CN108164217A - 一种常温养护超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种常温养护下制备的超高性能混凝土及其制备方法，以制备每立方米超高性能混凝土为基准，各种原料的用量为：水泥820～1050kg，硅灰212～352kg，粉煤灰74～95kg，粒度为0‑1mm的铝矾土170～310kg，粒度为1‑3mm的铝矾土820～1050kg，镀铜钢纤维或者镀锌钢纤维170～310kg，聚羧酸减水剂25～80kg和水120～300kg。本发明技术方案通过控制适合水胶比、硅灰掺量等参数，从而制备得到28天抗压强度最高为152.8MPa、28天抗折强度为20MPa的超高性能混凝土试件。

Description

一种常温养护超高性能混凝土及其制备方法
一、技术领域：
本发明涉及混凝土建筑材料技术领域，具体涉及一种常温养护下制备的超高性能混凝土。
二、背景技术：
超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，简称UHPC)，UHPC是一种高强度、高耐久性、高韧性、孔隙率较低的超高强性能混凝土材料。它的配置原理是：不使用粗骨料，使用高效聚羧酸减水剂，掺入活性物质增加水化反应，采用低水胶比，利用最大密实度堆积原理，使材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)减到最少。掺加超细活性粉末，有效减少微裂缝的产生，使得它比普通混凝土更加密实，具有更高的强度与韧性；加入微细镀铜钢纤维，有效提高了超高性能混凝土的抗折强度、抗压强度，使得超高性能混凝土具有更高的承受荷载的能力。与普通混凝土相比较，超高强混凝土具有可以大量减少材料用量、降低建筑成本、节约资源、减少生产运输能耗和减少施工能耗等优势，采用超高强混凝土将对改善和保护人类环境作出巨大的贡献。因此，超高性能混凝土具有更高的工程应用价值。在国防工程、海洋工程、管道工程、核工业、特种保安和防护工程以及市政工程领域均有良好的应用前景。
但是超高性能混凝土的研究仍然停留在实验室研究阶段，当前仅有少部分防护、桥梁等工程应用。其主要原因是制备UHPC的材料组成价格昂贵，制作工艺复杂，高温高压的养护条件，大大限制了UHPC在工程中的推广。本发明提供了一种常温养护下超高性能混凝土的制备方法，简化UHPC的养护方式，大大促进UHPC在工程应用上的推广使用。
目前UHPC的养护方式主要有以下三种：常温养护，90℃左右高温养护和200℃以上的蒸压养护。高温可改变C-S-H凝胶的结构，并激发硅粉参与火山灰反应，使UHPC获得更高的强度。一般情况下，常温养护的UHPC强度比90℃左右高温养护低10-30％，采用200℃以上的蒸压养护可以获得更高的强度，但是由于设备的限制，目前通常采用前两种养护方式。
公开号CN104003682A的发明专利公开了一种超高性能混凝土，所述的超高性能混凝土包括以下质量份比的材料：胶凝材料：950-1000份，集料：1057-1107份，水：171-180份，钢纤维：78份，减水剂：14.25-15份，消泡剂：5.7-6份；集料包括：粒径3-5mm的机制砂、粒径1-3mm的机制砂和粒径为0.21-0.42mm的河砂，其中3-5mm的机制砂、粒径1-3mm的机制砂和粒径为0.21-0.42mm的河砂的质量比为1：0.6：0.4；胶凝材料包括以下质量分数的材料：硅酸盐水泥0％-60％、快硬水泥15-25％和磨细水泥15％-25％；磨细水泥的粒径为5-20μm。该发明专利采用常温常压的养护方式，立方体抗压强度达到120MPa，劈裂抗拉强度达到8MPa。该专利虽然采用了常温常压的养护方式，简化了养护工艺，但对立方体抗压强度提高效果并不是很大。
公开号CN106316294A的发明专利申请公开了一种活性粉末混凝土及其制备方法与用途，所述活性粉末混凝土包括如下原料：水泥400-1000份、改性超微粉100-500份、改性钢纤维50-200份、石英砂900-1300份、石英粉100-220份、外加剂10-30份、水100-250份。该专利通过晶须的加入，改善了RPC的相关性能。该专利采用的养护方式为蒸汽养护或蒸压养护。蒸压养护：将固化的活性粉末与模具一起放入养护室内，室温升至40±5℃；脱模后，移至室温70±5℃的养护室，升温速度≤12℃/h，养护结束后冷却至室温，降温速度≤15℃/h，控制其内应力的骤变。所得活性粉末混凝土试件的抗压强度为135.7MPa，抗折强度为20.3MPa；该专利采用了蒸汽养护或蒸压养护，养护工艺复杂且操作困难，不利于大规模的施工与应用。
公开号CN105948660A的发明专利申请公开了一种高强超高韧性混凝土及其制备方法，该混凝土包括以下重量份的组份制备而成：水泥400-800份，硅灰100-250份，矿渣粉200-500份，粉煤灰200-500份，石英粉200-500份，减水剂20-40份，水180-250份，聚乙烯纤维15-25份；该发明专利申请混凝土抗压强度达到120-150MPa，抗折强度达到30-50MPa，抗拉强度达到15-22MPa。但是养护方式采用高温水浴养护：控制温度85-95℃，水浴养护48小时。养护工艺复杂且操作困难，不利于大规模的施工与应用。
三、发明内容：
本发明要解决的技术问题是：为了突破高温高压养护条件对超高性能混凝土发展的限制、克服现有设备的制约，本发明提供一种常温养护条件下超高性能混凝土及其制备方法。本发明技术方案通过控制适合水胶比、硅灰掺量等参数，从而制备得到28天抗压强度最高为152.8MPa、28天抗折强度为20MPa的超高性能混凝土试件。
为了解决上述问题，本发明采取的技术方案是：
本发明提供一种常温养护下制备的超高性能混凝土，以制备每立方米超高性能混凝土为基准，各种原料的用量为：水泥820～1050kg，硅灰212～352kg，粉煤灰74～95kg，粒度为0-1mm的铝矾土170～310kg，粒度为1-3mm的铝矾土820～1050kg，镀铜钢纤维或者镀锌钢纤维170～310kg，聚羧酸减水剂25～80kg和水120～300kg。
根据上述的常温养护下制备的超高性能混凝土，所述镀铜钢纤维或者镀锌钢纤维的长度为10～15mm，直径为0.18～0.25mm。
根据上述的常温养护下制备的超高性能混凝土，所述水泥为普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、快硬硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥、彩色硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、膨胀水泥和快硬硫铝酸盐水泥中的至少一种。
本发明采用的普通硅酸盐水泥，28天抗折强度≥6.5MPa，28天抗压强度≥42.5MPa，比表面积≥300m2/kg。
根据上述的常温养护下制备的超高性能混凝土，所述硅灰中SiO2的质量百分含量≥90％，硅灰的粒度为100nm，比表面积为20～25g/m2。
根据上述的常温养护下制备的超高性能混凝土，所述粒度0-1mm铝矾土的密度为2.4～2.5g/cm2，硬度为1～3；1-3mm铝矾土的密度为3.9～4.0g/cm2，硬度为1～3。
根据上述的常温养护下制备的超高性能混凝土，所述聚羧酸减水剂的减水效果≥25％。
另外，提供一种常温养护下制备超高性能混凝土的方法，所述制备方法包括以下步骤：
a、首先按照上述超高性能混凝土的配比比例配制各种原料；
b、将步骤a配制的普通硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、粒度为0-1mm的铝矾土和粒度为1-3mm的铝矾土加入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为3～5min，搅拌后各种物料混合均匀，得到干混物料；
c、取步骤a配制的水量50％，加入聚羧酸减水剂进行溶解，溶解后所得聚羧酸减水剂溶液加入步骤b得到的干混物料中搅拌3～5min，接着加入剩余50％的水搅拌3～5min，然后加入镀铜钢纤维或镀锌钢纤维搅拌8～10min，搅拌后得到超高性能混凝土的拌合物；
d、将步骤c所得拌合物浇注于三联试模中，在振动台上震动3～5min；震动成型后，将所得试件移入养护室，24h后拆模，拆模后所得试件在常温下进行标准养护，标准养护后得到产品超高性能混凝土。
根据上述常温养护下制备超高性能混凝土的方法，步骤d试件常温下进行标准养护过程中，温度控制为20±2℃，湿度控制为90±5％，养护时间为28天。
根据上述常温养护下制备超高性能混凝土的方法，步骤c镀铜钢纤维或镀锌钢纤维加入过程中，采用筛子均匀分散进行加入。
本发明的积极有益效果：
1、本发明根据最大堆积密度原理，采用不同粒径的骨料，使其形成良好的堆积密度，增强了超高性能混凝土的抗压强度以及抗折强度；在标准养护条件下，温度控制在20±2℃，湿度为90％±5％，养护28天；所得产品超高性能混凝土的抗压强度达到150MPa以上，抗折强度达到20MPa。
2、本发明与现有技术相比，成本低，原料来源广泛，配方科学，无污染，对周围环境无危害，具有显著的经济效益和社会效益。
3、本发明采用常温常压的养护方式进行制备超高性能混凝土，所得产品同时能够满足抗压和抗折强度的要求，保证超高性能混凝土的强度，大大简化了养护工艺。
4、本发明制备工艺科学，在混凝土搅拌过程中，能够有效避免拌合物结团情况，能够很好的满足施工浇筑和泵送要求，具有良好的施工和易性。
5、本发明技术方案中掺加粉煤灰，水化反应变慢，有缓凝作用，早期强度低，后期强度高，由于在Ca(OH)2薄膜与粉煤灰颗粒表面之间存在着水解层，钙离子要通过水解层与粉煤灰的活性组分反应，反应产物在层内逐级聚集，水解层未被火山灰反应产物充满到某种程度时，不会使强度有较大增长。随着水解层被反应产物充满，粉煤灰颗粒和水泥水化产物之间逐步形成牢固联系，从而导致混凝土强度、不透水性和耐磨性的增长，并有效提高了超高性能混凝土拌合物的流动性。
6、本发明技术方案中掺加铝矾土，在超高性能混凝土配制中，采用细骨料砂的作用仅仅在于优化颗粒级配，并不参与碱集料反应，而混凝土的薄弱环节在于过渡区；因此，在优化颗粒级配的基础上改善过渡区的物理成分，就能更好的改善超高性能混凝土的性能；铝矾土作为一种以水合三氧化二铝的矿物作为集料能改善混凝土过渡区的性质；用粒度0-1mm和粒度1-3mm两种不同粒径的铝矾土替代超高性能混凝土的细骨料砂，并采用一定的制作成型工艺，从而为超高性能混凝土性能的改善和提高提供实践研究依据。
四、附图说明：
图1本发明常温养护下制备超高性能混凝土过程中，所得拌合物三联试模的示意图。
图2为实施例1-6中超高性能混凝土的100×100×100立方体轴心抗压强度-位移曲线图。
图3为实施例1-6中超高性能混凝土的100×100×400三点抗折试验中的抗折强度-位移曲线图。
五、具体实施方式：
以下结合实施例进一步阐述本发明，但并不限制本发明技术方案保护的范围。
以下实施例中采用的镀铜钢纤维或者镀锌钢纤维的长度为10～15mm，直径为0.18～0.25mm；普通硅酸盐水泥为P.O 52.5普通硅酸盐水泥或P.O 42.5普通硅酸盐水泥；采用的普通硅酸盐水泥，28天抗折强度≥6.5MPa，28天抗压强度≥42.5MPa，比表面积≥300m2/kg。硅灰中SiO2的质量百分含量≥90％，硅灰的粒度为100nm，比表面积为20～25g/m2。粒度0-1mm铝矾土的密度为2.4～2.5g/cm2，硬度为1～3；1-3mm铝矾土的密度为3.9～4.0g/cm2，硬度为1～3。
实施例1：
本发明常温养护下制备的超高性能混凝土，以制备每立方米超高性能混凝土为基准，各种原料的用量为：P.O 52.5普通硅酸盐水泥948kg，硅灰284kg，粉煤灰80kg，粒度为0-1mm的铝矾土242kg，粒度为1-3mm的铝矾土948kg，镀铜钢纤维236kg，聚羧酸减水剂62kg和水178kg。
利用实施例1所制备得到的超高性能混凝土，立方体轴心抗压强度为：149MPa，抗折强度为：20.5MPa。
实施例2：
本发明常温养护下制备的超高性能混凝土，以制备每立方米超高性能混凝土为基准，各种原料的用量为：P.O 52.5普通硅酸盐水泥869kg，硅灰261kg，粉煤灰74kg，粒度为0-1mm的铝矾土222kg，粒度为1-3mm的铝矾土869kg，镀铜钢纤维216kg，聚羧酸减水剂80kg和水268kg。
利用实施例2所制备得到的超高性能混凝土，立方体轴心抗压强度为：155MPa，抗折强度为：23.1MPa。
实施例3：
本发明常温养护下制备的超高性能混凝土，以制备每立方米超高性能混凝土为基准，各种原料的用量为：P.O 42.5普通硅酸盐水泥869kg，硅灰261kg，粉煤灰85kg，粒度为0-1mm的铝矾土222kg，粒度为1-3mm的铝矾土869kg，镀铜钢纤维216kg，聚羧酸减水剂68kg和水163kg。
利用实施例3所制备得到的超高性能混凝土，立方体轴心抗压强度为：148MPa，抗折强度为：19.8MPa。
实施例4：
本发明常温养护下制备的超高性能混凝土，以制备每立方米超高性能混凝土为基准，各种原料的用量为：P.O 52.5普通硅酸盐水泥921kg，硅灰277kg，粉煤灰90kg，粒度为0-1mm的铝矾土235kg，粒度为1-3mm的铝矾土921kg，镀铜钢纤维229kg，聚羧酸减水剂65kg和水196kg。
利用实施例4所制备得到的超高性能混凝土，立方体轴心抗压强度为：150MPa，抗折强度为：22.1MPa。
实施例5：
本发明常温养护下制备的超高性能混凝土，以制备每立方米超高性能混凝土为基准，各种原料的用量为：P.O 42.5普通硅酸盐水泥921kg，硅灰221kg，粉煤灰95kg，粒度为0-1mm的铝矾土235kg，粒度为1-3mm的铝矾土921kg，镀铜钢纤维229kg，聚羧酸减水剂69kg和水222kg。
利用实施例5所制备得到的超高性能混凝土，立方体轴心抗压强度为：140MPa，抗折强度为：20.9MPa。
实施例6：
本发明常温养护下制备的超高性能混凝土，以制备每立方米超高性能混凝土为基准，各种原料的用量为：P.O 52.5普通硅酸盐水泥948kg，硅灰352kg，粉煤灰85kg，粒度为0-1mm的铝矾土297kg，粒度为1-3mm的铝矾土1050kg，镀铜钢纤维295kg，聚羧酸减水剂80kg和水253kg。
利用实施例6所制备得到的超高性能混凝土，立方体轴心抗压强度为：156MPa，抗折强度为：21.6MPa。
本发明实施例1-6常温养护下超高性能混凝土的制备方法为：
a、首先按照任一实施例所述超高性能混凝土的配比比例配制各种原料；
b、将步骤a配制的普通硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、粒度为0-1mm的铝矾土和粒度为1-3mm的铝矾土加入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为3～5min，搅拌后各种物料混合均匀，得到干混物料；
c、取步骤a配制的水量50％，加入聚羧酸减水剂进行溶解，溶解后所得聚羧酸减水剂溶液加入步骤b得到的干混物料中搅拌3～5min，接着加入剩余50％的水搅拌3～5min，然后加入镀铜钢纤维搅拌8～10min(镀铜钢纤维或镀锌钢纤维加入过程中，采用筛子均匀分散进行加入)，搅拌后得到超高性能混凝土的拌合物；
d、将步骤c所得拌合物浇注于100mm×100mm×100mm三联试模中，在振动台上震动3～5min；震动成型后，将所得试件移入养护室，24h后拆模，拆模后所得试件在常温下进行标准养护(温度控制为20±2℃，湿度控制为90±5％，养护时间为28天)，标准养护后得到产品超高性能混凝土。

Claims (9)

1.一种常温养护下制备的超高性能混凝土，其特征在于，以制备每立方米超高性能混凝土为基准，各种原料的用量为：水泥820～1050kg，硅灰212～352kg，粉煤灰74～95kg，粒度为0-1mm的铝矾土170～310kg，粒度为1-3mm的铝矾土820～1050kg，镀铜钢纤维或者镀锌钢纤维170～310kg，聚羧酸减水剂25～80kg和水120～300kg。
2.根据权利要求1所述的常温养护下制备的超高性能混凝土，其特征在于：所述镀铜钢纤维或者镀锌钢纤维的长度为10～15mm，直径为0.18～0.25mm。
3.根据权利要求1所述的常温养护下制备的超高性能混凝土，其特征在于：所述水泥为普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、快硬硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥、彩色硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、膨胀水泥和快硬硫铝酸盐水泥中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的常温养护下制备的超高性能混凝土，其特征在于：所述硅灰中SiO2的质量百分含量≥90％，硅灰的粒度为100nm，比表面积为20～25g/m2。
5.根据权利要求1所述的常温养护下制备的超高性能混凝土，其特征在于：所述粒度0-1mm铝矾土的密度为2.4～2.5g/cm2，硬度为1～3；1-3mm铝矾土的密度为3.9～4.0g/cm2，硬度为1～3。
6.根据权利要求1所述的常温养护下制备的超高性能混凝土，其特征在于：所述聚羧酸减水剂的减水效果≥25％。
7.一种常温养护下制备超高性能混凝土的方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
a、首先按照权利要求1所述超高性能混凝土的配比比例配制各种原料；
b、将步骤a配制的普通硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、粒度为0-1mm的铝矾土和粒度为1-3mm的铝矾土加入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为3～5min，搅拌后各种物料混合均匀，得到干混物料；
c、取步骤a配制的水量50％，加入聚羧酸减水剂进行溶解，溶解后所得聚羧酸减水剂溶液加入步骤b得到的干混物料中搅拌3～5min，接着加入剩余50％的水搅拌3～5min，然后加入镀铜钢纤维或镀锌钢纤维搅拌8～10min，搅拌后得到超高性能混凝土的拌合物；
d、将步骤c所得拌合物浇注于三联试模中，在振动台上震动3～5min；震动成型后，将所得试件移入养护室，24h后拆模，拆模后所得试件在常温下进行标准养护，标准养护后得到产品超高性能混凝土。
8.根据权利要求7所述常温养护下制备超高性能混凝土的方法，其特征在于：步骤d试件常温下进行标准养护过程中，温度控制为20±2℃，湿度控制为90±5％，养护时间为28天。
9.根据权利要求7所述常温养护下制备超高性能混凝土的方法，其特征在于：步骤c镀铜钢纤维或镀锌钢纤维加入过程中，采用筛子均匀分散进行加入。
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