm，高度为300mm，厚度为40mm的圆筒型试块，成型后的混凝土采用标准蒸汽养护，混凝土的各性能见表6。
表6
从表6可知，经离心成型的混凝土7d强度大于120MPa，28d强度大于130MPa，完全满足C120的强度等级，并且混凝土的抗冻融循环次数超过500次，氯离子电通量小于500C。
对比试验6
本发明实施例3的混凝土高强掺合料对普通混凝土的增强试验。
选用P·O 42.5水泥，设计标号分别为C30、C40、C50的混凝土，设计坍落度为100～240mm，每一标号为两组进行对照，其中一组掺入本发明实施例3的高强掺合料。拌合后，混凝土采用标准养护，混凝土的配合比及相关性能见下表7为。
表7
从表7可以看出，添加了本发明实施例的高强掺合料的混凝土的坍落度较普通混凝土略有提高，且各龄期强度均得到较大的提高，增幅约15％。
本发明实施例的混凝土制品中只要以混凝土高强掺合料和水泥组成的高强水泥混合物为胶凝材料，且每立方米混凝土包含该胶凝材料500～650kg即可较现有的混凝土有更高的强度。因此本发明实施例的混凝土中的其他诸如骨料组分、纤维组分以及减水剂等外掺组分的配置及比例均可从现有技术中得到。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.混凝土高强掺合料，其特征在于，由如下重量百分含量的原料组成：
石膏 20%～80%；
活性混合材 10%～78%；
无机激发剂 0.1%～30%；
所述石膏为Ⅱ型无水石膏；
所述活性混合材为硅灰、矿粉和粉煤灰中的一种或至少两种的混合物；
所述的高强掺合料在混凝土制品的胶凝材料中质量百分含量为5%～30%时，所述混凝土制品仅需采用70℃的常压蒸汽养护，就能提高混凝土制品的早期强度，后期采用自然养护能使混凝土抗压强度达到130MPa以上。
2.根据权利要求1所述的混凝土高强掺合料，其特征在于，所述石膏的平均粒径小于10μm。
3.根据权利要求1所述的混凝土高强掺合料，其特征在于，所述活性混合材的粒径为水泥平均粒径的1/10以下。
4.根据权利要求1所述的混凝土高强掺合料，其特征在于，所述无机激发剂为硫酸钠、消石灰和生石灰中的一种或至少两种的混合物。
5.高强水泥混合物，其特征在于，由高强掺合料和水泥组成，其中，高强掺合料的重量百分含量为5%～30%，水泥的重量百分含量为70%～95%；所述高强掺合料为权利要求1-4任一项所述的高强掺合料，所述水泥为通用硅酸盐水泥。
6.根据权利要求5所述的高强水泥混合物，其特征在于，所述通用硅酸盐水泥中水泥熟料含量为80%～97%，水泥熟料中C3S含量为45%～60%。
7.免蒸压超高强混凝土制品，其中混凝土包括水泥，其特征在于，还包括权利要求1-4任一项所述的混凝土高强掺合料，所述混凝土高强掺合料与水泥组成权利要求5或6所述的高强水泥混合物，每立方米混凝土包含所述高强水泥混合物450～700kg。
8.根据权利要求7所述的免蒸压超高强混凝土制品，其特征在于，所述混凝土中还包括高效减水剂，所述高效减水剂为减水率大于20%的聚羧酸盐减水剂和萘系减水剂中的一种，所述高效减水剂用量以固含量计为所述高强水泥混合物质量的0.1%～2%。
9.根据权利要求7所述的免蒸压超高强混凝土制品，其特征在于，所述混凝土中还包括消泡剂，所述消泡剂为非离子表面活性剂、有机硅消泡剂或聚合物消泡剂，所述消泡剂的用量为所述高强水泥混合物质量的0.01%～2%。
10.根据权利要求7所述的免蒸压超高强混凝土制品，其特征在于，所述混凝土中还包括碎石，所述碎石的岩石抗压强度不低于80Mpa，且为5～25mm的连续级配，所述碎石选自玄武岩和花岗岩中的一种或者是两者的混合物。
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