CN103304206A - 超高强自密实混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高强自密实混凝土及其制备方法；超高强自密实混凝土主要由胶凝材料、高效减水剂、细骨料、粗骨料、水及PVA纤维组成，所述胶凝材料由普通硅酸盐水泥、矿渣、硅粉组成，组成胶凝材料的水泥、矿渣及硅粉的质量百分比为：水泥70%—80%、矿渣10%—20%、硅粉5%—10%；所述细骨料为中砂，所述粗骨料为花岗岩碎石；其有益效果在于，发明针对目前混凝土材料领域先进技术超高强混凝土和自密实混凝土进行研究，把两种混凝土技术优点进行综合，在实现混凝土超高性能化的同时也达到减少水泥的使用量，减少CO₂排放量，节材环保，以及绿色施工的目的。

Description

超高强自密实混凝土及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及无机非金属材料领域，尤其涉及超高强自密实混凝土及其制备的方法。

【背景技术】

随着现代建筑高层化、大跨化、轻量化、地下化以及使用环境严酷化的发展趋势，在现代建筑工程中使用的混凝土对其强度及耐久性的要求也越来越高。在此工程背景下，高强及超高强混凝土以其优异的使用性能脱颖而出。通常而言，超高强混凝土是指立方体抗压强度大于100MPa的混凝土。在建筑物的梁、柱构件中采用高强、超高强混凝土优越性非常明显。在同等条件下，混凝土强度越高，其构件的尺寸、体积就会相对减少，混凝土用量也将成比例地减少。由于结构断面的减少，不但使建筑物在观感上给人以舒适的感觉，而且增加了建筑物的实际使用面积，经济效益非常明显。强度为100MPa的预应力钢筋混凝土可以代替钢材用于各种结构，是一种节约资源、节约能源与环境友好型的新型材料。

由于现代混凝土工程不断向规模化及复杂化方向发展，混凝土体内配筋越来越复杂稠密，浇筑难度变大，振捣困难，导致工程质量难以保证。对于已有建筑、桥梁的加固工程等，更是难以用普通混凝土进行正常施工。同时，城市建筑施工因混凝土振捣引起的噪音污染问题也亟待解决。在此工程背景下，自密实混凝土的绿色施工性能、综合环保性能和良好的力学及耐久性能，使其在各种不同的工程中均得到大量运用。其优异的施工性能，可大大加快施工速率，消除因振捣而带来的噪音，节约能源和劳动力，避免由于因振捣不完全而引起混凝土的严重质量事故。同时，自密实混凝土配合比设计中大量使用工业废料替代水泥用量，可大量节约水泥，减少CO₂排放。

近年来，我国高性能自密实混凝土技术发展迅速，高强、免振捣混凝土已在部分工程中应用。为满足建筑物大跨度、轻载和节约空间、降低施工造价以及提高耐久性的要求，混凝土的平均强度已由原来的C25提高到C40、C60及C80，甚至更高强度等级的混凝土已经在很多工程中使用。为满足建筑物多样的外形、复杂的内部结构要求，多数建筑物工程结构配筋密集、复杂，振捣棒不容易插入，难以振动成型。同时多数工程地处繁华闹市区，施工噪音必须加以控制。上述所述均需要混凝土在不进行振捣的情况下即可自行通过钢筋，充填模板的空间，即要求混凝土具有高流动性、高填充性、高间隙通过能力和高稳定性。因此研究和开发超高强自密实混凝土具有重要的工程意义。

自密实混凝土的超高强化，是超高性能混凝土材料领域的重要研究方向。国际混凝土联合会（FIP）与欧洲混凝土委员会（CEB）提出的在混凝土材料方面需要进一步深入研究的课题中，首要问题就是超高性能混凝土配合比优化设计。目前国际上制备超高性能混凝土最为通用的技术路线为硅酸盐水泥、活性矿物掺合料和高效减水剂的复合。

申请公布号为CN102320802A中国专利钢纤维超高强自密实混凝土公开的四个实施例中，使用高效减水剂能够降低混凝土的用水量，同时保证了混凝土的坍落拓展度，使用了钢纤维提高了混凝土的强度，抗压强度分别达到了98.1MPa，98.6MPa，102.6MPa，105MPa。

但是，总体而言，现阶段高性能自密实混凝土的强度还不够高，且针对超高强且具备大流动性的超高性能混凝土的研究暂不多见。存在的主要问题包括以下一些。

（1）外加剂和水泥及矿物掺合料的相容性差，由于水泥或者减水剂的质量引起水泥浆体的流动性，经时损失的变化程度；

（2）外加剂质量的稳定性不足，出现假凝，表面板结等原因导致坍落度损失过快等；

（3）在超高强自密实混凝土中，一方面为了追求高强度，而降低水灰比；另一方面为了获得流动度，使用过量的外加剂。自密实和超高强二者之间的矛盾问题未能有效解决；

（4）目前尚无系统的超高强及大流动度的超高性能混凝土性能研究及配合比优化设计方法。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有混凝土技术中难以同时实现混凝土超高强及大流动性而提供的一种超高性能自密实混凝土材料设计及其制备方法。

本发明基于最密实堆积理论对超高强自密实混凝土进行优化设计，通过将各种不同粒度的材料，按一定比例进行搭配，使得颗粒之间的不同大小空隙由不同粒径的颗粒填充，以达到较高的堆积效率，从而得到工作性能及力学性能优异的混凝土拌合物。根据最密实堆积理论，超细颗粒填充在水泥颗粒的空隙中，使胶凝材料形成良好的连续微级配与填充。同时，水分在颗粒间更好地起到润滑剂作用，增大混凝土流动性，并使混凝土力学性能（如抗压、抗弯、抗折强度）和耐久性（如抗渗性）提高。同时，为达到混凝土的大流动性及自密实性能，在混凝土配合比设计中必须采用较好连续级配骨料，在保证胶凝材料浆体充分包裹各尺寸骨料的前提下，满足混凝土的优异流动性能。同时，为满足混凝土的超高强性能，必须保证混凝土内部骨料颗粒之间不同大小空隙由不同粒径的颗粒填充，以达到较高的堆积效率。此外，胶凝材料间（水泥和细掺合料）还需形成良好的连续微级配与填充。骨料颗粒间的空隙率降低，可使填充骨料空隙的浆体用量减少，节约水泥浆体用量，达到节材、环保目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种超高强自密实混凝土，主要由胶凝材料、高效减水剂、细骨料、粗骨料、水及纤维组成，其特征在于：所述胶凝材料由普通硅酸盐水泥、矿渣、硅粉组成，组成胶凝材料的普通硅酸盐水泥、矿渣及硅粉的质量百分比为：普通硅酸盐水泥70%—80%、矿渣10%—20%、硅粉5%—10%；所述细骨料为中砂，所述粗骨料为花岗岩碎石。

下面对以上技术方案作进一步描述：

作为优选地，每1m3混凝土中，水130kg到185kg，细骨料620kg到86kg，粗骨料780kg到1030kg，胶凝材料600kg到700kg，纤维0.75kg到1.5kg，高效减水剂用量为水泥用量的0.6%到2.7%。

作为优选地，所述普通硅酸盐水泥为52.5R水泥；所述矿渣密度为2850kg/m3，比表面积为400m2/kg；所述硅粉密度为2400kg/m3，比表面积为15000m2/kg；所述减水剂采用聚羧酸高效减水剂；所述细骨料为河砂，细度模数为2.9，II区中砂；所述粗集料为高强花岗岩石子，5-16mm连续级配；所述纤维采用PVA纤维，纤维单丝直径0.04mm，长度12mm，抗拉强度1600MPa、弹性模量40GPa，伸长率5%。

以上所述的超高强自密实混凝土的制备方法包括如下步骤：

S1、用净浆流动度法进行高效减水剂和普通硅酸盐水泥的相容性试验，确定浆体具有良好的初始流动度和较小的流动度经时损失，同时，没有泌水现象的出现；

S2、将称量好的粗骨料、细骨料同时加入强制式搅拌机中，干拌30秒，使粗骨料、细骨料充分混合分散；

S3、在搅拌机内加入总拌合用水的二分之一，继续搅拌30秒，使粗骨料、细骨料充分润湿；

S4、在搅拌机内加入胶凝材料，与粗骨料、细骨料共同搅拌30秒，使胶凝材料与粗骨料、细骨料充分混合；

S5、将剩余的二分之一拌合用水和高效减水剂混合，随后加入搅拌机，搅拌30秒，使高效减水剂的拌合水和胶凝材料充分混合反应，且使胶凝材料均匀包裹在粗骨料、细骨料表面；

S6、继续搅拌1-2分钟，无需振搅，入模成型。

本发明采用了上述的优化制备工艺，通过改善混凝土的微观性能来大幅提高混凝土的宏观性能。矿渣和硅粉的使用可以改善混凝土中粗骨料与水泥浆体间的界面过渡区，且使超细颗粒填充在水泥颗粒的空隙中，使胶凝材料形成良好的连续微级配与填充，提高混凝土的宏观力学性能和耐久性能。高效减水剂的采用，保证了混凝土大流动度及匀质性的实现；PVA纤维的使用，降低混凝土裂缝的发生趋势且阻止宏观裂缝的扩展。

【具体实施方式】

为了更好地理解本发明，下面结合表格及具体实施案例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本发明的混凝土，主要由胶凝材料、减水剂、细骨料、粗骨料及纤维组成；所述胶凝材料由普通硅酸盐水泥、矿渣、硅粉组成，每1m　混凝土中，水150kg，细骨料700kg，粗骨料900kg，胶凝材料650kg，纤维1kg，减水剂用量为水泥用量的1.5%。

同时，所述普通硅酸盐水泥为52.5R水泥；所述硅粉采用密度为2400kg/m³，比表面积为15000m²/kg的硅粉；所述减水剂采用聚羧酸高效减水剂；所述细骨料为河砂，细度模数为2.9，II区中砂；所述粗骨料为高强花岗岩石子，5-16mm连续级配；所述纤维采用PVA纤维，纤维单丝直径0.04mm，长度12mm，抗拉强度1600MPa、弹性模量40GPa，伸长率5%。

以上所述的超高强自密实混凝土材料制备方法的技术方案包括如下步骤：

S1、用净浆流动度法进行高效减水剂和水泥的相容性试验，确定浆体具有良好的初始流动度和较小的流动度经时损失，同时，没有泌水现象的出现；

S2、将称量好的粗、细骨料同时加入强制式搅拌机中，干拌30秒，使粗、细骨料充分混合分散；

S3、在搅拌机内加入总拌合用水的二分之一，继续搅拌30秒，使粗、细骨料充分润湿；

S4、在搅拌机内加入胶凝材料，与粗、细骨料共同搅拌30秒，使胶凝材料与粗、细骨料充分混合；

S5、将剩余的二分之一拌合用水和高效减水剂混合，随后加入搅拌机，搅拌30秒，使混合减水剂的拌合水和胶凝材料充分混合反应，且使胶凝材料均匀包裹在粗、细骨料表面；

S6、继续搅拌1.5分钟，混凝土达到预定流动度时倒出搅拌机，无需振搅，入模成型。

本发明采用了上述的优化制备工艺，通过改善混凝土的微观性能来大幅提高混凝土的宏观性能。本发明的超高强自密实混凝土可以视为由各级别粒度的颗粒堆积构成，采用颗粒级配优化的方法使颗粒堆积效率提高，最大限度地使用骨料。同时骨料颗粒间的空隙率降低，使得填充骨料空隙的浆体用量减少，节约水泥浆体用量，达到节材、环保目的。由于混凝土中浆体用量减小，收缩、徐变减小，体积稳定性得到改善，混凝土材料成本下降使其更加经济，使之成为一种既可持续发展又可获得较大经济效益的绿色建材。

本发明的实施例如表1所示。新拌混凝土的坍落扩展度按照国家行业标准JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》进行试验；硬化混凝土的抗压强度按照国家标准GB/T50081-2002进行。

表1超高强自密实混凝土实施例（m³）

由上表可知，本发明的超高强自密实混凝土，28天抗压强度均达到100MPa以上，九组实施例28天抗压强度达到110MPa以上，三组实施例28天抗压强度接近120MPa；同时，除两组实施例外，十七组混凝土拌合物坍落扩展度均达到630mm以上，满足大流动度且配筋密集的复杂模板现场施工要求。既有中国专利“钢纤维超高强自密实混凝土”（申请公布号为CN102320802A）四个实施例中，钢纤维的使用使混凝土抗压强度分别达到98.1MPa，98.6MPa，102.6MPa，105MPa。本发明的自密实混凝土在掺入纤维后，28天抗压强度最低为103MPa，最高为120MPa，在保证坍落拓展度要求的基础上，在抗压强度指标上，本发明比现有的技术取得了显著的进步。本发明的超高强自密实混凝土较国内高强自密实混凝土技术而言，因其优异的工作性能和力学性能，填补了高性能大流动度（坍落扩展度630mm以上）混凝土超高强化（28天抗压强度120MPa）的技术空白，超越了国内已有高强自密实混凝土技术及专利。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (4)

1.一种超高强自密实混凝土，主要由胶凝材料、高效减水剂、细骨料、粗骨料、水及纤维组成，其特征在于：所述胶凝材料由普通硅酸盐水泥、矿渣、硅粉组成，组成胶凝材料的普通硅酸盐水泥、矿渣及硅粉的质量百分比为：普通硅酸盐水泥70%—80%、矿渣10%—20%、硅粉5%—10%；所述细骨料为中砂，所述粗骨料为花岗岩碎石。

2.根据权利要求1所述的超高强自密实混凝土，其特征在于：每1m³混凝土中，水130kg到185kg，细骨料620kg到860kg，粗骨料780kg到1030kg，胶凝材料600kg到700kg，纤维0.75kg到1.5kg，高效减水剂用量为水泥用量的0.6%到2.7%。

3.根据权利要求1所述的超高强自密实混凝土，其特征在于：所述普通硅酸盐水泥为52.5R水泥；所述矿渣密度为2850kg/m³，比表面积为400m²/kg；所述硅粉密度为2400kg/m³，比表面积为15000m²/kg；所述减水剂采用聚羧酸高效减水剂；所述细骨料为河砂，细度模数为2.9，II区中砂；所述粗集料为高强花岗岩石子，5-16mm连续级配；所述纤维采用PVA纤维，纤维单丝直径0.04mm，长度12mm，抗拉强度1600MPa、弹性模量40GPa，伸长率5%。

4.一种超高强自密实混凝土的制备方法，包括以下步骤：

S1、用净浆流动度法进行高效减水剂和普通硅酸盐水泥的相容性试验，确定浆体具有良好的初始流动度和较小的流动度经时损失，同时，没有泌水现象的出现；

S2、将称量好的粗骨料、细骨料同时加入强制式搅拌机中，干拌30秒，使粗骨料、细骨料充分混合分散；

S3、在搅拌机内加入总拌合用水的二分之一，继续搅拌30秒，使粗骨料、细骨料充分润湿；

S4、在搅拌机内加入胶凝材料，与粗骨料、细骨料共同搅拌30秒，使胶凝材料与粗骨料、细骨料充分混合；

S5、将剩余的二分之一拌合用水和高效减水剂混合，随后加入搅拌机，搅拌30秒，使高效减水剂的拌合水和胶凝材料充分混合反应，且使胶凝材料均匀包裹在粗骨料、细骨料表面；

S6、继续搅拌1-2分钟，无需振搅，入模成型。