CN101913822A - 一种用于型钢混凝土组合结构强度等级为c150的混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的混凝土，其特征在于，该混凝土的配合比为：水泥∶细骨料∶粗骨料∶水∶减水剂∶消泡剂∶硅灰∶粉煤灰(kg/m³)＝485∶701∶1145∶104∶15∶1∶65∶100。其制备方法为：按照重量配比在强制式搅拌机中依次加入细骨料和用水总量1/2的水，均匀搅拌1～2分钟，加入粗骨料，均匀搅拌2～4分钟，加入水泥、硅灰和粉煤灰，均匀搅拌2～3分钟，加入减水剂、消泡剂和剩余水，均匀搅拌2～5分钟，出料即得混凝土拌合物。该混凝土能在自然状态下显著改进型钢与混凝土之间的粘结性能，有效发挥该两种材料各自的能力与协同工作性能，从而大幅度提升构件的承载能力与性能，提高其耐久性、高体积稳定性和经济性。

Description

一种用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的混凝土

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的超高强高性能混凝土。

背景技术

自从1824年波特兰水泥发明之后，使混凝土技术得到了迅速的发展，其用量之大，适用范围之广堪居世界之最。尽管混凝土这种人造材料是一种传统的建筑材料，但由于这种材料具有不可取代的优越性以及混凝土材料科学与技术的不断进步，混凝土已成为土木工程用材的主体，在未来的土木工程和国家建设中也将是不可缺少的主材之一。随着城市规模的不断扩大，人口的不断增多，地价的不断升高，建筑技术的不断进步及经济的高速发展，建筑物越来越向空中延伸，即建筑(超)高化、(超)大跨化，及重型结构的发展，尤其是型钢混凝土结构在(超)高化、(超)大跨化建筑等的广泛应用，对混凝土这种建筑材料的要求也越来越高。因此，混凝土的高强化、超高强化，同时保证其耐久化、超耐久化的研究和实践将成为该领域的发展趋势。

型钢超高强高性能混凝土组合结构是新型高技术混凝土在型钢混凝土组合结构(简称SRC结构)中的应用。其中，SRC结构是钢-混凝土组合结构的一种主要形式，由于其承载能力高、刚度大、延性好、抗震性能优越、防火防腐、便于施工等一系列优点，已被越来越广泛地应用于大跨、重型结构及地震/台风区的高层和超高层建筑。与钢结构相比，SRC结构可节省大量钢材，增强截面刚度，克服钢结构耐火性和耐久性差及易屈曲失稳等缺点，使钢材的能力得以充分的发挥；与普通钢筋混凝土结构(简称RC结构)相比，型钢混凝土结构可减小构件的截面尺寸，减小所占的空间，从而增大建筑使用空间；在施工上，型钢混凝土结构的钢骨架本身可作为混凝土挂模、滑模的骨架，不仅大大简化了支模工程，还是承受全部施工荷载(包括挂、滑模与所浇混凝土)的支承体系；另外，由于SRC结构具有整体性强，延性性能好等优点，能大大改善钢筋混凝土受剪破坏的脆性性质，使结构的抗震性能得到明显的改善，承载能力及延性均比RC结构有较大的提高。因此，在日本和欧美等发达国家，具有良好抗震性能的SRC结构已成为一种公认的新型抗震结构体系，且与钢结构、木结构、钢筋混凝土结构并称为四大结构。我国也是一个多地震国家，绝大多数地区为地震区，部分位于高烈度区，因此在我国，特别是经济欠发达而且受地震影响较大的西部地区推广SRC结构就具有非常重要的现实意义。因此，SRC结构在我国有非常广阔的应用前景，尤其是随着我国经济实力的不断增强及高强钢材和高强/超高强高性能混凝土(它们是被公认的21世纪材料)的成功研制与应用，将促进这种结构体系的推广应用和发展进步。

型钢混凝土结构中，型钢与混凝土之间良好的粘结作用是保证型钢混凝土构件中型钢与混凝土协调工作的基础，型钢、钢筋和混凝土三种材料元件协同工作，以抵抗各种外部作用效应，才能够充分发挥型钢混凝土组合结构的优点。但型钢混凝土结构与钢筋混凝土结构的显著区别之一在于型钢与混凝土之间的粘结力远远小于钢筋与混凝土之间的粘结力，型钢与普通混凝土的粘结力大约只相当于光面钢筋粘结力的45％。国内外诸多试验研究结果表明，型钢与混凝土之间存在着粘结滑移现象，且对SRC构件的受力性能乃至承载能力有显著影响。因此，如何保证型钢与混凝土有效地协同工作成为型钢混凝土组合结构研究的重点之一。目前工程设计中对型钢与混凝土之间粘结滑移问题的处理方法一般有两种：其一是通过计算在构件表面加设一定数量的剪切连接件，这样势必造成施工中的不便并提高造价，且易造成混凝土内部先天性微裂缝等缺陷；其二是不设或仅设置少量剪切连接件，在承载能力计算中考虑粘结滑移的影响，相应降低构件的承载能力，这样必然存在不经济的因素。另一方面，在工程结构设计中普遍存在着重强度而轻耐久性的现象，国内外已出现过诸多混凝土结构在使用过程中的安全性和耐久性方面的问题。一些混凝土结构工程在使用不足设计年限一半即由于碱骨料反应、氯离子侵蚀等原因而完全丧失使用功能乃至承载能力，个别工程甚至出现局部坍塌或整体倒塌，造成人员伤亡或建筑设施破坏。因此，提高型钢与超高强高性能混凝土之间的自然粘结性能，在型钢表面不设或仅按构造要求设置少量剪切连接件就可保证型钢与混凝土有效地协同工作的研究具有重大意义；同时，混凝土结构工程的耐久性也日益引起人们的密切关注和高度重视。

现有技术用于型钢混凝土组合结构的混凝土的强度等级类别为C60、C70、C80、C90及C100的高强高性能混凝土的制备技术，上述各强度等级混凝土显著提高了型钢与高强混凝土之间的粘结性能，并提高了结构的耐久性；但是，还存在不能由此延伸到超高强高性能混凝土，即混凝土的超高强化、超耐久化，且将其用于型钢混凝土组合结构时不能解决型钢与超高强高性能混凝土之间的自然粘结性能差的问题，故不能满足土木工程建筑向空中延伸，即建筑(超)高化、(超)大跨化、(超)耐久化及重型结构等发展这一趋势的要求。另外，现有技术中也存在部分将混凝土超高强化、超耐久化的制备技术，但是它们均未涉及或未解决用于型钢混凝土组合结构时型钢与超高强高性能混凝土之间的自然粘结性能差的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的超高强高性能混凝土。该混凝土应用在型钢混凝土组合结构中，能在自然状态(亦即型钢表面不设或仅按构造要求设置少量剪切连接件)下显著改进型钢与混凝土之间的粘结性能，有效发挥钢与混凝土两种材料各自的能力与协同工作性能，从而大幅度提升结构构件的承载能力与性能；另外，该混凝土能提高结构的耐久性，并具有良好的工作性能、高体积稳定性和经济性。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：一种用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的混凝土，其特征在于，该混凝土的配合比为(单位：kg/m³)：

水泥∶细骨料∶粗骨料∶水∶减水剂∶消泡剂∶硅灰∶粉煤灰

＝485∶701∶1145∶104∶15∶1∶65∶100。

本发明还给出了该用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的混凝土的制备方法，该方法采用水泥裹砂法混凝土二次搅拌工艺，具体工艺步骤如下：

按照重量配比在强制式搅拌机中每立方米混凝土加入701kg的细骨料和用水总量的1/2的水52kg，均匀搅拌1～2分钟后，加入343.5kg的粗骨料(粒径为Φ5～Φ10mm单粒级碎石)，均匀搅拌1～2分钟后加入801.5kg的粗骨料(粒径为Φ10～Φ16mm单粒级碎石)，均匀搅拌2分钟后，再加入全部胶结材料：485kg的水泥、65kg的硅灰和100kg的粉煤灰，均匀搅拌2～3分钟后，加入15kg的聚羧酸系高效减水剂、1kg的AGITAN@P803粉末消泡剂和剩余水52kg，最后均匀搅拌2～5分钟后，出料，即得所制备混凝土拌合物。

所述的水泥选择质量稳定、性能较好的625R普通硅酸盐水泥，使用前需与高效减水剂进行两者之间的适应性试验，试验方法采用现行建材行业标准《水泥与减水剂相容性试验方法》JC/T 1083-2008中的方法，并选择与高效减水剂相容性好的水泥品种。所选水泥性能指标(包括细度、SO₃含量、MgO含量、初凝时间、终凝时间、3天强度、28天强度)应不低于国家现行相关标准的要求，并选用碱含量少、水化热低、需水性也低的水泥品种。

所述的细骨料采用颗粒圆滑、质地坚硬、级配良好的中偏粗河砂，砂的品质应不低于现行建材行业标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JC/T 52-2006及国家标准《建筑用砂》GB/T 14684-2001中规定的优质砂标准。其细度模数为2.4～3.2之间，含泥量控制在1.0％以下。

所述的粗骨料采用质量致密坚硬、强度高、表面粗糙、粒形为近似球形、针片状含量小、级配良好的石灰岩、花岗岩、辉绿岩等人工碎石，碎石的品质应不低于现行建材行业标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JC/T 52-2006等相关标准的规定要求。骨料母体岩石的立方体抗压强度不应比所配制的混凝土强度低。最大粒径应控制在16mm，含泥量控制在0.4％以下，针片状颗粒含量不宜大于4％，且不得混入风化颗粒。进行该混凝土配制时，采用单粒级碎石粒径为Φ5～Φ10mm和Φ10～Φ16mm的两级配投料，投料比例为3∶7。

所述的粉煤灰采用燃煤工艺先进的电厂生产的优质I级特细粉煤灰。其品质应不低于国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596-2005等相关标准的规定要求，其烧失量应不大于3％，SO₃含量应不大于2％，需水量比应不大于95％，比表面积应大于700m²/kg。

所述的硅灰应采用超细硅灰，其品质应不低于国家标准《高强高性能混凝土用矿物外加剂》GB/T 18736-2002等相关标准的规定要求，硅灰中的二氧化硅含量应不小于90％，含水率应小于3％，烧失量应小于4％，火山灰活性指数应大于90％，比表面积应不小于25000m²/kg。

经过大量尝试性对比试验及与水泥相容性试验，该发明所选用的减水剂为聚羧酸系高效减水剂，其品质应不低于现行国家标准《混凝土外加剂》GB 8076-2008等相关标准的规定要求，所选用高效减水剂的减水率应大于30％。所选用高效减水剂的最大掺量不小于全部胶凝材料总量的2％，采用同掺法，且使用前需与所选择的水泥品种进行相容性试验。

经过大量尝试性试验与相容性试验，本发明所选用的消泡剂为德国生产的粉末消泡剂AGITAN@P803，其品质、流动性、相容性与稳定性均较好。所选用粉末消泡剂的最大掺量为全部胶凝材料总量的1％，采用同掺法，且使用前需与所选择的水泥品种和聚羧酸系高效减水剂进行相容性试验。

所述的拌合水选用自来水，其品质应不低于国家建设部部标准《混凝土拌合用水标准》JGJ 63-89等相关标准的规定要求，并要求所选用自来水的碱含量少。

本发明的有益效果是：

1.本发明生产的混凝土是一种适用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的超高强高性能混凝土。该混凝土在能确保其所应具备的力学性能(即C150强度等级、塑性等)以及具有高耐久性、高工作性、高体积稳定性和经济性的基础上，显著地改进该混凝土与型钢之间的自然粘结性能，使其应用在型钢混凝土结构设计中无需(或仅需按构造要求少许地)在型钢表面加设剪切连接件，即可保证型钢与该混凝土的有效协同工作，从而减少了施工工序，节约了钢材，提高了施工效率，并避免了在型钢表面大量设置剪切连接件且易造成该混凝土内部先天性微裂缝等缺陷，具有显著的经济效益和施工质量改进效果，其力学性能对比试验结果见表2。

2.本发明中使用的高效减水剂选择聚羧酸系高效减水剂(减水率应大于30％)，相比其它类型的减水剂，与普通硅酸盐水泥的相容性良好，其不含Na₂SO₄，可进一步提高该混凝土的耐久性。

3.本发明中使用的消泡剂选择粉末消泡剂，型号为AGITAN@P803，可对混凝土搅拌过程中形成且振捣密实后仍残留在混凝土内的大量微泡进行脱泡，使其密实度有效提高，增强了混凝土的耐久性和剪切稳定性。

4.本发明生产的用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的超高强高性能混凝土是在普通混凝土生产工艺条件下，并采用尽量减少水泥颗粒及超细活性矿物颗粒在混凝土搅拌时到处飞扬的水泥裹砂搅拌工艺的投料方法实现的，制备工艺简单并易于实现，适合于工程化，便于大规模推广应用，具有较好的社会效益。

5.本发明生产的用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的超高强高性能混凝土的原材料中含有大量的粉煤灰、硅灰，它们是工业废料和废弃物，为大量生产的市场流通、买售产品，原材料易得；其消纳可对环境保护做出巨大贡献，符合可持续发展的要求，是一种绿色混凝土，一种环境友好材料。

6.本发明生产的用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的超高强高性能混凝土的原材料中采用单粒级碎石粒径为Φ5～Φ10mm和Φ10～Φ16mm的两级配投料，投料比例为3∶7，不仅可以避免或减少粗骨料质量的不稳定对所配制超高强高性能混凝土强度和性能的影响，还使混凝土材料中粗骨料的颗粒级配得到更好的优化，并使粗骨料中不同粒径颗粒之间及其与细骨料颗粒之间有良好的填充，减少了骨料的空隙率。

7.本发明生产的用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的超高强高性能混凝土是通过加入超细活性矿物惨料(粉煤灰和硅灰)，利用活性矿物掺合料的火山灰反应、增强效应、填充效应、耐久性改善效应及超高强高性能混凝土水化热的温峰消减效应，并充分利用活性矿物掺合料复合掺入及活性矿物掺合料与高效减水剂的复合掺合料所产生的超叠加效应，根据它们与水泥颗粒粒径不在同一级的特点优化超高强高性能混凝土材料中胶凝材料部分的颗粒级配，不仅使超高强高性能混凝土中集料与水泥石之间的界面结构以及水泥石的孔结构均得到了大幅改善，提高了水泥石的致密度、抗渗性，同时典型的致密结构能扩展到骨料表面，从而使超高强高性能混凝土更加密实坚硬，超高强高性能混凝土的力学性能(尤其是与型钢之间的粘结性能)、耐久性能和工作性能均有很大的提高。

具体实施方式

本发明是以在自然状态(亦即型钢表面不设或仅按构造要求设置少量剪切连接件)下显著改进型钢与混凝土之间的粘结性能，有效发挥钢与混凝土两种材料各自的能力与协同工作性能，从而大幅度提升结构构件的承载能力与性能，并提高结构的耐久性为宗旨，来研究用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的超高强高性能混凝土的制备技术。目前，国内外制作超高强高性能混凝土所用的普通硅酸盐水泥的质量和强度越来越高，所用活性矿物掺合料(硅灰、粉煤灰等)的加工技术与质量不断改进，加之高效减水剂、超塑化剂等混凝土外加剂的研究与应用均已取得了较大的进展，且消泡剂在混凝土中的研究与应用也正逐步发展，从而为上述研究宗旨的实现鉴定了基础。同时，超高强高性能混凝土的配制要求的水泥用量相对较少，而生产水泥意味着二氧化碳的大量排放，故在一定程度上减轻了对地球造成的温室效应；它要求有足够数量并占胶结材料比重较大的粉煤灰、硅灰等优质的活性矿物掺料，意味着工业废料的合理处置利用，将有利于形成良好的生产循环和环境保护，而这些优质的活性矿物掺料正是改善混凝土材料自身性能所需要的。总之，应用超高强高性能混凝土可以节约水泥、将工业废料变废为宝、延长结构工程使用年限，并最终保护生态环境和自然资源。综上所述，用于型钢混凝土组合结构的超高强高性能混凝土的研究与开发将为更好地使用混凝土走出了一条可持续发展的道路，它将提升结构工程的综合能力与性能，促进钢-混凝土组合结构在我国，尤其中西部等欠发达地区的高层、超高层建筑，大跨结构和重型工业(如电力厂、大型钢铁厂等)厂房中推广应用，改善基础设施和人居环境中建筑结构的科技含量，并发挥它具有较大的承载能力和刚度、良好的抗震性能、施工进度快、耐久和耐火性好及显著的社会和经济效益等独特优势。

本发明研制的用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的超高强高性能混凝土，除了与普通混凝土采用类似的材料-水泥、砂、碎石、水外，还加入了其不可缺少的组分：高效减水剂和活性矿物掺合料，另外还掺入了粉末消泡剂。超高强高性能混凝土与普通混凝土不同，其强度和性能均较普通混凝土有大幅度的提高，并较高强混凝土也有进一步的提高。超高强高性能混凝土的水灰比一般都小于0.24，而普通混凝土的水灰比一般在0.45以上，高强混凝土的水灰比一般在0.3左右，超高强高性能混凝土的粗骨料最大粒径亦小于普通混凝土的，甚至小于高强混凝土的。上述各项差异导致了超高强高性能混凝土与普通混凝土在性能上有着很大的差别，与高强混凝土在性能上也有着较大的差别，通过加入超细活性矿物惨料，利用超细活性矿物掺料的火山灰反应、填充效应及增塑效应，优化超高强高性能混凝土材料中胶凝材料部分的颗粒级配，不仅使超高强高性能混凝土中集料与水泥石之间的界面结构以及水泥石的孔结构均得到了大幅改善，提高了水泥石的致密度、抗渗性，同时典型的致密结构能扩展到骨料表面，从而使超高强高性能混凝土更加密实坚硬，超高强高性能混凝土的力学性能(尤其是与型钢之间的粘结性能)和耐久性能均有很大的提高。同时，通过粉末消泡剂的掺入，可减少在混凝土搅拌过程中形成且振捣密实后仍残留在混凝土内水泥浆体中或水泥浆体与骨料之间的界面过度区的大量气泡进行脱泡，使其密实度有效提高，对超高强高性能混凝土的力学性能(包括与型钢之间的粘结性能)和耐久性能的提高均做出了不小的贡献。

和光圆钢筋与混凝土之间的粘结相似，型钢与混凝土之间的粘结力也主要由化学胶结力、摩擦阻力和机械咬合力三部分组成。型钢与混凝土之间的粘结力的每一组成部分都与混凝土的性能密切相关。

化学胶结力是混凝土中的水泥凝胶体在型钢表面产生的化学粘着力或吸附力，其(抗剪)极限值取决于水泥的性质和型钢表面的粗糙程度。浇筑混凝土时，水泥浆体在钢材表面产生表面张力，在表面张力的作用下，钢材表面上的水泥浆体将形成自平衡；浇注混凝土一般要进行振捣，振捣力(扰动)能够加强并加快水泥浆体向钢材表面氧化层的渗透；在养护过程中水泥浆体结晶，水泥晶体硬化形成化学胶结力。化学胶结力只在型钢混凝土构件的原始形成状态下存在，一旦发生连接面上的(局部)粘结滑移，水泥晶体就会被剪断并挤压破碎，化学胶结力则丧失。影响化学胶结力的主要因素有混凝土强度、型钢钢材表面粗糙程度、试件浇筑方式与振捣程度以及后期的养护和混凝土的收缩情况等。

化学胶结力丧失后，由于钢材表面的粗糙不平以及其它原因所引起的钢材表面状况变化(钢材表面凹凸不平)，使其与接触面上的混凝土晶体颗粒咬合在一起，这样就形成了机械咬合力。对于工厂生产并经后期处理的轧制工字钢等型钢，一旦粘结滑移发展加快，型钢与混凝土接触面上的混凝土晶体被压碎整合，这时机械咬合力也基本上丧失。影响机械咬合力的主要因素为型钢钢材表面的粗糙程度与表面状况(锈蚀程度等)、混凝土骨料级配、混凝土强度以及型钢混凝土构件的受力方式等。

型钢周围混凝土对型钢的摩阻力亦是在型钢与混凝土之间的粘着力破坏后形成，且主要是在机械咬合力基本丧失后才发挥作用。当化学胶结力，尤其是机械咬合力丧失后，由于与型钢接触面上的混凝土晶体被剪断、压碎且膨胀，加之保护层和箍筋等横向约束，将在型钢与混凝土的连接面上产生正压力，加上连接面上摩擦系数较大，从而形成了摩擦阻力。摩擦阻力在化学胶结力丧失以后一直都存在，是型钢与混凝土之间后期粘结力的主要部分。影响摩擦阻力的因素有型钢的配钢形式及其表面特征、型钢与混凝土之间粘结面的大小、构件受力方式、混凝土骨料级配以及影响横向约束的因素(型钢的混凝土保护层厚度、配箍率、混凝土收缩)等。

本发明所要解决的关键技术问题是，在确保超高强高性能混凝土所应具备的力学性能(即强度和塑性)以及具有高耐久性、高工作性、高体积稳定性和经济性的基础上，显著地改进混凝土与型钢之间的(自然)粘结性能，使在型钢混凝土结构设计中无需(或仅需按构造要求少许地)在型钢表面加设剪切连接件，即可保证型钢与混凝土之间有可靠的粘结和锚固，使两者在荷载作用下能协调一致、共同工作。

本发明从原理和设计原则上，打破“饱罗米”公式的限制，通过正交试验法及对比实验法，考虑高效减水剂与水泥的相容性、消泡剂与水泥的相容性、高效减水剂与消泡剂的相容性、粗骨料最大粒径、粗骨料不同粒径之间及其与细骨料粒径之间的级配对混凝土强度及性能的影响以及活性矿物掺料的火山灰活性等性能因素，选用优质粗细骨料并控制粒径和级配，在超高强高性能混凝土配制材料中掺入适量的高效减水剂和优质复合活性矿物超细粉，并考虑消泡剂的加入，降低水灰比，立足于当地现有的易得材料，不改变常规生产工艺，为尽量减少水泥颗粒及超细活性矿物颗粒在混凝土搅拌时到处飞扬采用水泥裹砂搅拌工艺的投料方法，利用活性矿物掺合料的火山灰反应、增强效应、填充效应、耐久性改善效应及超高强高性能混凝土水化热的温峰消减效应，并充分利用活性矿物掺合料复合掺入及活性矿物掺合料与高效减水剂的复合掺合料所产生的超叠加效应及消泡剂的脱泡作用，配制出力学性能(尤其是与型钢之间的粘结性能)好、工作性能优异、耐久性能好、成本相对较低的适用于在型钢混凝土结构中大量应用的强度等级为C150的超高强高性能混凝土。本发明与普通混凝土(强度等级为C30～C50的混凝土)、一般高强混凝土(强度等级为C60～C100的混凝土)和一般超高强混凝土(强度等级为C110、C120、C130的混凝土)的力学性能对比试验结果如表2所示。

本发明选择原材料时，不仅要求原材料为优质，还要求配制超高强高性能混凝土所用的原材料为当地易得。另外，考虑到所配制混凝土的强度很高，根据最大密实度理论对混凝土材料中粗细骨料的颗粒级配进行优化，使粗细颗粒互相有良好的填充，以减少骨料的空隙率；同时，一般水泥的平均粒径为20～30μm，小于10μm的颗粒并不多，而活性矿物掺合料的颗粒粒径远比水泥颗粒粒径细小，超细粉煤灰的平均粒径为3～6μm，能填充水泥颗粒之间的空隙，硅灰的平均粒径更小，为0.10～0.26μm，能填充水泥颗粒与超细粉煤灰颗粒之间以及超细粉煤灰粒子之间的空隙，故此在所配制的超高强高性能混凝土材料中对胶凝材料部分的颗粒级配进行优化也至关重要。而外部劣化因子(如硫酸盐等因子)对混凝土的侵蚀性很大程度上取决于混凝土的空隙构造，而这正是造成混凝土耐久性问题的主要原因。活性矿物掺合料的掺入，降低了水泥颗粒之间和界面的空隙率，使水泥石结构和界面结构更为致密，阻断了可能形成的渗透通路，从而使所配制的超高强高性能混凝土的抗渗性大幅度提高，水及其它各种侵蚀介质(CL^-、SO₄ ^2-、CO₂等)均难以进入混凝土内部，并可减少碱-硅反应的发生几率和次氯酸钙的生成几率，其强度和耐久性能得到大幅度提高。即当水泥石结构和界面结构中大于0.1μm的大孔含量较低时，将有利于所配制超高强高性能混凝土的各项性能的改善，否则，对所配制超高强高性能混凝土的强度、抗渗性能和耐久性能均不利。

以活性矿物掺合料取代部分水泥后，还可以使水泥颗粒空隙中的一部分水分被填充其内的矿物掺合料置换出来，可使水泥净浆的流动度增大。但也并不是所有的矿物掺合料都具有这种显著的增塑效应，主要是由于部分活性矿物掺合料的比表面积太大或者其本身具有多孔结构，虽然其取代水泥后能置换出水泥净浆中的部分水分，但由于其本身吸水或润湿表面需要较多自由水，导致水泥净浆的流动性并不增大。为了保证所研制超高强高性能混凝土的高工作性能，本发明采用高效减水剂和活性矿物掺合料复合掺入的方法，在两者的协同工作下，活性矿物掺料的微细颗粒不仅充分发挥了它们的填充效应，并将填充于空隙之中的水分置换出来，使颗粒之间的间隔水层加厚；另外，活性矿物掺合料的微细颗粒吸附了高效减水剂分子，其表面形成的双电层电位所产生的静电斥力大于粉体粒子之间的万有引力，促使粉体颗粒分散，并进一步加剧水泥颗粒的分散，使水泥净浆的流动性增加，从而有效地改善了混合料的流动性；同时，超细活性矿物掺合料的复合掺入降低了水化热，可提高混凝土的体积稳定性。

另外，对于普通混凝土，通常水泥浆体孔液中含有大量的碱，其PH值可达到13，且骨料也具有碱性物质，因此当该混凝土处于潮湿环境中时，其孔液中的氢氧根离子将与骨料中的活性硅发生碱骨料反应，从而引起混凝土的膨胀和开裂。另外，氯盐是一种最有害的侵蚀性化合物，当氯离子侵蚀到混凝土微结构中，将向析出的水泥水化相移动，并最终导致混凝土被侵蚀损坏。因此，改进混凝土的孔结构和抗渗透性能是提高其抵御碱骨料反应和氯离子侵蚀能力的有效途径。本发明采用低碱水泥、活性硅含量小的骨料，并复合掺入活性矿物掺料等措施来抑制碱骨料反应和氯离子侵蚀。试验结果表明，以掺入的硅灰取代一部分水泥后，可以有效地缓解甚至完全消除碱骨料反应引起的自膨胀。其作用机理是：在混凝土强度发展之前，硅灰会迅速消耗掉孔液中的钾碱和钠碱，以使氢氧根离子浓度达到较低的水平；硅灰还会消耗掉由水泥水化释放的氢氧化钙，对提高混凝土的耐久性作用显著。本发明的超高强高性能混凝土中加入活性矿物超细粉后，混凝土的导电量也明显下降，将氯离子的渗透能力控制在很低的水平，可减少碱-硅反应的发生几率和次氯酸钙的生成几率，从而提高了混凝土的耐久性。

用于配制超高强高性能混凝土的原材料中的骨料应具有较高的固有强度、韧度和稳定性，以能够抵御各种静态和动态应力、冲击及磨蚀作用，而不会导致所配制混凝土性能的下降。由于不同骨料的表面状态不同，导致水泥浆体与骨料之间的粘结强度也不相同，通常情况下碎石较卵石有较高的粘结强度；另一方面，水泥浆体中硅灰含量比例不同时的粘结强度相差亦很大，掺硅灰时，水泥浆体与骨料之间的粘结强度比不掺时高得多。普通混凝土在破坏时，水泥浆体与骨料的粘结界面是薄弱的环节，裂缝是沿着水泥浆体与骨料的界面出现的，骨料一般不会破坏，且外界侵蚀也往往从此界面开始发展，而超高强高性能混凝土中的水泥浆体与骨料的粘结界面不再是薄弱环节，它的破坏也不再沿着界面发生，而是由于骨料的破坏而导致的，因此骨料的性能对超高强高性能混凝土的性能有较大的影响。本发明的研究中选用的粗骨料为表面粗糙、质地优良、级配良好的碎石。细骨料采用颗粒圆滑、质地坚硬、级配良好、含泥量小的中粗河砂。同时，市面上连续粒级碎石粒为Φ5～Φ16mm的质量良莠不齐，即使是同一厂家也不能保证连续粒级碎石粒径为Φ5～Φ16mm的优质和质量稳定性，为了避免或减少粗骨料质量的不稳定对所配制超高强高性能混凝土强度和性能的影响，并获得粗骨料中不同粒径颗粒之间及其与细骨料颗粒之间等的填充最优化，本发明根据最大密实度理论对混凝土材料中粗骨料的颗粒级配进行优化，采用单粒级碎石粒径为Φ5～Φ10mm和Φ10～Φ16mm的两级配投料，投料比例为3∶7，使混凝土材料中粗、细骨料中粗细颗粒之间互相有良好的填充，以减少骨料的空隙率。

本发明在制备时采用水泥裹砂法(又称SEC法)混凝土二次搅拌工艺，在强制式搅拌机中进行搅拌，其投料顺序为：加入细骨料和1/2的总用水量→搅拌均匀(1～2分钟)→加入粗骨料(粒径为Φ5～Φ10mm单粒级碎石)→搅拌均匀(1～2分钟)→加入粗骨料(粒径为Φ10～Φ16mm单粒级碎石)→搅拌均匀(1～2分钟)→加入全部胶结材料→搅拌均匀(2～3分钟)→加入外加剂、消泡剂和剩余水→搅拌均匀(2～5分钟)→出料。这种工艺能尽量减少水泥颗粒及超细活性矿物颗粒在混凝土搅拌时到处飞扬，并可提高所制备混凝土的强度，且所制备的混凝土不宜形成离析现象，泌水少，工作性能相对较好。

实施例：

(一)原材料

1.水泥

选择质量稳定、性能较好的秦岭牌P·O 62.5R水泥，使用前与高效减水剂进行两者之间的适应性试验，试验方法采用现行建材行业标准《水泥与减水剂相容性试验方法》JC/T1083-2008中的方法，与高效减水剂相容性好。所选水泥性能指标符合国家现行相关标准的要求，其碱含量少、水化热低、需水性也低。

2.骨料

细骨料采用颗粒圆滑、质地坚硬、级配良好的中偏粗、灞河砂，砂的品质符合现行建材行业标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JC/T 52-2006及国家标准《建筑用砂》GB/T 14684-2001中规定的优质砂标准。其细度模数为2.8，含泥量控制在0.8％以下。

粗骨料采用质量致密坚硬、强度高、表面粗糙、粒形为近似球形、针片状含量小、级配良好的石灰岩、花岗岩、辉绿岩等人工碎石，碎石的品质符合现行建材行业标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JC/T 52-2006等相关标准的规定要求。骨料母体岩石的立方体抗压强度为120～250MPa。最大粒径控制在16mm，含泥量控制在0.4％以下，针片状颗粒含量控制在4％以下，且不得混入风化颗粒。采用单粒级碎石粒径为Φ5～Φ10mm和Φ10～Φ16mm的两级配投料，投料比例为3∶7。

3.粉煤灰

采用燃煤工艺先进的电厂生产的优质I级特细粉煤灰。其品质符合国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596-2005等相关标准的规定要求，其烧失量为2.5％，SO₃含量为1.5％，需水量比为95％，比表面积为800m²/kg。

4.硅灰

选用的硅灰的品质符合国家标准《高强高性能混凝土用矿物外加剂》GB/T 18736-2002等相关标准的规定要求，硅灰中的二氧化硅含量为95％，含水率为2.5％，烧失量为3.5％，火山灰活性指数为95％，比表面积为28000m²/kg。

5.高效减水剂

经过大量尝试性对比试验及与水泥相容性试验，该发明所选用的高效减水剂为聚羧酸系高效减水剂，其品质符合现行国家标准《混凝土外加剂》GB 8076-2008等相关标准的规定要求，所选用高效减水剂的减水率大于30％。所选用高效减水剂的最大掺量为全部胶凝材料总量的2.5％，采用同掺法，使用前与所选择的水泥品种进行相容性试验且相容性良好。

6.消泡剂

选用的消泡剂为德国生产的粉末消泡剂AGITAN@P803，其品质、流动性、相容性与稳定性均较好。所选用粉末消泡剂的最大掺量为全部胶凝材料总量的1％，采用同掺法，使用前与所选择的水泥品种和聚羧酸系高效减水剂进行相容性试验且相容性较好。

7.拌合水

选用自来水为拌合水，其品质符合国家建设部部标准《混凝土拌合用水标准》JGJ 63-89等相关标准的规定要求，且碱含量少。

(二)配合比

本发明对于将会在型钢混凝土结构中大量应用的强度等级为C150的超高强高性能混凝土提供的配合比如表1所示。

表1用于型钢混凝土组合结构的超高强高性能混凝土配合比(单位：kg/m³)

(三)搅拌工艺

该方法采用水泥裹砂法混凝土二次搅拌工艺，具体工艺步骤如下：

按照重量配比在强制式搅拌机中每立方米混凝土加入701kg的细骨料和用水总量的1/2的水52kg，均匀搅拌1～2分钟后，加入343.5kg的粗骨料(粒径为Φ5～Φ10mm单粒级碎石)，均匀搅拌1～2分钟后加入801.5kg的粗骨料(粒径为Φ10～Φ16mm单粒级碎石)，均匀搅拌2分钟后，再加入全部胶结材料：485kg的水泥、65kg的硅灰和100kg的粉煤灰，均匀搅拌2～3分钟后，加入15kg的聚羧酸系高效减水剂、1kg的AGITAN@P803粉末消泡剂和剩余水52kg，最后均匀搅拌2～5分钟后，出料，即得即得所制备混凝土拌合物。

这种工艺能尽量减少水泥颗粒及超细活性矿物颗粒在混凝土搅拌时到处飞扬，并可提高所制备混凝土的强度，且所制备的混凝土不宜形成离析现象，泌水少，工作性能相对较好。

(四)力学性能试验结果对比

按照上述配合比所配制的适用于型钢混凝土组合结构的强度等级为C150的超高强高性能混凝土与普通混凝土(强度等级为C30～C50的混凝土)、一般高强混凝土(强度等级为C60～C100的混凝土)和一般超高强混凝土(强度等级为C110、C120、C130的混凝土)的力学性能对比试验结果如表2所示。

表2混凝土力学性能对比试验结果

从表2可以看出，按该技术制备的强度等级为C150的超高强高性能混凝土，实现了在能确保其所应具备的力学性能(即C150强度等级、塑性等)以及具有高耐久性、高工作性、高体积稳定性和经济性的基础上，显著地改进混凝土与型钢之间的(自然)粘结性能，使在型钢混凝土结构设计中无需(或仅需按构造要求少许地)在型钢表面加设剪切连接件，即可保证型钢与混凝土的有效协同工作，从而减少了施工工序，节约了钢材，提高了施工效率，并避免了在型钢表面大量设置剪切连接件且易造成混凝土内部先天性微裂缝等缺陷，具有显著的经济效益和施工质量改进效果。

Claims (5)

1.一种用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的混凝土，其特征在于，该混凝土按照kg/m³的配合比为：

水泥∶细骨料∶粗骨料∶水∶减水剂∶消泡剂∶硅灰∶粉煤灰

＝485∶701∶1145∶104∶15∶1∶65∶100。

2.根据权利要求1所述的用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的混凝土，其特征在于，所述粗骨料采用单粒级碎石粒径为Φ5～Φ10mm和Φ10～Φ16mm两级配投料，投料比例为3∶7。

3.根据权利要求1所述的用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的混凝土，其特征在于，所述减水剂选择聚羧酸系高效减水剂，减水率大于30％。

4.根据权利要求1所述的用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的混凝土，其特征在于，所述消泡剂采取AGITAN@P803粉末消泡剂。

5.用于型钢混凝土组合结构强度等级为C150的混凝土的制备方法，其特征在于，该方法采用水泥裹砂法混凝土二次搅拌工艺，具体工艺步骤如下：

按照重量配比在强制式搅拌机中每立方米混凝土加入701kg的细骨料和用水总量的1/2的水52kg，均匀搅拌1～2分钟后，加入343.5kg粒径为Φ5～Φ10mm单粒级碎石的粗骨料，均匀搅拌1～2分钟后加入801.5kg粒径为Φ10～Φ16mm单粒级碎石的粗骨料，均匀搅拌2分钟后，再加入全部胶结材料：485kg的水泥、65kg的硅灰和100kg的粉煤灰，均匀搅拌2～3分钟后，加入15kg的聚羧酸系高效减水剂、1kg的AGITAN@P803粉末消泡剂和剩余水52kg，最后均匀搅拌2～5分钟后，出料，即得所制备混凝土拌合物。