沿海地铁管片用C50免蒸汽养护混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土技术领域，特别是一种沿海地铁管片用C50免蒸汽养护混凝土及其制备方法。

背景技术

近年来，沿海地区经济发展速度相对较快，沿海城市的人口密度不断增大，原有的基础设施建设已然不堪重负，导致目前许多城市面临着交通拥堵的问题，基础交通面临着巨大的压力，所以对于地下交通的开发就极为迫切，并且地铁现在已经成为衡量城市发展水平的重要标志。但是沿海地铁管片混凝土的发展目前面临着许多问题。首先，根据实际工厂模具周转快的生产要求，地铁管片目前多采用蒸汽养护的方式来提高其早期发展强度。而蒸汽养护对混凝土内部孔隙结构会造成不利影响，容易引起混凝土肿胀变形、延迟钙矾石膨胀，影响蒸养混凝土的体积稳定性，并且蒸养混凝土后期存在倒缩、开裂风险变大等问题。同时，蒸汽养护的方式需要使用燃煤或者燃气，其能耗高，且生产过程中蒸汽损耗也大大增加了能源浪费。其次，由于沿海地区环境的复杂，沿海地下水中含有大量的氯离子，冬季也会面临着冻融破坏，以及会受空气中二氧化碳的影响使混凝土表明发生碳化，从而影响管片混凝土的使用寿命。

地铁管片混凝土设计强度要求不低于C50，考虑管片的形状及成型时的抹平工艺需控制塌落度在30～50mm范围内。根据GB/T22082-2008《预制混凝土衬砌管片》规范要求管片混凝土脱模时的强度应不低于15MPa。根据GB/T 50476-2019《混凝土结构耐久性设计规范》的相关规定，对于服役于氯化物环境D类环境作用等级情况下，设计使用寿命为100年的建(构)筑物，所采用混凝土最大水胶比为0.35；最大胶凝材料用量为500kg；28d氯离子扩散系数应该小于等于7×10-12m

针对上述一系列问题，目前国内外研究人员已对蒸养混凝土的热损伤机理、蒸养过程中力学性能演变以及蒸养混凝土的劣化机理进行了系统研究，并通过改变水胶比、矿物掺合料掺量、蒸养制度等方法来改善蒸养混凝土性能。但是并不能从根本上解决蒸养混凝土带来的热损伤、能耗大以及蒸养造成的混凝土耐久性损伤等问题。所以目前已有许多相关研究人员通过控制原材料和优化混凝土配合比、各种类型的早强剂来制备C50免蒸养混凝土。使用各种类型的早强剂来制备免蒸养混凝土可以提高混凝土的早期强度，但是许多早强剂有着使用复杂、影响混凝土的耐久性、成本高等问题。例如：氯盐类早强剂会导致混凝土中氯离子含量提高，使混凝土中的钢筋发生锈蚀；硫酸盐类早强剂由于K

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种沿海地铁管片用C50免蒸汽养护混凝土及其制备方法，采用纳米C-S-H-PCE调控水泥的早期水化进程，加速水泥早期水化产物的生成和微结构的形成,进一步通过混凝土配合比优化，制备低能耗、高耐久免蒸养混凝土制品，有效避免湿热养护过程中制品内部的热损伤及结构缺陷的产生，提高混凝土制品整体性能，降低混凝土制品后期维护成本。

本发明的技术方案是：一种沿海地铁管片用C50免蒸汽养护混凝土，其中，在所述混凝土中，每立方米混凝土的制备原料包括下列组分：

水泥，315-450kg；

粉煤灰，0-67.5kg；

矿粉，0-135kg；

砂，728-732.5kg；

石子，1089-1098.7kg；

纳米C-S-H-PCE早强剂,18kg；

减水剂，5.85-20kg；

水，118.8-135kg。

本发明，水泥采用P·I 52.5硅酸盐水泥，比表面积≤400m

本发明采用的的石子采用连续级配为5-20mm的玄武岩碎石，石子中的针片状颗粒含量≤10％，压碎值≤12％，含泥量应≤1％，泥块含量≤0.5％，吸水率≤1.0％，硫化物及硫酸盐含量≤0.5％。砂采用细度模数为2.4-2.9的河砂，河砂的含泥量≤1.5％、泥块含量≤0.8％、硫化物及硫酸盐含量≤0.5％、氯离子含量≤0.02％、0.315mm以下细颗粒含量≥10％，0.15mm以下细粉含量≥3％。

本发明采用的纳米C-S-H-PCE早强剂呈乳白色液体，粒径为50-100nm，减水率不低于25％，掺量为水泥质量、粉煤灰质量和矿粉质量总和的2％-4％。

本发明进一步从混凝土工作性、强度、耐久性和收缩率等方面对C50免蒸养混凝土配合比进行优化，优化后的混凝土水胶比为0.177-0.300，胶凝材料用量(水泥、粉煤灰和矿粉的总和)不大于450kg/m

本发明还公开了一种上述沿海地铁管片用C50免蒸汽养护混凝土的制备方法，其中，包括以下步骤：

S1.提供280-450kg水泥、0-180kg粉煤灰、0-180kg矿粉、725.8-754kg砂、1086-1114.2kg石子、16-18kg纳米C-S-H-PCE早强剂、115.2-190kg水；

S2.将砂、石子、水泥、粉煤灰、矿粉搅拌干混，得到混合基料；

S3.将纳米C-S-H-PCE早强剂加入水中，混合均匀，得到拌和溶液；

S4.将拌和溶液加入混合基料中，搅拌混合，即可得到沿海地铁管片用C50免蒸汽养护混凝土。

将步骤S4搅拌得到的混凝土浇筑到地铁管片模具中，通过振动台和插入式振捣棒振捣密实，待管片完成整体收面后，进管片养护窑之前拨出芯棒，待混凝土表面收水后进行第二次收面，随后将地铁管片模具运送到地铁管片养护窑进行常温养护，养护温度为20±3℃，相对湿度≥95％；

地铁管片养护10小时后，将地铁管片模具从养护窑中推出，进行拆模，拆模后的地铁管片放到养护池中进行水养，养护试件为14天，养护池水温为20±3℃。

本发明要求所制备的沿海地铁管片用C50免蒸养混凝土10h满足15MPa拆模要求，抗氯离子渗透性能、抗碳化性能、抗冻性能以及收缩性能分别满足28天氯离子扩散系数小于等于7×10

本发明的有益效果是：

(1)本申请解决了混凝土制品行业发展面临不耐久、高能耗、收缩大、易开裂的问题，采用纳米C-S-H-PCE早强剂调控水泥的早期水化进程，加速水泥早期水化产物的生成和微结构的形成；进一步通过混凝土配合比优化，制备低能耗、高耐久免蒸养混凝土制品，有效避免湿热养护过程中制品内部的热损伤及结构缺陷的产生，提高混凝土制品整体性能，降低混凝土制品后期维护成本；

(2)本申请提出了针对沿海地铁管用的C50免蒸养混凝土。纳米C-S-H-PCE早强剂对30％粉煤灰混凝土10h强度提高了266％；纳米C-S-H-PCE早强剂能够降低C50免蒸养混凝土的氯离子扩散系数，提高抗氯离子渗透性能；加入纳米C-S-H-PCE早强剂后，粉煤灰的掺量为15％、30％和45％时，混凝土58d的碳化深度均小于7.0mm；纳米C-S-H-PCE早强剂基本不影响C50混凝土的抗冻性能；纳米C-S-H-PCE早强剂可以降低C50免蒸养混凝土的自收缩；C50免蒸养混凝土相对蒸养混凝土可降低成本137元/m

附图说明

图1(a)是纳米C-S-H-PCE早强剂在0-24h对C50粉煤灰混凝土强度的影响；

图1(b)是纳米C-S-H-PCE早强剂在0-24h对C50矿粉混凝土强度的影响；

图1(c)是纳米C-S-H-PCE早强剂在0-24h对C50复掺混凝土强度的影响；

图2(a)是纳米C-S-H-PCE早强剂在0-90d对C50粉煤灰混凝土强度的影响；

图2(b)是纳米C-S-H-PCE早强剂在0-90d对C50矿粉混凝土强度的影响；

图2(c)是纳米C-S-H-PCE早强剂在0-90d对C50复掺混凝土强度的影响；

图3是纳米C-S-H-PCE早强剂对C50各配合比混凝土自收缩性能的影响。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

本发明公开了一种沿海地铁管片用C50免蒸汽养护混凝土，在所述混凝土中，每立方米混凝土的制备原料包括下列组分：

水泥，315-450kg；

粉煤灰，0-67.5kg；

矿粉，0-135kg；

砂，728-732.5kg；

石子，1089-1098.7kg；

纳米C-S-H-PCE早强剂,18kg；

减水剂，5.85-20kg；

水，118.8-135kg。

本发明中的水泥采用P·I 52.5硅酸盐水泥，比表面积≤400m

本发明中的粉煤灰采用I级低钙粉煤灰，45μm方孔筛余≤12％，需水量比≤95％，烧失量≤5％，SO

本发明中的矿粉采用S95级矿粉，矿粉采用S95级矿粉，流动度比≥95％，烧失量≤3％，SO

本发明中的石子采用连续级配为5-20mm的玄武岩碎石，石子中的针片状颗粒含量≤10％，压碎值≤12％，含泥量应≤1％，泥块含量≤0.5％，吸水率≤1.0％，硫化物及硫酸盐含量≤0.5％。砂采用细度模数为2.4-2.9的河砂，河砂的含泥量≤1.5％、泥块含量≤0.8％、硫化物及硫酸盐含量≤0.5％、氯离子含量≤0.02％、0.315mm以下细颗粒含量≥10％，0.15mm以下细粉含量≥3％。

本发明采用的纳米C-S-H-PCE早强剂呈乳白色液体，粒径为50-100nm，减水率为25％。纳米C-S-H-PCE早强剂的掺量为水泥质量、粉煤灰质量和矿粉质量总和的2％-4％。

本发明进一步从混凝土工作性、强度、耐久性和收缩率等方面综合考虑，提供了优选的混凝土的水胶比，为0.177-0.475；胶凝材料的用量不大于450kg/m

本发明要求所制备的沿海地铁管片用C50免蒸养混凝土10h满足15MPa拆模要求，抗氯离子渗透性能、抗碳化性能、抗冻性能以及收缩性能分别满足28天氯离子扩散系数小于等于7×10

本发明还公开了一种上述沿海地铁管片用C50免蒸汽养护混凝土的制备方法，该方法包括以下步骤。

首先，提供220-450kg水泥、0-180kg粉煤灰、0-180kg矿粉、725.8-754kg砂、1086-1114.2kg石子、16-18kg纳米C-S-H-PCE、115.2-190kg水。

第二步，混合砂、石子、水泥、粉煤灰、矿粉，搅拌干混，得到混合基料。首先将砂子和石子放入搅拌机中搅拌均匀，然后将包括水泥、粉煤灰和矿粉的凝胶材料放入搅拌均匀的砂子和石子中，充分搅拌，上述材料干混后，得到混合基料。

第三步，将纳米C-S-H-PCE早强剂加入水中，混合均匀，从而得到拌和溶液。

第四步，将上述拌和溶液混合基料加入上述混合基料中，搅拌混合，即可得到沿海地铁管片用C50免蒸汽养护混凝土。

接下来，将搅拌完成的混凝土浇筑到地铁管片模具中，通过振动台和插入式振捣棒振捣密实，振捣过程中，采用灰刀将模具顶盖部排出的气泡抹开，以利于模具内部气泡能够顺利排出。在整个振捣过程中，还应观察模具各紧固螺栓、螺杆及其它预埋件的情况，如发生变形或移位，要立即停止振捣，进行修复。打开顶板后，先使用钢压尺，刮平、去除多余混凝土，使混凝土表面平顺，进行粗抹面。模具推离振动台位置后，摘掉芯棒固定装置，缓慢抽动芯棒，不得拔出芯棒，以免带出弯管。待管片完成整体收面后，进管片养护窑之前拨出芯棒，严禁提前拔出。待混凝土表面收水后用抹子进行第二次收面，使管片表面平整光滑。随后，将地铁管片模具运送到地铁管片养护窑进行常温养护，养护温度为20±3℃，相对湿度≥95％。

地铁管片养护10小时后，将地铁管片模具从养护窑中推出，进行拆模，拆模后的地铁管片放到养护池中进行水养，养护试件为14天，养护池水温为20±3℃。养护之后，将管片从养护池中吊出，码放在管片成品堆放场地。

实施例1

本实施例中，根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》设计管片混凝土的配合比，当胶凝材料总量为450kg/m

表1沿海地铁管片用C50免蒸养混凝土推荐配合比

实施例2

本实施例的水泥采用P·I 52.5硅酸盐水泥，胶凝材料总量为450kg/m

表2 n-C-S-H-PCE对沿海地铁管片用C50免蒸养混凝土10h抗压强度(MPa)的影响

如表2所示，当水胶比相同时，掺入n-C-S-H-PCE后，粉煤灰掺量为15％、30％的10h强度分别提高了78％、266％，矿粉掺量为15％、30％、45％的10h强度分别提高了107％、174％、312％，复掺掺量为15％、30％、45％的10h强度分别提高了92％、81％、312％，各配合比均达到沿海地铁管片用C50免蒸养混凝土的基本强度要求。n-C-S-H-PCE促进混凝土10h时的抗压强度主要是由于n-C-S-H-PCE增加了水泥早期离子的析出以及化学结合水的含量，促进了水泥水化过程，生成了更多的C-S-H凝胶，使结构更加密实，从而提高混凝土抗压强度。

如图1(a)至图2(c)所示，相同水胶比时，在0-24h内，n-C-S-H-PCE对掺加矿物掺合料混凝土的抗压强度有明显的增大效果，最高可达到80％以上。而在3d-90d内，n-C-S-H-PCE对混凝土抗压强度无明显增大效果。分析可知，掺入n-C-S-H-PCE后，在前期水化产物C-S-H凝胶不仅在水泥颗粒矿物表面成核生长，还在n-C-S-H-PCE表面成核生长，同时体系内部化学结合水含量以及硅酸盐聚合作用增加，从而早期水泥水化速度大大加快，使基体强度升高。然而，随着水化的进行，大量n-C-S-H-PCE成核表面生长的C-S-H交织生长到一起后，会产生更多的C-S-H相界面，即凝胶间孔开始形成，此时水泥水化进入减速期，凝胶孔的增多使基体变得疏松，从而对抗压强度增强效果并不明显。另外，在0-90d内，在相同n-C-S-H-PCE掺量下，不论是单掺，还是复掺粉煤灰和矿粉，随着水胶比的降低、矿物掺合料掺量增大，混凝土抗压强度均呈现不断降低的趋势，且随着龄期的增长抗压强度增长趋势逐渐变缓，其原因是粉煤灰与矿粉水化反应主要是OH

实施例3

本实施例的水泥采用P·I 52.5硅酸盐水泥，胶凝材料总量为450kg/m

表3 n-C-S-H-PCE对沿海地铁管片用C50免蒸养混凝土氯离子扩散系数(10

如表3所示，水胶比相同时，掺入n-C-S-H-PCE明显降低了氯离子渗透系数，降低幅度在2％-28％之间。其原因与n-C-S-H-PCE增强10h抗压强度原因一致。

相同掺量n-C-S-H-PCE且粉煤灰掺量小于30％时，氯离子渗透系数随粉煤灰掺量增加、水胶比降低而降低，超过30％时，混凝土抗渗性能降低，所以实施例粉煤灰的最佳掺量为30％。随着矿粉掺量的增加、水胶比降低，混凝土氯离子渗透系数降低。这主要归结于矿粉在碱性条件下吸收水泥中钾、钠等碱金属，提高了界面强度及密实度，降低了孔隙率，同时矿粉的碱激发效应使混凝土具有更高的氯离子吸附能力。

在相同掺量n-C-S-H-PCE时，复掺掺量<30％时，随着水胶比降低，氯离子渗透系数减小，而复掺掺量>30％时，氯离子渗透系数变大，由此可知，粉煤灰的最佳复掺掺量在30％左右。

实施例4

本实施例的水泥采用P·I 52.5硅酸盐水泥，胶凝材料总量为450kg/m

表4 n-C-S-H-PCE对沿海地铁管片用C50免蒸养混凝土56d碳化深度(mm)的影响

如表4所示，在相同水胶比情况下，掺入n-C-S-H-PCE使混凝土的碳化深度降低，增大了抗碳化能力，碳化深度降低幅度为10％-40％，这主要是由于可碳化物质C-S-H凝胶含量增大导致的。

当n-C-S-H-PCE掺量相同时，随着矿物掺合料掺量的增加，碳化深度逐渐增大，抗碳化能力降低。例如，加入n-C-S-H-PCE后，掺量15％的粉煤灰在56d的碳化深度为2.87mm，掺量45％的粉煤灰在56d的碳化深度为3.52mm。这是因为矿物掺合料取代水泥后，水泥质量减少，水泥水化产生的可碳化物质Ca(OH)

通过分析三种矿物质对混凝土碳化性能的影响可知，掺加矿粉时混凝土碳化深度最低，即抗碳化性能最佳。例如，掺加n-C-S-H-PCE时，矿粉、粉煤灰、复掺30％混凝土56d的碳化深度最大值分别为2.98mm、3.36mm、3.56mm。

实施例5

冻融破坏是评价混凝土耐久性的重要指标，沿海地铁管片用C50免蒸养混凝土必须在满足早期强度时具有良好的耐久性。

本实施例的水泥采用P·I 52.5硅酸盐水泥，胶凝材料总量为450kg/m

表5 n-C-S-H-PCE对沿海地铁管片用C50免蒸养混凝土冻融循环250次后的相对动弹性模量的影响(％)

如表5所示，粉煤灰掺量为15％时，n-C-S-H-PCE掺量为0％和4％的混凝土相对动弹性模量随冻融循环次数的增加均在下降，并且其下降的速率基本保持一致。250次冻融循环后，不同掺量n-C-S-H-PCE混凝土的相对动弹性模量基本保持一致，相对动弹模量都在90％以上。这表明n-C-S-H-PCE的掺入对C50混凝土的抗冻性能没有影响。

实施例6

本实施例的水泥采用P·I 52.5硅酸盐水泥，胶凝材料总量为450kg/m

n-C-S-H-PCE对各配合比的混凝土的自收缩均有降低作用。这是因为n-C-S-H-PCE促进了混凝土内部水化过程，尤其是24h内胶凝材料的水化，生成了更多的C-S-H凝胶，使混凝土在早期就形成了致密的微观结构，减少了自收缩的发生。

综上所述，

(1)当总胶凝材料相同时，在0-24h内，随着n-C-S-H-PCE掺量的增加，提高了电导率、化学结合水含量以及C-S-H凝胶的聚合度，促进了水泥水化过程，增加了C-S-H凝胶的含量。

(2)当水胶比相同时，0-24h内，n-C-S-H-PCE明显增大了混凝土抗压强度，而在3d-90d内，n-C-S-H-PCE对混凝土抗压强度的增强效果并不明显。另外，n-C-S-H-PCE掺量相同且胶凝材料总量相同时，随着矿物掺合料的增加，抗压强度不断降低。

(3)当水胶比相同时，n-C-S-H-PCE增大了混凝土的抗氯离子侵蚀性能和抗碳化能力，降低了混凝土的自收缩变形，而对混凝土的抗冻性并没有明显作用。

(4)n-C-S-H-PCE掺量相同且胶凝材料总量相同时，掺加粉煤灰、复掺的混凝土氯离子渗透系数呈现先减少后增加的趋势，其最佳掺量均为30％。而掺加矿粉的混凝土抗氯离子渗透性能随着掺量的增加不断增大。另外，三种掺加方式的混凝土抗碳化性能均随着矿物掺合料的增加不断降低，而且n-C-S-H-PCE掺量为15％时，复掺的混凝土抗冻性能最好。

(5)结合所测的混凝土耐久性分析，列出了满足C50免蒸养混凝土要求的配合比。同时进行了生产成本分析，可以发现免蒸汽养护大大降低了生产成本。

以上对本发明所提供的沿海地铁管片用C50免蒸汽养护混凝土及其制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。