CN107098660A - 钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料，包括水泥、硅灰、玄武岩细石、钢纤维、减水剂、粘度改性剂和水，其中水泥为100重量份，硅灰为10重量份～30重量份，玄武岩细石为100重量份～200重量份，钢纤维为10重量份～20重量份，减水剂为0.5重量份～2重量份，粘度改性剂为0.1重量份～1重量份，水为15重量份～25重量份。较佳地，粘度改性剂包括引气剂、消泡剂和保水剂，重量比例为0.2～1：0.5～2：0.5～1。还提供了相关的制备方法。本发明的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料不仅抗压强度高、抗折强度高、收缩率低，而且具有合适的塌落度，施工性能好，可采用泵送施工工艺，设计巧妙，制备简便，成本低，适于大规模推广应用。

Description

钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土材料技术领域，更具体地，涉及刚性铺装用混凝土材料技术领域，特别是指一种钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料及其制备方法。

背景技术

正交异性钢桥面是大跨径钢桥建设的关键技术之一，它有质量轻、架设方便、建设周期短等优点。

传统的钢桥面铺装技术采用沥青柔性铺装，随着正交异性钢桥面的应用，交通量的不断增多以及其它外部一些因素，柔性铺装的各种问题逐渐暴露出来，如铺装层容易发生钢桥面的应力集中产生疲劳开裂、铺装层的车辙、脱层、泛油等病害。研究者们逐渐把视线从传统的柔性铺装转向到刚性铺装上来。但是，刚性铺装一些固有的缺点一直被工程建设者们所诟病，例如混凝土自身收缩大、混凝土韧性低、造价高等问题。混凝土韧性主要表现在混凝土的抗折强度能够达到一个较高的水平，以抵御混凝土在铺装层受到较大的拉应力问题。混凝土的抗折强度是钢桥面铺装用混凝土最重要的性能指标。

目前关于钢桥面铺装层材料的专利技术比较多。例如，专利号为ZL201510026894.6、发明名称为一种超高韧性混凝土及其制备方法的中国发明专利公开了一种超高韧性混凝土的制备方法，采用水泥、硅灰、矿渣、粉煤灰、石英粉、石英砂、钢纤维、纳米碳酸钙、水和减水剂制备出坍落度≥180mm、抗压强度120-180MPa、抗折强度20-40MPa的混凝土；专利号为ZL201210566338.4、发明名称为用于桥面铺装的高韧性低收缩抗裂混凝土及其制备方法的中国发明专利公开了一种混凝土的制备方法，采用水、胶凝材料、细集料、粗集料、减缩增韧剂、内养护剂、减水剂和混杂纤维组成，该混凝土能达到C40混凝土强度，抗折强度达到7.5MPa的混凝土。第一个发明专利解决了施工性问题，但是混凝土坍落扩展度较大，混凝土在长时间运输、搅拌、浇筑下易发生分层离析等问题，不能完全保证钢纤维在混凝土内部均匀分散，降低了钢纤维在混凝土内部的增韧作用，因而所得的混凝土抗折强度会有所降低；并且使用了石英粉、纳米碳酸钙等复杂材料，增加了混凝土成本。第二个发明专利通过简单的材料组成实现了低收缩普通强度的混凝土，但是混凝土强度较低、应变能力也不高，两个发明专利都不能完全满足钢桥面刚性铺装用混凝土的需求。

因此，急需解决施工性能、收缩性能和力学性能、综合造价等问题的钢桥面刚性铺装用高性能混凝土材料。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺点，本发明的一个目的在于提供一种钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料，其不仅抗压强度高、抗折强度高、收缩率低，而且具有合适的塌落度，施工性能好，可采用泵送施工工艺，适于大规模推广应用。

本发明的另一目的在于提供一种钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料，其设计巧妙，制备简便，成本低，适于大规模推广应用。

本发明的另一目的在于提供一种钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料的制备方法，采用该方法制得的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料不仅抗压强度高、抗折强度高、收缩率低，而且具有合适的塌落度，施工性能好，可采用泵送施工工艺，适于大规模推广应用。

本发明的另一目的在于提供一种钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料的制备方法，其设计巧妙，操作简便，成本低，适于大规模推广应用。

为达到以上目的，在本发明的第一方面，提供了一种钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料，其特点是，包括水泥、硅灰、玄武岩细石、钢纤维、减水剂、粘度改性剂和水，其中所述水泥为100重量份，所述硅灰为10重量份～30重量份，所述玄武岩细石为100重量份～200重量份，所述钢纤维为10重量份～20重量份，所述减水剂为0.5重量份～2重量份，所述粘度改性剂为0.1重量份～1重量份，所述水为15重量份～25重量份。

所述水泥可以是任何合适的水泥，较佳地，所述水泥是硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，所述水泥中铝酸三钙(C₃A)的含量不大于8％重量。因为C₃A是水泥组分中收缩率高、水化热大的组分，如C₃A大于8％重量，易引起混凝土体积不良，收缩过大引发开裂。更佳地，所述水泥是强度等级为52.5级以上的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

本发明中使用的硅灰可以与水泥的水化产物氢氧化钙发生火山活化反应，与水泥颗粒形成良好的级配，用于填补水泥水化后产生的胶凝孔。所述硅灰可以是任何合适的硅灰，例如，所述硅灰是高活性微硅灰，较佳地，所述硅灰的平均粒径在0.1μm～1μm之间，所述硅灰中SiO₂的含量≥95％重量，所述硅灰的活性指数＞110％。

所述玄武岩细石可以是任何合适的玄武岩细石，较佳地，所述玄武岩细石包括第一玄武岩细石和第二玄武岩细石，所述第一玄武岩细石和所述第二玄武岩细石的重量比例在1:1～1:1.5之间，所述第一玄武岩细石的粒径为0mm～3mm，所述第一玄武岩细石的细度模数在2.2～2.5之间，所述第一玄武岩细石的0.075mm通过率≤4％重量，所述第二玄武岩细石的粒径3mm～5mm，所述第二玄武岩细石的压碎值＜8％，所述第二玄武岩细石中针片状玄武岩细石的含量＜5％重量。

也就是说，所述玄武岩细石的粒级包括0mm～3mm、3mm～5mm两种级配，可以通过人工破碎形成，即本发明中玄武岩细石由0mm～3mm和3mm～5mm两个粒级复配而成。其中3mm～5mm细石作为混凝土中的骨架支撑材料，要求其针片状含量＜5％重量，压碎值＜8％；0mm～3mm细石应保证粒级连续，颗粒级配符合JGJ52中对于砂II区的要求，在使用时需要对0mm～3mm细石进行水洗除粉工艺，水洗后0mm～3mm细石的0.075mm以下颗粒占0mm～3mm细石总重的4％以下。经实验证实当0.075mm以下颗粒超过4％重量时，混凝土表现出较高的需水性，较难控制混凝土的工作性，不能有效保证钢纤维在混凝土中的均匀分散，因此对0mm～3mm的玄武岩细石提出0.075mm通过率低于4％重量的要求。玄武岩细石的使用，特别是3mm～5mm细石能够增大混凝土抵抗收缩性能，由于玄武岩的坚固性以及高的抗压强度，在拌合好后，3mm～5mm细石能够均匀地分布在混凝土中，起到框架支撑作用，其限制收缩率要大大优越于石英砂。而超过5mm的玄武岩细石虽然框架作用更为显著，但是由于粒形和石材本身缺陷导致混凝土强度降低也更为明显，故此选取的玄武岩细石最大粒径为5mm。

所述钢纤维可以是任何合适的钢纤维，较佳地，所述钢纤维为镀铜微细钢纤维，所述镀铜微细钢纤维的直径在0.18mm～0.22mm之间，所述镀铜微细钢纤维的长度在12mm～16mm之间，所述镀铜微细钢纤维的抗拉强度≥2000MPa。镀铜是防止钢纤维锈蚀引起的体积变形，微细钢纤维是为了更好地均匀分布于混凝土中，实现混凝土的微观增韧。

所述减水剂为高性能减水剂，具有与其它外加剂良好的复配效果。所述减水剂的减水率可以根据需要确定，为了减少水的使用量，较佳地，所述减水剂的减水率在30％以上。

所述减水剂可以是任何合适的减水剂，较佳地，所述减水剂为聚羧酸减水剂。例如粉体聚羧酸减水剂。

由于本发明的混凝土胶凝材料用量较高，水胶比较低，又有较大的钢纤维掺量，因而拌合物会表现出不同程度发硬发紧的状态，需要使用粘度改性剂来改善拌合物的工作状态。所述粘度改性剂可以具有任何合适的组成，较佳地，所述粘度改性剂包括引气剂、消泡剂和保水剂，所述引气剂、所述消泡剂和所述保水剂的重量比例为0.2～1：0.5～2：0.5～1。引气剂可以使混凝土引入稳定的小气泡，增加混凝土的松软程度，降低混凝土发紧、流动性打不开的状态；消泡剂的使用，使混凝土恢复一定的流动性能，提高出浆率；保水剂能够降低用水量对混凝土工作度的敏感度，即增大拌合物稠度，锁住水分，增大混凝土抗离析能力及抗泌水能力。从而，粘度改性剂可以降低混凝土发紧的状态，提高混凝土流动性，稳定地获得拌合物的工作状态，使混凝土能够达到抗离析性和流淌性的统一，从而最大程度地发挥钢纤维增韧改性的作用，获得最高的混凝土抗折强度。

所述引气剂可以是任何合适的引气剂，所述消泡剂可以是任何合适的消泡剂，所述保水剂可以是任何合适的保水剂，更佳地，所述引气剂是松香树脂类引气剂，所述消泡剂是聚醚类消泡剂，所述保水剂是纤维素醚类保水剂。

所述钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料具有适于钢桥面刚性铺装用的性能参数，较佳地，所述钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料的塌落度在100mm～120mm之间，可采用泵送施工工艺，所述钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料的抗压强度≥120MPa，所述钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料的抗折强度≥25MPa，所述钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料的收缩率≤250μ。

在本发明的第二方面，提供了上述的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料的制备方法，其特点是，包括以下步骤：

(1)将所述水泥、所述硅灰、所述玄武岩细石、所述钢纤维、所述减水剂和所述粘度改性剂搅拌均匀；

(2)加入所述水，搅拌均匀。

在上述步骤(1)中，所述搅拌的速度和时间可以根据需要确定，较佳地，所述搅拌的速度在30r/min之间，所述搅拌的时间在3min之间。

在上述步骤(1)中，也可以将所述水泥、所述硅灰、所述玄武岩细石、所述减水剂和所述粘度改性剂搅拌均匀，再加入所述钢纤维搅拌均匀。

在上述步骤(2)中，所述搅拌的速度和时间可以根据需要确定，较佳地，所述搅拌的速度在30r/min～45r/min之间，所述搅拌的时间在4min～6min之间。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料包括水泥、硅灰、玄武岩细石、钢纤维、减水剂、粘度改性剂和水，其中水泥为100重量份，硅灰为10重量份～30重量份，玄武岩细石为100重量份～200重量份，钢纤维为10重量份～20重量份，减水剂为0.5重量份～2重量份，粘度改性剂为0.1重量份～1重量份，水为15重量份～25重量份，塌落度在100mm～120mm之间，抗压强度≥120MPa，抗折强度≥25MPa，收缩率≤250μ，因此，其不仅抗压强度高、抗折强度高、收缩率低，而且具有合适的塌落度，施工性能好，可采用泵送施工工艺，适于大规模推广应用。

(2)本发明的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料通过将水泥、硅灰、玄武岩细石、钢纤维、减水剂和粘度改性剂搅拌均匀，再加入水搅拌均匀制成，因此，其设计巧妙，制备简便，成本低，适于大规模推广应用。

(3)本发明的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料的制备方法包括以下步骤：将水泥、硅灰、玄武岩细石、钢纤维、减水剂和粘度改性剂搅拌均匀，再加入水搅拌均匀，制成的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料的塌落度在100mm～120mm之间，抗压强度≥120MPa，抗折强度≥25MPa，收缩率≤250μ，因此，采用该方法制得的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料不仅抗压强度高、抗折强度高、收缩率低，而且具有合适的塌落度，施工性能好，可采用泵送施工工艺，适于大规模推广应用。

(4)本发明的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料的制备方法包括以下步骤：将水泥、硅灰、玄武岩细石、钢纤维、减水剂和粘度改性剂搅拌均匀，再加入水搅拌均匀，因此，其设计巧妙，操作简便，成本低，适于大规模推广应用。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明和权利要求得以充分体现，并可通过所附权利要求中特地指出的手段、装置和它们的组合得以实现。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。所有的份数均为重量份数，除非另有指明。

实施例1钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料1的制备和检测

取100重量份水泥(强度等级为52.5级的硅酸盐水泥，C₃A的含量为8％重量，购自安徽海螺水泥股份有限公司)，15重量份硅灰(赛普森硅灰，平均粒径为0.1μm，SiO₂的含量为98％重量，活性指数为115％，购自山东博肯硅材料有限公司)，130重量份玄武岩细石(购自江苏亚邦矿业有限公司)(其中0mm～3mm的第一玄武岩细石(细度模数2.3，0.075mm通过率为4％重量)60重量份，3mm～5mm的第二玄武岩细石(压碎值为3％，针片状玄武岩细石的含量为1％重量)70重量份)，20重量份钢纤维(镀铜钢纤维，直径为0.22mm，长度为14mm，抗拉强度为2200MPa，购自河北方德丝网制品厂)，1重量份减水剂(8525型减水剂，为一种聚羧酸减水剂，减水率40％，购自上海麦斯特建工高科技建筑化工有限公司)，0.2重量份粘度改性剂(引气剂(505型引气剂，购自上海麦斯特建工高科技建筑化工有限公司)、消泡剂(DF型消泡剂，购自东莞市德丰消泡剂有限公司)和保水剂(甲基纤维素醚保水剂，购自上海惠广精细化工有限公司)的重量比例为1：1：0.5)，15重量份水。先按配方将水泥、硅灰、玄武岩细石、钢纤维、减水剂和粘度改性剂(或称粘度调节剂)进行搅拌均匀，搅拌时间3min，搅拌速率30r/min，再按比例加入水进行搅拌，搅拌4min，搅拌速率40r/min，即可得到刚性铺装用高强韧性混凝土材料。

按照普通混凝土力学性能试验标准GB/T50081-2002进行检测，塌落度100mm，抗压强度152MPa，抗折强度28MPa，按照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准GB/T50082-2009进行检测，混凝土28d收缩率为215μ，早期开裂试验中混凝土裂缝数量为0。

实施例2钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料2的制备和检测

取100重量份水泥(强度等级为52.5级的普通硅酸盐水泥，C₃A的含量为6％重量，购自安徽海螺水泥股份有限公司)，10重量份硅灰(赛普森硅灰，平均粒径为0.5μm，SiO₂的含量为97％重量，活性指数为120％，购自山东博肯硅材料有限公司)，200重量份玄武岩细石(购自江苏亚邦矿业有限公司)(其中0mm～3mm的第一玄武岩细石(细度模数2.2，0.075mm通过率为3％重量)100重量份，3mm～5mm的第二玄武岩细石(压碎值为5％，针片状玄武岩细石的含量为4.9％重量)100重量份)，15重量份钢纤维(镀铜钢纤维，直径为0.20mm，长度为16mm，抗拉强度为2100MPa，购自河北方德丝网制品厂)，2重量份减水剂(8525型减水剂，为一种聚羧酸减水剂，减水率30％，购自上海麦斯特建工高科技建筑化工有限公司)，0.1重量份粘度改性剂(引气剂(505型引气剂，购自上海麦斯特建工高科技建筑化工有限公司)、消泡剂(DF型消泡剂，购自东莞市德丰消泡剂有限公司)和保水剂(甲基纤维素醚保水剂，购自上海惠广精细化工有限公司)的重量比例为0.2：0.5：0.7)，22重量份水。先按配方将水泥、硅灰、玄武岩细石、钢纤维、减水剂和粘度改性剂(或称粘度调节剂)进行搅拌均匀，搅拌时间3min，搅拌速率30r/min，再按比例加入水进行搅拌，搅拌6min，搅拌速率30r/min，即可得到刚性铺装用高强韧性混凝土材料。

按照普通混凝土力学性能试验标准GB/T50081-2002进行检测，塌落度120mm，抗压强度140MPa，抗折强度25MPa，按照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准GB/T50082-2009进行检测，混凝土28d收缩率为250μ，早期开裂试验中混凝土裂缝数量为0。

实施例3钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料3的制备和检测

取100重量份水泥(强度等级为62.5级的硅酸盐水泥，C₃A的含量为4％重量，购自安徽海螺水泥股份有限公司)，30重量份硅灰(赛普森硅灰，平均粒径为1μm，SiO₂的含量为95％重量，活性指数为111％，购自山东博肯硅材料有限公司)，100重量份玄武岩细石(购自江苏亚邦矿业有限公司)(其中0mm～3mm的第一玄武岩细石(细度模数2.5，0.075mm通过率为2％重量)40重量份，3mm～5mm的第二玄武岩细石(压碎值为7.9％，针片状玄武岩细石的含量为3％重量)60重量份)，10重量份钢纤维(镀铜钢纤维，直径为0.18mm，长度为12mm，抗拉强度为2000MPa，购自河北方德丝网制品厂)，0.5重量份减水剂(8525型减水剂，为一种聚羧酸减水剂，减水率35％，购自上海麦斯特建工高科技建筑化工有限公司)，1重量份粘度改性剂(引气剂(505型引气剂，购自上海麦斯特建工高科技建筑化工有限公司)、消泡剂(DF型消泡剂，购自东莞市德丰消泡剂有限公司)和保水剂(甲基纤维素醚保水剂，购自上海惠广精细化工有限公司)的重量比例为0.5：2：1)，18重量份水。先按配方将水泥、硅灰、玄武岩细石、钢纤维、减水剂和粘度改性剂(或称粘度调节剂)进行搅拌均匀，搅拌时间3min，搅拌速率30r/min，再按比例加入水进行搅拌，搅拌5min，搅拌速率45r/min，即可得到刚性铺装用高强韧性混凝土材料。

按照普通混凝土力学性能试验标准GB/T50081-2002进行检测，塌落度110mm，抗压强度120MPa，抗折强度30MPa，按照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准GB/T50082-2009进行检测，混凝土28d收缩率为230μ，早期开裂试验中混凝土裂缝数量为0。

因此，本发明使用的材料种类少，降低了不同组分之间的相互影响关系，降低了不可控因素，更容易控制成型质量及良好的力学性能；同时对于混凝土拌合物最重要的施工和易性这一指标进行了着重的增强，采用粘度改性剂来调整和改善了混凝土的粘稠程度，获得的混凝土更利于钢桥面铺装。

从而，本发明通过对混凝土进行优化改性，解决了钢桥面铺装用混凝土存在的系列问题。通过本发明，实现了混凝土粘稠度与工作度的统一，既能实现混凝土的浇筑，达到混凝土密实性，又能保证混凝土一定的粘稠度，使得不会发生离析，充分保障钢纤维的均匀分散，降低成型后混凝土收缩率。

综上所述，本发明的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料不仅抗压强度高、抗折强度高、收缩率低，而且具有合适的塌落度，施工性能好，可采用泵送施工工艺，设计巧妙，制备简便，成本低，适于大规模推广应用。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (10)

1.一种钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料，其特征在于，包括水泥、硅灰、玄武岩细石、钢纤维、减水剂、粘度改性剂和水，其中所述水泥为100重量份，所述硅灰为10重量份～30重量份，所述玄武岩细石为100重量份～200重量份，所述钢纤维为10重量份～20重量份，所述减水剂为0.5重量份～2重量份，所述粘度改性剂为0.1重量份～1重量份，所述水为15重量份～25重量份。

2.根据权利要求1所述的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料，其特征在于，所述水泥是硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，所述水泥中铝酸三钙的含量不大于8％重量。

3.根据权利要求1所述的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料，其特征在于，所述硅灰的平均粒径在0.1μm～1μm之间，所述硅灰中SiO₂的含量≥95％重量，所述硅灰的活性指数＞110％。

4.根据权利要求1所述的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料，其特征在于，所述玄武岩细石包括第一玄武岩细石和第二玄武岩细石，所述第一玄武岩细石和所述第二玄武岩细石的重量比例在1:1～1:1.5之间，所述第一玄武岩细石的粒径为0mm～3mm，所述第一玄武岩细石的细度模数在2.2～2.5之间，所述第一玄武岩细石的0.075mm通过率≤4％重量，所述第二玄武岩细石的粒径为3mm～5mm，所述第二玄武岩细石的压碎值＜8％，所述第二玄武岩细石中针片状玄武岩细石的含量＜5％重量。

5.根据权利要求1所述的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料，其特征在于，所述钢纤维为镀铜微细钢纤维，所述镀铜微细钢纤维的直径在0.18mm～0.22mm之间，所述镀铜微细钢纤维的长度在12mm～16mm之间，所述镀铜微细钢纤维的抗拉强度≥2000MPa。

6.根据权利要求1所述的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料，其特征在于，所述减水剂的减水率在30％以上。

7.根据权利要求1所述的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料，其特征在于，所述粘度改性剂包括引气剂、消泡剂和保水剂，所述引气剂、所述消泡剂和所述保水剂的重量比例为0.2～1：0.5～2：0.5～1。

8.根据权利要求7所述的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料，其特征在于，所述引气剂是松香树脂类引气剂，所述消泡剂是聚醚类消泡剂，所述保水剂是纤维素醚类保水剂。

9.根据权利要求1所述的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料，其特征在于，所述钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料的塌落度在100mm～120mm之间，所述钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料的抗压强度≥120MPa，所述钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料的抗折强度≥25MPa，所述钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料的收缩率≤250μ。

10.一种根据权利要求1～权利要求9中任一项所述的钢桥面刚性铺装用高强韧性混凝土材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将所述水泥、所述硅灰、所述玄武岩细石、所述钢纤维、所述减水剂和所述粘度改性剂搅拌均匀；

(2)加入所述水，搅拌均匀。