一种大体积混凝土工程用抗蚀、抗裂混凝土材料的制作方法

本发明属于混凝土材料，具体涉及一种大体积混凝土工程用抗蚀、抗裂混凝土材料。

背景技术：

1、大体积混凝土结构在现代城市化和基础设施建设中不可或缺，其主要特点即体积大，实体最小尺寸大于或等于1米。例如，上海中心大厦主楼的基础底板面积达11493平方米，厚度为6米，混凝土用量高达6.1万立方米。目前国内已经实现了最高单次浇注体积达到2.5万立方米，同时高强度混凝土强度能够达到c80以上，高性能混凝土抗压强度达到100mpa以上。这类建筑结构具有超长结构、超深厚度、混凝土材料标号高以及所处地理环境特殊等特点。特别是，当大体积混凝土结构在严酷地理环境中施工时，对抗蚀、抗裂等质量要求颇高。

2、根据gb 50021-2001《岩土工程勘察规范》，当环境类型为ⅱ类且无干湿交替作用时，硫酸盐含量大于390mg/l的水和土会对混凝土产生不同等级腐蚀。在此环境中，水中氯离子基本不对钢筋产生腐蚀影响，而土中氯离子为400mg/l以上会对钢筋产生腐蚀。目前国内对混凝土抗氯离子渗透性能评价主要采取电通量和氯离子渗透系数两个指标，电通量的典型值在800到4000c之间，氯离子渗透系数一般介于2×10-12～5×10-12m2/s，值越小表示抗渗透性能越好。国内主要采用干湿交替环境中混凝土能够经受的最大干湿循环次数来表示混凝土抗硫酸盐侵蚀性能，典型等级介于ks30～ks90之间。一般情况下，根据混凝土的自由干缩值评价大体积混凝土抗裂性。根据gb 50204-2017《混凝土结构工程施工质量验收规范》的规定，混凝土在28天龄期下的自由干缩值应不大于600μm/m。

3、大体积混凝土由于浇筑量较大，在水化过程中释放出大量的热量而使结构产生温度变化，进而导致温度应力的产生，极易产生各种结构裂缝，影响混凝土材料本身的力学性能和抗蚀、抗裂等耐久性能，威胁整体结构安全。为降低普通硅酸盐水泥大体积混凝土水化放热，提升抗蚀性能，通常采用大掺量矿物掺合料以有效防止氯离子渗透，降低混凝土的电通量。矿物掺合料可以减少水泥用量，减缓大体积混凝土内部温升，降低温度梯度。但矿物掺合料水化速度慢于普通硅酸盐水泥，且存在品质、来源不一致等问题，因此可能出现其与普通硅酸盐水泥适应性不良的情况。

4、针对普通硅酸盐水泥制备的大体积混凝土材料抗裂性较差的现状，在材料选择与配合比设计阶段，专利cn113831088a采用高导热纳米级微胶囊相变材料减缓大体积混凝土内部温升，降低温度梯度，提升大体积混凝土抗裂性能，但未提及胶凝材料的水化热，无法判断是否满足《普通混凝土配合比设计规程》要求。专利cn112979239a通过功能型复合外加剂的调控来避免混凝土内外温差较大导致裂缝产生的问题，但该复合外加剂的制备工艺较繁琐，无疑增加了施工成本与施工难度，且未优化集料级配，无法保证混凝土表观密度最大，对混凝土的实际收缩未见报道。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的主要目的在于提供一种大体积混凝土工程用抗蚀、抗裂混凝土材料。为实现此目的，本发明提供了一种大体积混凝土工程用抗蚀、抗裂混凝土材料，利用高铁相水泥、氟铝酸盐水泥搭配三元组分掺合料、优化的三级配粗集料与二级配细集料制备混凝土材料。高铁相水泥中c4af含量高，其水化产物相[c3(a,f)h6、c-a-s-h]能防止开裂、提高抗蚀性；氟铝酸盐水泥中f组分提升了高铁相水泥中高含量c2s的活性，水化产物相c-s-h持续生成，抗硫酸盐侵蚀性能好，且其微膨胀性有利于抗裂性能提升；三元组分掺合料掺入能缓释水化热，次第水化大幅改善孔隙结构、提升抗蚀、抗裂性能；三级配粗集料搭配二级配细集料优化了大体积混凝土整体级配、减小收缩，从而提升抗裂性能，综合利用有效延长了c45～c80大体积混凝土结构服役寿命。

2、本发明通过以下技术方案来实现：

3、一种大体积混凝土工程用抗蚀、抗裂混凝土材料，材料的组分和质量份数包括如下：高铁相水泥225～378份；氟铝酸盐水泥5～12份；三元组分掺和料158～215份；三级配粗集料936～1077份；二级配细集料630～837份。

4、所述的三元组分掺和料包括：粉煤灰88～150份、矿渣粉40～88份和膨胀剂20～30份；所述粉煤灰选用ⅱ级以上优质粉煤灰；三元组分掺合料采用混合粉磨10～300min，磨机转速为10～500rpm，粉磨后的掺合料比表面积介于400～800m2/g。

5、所述矿渣粉的比表面积介于500～800m2/kg；所述膨胀剂包括以下质量份数的组成：膨胀组分80～88份、水化温升抑制剂7～17份、钢筋防锈剂3～5份，并且三者质量合计100份。

6、所述的三级配粗集料包括：5～10mm石123～160份、10～20mm石795～867份、20～31.5mm石18～50份；粗集料材质为石质坚硬、清洁、不含风化颗粒、近立方颗粒的花岗岩、凝灰岩、石灰岩中的一种或多种碎石或卵石复合。

7、所述的二级配细集料包括：中砂142～267份、粗砂488～570份；二级配细集料采用材质为机制砂或江砂的一种或两种的粒径为中砂与粗砂复配。

8、所述的高铁相水泥中c4af质量分数介于18％～25％，c3a质量分数介于0～2％。

9、所述的氟铝酸盐水泥中c11a7·caf2质量分数介于71％～79％，c2s质量分数介于14％～22％。

10、所述的氟铝酸盐水泥以质量百分数2％～8％的掺量替代高铁相水泥。

11、所述混凝土材料的制备方法如下：按照拟定配合比将三级配粗集料、二级配细集料进行混合搅拌，搅拌1min～3min，得到第一混合物；将三元组分掺合料混合粉磨10min～300min，磨机转速为10rpm～500rpm，控制粉磨后的掺合料比表面积介于400m2/g～800m2/g，得到第二混合物；将高铁相水泥、氟铝酸盐水泥、第二混合物等粉料预先在混料罐中以200rpm～500rpm的转速共同混合10min～30min，然后加入第一混合物中搅拌均匀，搅拌1min～2min，得第三混合物；将水、减水剂等加入第三混合物中，搅拌3min～5min，即得一种大体积混凝土工程用抗蚀、抗裂混凝土材料。

12、本发明制备出的混凝土材料初始坍落度在180～210mm，56d抗压强度均富裕10％～15％以上，7d水化热介于170～210kj/kg，绝热温升低于50℃，电通量介于600～700c，氯离子扩散系数低于1.8×10-12m2/s，抗硫酸盐侵蚀等级均高于ks90，收缩值低于300μm/m。

13、本发明制备出的混凝土材料使用于c45～c80大体积混凝土结构材料。

14、具体说明如下：

15、本发明提供一种大体积混凝土工程用抗蚀、抗裂混凝土材料，其特征在于：包括如下原料：

16、高铁相水泥、氟铝酸盐水泥、三元组分掺和料、三级配粗集料、二级配细集料，按质量份数计，

17、高铁相水泥225～378份；氟铝酸盐水泥5～12份；三元组分掺和料158～215份，其中，粉煤灰88～150份、矿渣粉40～88份、膨胀剂20～30份；三级配粗集料936～1077份，其中，5～10mm石123～160份、10～20mm石795～867份、20～31.5mm石18～50份；二级配细集料630～837份，其中，中砂142～267份、粗砂488～570份，面向c45～c80的大体积混凝土工程。

18、所述高铁相水泥中c4af质量分数介于18％～25％，c3a质量分数介于0～2％，3d抗压强度介于23～26mpa，28d抗压强度介于50～55mpa，7d水化热介于200～230kj/kg，28d氯离子扩散系数介于40×10-14～60×10-14m2/s，28d抗硫酸盐侵蚀系数介于1.1～1.2，干燥收缩率介于500×10-6～600×10-6。

19、所述氟铝酸盐水泥中c11a7·caf2质量分数介于71％～79％，c2s质量分数介于14％～22％。所述氟铝酸盐水泥以质量分数2％～8％的掺量替代高铁相水泥。

20、所述三元组分掺合料采用粉煤灰、矿渣粉与膨胀剂复合。

21、所述粉煤灰选用ⅱ级以上优质粉煤灰。所述矿渣粉的比表面积介于500～800m2/kg。所述膨胀剂包括以下质量份数的组成：膨胀组分80～88份、水化温升抑制剂7～17份、钢筋防锈剂3～5份，并且三者质量合计100份。

22、所述三元组分掺合料采用混合粉磨10～300min，磨机转速为10～500rpm，粉磨后的掺合料比表面积介于400～800m2/g。

23、所述三级配粗集料选用5～10mm、10～20mm及20～31.5mm石形成三级配复配。

24、所述粗集料材质为石质坚硬、清洁、不含风化颗粒、近立方颗粒的花岗岩、凝灰岩、石灰岩中的一种或多种碎石或卵石复合。所述三级配粗集料的松散堆积孔隙率≤43％。

25、所述二级配细集料采用材质为机制砂或江砂的一种或两种的粒径为中砂与粗砂复配。所述中粗砂的表观密度≥2700kg/m3，所述二级配细集料的松散堆积孔隙率≤44％。

26、所述混凝土材料的制备方法如下：按照拟定配合比将三级配粗集料、二级配细集料进行混合搅拌，搅拌1min～3min，得到第一混合物；将三元组分掺合料混合粉磨10min～300min，磨机转速为10rpm～500rpm，控制粉磨后的掺合料比表面积介于400m2/g～800m2/g，得到第二混合物；将高铁相水泥、氟铝酸盐水泥、第二混合物等粉料预先在混料罐中以200rpm～500rpm的转速共同混合10min～30min，然后加入第一混合物中搅拌均匀，搅拌1min～2min，得第三混合物；将水、减水剂等加入第三混合物中，搅拌3min～5min，即得一种大体积混凝土工程用抗蚀、抗裂混凝土材料。

27、所述大体积混凝土材料的坍落度、抗压强度按照gb/t 50081-2011《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试；水化放热量参照gb/t 12959-2008《水泥水化热测定方法》测试不同配合比胶凝材料水化放热量；绝热温升按照gb 50496-2018《大体积混凝土施工标准》计算；混凝土抗氯离子渗透、收缩按照gb/t 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》相关要求测试，抗氯离子渗透所用试件为标准养护28d的φ100mm×50mm混凝土试块；混凝土抗硫酸盐等级按照gb/t 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测定，所用试件为标准养护28d及干湿循环后的100mm×100mm×100mm立方体混凝土试块；xrd采用荷兰帕纳科公司empyrean型x射线衍射仪测试水化产物物相成分；sem采用美国fei公司生产的型号为quanta feg 450的场发射扫描电镜测试混凝土材料水化产物形貌。

28、所述大体积混凝土工程用抗蚀、抗裂混凝土材料具有优异的工作性能和耐久性能。制备出的混凝土材料初始坍落度在180～210mm，56d抗压强度均富裕10％～15％以上，7d水化热介于170～210kj/kg，绝热温升低于50℃，电通量介于600～700c，氯离子扩散系数低于1.8×10-12m2/s，抗硫酸盐侵蚀等级均高于ks90，收缩值低于300μm/m，且水化产物中含有更多的c-a-s-h凝胶和c3(a,f)h6，强有利地提升了高腐蚀等严酷环境下c45～c80大体积混凝土结构的抗蚀、抗裂等耐久性能及服役寿命。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

30、1、高铁相水泥c4af含量显著高于普通硅酸盐水泥，其水化放热量较普通硅酸盐水泥低，收缩小，有利于抗裂性能提升。且其水化产物中存在大量c3(a,f)h6和c-a-s-h凝胶，有效提升了大体积混凝土结构的抗蚀性能。c3(a,f)h6颗粒尺寸较大，与so42-接触面积相对较小，在硫酸盐侵蚀过程中，不仅能生成较多的钙矾石，还能在未反应颗粒上形成一层致密包裹层，延缓硫酸盐侵蚀作用；c-a-s-h凝胶较普通c-s-h凝胶平均分子链长更长，对cl-吸附与固化效果更优。

31、2、氟铝酸盐水泥水化后能产生更多c3ah6和铝胶等水化产物，有效抵抗so42-、cl-等离子的侵蚀。且氟铝酸盐水泥中c11a7·caf2含量超过70％，在大量f组分的作用下，提升了高铁相水泥中高含量c2s的活性，且其本身早期强度较高，又促进了中后期c2s的水化，延长c-s-h凝胶的生成，对大体积混凝土材料抗蚀和抗裂性能调控从源头上提供了创新性选择。

32、3、选用5～10mm、10～20mm与20～31.5mm三级配粗集料搭配表观密度大于2700kg/m3的二级配细集料，该设计比例下优化了大体积混凝土整体级配。该级配下骨料堆积密度最大，可保证大体积混凝土材料拥有最大的容重、较好的体积稳定性和密实效果，有利于减少水泥浆用量，有效抑制大体积混凝土材料的自收缩和干燥收缩，从而提升大体积混凝土材料的抗裂性能。

33、4、将粉煤灰、矿渣粉、膨胀剂三元组分掺合料掺入高铁相水泥，充分发挥了高铁相水泥与掺合料协同适应作用。延长了高铁相水泥大体积混凝土的凝结时间，缓释混凝土材料水化热，减少因水化热而产生的温度裂缝。而粉煤灰、矿渣粉、膨胀剂的掺量对混凝土性能影响巨大。粉煤灰由于比表面积小于水泥，掺量过多会导致需水量增加，需要补充更多外加剂和拌合水，而过少会导致混凝土凝结时间缩短，水化放热量增加，混凝土强度值增加缓慢；矿渣粉过多过少均会导致混凝土凝结时间延长、强度下降、抗渗性能下降；膨胀剂过多会导致强度下降，后期收缩增加，过少会导致膨胀效果不明显，稳定性下降。以粉煤灰88～150份、矿渣粉40～88份、膨胀剂20～30份为比例的三元组分掺合料混合粉磨，构建次第水化，能够持续高质量大密度地生成水化产物。粉煤灰、矿渣粉水化消耗了氢氧化钙降低了体系碱度，引入的al、fe将生成c-a-s-h凝胶，且大量fe会在水化产物中取代部分al形成c3(a,f)h6，减少了不利于抗蚀抗裂的大毛细孔及气孔的数量，增加了凝胶孔和小毛细孔数量；掺入一定量的膨胀剂，补偿收缩以避免混凝土的温升导致开裂。综合提升了结构的强度及抗氯离子、硫酸盐侵蚀等耐久性能。

34、5、通过高铁相水泥、氟铝酸盐水泥、三级配粗集料、二级配细集料、三元组分掺合料等关键材料组合，制备出的混凝土材料初始坍落度在180～210mm，56d抗压强度均富裕10％～15％以上，7d水化热介于170～210kj/kg，绝热温升低于50℃，电通量介于600～700c，氯离子扩散系数低于1.8×10-12m2/s，抗硫酸盐侵蚀等级均高于ks90，收缩值低于300μm/m，强有利地提升了高腐蚀等严酷环境下c45～c80大体积混凝土结构的抗蚀、抗裂等耐久性能及服役寿命。