一种用于严寒地区围堤的水工混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及水工混凝土及其制法，具体为一种用于严寒地区围堤的水工混凝土及其制备方法。
背景技术
我国不仅是产煤大国，也同样是以煤炭为主要能源的燃煤大国。目前，全国供电的70％以上是由火力发电产生的。而粉煤灰是火力发电的必然产物，也是排放量最大的一种工业废料。排放量如此庞大的粉煤灰，如果不加以利用，不但会对生态环境造成破坏，而且需要占用大量的土地、花费大量的资金来存储。目前围堤工程上应用的混凝土大多数只重视混凝土抗压强度及其他力学性能，忽视了混凝土的其他性能，如抗渗性能、抗冻性能、抗碳化性能等。混凝土的用途不同，技术要求也会有所不同。在严寒地区，混凝体的抗冻性能和抗碳化性能尤为重要，现有的混凝土的抗渗性能、抗冻性能和抗碳化性能有待进一步提高。并且在现有的制备方法中，为了能够让混凝土满足地理位置和环境的要求，加入了各种外加剂和掺合料以及复配物质，虽然能够达到相关要求，但是成本较高，对环境也会有一定程度的污染，制备方法需要进一步优化。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种力学性能、抗渗性能、抗冻性能、抗碳化性能好的用于严寒地区围堤的水工混凝土，本发明的另一目的是提供一种简单方便的用于严寒地区围堤的水工混凝土的制备方法。
技术方案：本发明所述的一种用于严寒地区围堤的水工混凝土，按重量份数计，原料包括198～330份水泥、66～132份粉煤灰、805～830份砂、1015～1040份石子、169～171份水、3～4份减水剂、2～3份早强剂、6～7份引气剂。
其中，水泥为P.O 42.5型普通硅酸盐水泥，80μrn筛筛余率为3％。粉煤灰为F类I级。砂为中砂，细度模数为3。石子为石灰岩碎石，5mm～25mm连续粒级。减水剂为XY-5、PC-8040和QS-8020减水剂中的任意一种，优选XY-5减水剂，加入XY-5减水剂后混凝土更为均匀密实，改善抗渗性、抗冻性，提高了混凝土的耐久性。早强剂为BT-6000或ZQ-1早强剂，优选BT-6000早强剂，加入BT-6000早强剂后能够加速水泥水化速度，具有一定的减水增强功能。引气剂为YX-6801、JX-98和YQ-1引气剂中的任意一种，优选YX-6801引气剂，加入YX-6801引气剂后能改善混凝土拌合物的和易性、保水性和粘聚性，提高混凝土的流动性。
上述用于严寒地区围堤的水工混凝土的制备方法，包含以下步骤：
a、将称量好的水泥、粉煤灰、砂、石子等置于搅拌容器中；
b、再将精准称量后的水、减水剂、早强剂和引气剂搅拌均匀后加入搅拌容器，外加剂与水搅拌均匀后再加入搅拌容器中与主料一起搅拌，有利于降低实验误差；
c、搅拌均匀并静置5～9min，搅拌时确保容器底部及侧壁搅拌均匀。
制备原理：常温下，粉煤灰与石灰在水的作用下能够发生化学反应，生成具有胶凝性质的水化产物，这些水化产物能在空气中立刻开始硬化，随后逐渐表现出水硬性。粉煤灰掺入混凝土中，其中的活性组份如SiO2和Al2O3，可以与水泥水化生成的Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶。C-S-H凝胶的产生不仅减少了Ca(OH)2在骨料表面的结晶与定向生长，而且能够改善过渡区结构，提高过渡区的强度。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、掺入粉煤灰后，使微裂缝的宽度变小，堵塞部分有害孔隙，减小孔隙率并优化孔结构，改善水泥石与粗骨料的界面胶结情况，有利于提高水工混凝土的强度；
2.掺入粉煤灰后，可以在一定程度上抑制二氧化碳向水工混凝土的内部扩散，有利于改善水工混凝土的抗碳化性能；
3.掺入粉煤灰后，可以发生二次水化作用，弥补混凝土的各类缺陷和损伤，有利于改善水工混凝土的抗渗性能和抗冻性能；
4.本发明在水工混凝土中掺入粉煤灰进行围堤，用粉煤灰代替部分水泥，提高了经济效益，尤其适用于严寒地区筑坝；
5.本发明制备方法简单方便环保。
附图说明
图1是本发明不同龄期下的抗渗水压；
图2是本发明不同粉煤灰掺量下的抗渗水压；
图3是本发明28d试件冻融循环下相对动弹性模量；
图4是本发明56d试件冻融循环下相对动弹性模量；
图5是本发明90d试件冻融循环下相对动弹性模量；
图6是本发明不同龄期的碳化深度变化图。
具体实施方式
以下各实施例中，原料均为直接购买使用。P.O 42.5型普通硅酸盐水泥呈青灰色，80μm筛筛余率为3％。粉煤灰为F类I级，烧失量为1.9％，细度模数8.5％，比表面积为369m2/kg，含水率0.4％。中砂的细度为3，黄色，气干状态。石灰岩碎石，5mm～25mm连续粒级，青灰色，气干状态。
实施例1
一种用于严寒地区围堤的水工混凝土的制备方法，包含以下步骤：
(1)将称量好的198份水泥、66份粉煤灰、805份砂、1015份石子等置于搅拌容器中；
(2)再将精准称量后的169份水、3份XY-5减水剂、2份BT-6000早强剂和6～7份YX-6801引气剂搅拌均匀后加入搅拌容器；
(3)搅拌均匀并静置5min，搅拌时确保容器底部及侧壁搅拌均匀。
实施例2
一种用于严寒地区围堤的水工混凝土的制备方法，包含以下步骤：
(1)将称量好的330份水泥、132份粉煤灰、817份砂、1040份石子等置于搅拌容器中；
(2)再将精准称量后的171份水、4份PC-8040减水剂、3份ZQ-1早强剂和7份JX-98引气剂搅拌均匀后加入搅拌容器；
(3)搅拌均匀并静置9min，搅拌时确保容器底部及侧壁搅拌均匀。
实施例3
一种用于严寒地区围堤的水工混凝土的制备方法，包含以下步骤：
(1)将称量好的264份水泥、99份粉煤灰、830份砂、1027份石子等置于搅拌容器中；
(2)再将精准称量后的170份水、3份QS-8020减水剂、2份ZQ-1早强剂和7份YQ-1引气剂搅拌均匀后加入搅拌容器；
(3)搅拌均匀并静置7min，搅拌时确保容器底部及侧壁搅拌均匀。
表1水工混凝土的配合比(份)
设置四组平行试验，粉煤灰采用等量取代法，取代系数为1.0，分别为实施例4、实施例5、实施例6、对比例，具体配方见表1。
实施例4
一种用于严寒地区围堤的水工混凝土的制备方法，包含以下步骤：
(1)将称量好的264份水泥、66份粉煤灰、805份砂、1040份石子等置于搅拌容器中；
(2)再将精准称量后的170份水、3.3份XY-5减水剂、2.6份BT-6000早强剂和6.8份YX-6801引气剂搅拌均匀后加入搅拌容器；
(3)搅拌均匀并静置9min，搅拌时确保容器底部及侧壁搅拌均匀。
实施例5
一种用于严寒地区围堤的水工混凝土的制备方法，包含以下步骤：
(1)将称量好的231份水泥、99份粉煤灰、805份砂、1040份石子等置于搅拌容器中；
(2)再将精准称量后的170份水、3.3份XY-5减水剂、2.6份BT-6000早强剂和6.8份YX-6801引气剂搅拌均匀后加入搅拌容器；
(3)搅拌均匀并静置9min，搅拌时确保容器底部及侧壁搅拌均匀。
实施例6
一种用于严寒地区围堤的水工混凝土的制备方法，包含以下步骤：
(1)将称量好的198份水泥、132份粉煤灰、805份砂、1040份石子等置于搅拌容器中；
(2)再将精准称量后的170份水、3.3份XY-5减水剂、2.6份BT-6000早强剂和6.8份YX-6801引气剂搅拌均匀后加入搅拌容器；
(3)搅拌均匀并静置9min，搅拌时确保容器底部及侧壁搅拌均匀。
对比例
一种用于严寒地区围堤的水工混凝土的制备方法，包含以下步骤：
(1)将称量好的330份水泥、0份粉煤灰、805份砂、1040份石子等置于搅拌容器中；
(2)再将精准称量后的170份水、3.3份XY-5减水剂、2.6份BT-6000早强剂和6.8份YX-6801引气剂搅拌均匀后加入搅拌容器；
(3)搅拌均匀并静置9min，搅拌时确保容器底部及侧壁搅拌均匀。
以不同掺量的水泥、粉煤灰、砂、石子、水、减水剂制成的水工混凝土试样养护到相应的龄期后，经无侧限抗压强度校核，三种粉煤灰掺量的混凝土试件在28d时，均能达到C30的强度设计要求，并且在相同龄期时，粉煤灰掺量越多，试件抗压强度越低。抗压强度试验结果如表2所示。
表2抗压强度试验结果
为研究水工混凝土的抗渗性能指标，当试样达到相应的龄期后，采用了相对常规的逐级加压法对水工混凝土的抗水渗透性进行探究，抗渗试验结果如表3所示。
表3抗渗试验结果
为更直观地反映不同掺量的粉煤灰对水工混凝土抗渗性能的影响，根据表3的抗渗试验结果，绘制了不同龄期和不同粉煤灰掺量下的混凝土抗渗水压变化图，如图1～2所示，可以得出以下结论：
(1)在试件标准养护至28d时，30％粉煤灰掺量的混凝土试件抗渗性能最好，抗渗水压达到了1.1MPa；其次是20％粉煤灰掺量的试件，抗渗水压达到了0.9MPa；抗渗性能最差的是40％掺量的试件，抗渗水压为0.7MPa。
(2)在试件自然养护至56d时，各组试件的抗渗性能都有不同程度的提升，其中，抗渗性能最优的仍然是30％粉煤灰掺量的试件，抗渗水压为1.5MPa；而40％粉煤灰掺量的试件抗渗性能提升较大，抗渗水压相较于28d时增加了0.6MPa，达到了1.3MPa，超过20％粉煤灰掺量的试件，位于第二。
(3)在试件自然养护至90d时，粉煤灰掺量越大，抗渗性能越好，在本次试验中，40％粉煤灰掺量的试件抗渗水压最高达到了1.7MPa。
为研究水工混凝土的抗冻性能指标，当试样达到相应的龄期后，采用快冻法进行试验，抗冻试验结果如表4、5、6所示。
表4 28d抗冻试验结果
表5 56d抗冻试验结果
表6 90d抗冻试验结果
为更直观地反映不同掺量的粉煤灰对水工混凝土抗冻性能的影响，根据表4、5、6的抗冻试验结果，绘制了不同龄期的冻融循环下相对动弹性模量的变化规律图，如图3～5所示，可以得出以下结论：
(1)在粉煤灰掺量一定的情况下，龄期越长，混凝土抗冻性能越好。
(2)在试件标准养护至28d时，混凝土试件的粉煤灰掺量越大，抗冻性能越差。其中，20％粉煤灰掺量的混凝土试件在100次冻融循环之后，相对动弹性模量较试验前下降了25.5％，30％粉煤灰掺量的试件下降了61.9％，40％粉煤灰掺量的试件下降了64.2％。
(3)在试件自然养护至56d时，各组试件的抗冻性能都有不同程度的提升，其中，30％粉煤灰掺量的混凝土试件改善最为明显，与20％粉煤灰掺量的试件基本持平，40％粉煤灰掺量的试件抗冻性能最差。
(4)在试件自然养护至90d时，30％掺量的试件抗冻性能最优，100次冻融循环之后，相对动弹性模量较试验前下降了16.3％，而20％掺量与40％掺量的试件相对动弹性模量分别下降了18.6％和21.8％。
为研究水工混凝土的抗碳化性能指标，当试样达到相应的龄期后，采用大气环境下的自然碳化试验方法对水工混凝土的抗碳化性能进行探究，碳化试验结果如表7所示。
表7碳化试验结果
为更直观地反映不同龄期下粉煤灰掺量对水工混凝土碳化深度的变化规律，根据表7的碳化试验结果，绘制了不同龄期下的水工混凝土碳化深度曲线，如图6所示，可以得出以下结论：：
(1)相同粉煤灰掺量下，龄期越长，混凝土的碳化深度越大。
(2)在同一龄期内，粉煤灰掺量在20％～40％之间时，粉煤灰掺量越大，混凝土的碳化深度越大，抗碳化性能越差。
由上述试验结果可知：在初期，随着粉煤灰掺量的增加，抗渗性能先上升后下降，掺量为30％时最优；当龄期足够长时，随着粉煤灰掺量的增加，抗渗性能呈递增趋势。在粉煤灰掺量一定的情况下，龄期越长，混凝土抗冻性能越好；在早期，粉煤灰掺量越大，混凝土的抗冻性能越差；当龄期延长时，各组试件的抗冻性能都有不同程度的提升，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗冻性能呈现先增大后减小的趋势，即存在一个最优掺量，当试验龄期为90d时，最优掺量为30％。相同粉煤灰掺量下，龄期越长，混凝土试件的碳化深度越大；在同一龄期内，粉煤灰掺量越大，混凝土试件的碳化深度越大。
综上，粉煤灰的最佳掺量为30％，配合比为水泥∶砂∶石子∶水∶粉煤灰∶减水剂∶早强剂∶引气剂＝231∶830∶1015∶170∶99∶3.3∶2.6∶6.8，该配比的水工混凝土适用于围堤。
