CN106995299B - 一种经济环保型再生钢纤超高性能混凝土及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种经济环保型再生钢纤超高性能混凝土及制备方法，属于混凝土技术领域。其原材料组成：水泥、超细活性粉、掺合料、砂、水、高效减水剂、生态钢纤维、原生钢纤维。胶凝材料总重量∶砂∶水∶减水剂质量比1∶0.7～1.5∶0.14～0.2∶0.01～0.05；水泥、超细活性粉末、矿物掺合料占基准混凝土总质量的16％～24％、8％～12％、16％～24％。生态钢纤维为通过任何形式的废旧钢丝再加工制造而成；制备过程，先将所需原材料中的胶凝材料、砂倒入搅拌机搅拌均匀，再将减水剂和水缓慢倒入搅拌机，待拌合物由颗粒状变为胶体状态时，人工加入钢纤维，分散均匀后浇筑。本发明能够降低超高性能混凝土制备成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种经济环保型再生钢纤维超高性能混凝土及制备方法，属于混凝土技术领域，主要应用于对强度、韧性、抗裂等要求较高的混凝土工程结构，例如：桥梁、铁路、公路、高层建筑、大跨度空间结构、修复加固、隧道、管道、吊车梁等预制构件、军事工程等。
背景技术
在20世纪90年代的法国布衣格(Bougygues)实验室，Richard P等人使用普通水泥、硅粉、石英砂、高效减水剂、钢纤维成功研制了一种新型复合材料-活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)，欧洲通常称之为超高性能混凝土(Ultra HighPerformance Concrete，简称UHPC)，通过使用硅粉提高组成成分的细度和活性提高密实度、使用高效减水剂较低水灰比、掺入钢纤维增韧阻裂，从而降低了材料内部的缺陷，使其具有十分优异的力学性能、良好的耐久性、体积稳定性。与普通混凝土相比，UHPC可减小构件截面尺寸，降低结构自重，增大结构跨度，提高承载能力、耗能能力和耐久性。未掺钢纤维的素UHPC虽然具有很高的强度和致密的微观结构，但变形性能差，脆性特征显著，因此，纤维是制备超高性能混凝土的不可或缺的增强材料。
目前制备UHPC使用的微细钢纤维价格较高是影响其广泛应用和推广的重要制约因素，许多学者对钢纤维的替代品开展了研究，在合成纤维、钢-合成混杂纤维等方式制备UHPC取得了大量成果，但钢纤维凭借其优异的物理力学性质对UHPC的增强增韧效果是一般品种类型纤维难以达到的，本文从环保经济和可持续发展角度出发，通过对废弃钢材加工处理，变为生态钢纤维(Ecological Steel Fiber，ESF)，生态钢纤维价格远低于原生钢纤维，使用生态钢纤维替代原生钢纤维制备UHPC不但可降低工程造价，还能实现废旧资源变废为宝，具有重要的理论意义和实践价值。
发明内容
本发明的一种经济环保型再生钢纤维超高性能混凝土，通过使用环保型再生钢纤维(即生态钢纤维)全部或部分替代原生钢纤维来制备的超高性能混凝土不但具有较好的韧性、断裂等性能，还相对降低了原生钢纤维制备超高性能混凝土的成本。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术路线：
一种经济环保型生态钢纤维超高性能混凝土，其特征在于，其原材料组分包括：水泥、超细活性粉末、掺合料、砂、水、高效减水剂、生态钢纤维、原生钢纤维。基准混凝土为未掺纤维的素超高性能混凝土，其胶凝材料(水泥、超细活性粉末、掺合料)总重量∶砂∶水∶减水剂的质量配合比为1∶0.7～1.5∶0.14～0.2∶0.01～0.05；胶凝材料中的普通水泥、超细活性粉末、矿物掺合料分别占基准混凝土(水泥、超细活性粉末、掺合料、砂、水、高效减水剂)总质量的16％～24％、8％～12％、16％～24％。生态钢纤维长度3～20mm、直径0.1～0.3mm、抗拉强度不低于2000MPa；原生钢纤维长度8～16mm、直径0.1～0.3mm、抗拉强度不低于2000MPa；纤维掺量按照占混凝土总体积的百分比计算，生态钢纤维和原生钢纤维分别占混凝土总体积的1％～6％、0～3％；
所述的普通水泥比表面积低于500m2/kg，优选PO·42.5普通硅酸盐水泥，比表面积350m2/kg。
所述超细活性粉末比表面积不低于500m2/kg，优选比表面积为650m2/kg的52.5级膨胀性超细水泥。
所述的高效减水剂掺量为有效固体质量，如配合比按照的是液体减水剂质量比，则配合比中水的质量应扣除减水剂中的含水量，配合比中的水归为原材料的水中。
所述的掺合料即主要成分是以硅、铝、钙等一种或多种元素组成且能够改善混凝土性能的粉体氧化物材料，主要包括粒化高炉矿渣、粉煤灰等。
所述石英砂为天然石英砂，粒径范围为0.2～0.6mm。
所述的水应符合《混凝土用水标准》JGJ63-06的规定。
所述的原生钢纤维包括形态为两端弯钩型、直线型、表面镀铜等各种生产工艺制造的原生钢纤维。
所述的生态钢纤维包括任何形式的废旧钢材再加工制造而成的钢纤维，优选使用通过对废旧汽车轮胎中钢丝加工制造得到的钢纤维，生态钢纤维表面粘结着部分橡胶颗粒。
一种经济环保型生态钢纤维超高性能混凝土制备方法，制作步骤如下：
搅拌：为保证钢纤维分散良好，采用如下的制备过程：先将所需原材料中的砂、胶凝材料倒入搅拌机，搅拌60～90秒，待固体拌合物均匀后，将减水剂和水的混合液体缓慢倒入搅拌机，倒入过程控制在30～60秒，待拌合物由颗粒状变为胶体状态时，人工加入钢纤维并继续搅拌120～180秒，待纤维分散均匀后浇筑试件，并在较短时间内完成振捣成型。
养护：在试件顶面覆盖一层薄膜防止水分蒸发流失，在标准养护条件下静置48小时后拆模(温度20±2℃，相对湿度≥95％)，然后在温度为90℃，相对湿度95％的环境下加速养护72小时，然后再自然养护23天。
本发明的有益效果如下：
一种环保经济型生态钢纤维能够显著提高UHPC的强度、改善UHPC的变形能力、增大UHPC的韧性及抗断裂等性能。适宜掺率的单掺生态钢纤或者生态钢纤维和原生钢纤维按照适宜的掺率及比例混合使用能够达到某掺率的原生钢纤维对UHPC的增强增韧作用。使用生态钢纤维制备超高性能混凝土不但能够降低成本还可以实现废旧资源的有效利用。并有助于推广超高性能混凝土的工程应用。
附图说明
图1为拌合物状态图；
图2流动度测试图；
图3评价方法示例图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步的说明，但本发明并不限于以下实例。
实例2、3、4、6为实施例，实例1、5、7为对比例。
各实施例与对比例采用的典型材料配合比列于表1。
表1 实例材料配合比
对上述表中所用材料说明如下：
所用普通水泥为比表面积350m2/kg的PO.42.5普通硅酸盐水泥。
所用超细水泥为比表面积为650m2/kg的52.5级膨胀性超细水泥。
所用高炉矿渣级别为S95，密度2.86g/cm3，比表面积408m2/kg。
所用砂为粒径范围为0.2～0.4mm的天然石英砂。
所用的水符合《混凝土用水标准》JGJ63-06的规定。
所用减水剂为江苏奥莱特高效聚羧酸类减水剂，固含量40％，表中减水剂质量为有效固体质量，减水剂中的水归到水中。
所用生态钢纤维由玉田县致泰钢纤维制造有限公司提供，通过对废旧轮胎中的钢丝加工处理得到。纤维长度3～15mm，直径0.2mm，抗拉强度不低于2500MPa，其中直径在3～8mm范围内的钢纤维的量占总量约70％。
所用原生钢纤维由玉田县致泰钢纤维制造有限公司提供的工业镀铜微细原生钢纤维，纤维长度13mm，直径0.2mm，抗拉强度不低于2850MPa。
试件制作过程如下：
先将称量好的砂、胶凝材料倒入搅拌机，搅拌90秒，待固体拌合物均匀后，将减水剂和水的混合液体缓慢倒入搅拌机，倒入过程控制在40秒，待拌合物由颗粒状变为胶体状态时，按照表1中的纤维掺量人工加入钢纤维并继续搅拌120秒，待纤维分散均匀后浇筑试件(拌合物状态见图1)，然后在振动台上振捣30秒成型。在试件顶面覆盖一层薄膜防止水分蒸发流失，在标准养护条件下静置48小时后拆模(温度20±2℃，相对湿度≥95％)，然后在温度为90℃，相对湿度95％的环境中加速养护72小时，之后自然养护23天进行相关实验。
对实例1～7拌合物按照GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》测定其流动度，试验底板改为玻璃底板代替(流动度测试见图2)。结果列于表2。
用实例1～7各制备6个100mm×100mm×100mm试件，采用电子万能试验机测试立方体抗压强度及劈裂抗拉强度，加载制度与数据处理方法参照GB/T31387-2015《活性粉末混凝土》。
各实例立方体抗压强度、劈裂抗拉强度及流动度试验结果列于表2。
表2 强度和流动度试验结果
| 实例 | 抗压强度/MPa | 劈裂抗拉强度/MPa | 流动度/mm |
| 1 | 166.7 | 8.6 | 236 |
| 2 | 173.67 | 8.98 | 232 |
| 3 | 186.28 | 10.09 | 226 |
| 4 | 199.57 | 11.82 | 205 |
| 5 | 181.44 | 10.23 | 222 |
| 7 | 193.38 | 11.68 | 204 |
由表2可以看出，实施例2～4及对比例5、7流动度与对比例1对比分析可知，掺入钢纤维降低了拌合物的流动性，实施例3拌合物流动度与对比例1相比仅降低13.1％，可见，较高掺率的生态钢纤维超高性能混凝土仍具有较好的工作性能。
由表2可以看出，实施例2～4较对比例1的立方体抗压强度分别提高了4.2％、11.7％、19.7％，劈裂抗拉强度分别提高了4.4％、17.3％、37.4％，加入生态钢纤维可提高超高性能混凝土立方体抗压、劈裂抗拉强度，且掺率越高，增强效果越好。实施例2～4与对比例5、7对比可知，相同掺率的生态钢纤维对超高性能混凝土的强度增强作用不及原生钢纤维，但实施例3、4的抗压强度和劈裂抗拉强度分别接近或高于对比例5、7。因此，通过提高生态纤维用量可达到相对较低掺量的原生钢纤维对超高性能混凝土的增强作用。
用实例1～7各制备3个100mm×100mm×400mm试件，采用电液伺服万能试验机进行弯曲韧性试验。加载方式和韧性评价方法参照美国ASTM C1609标准，评价方法示例见图3。结合本次各实例试件测试得到的四点弯曲荷载-挠度曲线，分别把峰值挠度、1.0mm、2.0mm和4.0mm挠度值作为特征点，确定峰值荷载Pf、特征挠度处残余荷载P1.0、P2.0、P4.0，通过计算获得峰值强度ff、残余强度f1.0、f2.0、f4.0及(0～4.0)mm挠度区间内荷载-挠度曲线下的面积T4.0。
各实例ASTM C1609韧性评价指标计算结果列于表3。
表3 ASTM C1609韧性指标计算结果
| 实例 | f<sub>f</sub>/MPa | f<sub>1.0</sub>/MPa | f<sub>2.0</sub>/MPa | f<sub>4.0</sub>/MPa | T<sub>4.0</sub>/J |
| 1 | 6.85 | / | / | / | / |
| 2 | 7.32 | 1.34 | 0.98 | 0.21 | 14.33 |
| 3 | 9.01 | 3.21 | 1.42 | 0.99 | 30.22 |
| 4 | 11.92 | 8.05 | 3.01 | 1.06 | 59.06 |
| 5 | 9.39 | 7.28 | 4.78 | 1.68 | 65.36 |
| 6 | 13.87 | 11.23 | 8.44 | 3.58 | 116.43 |
| 7 | 12.01 | 9.68 | 7.11 | 2.65 | 93.31 |
由表3可以看出，实施例2～4与对比例1对比可知，实施例2～4试件峰值强度较对比例1分别提高6.8％、23.1％、32.3％，实施例2、3试件的残余强度f1.0较各自峰值强度有明显下降，这与本次实施例所用生态钢纤维中较短尺寸量占总量比约70％有关。总体而言，随着生态钢纤维掺率的增加，试件抗弯峰值强度、残余强度、耗能大小逐渐增大。实施例2～4与对比例5、7对比分析可知，实施例4试件的峰值强度ff和残余强度f1.0高于对比例5，残余强度f2.0、f4.0略低于对比例5，T4.0耗能值二者也较为接近，这表明适宜掺率的生态钢纤维可达到原生钢纤维对超高性能混凝土的增韧作用。实施例6与对比例7对比分析可知，实施例6的韧性指标结果均高于对比例7，可见，实施例6试件的抗弯韧性要优于对比例7试件。在实施例2～4与对比例5、7对比分析中得到：掺率3.0％的生态钢纤维可以达到掺率0.8％的原生钢纤对超高性能活性混凝土的增韧作用，在实施例6与对比例7对比分析得到：掺率3.0％生态钢纤维同掺率0.5％的原生钢纤维共同作用下对超高性能混凝土的增韧效果高于单掺1.3％的原生钢纤维，可见适宜掺率的生态钢纤维和原生钢纤维混合使用表现出良好的混杂效应。在综合考虑实际使用的生态钢纤维、原钢纤维的物理力学性能特征和超高性能混凝土强度、韧性等性能需要达到的目标基础上，可以实现用生态钢纤维替代全部或部分原生钢纤维使用制备超高性能混凝土。
用实例1～7各制备3个150mm×150mm×550mm试件，跨中截面预制切口深度60mm，采用电液伺服万能试验机测试进行抗断裂性能试验，加载制度与数据处理方法参照国际结构与材料研究所联合会RILEM标准。
国际结构与材料研究所联合会RILEM标准断裂能计算公式如下：
上述式中：W0为断裂功；m为试件在2个支座间的质量；g为重力加速度，取9.8m/s2；Alig为韧带面积；h为试件高度；b为试件宽度；a0为切口深度；δ0为试件断裂破坏时的跨中挠度。
各实例断裂能计算结果列于表4。
表4 各实例断裂能计算结果
| 实例 | G<sub>f</sub>/(J/m<sup>2</sup>) |
| 1 | 108.35 |
| 2 | 963.45 |
| 3 | 2566.48 |
| 4 | 5147.58 |
| 5 | 5006.38 |
| 6 | 8503.46 |
| 7 | 7132.42 |
由表4可以看出，实施例2～4与对比例1对比可知，实施例2～4试件断裂能分别是对比例1的8.89、23.69、47.51倍，可见生态钢纤维能够显著提高超高韧性混凝土断裂能。实施例4与对比例5对比发现，掺率3.0％的生态钢纤维和掺率0.8％的原生钢纤对超高性能活性混凝土断裂能的作用效果相当。实施例6与对比例7对比分析可知，实施例6试件断裂能高于对比例7，即掺率3.0％生态钢纤维同掺率0.5％的原生钢纤维共同作用下对超高性能混凝土断裂能的增强作用效果大于单掺1.3％的原生钢纤维，可见适宜掺率的生态钢纤维和原生钢纤维混合使用表现出良好的混杂效应。
实施例用生态钢纤维为通过对废旧轮胎钢丝加工制造得到，在生态钢纤维表面粘结着部分橡胶颗粒，橡胶可作为钢纤维与超高性能混凝土之间的过度界面，并且橡胶在被拉或压缩伸时具有回弹性，此生态钢纤维能还可显著提高超高性能混凝土承受动载冲击、反复疲劳荷载等的作用能力。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种经济环保型生态钢纤维超高性能混凝土，其特征在于：其原材料组分包括：水泥、超细活性粉、掺合料、砂、水、高效减水剂、生态钢纤维、原生钢纤维；其中胶凝材料总重量∶砂∶水∶减水剂质量配合比为1∶0.7～1.5∶0.14～0.2∶0.01～0.05；胶凝材料包括水泥、超细活性粉末、掺合料；普通水泥、超细活性粉末、矿物掺合料分别占基准混凝土总质量的16%～24%、8%～12%、16%～24%，基准混凝土包括水泥、超细活性粉末、掺合料、砂、水、高效减水剂；生态钢纤维长度3～15mm、直径0.1～0.2mm，其中长度在3～8mm范围内的钢纤维的量占总量的70%；原生钢纤维长度8～16mm、直径0.1～0.2mm；纤维掺量按照占混凝土总体积的百分比计算，生态钢纤维和原生钢纤维分别占混凝土总体积的1%～6%、0～3%且不为0；生态钢纤维为使用对废旧汽车轮胎中钢丝加工制造得到的高强度异型钢纤维，其抗拉强度不低于2000MPa；所述超细活性粉末为比表面积为650m2/kg的52.5级膨胀性超细水泥；所述的掺合料即主要成分是以硅、铝、钙一种或多种元素组成且能够改善混凝土性能的粉体氧化物材料。
2.按照权利要求1的一种经济环保型生态钢纤维超高性能混凝土，其特征在于，所述的水泥为比表面积为350m2/kg的PO·42.5普通硅酸盐水泥。
3.按照权利要求1的一种经济环保型生态钢纤维超高性能混凝土，其特征在于，所述的高效减水剂掺量为有效固体质量，如按照的是液体减水剂掺量质量比，则配合比中水的质量应扣除减水剂中的含水量，配合比中的水归为原材料的水中。
4.按照权利要求1的一种经济环保型生态钢纤维超高性能混凝土，其特征在于，所述砂为天然石英砂，粒径范围为0.16～0.6mm。
5.按照权利要求1的一种经济环保型生态钢纤维超高性能混凝土，其特征在于，所述的原生钢纤维包括形态为两端弯钩型、直线型、表面镀铜各种生产工艺制造的高强度原生钢纤维，其抗拉强度不低于2000MPa。
6.制备权利要求1～5任一项所述的一种经济环保型生态钢纤维超高性能混凝土的方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
搅拌：为保证钢纤维分散良好，采用如下的制备过程：先将所需原材料中的砂、胶凝材料倒入搅拌机，搅拌60～90秒，发现固体拌合物均匀后，将减水剂和水的混合液体缓慢倒入搅拌机，倒入过程控制在30～60秒，待拌合物由颗粒状变为胶体状态时，人工加入钢纤维并继续搅拌120～180秒，待纤维分散均匀后浇筑试件，并在较短时间内完成振捣成型；
养护：在试件顶面覆盖一层薄膜防止水分蒸发流失，在标准养护条件下静置48小时后拆模，养护条件：温度20±2℃，相对湿度≥95%，然后在温度为90℃，相对湿度95%的环境中加速养护72小时，再自然养护23天。
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