CN106630720B - 一种用于海洋工程混凝土结构的纳米改性复合粉体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋工程材料及工程技术领域，旨在提供一种用于海洋工程混凝土结构的纳米改性复合粉体。该复合粉体是由重量份数的下述原料组分混合而成：粉煤灰20～30份、高炉矿渣粉25～40份，硅灰10～20份；纳米CaCO3 5～10份，纳米分散剂0.8～1份。本发明有效的解决了单一矿物组分对混凝土性能影响的局限性，复合多功能组分能有效优化混凝土结构颗粒级配，达到大大提高混凝土结构耐久性的目的。本发明充分发挥纳米颗粒的高活性与威晶核效应，对海洋工程混凝土结构抗渗性与耐久性的提高效果要远远优于普通矿物掺合料。本发明促使高活性颗粒合理级配、均匀混合，达到配方设计的最优化，产品具备优良的耐蚀、减缩、低水化热和补偿收缩等特性。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程材料及工程技术领域，具体涉及一种专用于海工混凝土结构的纳米改性复合超细粉体及其制备方法。
背景技术
随着我国海洋经济的高速发展，海港码头、跨海大桥、海底隧道等众多大型海洋工程开始大量投建，海洋工程建设规模达到了空前的程度，而建筑材料尤其是混凝土在海洋工程建设中发挥着至关重要的作用。但由于海洋坏境的特殊性，对混凝土结构造成严重的侵蚀及破坏效果：一方面，由于海水中存在大量Cl-、SO4 2-、Mg2+等侵蚀性离子以及微生物，要求混凝土具备优良的耐腐蚀性能；另一方面，海浪的冲击、磨损、疲劳和气蚀等作用会对混凝土结构造成一定程度的破坏。因此，海洋环境下的混凝土不仅要求具有足够强度，还应具有良好的抗冲击、抗疲劳、耐磨损等力学性能。
利用矿物掺合料制备高性能混凝土是提高海工混凝土抗腐蚀性能的一项重要措施，但传统的矿物掺合料加入后，虽然也能较好的改善混凝土结构密实度，但同时也可能导致钢筋混凝土的碱度降低，引起混凝土钢筋表面钝化膜的稳定性下降，当氯离子从外部渗入到混凝土的钢筋表面时，反而更快引起钢筋的腐蚀，很难达到目前100年的设计要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，开发出一种纳米改性复合超细粉体，提高海洋工程结构混凝土耐久性。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种用于海洋工程混凝土结构的纳米改性复合粉体，是由重量份数的下述原料组分混合而成：粉煤灰20～30份、高炉矿渣粉25～40份，硅灰10～20份；纳米CaCO3 5～10份，纳米分散剂0.8～1份。
本发明中，所述粉煤灰为Ⅱ级灰，符合GB/T1596-2005执行标准，比表面积为400～600m2/kg。
本发明中，所述高炉矿渣粉为S95级，符合GB/T18046-2008执行标准，比表面积为400～600m2/kg。
本发明中，所述硅灰符合GB/T27690-2011执行标准，比表面积为15～30m2/g。
本发明中，所述纳米CaCO3为链锁状纳米CaCO3，符合GB/T19590-2011执行标准，粒径为15～40nm。
本发明中，所述纳米分散剂是SP-1800聚酯类超分散剂，其有效成分为十六烷基三甲基溴化铵。
本发明进一步提供了所述纳米改性复合粉体的制备方法，包括下述步骤：
(1)将干燥的纳米CaCO3与纳米分散剂按照所述的重量比例混合，恒温110℃下搅拌30min，制得改性的纳米CaCO3；
(2)按所述的重量比例称取粉煤灰、高炉矿渣粉和硅灰，添加助磨剂后在立磨设备中预磨；然后以雾化加料方式加入球磨设备中，混磨得到复合矿物超细粉体；
(3)将复合矿物超细粉体与改性的纳米CaCO3混合后送入连续式辊压机，粉磨得到纳米改性复合粉体。
本发明还提供了所述纳米改性复合粉体的使用方法，是以所述纳米改性复合粉体替代等量的水泥用于混凝土制备；具体包括下述步骤：
(1)向搅拌设备中加入水泥与集料，其中集料的重量按混凝土制备的配比要求计算，水泥的重量按所需干水泥总量的75％计算；
(2)称取纳米改性复合粉体并加入搅拌设备，纳米改性复合粉体的重量按制备混凝土所需干水泥总量的15％计算；
(3)将纳米改性复合粉体与水泥、集料搅拌均匀后，按混凝土制备的配比要求加入水；继续搅拌，直至混合均匀，备用。
发明原理描述：
本发明从多元组分配方设计、工艺优化、应用技术等多角度出发，将改性纳米CaCO3与粉煤灰、矿渣、硅灰等传统矿物掺合料经特定工艺有效复合，对各组分进行级配优化控制，充分发挥各组分功能间的叠加与协同效果，提高结构强度及抗渗性能，大大改善海洋工程结构耐久性。
将纳米CaCO3与传统矿物掺合料结合应用到混凝土中，可充分发挥纳米CaCO3的填充效应，减小孔隙率，增加混凝土结构密实度，同时高活性的纳米CaCO3与混凝土中的C3A反应生成水化碳铝酸钙，促进水泥水化以提高硬化体强度。另外，以纳米CaCO3颗粒为晶核，在颗粒表面形成C-S-H凝胶，形成以纳米CaCO3颗粒为晶核的三维立体网状结构，改善混凝土的亚显微组织结构，提高混凝土结构耐久性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明有效的解决了单一矿物组分对混凝土性能影响的局限性，将粉煤灰、超细矿粉、硅灰等多功能组分相结合，达到组分功能叠加与协同效果，复合多功能组分能有效优化混凝土结构颗粒级配，达到大大提高混凝土结构耐久性的目的。
2、本发明在矿物组分体系中引入改性纳米CaCO3颗粒，利用纳米CaCO3对混凝土结构进行颗粒级配优化的同时，充分发挥纳米颗粒的高活性与威晶核效应，对海洋工程混凝土结构抗渗性与耐久性的提高效果要远远优于普通矿物掺合料。
3、本发明开发以预磨、混磨、喷雾加料为特色的超细矿粉粉体活化新工艺，促使高活性颗粒合理级配、均匀混合，达到配方设计的最优化，产品具备优良的耐蚀、减缩、低水化热和补偿收缩等特性。
附图说明
图1是纳米改性复合超细粉体的技术路线图；
图2是纳米改性复合超细粉体生产工艺图。
具体实施方式
以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本发明中所述用于海洋工程混凝土结构的纳米改性复合粉体，是由重量份数的下述原料组分混合而成：粉煤灰20～30份、高炉矿渣粉25～40份，硅灰10～20份；纳米CaCO35～10份，纳米分散剂0.8～1份。所述粉煤灰为Ⅱ级灰，符合GB/T1596-2005执行标准，比表面积为400～600m2/kg。高炉矿渣粉为S95级，符合GB/T18046-2008执行标准，比表面积为400～600m2/kg。硅灰符合GB/T27690-2011执行标准，比表面积为15～30m2/g。纳米CaCO3为链锁状纳米CaCO3，符合GB/T19590-2011执行标准，粒径为15～40nm。所述纳米分散剂是SP-1800聚酯类超分散剂，其有效成分为十六烷基三甲基溴化铵，可市购获得。
纳米改性复合粉体的制备方法，包括下述步骤：
(1)将干燥的纳米CaCO3与纳米分散剂按照所述的重量比例混合，恒温110℃下搅拌30min，制得改性的纳米CaCO3；
(2)按所述的重量比例称取粉煤灰、高炉矿渣粉和硅灰，添加助磨剂后在立磨设备中预磨；然后以雾化加料方式加入球磨设备中，混磨得到复合矿物超细粉体；
(3)将复合矿物超细粉体与改性的纳米CaCO3混合后送入连续式辊压机，粉磨得到纳米改性复合粉体。
纳米改性复合粉体的使用方法，是以所述纳米改性复合粉体替代等量的水泥用于混凝土制备；具体包括下述步骤：
(1)向搅拌设备中加入水泥与集料，其中集料的重量按混凝土制备的配比要求计算，水泥的重量按所需干水泥总量的75％计算；
(2)称取纳米改性复合粉体并加入搅拌设备，纳米改性复合粉体的重量按制备混凝土所需干水泥总量的15％计算；
(3)将纳米改性复合粉体与水泥、集料搅拌均匀后，按混凝土制备的配比要求加入水；继续搅拌，直至混合均匀，备用。
实施例1
纳米改性复合粉体由重量份数的下述原料组分混合而成：粉煤灰20份、高炉矿渣粉40份，硅灰15份；纳米CaCO3 7份，纳米分散剂1份。
按前述方法操作，实现纳米改性复合粉体的制备和在制备混凝土过程中的使用。
实施例2
纳米改性复合粉体由重量份数的下述原料组分混合而成：粉煤灰30份、高炉矿渣粉25份，硅灰20份；纳米CaCO3 5份，纳米分散剂0.8份。
按前述方法操作，实现纳米改性复合粉体的制备和在制备混凝土过程中的使用。
实施例3
纳米改性复合粉体由重量份数的下述原料组分混合而成：粉煤灰25份、高炉矿渣粉30份，硅灰10份；纳米CaCO3 10份，纳米分散剂0.9份。
按前述方法操作，实现纳米改性复合粉体的制备和在制备混凝土过程中的使用。
实施例4
以实施例1-3制备获得的纳米改性复合粉体用于制备混凝土，该过程中设定水灰比为0.33，砂率0.43，聚羧酸高效减水剂掺量0.4％。将混合均匀的混凝土浇筑成型，拆模后养护，得到高耐久性海洋工程混凝土。
实施例5
以实施例1-3制备获得的纳米改性复合粉体用于制备混凝土，该过程中设定水灰比为0.33，砂率0.43，聚羧酸高效减水剂掺量0.4％。分别制备C30、C40、C50等不同强度等级的高耐久性混凝土，并以不掺纳米改性复合粉体的基准混凝土做对比，在舟山摘箬山岛进行实海暴露试验，待一定龄期后测试海工混凝土力学性能及耐久性能(主要以抗氯离子渗透性表征)，各龄期混凝土耐久性远优于基准混凝土。
混凝土测试数据如下：
混凝土力学性能
混凝土抗氯离子渗透性
由基准组J-C30、J-C40、J-C50与掺入纳米改性复合超细粉体G-C30、G-C40、G-C50数据对比发现，在强度等级、服役龄期相同的条件下，掺入纳米改性复合超细粉体后能有效提高混凝土抗压强度并大大降低混凝土电通量，提高抗氯离子渗透性，混凝土耐久性大幅增强。
基于上述描述，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。
Claims (5)
1.一种制备用于海洋工程混凝土结构的纳米改性复合粉体的方法，其特征在于，包括下述步骤：
（1）将干燥的纳米CaCO3与纳米分散剂混合后，在恒温110℃下搅拌30min，制得改性的纳米CaCO3 ；所述纳米分散剂是SP-1800聚酯类超分散剂，其有效成分为十六烷基三甲基溴化铵；
（2）称取粉煤灰、高炉矿渣粉和硅灰，添加助磨剂后在立磨设备中预磨；然后以雾化加料方式加入球磨设备中，混磨得到复合矿物超细粉体；
（3）将复合矿物超细粉体与改性的纳米CaCO3混合后送入连续式辊压机，粉磨得到纳米改性复合粉体；该纳米改性复合粉体中包括下述重量份数的组分：粉煤灰20~30份、高炉矿渣粉25~40份，硅灰10~20份；纳米CaCO3 5~10份，纳米分散剂0.8~1份。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉煤灰为Ⅱ级灰，符合GB/T1596-2005执行标准，比表面积为400～600 m2/kg。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高炉矿渣粉为S95级，符合GB/T18046-2008执行标准，比表面积为400～600 m2/kg。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅灰符合GB/T27690-2011执行标准，比表面积为15～30 m2/g。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米CaCO3为链锁状纳米CaCO3，符合GB/T19590-2011执行标准，粒径为15~40nm。
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