CN1317219C - 一种精细控制钢管混凝土膨胀的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能控制钢管混凝土膨胀的方法。一种精细控制钢管混凝土膨胀的方法，其特征是：步骤如下：1).膨胀剂精细设计与调控：(1)膨胀剂膨胀源及原材料选取，(2)膨胀剂组分精细设计与调控，(3)膨胀剂颗粒级配精细设计与调控；2).混凝土内部相对湿度调节材料制备与选取；3).混凝土膨胀量综合精细设计与控制：钢管混凝土配合比：水胶比0.28～0.42，单位用水量175～195kg/m3，单位水泥用量400～500kg/m3，砂率35～42%，膨胀剂掺量所占总质量10～18%，粉煤灰+矿渣掺量所占总质量0～20%+0～25%、且总掺量≤25%，湿度调节材料掺量为砂用量的比例10-20%，高效减水剂掺量所占总质量0.8～1.8%。本发明实现钢管混凝土膨胀的精细控制。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，涉及一种能控制钢管混凝土膨胀的方法。
背景技术
钢管混凝土是将素混凝土灌入钢管而制成的复合材料，其复合设计原理是：混凝土受到钢管壁的紧箍作用，强度和韧性可大大提高；钢管中填充了混凝土，可提高结构的稳定性并减少用钢量；组合材料的综合性价比明显优于两种材料自身。其关键技术是必须使核心混凝土与钢管壁紧密结合，获得复合效果，这样才能实现所设计的复合性能。普通混凝土硬化后存在一定程度的体积固有收缩，因此核心混凝土必须设计为具有体积膨胀和可控制的性能。但已有各种膨胀混凝土技术目前难以满足此要求，主要是膨胀量难以精细控制，混凝土的膨胀不均匀，易造成混凝土与钢管壁脱粘形成空腔，钢管混凝土的复合设计性能无法发挥。一方面是由于目前的混凝土膨胀剂膨胀能较低，膨胀的持续时间短，另一方面是钢管混凝土处于密闭环境，外部水分无法进入补充由于水泥水化而消耗的水分，因而在水泥水化后期膨胀剂由于缺乏反应所需的水分而不能产生补偿收缩作用。此外，人们没有精细控制膨胀量的理念，往往是根本就没有去精细设计膨胀量，也没有精确设计和控制钢管混凝土膨胀的技术。
发明内容
针对目前膨胀混凝土膨胀量无法精细控制的情况，本发明的目的是提供一种精细控制钢管混凝土膨胀的方法。
本发明的技术方案是：一种精细控制钢管混凝土膨胀的方法，其特征是：步骤如下：
1、膨胀剂精细设计与调控：
(1)膨胀剂膨胀源及原材料选取：
针对目前混凝土膨胀剂存在早期膨胀能较低，膨胀稳定期较短，以及钢管混凝土处于封闭状态，无外界水分供给难以使膨胀剂膨胀以补偿后期收缩的问题，本发明一方面将膨胀剂的膨胀源设计成由AFt、Mg(OH)2和Fe(OH)3三种膨胀源，其中AFt膨胀源利用不同物质生成的不同反应过程以调整膨胀速度、膨胀与强度的关系，即设计成由硫铝酸盐水泥熟料和硬石膏提供膨胀速度较快膨胀能较高的早期膨胀源AFt，以及由生明矾和硬石膏提供膨胀速度适中膨胀能较高的中期膨胀源AFt；膨胀速度较慢的后期膨胀源Mg(OH)2则设计成由煅烧方镁石和RO相较高的钢渣提供；膨胀速度较慢的后期膨胀源Fe(OH)3则设计成由RO相较高的钢渣提供。另一方面在膨胀剂中掺入一定量具有一定孔隙率的沸石粉等多孔材料，使其在水化初期储存的水在混凝土后期缺水时由于压力差释放出来，供膨胀组分水化以产生膨胀，同时沸石粉还提供了AFt形成所需的Al2O3。
所述的硫铝酸盐水泥熟料，其矿物组成为C4A3S：50～82％、C4AF：3～13％、C2S：5～37％；
所述的MgO可为方镁石经950～1050℃锻烧后的MgO；
所述的硬石膏可为天然或人工硬石膏；
所述的多孔材料可为孔隙率为25～40％的沸石粉等，其用量占膨胀剂各原材料之和的10％～20％；
所述的钢渣可为400～500m2/kg且RO相Km(MgO/(FeO+MnO))＞1的钢渣。
(2)膨胀剂组分精细设计与调控：
膨胀剂原材料的配比按表1中的化学组成进行设计，同时，依据不同膨胀源的膨胀速度、膨胀能大小及其与混凝土收缩、强度等性能的关系，膨胀剂的化学组成除按表1控制外还需对SO3/Al2O3、SO3/MgO和SO3/FeO三个指标进行如下控制(按质量比表示)，即：
SO3/Al2O3＝2～3；
SO3/MgO＝4～5；
SO3/FeO＝6～8。
表1 膨胀剂的化学成分
| 化学成分 | SO3 | Al2O3 | CaO | MgO | SiO2 | FeO | R2O |
| 含量/％ | 25～35 | 10～15 | 15～35 | 6～8 | 15～35 | 4～6 | 0.2～0.75 |
上述精细设计后的膨胀剂化学组成通过原材料的配比进行调控。
(3)膨胀剂颗粒级配精细设计与调控：
膨胀剂的颗粒级配直接影响了其膨胀速度以及膨胀性能，如细粉太多，干缩大，膨胀落差大；粗粉太多，膨胀速度太慢，膨胀率低。膨胀剂的颗粒级配按表2进行精细设计：
表2 膨胀剂的颗粒级配
| 粒度/μm | ＜45 | 45～100 | 100～250 | ＞250 |
| 含量/％ | 5～10 | 35～45 | 40～55 | 5～10 |
2.混凝土内部相对湿度调节材料制备和选取：
针对钢管混凝土因后期缺水不能产生设计膨胀量的主要问题，引入一种能预先储存一定量水分并在混凝土内部相对湿度急剧下降时释放出水分的湿度调节材料，提供水分供膨胀剂继续水化，补偿收缩并产生膨胀。
湿度调节材料的原料可采用化学成份主要为CaO、Al2O3、Fe2O3、SiO2、MgO以及K2O、Na2O等原料，其化学组成质量范围则在：SiO255～65％、Al2O318～25％、Fe2O36～10％、CaO+MgO4～6％、K2O+Na2O2～5％、烧失量3～5％。其中，CaO与MgO之间为任意配比，K2O与Na2O之间为任意配比。
湿度调节材料制备工艺流程如图1所示，高温窑炉温度控制条件：1100～1300℃条件下焙烧15～20min；出炉温度控制在800～900℃；冷却制度：出炉急冷至700℃，在7000～400℃缓慢冷却，400℃以下急冷；颗粒制备：对烧结形成的块状材料采用反击式破碎机或锤式破碎机破碎至2～16mm，并对颗粒表面进行特殊处理得到湿度调节材料。
湿度调节材料的掺量为砂用量的10～20％。
3.钢管混凝土膨胀的综合精细控制：
除膨胀剂、湿度调节材料外，钢管混凝土的膨胀还与水泥种类和用量，掺合料及减水剂的品种与掺量，混凝土的强度等级等因素密切相关，因此本发明钢管混凝土膨胀量的综合精细控制在膨胀剂的精细设计与调控技术、湿度调节材料技术基础上，根据混凝土强度等级、掺合料以及减水剂掺量等指标，对混凝土配合比(见表3)尤其是混凝土膨胀剂的掺量进行如下精细设计，以达到胶凝材料的优化匹配、混凝土强度与膨胀的协调发展以及膨胀的精细控制：
(1)根据胶凝材料确定膨胀剂基本掺量
使“水泥+掺合料+膨胀剂”体系的SO3等于5％以确定膨胀剂基本掺量；
(2)根据混凝土强度等级、掺合料以及减水剂确定膨胀剂掺量
膨胀剂掺量＝膨胀剂基本掺量×(1+m/25)×[1+log(Ja/β)]×γ
式中m为掺合料总掺量(％)；
Ja为减水剂掺量(％)；
β为减水剂影响系数，若减水剂为萘系减水剂，则β＝0.7，若减水剂为聚羧酸盐减水剂，则β＝0.9；
γ为混凝土强度等级影响系数，若强度等级≤C50，则γ＝1，若强度等级＞C50，则γ＝1.1。掺合料是指粉煤灰、矿渣等。
表3 钢管混凝土配合比
| 水胶比 | 单位用水量(kg/m3) | 单位水泥用量(kg/m3) | 砂率(％) | 膨胀剂掺量(％) | 粉煤灰与矿渣的总掺量(％) | 湿度调节材料掺量(％)(为砂用量的比例) | 减水剂掺量(％) |
| 0.28～0.42 | 175～195 | 400～500 | 35～42 | 10～18 | 0～20+0～25(总掺量≤25) | 10-20 | 0.8～1.8 |
其中，水泥为32.5、42.5、52.5普硅水泥(硅酸盐水泥或粉煤灰水泥或矿渣水泥)；
膨胀剂为上述膨胀剂；
湿度调节材料为上述湿度调节材料；
粉煤灰为II级粉煤灰或I级粉煤灰；
矿渣为S95矿渣或S105矿渣；
减水剂为高效减水剂，如聚羧酸类高效减水剂；
水为自来水。
砂率为细集料占集料(即细集料与粗集料)总量的百分比，其中粗集料为5～20mm或5～25mm或5～31.5mm连续级配区间粒径的碎石；细集料为细度模数为2.3-3.1的砂。
本发明的特点：
1、本发明通过对膨胀剂的膨胀源、原材料、化学组分、颗粒级配的精细设计与调控技术，湿度调节材料技术，以及根据混凝土强度等级、掺合料以及减水剂掺量等指标，对混凝土配合比尤其是混凝土膨胀剂的掺量进行精细设计，以达到胶凝材料的优化匹配、混凝土强度与膨胀的协调发展以及膨胀量的精细控制；
2、本发明一方面将膨胀剂的膨胀源设计成由AFt、Mg(OH)2和Fe(OH)3三种膨胀源，另一方面在膨胀剂中掺入一定量具有一定孔隙率的沸石粉等多孔材料，使其在水化初期储存的水在混凝土后期缺水时由于压力差释放出来，供膨胀组分水化以产生膨胀，同时沸石粉还提供了AFt形成所需的Al2O3。
本发明采用膨胀剂精细设计与调控技术，在混凝土硬化过程中适时、定量地释放水分以使混凝土的膨胀物化反应得以正常进行的湿度调节材料技术，以及考虑混凝土强度等级、掺合料用量、减水剂品种和掺量等特征的混凝土膨胀综合精细设计与控制技术，实现钢管混凝土膨胀的精细控制。
附图说明
图1是本发明湿度调节材料制备工艺流程图
具体实施方式
实施例1(C50钢管混凝土)：
原材料：
(1)水泥，
42.5普通硅酸盐水泥，
(2)膨胀剂，
将硫铝酸盐水泥熟料、方镁石经950～1050℃锻烧后的MgO、天然或人工硬石膏、孔隙率为25～40％的沸石粉等多孔材料、比表面积400～500m2/kg且RO相Km(MgO/(FeO+MnO))＞1的钢渣按SO3/Al2O3＝2.6、SO3/MgO＝4.4、SO3/FeO＝6和表1的化学组成进行配料，并均化粉磨至颗粒级配至表2范围，最后进行装包、封存，制得膨胀能大、膨胀速度合理、可使混凝土持续稳定膨胀、膨胀组分及颗粒级配得到精细控制的膨胀剂。
(3)湿度调节材料，
由页岩为原料按工艺流程图1制备而成的，粒径在2～7.5mm，24h吸水率为15～20％的湿度调节材料。
(4)粉煤灰，
I级粉煤灰，
(5)集料：粗集料为5-20mm连续级配区间粒径的碎石，压碎值＜10％，针片状含量＜10％；细集料为细度模数为2.3-3.1的砂。
(6)减水剂，
减水剂：聚羧酸类高效减水剂，减水率28-30％。
配合比及性能：
表4 C50钢管混凝土配合比及性能(kg/m3)
| 水泥 | 水 | 粉煤灰 | 粗集料 | 砂 | 减水剂 | 膨胀剂 | 湿度调节材料 | 抗压强度/MPa | 初始坍落度(mm) | 3h后坍落度(mm) |
| 420 | 190 | 80 | 1083 | 510 | 1.3％ | 55 | 73 | 59 | 220 | 190 |
表5 C50钢管混凝土20±3℃密闭条件下限制膨胀率(×10-4)
| 7天 | 28天 | 56天 | 90天 | 180天 |
| 2.7 | 3.7 | 3.8 | 3.7 | 3.7 |
实施例2(C60钢管混凝土)：
原材料：
(3)水泥：
52.5普通硅酸盐水泥，
(4)膨胀剂：
将硫铝酸盐水泥熟料、方镁石经950～1050℃锻烧后的MgO、天然或人工硬石膏、孔隙率为25～40％的沸石粉等多孔材料、比表面积400～500m2/kg且RO相Km(MgO/(FeO+MnO))＞1的钢渣按SO3/Al2O3＝2.6、SO3/MgO＝4.4、SO3/FeO＝6和表1的化学组成进行配料，并均化粉磨至颗粒级配至表2范围，最后进行装包、封存，制得膨胀能大、膨胀速度合理、可使混凝土持续稳定膨胀、膨胀组分及颗粒级配得到精细控制的膨胀剂。
(3)湿度调节材料：
由页岩为原料按工艺流程图1制备而成的，粒径在2～7.5mm，24h吸水率为15～20％的湿度调节材料。
(4)粉煤灰，
I级粉煤灰，
(5)集料：粗集料为5-20mm连续级配区间粒径的碎石，压碎值＜10％，针片状含量＜10％；细集料为细度模数为2.3-3.1的砂。
(6)减水剂：
减水剂：聚羧酸类高效减水剂，减水率28-30％。
配比及性能
表6 C60钢管混凝土配合比(Kg/m3)及性能
| 水泥 | 水 | 粉煤灰 | 粗集料 | 砂 | 减水剂 | 膨胀剂 | 湿度调节材料 | 抗压强度/MPa | 初始坍落度(mm) | 3h后坍落度(mm) |
| 460 | 185 | 70 | 1050 | 650 | 1.5％ | 66 | 77 | 70 | 220 | 200 |
表7 C60钢管混凝土20±3℃密闭条件下限制膨胀率(×10-4)
| 7天 | 28天 | 56天 | 90天 | 180天 |
| 2.6 | 3.6 | 3.5 | 3.6 | 3.6 |
Claims (1)
1.一种精细控制钢管混凝土膨胀的方法，其特征是：步骤如下：1).膨胀剂精细设计与调控：
(1)膨胀剂膨胀源及原材料选取：一方面将膨胀剂的膨胀源设计成由AFt、Mg(OH)2和Fe(OH)3三种膨胀源，另一方面在膨胀剂中掺入孔隙率为25～40％的沸石粉多孔材料；原材料为：硫铝酸盐水泥熟料，方镁石经950～1050℃锻烧后的MgO，天然或人工硬石膏，孔隙率为25～40％的沸石粉，400～500m2/kg且RO相Km(MgO/(FeO+MnO))＞1的钢渣；所述的硫铝酸盐水泥熟料，其矿物组成为C4A3S：50～82％、C4AF：3～13％、C2S：5～37％；
(2)膨胀剂组分精细设计与调控：
膨胀剂的化学组成成分除按质量百分含量为SO3：25～35％、Al2O3：10～15％、CaO：15～35％、MgO：6-8％、SiO2：15～35％、FeO：4～6％、R2O：0.2～0.75％控制，且按质量比：SO3/Al2O3＝2～3；SO3/MgO＝4～5；SO3/FeO＝6～8控制；
(3)膨胀剂颗粒级配精细设计与调控：
膨胀剂的颗粒级配按粒度/μm：＜45其质量百分含量为5～10％，粒度/μm：45～100其质量百分含量为35～45％，粒度/μm：100～250其质量百分含量为40～55％，粒度/μm：＞250其质量百分含量为5～10％，进行精细设计和控制；
2).混凝土内部相对湿度调节材料制备与选取：选择化学成份质量范围在：SiO2：55～65％、Al2O3：18～25％、Fe2O3：6～10％、CaO+MgO：4～6％、K2O+Na2O：2～5％、烧失量3～5％的原材料，利用回转窑在1100～1300℃条件下焙烧15～20min；出炉温度控制在800～900℃，急冷至700℃，700～400℃缓慢冷却，400℃以下采用急冷；冷却至室温后采用反击式破碎机或锤式破碎机破碎至2～16mm，制得调节混凝土内部相对湿度的湿度调节材料；湿度调节材料的掺量为砂用量的10～20％；
3).混凝土膨胀量综合精细设计与控制：钢管混凝土配合比：水胶比0.28～0.42，单位用水量175～195kg/m3，单位水泥用量400～500kg/m3，砂率35～42％，膨胀剂掺量所占总质量10～18％，粉煤灰+矿渣掺量所占总质量0～20％+0～25％、且总掺量≤25％，湿度调节材料掺量为砂用量的比例10-20％，高效减水剂掺量所占总质量0.8～1.8％；
膨胀剂的掺量进行如下精细设计：(1)据胶凝材料确定膨胀剂基本掺量：使“水泥+掺合料+膨胀剂”体系的SO3等于5％以确定膨胀剂基本掺量；
(2)根据混凝土强度等级、掺合料以及减水剂确定膨胀剂掺量：
膨胀剂掺量＝膨胀剂基本掺量×(1+m/25)×[1+log(Ja/β)]×γ
式中：m为掺合料总掺量(％)；
Ja为减水剂掺量(％)；
β为减水剂影响系数，若减水剂为萘系减水剂，则β＝0.7，若减水剂为聚羧酸盐减水剂，则β＝0.9；
γ为混凝土强度等级影响系数，若强度等级≤C50，则γ＝1，若强度等级＞C50，则γ＝1.1。
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