CN108191351A - 一种掺混杂纤维的超高性能混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种掺混杂纤维的超高性能混凝土。由普通硅酸盐水泥、硅灰、漂珠粉煤灰、矿渣粉、HP‑CSA、石英砂、褐铁矿砂、钛合金砂、减水剂、消泡剂、钢纤维、玄武岩纤维、纤维素纤维和水组成。使用本发明可以解决水胶比低、胶凝材料用量大以及高性能减水剂的掺入增加混凝土收缩的问题，可以克服收缩对超高性能混凝土装配式预制构件应用产生的制约问题，并且大幅度提高产品的韧性。本发明适用于各类具有大跨度、超高层等特殊结构的混凝土工程，适用于各类装配式建筑。

Description

一种掺混杂纤维的超高性能混凝土

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种掺混杂纤维的超高性能混凝土。

背景技术

随着技术的发展，大跨度、超高层等特殊结构对混凝土提出了越来越苛刻的要求，而传统混凝土因其自重大、抗拉强度低、耐久性不足等缺点，已无法满足人们的需要。超高性能混凝土以胶凝组分含量高，水胶比低为特征，通常表现出很高的力学性能和延展性能。此外，它的韧性高，耐久性优异，因此问世不久便受到了材料界及工程人员的关注。

超高性能混凝土是一种组成材料具有最优颗粒级配，水胶比极低，抗压强度高，含有较高比例的纤维材料，密实度大，渗透性低的高强度、高韧性、高耐久的水泥基结构工程材料。由于其通常掺入短切钢纤维或聚合物纤维，也被称作超高性能纤维增强混凝土。

超高性能混凝土各方面优异的性能通常通过采用低水胶比，使用高性能减水剂，掺入高活性的超细矿物掺合料，掺加纤维（短切钢纤维或聚合物纤维）等措施实现。尽管这些措施提高了超高性能混凝土的力学性能，但是水胶比低、胶凝材料用量大以及高性能减水剂的掺入增加了混凝土的收缩，导致其内部微裂纹的产生。而微裂纹会大幅度降低混凝土的耐久性，大大缩短其使用寿命，甚至出现严重的工程事故，制约超高性能混凝土的应用发展。

纤维对混凝土基体主要有阻裂、增强和增韧三种作用，各种随机分布的短纤维能够显著增强混凝土的韧性和抗裂性，限制混凝土的收缩，提高混凝土的体积稳定性。掺入钢纤维已成为制备超高性能混凝土的技术手段之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种掺混杂纤维的超高性能混凝土。

本发明提出的掺混杂纤维的超高性能混凝土，由普通硅酸盐水泥、硅灰、漂珠粉煤灰、矿渣粉、HP-CSA、石英砂、褐铁矿砂、钛合金砂、减水剂、消泡剂、钢纤维、玄武岩纤维、纤维素纤维和水组成，各组分的重量比为：

普通硅酸盐水泥 100

硅灰 3-15

漂珠粉煤灰 4-15

矿渣粉 15-35

HP-CSA 1-10

石英砂 60-90

褐铁矿砂 15-35

钛合金砂 5-20

减水剂 0.20-1.20

消泡剂 0.01-0.05

钢纤维 20-150

玄武岩纤维 5-50

纤维素纤维 1-4

水 15-30。

各组分的较佳的重量比为：

普通硅酸盐水泥 100

硅灰 3-10

漂珠粉煤灰 6-12

矿渣粉 16-30

HP-CSA 1-8

石英砂 65-80

褐铁矿砂 16-30

钛合金砂 6-15

减水剂 0.20-1.00

消泡剂 0.01-0.04

钢纤维 20-100

玄武岩纤维 6-30

纤维素纤维 1-3

水 15-28。

本发明中，所述普通硅酸盐水泥为52.5级普通硅酸盐水泥或62.5级普通硅酸盐水泥中的一种。

本发明中，所述硅灰主要成分为SiO₂，比表面积大于等于15000m²/Kg，平均粒径为（0.1-0.2）μm。

本发明中，所述漂珠粉煤灰为粉煤灰经分选所得的表观密度小于1000Kg/m³，平均粒径为（1-3）μm的部分。

本发明中，所述矿渣粉为S95矿渣粉，表观密度大于等于2800Kg/m³，比表面积大于等于400m²/Kg。

本发明中，所述HP-CSA为日本Denka公司生产的一种混凝土外加剂，粉剂。

本发明中，所述石英砂为（10-60）目和（120-150）目的石英砂，按照7:3的质量比配合而成。

本发明中，所述褐铁矿砂为褐铁矿破碎而成，表观密度大于等于3400 m²/Kg，粒径为（1.25-0.63）mm。

本发明中，所述钛合金砂为粒径（2.5-1.25）mm，表观密度4500 m²/Kg。

本发明中，所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂和氨基磺酸盐高效减水剂中的一种，均为粉体，含水率小于等于5%。

本发明中，所述消泡剂为有机硅系列消泡剂，粉剂。

本发明中，所述钢纤维密度为7800Kg/m³，直径为0.2mm，长度为13mm，断裂强度不小于2580MPa。

本发明中，所述玄武岩纤维密度为2800Kg/m³，断裂强度为3200MPa，断裂伸长率为3.1%。

本发明中，所述纤维素纤维密度1100Kg/m³，断裂强度大于等于500MPa，弹性模量大于等于800MPa，直径小于等于20μm。

本发明中，所述水为饮用自来水。

本发明提出的一种掺混杂纤维的超高性能混凝土的制备方法，具体步骤如下：

(1) 按所述各重量比例称取各组分，将普通硅酸盐水泥，硅灰，漂珠粉煤灰，矿渣粉，HP-CSA，减水剂，消泡剂倒入搅拌锅，通过机械干拌至均匀状态。

(2) 将水缓慢倒入搅拌锅中并搅拌60s。

(3) 在搅拌锅中依次加入称取好的石英砂、褐铁矿砂、钛合金砂、钢纤维、玄武岩纤维和纤维素纤维。

(4) 继续搅拌5min，装模成型，48小时后拆模，得到试件。

(5) 对试件进行养护，养护条件为温度（15-40）^oC下水养护或湿空气养护（相对湿度70%-100%）。

本发明中，普通硅酸盐水泥为主要的胶凝材料，硅灰、漂珠粉煤灰和矿渣粉作为辅助胶凝材料，与普通硅酸盐水泥构成复合胶凝体系。之所以采用专门的漂珠粉煤灰，主要是一方面利用其良好的颗粒级配，另外一方面是利用其量好的火山灰活性。漂珠粉煤灰的颗粒直径为2μm左右，处于水泥和矿渣粉（颗粒平均直径都在（10-50）μm）与硅灰（颗粒直径为0.2μm左右）之间，漂珠粉煤灰填充于水泥和矿渣粉颗粒堆积后形成的空隙，而硅灰填充于漂珠粉煤灰堆积后形成的空隙，这种堆积体的空隙率最小，所需填充的水分最少，所以胶凝体系的水胶比最低，强度最高。

本发明中，漂珠粉煤灰、矿渣粉和硅灰均是工业副产品，其中漂珠粉煤灰和矿渣粉的主要成分与水泥熟料很相似，是具有潜在胶凝活性的硅酸盐和硅铝酸盐，其水化生成的水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙凝胶能够促进体系的强度发展。硅灰主要成分为无定形SiO₂，火山灰活性更高，是胶凝体系重要的增强组分。漂珠粉煤灰、矿渣粉和硅灰复合掺加，三者的“工作性能和强度优势互补效应”可以改善混凝土或砂浆的和易性、抗渗性和力学性能，并且能降低水化热，对整个体系的强度持续发展和减小干缩变形都能起到很大的作用。

本发明中，石英砂、褐铁矿砂和钛合金砂构成超高性能混凝土的骨架。之所以同时采用褐铁矿砂和钛合金砂，主要是考虑到超高性能混凝土的抗压强度达到200MPa左右，石英砂的抗压强度不能满足要求。试验表明，骨料中采用部分褐铁矿砂和钛合金砂能大幅度提高超高性能混凝土的抗压强度。

本发明中，同时掺入钢纤维、玄武岩纤维和纤维素纤维，即不同品种和不同掺量的纤维混杂掺加，是改善提高超高性能混凝土抗拉强度、改善韧性、防止结构开裂和表面微裂纹的综合手段。钢纤维的掺量对超高性能混凝土的力学性能影响很大，众多试验研究表明，随着钢纤维体积掺量的增加，超高性能混凝土抗压、抗折强度随之提高，钢纤维还能使混凝土变形缓慢，趋于稳定，最终表现为延剪切破坏形态。玄武岩纤维是一种新型无机纤维材料，是火山爆发形成的一种玻璃态玄武岩矿石经1450℃-1500℃高温熔融后快速拉制而成的纤维。它具有弹性模量高、断裂强度大、分散性好、与水泥基材料的相容性好以及成本低、来源广泛等优点。此外，玄武岩纤维可减少混凝土早期收缩，对提高混凝土早期抗裂性极为有利。纤维素纤维采用特殊植物物种为原料制成，是继化学合成纤维之后发展起来的一种高强高低模量纤维，而且具有天然的亲水性，与水泥基材料之间的握裹力较强，其分散性好，有助于降低水泥基材料的抗塑性收缩开裂性能。三种纤维混杂掺入，将对超高性能混凝土产生复合的作用效果。

本发明中，掺入高性能减水剂可极大降低体系用水量，使超高性能混凝土在极低水胶比下也能具有理想的工作性能。掺入消泡剂可消除由于掺加减水剂和纤维引入浆体的气泡，有助于提高强度，改善超高性能混凝土成型后的外观质量。 HP-CSA是一种硫铝酸盐-氧化钙复合型膨胀剂，其参与水泥-硅灰-漂珠粉煤灰-矿渣粉的水化反应，产生结晶膨胀型物质，不仅在7d前能发挥一定的膨胀能，而且14d左右仍然具有一定的膨胀能，有助于补偿收缩。

本发明的有益效果在于：本发明以普通硅酸盐水泥、硅灰、漂珠粉煤灰、矿渣粉组成复合胶凝体系，并在超高性能混凝土中掺入玄武岩纤维、钢纤维和纤维素纤维三种类型纤维，提高超高性能混凝土力学性能，并使其具有良好的体积稳定性。本发明提出的掺加混杂纤维制备超高性能混凝土的方法，不仅解决混凝土收缩大制约超高性能混凝土装配式预制构件应用问题，且将带来良好的经济效益和社会效益。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1，一种掺混杂纤维的超高性能混凝土，按52.5级普通硅酸盐水泥100，硅灰3，漂珠粉煤灰4，矿渣粉15，HP-CSA1，石英砂60，褐铁矿砂15，钛合金砂5，聚羧酸系减水剂0.2，消泡剂0.05，钢纤维20，玄武岩纤维50，纤维素纤维1，水15的重量比例称取原材料。搅拌后成型试件，对试件进行养护，养护条件为温度（15-40）^oC下水养护。性能测试结果见表1。

实施例2，一种掺混杂纤维的超高性能混凝土，按42.5级普通硅酸盐水泥100，硅灰15，漂珠粉煤灰15，矿渣粉35，HP-CSA 10，石英砂90，褐铁矿砂35，钛合金砂20，氨基磺酸盐减水剂1.20，消泡剂0.03，钢纤维150，玄武岩纤维5，纤维素纤维4，水30的重量比例称取原材料。搅拌后成型试件，对试件进行养护，养护条件为温度（15-40）^oC下湿空气养护（相对湿度70%-100%）。性能测试结果见表1。

实施例3，一种掺混杂纤维的超高性能混凝土，按52.5级普通硅酸盐水泥100，硅灰10，漂珠粉煤灰12，矿渣粉28，HP-CSA 6，石英砂70，褐铁矿砂25，钛合金砂15，氨基磺酸盐减水剂1.00，消泡剂0.01，钢纤维70，玄武岩纤维40，纤维素纤维3，水27的重量比例称取原材料。搅拌后成型试件，对试件进行养护，养护条件为温度（15-40）^oC下湿空气养护（相对湿度70%-100%）。性能测试结果见表1。

表1

Claims (7)

1.一种掺混杂纤维的超高性能混凝土，其特征在于由普通硅酸盐水泥、硅灰、漂珠粉煤灰、矿渣粉、HP-CSA、石英砂、褐铁矿砂、钛合金砂、减水剂、消泡剂、钢纤维、玄武岩纤维、纤维素纤维和水组成，各组分的重量比为：

普通硅酸盐水泥 100

硅灰 3-15

漂珠粉煤灰 4-15

矿渣粉 15-35

HP-CSA 1-10

石英砂 60-90

褐铁矿砂 15-35

钛合金砂 5-20

减水剂 0.20-1.20

消泡剂 0.01-0.05

钢纤维 20-150

玄武岩纤维 5-50

纤维素纤维 1-4

水 15-30。

2.根据权利要求1所述的一种掺混杂纤维的超高性能混凝土，其特征在于各组分较佳的重量比为：

普通硅酸盐水泥 100

硅灰 3-10

漂珠粉煤灰 6-12

矿渣粉 16-30

HP-CSA 1-8

石英砂 65-80

褐铁矿砂 16-30

钛合金砂 6-15

减水剂 0.20-1.00

消泡剂 0.01-0.04

钢纤维 20-100

玄武岩纤维 6-30

纤维素纤维 1-3

水 15-28。

3.根据权利要求1所述的一种掺混杂纤维的超高性能混凝土，其特征在于所述普通硅酸盐水泥为52.5级普通硅酸盐水泥或62.5级普通硅酸盐水泥中的一种，所述硅灰主要成分为SiO₂，比表面积大于等于15000m²/Kg，平均粒径为（0.1-0.2）μm，所述漂珠粉煤灰为粉煤灰经分选所得的表观密度小于1000Kg/m³，平均粒径为（1-3）μm的部分，所述矿渣粉为S95矿渣粉，表观密度大于等于2800 kg/m³，比表面积大于等于400 m²/Kg，所述HP-CSA为日本Denka公司生产的一种混凝土外加剂，粉剂。

4.根据权利要求1所述的一种掺混杂纤维的超高性能混凝土，其特征在于所述石英砂为（10-60）目和（120-150）目的石英砂，按照7:3的质量比配合而成，所述褐铁矿砂为褐铁矿破碎而成，表观密度大于等于3400 m²/Kg，粒径为（1.25-0.63）mm，所述钛合金砂为粒径（2.5-1.25）mm，表观密度4500 m²/Kg。

5.根据权利要求1所述的一种掺混杂纤维的超高性能混凝土，其特征在于所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂和氨基磺酸盐高效减水剂中的一种，均为粉体，含水率小于等于5%，所述消泡剂为有机硅系列消泡剂，粉剂。

6.根据权利要求1所述的一种掺混杂纤维的超高性能混凝土，其特征在于所述钢纤维密度为7800Kg/m³，直径为0.2mm，长度为13mm，断裂强度不小于2580MPa，所述玄武岩纤维密度为2800Kg/m³，断裂强度为3200MPa，断裂伸长率为3.1%，所述纤维素纤维密度1100Kg/m³，断裂强度大于等于500MPa，弹性模量大于等于800MPa，直径小于等于20μm。

7.一种如权利要求1所述的掺混杂纤维的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

(1) 按所述各重量比例称取各组分，将普通硅酸盐水泥，硅灰，漂珠粉煤灰，矿渣粉，HP-CSA，减水剂和消泡剂倒入搅拌锅，通过机械干拌至均匀状态；

(2) 将水缓慢倒入搅拌锅中并搅拌60s；

(3) 在搅拌锅中依次加入称取好的石英砂、褐铁矿砂、钛合金砂、钢纤维、玄武岩纤维和纤维素纤维；

(4) 继续搅拌5min，装模成型，48小时后拆模，得到试件；

(5) 对试件进行养护，养护条件为温度（15-40）^oC下水养护或湿空气养护（相对湿度70%-100%）。