CN104743987A

CN104743987A - 一种聚丙烯活性粉末抗爆混凝土及其配制方法

Info

Publication number: CN104743987A
Application number: CN201510153024.5A
Authority: CN
Inventors: 鞠杨; 王里; 刘红彬; 孙华飞
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT; China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2015-07-01

Abstract

本发明公开了一种聚丙烯活性粉末抗爆混凝土及其配置方法，所述混凝土的按重量份配比如下，水泥985份，微硅粉131份，石英砂976份，石英粉340份，减水剂56份，水175份，聚丙烯纤维9.12份。制备步骤一，将聚丙烯纤维与石英砂加入搅拌机中搅拌；步骤二，按配比加入水泥、硅灰和石英粉搅拌均匀；步骤三，加入一半水与减水剂的混合物；步骤四，加入剩余一半水与减水剂的混合物；步骤五，振动成型后标准养护24h；步骤六，高温蒸汽养护72h。本发明所制备聚丙烯活性粉末混凝土，立方体单轴抗压强度大于151.7MPa，劈裂强度大于9.7MPa，弯折强度大于21.5MPa，防爆温度不低于800℃。本发明有效提高了活性粉末混凝土的各项力学强度，抗断裂性能以及高温防爆性能。

Description

一种聚丙烯活性粉末抗爆混凝土及其配制方法

技术领域

本发明涉及一种聚丙烯活性粉末抗爆混凝土及其制备方法。

背景技术

活性粉末混凝土(reactive powder concrete，简称RPC)是20世纪90年代发展起来的一种新型超高强、高韧性、高耐久性和体积稳定性良好的水泥基复合材料，基于均匀分布超细颗粒密实体系DSP和宏观无缺陷水泥材料MDF配制而成。自问世以来便受到了学术界和工程界的高度关注，可应用于海上采油平台、跨海大桥、海底隧道、地下空间、恶劣环境条件下使用的混凝土结构，以及核废料容器、核反应堆外壳等有害废物的处理工程中，适应了现代建筑物高层化、大跨化、地下化、结构轻量化以及使用环境严酷化的发展需要。

即便活性粉末混凝土具有较高的力学强度，但其存在脆性高和耐火性能差的缺点，研究发现在火灾或快速升温的环境中，RPC极易发生性能劣化甚至爆裂。爆裂是指混凝土在没有预兆的情况下，表面混凝土从基体突然分离，开始噼啪崩落，爆炸成碎块(片)甚至粉末的现象。2009年2月北京市朝阳区中央电视台新址园区发生火灾，过火面积8490平方米，直接经济损失16.4亿元。2010年11月，上海一28层住宅发生大火，最终导致58人遇难，70余人受伤，房产损失近5亿元人民币。2011年1月湖北武汉一座商住楼发生火灾，过火面积900平方米，导致14人死亡4人受伤……据统计，我国现阶段每年发生火灾约20万起以上，其中建筑火灾占火灾总数约60％以上，其直接经济损失占火灾损失的80％以上。建筑火灾经济损伤重大、人身伤亡特别惨重，是各种火灾中危害程度最严重的一种。混凝土作为主导的结构材料用于高层建筑发生火灾会给社会和个人造成巨大的经济损失，甚至造成无法弥补的人身伤害。

火灾等高温作用会导致RPC力学性能的劣化，结构损伤的破坏，进而导致混凝土结构承载力降低发生倒塌，RPC高温爆裂现象给工程结构带来极大的安全隐患，严重制约着其在工程上的推广和应用，特别是对于一些经常处于高温条件下的特殊工程，比如冶金和化工车间等受高温辐射的结构，核电站的压力容器和安全壳等。因此，配制一种活性粉末混凝土使其具有超高强度、超高刚度、较高抗断裂性能，以适应现代建筑物高层化、空间最大化的时代要求；配制一种活性粉末混凝土使其具有较低孔隙率、低渗透性、超高耐久性，以提高其在恶劣环境下的服役寿命；配制一种活性粉末混凝土使其具有优异的耐高温性能和高温防爆性能，确保建筑物或构筑物火灾情况下的完整性，最大限度地减小承载力的降低等，是活性粉末混凝土推广应用中面临的一个重要挑战，也是土木工程建设领域亟待解决的重要问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强抗爆混凝土，其特征在于强度高、耐火耐高温性能好。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案为：

一种聚丙烯活性粉末抗爆混凝土，所述混凝土的配制方案如下：水泥985份，微硅粉131份，石英砂976份，石英粉340份，减水剂56份，水175份，聚丙烯纤维9.12份。其中所述水泥密度为3.0g/cm3，碱含量0.5％，细度80μm，烧失量2.26％，初凝2.07h，终凝3h，28d抗压强度59.3MPa；所述微硅粉密度2.23g/cm3，比表面积30.1m2/g，细度45μm，含水率1.4％，耐火度1710-1730℃；所述石英砂筛孔尺寸为0.63mm、0.315mm、0.16mm时，累计筛余分别为0.8％，75.2％，98.3％；所述高效减水剂为西卡3410c，其外观为褐色油状液体，密度1.074g/ml，PH值6.0，含固量37.2％，碱水率35％；所述聚丙烯纤维长度9mm，直径50μm，密度0.9g/cm3，抗拉强度4MPa，熔点160-170℃，蒸发温度341℃，燃点462℃，弹性模量3-8GPa，热传导系数0.15w/m·k。

一种聚丙烯活性粉末抗爆混凝土的配制方法，包括如下步骤：

步骤一，在成型模具内壁涂抹适量润滑油；

步骤二，按配合比称量好各配制组份，先将石英砂和聚丙烯纤维倒入搅拌机中搅拌90s；将水泥、微硅粉、石英粉倒入搅拌机中搅拌90s；再将水与高效减水剂混合物的一半倒入搅拌机中搅拌180s；最后将剩余的一半水与减水剂的混合物倒入搅拌机中搅拌180s；

步骤三，将拌合物装入模具内，置于振动台上震动60s，将模具旋转90°后震动60s；振动台为磁力振动台，振幅0.3-0.6mm，振动频率50Hz；

步骤四，震动结束后，试样上表面抹平，外包一层薄保鲜膜；

步骤五，将试样放于标准养护箱中养护24小时后拆模，养护箱温度20±2℃，相对湿度95％；

步骤六，将试样移植高温快速养护箱中养护72h，温度恒定为90℃。

所述步骤二的水泥、硅灰和水的用量为1：0.13：0.19；

性能测试

下面结合实验测试数据对本发明所述混凝土的高力学强度，高断裂性能以及优良的高温防爆性能进一步说明。

所述混凝土的强度测试参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)和《钢纤维混凝土试验方法》(CECS13:89)进行；

抗压强度和劈裂强度测试在超高刚性试验机上进行，均采用立方体试件，尺寸为100×100×100mm3，单轴加载速度分别为0.9MPa/s和0.09MPa/s；弯折强度测试在万能试验机上进行，采用梁式试件进行三点弯曲测试，尺寸为40×40×160mm3，加载速度为0.05mm/s；

高温防爆性能测试在自制高温爆裂测试装置内进行，加热装置为SGM 2890E箱式电阻炉，升温速率4.8℃/min，所述混凝土试件在快速升温至800℃时无爆裂现象，试件完好。

表1.聚丙烯活性粉末抗爆混凝土的各项指标试验测试结果

本发明的有益效果如下：

本发明在以水泥、硅灰、石英砂、石英粉、高效减水剂为原材料的活性粉末混凝土的基础上，掺入长度9mm，直径50μm，体积掺量0.9％的聚丙烯纤维配制成聚丙烯活性粉末混凝土。活性粉末混凝土采用剔除骨料、优化颗粒级配、掺入活性物质和高温蒸汽养护的工艺获得了整体性的均匀性和密实性，具有高抗拉强度和低弹模的聚丙烯纤维发挥出了优良的增强、增韧、阻裂的效用。当混凝土承受外部荷载时，聚丙烯纤维的掺入可以约束混凝土基质的变形，限制甚至抑制裂纹的产生和扩展，同时可缓解裂纹尖端的应力集中，从而有效改善和提高了活性粉末混凝土的各项力学强度和断裂性能。本发明所述混凝土较普通高强混凝土(C60)，单轴抗压强度提高了230～260％，弯折强度提高了250～280％，断裂能提高了210～240％。相比C60，同等条件下本发明所述混凝土中水泥用量可减少40～50％，与此同等量水泥生产过程中CO2排放量也相应减少一半左右，砂石用量可降低2/3，对缓解“温室效应”、雾霾治理、环境绿色可持续发展有着不可估量的意义。此外，所述混凝土的超高强度可以承载力同等的情况下减小建筑构件的使用面积，提升建筑物使用空间，同时延长服役寿命，降低维修费用等等。

本发明所述混凝土熔点160～170℃，蒸发温度341℃，燃点462℃。当所述混凝土处于火灾等高温环境中时，所掺聚丙烯纤维受热熔化，由固态转化为液态，在混凝土基质内留下同体积的孔道，从而为混凝土内部水分和热量的散失、逃逸形成相互交错联通的三维通道，可有效缓解高温造成的热损伤、较高蒸汽压。所述混凝土掺0.9％的聚丙烯纤维，可以为显著提高其孔隙率和渗透性，从而缓解了较高蒸汽压的形成，进而抑制爆裂的发生。因此，本发明所述混凝土，可在火灾过程中最大程度的限制建筑物承载力的降低，从而减少建筑物塌落甚至倒塌而对人民生命安全造成的威胁，并减少对财产的经济损失；优良的高温防爆性能，可以加速活性粉末混凝土在一些经常处于高温条件下的特殊工程，比如冶金和化工车间等受高温辐射的结构，核电站的压力容器和安全壳，航天器发射台等方面的工程应用。

附图说明

图1为所述聚丙烯活性粉末抗爆混凝土的配制组分及其比例(按重量份)；

图2为所述混凝土的配制方法，包括投料顺序和搅拌时间。

Claims

1.一种聚丙烯活性粉末抗爆混凝土，其重量配比如下：水泥985份，微硅粉131份，石英砂976份，石英粉340份，高效减水剂56份，水175份，聚丙烯纤维9.12份。

2.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于：掺入长9mm，直径50μm的聚丙烯纤维，体积分数0.9％，质量分数3.7％。

3.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于：水泥、硅灰和水的用量为1：0.13:0.19。

4.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于：所述水泥密度为3.0g/cm³，碱含量0.5％，细度80μm方孔筛筛余不得超过10％，烧失量2.26％，初凝2.07h，终凝3h，28d抗压强度59.3MPa；所述微硅粉密度2.23g/cm³，比表面积26.0～30.1m²/g，细度45μm，含水率1.4％，耐火度1710-1730℃；所述石英砂筛孔尺寸为0.63mm、0.315mm、0.16mm时，累计筛余分别为0.8％，75.2％，98.3％；所述高效减水剂为西卡3410c，其外观为褐色油状液体，密度1.074g/ml，PH值6.0，含固量37.2％，碱水率35％；所述聚丙烯纤维长度9mm，直径50μm，密度0.9g/cm³，抗拉强度4MPa，熔点160～170℃，蒸发温度341℃，燃点462℃，弹性模量3-8GPa，热传导系数0.15w/m·k。

5.一种权利要求1～4所述混凝土的制备方法，其特征在于投料顺序：

步骤一：先将按比例称量好的石英砂和聚丙烯纤维倒入搅拌机中；

步骤二：将水泥、微硅粉、石英粉倒入搅拌机中；

步骤三：再将水与高效减水剂混合物的一半倒入搅拌机；

步骤四：最后将剩余的一半水与减水剂的混合物倒入搅拌机。

6.一种权利要求1～4所述混凝土的制备方法，其特征在于搅拌时间：

①根据权利要求5所述步骤一，石英砂和聚丙烯纤维的拌合时间为90s。由于聚丙烯纤维之间粘合紧密成团簇状，石英砂颗粒会使聚丙烯纤维各单丝相互分离，确保了纤维均匀分布在拌合物中。所述的搅拌时间随搅拌机的类型与容量、配料的用量、细度、粒径等因素的不同应做适当调整；

②根据权利要求5所述步骤二，加入水泥、微硅粉和石英粉后搅拌时间为90s。干搅时间共计180s，确保了拌合物的均匀。

③根据权利要求5所述步骤三、四，将溶有减水剂的水平均分为分两次加入，倒入后每次搅拌180s。针对微硅粉和石英粉粒度小、比表面积大、易结块的特点，避免了一次性倒入而导致的结块现象；湿搅时间共计360s，确保了搅拌过程中高效减水剂减水作用的充分发挥，以及水泥、硅灰等活性作用的激发，既改善了拌合物的和易性，也提高了拌合物的致密性，确保了混凝土最终强度的增长。

7.一种权利要求1～4所述混凝土的制备方法，其特征在于振动方式：

搅拌过程结束后，将所述混凝土的拌合物装入铸铁模具中，由于所述混凝土的水灰比较低，拌合物稠度高，粘结力强，为便于脱模，预先在模具内部涂有一薄层润滑油；浇筑完成之后，将装有拌合物的磨具放于振动台上震动40s，旋转90°之后震动40s，再旋转90°之后振动40s。振动时长共计120s，避免了离析现象和下部混凝土不密实情况的出现。振幅0.3-0.6mm，振动频率50Hz。

8.一种权利要求1～4所述混凝土的制备方法，其特征在于养护方式：

所述混凝土的养护方式分为室温养护和高温蒸汽养护两个阶段：

步骤一：混凝土浇筑完成之后，在试块上表面外包一层保鲜薄膜，以防止因表面水分的蒸发而造成的水分分布不均，然后将所述混凝土标准养护24h，养护温度25±2℃，相对湿度90％；

步骤二：然后将所述混凝土取出，置于温度为90℃的高温蒸汽中养护72h。

9.一种基于权利要求1～4所述配合比，权利要求5～8的投料顺序、搅拌时间、振动方式、养护方式的混凝土，其特征在于：抗压强度为1517MPa，劈裂强度9.7MPa，弯折强度21.5MPa，抗爆温度不低于800℃。