CN105198339A - 超高性能水泥基复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超高性能水泥基复合材料，通过对多元胶凝材料的颗粒级配和骨料的颗粒级配进行优化，并通过减水剂等化学添加剂的使用，使混凝土在具有良好流动性的前提下，满足28d标准养护下抗压强度达到170MPa以上。所述的材料的技术优势包括：低水胶比下满足施工流动性的要求；在标准养护的条件下，混凝土7天龄期达到120MPa以上，28天龄期达到170MPa以上的高强度；相对于RPC仅可用于制备预制构件，本发明无需热养护和压力成型，可在任何场合进行搅拌施工；抗渗性能、抗碳化性能、抗氯离子渗透、抗冻融循环等性能优于普通混凝土；可以制备截面小于普通混凝土构件制品50％(或者更高)的构件制品。
Description
技术领域
本发明属混凝土技术领域，涉及超高性能水泥基复合材料。
背景技术
法国的RichardP等人在20世纪90年代研发出一种新型水泥复合材料:活性粉末混凝土(Reactivepowderconcrete,简称RPC)。活性粉末混凝土(RPC)是由石英粉、水泥、硅灰、高效减水剂及纤维等混合后，采取适当的成型养护工艺而获得一种超高性能水泥基复合材料。与传统混凝土相比，RPC具有优异的力学性能，包括极高的抗压强度、优良的抗冲击、抗疲劳性能，掺入纤维后材料的抗拉性能、韧性显著提高。RPC用于制备建筑构件可以采用更薄的截面或具有创新性的截面形状，从而大幅降低结构自重。另外，RPC材料内部致密，故具有极佳的耐久性。从研发成功至今，RPC仍然是国际上超高性能水泥基复合材料研究的热点。近10年来，我们国内有关单位通过对RPC技术的引进消化吸收和再创新，RPC用于预制盖板在我国铁路建设中得到全面应用推广。
然而，在制备150MPa以上强度的RPC时，除选用较好的原材料外，目前一般均需采用高温养护和加压成型等措施，这不仅提高了RPC的生产成本，同时制约了现场施工的可能性，因此目前RPC的应用主要是预制构件领域。
RPC的制备技术除了高温养护之外，另一个最重要的技术手段是降低水灰比。普通混凝土的抗压强度通常在30～60MPa，对用于摩天大楼、深基坑地下工程等特殊建筑的高性能混凝土抗压强度可以达到60～100MPa，研究人员在试验室中可以配置出通过普通浇筑工艺成型和常规养护下28d达到100MPa～150MPa混凝土。通过现有理论可知，混凝土强度的提高必须降低水与胶凝材料的比值，在配制100MPa以上的混凝土时，水与胶凝材料的比值通常在0.25以下，这种情况下混凝土变得非常粘稠，当水胶比进一步降低时，混凝土逐渐失去施工性能从而失去实际应用价值。化学添加剂中的减水剂可以有效分散胶凝材料防止胶凝材料絮结提高混凝土流动性，但过量添加减水剂会使混凝土拌和物中的含气量大大提高，削弱了混凝土的抗压强度，即在取得混凝土工作性的时候没有达到超高强度的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种超高性能水泥基复合材料，通过对多元胶凝材料的颗粒级配和骨料的颗粒级配进行优化，并通过减水剂等化学添加剂的使用，使混凝土在具有良好流动性的前提下，满足28d标准养护下抗压强度达到170MPa以上。
本发明的超高性能水泥基复合材料，包含胶凝材料和水，所述胶凝材料为水泥和矿物掺合料，所述水泥为强度等级为42.5及以上的P·I、P·II或P·O代号水泥，所述矿物掺合料为硅灰、粉煤灰或矿粉的两种或三种；在特殊场合，比如大体结构件浇筑时，水化热成为影响结构体积变形的重要因素，水泥会采用中热、低热水泥，本发明不排除在特殊情况下，使用其他类型的水泥依照本发明所述的方法进行制备高性能水泥基复合材料。
按计算所得配比配制的超高性能水泥基复合材料拌和后，流动性性能如下：
坍落度GB/T50080：≥10mm；
或扩展度GB/T50080：≥450mm；
扩展度的值只有在高流动度即坍落度＞220mm时才测试，此时混凝土流动性以扩展度为准；
材料硬化后性能如下：
抗压强度，标准养护7d：≥120MPa；
抗压强度，标准养护28d：≥170MPa。
其中，水泥用量占超高性能水泥基复合材料体积的20～70％，所述矿物掺合料占超高性能水泥基复合材料体积的10～60％；
所述胶凝材料各组分的配比分数通过理想堆积曲线和胶凝材料各组分的粒径累计分布曲线进行数值分析计算；
1)所述理想堆积曲线公式为：
Psd＝A+(100-A)·(d/Dmax)π/2e；
其中，Psd为颗粒通过筛孔的百分比，A为经验常数，d为筛孔直径，Dmax为颗粒的最大粒径；
经验常数A的取值根据超高性能水泥基复合材料的设计坍落度或设计扩展度要求通过公式确定：
当H≤220mm时，A＝5·H/H0，
当H＞220mm时，A＝5·(L-H)/H0，
L为扩展度设计值，H为坍落度设计值，H0为坍落度桶的高度300mm；
2)胶凝材料各组分的粒径累计分布曲线：
对胶凝材料中所需的组分水泥、硅灰、粉煤灰和矿粉经测试的得到各自累计分布曲线fc(d)、fsf(d)、ffa(d)和fbs(d)；累计分布曲线可以通过激光粒度仪测试获得；
3)数值分析计算如下：
设水泥占胶凝材料总量的体积分数为Xc、硅灰占胶凝材料总量的体积分数为Xsf、粉煤灰占胶凝材料总量的体积分数为Xfa和矿粉占胶凝材料总量的体积分数为Xbs，且满足Xc∈[0.250,0.875]、(Xsf+Xfa+Xbs)∈[0.125,0.750]、Xc+Xsf+Xfa+Xbs＝1；
设定混合后胶凝材料的粒径累计分布曲线为：
P＝Xcfc(d)+Xsffsf(d)+Xfaffa(d)+Xbsfbs(d)，
对各组分的体积分数Xc、Xsf、Xfa和Xbs以0.001～0.01为步长，在各自的取值范围内穷举计算P，比较曲线P和Psd，计算相同纵坐标所对应的横坐标粒径d的标准差，取标准差最小的Xc、Xsf、Xfa和Xbs值作为胶凝材料的各组分配比分数；当使用两种矿物掺合料时，则需要略去没有使用的掺合料对应的质量分数和分布曲线；
对应无胶凝活性的填料，如石粉，由于其粒径基本落在掺合料的粒径区间，在某些场合需要使用时，可以按照上述矿物掺合料的计算方法进行计算体积分数；
水的用量与胶凝材料的质量比W/B为0.1～0.4，其中W表示水的用量，B表示胶凝材料质量；
按计算所得配比配制的超高性能水泥基复合材料拌和后，流动性性能如下：
坍落度GB/T50080：≥10mm；
或扩展度GB/T50080：≥450mm；
扩展度的值只有在高流动度即坍落度＞220mm时才测试，此时混凝土流动性以扩展度为准；
材料硬化后性能如下：
抗压强度，标准养护7d：≥120MPa；
抗压强度，标准养护28d：≥170MPa。
进行热处理养护时，可以提高材料的抗压强度。热处理方法为：凝固后在20±2℃下静置2～24小时，然后在85±5℃下静置24～48小时。进行热处理后材料的抗压强度达到220MPa以上。
作为优选的技术方案：
如上所述的超高性能水泥基复合材料，所述纵坐标依最大值100％等分选取，至少取5个值。
如上所述的超高性能水泥基复合材料，所述的W/B为0.12至0.28。
如上所述的超高性能水泥基复合材料，所述水泥符合国标《通用硅酸盐水泥》GB175；所述硅灰符合《砂浆和混凝土用硅灰》GB/T27690；所述粉煤灰符合《用于水泥和混凝土的粉煤灰》GB/T1596；所述矿粉符合《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》GB/T18046；水符合《混凝土用水标准》JGJ63。
如上所述的超高性能水泥基复合材料，所述超高性能水泥基复合材料中还添加骨料，为细骨料或者细骨料和粗骨料的混合物；所述骨料与所述胶凝材料的体积比为0.5～2.5。
细骨料为天然砂或人工砂，细度模数为1.2～3.5，堆积密度为1.1～2.1g/cm3；表观密度为1.8～3.0g/cm3。
粗骨料为碎石或卵石，粒径范围为5～25mm；堆积密度为1.1～2.1g/cm3；表观密度为1.8～3.0g/cm3。
对于使用连续级配的骨料，配制细骨料和粗骨料的混合物时，计算出细骨料正好填充粗骨料空隙的砂率值，以此砂率值确定粗骨料和细骨料的比例；
对于使用间断级配的骨料，骨料的比例通过理想堆积曲线和各种骨料的累计分布曲线进行数值分析计算；
1)所述堆积曲线公式为：
PsdA＝B+(100-B)·(dA/DAmax)π/2e；
其中，PsdA为骨料颗粒通过筛孔的百分比，B为骨料经验常数，dA为骨料筛孔直径，DAmax为骨料颗粒的最大粒径；
经验常数B的取值根据超高性能水泥基复合材料的坍落度或扩展度要求通过公式确定：
当H≤220mm时，B＝5·H/H0，
当H＞220mm时，B＝5·(L-H)/H0，
L为扩展度设计值，H为坍落度设计值，H0为坍落度桶的高度300mm；
2)各种骨料的颗粒累计分布曲线：
对骨料中所需的砂和石子经筛分测试得到各自的累计分布曲线fsm(d)和frn(d)；
fsm(d)为m#级配砂，m＝1～5；
frn(d)为n#级配石子，n＝1～5；当不需要石子时，则不考虑石子的累计分布曲线；
3)数值分析计算如下：
设m#级配砂占骨料总量的体积分数为Xsm、和n#级配石子占骨料总量的体积分数为Xrn，且满足ΣXsm+ΣXrn＝1；
设定混合后骨料的粒径累计分布曲线为：
PA＝ΣXsmfsm(d)+ΣXrnfrn(d)；
对各组分的体积分数Xsm和Xrn以0.001～0.05为步长，在各自的取值范围内穷举计算PA，比较曲线PA和PsdA，计算相同纵坐标所对应的横坐标粒径dA的标准差，取标准差最小的Xsm和Xrn值作为骨料的各组分配比分数。
如上所述的超高性能水泥基复合材料，所述纵坐标依最大值100％等分选取，至少取5个值。
如上所述的超高性能水泥基复合材料，所述细骨料的细度模数为2.4～2.8。
如上所述的超高性能水泥基复合材料，所述碎石为玄武岩或花岗岩。
如上所述的超高性能水泥基复合材料，所述超高性能水泥基复合材料中还添加化学添加剂，所述化学添加剂为减水剂、消泡剂、增稠剂、早强剂、缓凝剂、减缩剂和膨胀剂一种或者几种的组合，减水剂选用减水率25％以上的减水剂，掺量为所述胶凝材料质量的0.5％～5％，消泡剂掺量为胶凝材料质量的0.08％～2％，增稠剂掺量为胶凝材料质量的0.005％～0.5％，早强剂掺量为胶凝材料质量的0.01～5％，缓凝剂掺量为水泥材料质量0.005％～1.5％，减缩剂掺量为胶凝材料质量的0.1％～5％，膨胀剂掺量为胶凝材料质量的1～10％。
减水剂主要包括聚羧酸混凝土超塑化剂，也不排除其他能够促进胶凝材料分散的超塑化剂。所述减水剂可包含溶液形式和固体形式。
消泡剂主要包括聚醚类、高碳醇类、有机硅类、聚醚改性硅等类型的消泡剂。所述消泡剂可包含溶液形式、固体形式或优选树脂形式、油状形式或乳液形式。
增稠剂主要包括纤维素衍生物，如甲基纤维素、羟甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素；天然高分子及其衍生物，如淀粉、明胶、海藻酸钠、干酪素、瓜尔胶、甲壳胺、阿拉伯树胶、黄原胶；无机增稠剂，如钠基膨润土、硅藻土；合成高分子，如聚丙稀铣胺、改性石蜡树脂、聚丙烯酸。可使用以上试剂的混合物。
早强剂主要包括：钠盐、钙盐以及有机物，如三乙醇胺、尿素。
缓凝剂主要包括：多羟基化合物、羟基羧酸盐及其衍生物、高糖木质素磺酸盐。
减缩剂主要包括：低级醇亚烷基环氧化合物、聚醇和聚醚。
膨胀剂主要包括：明矾石类、硫铝酸钙类、氧化钙类、氧化钙-硫铝酸钙复合类。
如上所述的超高性能水泥基复合材料，所述减水剂的减水率为30％以上，掺量为所述胶凝材料质量的0.8％～3％。
如上所述的超高性能水泥基复合材料，所述超高性能水泥基复合材料中还添加纤维，所述纤维为钢纤维或非金属纤维，非金属纤维为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、纤维素纤维、碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维，占所述超高性能水泥基复合材料体积的0.05％～5％；所述纤维的直径为15～1000μm，纤维长度为1～100mm。
有益效果：
(1)通过优化胶凝材料颗粒级配和骨料的颗粒级配达到低水胶比下满足施工流动性的要求；
(2)在标准养护的条件下，混凝土7天龄期达到120MPa以上，28天龄期达到170MPa以上的高强度；
(3)相对于RPC仅可用于制备预制构件，本发明无需热养护和压力成型，可在任何场合进行搅拌施工；
(4)由于最紧密堆积设计，抗渗性能、抗碳化性能、抗氯离子渗透、抗冻融循环等性能优于普通混凝土；
(5)可以制备截面小于普通混凝土构件制品50％(或者更高)的构件制品。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
超高性能水泥基复合材料，包含胶凝材料、水和减水剂，水泥体积占20％，所述水泥为强度等级为52.5的P·I水泥，所述矿物掺合料为硅灰和粉煤灰，体积占52.2％。
水泥、硅灰和粉煤灰的配比分数通过理想堆积曲线和其粒径累计分布曲线进行数值分析计算；
1)所述理想堆积曲线公式为：
Psd＝A+(100-A)·(d/Dmax)π/2e；
其中，Psd为颗粒通过筛孔的百分比，A为经验常数，d为筛孔直径，Dmax为颗粒的最大粒径；
经验常数A的取值根据超高性能水泥基复合材料的设计坍落度或设计扩展度要求通过公式确定：
坍落度GB/T50080：15mm；坍落度桶的高度H0为300mm；
A＝5·H/H0＝0.25；
2)胶凝材料各组分的粒径累计分布曲线：
对水泥、硅灰和粉煤灰经测试的得到各自累计分布曲线fc(d)、fsf(d)和ffa(d)；胶凝材料中水泥的最大粒径大于其他两种胶凝材料，所以Dmax取水泥的最大粒径110μm。
3)数值分析计算如下：
设水泥占胶凝材料总量的体积分数为Xc、硅灰占胶凝材料总量的体积分数为Xsf和粉煤灰占胶凝材料总量的体积分数为Xfa，且满足Xc∈[0.250,0.875]、(Xsf+Xfa)∈[0.125,0.750]、Xc+Xsf+Xfa＝1；
设定混合后胶凝材料的粒径累计分布曲线为：
P＝Xcfc(d)+Xsffsf(d)+Xfaffa(d)，
对各组分的体积分数Xc、Xsf和Xfa以0.001为步长，在各自的取值范围内穷举计算P，比较曲线P和Psd，在纵坐标上取最大值内的5个等分点，计算相同纵坐标所对应的横坐标粒径d的标准差，经计算比较得到标准差最小的Xc＝0.277，Xsf＝0.187，Xfa＝0.536，分别作为水泥、硅灰和粉煤灰的配比分数；
水的用量与胶凝材料的质量比W/B为0.124，其中W表示水的用量，B表示胶凝材料质量。
使用聚羧酸减水剂，粉剂，减水率30％，用量为胶凝材料的2％。
超高性能水泥基复合材料的主要材料用量，体积百分数如下：
超高性能水泥基复合材料的各材料用量，质量比如下：
超高性能水泥基复合材料是指材料拌和后流动性性能如下：
坍落度GB/T50080：15mm；
硬化后性能达到如下指标：
抗压强度，标准养护7d：167MPa；
抗压强度，标准养护28d：198MPa。
实施例2
超高性能水泥基复合材料，包含胶凝材料、水、减水剂、消泡剂和早强剂，水泥体积占57％，所述水泥为强度等级为52.5的P·O水泥，所述矿物掺合料为硅灰和粉煤灰，体积占12.5％。胶凝材料的各组分配比分数按实施例1的计算方式，得Xc＝0.820、Xsf＝0.101和Xfa＝0.079。水胶比W/B＝0.132，外加剂使用聚羧酸减水剂溶液，掺量为胶凝材料质量的1.1％，使用有机硅消泡剂，掺量为胶凝材料质量的0.1％，使用三乙醇胺早强剂，掺量为胶凝材料质量的0.03％。
超高性能水泥基复合材料的主要材料用量，体积百分数如下：
超高性能水泥基复合材料的各材料用量，质量比如下：
超高性能水泥基复合材料是指材料拌和后流动性性能如下：
坍落度GB/T50080：100mm；
硬化后性能达到如下指标：
抗压强度，标准养护7d：157MPa；
抗压强度，标准养护28d：185MPa。
实施例3
超高性能水泥基复合材料，包含胶凝材料、水和减水剂，水泥体积占49％，所述水泥为强度等级为62.5的P·I水泥，所述矿物掺合料为硅灰、粉煤灰和矿粉，体积占18％；胶凝材料的各组分配比分数按实施例1的计算方式，得Xc＝0.731、Xsf＝0.104、Xfa＝0.094和Xbs＝0.070。水胶比W/B＝0.143，外加剂使用聚羧酸减水剂溶液，掺量为胶凝材料质量的2.1％。
超高性能水泥基复合材料的主要材料用量，体积百分数如下：
超高性能水泥基复合材料的各材料用量，质量比如下：
超高性能水泥基复合材料是指材料拌和后流动性性能如下：
扩展度GB/T50080：650mm；
硬化后性能达到如下指标：
抗压强度，标准养护7d：146MPa；
抗压强度，标准养护28d：195MPa。
实施例4
超高性能水泥基复合材料，包含胶凝材料、细骨料、钢纤维、水和减水剂，水泥体积占26.5％，所述水泥为强度等级为52.5的P·II水泥，所述矿物掺合料为硅灰、粉煤灰和矿粉，占15.8％。胶凝材料的各组分配比分数按实施例1的计算方式，得Xc＝0.626、Xsf＝0.161、Xfa＝0.102和Xbs＝0.111。细骨料为细度模数1.4的天然砂，体积为胶凝材料体积的0.811。钢纤维采用直径0.2mm、长度13mm的镀铜钢纤维，体积掺量为1.5％。水胶比W/B＝0.162，外加剂使用聚羧酸减水剂溶液，掺量为胶凝材料质量的2.3％。
超高性能水泥基复合材料的主要材料用量，体积百分数如下：
超高性能水泥基复合材料的各材料用量，质量比如下：
超高性能水泥基复合材料是指材料拌和后流动性性能如下：
扩展度GB/T50080：635mm；
硬化后性能达到如下指标：
抗压强度，标准养护7d：129MPa；
抗压强度，标准养护28d：178MPa。
实施例5
超高性能水泥基复合材料，包含胶凝材料、骨料、纤维、水和减水剂，水泥体积占20％，所述水泥为强度等级为62.5的P·II水泥，所述矿物掺合料为硅灰、粉煤灰和矿粉，占19％。胶凝材料的各组分配比分数按实施例1的计算方式，得Xc＝0.512、Xsf＝0.128、Xfa＝0.205和Xbs＝0.154。粗骨料为5～10mm的玄武岩连续级配碎石，细骨料为细度模数2.1的天然砂，经计算得砂率为37％，骨料与胶凝材料的体积比为0.921。纤维采用直径40μm、长度12mm的高密度PE纤维，体积掺量为0.5％。水胶比W/B＝0.208，外加剂使用聚羧酸减水剂溶液，掺量为胶凝材料质量的1.0％。
超高性能水泥基复合材料的主要材料用量，体积百分数如下：
超高性能水泥基复合材料的各材料用量，质量比如下：
超高性能水泥基复合材料是指材料拌和后流动性性能如下：
坍落度GB/T50080：215mm；
硬化后性能达到如下指标：
抗压强度，标准养护7d：123MPa；
抗压强度，标准养护28d：171MPa。
实施例6
超高性能水泥基复合材料，包含胶凝材料、细骨料、减水剂和水，水泥体积占32％，所述水泥为强度等级为62.5的P·O水泥，所述矿物掺合料为硅灰和矿粉，占体积的13.5％；胶凝材料的各组分配比分数按实施例1的计算方式，得Xc＝0.703、Xsf＝0.147、和Xbs＝0.149；
细骨料采用不同目数的级配石英砂：
1#：20-40目；
2#：40-80目；
3#：80-120目；
骨料的比例通过理想堆积曲线和各种骨料的累计分布曲线进行数值分析计算；
1)所述堆积曲线公式为：
PsdA＝B+(100-B)·(dA/DAmax)π/2e；
其中，PsdA为骨料颗粒通过筛孔的百分比，B为骨料经验常数，dA为骨料筛孔直径，DAmax取1#级配砂的最大粒径1.18mm；
经验常数B的取值根据超高性能水泥基复合材料的坍落度或扩展度要求通过公式确定：
坍落度GB/T50080：195mm；坍落度桶的高度H0为300mm；
B＝5·H/H0＝3.25；
2)各种骨料的颗粒累计分布曲线：
上述3种砂经筛分测试得到各自的累计分布曲线依次为fs1(d)、fs2(d)和fs3(d)。
3)数值分析计算如下：
设1#、2#和3#的级配砂占骨料总量的体积分数为Xs1、Xs2和Xs3，且满足Xs1+Xs2+Xs3＝1；
设定混合后骨料的粒径累计分布曲线为：
PA＝Xs1fs1(d)+Xs2fs2(d)+Xs3fs3(d)；
对各组分的体积分数Xs1、Xs2和Xs3以0.002为步长，在各自的取值范围内穷举计算PA，比较曲线PA和PsdA，计算相同纵坐标所对应的横坐标粒径dA的标准差，经计算比较得到标准差最小的Xs1＝0.458，Xs2＝0.312，Xs3＝0.230，分别作为1#、2#和3#的级配砂的配比分数；
骨料与胶凝材料的比取0.609；水胶比为0.174；外加剂使用聚羧酸减水剂溶液，掺量为胶凝材料质量的1.5％；纤维采用聚乙烯醇纤维，直径为40μm，长度为12mm，体积掺量为0.1％；
超高性能水泥基复合材料的主要材料用量，体积百分数如下：
超高性能水泥基复合材料的各材料用量，质量比如下：
超高性能水泥基复合材料是指材料拌和后流动性性能如下：
坍落度GB/T50080：195mm；
硬化后性能达到如下指标：
抗压强度，标准养护7d：133MPa；
抗压强度，标准养护28d：186MPa。
实施例7
超高性能水泥基复合材料，包含胶凝材料、骨料、减水剂和水，水泥体积占20.5％，所述水泥为强度等级为62.5的P·I水泥，所述矿物掺合料为硅灰和矿粉，占体积的11.2％；胶凝材料的各组分配比分数按实施例1的计算方式，得Xc＝0.647、Xsf＝0.151、和Xbs＝0.202；
骨料采用间断级配的石英砂和玄武岩碎石，如下：
1#级配砂：10～20目
2#级配砂：20～40目
1#碎石：5～10mm
2#碎石：10～15mm
各骨料组分的体积分数按照实施例6的计算方式，得Xs1＝0.227，Xs2＝0.186，Xr1＝0.352和Xr2＝0.235；
骨料与胶凝材料的比取1.435；水胶比为0.210；外加剂使用聚羧酸减水剂溶液，掺量为胶凝材料质量的2.1％；
超高性能水泥基复合材料的主要材料用量，体积百分数如下：
超高性能水泥基复合材料的各材料用量，质量比如下：
超高性能水泥基复合材料是指材料拌和后流动性性能如下：
坍落度GB/T50080：185mm；
硬化后性能达到如下指标：
抗压强度，标准养护7d：125MPa；
抗压强度，标准养护28d：172MPa。
Claims (10)
1.超高性能水泥基复合材料，包含胶凝材料和水，其特征是：所述胶凝材料为水泥和矿物掺合料，所述水泥为强度等级为42.5及以上的P·I、P·II或P·O代号水泥，所述矿物掺合料为硅灰、粉煤灰或矿粉的两种或三种；
其中，水泥用量占超高性能水泥基复合材料体积的20～70％，所述矿物掺合料占超高性能水泥基复合材料体积的10～60％；
所述胶凝材料各组分的配比分数通过理想堆积曲线和胶凝材料各组分的粒径累计分布曲线进行数值分析计算；
1)所述理想堆积曲线公式为：
Psd＝A+(100-A)·(d/Dmax)π/2e；
其中，Psd为颗粒通过筛孔的百分比，A为经验常数，d为筛孔直径，Dmax为颗粒的最大粒径；
经验常数A的取值根据超高性能水泥基复合材料的设计坍落度或设计扩展度要求通过公式确定：
当H≤220mm时，A＝5·H/H0，
当H＞220mm时，A＝5·(L-H)/H0，
L为扩展度设计值，H为坍落度设计值，H0为坍落度桶的高度300mm；
2)胶凝材料各组分的粒径累计分布曲线：
对胶凝材料中所需的组分水泥、硅灰、粉煤灰和矿粉经测试的得到各自累计分布曲线fc(d)、fsf(d)、ffa(d)和fbs(d)；
3)数值分析计算如下：
设水泥占胶凝材料总量的体积分数为Xc、硅灰占胶凝材料总量的体积分数为Xsf、粉煤灰占胶凝材料总量的体积分数为Xfa和矿粉占胶凝材料总量的体积分数为Xbs，且满足Xc∈[0.250,0.875]、(Xsf+Xfa+Xbs)∈[0.125,0.750]、Xc+Xsf+Xfa+Xbs＝1；
设定混合后胶凝材料的粒径累计分布曲线为：
P＝Xcfc(d)+Xsffsf(d)+Xfaffa(d)+Xbsfbs(d)，
对各组分的体积分数Xc、Xsf、Xfa和Xbs以0.001～0.01为步长，在各自的取值范围内穷举计算P，比较曲线P和Psd，计算相同纵坐标所对应的横坐标粒径d的标准差，取标准差最小的Xc、Xsf、Xfa和Xbs值作为胶凝材料的各组分配比分数；
水的用量与胶凝材料的质量比W/B为0.1～0.4，其中W表示水的用量，B表示胶凝材料质量；
按计算所得配比配制的超高性能水泥基复合材料拌和后，流动性性能如下：
坍落度GB/T50080：≥10mm；
或扩展度GB/T50080：≥450mm；
扩展度的值只有在高流动度即坍落度＞220mm时才测试，此时混凝土流动性以扩展度为准；
材料硬化后性能如下：
抗压强度，标准养护7d：≥120MPa；
抗压强度，标准养护28d：≥170MPa。
2.根据权利要求1所述的超高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述纵坐标依最大值100％等分选取，至少取5个值。
3.根据权利要求1所述的超高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述的W/B为0.12至0.28。
4.根据权利要求1所述的超高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述水泥符合国标《通用硅酸盐水泥》GB175；所述硅灰符合《砂浆和混凝土用硅灰》GB/T27690；所述粉煤灰符合《用于水泥和混凝土的粉煤灰》GB/T1596；所述矿粉符合《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》GB/T18046；水符合《混凝土用水标准》JGJ63。
5.根据权利要求1所述的超高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述超高性能水泥基复合材料中还添加骨料，为细骨料或者细骨料和粗骨料的混合物；所述骨料与所述胶凝材料的体积比为0.5～2.5；
细骨料为天然砂或人工砂，细度模数为1.2～3.5，堆积密度为1.1～2.1g/cm3；表观密度为1.8～3.0g/cm3；
粗骨料为碎石或卵石，粒径为5～25mm；堆积密度为1.1～2.1g/cm3；表观密度为1.8～3.0g/cm3；
对于使用连续级配的骨料，配制细骨料和粗骨料的混合物时，计算出细骨料正好填充粗骨料空隙的砂率值，以此砂率值确定粗骨料和细骨料的比例；
对于使用间断级配的骨料，骨料的比例通过理想堆积曲线和各种骨料的累计分布曲线进行数值分析计算；
1)所述堆积曲线公式为：
PsdA＝B+(100-B)·(dA/DAmax)π/2e；
其中，PsdA为骨料颗粒通过筛孔的百分比，B为骨料经验常数，dA为骨料筛孔直径，DAmax为骨料颗粒的最大粒径；
经验常数B的取值根据超高性能水泥基复合材料的坍落度或扩展度要求通过公式确定：
当H≤220mm时，B＝5·H/H0，
当H＞220mm时，B＝5·(L-H)/H0，
L为扩展度设计值，H为坍落度设计值，H0为坍落度桶的高度300mm；
2)各种骨料的颗粒累计分布曲线：
对骨料中所需的砂和石子经筛分测试得到各自的累计分布曲线fsm(d)和frn(d)；
fsm(d)为m#级配砂，m＝1～5；
frn(d)为n#级配石子，n＝1～5；当不需要石子时，则不考虑石子的累计分布曲线；
3)数值分析计算如下：
设m#级配砂占骨料总量的体积分数为Xsm、和n#级配石子占骨料总量的体积分数为Xrn，且满足∑Xsm+∑Xrn＝1；
设定混合后骨料的粒径累计分布曲线为：
PA＝∑Xsmfsm(d)+∑Xrnfrn(d)；
对各组分的体积分数Xsm和Xrn以0.001～0.05为步长，在各自的取值范围内穷举计算PA，比较曲线PA和PsdA，计算相同纵坐标所对应的横坐标粒径dA的标准差，取标准差最小的Xsm和Xrn值作为骨料的各组分配比分数。
6.根据权利要求5所述的超高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述纵坐标依最大值100％等分选取，至少取5个值。
7.根据权利要求5所述的超高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述细骨料的细度模数为2.4～2.8；所述碎石为玄武岩或花岗岩。
8.根据权利要求1所述的超高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述超高性能水泥基复合材料中还添加化学添加剂，所述化学添加剂为减水剂、消泡剂、增稠剂、早强剂、缓凝剂或减缩剂一种或者几种的组合，减水剂选用减水率25％以上的减水剂，掺量为所述胶凝材料质量的0.5％～5％，消泡剂掺量为胶凝材料的0.08％～2％，增稠剂掺量为胶凝材料的0.005％～0.5％，缓凝剂掺量为水泥材料0.005％～1.5％，减缩剂掺量为胶凝材料的0.1％～5％。
9.根据权利要求8所述的超高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述减水剂的减水率为30％以上，掺量为所述胶凝材料质量的0.8％～3％。
10.根据权利要求1所述的超高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述超高性能水泥基复合材料中还添加纤维，所述纤维为钢纤维或非金属纤维，非金属纤维为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、纤维素纤维、碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维，占所述超高性能水泥基复合材料体积的0.05％～5％；所述纤维的直径为15～1000μm，纤维长度为1～100mm。
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