一种自密实、无收缩钢管混凝土专用外加剂

摘要

本发明公开了一种自密实、无收缩钢管混凝土专用外加剂。本发明所述外加剂以重量计含轻烧氧化钙熟料30‑50%，轻烧氧化镁熟料10‑30%，石膏10‑30%，粉煤灰10‑30%，聚羧酸高性能减水剂1‑3%，触变剂0.1‑1.0%，塑性发气剂0.2‑2.0%，缓凝剂0.2‑1.0%，消泡剂0.5‑2.0%。本发明的有益效果为：①改善新拌混凝土流动性，保障拌合物在钢管内的密实填充；②增强新拌混凝土触变性，拌合物填充至相应部位后，静切力迅速回复提升，使内部气泡运动阻力大大增加，从而无法上浮聚集，显著改善钢管顶部脱空现象；③塑性发气剂与钙、镁复合膨胀剂分阶段、全过程完全补偿钢管混凝土收缩，使得混凝土与钢管壁紧密贴合，协同受力。

权利要求

1.一种自密实、无收缩钢管混凝土专用外加剂，其特征在于，包括以下组分，各组分的重量百分比为：前述各组分的重量百分比之和为100％；

所述轻烧氧化钙熟料为江苏苏博特新材料股份有限公司生产，其氧化物组成中CaO含量不低于80％；

所述轻烧氧化镁熟料为江苏苏博特新材料股份有限公司生产，其氧化物组成中MgO含量不低于95％，活性指数为100-240s；

所述石膏为市售半水石膏，其氧化物组成中SO3含量不低于48％；

所述粉煤灰为市售国标Ⅱ级以上；

所述聚羧酸高性能减水剂为粉剂，复配了减水、保坍组分；

所述触变剂为分子量200000-500000的生物多糖；

所述塑性发气剂为酰胺类物质；

所述缓凝剂为葡萄糖、葡萄糖酸钠、多聚磷酸钠中的一种；

所述消泡剂为有机硅类、聚醚改性有机硅类消泡剂中的一种。

2.根据权利要求1所述的一种自密实、无收缩钢管混凝土专用外加剂，其特征在于，所述聚羧酸高性能减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司PCA-100P、PCA-200P中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种自密实、无收缩钢管混凝土专用外加剂，其特征在于，所述塑性发气剂为偶氮二甲酰胺，商品名AC发泡剂。

4.根据权利要求1所述的一种自密实、无收缩钢管混凝土专用外加剂，其特征在于，所述触变剂为罗地亚精细化工HP-60瓜尔胶、斯比凯可化工KELCO-DG定优胶、KELZAN黄原胶中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种自密实、无收缩钢管混凝土专用外加剂，其特征在于，所述消泡剂为德国MUNZING-CHEMIE公司P801、P803以及P886、P8850中的一种。

6.权利要求1至5任一项所述的一种自密实、无收缩钢管混凝土专用外加剂的应用方法，其特征在于，所述外加剂掺入后以重量计占钢管混凝土中胶凝材料总量的6％-12％。

说明书

一种自密实、无收缩钢管混凝土专用外加剂

技术领域

[0001] 本发明涉及一种自密实、无收缩钢管混凝土专用外加剂，掺加后可显著改善混凝土工作性，增强触变性，补偿收缩变形，保障其在钢管结构中的密实填充，使得混凝土与钢管壁协同受力。

背景技术

[0002] 混凝土和钢是构成现代建筑结构的两种最重要的建筑材料，这两种材料本身性能的不断改善以及两者之间相互结合方式的研究提高，促进了建筑结构从构件到体系的不断创新。

[0003] 钢管混凝土(Concrete Filled Steel Tube)是钢与混凝土组合而成的钢骨混凝土(Steel Reinforced Concrete Structure)中的典型结构，二者协同作用，可以充分发挥两种材料各自抗压强度高和抗弯能力强的优点，与普通的钢筋混凝土结构相比，具有更加明显的优越性。

[0004] 钢管混凝土的发展在我国取得了令人瞩目的成就，但无论是高层建筑物的钢管混凝土柱，还是钢管混凝土拱桥和压力钢管结构等，往往存在着内部充填的混凝土与外部钢管壁之间不能紧密贴合的现象。这一现象的产生主要有以下3方面原因：①浇筑的混凝土工作性达不到要求，流动性不足或离析、黏聚性不好，施工过程中无法有效充满整个钢管结构内部；②混凝土充填至相应部位后，其中的轻物质，尤其是气泡大量上浮聚集至混凝土与钢管壁接触处，产生空隙，这在钢管混凝土拱桥的拱顶处普遍存在，极难解决；③收缩是普通混凝土的基本特征之一，在浇筑完成后，混凝土早期沉降收缩、硬化后自收缩和温度收缩叠加会带来严重的脱空问题。

[0005] 众所周知，钢管与其核心混凝土间的协同互补作用是钢管混凝土具有一系列突出优点的根本所在，钢管内混凝土的浇筑质量直接影响到构件的承载力和钢管混凝土的复合弹性模量，从而影响到构件的安全性及能否正常工作。

[0006] 为解决上述问题，既有研究的主要技术途径有：①掺入高性能减水剂，制备自密实混凝土；②掺入消泡剂，降低混凝土含气量；③掺入铝粉和钙类混凝土膨胀剂。这些方法都是可行的，但还不够全面：例如，掺入消泡剂，可以降低混凝土含气量至2.0％以下，但大量工程实践表明，低含气量的高流态混凝土在静止后的相当长一段时间内，仍然存在小气泡聚合现象，形成大量直径0.5mm-5mm的气泡不断上浮，聚集于拱顶部位造成脱空；掺入铝粉发气速度过快，且产生的氢气会带来钢结构氢脆破坏的风险；钙类膨胀剂膨胀较早，一般7d内即可完成整个膨胀量的90％以上，补偿钢管混凝土后期收缩变形的效果欠佳。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种自密实、无收缩钢管混凝土专用外加剂，掺加后可显著改善混凝土工作性，增强触变性，分阶段、全过程补偿收缩变形，保障混凝土与钢管壁协同受力工作。

[0008] 本发明提供了一种自密实、无收缩钢管混凝土专用外加剂，包括以下组分，各组分的重量百分比为：

[0009]

[0010] 前述各组分的重量百分比之和为100％；

[0011] 所述轻烧氧化钙熟料江苏苏博特新材料股份有限公司生产，其氧化物组成中CaO含量不低于80％；

[0012] 所述轻烧氧化镁熟料江苏苏博特新材料股份有限公司生产，其氧化物组成中MgO含量不低于95％，活性指数为100-240s；

[0013] 所述石膏为市售半水石膏，其氧化物组成中SO3含量不低于48％；

[0014] 所述粉煤灰为市售国标Ⅱ级以上；

[0015] 所述聚羧酸高性能减水剂为粉剂，复配了减水、保坍组分；

[0016] 所述触变剂为分子量200000-500000的生物多糖；

[0017] 所述塑性发气剂为酰胺类物质，在碱性环境中缓慢分解，产生N2、CO2等气体，补偿混凝土硬化前塑性阶段的凝缩；

[0018] 所述缓凝剂为葡萄糖、葡萄糖酸钠、多聚磷酸钠中的一种；

[0019] 所述消泡剂为有机硅类、聚醚改性有机硅类消泡剂中的一种。

[0020] 本发明所用聚羧酸系高性能减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司PCA-100P、PCA-200P中的一种。

[0021] 本发明所用塑性发气剂为偶氮二甲酰胺，商品名AC发泡剂。

[0022] 本发明所用触变剂为罗地亚精细化工HP-60瓜尔胶、斯比凯可化工KELCO-DG定优胶、KELZAN黄原胶中的一种。

[0023] 本发明所用消泡剂为德国MUNZING-CHEMIE公司P801、P803以及P886、P8850中的一种。

[0024] 本发明所述触变剂在水相中均匀分散，使其水溶液具有极高的时间触变性，所述触变性由静切力法和滞后环法评价；

[0025] 采用静切力法评价触变性时，剪切移除后，体系静切力极速回复重建；所述体系静切力极速回复重建是指：所述触变剂的0.5％水溶液，采用美国Brookfield公司产旋转布氏粘度计测试，100s-1速率下剪切60s后移除剪切，溶液静切力于60s内应回复至未剪切时值的90％以上；所述静切力测试方法参见GB/T16783.1-2006《石油天然气工业钻井液现场测试第1部分：水基钻井液》；

[0026] 采用滞后环法评价触变性时，滞后环法采用滞后换的面积反映流体触变能的储存大小，即其结构拆散与形成所需能量之差，详见刘崇建、刘孝良《触变性水泥的评价方法及其应用》，钻井工程，2001年第21卷第2期。

[0027] 本发明提供的外加剂掺入后以重量计占钢管混凝土中胶凝材料(水泥及具有水化活性的矿物掺合料)总量的6％-12％，可显著改善新拌混凝土工作性，实现其高流态与良好的抗离析稳定性协调统一，并使其具有2h以上的工作性保持能力，通过高抛、顶升等施工方法灌注入钢管结构，可保障拌合物在钢管内的密实填充；

[0028] 本发明提供的外加剂掺入后可使钢管混凝土具备高触变性，拌合物填充至相应部位后，从运动状态变为静止状态，体系静切力可迅速回复提升，使内部气泡运动所受粘滞阻力大大增加，从而无法上浮聚集，显著改善钢管顶部脱空现象；

[0029] 本发明提供的外加剂掺入后使混凝土具备高触变性来源于高分子量生物多糖触变剂，其在水相中均匀分散，带来的拌合物触变性远高于纤维素醚、淀粉醚、聚丙烯酰胺、层片状硅酸盐等传统保水增稠材料；同条件下采用滞后环法评价，掺入本发明提供的外加剂后混凝土滞后环面积高出采用任一前述传统材料1倍以上。

[0030] 本发明提供的外加剂掺入后可自钢管混凝土灌注成型开始，分阶段、全过程地补偿其收缩变形，保障内部混凝土与外部钢管壁间的紧密贴合，协同受力。混凝土塑性阶段发气剂在碱性环境中分解，产生粒径不超过0.2mm的微小气泡，使拌合物体积膨胀，补偿其硬化前塑性阶段的凝缩；氧化钙膨胀剂水化活性较高，膨胀较早，主要补偿钢管混凝土硬化后7d以内的自收缩和温降收缩；氧化镁膨胀剂水化活性较低，膨胀历程长，主要补偿钢管混凝土长期自收缩和温降收缩。

附图说明

[0031] 图1为混凝土流变仪剪切速率变化过程。

具体实施方式

[0032] 为了更好地理解本发明，下列实例是对本发明的进一步举例说明，不应被认为是对本发明的任何形式的限制。

[0033] 以下实施例中，所有组分的百分数均以重量计。

[0034] 实施例1

[0035] 轻烧氧化钙熟料：30％，轻烧氧化镁熟料：15％，石膏：25％，粉煤灰：26.7％，PCA-100P：1.5％，HP-60瓜尔胶：0.4％，AC发泡剂：0.5％，葡萄糖：0.4％，P803：0.5％。

[0036] 实施例2

[0037] 轻烧氧化钙熟料：40％，轻烧氧化镁熟料：20％，石膏：15％，粉煤灰：19.3％，PCA-200P：2.5％，KELCO-DG定优胶：0.6％，AC发泡剂：1.0％，葡萄糖酸钠：0.6％，P8850：1.0％。

[0038] 实施例3

[0039] 轻烧氧化钙熟料：45％，轻烧氧化镁熟料：25％，石膏：10％，粉煤灰：13.4％，PCA-200P：2.5％，KELZAN黄原胶：0.8％，AC发泡剂：1.5％，六偏磷酸钠：0.8％，P8850：1.0％。

[0040] 对比例1

[0041] 市售江苏中铁奥莱特ART-Ⅰ聚羧酸高性能减水剂，有效固含量20％，另复配入占减水剂质量比0.1％的分子量100000的羟丙基甲基纤维素醚。

[0042] 对比例2

[0043] 市售浙江五龙ZWL-A-Ⅸ聚羧酸高性能减水剂，有效固含量20％，另复配入占减水剂质量比0.15％的分子量8000000的阴离子型聚丙烯酰胺。

[0044] 对比例3

[0045] 市售鳞片状200目铝粉。

[0046] 对比例4

[0047] 市售天津豹鸣HCSA高性能混凝土膨胀剂。

[0048] 对比例5

[0049] 市售武汉三源SY-K高性能混凝土膨胀剂。将实施例1-3按胶凝材料总质量比10％分别掺入某C50钢管混凝土中，混凝土配合比如表1中①-③所示，然后分别测试所得混凝土的初始坍落扩展度、2h坍落扩展度、含气量、终凝时间、自浇筑成型开始的自生体积变形(自收缩)以及拌合物在规定剪切曲线下的滞后环面积(KPa·s-1)，结果如表2所示。

[0050] 将对比例1和2按一定比例分别掺入某C50钢管混凝土中，混凝土配合比如表1中④、⑤所示，然后分别测试所得混凝土的初始坍落扩展度、2h坍落扩展度、含气量、终凝时间以及拌合物在规定剪切曲线下的滞后环面积(KPa·s-1)，结果如表2所示。

[0051] 在表1中配合比④、⑤基础上，进一步复合掺入对比例3，形成的混凝土配合比如表1中⑥、⑦所示，然后测试所得混凝土自浇筑成型开始24h内的自生体积变形(自收缩)，结果如表2所示。

[0052] 在表1中配合比⑥、⑦基础上，进一步分别复合掺入对比例4、5，形成的混凝土配合比如表1中⑧、⑨所示，然后测试所得混凝土硬化后24h-60d龄期内的自生体积变形(自收缩)，结果如表2所示。某C50钢管混凝土所用水泥为海螺P.O52.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为市售Ⅱ级粉煤灰，矿粉为市售S95级矿粉，砂为细度模数2.7的中河砂，石为5-20mm连续级配碎石。

[0053] 表1某C50钢管混凝土配合比(kg/m3)

[0054]编号 水泥 粉煤灰 矿粉 砂 石 水 外加剂
① 360 50 40 730 1010 160 实施例1：50
② 360 50 40 730 1010 160 实施例2：50
③ 360 50 40 730 1010 160 实施例3：50
④ 360 80 60 730 1010 160 对比例1：7.5
⑤ 360 80 60 730 1010 160 对比例2：8.0
⑥ 360 80 60 730 1010 160 对比例1：7.5，对比例3：0.3
⑦ 360 80 60 730 1010 160 对比例2：8.0，对比例3：0.6
⑧ 360 50 40 730 1010 160 对比例1：7.5，对比例3：0.3，对比例4：50
⑨ 360 50 40 730 1010 160 对比例1：7.5，对比例3：0.3，对比例5：50

[0055] 表2中某C50钢管混凝土自浇筑成型开始的自生体积变形测试方法参照GB 50448-2015《水泥灌浆材料应用技术规范》和SL 352-2006《水工混凝土试验规程》进行，正值表示混凝土体积膨胀，负值表示混凝土体积收缩。24h内测试零点为初始成型(考察塑性发气剂作用效果)，24h-7d测试零点为自成型开始24h后(24h前变形不计入，考察钙类膨胀剂作用效果)，7d-60d测试零点为自成型开始7d后(7d前变形不计入，考察镁类膨胀剂作用效果)。

[0056] 某C50钢管混凝土拌合物的滞后环试验采用冰岛Iceland  Contec公司产Viscometer 5混凝土流变仪进行。拌合物在搅拌机中搅拌均匀后立即移入流变仪，仪器剪切速率变化历程如图1所示，共分为五个阶段：①1min的预剪切，剪切速率为10s-1；②在10s内剪切速率从10s-1下降为0；③保持静止1min；④在1min内剪切速率从0匀速上升至10s-1；-1
⑤在1min内剪切速率从10s 匀速下降至0。整个剪切过程中每隔1s取一个数据点，作流变曲线，得到剪切速率上升与下降阶段(第④、⑤阶段)剪切应力随剪切速率变化关系，上升段与下降段曲线不重合，积分得到曲线所围区域面积，即为滞后环面积。测试在20℃室温下进行。

[0057] 表2某C50钢管混凝土工作、力学和长期性能

[0058]

[0059] 如表2所示，本发明提供的外加剂掺入钢管混凝土后(表2中①-③)，获得优异的工作性能，相比于市售普通聚羧酸高性能减水剂(表2中④、⑤)，初始坍落扩展度近似的情况下，经时损失明显变小，含气量与凝结时间维持在合理范围内。

[0060] 如表2所示，外加剂掺入钢管混凝土后，获得的拌合物在混凝土流变仪中测试，剪切速率先逐渐增大，后沿原路径逐渐减小，测试剪切应力的变化，可以得到一个滞后环路。该环路所围面积大小，反应了体系触变性的强弱，即剪切作用移除后，体系回复原有结构的能力。掺入本发明提供外加剂的混凝土(表2中①-③)滞后环面积远高于掺用普通保水增稠剂的情况(表2中④、⑤)，体现出极高的触变性。

[0061] 如表2所示，外加剂掺入钢管混凝土后，测试混凝土自浇筑成型开始的自生体积变形。0-2h时，掺入本发明提供外加剂的混凝土(表2中①-③)膨胀变形值与掺入铝粉的近似(表2中⑥、⑦)；0-12h与0-24h时，前者仍在持续膨胀，后者则出现明显收缩，变形值小于0-2h时。说明铝粉发气时间较短，对混凝土塑性阶段早期的收缩有一定补偿，但后期效果不佳，而AC发泡剂发气持续时间长，对混凝土塑性阶段收缩有较好地补偿效果。更为重要的是，铝粉在碱性环境中会释放出氢气，带来钢结构清脆破坏的风险。

[0062] 如表2所示，外加剂掺入钢管混凝土后，测试混凝土硬化后24h-60d的自生体积变形。24h-7d内，掺入本发明提供外加剂的混凝土(表2中①-③)与掺入市售膨胀剂的混凝土(表2中⑧、⑨)，均有一定的自生膨胀变形，钙类膨胀剂掺量越高，膨胀值越大；7d-60d内掺入本发明提供外加剂的混凝土(表2中①-③)相比于掺入市售膨胀剂的混凝土(表2中⑧、⑨)，补偿收缩效果更为显著，镁类膨胀剂掺量越高，膨胀值越大，体现出镁类膨胀剂良好的作用效果。

[0063] 综上所述，本发明通过聚羧酸高性能减水剂、触变剂以及塑性发气剂与钙、镁复合膨胀剂等功能组分的合理选择与复配使用，得到一种自密实、无收缩钢管混凝土专用外加剂，可以改善新拌混凝土流动性，保障拌合物在钢管内的密实填充；增强新拌混凝土触变性，拌合物填充至相应部位后，静切力迅速回复提升，使内部气泡运动阻力大大增加，从而无法上浮聚集，显著改善钢管顶部脱空现象；塑性发气剂与钙、镁复合膨胀剂分阶段、全过程完全补偿钢管混凝土收缩，使得混凝土与钢管壁紧密贴合，协同受力。可以有效解决目前钢管混凝土结构，尤其是公铁桥梁钢管混凝土结构面临的关键技术问题，适合推广应用。

[0064] 以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，作出若干改进和变化，这些都属于本发明的保护范围。