CN107500646A - 一种超轻质超高延性混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超轻质超高延性混凝土及其制备方法，混凝土包括以下重量份的组分：水泥300‑350份，粉煤灰100‑150份，K20玻璃微珠100‑150份，减水剂5‑10份，增稠剂0.5‑1.5份，水400‑450份，聚乙烯醇纤维10‑30份；制备时，将K20玻璃微珠、水泥、粉煤灰、减水剂和水依次加入搅拌机中，在开始搅拌前，先浸润3min；搅拌2‑3min，待浆体具有良好的流动性时，依次加入增稠剂，聚乙烯醇纤维；搅拌1‑2min，充分混合均匀；经注模及脱模后进行养护即得。与现有技术相比，本发明导热系数小，具有很好的应用前景。

Description

一种超轻质超高延性混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种超轻质超高延性混凝土及其制备方法。
背景技术
厚型防火材料因其经济、轻质、容易安装等优点被广泛应用于钢结构防火领域，但是常用的中密度厚型防火材料(352-640kg/m3)抗拉强度低于0.1MPa，拉伸应变小于0.01％，在高应力、冲击或地震荷载下会遭受不同程度的破损，甚至脱落，对建筑物在受动力灾害后的抗火性能造成很大影响。
ECC(Engineered Cementitious Composites)是一种基于微观力学原理设计的由乱向分布的短切纤维增强的水泥基复合材料，超轻质超高延性混凝土是一种FR-ECC(Fire-Resistive Engineered Cementitious Composite)，是在ECC基础上开发的新型品种，既具有绝热性，又具有ECC材料超高极限拉应变、应变强化和多缝开裂的共性，这使FR-ECC在材料性能上优于普通防火涂料。作为防火材料，FR-ECC可以克服普通厚型防火材料在环境的侵蚀、正常使用荷载、地震荷载以及爆破荷载作用下出现的大裂缝和剥落的不足。
公开号CN106380147A的专利公开了一种耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，由以下原料制备而成：0.6-6％的增强纤维、7.5-72％的水泥、0-79％的矿物掺合料、0-40％的细骨料和0.3-1.5％的外加剂；所述的增强纤维至少包含玄武岩纤维。该专利配制的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，抗压强度达到30MPa，极限拉伸强度3MPa，拉伸应变达到0.6％。该专利配方强度较高，但其密度与普通混凝土相近，超过2000kg/m3，且单向拉伸应变只有0.6％，但作为防火材料，易出现大裂缝或是脱落。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种超轻质超高延性混凝土及其制备方法，旨在解决现有普通厚型防火材料强度、延性不足和脱落的技术问题。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种超轻质超高延性混凝土，包括以下组分及重量份含量：水泥300-350份，粉煤灰100-150份，K20玻璃微珠100-150份，减水剂5-10份，增稠剂0.5-1.5份，水400-450份，聚乙烯醇纤维10-30份，优选的组分及重量份为：水泥330份，粉煤灰108份，K20玻璃微珠140份，减水剂7份，增稠剂1份，水417份，聚乙烯醇纤维26份。
所述的水泥为复合硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥，所述的水泥的28天抗压强度≥52.5MPa，28天抗折强度≥7.0MPa，比表面积≥300m2/kg。
所述的粉煤灰为一级粉煤灰，比表面积≥700m2/kg，密度为2.6g/cm3。
所述的K20玻璃微珠为硼硅酸盐类球体，粒径为15-120μm，密度为0.2g/cm3，抗压强度≥7.0MPa，软化温度≥600℃，K20玻璃微珠密度为0.2g/cm3，在整个体系中作为填充物料，使得基体较为疏松多孔，大幅度地降低了材料的密度和断裂韧度(Km)。
所述的聚乙烯醇纤维的直径为30-40μm，长度为12mm，断裂延伸率为7％，抗拉强度≥1250MPa，抗拉弹性模量≥22GPa，密度为1.3g/cm3，聚乙烯醇纤维在本发明中起到增韧混凝土基体的作用，使该混凝土能够产生连续细而密的裂缝。纤维特性，如直径、长径比、断裂强度以及断裂延伸率等，由理论计算以及试验调配得到，同时受到纤维生产厂家的技术工艺控制，纤维长径比过大，容易造成纤维拉断，长径比不足，容易造成纤维拔出，两者均不能使混凝土产生联系的细密裂缝。聚乙烯醇纤维的合理使用增大了纤维桥接能(Jb')，而K20玻璃微珠的合理使用减小了基体断裂能(Jtip)，从而使得延性指标Jb'/Jtip较大，使得材料得到了超高延性。
所述的减水剂为非缓凝型聚羧酸减水剂，其固体含量为40-50％，减水率≥40％。
所述的增稠剂为甲基纤维素，级别为分析纯AR。
所述的超轻质超高延性混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方备料，将K20玻璃微珠、水泥、粉煤灰、减水剂和水依次加入搅拌机中，在搅拌前，先浸润2-5min，再搅拌2-3min；
(2)待浆体具有良好的流动性时，依次加入增稠剂和聚乙烯醇纤维，搅拌1-2min，充分混合均匀；
(3)待搅拌结束后，经注模及脱模后进行养护，即制得超轻质超高延性混凝土。
步骤(3)养护条件为：温度为20-25℃，湿度为90％±5％，养护25-30天。
本发明混凝土配方中，采用粉煤灰作为活性矿物掺料，K20玻璃微珠为骨料，并结合使用减水剂，增稠剂和增强纤维，通过适宜的组分配伍，将密度与抗拉强度以及抗拉延性很好的结合。本发明混凝土干密度仅有550kg/m3-600kg/m3，抗拉强度达到1-1.8MPa，轴向拉伸应变达到1.9-2.9％，抗压强度达到3-6MPa，轴向压缩应变达到1.8-2.3％，导热系数小，相比普通的厚型防火保护材料，具有较好的拉伸强化性能和裂缝细密的性能。当钢结构受到严重冲击、地震作用或受火发生较大变形时，可与钢结构协同工作，而不会出现大裂缝或是脱落，即使产生裂缝，其平均宽度不超过50μm，仍能避免火焰直接作用于基材，从而能在后续的火灾中继续发挥保护作用。
本发明具体优点为：
1)本发明混凝土干密度小，密度在550kg/m3～600kg/m3；
2)本发明混凝土具有应变强化和多缝开裂特性，抗拉强度达到1.7MPa，轴向拉伸应变能达到2.8％，均为现有常用防火涂料的10倍以上；
3)抗压强度达到5MPa，轴向压缩应变能达到2.2％，均为规范中防火涂料性能要求的10倍以上；
4)采用国产PVA纤维，降低造价，成本低；
5)原料中采用粉煤灰，充分利用工业废渣为原材料，绿色环保。
附图说明
图1为实施例1混凝土的单向拉伸应力应变图；
图2为实施例2混凝土的单向拉伸应力应变图；
图3为实施例3混凝土的单向拉伸应力应变图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例中所使用的原材料若非特指，均为公知的，市售化工原料。
实施例1
本实施例超轻质超高延性混凝土包括以下组分及重量份含量：水泥330份，粉煤灰108份，K20玻璃微珠140份，减水剂7份，增稠剂1份，水417份，聚乙烯醇纤维13份。
具体制备过程如下：
(1)按以下重量份组分备料：
水泥330份，粉煤灰108份，K20玻璃微珠140份，减水剂7份，增稠剂1份，水417份，聚乙烯醇纤维13份；
(2)将K20玻璃微珠、水泥、粉煤灰、减水剂和水依次加入搅拌机中，在开始搅拌前，先浸润3min；
(3)搅拌2-3min，待浆体具有良好的流动性时，依次加入增稠剂，聚乙烯醇纤维；
(4)搅拌1-2min，充分混合均匀；
(5)待搅拌结束后，经注模及脱模后进行养护，即制得所述的超轻质超高延性混凝土。
测定所得超轻质超高延性混凝土密度为576kg/m3，抗拉强度达到1.05MPa，80％峰值拉应力对应的拉伸应变达到1.96％，抗压强度达到3.04MPa，轴向压缩应变达到1.97％，图1为其直接拉伸试件应力-应变图。
实施例2
本实施例超轻质超高延性混凝土包括以下组分及重量份含量：水泥330份，粉煤灰108份，K20玻璃微珠140份，减水剂7份，增稠剂1份，水417份，聚乙烯醇纤维19.5份。
本实例超轻质超高延性混凝土的制备过程如下：
(1)按以下重量份的组分备料：
水泥330份，粉煤灰108份，K20玻璃微珠140份，减水剂7份，增稠剂1份，水417份，聚乙烯醇纤维19.5份；
(2)将K20玻璃微珠、水泥、粉煤灰、减水剂和水依次加入搅拌机中，在开始搅拌前，先浸润3min；
(3)搅拌2-3min，待浆体具有良好的流动性时，依次加入增稠剂，聚乙烯醇纤维；
(4)搅拌1-2min，充分混合均匀；
(5)待搅拌结束后，经注模及脱模后进行养护，即制得所述的超轻质超高延性混凝土。
测定所得超轻质超高延性混凝土密度为557kg/m3，抗拉强度达到1.29MPa，80％峰值拉应力对应的拉伸应变达到2.82％，抗压强度达到4.36MPa，轴向压缩应变达到1.85％，图2为其直接拉伸试件应力-应变图。
实施例3
本实施例超轻质超高延性混凝土包括以下组分及重量份含量：水泥330份，粉煤灰108份，K20玻璃微珠140份，减水剂7份，增稠剂1份，水417份，聚乙烯醇纤维26份。
本实例超轻质超高延性混凝土的制备过程如下：
(1)按以下重量份的组分备料：
水泥330份，粉煤灰108份，K20玻璃微珠140份，减水剂7份，增稠剂1份，水417份，聚乙烯醇纤维26份；
(2)将K20玻璃微珠、水泥、粉煤灰、减水剂和水依次加入搅拌机中，在开始搅拌前，先浸润3min；
(3)搅拌2-3min，待浆体具有良好的流动性时，依次加入增稠剂，聚乙烯醇纤维；
(4)搅拌1-2min，充分混合均匀；
(5)待搅拌结束后，经注模及脱模后进行养护，即制得所述的超轻质超高延性混凝土。
测定所得超轻质超高延性混凝土密度为566kg/m3，抗拉强度达到1.73MPa，80％峰值拉应力对应的拉伸应变达到2.88％，抗压强度达到5.06MPa，轴向压缩应变达到2.22％，400℃之下导热系数为0.67-0.78W/(m·k)，图3为其直接拉伸试件应力-应变图。
实施例4
本实施例超轻质超高延性混凝土包括以下组分及重量份含量：水泥300份，粉煤灰100份，K20玻璃微珠100份，减水剂5份，增稠剂0.5份，水400份，聚乙烯醇纤维10份。
本实例超轻质超高延性混凝土的制备过程如下：
(1)按以下重量份的组分备料：
水泥300份，粉煤灰100份，K20玻璃微珠100份，减水剂5份，增稠剂0.5份，水400份，聚乙烯醇纤维10份；
(2)将K20玻璃微珠、水泥、粉煤灰、减水剂和水依次加入搅拌机中，在开始搅拌前，先浸润3min；
(3)搅拌2-3min，待浆体具有良好的流动性时，依次加入增稠剂，聚乙烯醇纤维；
(4)搅拌1-2min，充分混合均匀；
(5)待搅拌结束后，经注模及脱模后进行养护，即制得所述的超轻质超高延性混凝土。
测定所得超轻质超高延性混凝土密度为586kg/m3，抗拉强度达到1.14MPa，80％峰值拉应力对应的拉伸应变达到2.06％，抗压强度达到3.51MPa，轴向压缩应变达到2.01％。
实施例5
本实施例超轻质超高延性混凝土包括以下组分及重量份含量：水泥350份，粉煤灰150份，K20玻璃微珠150份，减水剂10份，增稠剂1.5份，水450份，聚乙烯醇纤维30份。
本实例超轻质超高延性混凝土的制备过程如下：
(1)按以下重量份的组分备料：
水泥350份，粉煤灰150份，K20玻璃微珠150份，减水剂10份，增稠剂1.5份，水450份，聚乙烯醇纤维30份；
(2)将K20玻璃微珠、水泥、粉煤灰、减水剂和水依次加入搅拌机中，在开始搅拌前，先浸润3min；
(3)搅拌2-3min，待浆体具有良好的流动性时，依次加入增稠剂，聚乙烯醇纤维；
(4)搅拌1-2min，充分混合均匀；
(5)待搅拌结束后，经注模及脱模后进行养护，即制得所述的超轻质超高延性混凝土。
测定所得超轻质超高延性混凝土密度为552kg/m3，抗拉强度达到1.69MPa，80％峰值拉应力对应的拉伸应变达到2.77％，抗压强度达到5.59MPa，轴向压缩应变达到2.17％。

Claims (9)

1.一种超轻质超高延性混凝土，其特征在于，包括以下组分及重量份含量：水泥300-350份，粉煤灰100-150份，K20玻璃微珠100-150份，减水剂5-10份，增稠剂0.5-1.5份，水400-450份，聚乙烯醇纤维10-30份。
2.根据权利要求1所述的一种超轻质超高延性混凝土，其特征在于，所述的水泥为复合硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥，所述的水泥的28天抗压强度≥52.5MPa，28天抗折强度≥7.0MPa，比表面积≥300m2/kg。
3.根据权利要求1所述的一种超轻质超高延性混凝土，其特征在于，所述的粉煤灰为一级粉煤灰，比表面积≥700m2/kg，密度为2.6g/cm3。
4.根据权利要求1所述的一种超轻质超高延性混凝土，其特征在于，所述的K20玻璃微珠为硼硅酸盐类球体，粒径为15-120μm，密度为0.2g/cm3，抗压强度≥7.0MPa，软化温度≥600℃。
5.根据权利要求1所述的一种超轻质超高延性混凝土，其特征在于，所述的聚乙烯醇纤维的直径为30-40μm，长度为12mm，断裂延伸率为7％，抗拉强度≥1250MPa，抗拉弹性模量≥22GPa，密度为1.3g/cm3。
6.根据权利要求1所述的一种超轻质超高延性混凝土，其特征在于，所述的减水剂为非缓凝型聚羧酸减水剂，其固体含量为40-50％，减水率≥40％。
7.根据权利要求1所述的一种超轻质超高延性混凝土，其特征在于，所述的增稠剂为甲基纤维素，级别为分析纯AR。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的超轻质超高延性混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按配方备料，将K20玻璃微珠、水泥、粉煤灰、减水剂和水依次加入搅拌机中，在搅拌前，先浸润2-5min，再搅拌2-3min；
(2)待浆体具有良好的流动性时，依次加入增稠剂和聚乙烯醇纤维，搅拌1-2min，充分混合均匀；
(3)待搅拌结束后，经注模及脱模后进行养护，即制得超轻质超高延性混凝土。
9.根据权利要求8所述的超轻质超高延性混凝土的制备方法，其特征在于，步骤(3)养护条件为：温度为20-25℃，湿度为90％±5％，养护25-30天。
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