一种预拌混凝土开放时间的控制方法
技术领域
本发明属于混凝土制备技术领域，具体涉及一种预拌混凝土开放时间的控制方法。
背景技术
预拌混凝土开放时间是描述预拌混凝土施工性能的新概念，开放时间能表述预拌混凝土搅拌站生产控制、运输控制、施工控制的全过程的质量要求，即从混凝土加水开始搅拌起到其施工性能和力学性能稳定的这一时间段。控制混凝土开放时间，主要控制混凝的坍落度损失率、表观密度变化率、凝结时间、泌水率、抗压强度变化率等指标。
然而，预拌混凝土在使用过程中受到时效性、季节性的影响，导致其质量波动较大，诸如离析、坍落度损失过大、泌水等情况屡见不鲜，主要不足为以下几点：第一、对调控方向、调控力度还把握得不够到位，经常出现调整不足亦或者是调整过头的问题；第二、在混凝土泵送过程中会出现各种突发问题，比如道路拥堵问题、工地工人问题、泵车堵管问题等等，对混凝土的质量影响更甚；第三、应对于多变的气候环境下，混凝土质量把控难度大，容易出现质量风险。
因此，在不同气候条件下，通过调整预拌混凝土配方、控制混凝土开放时间，是满足生产、运输、施工等要求的主要手段。现有技术中大多采用添加合适的掺和料或外加剂等方法来提高混凝土的综合性能，而较少在生产过程中通过制备方法或工艺参数的控制来提高质量。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种在不同温度下的预拌混凝土开放时间的控制方法，使混凝土施工过程中的各项指标满足要求。
本发明的上述目的通过以下技术方案得以实施：
一种预拌混凝土开放时间的控制方法，所述预拌混凝土的加工方法包括如下步骤：先将黄砂和石子放入搅拌机中混合，再加入水泥、粉煤灰和矿粉进行搅拌，然后加入水和外加剂共同搅拌均匀，得到预拌混凝土。
预拌混凝土开放时间是描述预拌混凝土施工性能的新概念，开放时间可用于表述预拌混凝土搅拌站生产控制、运输控制、施工控制的全过程的质量要求，即从混凝土加水开始搅拌起到其施工性能和力学性能稳定的这一时间段。为保证水泥浆在工程施工中有足够的时间处于塑性状态，便于操作使用，预拌混凝土的初凝时间不宜过短，同时为保证已形成工程形状的水泥浆尽早取得强度，以便能够承受较大荷载，开放时间不得长于终凝时间。
从预拌混凝土结构的形成过程来看，当硅酸盐水泥拌和水后，其中的熟料矿物与水发生反应，随着水化产物的长大、增多，直至各种颗粒可初步联接成网，形成凝聚结构，水泥浆体才会开始凝结。通常，由于水泥拌水后铝酸三钙(C3A)的水化快速形成了钙矾石，开始时使水泥屈服值随水化的进展而提高，随后变慢，而硅酸三钙(C3S)的强烈水化形成的水化硅酸钙(C-S-H)可使屈服值再次以更快的速度上升。铁相固溶体(C4AF)的水化反应及其产物与C3A很相似，因此，初凝时间与C3A、C3S和C4AF的水化密切相关，而终凝时间则主要取决于C3S的水化。外加剂的加入会影响正常的凝结时间，一般水泥的初凝时间不小于45min，缓凝剂可以适当延长初凝时间，终凝时间不长于10h。此外，混凝土搅拌、运输、浇筑、养护期间的环境温度也会影响混凝土的凝结时间，改变环境温度也会引起其强度、坍落度、泌水等的变化。
因此，本发明根据气候环境的变化，通过调整混凝土的配方控制其开放时间，从而保证预拌混凝土在生产、运输、施工全过程的质量满足要求。本发明中的预拌混凝土满足以下性能指标：凝结时间≥240min，坍落度损失率≤10％，表观密度变化率≤1％，泌水率变化率≤5％，抗压强度变化率≤5％。
坍落度是体现混凝土和易性的重要指标，主要受原材料、搅拌、运输、浇筑等因素的影响。由于不同气候环境中，骨料含水量会发生变化，预拌混凝土不同的吸水率将导致坍落度不同程度的偏差。若搅拌时间过长，骨料吸水量加大，也会造成坍落度的损失。而当混凝土暴露时，外界环境温度越高，水分蒸发越快，混凝土坍落度的损失也越大。因此本发明中预拌混凝土的材料配比通过精确计算并经大量反复调试得出，并根据不同环境温度调整外加剂配比，避免环境因素导致材料比表面积变化和坍落度损失。
预拌混凝土保水性差，易造成离析使内部组成和结构不均匀，其中一种表现形式即为泌水现象。混凝土在浇筑后出现泌水不仅会增加其渗透性，损坏混凝土表面，还会影响其致密性、骨料的界面强度以及混凝土与钢筋间的握裹力，造成不可逆的塑性收缩，产生塑性裂纹，带来严重的危害后果。混凝土离析不仅与水泥、砂石骨料、粉煤灰、外加剂等原料有关，还受其细度、配比及搅拌时间等因素影响。外加剂的掺入可极大地改善预拌混凝土的性能，但若使用不当也会导致混凝土的离析。在不同温度下，混凝土的保水性和水灰比也会产生差异，因此本发明根据气候环境调节外加剂配比，增强粘聚性，提高混凝土的抗离析性。
本发明所述预拌混凝土包括如下重量份数的原料：石子1000-1200份、黄砂630-660份、水泥260-280份、II级粉煤灰50-80份、S95矿粉50-80份、水100-160份、外加剂3-9份。
进一步地，本发明所述预拌混凝土的组成包括如下重量份数的材料：石子1100份、黄砂650份、水泥280份、粉煤灰60份、矿粉70份、水150份、外加剂7份。
进一步地，本发明所述石子的颗粒级配为5-25mm，所述黄砂的细度模数为中砂，所述粉煤灰优选为II级粉煤灰，所述优选矿粉为S95矿粉。
砂石料是预拌混凝土的主要材料，用量最大，直接影响混凝土的质量。石子和黄砂的质量是影响混凝土离析的重要因素，碎石粒径过大、级配差或单一级配、含水率过高、含泥量过大等都可能造成混凝土离析，因此，为避免因骨料问题造成混凝土离析，不仅需要调整砂率，还需要优化砂、石骨料的级配，保证其质量，同时配合其他材料和外加剂的用量调整。
进一步地，本发明所述外加剂为包括聚羧酸高效减水剂、聚羧酸保坍剂、保水调节剂和缓凝剂中的至少两种。
本发明中混凝土开放时间设计值为4小时，分别提供在低温(＜15℃)、常温(15-30℃)、高温(＞30℃)三个环境温度条件下的预拌混凝土配方。在较高的环境温度下，水泥的水化过程缩短，而缓凝剂的吸附作用可使其在水泥颗粒表面形成薄膜，从而延缓水化过程，若加入保水调节剂，会缩短凝结时间，导致坍落度损失较快；而在低温条件下，外加剂掺入量不易控制，添加一定的保水调节剂可以堵塞毛细通道组织浆体内自由水的析出，达到保水增稠的目的，而若加入聚羧酸保坍剂，糖类缓凝剂会导致泌水，延长凝结时间。因此本发明在不同环境温度调节采用不同的外加剂复配方式，在低温时增加保水调节剂的掺入量而减少缓凝剂的使用，而在高温下增加复配外加剂中缓凝剂的配比。
当环境温度为0-15℃时，所述外加剂为91-99wt％的聚羧酸高效减水剂和1-9wt％的保水调节剂复配而成。
当环境温度为15-30℃时，所述外加剂为90-95wt％的聚羧酸高效减水剂、3-5wt％的保水调节剂、1-3wt％的缓凝剂和1-2wt％的聚羧酸保坍剂复配而成。
当环境温度为30-45℃时，所述外加剂为91-96wt％的聚羧酸高效减水剂、3-5wt％的缓凝剂和1-4wt％的聚羧酸保坍剂复配而成。
进一步地，当环境温度为0-15℃时，所述外加剂为94wt％的聚羧酸高效减水剂和6wt％的保水调节剂复配而成。
进一步地，当环境温度为15-30℃时，所述外加剂为94wt％的聚羧酸高效减水剂、3.5wt％的保水调节剂、1.5wt％的缓凝剂和1wt％的聚羧酸保坍剂复配而成。
进一步地，当环境温度为30-45℃时，所述外加剂为94wt％的聚羧酸高效减水剂、4wt％的缓凝剂和2wt％的聚羧酸保坍剂复配而成。
聚羧酸高效减水剂对混凝土有较强的分散作用，可提高预拌混凝土的流动性和坍落度，同时减少加水量，可有效提升混凝土的加工性能。本发明中的聚羧酸高效减水剂由于在共聚合成过程中引入了大量羟基，大大提高了分散能力，并且能减小混凝土坍落度损失率，提高其抗压强度。
本发明所述聚羧酸减水剂为甲基烯丙基聚氧乙烯醚和丙烯酸聚合物的混合物，所述丙烯酸聚合物优选为聚丙烯酸、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸或聚丙烯酰胺中的一种或几种。
进一步地，本发明所述聚羧酸减水剂中，甲基烯丙基聚氧乙烯醚和丙烯酸聚合物的质量比为4-8:1。
本发明所述保水调节剂为水性环氧树脂、纤维素醚、木质素钠、聚丙烯酰胺中的至少一种。
本发明所述缓凝剂为柠檬酸、葡萄糖酸钠或蔗糖中的至少一种。
进一步地，本发明所述保水调节剂为纤维素醚和木质素钠的混合物，其中纤维素醚和木质素钠的质量比为1:5-6。
进一步地，本发明所述缓凝剂为葡萄糖酸钠和蔗糖的混合物，其中葡萄糖酸钠和蔗糖的质量比为1-3:1。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过预拌混凝土材料的合理配比及调节不同温度下外加剂的配比，达到控制混凝土开放时间的目的，可以大概率避免实际施工过程中因混凝土离析造成的堵管现象，加快施工进度，减少人工成本。
2、本发明调整不同温度下的预拌混凝土及外加剂配比，可以有效控制施工过程中因混凝土坍落度损失过大导致的泵送困难、施工困难等问题。
3、本发明预拌混凝土开放时间的控制方法可以有效避免因混凝土过早初凝导致的混凝土报废、搅拌车冻罐以及施工冷缝的出现。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步描述说明。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于帮助理解本发明，不用于本发明的具体限制。
实施例1：
本实施例提供一种预拌混凝土开放时间的控制方法，环境温度为0-15℃，所述预拌混凝土的制备方法如下：
将1wt％纤维素醚、5wt％木质素钠、84.6wt％甲基烯丙基聚氧乙烯醚和9.4wt％丙烯酸酸进行复配得到外加剂，先将650kg/m3中砂、1100kg/m3石子(颗粒级配为5-25mm)放入搅拌机中混合，再加入280kg/m3硅酸盐水泥、60kg/m3II级粉煤灰和70kg/m3%20S95矿粉进行搅拌，然后加入150kg/m3水和7kg/m3复配而成的外加剂共同搅拌120s至混合均匀，最后得到预拌混凝土。
实施例2：
本实施例提供一种预拌混凝土开放时间的控制方法，环境温度为15-30℃，所述预拌混凝土的制备方法如下：
将0.5wt％纤维素醚、3wt％木质素钠、1wt％聚羧酸保坍剂、1wt％葡萄糖酸钠、0.5wt％蔗糖、84.6wt％甲基烯丙基聚氧乙烯醚和9.4wt％丙烯酸酸进行复配得到外加剂，先将650kg/m3中砂、1100kg/m3石子(颗粒级配为5-25mm)放入搅拌机中混合，再加入280kg/m3硅酸盐水泥、60kg/m3II级粉煤灰和70kg/m3%20S95矿粉进行搅拌，然后加入150kg/m3水和7kg/m3复配而成的外加剂共同搅拌120s至混合均匀，最后得到预拌混凝土。
实施例3：
本实施例提供一种预拌混凝土开放时间的控制方法，环境温度为30-45℃，所述预拌混凝土的制备方法如下：
将2wt％聚羧酸保坍剂、2wt％葡萄糖酸钠、1wt％蔗糖、84.6wt％甲基烯丙基聚氧乙烯醚和9.4wt％丙烯酸酸进行复配得到外加剂，先将650kg/m3中砂、1100kg/m3石子(颗粒级配为5-25mm)放入搅拌机中混合，再加入280kg/m3硅酸盐水泥、60kg/m3II级粉煤灰和70kg/m3%20S95矿粉进行搅拌，然后加入150kg/m3水和7kg/m3复配而成的外加剂共同搅拌120s至混合均匀，最后得到预拌混凝土。
实施例4：
本实施例与实施例1的区别仅在于外加剂为6wt％木质素钠、84.6wt％甲基烯丙基聚氧乙烯醚和9.4wt％丙烯酸酸复配而成，其他条件同实施例1。
实施例5：
本实施例与实施例2的区别仅在于外加剂为3.5wt％木质素钠、1wt％聚羧酸保坍剂、1.5wt％葡萄糖酸钠、84.6wt％甲基烯丙基聚氧乙烯醚和9.4wt％丙烯酸酸复配而成，其他条件同实施例2。
实施例6：
本实施例与实施例3的区别仅在于外加剂为2wt％聚羧酸保坍剂、3wt％蔗糖、84.6wt％甲基烯丙基聚氧乙烯醚和9.4wt％丙烯酸酸复配而成，其他条件同实施例3。
实施例7：
本实施例与实施例6的区别仅在于外加剂为2wt％聚羧酸保坍剂、3wt％葡萄糖酸钠、84.6wt％甲基烯丙基聚氧乙烯醚和9.4wt％丙烯酸酸复配而成。
对比例1：
对比例1与实施例1的区别仅在于外加剂为0.5wt％纤维素醚、3wt％木质素钠、1wt％聚羧酸保坍剂、1wt％葡萄糖酸钠、0.5wt％蔗糖、84.6wt％甲基烯丙基聚氧乙烯醚和9.4wt％丙烯酸酸复配而成。
对比例2：
对比例2与实施例2的区别仅在于外加剂为2wt％聚羧酸保坍剂、2wt％葡萄糖酸钠、1wt％蔗糖、84.6wt％甲基烯丙基聚氧乙烯醚和9.4wt％丙烯酸酸复配而成。
对比例3：
对比例3与实施例3的区别仅在于外加剂为1wt％纤维素醚、5wt％木质素钠、84.6wt％甲基烯丙基聚氧乙烯醚和9.4wt％丙烯酸酸复配而成。
分别测定实施例1-7和对比例1-3的预拌混凝土的坍落度、表观密度、泌水率、抗压强度，并计算变化率，结果如表1-2所示。
表1实施例1-7和对比例1-3中混凝土坍落度、表观密度随时间变化率
表2实施例1-6和对比例1-3中混凝泌水率、抗压强度随时间变化率
由以上试验结果可知，在低温(0-15℃)条件下，本发明在优选的原料配方基础上掺入按一定比例复配的保水调节剂和聚羧酸高效减水剂，在4h内坍落度的变化率不超过7％，表观密度几乎无变化，可知该方法有效避免了混凝土材料在开放时间内水分损失，泌水率和抗压强度变化也较小，均未超过5％。如实施例2-3所示，在常温(15-30℃)和高温(30-45℃)条件下，4h内坍落度的变化率均未超过10％，泌水率和抗压强度的变化率也低于5％。常温下将聚羧酸保坍剂、聚羧酸高效减水剂、保水调节剂和缓凝剂进行复配作为外加剂，而保水调节剂为纤维素醚和木质素钠混合、缓凝剂为葡萄糖酸钠和蔗糖混合时，控制效果最佳，实施例5中为单一保水调节剂和缓凝剂，4h的坍落度变化率和泌水率相对较高。高温下的外加剂为聚羧酸保坍剂、缓凝剂和聚羧酸高效减水剂复配而得，并且蔗糖的缓凝效果强于葡萄糖酸钠，而将葡萄糖酸钠和蔗糖按质量比1-3:1混合作为缓凝剂时效果相对更佳。对比例1为低温条件，增加了缓凝剂和保坍剂，坍落度变化率和表观密度变化率仍符合要求，但泌水率和抗压强度变化率明显偏高；而对比例3在高温条件下未添加缓凝剂，外加剂仅由聚羧酸减水剂和保水调节剂复配而得，使泌水率保持稳定，但表观密度、坍落度和抗压强度均产生较大变化。而按照本发明不同温度条件下复配得到的外加剂，掺入预拌混凝土，可有效控制混凝土凝结时间在4h以上，且保证预拌混凝土的坍落度损失率不超过10％，表观密度变化率不超过1％，泌水率变化率不超过5％，抗压强度变化率不超过5％。
以上实施例对本发明要求保护的技术方案参数范围内点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换形成的新的技术方案，同样都在本发明要求的保护范围内，并且本发明方案所有涉及的参数间如无特别说明，则相互之间不存在不可替换的唯一组合。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，并不用于限定本发明的保护范围。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
