一种耐海蚀低强度水泥基材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及土木工程材料技术领域，尤其是涉及一种耐海蚀低强度水泥基材料及其制备方法与应用。

背景技术

水泥基材料在海蚀环境下会受到硫酸盐、镁盐、氯盐等侵蚀及干湿交替等多种因素的综合作用，并发生膨胀或水化产物分解，最终导致结构的过度膨胀和开裂。相关研究表明，海水中的硫酸根离子会与水泥的水化产物氢氧化钙以及铝酸三钙发生反应，生成三硫型水化硫铝酸钙(也称为钙矾石，简写为AFt)和石膏，使得混凝土内部膨胀产生膨胀应力，最后导致开裂。海水中的镁离子可以与氢氧化钙反应生成水镁石(Mg(OH)

相关技术中，应用于海洋工程中的水泥基材料通常设计为超高性能混凝土，即采用最紧密堆积理论制备而成，具有密实的内部结构，同时也具有超高的力学性能的水泥基材料，其在制备过程中需要添加钢纤维或合成纤维，并添加足量的减水剂，掺入一定量的硅灰。然而，对于一些强度等级要求不高，并且水泥基材料中不需要内置钢筋的滨海工程结构，如复合地基等，如果为了提高结构的耐海蚀性能而使用超高性能混凝土，会在强度和成本上造成浪费，并且这些超高性能混凝土通常隐含碳含量过高，不利于提高环保效益。

因此，需要设计出一种耐海蚀、低隐含碳和低隐含能，且适用于低强度要求的环保型水泥基材料，以应用于滨海工程。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种耐海蚀低强度水泥基材料，能够利用微集料效应和协同效应，提升水泥基材料的密实度，抵抗海水中离子侵蚀，此外本发明的耐海蚀低强度水泥基材料还具有低隐含碳和低隐含能特征，有利于实现水泥基材料的低碳化，提高环保效益。

本发明还提出一种耐海蚀低强度水泥基材料的制备方法。

本发明还提出一种耐海蚀低强度水泥基材料在复合地基中的应用。

本发明的第一方面，提供了一种耐海蚀低强度水泥基材料，按照重量百分比计，其制备原料包括：

根据本发明实施例的耐海蚀低强度水泥基材料，至少具有如下有益效果：

(1)本发明通过在水泥基材料中以较大掺量掺入粉煤灰显著提高了材料的耐海蚀性。在水泥基材料中加入粉煤灰，可通过二次水化反应，生成次级水化硅酸钙，提高密实度；此外，与水泥相比，粉煤灰氧化钙含量较低，有助于降低水泥水化后体系中的氧化钙含量，减少水泥基材料与海水接触后生成石膏。

(2)本发明发现通过在水泥基材料中掺入矿粉有助于生成次级水化硅酸钙，提高密实度。矿粉中的氧化铝含量较高，掺矿粉的水泥基材料中可产生钙硅比较小的次级水化硅酸钙，与体系中游离的铝结合形成水滑石，对水泥基材料与海水中的硫酸根离子接触有一定限制作用，避免钙矾石延迟形成。此外，在本发明的水泥基材料体系中，粉煤灰和矿粉能够起到微集料效应和协同效应。

(3)本发明的耐海蚀低强度水泥基材料低成本，且具有低隐含碳和低隐含能特征，可以实现水泥基材料的低碳化，提高环保效益。

在本发明的一些实施方式中，按照重量百分比计，其制备原料包括：

在本发明的一些实施方式中，所述粉煤灰和所述矿粉的总添加量占所述水泥、所述粉煤灰和所述矿粉的总添加量的55％～65％。

在实际应用中如果粉煤灰和矿粉总掺量过高，为控制水泥基材料的抗压强度，需要降低水胶比，即减少单位体积用水量。为保持水泥基材料流动性，需要额外添加减水剂，导致较高的成本。

在本发明的一些实施方式中，所述粉煤灰添加量占所述粉煤灰和所述矿粉的总添加量的55％～85％。优选为60～80％。

如果水泥基材料中粉煤灰掺量过小，而矿粉掺量过大，不利于提高耐海蚀性能。此外，虽然和纯水泥相比，掺入粉煤灰和掺入矿粉，都能一定程度上提高水泥基材料的耐海蚀性。但是本发明发现单独掺入粉煤灰对耐海蚀性能的改善效果大于单独掺入矿粉的，而掺入粉煤灰之后再少量掺入矿粉，可以发挥微集料效应，一定程度上提高水泥基材料的密实度，提高耐海蚀性能。因此，限定粉煤灰/(粉煤灰+矿粉)质量比在55％-85％，有利于提高水泥基材料的耐海蚀性能。

在本发明的一些实施方式中，所述水泥包括硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、铝酸盐水泥中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，所述硅酸盐水泥的强度等级为42.5及以上。优选地，所述硅酸盐水泥的强度等级为42.5或52.5。

具体的，所述强度等级为42.5是指抗压强度为42.5MPa。

在本发明的一些实施方式中，所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰。分类标准参照GB/T 1596-2017。

Ⅰ级粉煤灰为低钙粉煤灰，使得其碱活性较低，不易引起碱-骨料反应，有利于水泥水化过程中钙矾石的早期形成，避免了水泥基材料在接触海水后，在硫酸根作用下钙钒石的延迟形成，引起材料膨胀开裂。但其掺杂量过高，在相同配比下，配置出的水泥基材料的抗压强度会降低，且耐海蚀性能无法保证。

在本发明的一些实施方式中，所述矿粉为S95级及以上的矿粉。分类标准参照GB/T18046-2017。

优选地，所述矿粉为S95级矿粉。

S95级矿粉通常具有细小的颗粒大小，提供更多的反应表面积，有利于水泥浆体的胶凝和硬化过程，此外，S95级矿粉可以填充水泥中的微观孔隙，减少水泥浆体的渗透性，提高混凝土的致密性，但添加量过高不利于耐蚀性的提高。

在本发明的一些实施方式中，所述细骨料为级配曲线在Ⅱ区的中砂。

在本发明的一些实施方式中，所述中砂选自黄砂、石英砂、尾砂、陶砂、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，所述耐海蚀低强度水泥基材料的抗压强度为20～35MPa。

在本发明的一些实施方式中，所述耐海蚀低强度水泥基材料的28d抗压强度为20～30MPa。

在本发明的一些实施方式中，所述耐海蚀低强度水泥基材料的耐蚀系数大于0.90。

在本发明的一些实施方式中，所述耐海蚀低强度水泥基材料的耐蚀系数大于0.94。

在本发明的一些实施方式中，所述耐海蚀低强度水泥基材料的隐含能小于1.10MJ/kg。

在本发明的一些实施方式中，所述耐海蚀低强度水泥基材料的隐含能小于0.58MJ/kg。

在本发明的一些实施方式中，所述耐海蚀低强度水泥基材料的隐含能小于0.57MJ/kg。

本发明的第二方面，提供第一方面所述耐海蚀低强度水泥基材料的制备方法，包括将所述耐海蚀低强度水泥基材料的制备原料混合即得。

根据本发明实施例的制备方法，至少具有如下有益效果：本发明的耐海蚀低强度水泥基材料制备方法简单，成本低。

在本发明的一些实施方式中，所述混合具体包括先将所述水泥、粉煤灰、矿粉和细骨料搅拌混合，然后加入所述水搅拌即得。

在本发明的一些实施方式中，所述耐海蚀低强度水泥基材料的制备方法具体包括：

步骤S1、将所述水泥、粉煤灰、矿粉和细骨料混合，搅拌45～180s，得到混合干物料；

步骤S2、向所述混合干物料中加入所述水，搅拌30～180s，即得。

本发明的第三方面，提供第一方面所述耐海蚀低强度水泥基材料在复合地基中的应用。

由于应用采用了上述第一方面耐海蚀低强度水泥基材料的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例1～2和对比例1～5的水泥基材料耐蚀性检测结果。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本发明的具体实施方式中，硅酸盐水泥为润丰牌PO42.5硅酸盐水泥。

Ⅰ级煤粉灰购买于深圳嘉华混凝土管桩有限公司；

S95级矿粉购买于深圳嘉华混凝土管桩有限公司；

粒径级配曲线为Ⅱ区的中砂购买于珠海市金鼎金盛建材。

本发明的具体实施方式中，标准下养护是指在是温度20±2℃，湿度为95％以上的标准养护室中养护。

实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1：m63

本实施例提出了一种耐海蚀低碳低强度水泥基材料，其按照重量计包括以下制备原料：

硅酸盐水泥(润丰牌PO42.5)528g、Ⅰ级煤粉灰475g、S95级矿粉317g，粒径级配曲线为Ⅱ区的中砂4600g和水884g。其中粉煤灰和矿粉的总添加量占水泥、粉煤灰和矿粉的总添加量的60％。

本实施例的耐海蚀低碳低强度水泥基材料制备方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、按照上述重量，将硅酸盐水泥、Ⅰ级煤粉灰、S95级矿粉和粒径级配曲线为Ⅱ区的中砂放入搅拌机中搅拌60秒混合均匀，得到混合干物料；

步骤S2、向盛有所述混合干物料的搅拌机内加入884g水，搅拌30秒；停止搅拌，将搅拌机壁及桨叶的浆体刮下，并继续搅拌60秒，即得耐海蚀低碳低强度水泥基材料。

为了便于后续对该耐海蚀低碳低强度水泥基材料进行性能测试，本实施例进一步将上述制得的耐海蚀低碳低强度水泥基材料立即用拨料器将分两层浇筑到模具中，震动成型，2天后拆模，在标准条件下养护至28天后，并将其标记为m63。

其中m表示粉煤灰和矿粉混掺，6表示粉煤灰和矿粉总掺量为60％，3表示粉煤灰/(粉煤灰+矿粉)为3/5。

实施例2：m64

本实施例提出了一种耐海蚀低碳低强度水泥基材料，其按照重量计包括以下制备原料：

硅酸盐水泥(润丰牌PO42.5)555g、Ⅰ级煤粉灰666g、S95级矿粉167g，粒径级配曲线为Ⅱ区的中砂4600g和水844g。其中粉煤灰和矿粉的总添加量占水泥、粉煤灰和矿粉的总添加量的60.01％。

本实施例的耐海蚀低碳低强度水泥基材料制备方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、按照上述重量，将硅酸盐水泥、Ⅰ级煤粉灰、S95级矿粉和粒径级配曲线为Ⅱ区的中砂放入搅拌机中搅拌60秒混合均匀，得到混合干物料；

步骤S2、向盛有所述混合干物料的搅拌机内加入844g水，搅拌30秒；停止搅拌，将搅拌机壁及桨叶的浆体刮下，并继续搅拌60秒，即得耐海蚀低碳低强度水泥基材料。

为了便于后续对该耐海蚀低碳低强度水泥基材料进行性能测试，本实施例进一步将上述制得的耐海蚀低碳低强度水泥基材料立即用拨料器将分两层浇筑到模具中，震动成型，2天后拆模，在标准条件下养护至28天后，并将其标记为m64。

其中m表示粉煤灰和矿粉混掺，6表示粉煤灰和矿粉总掺量为60％，4表示粉煤灰/(粉煤灰+矿粉)为4/5。

对比例1：c

本对比例提出了一种纯水泥基材料，其按照重量计包括以下制备原料：

硅酸盐水泥(润丰牌PO42.5)1171g、粒径级配曲线为Ⅱ区的中砂4600g和水995g。其中不包含Ⅰ级煤粉灰和S95级矿粉，即水泥中粉煤灰和矿粉的总掺量为0。

本对比例的纯水泥基材料制备方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、按照上述重量，将硅酸盐水泥和粒径级配曲线为Ⅱ区的中砂放入搅拌机中搅拌60秒混合均匀，得到混合干物料；

步骤S2、向盛有所述混合干物料的搅拌机内加入水，搅拌30秒；停止搅拌，将搅拌机壁及桨叶的浆体刮下，并继续搅拌60秒，即得纯水泥基材料。

为了便于后续对该纯水泥基材料进行性能测试，本对比例进一步将上述制得的纯水泥基材料立即用拨料器将分两层浇筑到模具中，震动成型，2天后拆模，在标准条件下养护至28天后，并将其标记为c。

对比例2：m44

本对比例提出了一种水泥基材料，其按照重量计包括以下制备原料：

硅酸盐水泥(润丰牌PO42.5)734g、Ⅰ级煤粉灰391g、S95级矿粉98g、粒径级配曲线为Ⅱ区的中砂4600g和水931g。其中粉煤灰和矿粉的总添加量占水泥、粉煤灰和矿粉的总添加量的39.98％。

本对比例的水泥基材料制备方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、按照上述重量，将硅酸盐水泥、Ⅰ级煤粉灰、S95级矿粉和粒径级配曲线为Ⅱ区的中砂放入搅拌机中搅拌60秒混合均匀，得到混合干物料；

步骤S2、向盛有所述混合干物料的搅拌机内加入水，搅拌30秒；停止搅拌，将搅拌机壁及桨叶的浆体刮下，并继续搅拌60秒，即得水泥基材料。

为了便于后续对该水泥基材料进行性能测试，本对比例进一步将上述制得的水泥基材料立即用拨料器将分两层浇筑到模具中，震动成型，2天后拆模，在标准条件下养护至28天后，并将其标记为m44。

其中m表示粉煤灰和矿粉混掺，前面一个4表示粉煤灰和矿粉总掺量为40％，后面的4表示粉煤灰/(粉煤灰+矿粉)为4/5。

对比例3：m43

本对比例提出了一种水泥基材料，其按照重量计包括以下制备原料：

硅酸盐水泥(润丰牌PO42.5)705g、Ⅰ级煤粉灰282g、S95级矿粉188g、粒径级配曲线为Ⅱ区的中砂4600g和水957g。其中粉煤灰和矿粉的总添加量占水泥、粉煤灰和矿粉的总添加量的40％。

本对比例的水泥基材料制备方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、按照上述重量，将硅酸盐水泥、Ⅰ级煤粉灰、S95级矿粉和粒径级配曲线为Ⅱ区的中砂放入搅拌机中搅拌60秒混合均匀，得到混合干物料；

步骤S2、向盛有所述混合干物料的搅拌机内加入水，搅拌30秒；停止搅拌，将搅拌机壁及桨叶的浆体刮下，并继续搅拌60秒，即得水泥基材料。

为了便于后续对该水泥基材料进行性能测试，本对比例进一步将上述制得的水泥基材料立即用拨料器将分两层浇筑到模具中，震动成型，2天后拆模，在标准条件下养护至28天后，并将其标记为m43。

其中m表示粉煤灰和矿粉混掺，4表示粉煤灰和矿粉总掺量为40％，3表示粉煤灰/(粉煤灰+矿粉)为3/5。

对比例4：g40

本对比例提出了一种水泥基材料，其按照重量计包括以下制备原料：

硅酸盐水泥(润丰牌PO42.5)619g、S95级矿粉413、粒径级配曲线为Ⅱ区的中砂4600g、和水1029g。其中未添加煤粉灰。其中粉煤灰和矿粉的总添加量占水泥、粉煤灰和矿粉的总添加量的40.02％。

本对比例的水泥基材料制备方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、按照上述重量，将硅酸盐水泥、S95级矿粉和粒径级配曲线为Ⅱ区的中砂放入搅拌机中搅拌60秒混合均匀，得到混合干物料；

步骤S2、向盛有所述混合干物料的搅拌机内加入水，搅拌30秒；停止搅拌，将搅拌机壁及桨叶的浆体刮下，并继续搅拌60秒，即得水泥基材料。

为了便于后续对该水泥基材料进行性能测试，本对比例进一步将上述制得的水泥基材料立即用拨料器将分两层浇筑到模具中，震动成型，2天后拆模，在标准条件下养护至28天后，并将其标记为g40。

其中g表示水泥中只掺加矿粉，40表示矿粉掺量为40％。

对比例5：g60

本对比例提出了一种水泥基材料，其按照重量计包括以下制备原料：

硅酸盐水泥(润丰牌PO42.5)444g、S95级矿粉667g、粒径级配曲线为Ⅱ区的中砂4600g和水997g。其中未添加煤粉灰。其中粉煤灰和矿粉的总添加量占水泥、粉煤灰和矿粉的总添加量的60.04％。

本对比例的水泥基材料制备方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、按照上述重量，将硅酸盐水泥、S95级矿粉和粒径级配曲线为Ⅱ区的中砂放入搅拌机中搅拌60秒混合均匀，得到混合干物料；

步骤S2、向盛有所述混合干物料的搅拌机内加入水，搅拌30秒；停止搅拌，将搅拌机壁及桨叶的浆体刮下，并继续搅拌60秒，即得水泥基材料。

为了便于后续对该水泥基材料进行性能测试，本对比例进一步将上述制得的水泥基材料立即用拨料器将分两层浇筑到模具中，震动成型，2天后拆模，在标准条件下养护至28天后，并将其标记为g60。

其中g表示水泥中只掺加矿粉，60表示矿粉掺量为60％。

检测例1：抗压强度和耐蚀系数

本检测例的抗压强度测试参考GB/T 50082-2009和GB/T 38140-2019，具体为：

在试块养护龄期到28天前，将3块试块放入烘箱中，维持80℃烘干48小时。另外3块在标准养护室里继续养护。试块烘干后，放入硫酸盐干湿循环机中，倒入5倍浓度海水，循环经过“浸泡15小时、风干1小时、烘干6小时、冷却2小时”的周期，循环84个周期后，将试块与养护室内同龄期的试块一起进行抗压强度测试，并计算抗压强度耐蚀系数，其计算公式为：

抗压强度耐蚀系数＝海水侵蚀抗压强度/同龄期标准养护抗压强度。

采用上述方法分别检测了实施例1～2的耐海蚀低碳低强度水泥基材料和对比例1～5的水泥基材料的抗压强度和耐蚀系数，结果如表1和图1所示。

表1：抗压强度和耐蚀系数检测结果

以上结果表明：本发明的水泥基材料抗压强度和耐海蚀性能均优于普通水泥基材料，其中采用实施例2的配方，其28d抗压强度为21.80MPa，能够达到低强度水泥基础的标准，耐蚀系数达到0.98，说明具有较好的耐海蚀。

此外，与实施例1和2相比，对比例2和对比例3中粉煤灰和矿粉的总添加量占水泥、粉煤灰和矿粉的总添加量的40％，水泥含量占比较高，结果显示，其抗压强度和耐蚀性显著下降，不利于在海洋工程中的应用。

与实施例1～2相比，对比例4和对比例5中均未添加Ⅰ级煤粉灰，其中对比例5中矿粉的添加量大于水泥的添加量，结果显示，其虽能够获得较佳的抗压强度，但是其耐蚀性较差。

检测例2：隐含碳和隐含能测定

隐含碳(Embodied Carbon)是与产品、建筑或基础设施的生命周期相关的碳排放，它包括从原材料提取和加工、制造、运输、使用到最终废弃处理的过程中释放的温室气体排放可以帮助评估和减少建筑物的碳足迹，而隐含能(Embodied Energy)是指与产品、建筑或基础设施的生命周期相关的能量消耗。本检测例分别对本发明实施例1～2的耐海蚀低碳低强度水泥基材料和对比例1的普通水泥基材料进行了隐含碳和隐含能测定，以评价其是否更有利于促进资源的有效利用和减少能源消耗。

1、试验方法

本检测例中各组分的单价根据查阅的线上实时价格，隐含碳和隐含能的计算参考了以下文献：[1].Hammond G,Jones C.Inventory of carbon&energy:ICE[M].Bath:Sustainable Energy Research Team,Department of Mechanical Engineering,University of Bath,2008.[2].Habert G,DenariéE,

具体的，水泥基材料中各组分单位质量的单价、隐含碳和隐含能如表2所示。

表2：各组分单位质量的单价、隐含碳和隐含能

本检测例中水泥基材料成本的计算方式为：

C

水泥基材料隐含碳的计算方式为：

EC

水泥基材料隐含能的计算方式为：

EE

式中，m

C

EC

EE

2、试验结果

采用上述方法分别对本发明实施例1～2的耐海蚀低碳低强度水泥基材料和对比例1的普通水泥基材料进行了单位质量的成本、隐含碳和隐含能计算，结果如表3所示。

表3：各组配合比材料单位质量的成本、隐含碳和隐含能计算结果

可见，本发明的成本略低于普通水泥基材料，而隐含能约为普通水泥基材料的49～50％，隐含能约为普通水泥基材料的55～56％，即生产本发明所需消耗的能量及排放出的二氧化碳显著少于普通水泥基材料。

此外，值得注意的是，水泥在生产过程中需要两磨一烧，会消耗大量能量，排放出大量二氧化碳。生产每吨水泥就会有将近一吨二氧化碳被释放，而粉煤灰和矿粉属于工业废弃物，粉煤灰的隐含碳约是水泥的百分之一，隐含能约是水泥的五十分之一；矿粉的隐含碳约是水泥的十分之一，隐含能约是水泥的三分之一，因此水泥基材料中用粉煤灰和矿粉替代大部分水泥能够有效提高水泥基材料的环保效益。

上面对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。