一种辉长岩骨料碾压混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土领域，特别是一种辉长岩骨料碾压混凝土及其制备方法。

背景技术

近年来，水泥、粉煤灰、外加剂等混凝土原材料品质和制备技术呈现逐步提升的趋势，相反的，随着优质天然骨料的开采与消耗以及国家对工程建设环保要求日益增长，人工骨料开发制备方法远未达到先进混凝土技术发展需求。骨料在混凝土中比重超70％，其品质很大程度上决定了混凝土的性能，因此，先进的岩石骨料开发利用技术不仅满足经济、环保、技术三重有待当下迫切解决的混凝土技术发展要求，同时响应了国家节能减排、绿色生产的政策指标。

公开号为CN105731919B的中国专利公开了一种超高掺粉煤灰混凝土，涉及建筑材料领域，所述混凝土包括按重量份计的以下组分：水泥48-60份，粉煤灰240-272份，砂656-696份，碎石1293-1333份，减水剂3.0-4.8份，引气剂0.18-0.26份，水80-90份。其中所述混凝土中掺入的碎石粒径≤40mm。所述砂为中砂。该发明结合目前水利水电工程大体积混凝土工程实际应用情况及要求，采用普通硅酸盐42.5水泥，III级粉煤灰，在保持浆体体积与对照组混凝土(大坝实际使用的混凝土，采用中热42.5水泥+35％I级粉煤灰)基本不变的情况下，掺入高性能混凝土减水剂，大幅降低混凝土用水量，从而降低水胶比，使粉煤灰掺量在高达80％时混凝土强度及其它性能仍能得到保证，其力学性能和变形性能均可满足水利水电工程C18040及以下等级混凝土要求。该专利采用常规的碎石和砂，不适合应用于其它种类岩石。

辉长岩来源于地壳或上地幔的玄武质岩浆经侵入作用形成，其具备分步范围广、储量丰富、开采运输成本低等一系列优点。但由于辉长岩通常为细粒、块状或辉长结构(辉长结构，指的是基性斜长石和橄榄石、辉石等深色矿物的自形结构相似。或均匀为半自形晶粒，或均为他形晶粒，且粒度近于相等，相互穿插地不规律排列，称为辉长结构)，多次破碎后多呈片块状或细粉状产物，强度以及均质性不高，加上其主要矿物组成中带有少量碱活性成分，将其用作碾压混凝土骨料还存在许多技术难题，因此目前未见辉长岩骨料碾压混凝土的报道。现阶段辉长岩主要用作粗加工碑石材料或精细切割、抛光后的装饰材料，以及用于对骨料强度和品质要求较低的道路沥青掺和细骨料等，前者对辉长岩的利用手段存在利用率低，加工耗时长，设备要求高，经济效益弱以及废料处理破坏环境等缺陷，而后者则需对辉长岩进行多次破碎、筛选、清洗等步骤，加工技术繁杂、能耗极高，同样存在因多次破碎、撞击导致骨料强度降低造成材料合格率低，副产品处理环保压力大，耗时耗力且收益较低等问题。

现有技术中，中热硅酸盐水泥的水化热值为3d≤251kJ/kg、7d≤293kJ/kg。粗骨料在混凝土中，砂、石起骨架作用，为粒径大于5mm的骨料。细骨料为粒径在5.00mm以下的骨料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种辉长岩骨料碾压混凝土及其制备方法，一方面解决了辉长岩应用途径贫乏、利用率低、废料处理难、加工耗时耗力耗能等问题，另一方面解决了辉长岩等本身特性无法轻易满足碾压混凝土骨料要求的技术难题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种辉长岩骨料碾压混凝土包括以下重量份的组分：中热硅酸盐水泥65-105份，粉煤灰80-120份，辉长岩粗骨料1280-1680份，辉长岩细骨料700-900份，减水剂0.8-1.4份，引气剂0.1-0.2份，水73-113份；

所述中热硅酸盐水泥的水化温升到达温度峰值的时间为10-14小时。

水泥水化放热快导致混凝土抗裂性下降以及内部温度过高加快碱骨料反应，因此本发明将所述中热硅酸盐水泥的水化温升到达温度峰值的时间控制在10-14小时，提升混凝土抗裂性、减慢碱骨料反应速率。本发明通过反复试验并经实际工程应用后，综合考虑辉长岩骨料加工成本、利用率、能耗及时耗等因素、以求混凝土和易性、稳定性、强度等达到最佳。所述中热硅酸盐水泥的水化温升到达温度峰值的测试方法或标准(水化热)按GB/T12959进行试验。

优选地，一种辉长岩骨料碾压混凝土包括以下重量份的组分：中热硅酸盐水泥68-96份，粉煤灰94-108份，辉长岩粗骨料1420-1560份，辉长岩细骨料782-846份，减水剂1.0-1.2份，引气剂0.1-0.2份，水86-98份；

所述中热硅酸盐水泥的水化温升到达温度峰值的时间为11-13小时。

在本发明的一个优选的实施例中，所述中热硅酸盐水泥的比表面积≥250m

所述中热硅酸盐水泥由于根据破碎方案以及级配优化后的辉长岩细骨料所含石粉等微颗粒较多，空隙填充效果良好，选择粗颗粒水泥即不仅符合紧密堆积理论，还减少水泥磨细能耗、降低成本。细水泥水化放热快导致混凝土抗裂性下降以及内部温度过高加快碱骨料反应，因此控制所述中热硅酸盐水泥的比表面积≥250m

在本发明的一个优选的实施例中，所述粉煤灰中Fe

该条件下粉煤灰能有效抑制辉长岩骨料碱活性，并减少骨料形状不佳导致的和易性不良以及变形性能差的问题，使其具备成为碾压混凝土骨料的条件。

在本发明的一个优选的实施例中，所述减水剂为粉末状缓凝型高效减水剂。优选地，所述减水剂细度6％-7％，缓凝时间为320-370min，减水率≥15％，泌水率比为35％-40％，总碱量15％-16％，收缩率比≤125％。

经对比大量减水剂效果发现，细度为6％-7％的粉末状减水剂能均匀分散并较长时间的稳定存在于混凝土中，因此在减水效果以及性能稳定性上可以达到最佳状态，而水泥缓凝是为了保证辉长岩细骨料中的石粉等微小颗粒有充足时间更好的被水浸润，同时还避免水化过快导致的混凝土体积稳定性下降，但过分缓凝又会影响混凝土强度，因此最佳缓凝时间为320-370min；碱量控制15％-16％是综合减水剂活性以及辉长岩碱活性后的最佳范围。

在本发明的一个优选的实施例中，所述引气剂为烷基醇醚类两亲性液体高效引气剂。优选地，所述引气剂的引气量4.5％-5.5％，该类引气剂与上述减水剂有较好的复配作用，产生细密且稳定的微气泡，由于粉煤灰及石粉等细颗粒的存在会影响引气效果，为改善辉长岩碾压混凝土的施工和易性和耐久性，控制孔结构参数，进一步优选的，该类引气剂掺量控制在0.35-0.45/万分范围。

在本发明的一个优选的实施例中，所述辉长岩细骨料包括0.16-5mm粒径的碎石及＜0.16mm的石粉，0.16-5mm粒径的碎石细度模数控制在2.5-3.4，0.16-5mm粒径的碎石平均粒径为0.4-0.5，10％＜石粉掺量＜25％。

根据混凝土性能及施工要求可调整细骨料级配和石粉含量，从而在尽可能减少破碎成本以及废料条件下达到标准，经试验，细骨料细度或石粉含量对碾压混凝土拌和物及硬化物性能有着重要影响，进一步优选的，骨料细度模数控制在2.6-2.8，石粉含量在18％～22％之间单位体积胶材用量对混凝土抗压强度作用最优，骨料细度模数控制在2.6-3.2，石粉含量在20％～22％之间混凝土极限拉伸达到最大，骨料细度模数控制在2.8-3.3石粉含量在15.3％～23.8％的范围内，碾压混凝土的抗冻性能最佳。骨料细度模数控制在2.5-2.7，石粉含量在17.1％～21.8％范围内，抗冻性能较好。

在本发明的一个优选的实施例中，所述辉长岩粗骨料包括粒径5-20mm辉长岩粗骨料、20-40mm辉长岩粗骨料、40-60mm辉长岩粗骨料以及60-80mm辉长岩粗骨料。

所述辉长岩粗骨料由粒径为5-20mm、20-40mm、40-60mm以及60-80mm碎石按2、2.5与3级配调配而成。

在本发明的一个优选的实施例中，所述5-20mm辉长岩粗骨料的紧密密度为1850-1900kg/m

该条件下，辉长岩碾压混凝土能在和易性达标情况下达到最大容重，当40-60mm或60-80mm碎石密度过大、紧密孔隙率过小时，会导致50-20mm和20-40mm碎石无法充分填充大石间空隙造成混凝土容重下降并导致其耐久性和强度下降；而当40-60mm或60-80mm碎石密度过小、紧密孔隙率过大时，会造成混凝土和易性性难以达到施工要求；类似地，当5-20mm或20-40mm碎石密度过大、紧密孔隙率过小时，会导致细骨料无法充分填充碎石空隙，反之也会造成混凝土和易性不足；骨料试验规范只规定碎石坚固性的上限，但经试验发现坚固性值越小破碎难度与能耗越高，因此发明控制了碎石坚固性值下限。

紧密密度，即紧密度，材料体内固体物质充实的程度叫紧密度。紧密度和孔隙率是表明同一材料两个对应方面的指标。

在本发明的一个优选的实施例中，所述辉长岩粗骨料中所述5-20mm辉长岩粗骨料、所述20-40mm辉长岩粗骨料、所述40-60mm辉长岩粗骨料以及所述60-80mm辉长岩粗骨料的质量比为25-35：40-30：15-20：15-20，紧密孔隙率为32％-33.5％。所述辉长岩粗骨料为3级配粒径，辉长岩骨料得料率可达80％-95％。

在本发明的一个优选的实施例中，所述粉煤灰属于Ⅱ级灰，细度≤25.0％，需水量比小于105％。

本发明还公开了一种所述辉长岩骨料碾压混凝土的制备方法，包括以下步骤：

S1、对辉长岩进行破碎；

S2、将S1中破碎得到的辉长岩骨料进行分级调配，得到辉长岩粗骨料和辉长岩细骨料；

S3、将得到的辉长岩粗细骨料与中热硅酸盐水泥、粉煤灰按重量比干拌得到混合物I，将水、减水剂、引气剂按混合得到混合液II，将混合物I、混合液II混合搅拌后振捣，最终得到辉长岩骨料碾压混凝土。

其中，S2中所述分级调配涉及粗细骨料。

粗骨料按2、2.5与3级配调配而成，其中，2级配粒径5-20mm：20-40mm按质量比50-60：50-40，紧密孔隙率控制在34％-35％；2.5级配粒径5-20mm：20-40mm：40-60mm按质量比25-35：40-30：30-40，紧密孔隙率控制在33.5％-34％；3级配粒径5-20mm：20-40mm：40-60mm:60-80mm按质量比25-35：40-30：15-20：15-20，紧密孔隙率控制在32％-33.5％。

此处2、2.5、3级配为本领域常规粗骨料级配方法，为满足不同部位混凝土的不同性能要求，常要求配合比设计中包含多种级配的混凝土；3级配相对于2.5和2级配，由于包含40-80mm粒径骨料，减少了破碎次数和能耗，破碎损失量减少。

细骨料为上述≥0.16mm的骨料与＜0.16mm的石粉混合而成。

其中，S3中所述按比例干拌选用自落式拌和机，拌合时间为110s-120s；所述混合搅拌选用自落式拌和机，拌合时间考虑石粉掺量控制在120s-140s，石粉掺量为10％时拌合时间为110s-120s，每增加2％石粉拌合时间增加4-5s；所述振捣时间控制在20s-30s避免未振实或过振导致浆骨分离。

本发明通过破碎方案设计等手段大大提高了原料利用率，减少了副产物的产生。

与现有技术相比，本发明所具有以下有益效果：

(1)本发明提供了混凝土骨料制备新思路与方法：辉长岩制备为混凝土骨料存在骨料粒型、粒径级配、碱活性等不佳的问题，本发明为此类骨料制备技术提供了参考。本发明的辉长岩骨料碾压混凝土拌合物性能、混凝土强度、变形性能、抗冻等级和耐久性均达规范标准。

(2)降低成本，减少能耗：传统辉长岩用做骨料的方法需即将其破碎为粒径很小的碎石块，而本方法分级破碎、合理调配将辉长岩用做混凝土粗细骨料，大大减少破碎次数，能耗与成本都得到了降低，且辉长岩分布广泛，取材方便，经济效益显著，宜推广应用。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明作进一步详细的阐述，但本发明的实施方式并不局限于实施例表示的范围。这些实施例仅用于说明本发明，而非用于限制本发明的范围。

实施例1

该实施例中辉长岩的成分含量为SiO

一种辉长岩骨料碾压混凝土按重量份计组分如下：中热硅酸盐水泥85份，粉煤灰100份，辉长岩粗骨料1480份，辉长岩细骨料800份，减水剂1.1份，引气剂0.15份，拌和用水93份。

所述水泥细度控制在比表面积321m

所述粉煤灰属于Ⅱ级灰，细度10.1％，需水量比102％，Fe

所述辉长岩粗骨料由粒径为5-20mm、20-40mm、40-60mm以及60-80mm碎石调配而成，其中5-20mm碎石紧密密度为1870kg/m

所述辉长岩细骨料由0.16-5mm粒径的碎石及石粉掺配而成，细度模数控制在3.09，平均粒径为0.47，石粉掺量为20％。

所述减水剂属于粉末状缓凝型高效减水剂，细度6.5％，缓凝时间为350min，减水率19％，泌水率比为36.2％，总碱量15.67％，收缩率比113％。该实施例中高效减水剂采用苏博特生产的JM-Ⅱ缓凝型高效减水剂。

所述引气剂属于烷基醇醚类两亲性液体高效引气剂，引气量4.6％，掺量0.4/万分。该实施例中引气剂采用苏博特GYQ-Ⅰ引气剂。

所述辉长岩骨料碾压混凝土制备方法，步骤如下：

将破碎后的辉长岩骨料进行分级调配，得到辉长岩粗骨料和辉长岩细骨料。粗骨料按3级配调配而成，粒径5-20mm：20-40mm：40-60mm：60-80mm按质量比30：40：15：15，紧密孔隙率控制在33％，细骨料为上述≥0.16mm的骨料与＜0.16mm的石粉混合而成。

将得到的辉长岩粗细骨料与其他混凝土原材料按比例干拌120s得到混合物，将水、减水剂、引气剂按顺序进行混合得到混合液，将上述两种混合物混合搅拌140s后振捣25s，最终得到辉长岩骨料碾压混凝土，并对辉长岩骨料碾压混凝土拌合物性能、混凝土强度、变形性能和耐久性进行测试，结果分别见表1.1-1.4。

表1.1碾压混凝土拌和物性能试验结果

表1.2碾压混凝土强度试验成果表

表1.3碾压混凝土极限拉伸、弹性模量试验成果表

表1.4碾压混凝土抗渗、抗冻性能试验结果表

对比例1

不同点在于粉煤灰化学成分不同，Fe

表2.1碾压混凝土极限拉伸、弹性模量试验成果表

表2.2碾压混凝土抗渗、抗冻性能试验结果表

对比1.3与2.1可知，粉煤灰中Fe

对比例2

不同点在于减水剂为一般高效减水剂，其他与实施例1相同。该对比例中减水剂采用的是尼高科技有限公司生产的聚羧酸粉状减水剂，型号为PC508。

碾压混凝土拌合物性能、混凝土强度与实施例1差别见表3.1和3.2。

表3.1碾压混凝土拌和物性能试验结果

表3.2碾压混凝土强度试验成果表

可见添加缓凝型减水剂延缓了水泥水化从而增加了混凝土中后期强度，且现场试验表明，缓凝型减水剂对辉长岩碾压混凝土和易性提升效果好，能有效减少水泥用量，且通过减少水泥早期放热而对混凝土体积稳定性有所改善。

对比例3

不同点在于添加一般引气剂，其他与实施例1相同。该对比例中引气剂采用的是苏博特生产的GYQE100引气剂。

混凝土拌合物性能、和耐久性测试结果如表4.1和4.2所示。

表4.1碾压混凝土拌和物性能试验结果

表4.2碾压混凝土抗渗、抗冻性能试验结果表

对比可知，添加一般引气剂后，VC值显著升高，含气量减小，不易于施工；因缺少引气剂引入均匀的小气泡，抗冻性能降低，抗冻等级仅达到F80，，但混凝土更密实，抗压强度、弹性模量略有提高。

对比例4

不同点在于石粉掺量为10％，其他与实施例1相同。

辉长岩骨料碾压混凝土拌合物性能、混凝土强度、变形性能和耐久性测试结果分别见表5.1-5.4。

表5.1碾压混凝土拌和物性能试验结果

表5.2碾压混凝土强度试验成果表

表5.3碾压混凝土极限拉伸、弹性模量试验成果表

表5.4碾压混凝土抗渗、抗冻性能试验结果表

对比可得，石粉含量对混凝土流动性、含气量、混凝土强度、变形性能和耐久性影响很大，但石粉含量从20％减少到10％时，混凝土强度、极限拉伸、弹性模量都下降较大，甚至抗冻等级下降到F75，未达设计技术要求。

对比例5

不同点在于粗骨料40-60mm粒径碎石紧密堆积密度与空隙率不同，其他与实施例1相同，其中40-60mm碎石紧密密度控制在1850kg/m

表6.1碾压混凝土拌和物性能试验结果

表6.2碾压混凝土强度试验成果表

表6.3碾压混凝土抗渗、抗冻性能试验结果表

对比可知，当40-60mm碎石密度过大、紧密孔隙率过小，混凝土拌合物流动性变差，容重下降，混凝土整体强度随之下降，同时混凝土抗渗抗冻等级也下降。