CN105948649B - 施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土及其制备方法 - Google Patents

施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土及其制备方法，该混凝土是由以下重量份的组分制成：水泥1份，改性硅灰0.25～0.35份，磨细矿渣0.15～0.35份，石英砂1.0～1.5，聚羧酸减水剂0.030～0.040份，钢纤维0.15～0.25份，聚丙烯纤维0.00175～0.003份，水0.20～0.25份。本发明生产工艺简单，可操作性强；适合粗放式现场施工和养护，有利于活性粉末混凝土的推广应用；矿渣的使用以及非高温蒸汽养护条件，对保护环境、节约能源具有重要意义。

Description

施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土及其制 备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及的是一种施工现场养护条件下(环境温度大于20℃，撒水养护)200MPa级防爆裂活性粉末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)是一种新型水泥基复合材料。RPC200的理论强度应达到120～230MPa，按照目前现有配合比配制时，需采用70～90℃高温蒸汽养护才能保证其强度大于120MPa。施工现场因没有高温蒸汽养护条件，采用现有配合比制备的RPC200的强度仅为100MPa，且在较大温差或高温下易于爆裂，严重制约了RPC200在工程中的广泛应用。
现有研究成果和文献中，给出了RPC200制备时的配合比，对RPC200配置技术和性能研究起到积极作用。按现有研究成果和文献的配合比制备RPC200时，需采用高温蒸汽养护或者80～95℃的温水中养护，不适合施工现场浇筑和养护。按现有配合比制备的RPC200在施工现场养护条件下(环境温度大于20℃，撒水养护)，RPC200的强度仅为100MPa，没有达到RPC200的理论强度，且内部凝胶体水化不完全，极易高温爆裂，爆裂将导致构件截面尺寸减小，内部温度骤升和材料性能衰退，严重时导致结构毁损和倒塌。对于RPC200，一方面，制备时为使强度大于120MPa，需高温和蒸汽养护，仅适用于预制件厂预制构件，且消耗大量能源；另一方面，按照现有配合比在施工现场浇筑和养护条件下的RPC200强度为100MPa，目前高强混凝土在施工现场浇筑和养护条件下的强度同样可以达到100MPa，与高强混凝土相比，按现有配合比在施工现场浇筑和养护的RPC200无明显优势，且造价较高。虽然申请号为200910310966.4的中国专利《免蒸养活性粉末混凝土》公开了RPC在制备过程中无需高温蒸汽养护，其抗压强度最高能达到130MPa，但是其在无高温蒸汽养护下只注重了抗压强度，而没有考虑到在较大温差和火灾时RPC的防爆裂性能。
基于上述现有技术，亟需研制适用于粗放简易条件的施工现场养护条件的防爆裂RPC200及其配置方法。
发明内容
本发明针对目前在施工现场浇筑和养护条件下RPC200的强度仅为100MPa，小于理论值120MPa，且极易爆裂等问题，创造性地通过提高活性微粉末及早强剂的性能和掺量、优化配合比、复掺钢纤维和聚丙烯纤维的方法，提高RPC200在施工现场浇筑和养护条件下的强度和抗爆裂性能，提出本发明。
本发明采用的技术方案如下：
本发明的施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土的特点是由普通硅酸盐水泥、改性硅灰、磨细矿渣、石英砂、早强型聚羧酸高效减水剂、钢纤维、聚丙烯纤维和水等按照一定配合比搅拌而成，具体是由以下重量份的组分制成：
水泥1份，改性硅灰0.25～0.35份，磨细矿渣0.15～0.35份，石英砂1.0～1.5份，聚羧酸减水剂0.030～0.040份，钢纤维0.15～0.25份，聚丙烯纤维0.00175～0.003份，水0.20～0.25份。
本发明的防爆裂RPC200在施工现场养护条件下(环境温度大于20℃，撒水养护)的抗压强度大于135MPa，抗折强度大于22MPa，弹性模量大于50GPa。
优选的，施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土是由以下重量份的组分制成：水泥1份，改性硅灰0.30份，磨细矿渣0.20份，石英砂1.5份，聚羧酸减水剂0.0375份，钢纤维0.20份，聚丙烯纤维0.0025份，水0.20份。
优选的，水泥为P.O52.5级普通硅酸盐水泥。经过大量实验验证，采用此级配的水泥，使得最终得到的活性粉末混凝土的整体性能优异。
优选的，改性硅灰的粒径为0.1～0.3μm(进一步优选为0.2μm)，比表面积应大于15000m2/kg，7天活性指数应大于110％。经过大量实验验证，采用此级配的改性硅灰，使得最终得到的活性粉末混凝土的整体性能优异。
优选的，磨细矿渣的比表面积应大于600m2/kg，28天活性指数应大于115％。经过大量实验验证，采用此级配的磨细矿渣，使得最终得到的活性粉末混凝土的整体性能优异。
改性硅灰和磨细矿渣的主要成分为活性SiO2，在制备RPC时，二者填充水泥颗粒间的孔隙，增加RPC的密实度。活性SiO2与水泥水化产物Ca(OH)2发生火山灰反应，生成水化硅酸钙凝胶，将孔隙填充的更加密实，并消耗对强度有不利影响的Ca(OH)2，提高RPC的各项性能。
优选的，石英砂中SiO2含量大于90％，粒径0.18～0.36mm与粒径0.36～0.60mm(此处不包含0.36mm端点)的质量比为1:0.8～2，进一步优选质量比为1:1。经过大量实验验证，采用此级配的石英砂，相比于其他级配的石英砂，使得最终得到的活性粉末混凝土的整体性能优异。
优选的，聚羧酸减水剂为早强型聚羧酸高效减水剂，减水率为30％以上。
优选的，钢纤维采用超细超强平直钢纤维，等效直径为0.20～0.25mm(进一步优选为0.22mm)，平均长度为10～15mm(进一步优选13mm))，长径比为58～60(进一步优选为59.1)。
优选的，聚丙烯纤维采用单丝状纤维，平均直径为45～55μm(进一步优选为48μm)，长度为18～20mm，密度为0.9～1.0g/cm3(进一步优选为0.91g/cm3)。
本发明还提供一种施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土的制备方法，包括以下步骤：按配合比准确称取各组分，将石英砂、水泥、改性硅灰、磨细矿渣、聚羧酸减水剂放入混凝土搅拌机，干拌时间不少于4min后，加入水湿拌6min以上，然后均匀撒入钢纤维和聚丙烯纤维，继续搅拌不小于5min后，将拌合物浇筑入模，振动成型后，环境温度大于20℃，撒水养护28d即可制得抗压强度大于135MPa的防爆裂RPC200。
本发明的机理：本发明为了适应野外施工现场的粗放简易的养护条件，对现有RPC200的配合比进行实质性的优化，通过提高强效矿渣激发剂和早强剂的性能和掺量来增强RPC200在常温下的反应活性和水化程度，优化选择特定的胶凝材料和细骨料较大密实度，掺入钢纤维和聚丙烯纤维，提高基体抗拉强度和内部连通性，防止较大温差以及火灾高温下RPC的爆裂，进而实现适合施工现场浇筑和养护的200MPa级防爆裂RPC的制备。
进一步优化胶凝材料和细骨料的级配以实现最大密实度。
在现有的RPC配制方法中，若是按照现有的原料以及其配合比配制，因为配料常温下的活性较弱，均需要高温蒸汽养护或者80～95℃的热水养护，以促进水泥凝胶体的完全水化，才能对抗压强度和抗折强度起到激发增强作用。
但是高温蒸汽养护或者80～95℃的热水养护，在野外施工现场的粗放简易条件下，如高层建筑、道路和沿海工程结构，无法实施上述养护条件。在没有高温蒸汽养护或者80～95℃的热水养护时，按现有RPC200配制技术配制的强度仅为100MPa，并且不具备防爆裂性能，不能达到理论强度120MPa。
采用本发明的各原料以及配合比制备得到的活性粉末混凝土，大幅度提高了常温下凝胶体的反应活性，促进了胶凝材料在常温下的完全水化，显著提升了对抗压强度和抗折强度的激发增强作用。通过实质性的优化配合比，RPC的强度和密实度大幅度提高，确保了在野外施工现场粗放简易的浇筑和养护条件下(温度大于20℃，撒水养护)RPC200的抗压强度大于120MPa。
本发明在野外施工现场粗放简易的浇筑和养护条件下(温度大于20℃，撒水养护)，配制出强度大于120MPa的RPC200，并且具备较好的防爆裂性能；而不是现有配制技术在实验室或者预制件厂严格苛刻的养护条件下(高温蒸汽养护或者80～95℃的热水养护)配制RPC200。
本发明的有益效果是：(1)在施工现场浇筑和养护条件下(环境温度大于20℃，撒水养护)RPC200抗压强度可达到135MPa以上，RPC水化充分，节约能源，工艺简单，适于施工现场浇筑和养护，有利于推广RPC在土木工程中的应用。
(2)抗爆裂性能好，有效防止较大温差和火灾高温下RPC的爆裂。
(3)原材料取材方便，使矿渣等废料得以合理利用，保护环境。
(4)本发明的制备方法按照顺序采用一次干拌、两次湿拌方法，没有发生拌合物离析、钢纤维、聚丙烯纤维抱团等现象，使得拌合物均匀和最终的材料性能提高。
(5)利用本发明，在施工现场浇筑和养护条件下(环境温度大于20℃，撒水养护)制备的RPC可达到如下技术指标：
1)力学性能：抗压强度大于135MPa，抗折强度大于22MPa，弹性模量大于50GPa。
2)抗爆裂性能：升/降温速率大于25℃/min，含水率大于20％。
附图说明
图1是本发明活性粉末混凝土制备的流程图。
具体实施方式
下面结合RPC200配制实例及工艺流程附图(图1)举例对本发明做更详细的描述。
实施例1
一种施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土，各组分按下列质量份称重：
水泥：1份，改性硅灰：0.25份，磨细矿渣：0.20份，石英砂：1.15份，早强型聚羧酸高效减水剂：0.035份，钢纤维：0.15份，聚丙烯纤维：0.00175份，水：0.18份。
其中，水泥为P.O52.5级普通硅酸盐水泥；改性硅灰的比表面积应大于15000m2/kg，7天活性指数应大于110％；磨细矿渣的比表面积应大于600m2/kg，28d活性指数应大于115％；改性硅灰和磨细矿渣的主要成分为活性SiO2；石英砂中SiO2含量大于90％，粒径0.18～0.36mm与粒径0.36～0.60mm(不包括0.36mm)的质量比为1:1；早强型聚羧酸减水剂的减水率为30％以上；钢纤维采用超细超强平直钢纤维，等效直径为0.22mm，平均长度为13mm；聚丙烯纤维采用单丝状纤维，平均直径为48μm，长度为18～20mm，密度为0.91g/cm3，熔点为165℃，燃点为593℃。
按配合比准确称取各组分，依次将石英砂、普通硅酸盐水泥、改性硅灰、磨细矿渣、早强型聚羧酸高效减水剂放入混凝土搅拌机，干拌时间不少于4min后，加入水湿拌6min以上，然后均匀撒入钢纤维和聚丙烯纤维，继续搅拌不小于5min后，将拌合物浇筑入模并振动成型，在环境温度大于20℃、撒水养护28d后，测得RPC抗压强度为140.67MPa，抗折强度大于22MPa，弹性模量大于50GPa，爆裂时最小升温速率26℃/min，含水率为23％。
实施例2
一种施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土，各组分按下列质量份称重：
普通硅酸盐水泥(P.O 52.5)：1份，改性硅灰：0.30份，磨细矿渣：0.20份，石英砂：1.50份，早强型聚羧酸高效减水剂：0.0375份，钢纤维：0.20份，聚丙烯纤维：0.0025份，水：0.20份。
其中，改性硅灰的比表面积应大于15000m2/kg，7天活性指数应大于110％；磨细矿渣的比表面积应大于600m2/kg，28天活性指数应大于115％；改性硅灰和磨细矿渣的主要成分为活性SiO2；石英砂中SiO2含量大于90％，粒径0.18～0.36mm与粒径0.36～0.60mm(不包括0.36mm)的质量比为1:1.5；早强型聚羧酸减水剂的减水率为30％以上；钢纤维采用超细超强平直钢纤维，等效直径为0.25mm，平均长度为15mm；聚丙烯纤维采用单丝状纤维，平均直径为52μm，长度为18～20mm，密度为1g/cm3。
按配合比准确称取各组分，依次将石英砂、普通硅酸盐水泥、改性硅灰、磨细矿渣、早强型聚羧酸高效减水剂放入混凝土搅拌机，干拌时间不少于4min后，加入水湿拌6min以上，然后均匀撒入钢纤维和聚丙烯纤维，继续搅拌不小于5min后，将拌合物浇筑入模并振动成型，在环境温度大于20℃、撒水养护后，测得RPC抗压强度为148.54MPa，抗折强度大于22MPa，弹性模量大于50GPa，爆裂时最小升温速率30℃/min，含水率为32％。
实施例3
一种施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土，各组分按下列质量份称重：
普通硅酸盐水泥(P.O 52.5)：1份，改性硅灰：0.35份，磨细矿渣：0.35份，石英砂：1.50份，早强型聚羧酸高效减水剂：0.040份，钢纤维：0.25份，聚丙烯纤维：0.003份，水：0.25份。
其中，改性硅灰的比表面积应大于15000m2/kg，7天活性指数应大于110％；磨细矿渣的比表面积应大于600m2/kg，28天活性指数应大于115％；改性硅灰和磨细矿渣的主要成分为活性SiO2；石英砂中SiO2含量大于90％，粒径0.18～0.36mm与粒径0.36～0.60mm(不包括0.36mm)的质量比为1:1.3；早强型聚羧酸减水剂的减水率为30％以上；钢纤维采用超细超强平直钢纤维，等效直径为0.20mm，平均长度为14mm；聚丙烯纤维采用单丝状纤维，平均直径为55μm，长度为18～20mm，密度为1g/cm3。
按配合比准确称取各组分，依次将石英砂、普通硅酸盐水泥、改性硅灰、磨细矿渣、早强型聚羧酸高效减水剂放入混凝土搅拌机，干拌时间不少于4min后，加入水湿拌6min以上，然后均匀撒入钢纤维和聚丙烯纤维，继续搅拌不小于5min后，将拌合物浇筑入模并振动成型，在环境温度大于20℃、撒水养护后，测得RPC抗压强度为145.29MPa，抗折强度大于22MPa，弹性模量大于50GPa，爆裂时最小升温速率35℃/min，含水率为22％。
对比例1
RPC材料性能受投料顺序影响较大，钢钎维、聚丙烯纤维的抱团以及拌合物的离析均对RPC材料性能产生不利影响。为对比现有文献和研究成果中投料顺序对RPC材料性能的影响，取文献《大掺量矿物细粉掺和料活性粉末混凝土高温性能》的投料顺序，将实施例2中的原料，水泥+硅灰+其他掺和料搅拌均匀后，加水搅拌均匀，加砂搅拌均匀，加减水剂搅拌到一定的流动度，加钢纤维，振动成型后，测得试件强度为105.71MPa。
结论：本发明在投料顺序方面做了大量的试验，按文献《大掺量矿物细粉掺和料活性粉末混凝土高温性能》和其他现有研究成果的投料顺序，制备的RPC强度均在100～115MPa左右，且在搅拌振捣过程中观察发现，按现有文献的投料顺序，搅拌大体积活性粉末混凝土时，有拌合物的离析和钢纤维、聚丙烯纤维抱团等现象，使拌合物不均匀，材料性能下降。经反复试验对比，确定本发明的如下投料顺序和投料方式配制出的RPC抗压强度均大于135MPa。
对比例2：与实施例2相比，区别仅在于：磨细矿渣的质量份为0.13份，早强型聚羧酸高效减水剂：0.025份，其他与实施例2相同。
经采用实施例2中的制备方法得到的RPC抗压强度为108.51MPa，抗折强度为19.24MPa，弹性模量为51.72GPa，爆裂时最小升温速率21℃/min，含水率为30％。
结论：该对比例降低了磨细矿渣和早强型聚羧酸高效减水剂的配比量，使得RPC200在常温下的反应活性和水化程度降低，使得制备得到的RPC的各项性能较差。
对比例3：与实施例2相比，区别仅在于：钢纤维的质量份：0.12份，聚丙烯纤维的质量份：0.0015份，其他与实施例2相同。
经采用实施例2中的制备方法得到的RPC抗压强度为113.75MPa，抗折强度为15.39MPa，弹性模量为51.65GPa，爆裂时最小升温速率12℃/min，含水率为30％。
结论：该对比例降低了钢纤维和聚丙烯纤维的配比量，降低了基体抗拉强度和内部连通性，使得制备得到的RPC的各项性能较差。
对比例4：与实施例2相比，区别仅在于：钢纤维的质量份：0.4份，聚丙烯纤维的质量份：0.0035份，其他与实施例2相同。
经采用实施例2中的制备方法得到的RPC抗压强度为105.22MPa，抗折强度为16.34MPa，弹性模量为50.27GPa，爆裂时最小升温速率14℃/min，含水率为35％。
结论：该对比例提高了钢纤维和聚丙烯纤维的配比量，虽然提高了基体抗拉强度和内部连通性，但是钢纤维和聚丙烯纤维的配比量过高，活性粉末混凝土的搅拌质量和流动度难以保证，使得制备得到的RPC的整体性能较差。

Claims (2)

1.一种施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土，其特征是，所述混凝土是由以下重量份的组分制成：水泥1份，改性硅灰0.30-0.35份，磨细矿渣0.15-0.35份，石英砂1.0-1.5份，聚羧酸减水剂0.030-0.040份，钢纤维0.15-0.25份，聚丙烯纤维0.00175-0.003份，水0.20-0.25份；
所述水泥为P. 052.5级普通硅酸盐水泥；
所述改性硅灰的比表面积大于15000 m2/kg，7天活性指数大于110%；
所述磨细矿渣的比表面积大于600 m2/kg，28天活性指数大于115%；
所述石英砂中SiO2含量大于90%，粒径0.18-0.36mm与粒径0.36-0.60mm的质量比为1:0.8-2，其中0.36-0.60mm范围中不包含0.36mm端点；
所述聚羧酸减水剂减水率为30%以上；
所述钢纤维采用超细超强平直钢纤维，等效直径为0.20-0.25mm，平均长度为10-15mm；
所述聚丙烯纤维采用单丝状纤维，平均直径为45-55μm，长度为18-20mm，密度为0.9-1.0 g/cm3；
所述混凝土通过以下步骤制备：按配合比准确称取各组分，将石英砂、水泥、改性硅灰、磨细矿渣、聚羧酸减水剂放入混凝土搅拌机，干拌时间不少于4min后，加入水湿拌6min以上，然后均匀撒入钢纤维和聚丙烯纤维，继续搅拌不小于5min后，将拌合物浇筑入模并振动成型；
所述养护方法为：振动成型后，在施工现场养护条件下养护即可；
所述施工现场养护条件指：在野外施工现场粗放简易的浇筑和养护条件下，温度大于20℃，撒水养护。
2.如权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征是，是由以下重量份的组分制成：水泥1份，改性硅灰0.30份，磨细矿渣0.20份，石英砂1.5份，聚羧酸减水剂0.0375份，钢纤维0.20份，聚丙烯纤维0.0025份，水0.20份。
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