本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种利用高细粉含量机制砂制备桥梁自密实抗裂清水混凝土及其制备方法。
背景技术：
随着社会的发展，城市桥梁建设不仅要满足服役性能和使用寿命的要求，而且需要满足美观、与环境相适应的特点，因此使用高性能清水混凝土是现代桥梁建设发展的必然趋势。通常，制备桥梁高性能清水混凝土需采用天然河砂，然而，近年来国家供给侧改革的实施，对建材行业的资源节约和环保要求越来越高，为保护河床，许多地方政府都对天然河砂资源采取了限采措施，天然河砂资源愈发紧张。
机制砂由人工破碎而成，生产过程中不可避免的会引入一些粒径≤0.75μm的微细石粉和泥粉，以此制备的混凝土对外加剂的吸附量大，混凝土工作性能及匀质性差，混凝土易出现扒底和泌水，且显著增大混凝土的收缩，早期易开裂，对此，国家标准《公路桥涵施工技术规范》jtgtf50-2011对混凝土用机制砂中的石粉含量做出了限制。但采取水洗机制砂去除细粉的措施又会严重污染环境，增加混凝土原材料成本和工程造价。同时，箱梁和t梁底部所处位置钢筋密度大，钢筋密集区域混凝土难以振捣充分，因此，对桥梁清水混凝土的工作性能要求较高，混凝土硬化后受到内部密集钢筋的约束，一旦混凝土收缩过大，极易引发开裂，加剧外部侵蚀，锈蚀钢筋，降低桥梁的服役寿命。
因此，利用高细粉含量机制砂制备桥梁自密实抗裂清水混凝土是发展桥梁清水混凝土的迫切需要，具有广阔的研究价值和社会效益。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种利用高细粉含量机制砂制备的桥梁自密实抗裂清水混凝土，其工作性能、力学性能、体积稳定性能及抗裂性能优异，外观色泽均一、具有较好的晶面效果；且对不同细粉(包括石粉和泥粉)含量的机制砂适应性广，具有重要的实际应用价值。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种利用高细粉含量机制砂制备的桥梁自密实抗裂清水混凝土，它主要由水泥、粉煤灰微珠、硅灰、膨胀剂、机制砂、碎石、轻质多孔集料、外加剂和水为原料制备而成，各组分及其掺量为：水泥280～380kg/m3，粉煤灰微珠30～80kg/m3，硅灰20～40kg/m3，膨胀剂20～35kg/m3，机制砂700～750kg/m3，碎石900～1100kg/m3，轻质多孔集料50～100kg/m3，外加剂3.5～7kg/m3，水120～160kg/m3。
根据上述方案，所述水泥为p·o42.5或p·o52.5硅酸盐水泥。
根据上述方案，所述粉煤灰微珠的比表面积≥1300m2/kg，活性指数≥101％，需水量比≤95％，晶体结构为非晶态。
根据上述方案，所述硅灰的活性指数≥105％，sio2质量含量≥90％，烧失量≤5％，比表面积为≥16000m2/kg。
根据上述方案，所述膨胀剂的膨胀源为mgo(如mgo等)或硫铝酸钙-氧化钙(如hcsa混凝土膨胀剂等)，其氯离子质量含量＜0.05％，水中7d限制膨胀率＞0.03，空气中21d限制膨胀率≥-0.01。
根据上述方案，所述机制砂的细度模数为2.3～3.0，机制砂中细粉(石粉和泥粉)质量含量为8～20％，压碎值≤7％，亚甲蓝值＜1.5。
优选的，所述机制砂中细粉的质量含量为10～18％。
上述方案中，所述高细粉含量机制砂是指机制砂的细粉粒径≤0.75μm，且细粉含量为8～20％；其细粉含量高于国家相应标准对不同强度等级混凝土用机制砂中石粉及泥粉质量含量的要求值，国家标准jtgtf50-2011《公路桥涵施工技术规范》规定小于c30、c30～c60、大于c60的混凝土用机制砂中细粉质量含量不宜超过10％、7％和5％。
根据上述方案：所述碎石为石灰岩碎石或玄武岩碎石，5～20连续级配，针片状颗粒的质量含量≤8％，压碎值≤10％。
根据上述方案：所述轻质多孔集料为900级破碎型页岩陶粒，堆积密度为860～900kg/m3，筒压强度大于6.5mpa，吸水率＞8％。
根据上述方案，所述外加剂的制备方法包括以下步骤：1)将丙烯酸和甲基烯丙基聚乙二醇以(3.5～4.5):1的摩尔比在催化剂i的作用下加热至60～90℃进行共聚反应5～8h，其中催化剂i为质量浓度为1～2％的对甲苯磺酸溶液，催化剂i的添加量为丙烯酸质量的5～10％，得聚羧酸减水剂分子主链；将环氧乙烷与环氧丙烷以(1～3):1的摩尔比在100～150℃下，以氢氧化钾作为碱性催化剂ii，氢氧化钾掺量为反应体系总质量的0.2％～1％，进行无规共聚，控制共聚物在80～90个聚合度范围内，得聚羧酸减水剂分子侧链单体；将聚羧酸减水剂分子主链与聚羧酸减水剂分子侧链单体以1:(7～12)的摩尔比混合均匀，在质量浓度为30～50％的过硫酸铵溶液的引发条件下进行接枝共聚，过硫酸铵溶液的添加量为将聚羧酸减水剂分子主链与聚羧酸减水剂分子侧链单体总质量的3～6％，接枝密度控制在9～9.5％，接枝共聚产物的分子量控制在35000～55000之间，得减水保塑组分a；2)将含双键的酸与聚乙二醇单甲醚按摩尔比(1～3):1在80～100℃温度下进行缩合反应2～4h，制得具有减水功能的大单体c；然后将马来酸酐类单体与二乙二醇二丙二醇类单丁醚按(2～3):1的摩尔比在100～130℃下反应4～6h制备具有减缩功能的单体d；然后将所得大单体c和单体d及甲基丙烯酸钠按(5～7):(1～1.5):1的摩尔比，在引发剂过硫酸钾的作用下，引发剂的添加量为甲基丙烯酸钠质量的2～4％，在50～80℃的条件下进行共聚反应3～5h，制得减水减缩组分b；3)将减水保塑组分a与减水减缩组分b按质量比2/3～3/2进行混合，然后加入有机硅消泡剂和引气剂，混合均匀即得所述外加剂，其中，有机硅消泡剂和引气剂的添加量分别为水保塑组分a与减水减缩组分b总质量的0.03～0.06％和0.002～0.005％。
上述方案中，所述有机硅消泡剂和引气剂的添加量分别为保塑组分a与减水减缩组分b总质量的0.03～0.06％和0.002～0.005％。
上述方案中，所述含双键的酸为甲基丙烯酸或丙烯酸。
上述方案中，所述引气剂为十二烷基醇醚硫酸钠类引气剂。
上述方案中，所述二乙二醇二丙二醇类单丁醚为二乙二醇单丁醚或二丙二醇单丁醚等。
根据上述方案，所述水为普通自来水。
上述一种桥梁自密实抗裂清水混凝土的制备方法，它包括如下步骤：1)按配比称取各原料：水泥280～380kg/m3，活性粉煤灰微珠30～80kg/m3，硅灰20～40kg/m3，膨胀剂20～35kg/m3，机制砂700～750kg/m3，碎石900～1100kg/m3，轻质多孔集料50～100kg/m3，外加剂3.5～7kg/m3，水120～160kg/m3；2)将轻质多孔集料进行饱水处理，使用前再将轻质多孔集料晾至饱和面干状态，备用；3)将机制砂、碎石、轻质多孔集料按配比预先干拌混合均匀，然后将加入称取的水泥、粉煤灰微珠、硅灰、膨胀剂继续干拌混合均匀，4)将外加剂与水混合，缓慢倒入搅拌锅中，并同时开始搅拌，持续时间为2～3min，得到拌合好的混凝土，5)将拌合好的混凝土浇筑入模，即得高细粉含量机制砂桥梁自密实抗裂清水混凝土。
本发明采用的原理为：
(1)本发明采用高细粉含量的机制砂代替河砂制备清水混凝土，当机制砂中的细粉(石粉和泥粉)含量较高时，所得混凝土对外加剂的吸附量大，混凝土工作性能及匀质性差，混凝土易出现扒底和泌水的问题，本发明通过掺入活性粉煤灰微珠和硅灰，利用活性粉煤灰微珠在混凝土中的“滚珠效应”可显著降低水泥浆剪切应力，降低混凝土塑性粘度，具有矿物减水的特性；且其超细的粒径，可提高混凝土密实度、改善混凝土中水泥浆与粗骨料之间的界面，减少有害毛细孔，提高混凝土强度和抗腐蚀性能；硅灰具有改善粘聚性，保水作用，避免高细粉含量机制砂制备的清水混凝土的离析泌水现象；活性粉煤灰微珠与硅灰复合还可有效改善混凝土胶凝浆体内部的界面过渡区，生成ca/si较低的c-s-h凝胶，提高抵御外部侵蚀的能力，从而提高清水混凝土的耐久性，并提高机制砂清水混凝土的流动性和粘聚性，实现了清水混凝土高流动性与高粘聚性的统一，有效抑制矿物掺和料的上浮，提高了混凝土的匀质性，使采用高细粉含量机制砂制备的桥梁清水混凝土工程浇筑后外观色泽均一。
(2)桥梁的梁底处钢筋密集，混凝土难以振捣，且高细粉含量机制砂混凝土收缩较大，易开裂。因此，要求桥梁清水混凝土具有较高的工作性能和体积稳定性能，考虑到清水混凝土的饰面效果，外加剂还需具备低引气性；本发明研发的外加剂集低含气量、高减水保塑和减缩性能等功能于一体，避免了不同单一功能的外加剂在实际工程应用中存在的相互不适应、降低使用效果等问题。本发明所述外加剂可提高水泥颗粒的分散程度、提高水泥的胶结性：随着水泥水化反应的进行，聚醚侧链在水泥强碱性环境中逐步从主链中发生水解反应，提高混凝土的流动性保持能力；同时，将具有减缩功能的烷基聚醚、提供空间位阻效应的聚醚以及具有超分散水泥颗粒作用的酰胺基团接枝到共聚物主链中，可降低混凝土的收缩；再复掺一定的消泡剂和引气剂，消除影响清水混凝土外观的大气泡，引入众多细小均匀的小气泡，实现了高细粉含量机制砂清水混凝土的自密实性能。
(3)采用高细粉含量机制砂配制的混凝土收缩大，早期易开裂，硬化后受到内部钢筋的约束，在收缩变形过程中易产生较大的收缩应力，当收缩应力大于混凝土的抗拉强度时，便会造成混凝土构筑物的开裂，加剧外部侵蚀和内部钢筋锈蚀，降低桥梁的服役寿命。本发明掺入的膨胀剂在混凝土内部水化会生成膨胀性产物，填充于混凝土胶凝浆体内部的毛细孔和缺陷，提高混凝土体积稳定性能；同时掺入的饱水预湿页岩陶粒能在混凝土强度发展过程中缓慢释水，降低由于混凝土内部湿度下降引起的干燥收缩和自收缩，降低混凝土早期开裂敏感性；本发明的外加剂也具有减缩功能，能显著降低混凝土胶凝浆体内部毛细孔张力而有效抑制混凝土收缩；上述效果协同作用，可有效提高所得混凝土的抗裂性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明采用高细粉含量机制砂制备自密实抗裂清水混凝土，并优选高活性、矿物减水的活性粉煤灰微珠和具备保水调粘功能的硅灰作为矿物掺和料，有效改善了高细粉含量机制砂制备清水混凝土存在的泌水、扒底现象，提高了浆体的粘聚性，抑制了密度较轻的颗粒的上浮，改善了混凝土浆体的匀质性，避免了清水混凝土成型后的色差，提高了清水混凝土的镜面效果。
(2)本发明开发的高性能外加剂可显著提高混凝土的工作性能和流动性保持能力，将混凝土内部的胶凝颗粒均匀分散，降低水泥用量和单方混凝土用水量，提高混凝土的密实度和强度；减水剂上的烷基聚醚减缩集团可降低混凝土浆体内孔溶液的表面张力，减少混凝土的收缩，使制备的清水混凝土具有自密实性能，提高了清水混凝土工程施工速度和工程质量。
(3)本发明的清水混凝土制备技术将补偿收缩原理与混凝土内养护技术共同应用于制备高细粉含量机制砂桥梁自密实抗裂清水混凝土，本发明在采用硅灰与粉煤灰微珠提高混凝土的粘聚性、避免了轻集料上浮问题的基础上，进一步针对高细粉含量机制砂制备的混凝土收缩大，早期易开裂等问题，采用膨胀剂补偿混凝土收缩，细化孔结构；并优选高强多孔轻质集料能在混凝土初期强度发展过程中缓慢释水，降低由于混凝土内部湿度下降引起的干燥收缩和自收缩，降低混凝土早期开裂敏感性，实现了桥梁高性能清水混凝土从早期到后期全阶段的抗开裂性能提升。
(4)本发明采用高细粉含量机制砂制备桥梁自密实抗裂清水混凝土，制备的混凝土含气量≤2.0％，坍落度＞240mm、扩展度＞600mm，2h后坍落度与扩展度的损失均＜15mm，90d收缩率≤2×10-4，抗裂等级为ⅴ级。具有优异的自密实抗裂性能，满足清水混凝土外观质量的要求。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实例中，水泥采用峨盛p·o42.5普通硅酸盐水泥；硅灰购于成都明凌科技有限公司，其活性指数为105％，sio2质量含量为92％，烧失量为4.5％，比表面积为17000m2/kg；粉煤灰微珠由天津筑成新材料科技有限公司提供，比表面积为1470m2/kg，活性指数为103％，需水量比为92％，非晶态；膨胀剂购买自天津豹鸣公司生产的hcsa混凝土膨胀剂，其膨胀源为硫铝酸钙-氧化钙，其氯离子质量含量为0.03％，水中7d限制膨胀率为0.051，空气中21d限制膨胀率为0.01；机制砂细度模数为2.74，压碎值为6.7％，细粉质量含量为14.3％，亚甲蓝值为1.4；碎石为5～20mm连续级配的玄武岩碎石，针片状颗粒质量含量为7％，压碎值6％；轻质多孔集料为高吸水倍率的高强900级破碎型页岩陶粒，堆积密度为880kg/m3，筒压强度7.1mpa，吸水率9.1％；水为普通自来水。
实施例1～2
一种利用高细粉含量机制砂制备桥梁自密实抗裂清水混凝土(c30～c40)，其制备方法包括如下步骤：
1)按表1-1所述配比称取各原料；预先将轻质多孔集料进行饱水处理，使用前再将经饱水处理后的轻质多孔集料晾至饱和面干状态，备用；
2)将称取的机制砂、碎石以及轻质多孔集料按配比倒入搅拌锅中干拌1min混合均匀，然后加入水泥、粉煤灰微珠、硅灰、膨胀剂继续干混1.5min混合均匀，紧接着将外加剂与水混合，缓慢倒入搅拌锅中，并同时开始搅拌，持续时间为3min，得均匀的混合料，最后浇筑入模，1d拆模后标准养护，即得所述高细粉含量机制砂制备的桥梁自密实抗裂清水混凝土。
实施例1～2中所述外加剂的制备包括以下步骤：1)在催化剂i条件下，将丙烯酸和甲基烯丙基聚乙二醇按4:1的摩尔比在70℃温度下进行共聚反应6h，其中催化剂i为质量分数1％的对甲苯磺酸溶液，催化剂i的添加量为丙烯酸质量的6％，得到聚羧酸减水剂分子主链，将环氧乙烷与环氧丙烷按摩尔比1:1在130℃下，以氢氧化钾作为碱性催化剂ii，氢氧化钾掺量为反应体系(环氧乙烷和环氧丙烷)总质量的0.5％，进行无规共聚，控制共聚物在85～90个聚合度范围，得到聚羧酸减水剂分子侧链单体，将所得聚羧酸减水剂分子主链与聚羧酸减水剂分子侧链单体以1:9的摩尔比混合均匀，在过硫酸铵溶液(40wt％)的引发作用下进行接枝共聚，过硫酸铵溶液的添加量为聚羧酸减水剂分子主链与聚羧酸减水剂分子侧链单体总质量的4％，侧链接枝密度控制在9％，接枝共聚产物的分子量控制在40000～45000，得低引气、高减水保塑型的减水保塑组分a；2)将甲基丙烯酸与聚乙二醇单甲醚按2：1的摩尔比在90℃下进行缩合反应，持续2.5h，制得具有减水功能的大单体c；然后将马来酸酐单体与二乙二醇单丁醚按2：1的摩尔比在110℃下反应5h，得具有减缩功能的单体d；将所得大单体c和单体d及甲基丙烯酸钠按6:1:1的摩尔比进行共聚，在引发剂过硫酸钾作用下，引发剂的添加量为甲基丙烯酸钠质量的3％，在70℃进行共聚反应4.5h制得减水减缩组分b；3)将减水保塑组分a与减水减缩组分b按1:1的质量比进行混合，然后加入占二者总质量0.03％的有机硅消泡剂和占二者总质量0.003％的十二烷基醇醚硫酸钠引气剂，混合均匀即得具备低含气量、高减水保塑、减缩功能的外加剂。
实施例1～2所得的自密实抗裂清水混凝土的性能测试结果见表1-2。
表1-1实施例1～2所述的自密实抗裂清水混凝土配合比(kg/m3)
表1-2实施例1～2所述自密实抗裂清水混凝土性能
实施例3～4
一种利用高细粉含量机制砂制备桥梁自密实抗裂清水混凝土(c50～c60)，其制备方法包括如下步骤：
1)按表2-1所述配比称取各原料；预先将轻质多孔集料饱水处理，使用前再将轻质多孔集料晾至饱和面干状态，备用；
2)将称取的机制砂、碎石以及饱水预湿页岩陶粒按配比倒入搅拌锅中干拌1min混合均匀，然后加入称取的水泥、粉煤灰微珠、硅灰、膨胀剂继续干混1min混合均匀，紧接着将外加剂与水混合，缓慢倒入搅拌锅中，并同时开始搅拌，持续时间为3min，得均匀的混凝土混合料，最后浇筑入模，1d拆模后标准养护，即得所述高细粉含量机制砂制备的自密实抗裂清水混凝土。实施例3～4所得的自密实抗裂清水混凝土性能如表2-2。
实施例3～4中掺入的外加剂的制备包括以下步骤：1)在催化剂i条件下，将丙烯酸和甲基烯丙基聚乙二醇按3:1的摩尔比在70℃温度下进行共聚反应8h，其中催化剂i为质量分数1.5％的对甲苯磺酸溶液，催化剂i的添加量为丙烯酸质量的5％，得到聚羧酸减水剂分子主链；将环氧乙烷与环氧丙烷按摩尔比1:2在140℃下，以氢氧化钾作为碱性催化剂ii，氢氧化钾掺量为反应体系(环氧乙烷和环氧丙烷)总质量的0.35％，进行无规共聚，控制共聚物在85～90个聚合度范围，得到聚羧酸减水剂分子侧链单体，将所得聚羧酸减水剂分子主链与聚羧酸减水剂分子侧链单体以1:9.5的摩尔比混合均匀，在过硫酸铵溶液(30wt％)的引发作用下进行接枝共聚，过硫酸铵溶液的添加量为聚羧酸减水剂分子主链与聚羧酸减水剂分子侧链单体总质量的6％，侧链接枝密度控制在9％，接枝共聚产物的分子量控制在35000～40000，得低引气、高减水保塑型的减水保塑组分a；2)将甲基丙烯酸与聚乙二醇单甲醚按2.5:1的摩尔比在95℃下进行缩合反应，持续5h，制得具有减水功能的大单体c；然后将马来酸酐单体与二丙二醇单丁醚按3:1的摩尔比在120℃下反应6h，得具有减缩功能的单体d；将所得大单体c和单体d及甲基丙烯酸钠按6:1.5:1的摩尔比进行共聚，在引发剂过硫酸钾作用下，引发剂的添加量为甲基丙烯酸钠质量的,4％，在70℃进行共聚反应4h制得减水减缩组分b；3)将减水保塑组分a与减水减缩组分b按3:2的质量比进行混合，然后加入占二者总质量0.04％的有机硅消泡剂和占二者总质量0.005％的十二烷基醇醚硫酸钠引气剂，混合均匀即得具备低含气量、高减水保塑、减缩功能的外加剂。
表2-1实施例3～4所述自密实抗裂清水混凝土配合比(kg/m3)
表2-2实施例3～4所得自密实抗裂清水混凝土性能
上述结果表明，本发明可根据实际工程需求对不同强度等级进行设计(c30～c60)，本发明利用高细粉含量机制砂制备的桥梁自密实抗裂清水混凝土其含气量≤2.0％，坍落度＞240mm、扩展度＞600mm，2h后坍落度与扩展度的损失均＜15mm，90d收缩率≤2×10-4，抗裂等级为ⅴ级；具有优异的自密实抗裂性能，可提高清水混凝土工程的施工速度和施工质量，满足清水混凝土外观质量的要求。
对比例1～2
对比例1～2采用当前工程常用的清水混凝土配方及其制备方法，以c50～c60强度等级为例，原材料包括水泥、粉煤灰、机制砂、碎石、减水剂、水；所述原材料中水泥采用峨盛p·o42.5普通硅酸盐水泥，碎石为5～20mm连续级配的玄武岩碎石，针片状颗粒质量含量为7％，压碎值6％，与实施例相同；机制砂需经过水洗或其他处理来限制细粉含量，细度模数为2.83，细粉质量含量为5.8％，亚甲蓝值为1.1；粉煤灰为市售的普通ⅰ级粉煤灰，需水量比为94％，烧失量为3.5％，安定性合格，过45μm方孔筛筛余9％；减水剂为市售的普通聚羧酸减水剂，水为普通自来水。混凝土制备方法与实施例类似。具体配比及养护制度如下表：
表3-1对比例1～2所述清水混凝土的配合比(kg/m3)
表3-2对比例1～2所得自密实抗裂清水混凝土的性能测试结果
将上述对比例1～2与实施例3～4对比可以看出，在达到相同的混凝土标号的条件下，本发明所得混凝土制备技术所需的水泥量更低，单方混凝土用水量更少；本发明采用高细粉含量机制砂制备的清水混凝土的工作性能、抗裂性能明显提升，混凝土90d的收缩率显著减少，具有更好的饰面效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。