一种装配式预制电缆沟用高性能水泥基材料的制作方法

[0001]
本发明涉及一种高性能水泥基材料，具体是一种装配式预制电缆沟用高性能水泥基材料。


背景技术：

[0002]
高性能混凝土预制电缆沟构件具有高效率、高质量、节能环保的优点，同时可实现工厂化生产、标准化施工、减少现场湿作业和节约构件运输费用等。当预制电缆沟构件形成规模化生产后，还具有较高的经济性，这完全符合今后电网建设节能环保发展的需求。
[0003]
传统的电缆沟一般采用砖砌或现浇混凝土电缆沟。砖砌电缆沟道投资少，施工方便，但在地面以下部分沟壁因受干、湿、冻融和机械力的反复作用，内壁易损坏、粉刷层面极易剥落。采用现浇钢筋混凝土底板、砖砌沟壁，受气候条件的影响大、工程质量难以保证、工序多、工期长，现场文明管理难度较大，与国家电网公司建设“两型一化”变电站的要求存在一定差距。而预制装配式电缆沟相对于传统的电缆沟而言，其优势在于减少现场施工时间、优化现场施工环境和便于运行维护，所以预制装配式电缆沟必须采用耐久性好的材质。当前应用的预制装配式电缆沟为普通混凝土或高强混凝土，但普通混凝土因为其自重高，从而导致其应用在预制装配式结构中存在运输、安装及施工等多方面的问题。而高强混凝土抗压强度很高，但其抗拉及抗裂性却相对较低，制造的构件承受冲击荷载的能力很弱。因此，当前国内外虽然已有研究轻质高强预制电缆沟技术，但其成果中使用寿命与成本不能合理匹配，都不能兼顾强度高、耐久性好、造价较优的特点，严重影响预制电缆沟技术在电网建设中推广与应用。
[0004]
与传统混凝土相比，电缆沟高性能混凝土(hpc)在保持混凝土拌合物具有足够和易性的前提下尽量减少用水量，在此基础上，高效减水剂和活性矿物细掺料的复合掺入，能有效解决低用水量与和易性的矛盾。电缆沟hpc的力学性能与工程结构尺寸息息相关，比如结构尺寸增大、力学性能出现规律性的下降等。国内外对于立方体、棱柱体和圆柱体抗压强度尺寸效应的研究已经有相关报导，但对高性能混凝土抗折强度尺寸效应及水胶比对混凝土尺寸效应的研究开展较少。为了更系统地提高电缆沟hpc的各项力学性能及其尺寸效应机理，我们开展了不同活性矿物掺合料掺量及掺加方式分别对电缆沟hpc力学性能的影响，确定性价比较高的适合电缆沟寿命周期要求的低成本电缆沟hpc，并对其相应的力学性能尺寸效应也进行了确定，进而提出一种装配式预制电缆沟用高性能水泥基材料。


技术实现要素：

[0005]
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种性价比较高的装配式预制电缆沟用高性能水泥基材料。
[0006]
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种装配式预制电缆沟用高性能水泥基材料，该高性能水泥基材料由胶凝材料、减水剂、石英砂和钢纤维组成，所述的胶凝材料由水泥和活性矿物掺合料组成，所述的活性矿物掺合料为硅灰、粉煤灰和矿渣粉中的
至少一种；所述的胶凝材料的质量百分比组成中：硅灰的含量为0～20％、粉煤灰的含量为0～45％、矿渣粉的含量为0～45％且活性矿物掺合料的总含量为5～60％，余量为水泥；以所述的水泥的质量计，所述的减水剂的含量为所述的水泥的质量的3～6％，所述的石英砂的含量为所述的水泥的质量的110～150％，所述的钢纤维的含量为所述的水泥的质量的2～7％。
[0007]
作为优选，所述的活性矿物掺合料为硅灰，所述的胶凝材料的质量百分比组成中，硅灰的含量为5～10％。
[0008]
作为优选，所述的活性矿物掺合料为粉煤灰，所述的胶凝材料的质量百分比组成中，粉煤灰的含量为15～30％。
[0009]
作为优选，所述的活性矿物掺合料为矿渣粉，所述的胶凝材料的质量百分比组成中，矿渣粉的含量为20～30％。
[0010]
作为优选，所述的胶凝材料的质量百分比组成中，所述的活性矿物掺合料的总含量为50％。
[0011]
作为优选，所述的活性矿物掺合料为硅灰和粉煤灰以1:1的质量比复掺得到的复掺活性矿物掺合料。
[0012]
作为优选，所述的活性矿物掺合料为硅灰和矿渣粉以1:2的质量比复掺得到的复掺活性矿物掺合料。
[0013]
作为优选，所述的活性矿物掺合料为硅灰、粉煤灰和矿渣粉以2:2:1的质量比复掺得到的复掺活性矿物掺合料。
[0014]
作为优选，所述的活性矿物掺合料为粉煤灰和矿渣粉以1:1的质量比复掺得到的复掺活性矿物掺合料。
[0015]
作为优选，所述的粉煤灰为i级粉煤灰，所述的矿渣粉为s95矿渣粉。
[0016]
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明以特定比例的胶凝材料、减水剂、石英砂和钢纤维配制装配式预制电缆沟用高性能水泥基材料，通过在胶凝材料中掺加不同活性矿物掺合料，在不同掺量下得到了不同性价比的装配式预制电缆沟用高性能水泥基材料，尤其是针对电缆沟承载条件及服役要求确定了高性价比的装配式预制电缆沟用高性能水泥基材料及其尺寸效应变化规律。
附图说明
[0017]
图1为水泥和三种活性矿物掺合料的颗粒粒径分布图；
[0018]
图2为水泥和三种活性矿物掺合料的xrd图谱；
[0019]
图3为单掺硅灰对电缆沟hpc流动度的影响；
[0020]
图4为硅灰不同单掺掺量对电缆沟hpc抗压强度和抗折强度的影响结果；
[0021]
图5为单掺粉煤灰对电缆沟hpc流动度的影响；
[0022]
图6为粉煤灰不同单掺掺量对电缆沟hpc抗压强度和抗折强度的影响结果；
[0023]
图7为单掺矿渣粉对电缆沟hpc流动度的影响；
[0024]
图8为矿渣粉不同单掺掺量对电缆沟hpc抗压强度和抗折强度的影响结果；
[0025]
图9为硅灰和粉煤灰不同复合掺加比例对电缆沟hpc流动性的影响结果；
[0026]
图10为硅灰和粉煤灰不同复合掺加比例对电缆沟hpc抗压强度和抗折强度的影响
结果；
[0027]
图11为硅灰和矿渣粉不同复合掺加比例对电缆沟hpc流动性的影响结果；
[0028]
图12为硅灰和矿渣粉不同复合掺加比例对电缆沟hpc抗压强度和抗折强度的影响结果；
[0029]
图13为粉煤灰和矿渣粉不同复合掺加比例对电缆沟hpc流动性的影响结果；
[0030]
图14为粉煤灰和矿渣粉不同复合掺加比例对电缆沟hpc抗压强度和抗折强度的影响结果；
[0031]
图15为硅灰和矿渣粉不同复合掺加比例对电缆沟hpc流动性的影响结果；
[0032]
图16为硅灰和矿渣粉不同复合掺加比例对电缆沟hpc抗压强度和抗折强度的影响结果；
[0033]
图17为不同水胶比对不同尺寸大小电缆沟hpc抗压强度的影响结果；
[0034]
图18为不同水胶比对电缆沟hpc抗折强度尺寸效应的影响结果。
具体实施方式
[0035]
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0036]
以表1所示的配合比作为基准配合比，研究不同活性矿物掺合料及掺量的影响。其中，水泥为海螺牌p.o42.5，活性矿物掺合料为硅灰、i级粉煤灰及s95矿渣粉，水泥及三种活性矿物掺合料的化学组成见表2。水泥和三种活性矿物掺合料的颗粒粒径分布图及其xrd图谱如图1与图2所示。化学外加剂是减水率为25％的高效减水剂，其固含量10％，符合gb 8076《混凝土外加剂》有关外加剂的规定。骨料选用ii区连续级配石英砂(由5～8目、8～10目、16～25目、30～50目、50～100目石英砂按80:95:125:100:100质量比例配置)，细度模数为2.6。钢纤维采用直线型钢纤维，其力学指标参数见表3。
[0037]
表1不同活性矿物掺合料对电缆沟hpc性能影响的基准配合比(kg/m3)
[0038][0039]
表2水泥及三种活性矿物掺合料的化学组成(wt％)
[0040][0041]
表3钢纤维的力学指标参数
[0042][0043]
以表1的基准配合比为基础，配制高性能水泥基材料，保持胶凝材料总量不变，进行单掺活性矿物掺合料试验：分别单独掺加占胶凝材料总量5％、10％、15％、20％的硅灰，并分别制备成型混凝土试件；分别单独掺加占胶凝材料总量15％、30％、45％、60％的i级粉煤灰，并分别制备成型混凝土试件；分别单独掺加占胶凝材料总量10％、20％、30％、40％的s95矿渣粉，并分别制备成型混凝土试件。同时进行复掺活性矿物掺合料试验，也是以基准
配合比为基础，活性矿物掺合料总量占胶凝材料总量的50％，然后，研究不同活性矿物掺合料及掺量的影响：活性矿物掺合料分别为质量比1:1、1:2、1:3的硅灰和粉煤灰时，分别制备成型混凝土试件；活性矿物掺合料分别为质量比1:1、1:2、1:3的硅灰和矿渣粉时，分别制备成型混凝土试件；活性矿物掺合料分别为质量比1:1、1:2、1:3的粉煤灰和矿渣粉时，分别制备成型混凝土试件；硅灰占胶凝材料总量的20％条件下，粉煤灰和矿渣粉的质量比分别为1:1、1:2、2:1时，制备成型混凝土试件。相同或不同水胶比条件下电缆沟hpc力学性能的尺寸效应配合比见表4，表4中编号代表不同的水胶比。
[0044]
表4力学性能尺寸效应配合比(kg/m3)
[0045][0046]
1.1单掺活性矿物掺合料对电缆沟hpc性能的影响试验
[0047]
按照表1配合比依次配制基准组、单掺硅灰、单掺粉煤灰、单掺矿渣粉四组电缆沟hpc，每组成型3组40mm
×
40mm
×
160mm棱柱体试件。成型后将试件用塑料薄膜进行覆盖，在温度为20
±
2℃、相对湿度为70
±
5％的室内放置24h后拆模，拆模后将试件编号并放在标准养护室养护至3d、7d、28d龄期，并测试其抗折强度和抗压强度。
[0048]
1.2复掺活性矿物掺合料对电缆沟hpc性能的影响试验
[0049]
按照表1配合比依次配制复掺硅灰粉煤灰、复掺粉煤灰矿渣粉、复掺硅灰矿渣粉、复掺硅灰粉煤灰矿渣粉四组电缆沟hpc，每组成型3组40mm
×
40mm
×
160mm棱柱体试件。成型后将试件用塑料薄膜进行覆盖，在温度为20
±
2℃、相对湿度为70
±
5％的室内放置24h后拆模，拆模后将试件编号并放在标准养护室养护至3d、7d、28d龄期，并测试其力学性能。
[0050]
1.3电缆沟hpc力学性能尺寸效应试验
[0051]
按照表4配合比分别制备成型3
×2×
3组40mm
×
40mm
×
160mm、70.5mm
×
70.5mm
×
70.5mm、100mm
×
100mm
×
100mm、150mm
×
150mm
×
150mm以及3
×2×
2组70.5mm
×
70.5mm
×
211.5mm、100mm
×
100mm
×
300mm、100mm
×
100mm
×
400mm棱柱体试件，成型后将试件用塑料薄膜进行覆盖，在温度为20
±
3℃、相对湿度为70
±
5％的室内放置24h后拆模，拆模后将试件编号并放在标准养护室养护至3d、28d龄期，并测试其力学性能。
[0052]
2.1单掺活性矿物掺合料对电缆沟hpc性能的影响
[0053]
图3是硅灰单掺掺量从5％到20％时，对电缆沟hpc工作性能的影响结果。从图3可以看出，随着硅灰掺量的增加，浆体的流动度有明显降低，这表明硅灰的需水比明显高于水泥，因此硅灰掺量增大，电缆沟hpc的流动性明显降低。这也进一步表明，硅灰在电缆沟hpc中掺加量不能太高。
[0054]
图4是硅灰单掺掺量从5％到20％时，对电缆沟hpc抗压强度和抗折强度的影响结果。从图4可以看出，各个龄期时其抗压强度和抗折强度总体上呈下降趋势，并且抗压强度下降的幅度明显更大。28d龄期时，硅灰掺量5％时抗压强度比基准组提升了6.2％，硅灰掺量15％时其抗折强度提升了11.9％。可以看出硅灰掺量增加时，水泥基材料中水泥含量相对较少，水泥水化生成的ca(oh)2量也较少，硅灰的二次水化反应不充分，这大大减少了掺和料水化反应生成c-s-h等水化产物的数量，从而降低了电缆沟hpc的力学性能。
[0055]
图5是粉煤灰单掺掺量对电缆沟hpc流动性的影响结果。从图5可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，浆体的流动度呈现增加的趋势，这表明粉煤灰的需水比要明显低于硅灰，并且粉煤的滚珠效应对提高电缆沟hpc流动性非常明显。因此在制备电缆沟hpc时，适量增加粉煤灰的掺量对提高电缆沟hpc流动性会有明显的作用。
[0056]
图6是单掺粉煤灰对电缆沟hpc力学性能的影响结果。从图6可以看出，在3d和7d龄期时，电缆沟hpc的抗压强度与抗折强度呈明显的下降趋势。这是因为粉煤灰的掺加降低了早期水化反应的速度和早期水化产物的生成量，因此早期抗压强度和抗折强度均低于不掺粉煤灰的基准组电缆沟hpc。到28d龄期时，掺加粉煤灰的电缆沟hpc试件的抗压强度和抗折强度增长率均高于基准组电缆沟hpc试件。从图6还可以看出，在28天龄期期间，粉煤灰在15～30％掺量范围内的电缆沟hpc强度与基准组较为接近。随着龄期的延长，掺加粉煤灰的电缆沟hpc中二次水化继续进行，因此其抗压强度和抗折强度还有继续发展增加的空间。
[0057]
图7是单掺矿渣粉对电缆沟hpc力学性能的影响结果。从图7可以看出，随着矿渣粉单掺掺量的增加，电缆沟hpc流动性的变化没有明显规律，这表明s95矿渣粉需水比与水泥相差不多，在制备电缆沟hpc过程中s95矿渣粉对流动性的影响不大。
[0058]
图8是矿渣粉单掺掺量对电缆沟hpc流动性的影响结果。从图8可以得到，随着s95矿渣粉掺量的增加，3d、7d及28d三个龄期的电缆沟hpc的抗压强度和抗折强度均先提高后降低，s95矿渣粉在20～30％掺量范围内均可以明显提高电缆沟hpc的抗压强度和抗折强度。矿渣粉掺量为20％时，电缆沟hpc的抗压强度相比基准组提升了23.3％，掺量为30％时电缆沟hpc的抗折强度相比基准组提升了12.6％。跟单掺粉煤灰的电缆沟hpc一样，掺加了s95矿渣粉的电缆沟hpc试件的后期力学性能均会进一步提升。这表明矿渣粉的活性成分能和水泥水化产物ca(oh)2发生火山灰效应，从而提高电缆沟hpc力学性能，但当矿渣粉掺量过大时，水泥含量相对较少，水化生成的ca(oh)2量也较少，大大减少了水化反应所生成c-s-h，从而降低了力学性能。
[0059]
2.2复掺硅灰粉煤灰对电缆沟hpc性能的影响
[0060]
图9是硅灰和粉煤灰按一定质量比复掺时对电缆沟hpc流动性的影响结果。从图9可以看出，随着粉煤灰掺加比例的增加，电缆沟hpc流动度随之增加，这进一步表明硅灰需水比大于粉煤灰，粉煤灰对电缆沟hpc的流动性具有正向作用，与之相一致，随着硅灰所占比例的增加，电缆沟hpc的流动性明显降低。
[0061]
图10是硅灰和粉煤灰的复合掺加比例对电缆沟hpc力学性能的影响结果。从图10可以看出，硅灰与粉煤灰复掺的质量比为1:1时，电缆沟hpc的抗压强度和抗折强度最高。综合考虑成本及电缆沟混凝土的承载条件，从图10可以确定硅灰和粉煤灰复掺的质量比为1:2时，电缆沟hpc的性价比最适宜。
[0062]
2.3复掺硅灰矿渣粉对电缆沟hpc性能的影响
[0063]
图11是硅灰和矿渣粉按一定质量比复掺时对电缆沟hpc力学性能的影响结果。从图11可以看出，随着复掺的矿物掺合料中s95矿渣粉掺加比例的增加，电缆沟hpc流动度随之增加，这进一步表明硅灰需水比大于矿渣粉，因此硅灰掺加量增大时，电缆沟hpc的流动性下降更明显。
[0064]
图12是硅灰和矿渣粉的复合掺加比例对电缆沟hpc力学性能的影响结果。从图12可以看出，硅灰与矿渣粉的掺加比例对电缆沟hpc的抗压强度和抗折强度的影响变化不大，
综合考虑电缆沟力学承载条件及经济性因素，可以确定硅灰与矿渣粉的质量比1:3时电缆沟hpc的综合性能最优，性价比最高。将图12与图10进行对比，可以看出硅灰与矿渣粉复掺后的的抗压强度与抗折强度比硅灰与粉煤灰复掺后的强度要高，这也说明s95矿渣粉在电缆沟hpc力学性能方面效果比粉煤灰要好。
[0065]
2.4复掺粉煤灰矿渣粉对电缆沟hpc性能的影响
[0066]
图13是粉煤灰和矿渣粉的复合掺加比例对电缆沟hpc力学性能的影响结果。从图13可以看出，随着粉煤灰与矿渣粉复掺比例的变化，电缆沟hpc流动度没有明显的变化规律。这表明粉煤灰与s95矿渣粉的需水比相差不大，二者对改善电缆沟hpc的工作性能的效果基本一致。
[0067]
图14是粉煤灰和矿渣粉的复合掺加比例对电缆沟hpc力学性能的影响结果。从图14可以看出，粉煤灰与矿渣粉的质量比为1:1和1:2时，电缆沟hpc的抗压强度和抗折强度较高，考虑两种矿物掺合料的成本，因此确定粉煤灰和矿渣粉的适宜复合掺加比例为1:1。将图14与图12相比较，复掺粉煤灰和矿渣粉跟复掺硅灰和矿渣粉相比，后期最大的抗压强度两者相差不大，但复掺硅灰和矿渣粉的抗折强度更优，说明硅灰在提高抗压强度上与粉煤灰相差不大，但在提高抗折强度上更加优异。
[0068]
2.5复掺硅灰粉煤灰矿渣粉对电缆沟hpc性能的影响
[0069]
图15是硅灰占胶凝材料总量的20％条件下，粉煤灰和矿渣粉以不同的质量比掺加时，电缆沟hpc的工作性能变化特征。从图15中可以看出，硅灰掺量不变时，随着矿渣粉的复合掺加比例的增加，电缆沟hpc的流动度随之增加；硅灰掺量不变时，随着复掺的粉煤灰的掺量增加，电缆沟hpc流动度略有降低，这进一步表明试验所用到的粉煤灰与矿渣粉的需水比相差不大。
[0070]
图16是硅灰、粉煤灰和矿渣粉复合掺加比例对电缆沟hpc力学性能的影响结果。从图16可以看出，硅灰、粉煤灰和矿渣粉在胶凝材料中的总量为50％且硅灰的掺量固定为20％时，粉煤灰和矿渣粉的质量比为2:1时，电缆沟hpc的抗压强度和抗折强度达到最优，后期粉煤灰和矿渣粉的质量比为1:1时的抗压强度和抗折强度达到最优。将图16与图14行比较发现，复掺硅灰粉煤灰矿渣粉时的电缆沟hpc的抗折强度低于复掺粉煤和灰矿渣粉的抗压强度和抗折强度，说明复掺粉煤灰和矿渣粉时，加入的过量的硅灰使得体系中存在过多的小粒径，减少了粉煤灰矿渣粉等大粒径数量，从而增大了孔隙率并减小了密实度，降低了电缆沟hpc的力学性能。根据以上研究，从成本和性能两个层面考虑，电缆沟hpc的制备可以考虑复合掺加i级粉煤灰和s95矿渣粉，复合掺加的质量比为1:1。
[0071]
2.6不同水胶比对电缆沟hpc抗压强度尺寸效应的影响
[0072]
图17是不同水胶比对不同尺寸大小电缆沟hpc抗压强度的影响结果图。从图17可看出，在不同水胶比下，电缆沟hpc的抗压强度均随试件尺寸的增大而降低，表现出显著的尺寸效应；同时也可以看出，不同水胶比曲线随着试件尺寸的增大变化趋势是完全一致的，不过低水胶比hpc试件尺寸效应曲线变化率更高一些，这说明电缆沟hpc随水胶比的变化尺寸效应敏感程度不一样，其中低水胶比试件的尺寸效应更明显。其中，水胶比由0.2上升到0.3时，曲线由陡变缓，说明水胶比越低时的尺寸效应越明显。尺寸效应的产生原理可以根据weibull理论进行分析，即在不同尺寸结构中，其产生缺陷的概率也是不一样的，大尺寸中容易出现低强度元素，因此有更高的概率出现失效。
[0073]
2.7不同水胶比对电缆沟hpc抗折强度尺寸效应的影响
[0074]
当电缆沟hpc受拉时，混凝土基体首先会发生开裂，当裂纹扩展至钢纤维表面时，由于钢纤维的弹性模量高于混凝土基体，钢纤维会约束混凝土基体的开裂从而提高抗折强度，同时混凝土基体强度与裂纹扩展至钢纤维表面时的初裂强度有关。图18是不同水胶比对电缆沟hpc抗折强度尺寸效应的影响结果图。从图18可看出，在不同水胶比下，相同尺寸电缆沟hpc的抗折强度随水胶比的增长呈现急剧下降的趋势。在不同水胶比下，试件抗折强度均随试件尺寸的增大而降低，表现出明显的尺寸效应现象，然而不同水胶比曲线的下降程度有所不同，这说明电缆沟hpc随水胶比的变化，抗折强度尺寸效应的敏感程度不一样。由图18还可以看出水胶比由0.2上升到0.3时，随着试件尺寸的增大，抗折强度下降变缓，说明水胶比越低，其尺寸效应越明显。
[0075]
3结论
[0076]
3.1在单掺活性矿物掺合料时，掺入5～10％硅灰、15～30％粉煤灰或20～30％矿渣粉的电缆沟hpc较同掺量不同比例的其他试块获得了更好的力学性能。活性矿物掺合料的含量占胶凝材料质量的50％前提下，硅灰与i级粉煤灰以1:1的质量比复合掺加时，或硅灰与s95矿渣粉以1:2的质量比复合掺加时，或i级粉煤灰与s95矿渣粉以1:1的质量比复合掺加时，电缆沟hpc具有较优的力学性能。活性矿物掺合料的含量占胶凝材料质量的50％且硅灰占胶凝材料质量的20％前提下，i级粉煤灰与s95矿渣粉以2:1质量比复合掺加时性价比最优。综合考虑成本与电缆沟hpc承载条件，确定i级粉煤灰与s95矿渣粉复掺质量比1:1且i级粉煤灰与s95矿渣粉的总掺量占胶凝材料质量的50％时的性价比最优。
[0077]
3.2电缆沟hpc的抗压强度与抗折强度均随试件尺寸的增大而降低，且不同水胶比电缆沟hpc的抗压强度与抗折强度随试件尺寸的增大的下降速度不同。低水胶比电缆沟hpc的抗压强度与抗折强度尺寸效应更明显，随着水胶比的增加，抗压强度和抗折强度尺寸效应减弱；在相同水胶比条件下，小尺寸电缆沟hpc试件抗压强度比抗折强度尺寸效应更明显。