CN108455931B - 含有混杂纤维和纳米颗粒的耐火高性能混凝土 - Google Patents

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Abstract

一种混凝土组合物。该混凝土组合物具有至少150mm的坍落度值、至少4小时的耐火时间,常温下至少120MPa的抗压强度和700℃下至少20MPa的抗压强度。该组合物包含水泥、粉煤灰、硅粉、粒径D9020mm或更低的骨料颗粒以及超增塑剂。该组合物包含纤维强化添加剂，纤维强化添加剂包括钢纤维和聚丙烯纤维，钢纤维的体积占该混凝土组合物的0.1％至0.4％之间，聚丙烯纤维的熔点为200℃或更低，体积占该混凝土组合物的0.05％至0.3％之间。该组合物还包含碳纳米管，碳纳米管的体积占该混凝土组合物的0.1％至0.3％之间。

Description

含有混杂纤维和纳米颗粒的耐火高性能混凝土
技术领域
本发明涉及高性能混凝土组合物，更具体地涉及含有纤维和纳米颗粒的高性能混凝土组合物。
背景技术
高性能混凝土是一种用于公路、桥梁、隧道和高层建筑的易施工高强度、高耐久性混凝土。通常，高性能混凝土具有高抗压强度及受压时不会爆裂、高弹性模量和抗化学侵蚀等优点。但是，高性能混凝土往往具有较差的耐火性能，这也是妨碍其在建筑物中广泛应用的一个重要因素。文献表明，通过添加纤维可以改进高性能混凝土的耐火性。但已有的研究也显示，纤维的引入往往会大大降低混凝土的和易性。在泵送混凝土的应用场合，和易性的丧失会阻碍这种纤维强化混凝土的使用。因此，本领域需要兼具良好的和易性和耐火性的高性能混凝土组合物。
发明内容
本发明涉及兼具良好的和易性和耐火性的高性能混凝土组合物。在一个方面，本发明提供一种和易性好、耐火、抗爆裂的混凝土组合物，该混凝土组合物具有至少150mm的坍落度、至少4小时的耐火时间、室温下至少120MPa和700℃下至少20MPa的抗压强度。该组合物包含水泥、粉煤灰、硅粉、粒径D9020mm或更低的骨料颗粒以及超增塑剂。该组合物包含纤维，纤维包括钢纤维和聚丙烯纤维，钢纤维占该混凝土组合物体积的0.1％至0.4％之间，聚丙烯纤维的熔点为200℃或更低，占该混凝土组合物体积的0.05％至0.3％之间。该组合物还包括碳纳米管，碳纳米管占该混凝土组合物体积的0.1％至0.3％之间。
附图说明
图1示出用于强化高性能混凝土的钢纤维。
图2示出钢纤维拉拔试验的失效模式。
图3是示出钢纤维的粘结强度的图。
图4是用于强化高性能混凝土的聚丙烯纤维的照片。
图5a和图5b分别示出加热前后的聚丙烯纤维混凝土试样。
图6a和6b分别示出加热前后的钢纤维混凝土试样
图7示出在电热炉里加热的试样的升温曲线。
图8示出爆裂的混凝土样品。
图9a、9b、9c和9d示出高温下抗压试验后的高性能混凝土试样。
图10示出试样在不同温度下的抗压强度。
图11示出各个试样在水养护、蒸汽养护后的抗压强度，以及残余强度。
图12示出含有纳米材料的样品的升温曲线。
图13a、13b和13c示出耐火试验后的高性能混凝土短柱。
图14a、14b和14c示出高性能混凝土短柱在耐火试验中的升温曲线。
图15a和15b示出耐火试验后的高性能混凝土长柱。
图16示出长柱试样的垂直变形-时间曲线。
图17示出长柱的垂直变形速率-时间曲线。
图18显示高性能混凝土胶凝材料的比热容。
具体实施方式
如在上文的“背景技术”部分所讨论，在高性能混凝土中添加纤维和其他添加剂会降低和易性。“混凝土坍落度”是混凝土和易性的度量。混凝土坍落度是通过将新拌混凝土堆成圆锥状，然后测量圆锥锥形沉降，由此来度量新拌混凝土在固化之前的稠度，表示混凝土流动的难易程度。由于本发明的高性能混凝土将含有多种纤维并需具有C80-C100之间的强度和150mm以上的坍落度，因此不含纤维的混凝土配方的目标塌落度定为180mm。
表1不含纤维的混凝土的配方(kg/m3)
Figure GDA0002892227000000021
Figure GDA0002892227000000031
将普通硅酸盐水泥、粉煤灰、硅粉、粗骨料(10mm和20mm，花岗岩)、细骨料(碎石和/或天然河沙)、超增塑剂和水用于制备混凝土。本文所用的“超增塑剂”是指用于分散水泥团聚体的材料。超增塑剂可以是基于聚羧酸的聚合物，如基于聚羧酸醚的聚合物。本发明使用一种市售的基于聚羧酸的减水剂，GCP Applied Technologies公司的ADVA 189。如表1中所示，本发明尝试了七个混凝土配方。参照相关的标准，用坍落度锥测量新拌混凝土的坍落度。对于每个配方，浇筑了六个100mm×100mm×100mm的试样，以测量7天和28天抗压强度。所有的试样均在浇筑后一天从模具中取出，然后进行湿养护。在第7天和第28天的时候分别根据BS EN12390-3采用0.6MPa/s的荷载速率进行抗压试验。抗压强度为三个试样的结果的平均值。
根据香港相关规范，用以下公式定义混凝土的强度等级：
fcu 3fcu,k+1.645σ
式中，fcu为所测量的28天混凝土抗压强度、fcu,k为混凝土强度等级、而σ为所测抗压强度的标准偏差，即8MPa。根据该公式，例如，C80、C90和C100混凝土的28天抗压强度分别不应低于93MPa、103MPa和113MPa。
表2不含纤维的混凝土配方的坍落度和抗压强度
Figure GDA0002892227000000032
不含纤维的混凝土配方的坍落度和抗压强度结果在图2中显示。可以看出，所有的配方均显示优良的和易性，即不低于180mm的坍落度。WF1、WF4和WF5的强度达到C80，WF2和WF6的强度达到C90，而WF3和WF7的强度达到C100。但是，对于配方WF1、WF2、WF3和WF4，它们的总胶凝材料含量(水泥、粉煤灰和硅粉)相对较高，甚至高于香港规范中指定的上限(最大600kg/m3)。由于胶凝材料含量高会引起大量的水化热和收缩，导致混凝土构件中出现裂缝，因此配方WF1至WF4不适用。配方WF5、WF6和WF7分别被选中为C80、C90和C100，并与纤维和其他添加剂一起使用。
为研发和易性好的耐火高性能混凝土组合物，本发明评估了各种添加剂的效果。聚合物纤维可以增强混凝土的耐火性。具有相对较低熔点的聚合物纤维在熔化和分解时具有吸热效应，因而可延迟混凝土的温度升高。此外，这种聚合物纤维有利于混凝土中的水蒸气的逸出，避免受热时混凝土中的蒸汽积聚所导致的混凝土爆裂，从而增强混凝土的耐火性能。但是，聚合物纤维的添加对混凝土的和易性具有不利影响，这使其不适合于需要泵送混凝土的应用场合(例如在高层建筑中)。
为了将添加的聚合物纤维的不利影响减至最低，本发明增强了聚合物纤维在混凝土组合物中的分散。除了改善混凝土的和易性外，还增强了耐火性，即用较少量的纤维就获得耐火性。本发明确定聚合物纤维的可分散性取决于表面性质，特别是水接触角和表面能。因此，本发明研究了各种纤维表面处理以优选在混凝土组合物中具有最高可分散性的纤维。
本发明研究了几种市售纤维以测量水接触角和表面能。优选原则是：接触角越小，表面能越大，纤维与混凝土的相容性越好。由于聚丙烯纤维的熔化温度低于200℃，这种纤维可提高混凝土受火时的抗爆裂性能，因此本发明对聚丙烯纤维进行了研究。表3列出了纤维来源和性能，表4列出了纤维的水接触角和表面能。
表3聚丙烯纤维的性能
Figure GDA0002892227000000041
Figure GDA0002892227000000051
表4经表面处理纤维和市售纤维测得的水接触角和表面能
Figure GDA0002892227000000052
根据表4所示的结果，未处理的F1纤维具有最大的水接触角，而其余的纤维全部低于F1。这表明表面处理有效地降低了聚丙烯纤维的水接触角。F3(Sika)和F2(Yonggu)纤维在六种聚丙烯纤维中具有较小的水接触角(82.2°和88.4°，亲水性)。
通常，增强润湿的一种方法是通过表面处理来增强材料的表面能。然而，表4中的结果表明，所有表面处理都降低了聚丙烯纤维的水接触角，但又降低了表面能。因此，本发明根据测得的水接触角评估聚丙烯纤维和混凝土之间的相容性；确定F3(Sika)和F2(Yonggu)纤维与混凝土的相容性最高。
除了聚丙烯纤维之外，钢纤维的加入可提高高性能混凝土的耐火性。具体而言，钢纤维可通过抑制混凝土在加热时不均匀膨胀所引起的裂缝，来防止混凝土在火中发生爆裂。为了减少钢纤维的锈蚀，通常使用镀锌钢纤维和镀铜钢纤维。由于钢纤维和混凝土之间的粘结对于控制裂缝形成和扩展是重要的，因此需要进行研究以评估锌/铜涂层是否会降低钢纤维和混凝土之间的粘结。
为了研究涂层对钢纤维与混凝土之间的粘结的影响，本发明进行了拉拔试验，以测量混凝土与钢纤维的粘结强度。
表5钢纤维的性质
Figure GDA0002892227000000061
如表5所示，使用了具有不同几何形状的八种类型的市售钢纤维，包括一种镀铜的纤维，三种镀锌钢纤维和四种裸钢纤维。纤维的端钩可因机械咬合而增强拉拔阻力，但对粘结强度没有影响。当测量钢纤维的粘结强度时，镀锌纤维和裸纤维的两个端钩被切掉，仅保留长度为13mm的中间部分。本发明测试了五种钢纤维的粘结强度，包括C0.16(即C0.16)、G0.62(即G0.62-3D)、G0.92(G0.92-3D和5D的试样)、B0.55(即B0.55-3D)和B0.92(B0.92-3D、4D和5D的试样)。将具有相同直径和表面处理但不同端钩的纤维分组在一起用于拉拔测试。每组测试至少12个试样。
对于拉拔试验，将钢纤维嵌入尺寸为9.7mm×12.7mm的砂浆块的中心，嵌入长度为5mm。使用具有28天抗压强度为66MPa的砂浆来制备拉拔试验试样，砂浆的成分如表6所示。以0.4毫米/分钟的荷载速率拉伸钢纤维，其中粘结强度被定义为最大载荷除以纤维周向面积。
表6用于拉拔试验试样的砂浆的成分
组分 水泥 沙 水
kg/m<sup>3</sup> 710 1208 307
如图2所示，拉拔试验试样存在三种失效模式，即纤维滑移、砂浆破坏和纤维拉断。只有纤维滑移被认为是有效失效模式。对于每组试样，至少有6个失效模式是纤维滑移的试样被用来计算平均粘结强度。
表7粘结强度
Figure GDA0002892227000000071
表7和图3显示纤维的粘结强度。可以看出，对裸纤维和镀锌纤维来说，钢纤维的测得的粘结强度随着纤维直径的增加而增加。具有最小的直径但最大的长径比的镀铜微纤维显示出最高的粘结强度。原因可能是增加长径比，即相对小的直径和较大的表面积，可增加钢纤维的粘结强度。对于直径相近的镀锌纤维和裸纤维，镀锌纤维的测得的粘结强度大于裸纤维。因此，锌涂层和铜涂层增加了钢纤维在混凝土中的粘结强度。
为了优化含聚丙烯纤维的混凝土的性能，本发明研究了聚丙烯纤维的用量、长度、横截面和原纤化(fibrillation)对混凝土的坍落度、强度和耐火性的影响。
图4示出表3的纤维。聚丙烯纤维用量建议在混凝土体积的0.04-0.3％的范围内。为研究纤维用量的影响，每种类型的聚丙烯纤维采用两种用量，即体积百分比为0.165％(1.5kg/m3)和0.3％(2.73kg/m3)。
表8含有体积百分比为0.165％和0.3％聚丙烯纤维的混凝土的组成(kg/m3)
Figure GDA0002892227000000081
使用配方WF7作为基础混凝土配方来制备含有聚丙烯纤维的混凝土。总共制备了10组试样，即F1-L、F1-H、F2-L、F2-H、F3-L、F3-H、F4-L、F4-H、F6-L和F6-H，其中F1、F2、F3、F4和F6表示纤维类型，L表示体积百分比为0.165％的较低用量，H表示体积百分比为0.3％的较高用量。表8显示了含有体积百分比为0.165％和0.3％聚丙烯纤维的混凝土的组成。按照相关的香港标准，用坍落度锥测量新拌混凝土的坍落度。每组分别浇筑七个100mm×100mm×100mm的立方体试样，其中三个立方体用于进行28天抗压强度测量，其余四个立方体用于耐火性评估；其中两个完全干燥，两个在50％相对湿度下养护。所有试样在浇筑后一天从模具中取出，然后将用于抗压试验的试样在27℃下湿养护27天再进行试验，而用于耐火试验的试样在60℃的蒸汽中养护7天(以加速混凝土的固化)再进行干燥或者养护。在混凝土的龄期到达第28天的时候，使用抗压试验机进行抗压试验，荷载速率为0.6MPa/s。每个样品的抗压强度是三个试样的结果的平均值。耐火试验是将混凝土试样在电热炉中加热，混凝土的耐火性根据爆裂程度和残余强度来评价。在电热炉中加热之前，每组试样的两个立方体在烘炉(105℃)中干燥一周，直至含水量几乎为0％，而另外两个立方体在环境箱(26℃，相对湿度50％)中干燥两周，直至水分含量为2.6％。在电热炉加热的最初的3小时内，炉内温度从室温上升到800℃，然后在800℃下保持4小时。最后将电热炉中的试样自然冷却并进行抗压试验。
表9显示含有聚丙烯纤维的混凝土的坍落度和28天抗压强度。可以看出，不论纤维的用量和种类如何，聚丙烯纤维的添加都降低了混凝土的坍落度和强度。对于所有五种类型的纤维，随着纤维用量的增加，混凝土的坍落度和强度均降低。混凝土强度的降低可能是由于和易性较低的混凝土中含有更多的孔隙。关于纤维长度的影响，可以看出，增加纤维长度增加了混凝土的坍落度，特别是当纤维用量较高时，但同时略微降低了强度。原因可能是，在指定的用量下，随着纤维长度的增加，纤维的添加量减少。但是，聚丙烯纤维的横截面形状和原纤化对混凝土的坍落度和强度几乎没有影响。
表9含有聚丙烯纤维的混凝土的坍落度和28天抗压强度
Figure GDA0002892227000000091
本发明通过热电偶测量电热炉的温度及不含聚丙烯纤维(WF7)和含聚丙烯纤维(F3-L和F3-H)的混凝土的中心点温度。与电热炉温度相比，混凝土的中心点升温延迟。这是因为需要时间将热量传递到混凝土的中心。可以看出，当温度升高到180-200℃时，混凝土升温缓慢。这可能是由于混凝土失去结合水时的吸热效应造成的。而且，与不含纤维的混凝土相比，含纤维的混凝土的温度曲线存在时间滞后，表明添加聚丙烯纤维后混凝土的升温延迟。这种现象归因于聚丙烯纤维的熔化和水分的蒸发。然而，F3-L和F3-H的温度曲线几乎相同，因为与混凝土材料相比，聚丙烯纤维(体积百分比为0.165％和0.3％)的掺量相对较小。由于预计F1、F2、F4和F6聚丙烯纤维对延缓混凝土升温(主要取决于聚丙烯纤维的熔点和含量)的作用与F3聚丙烯纤维相似，因此没有测量含F1、F2、F4和F6纤维的混凝土的温度曲线。
电热炉加热后，含聚丙烯纤维的混凝土试样几乎不发生爆裂，不管含水量如何。不含纤维的混凝土也是如此。作为例子，图5a显示了电热炉加热前的六个试样，图5b显示了电热炉加热后的六个试样。表10显示了电热炉加热后所有混凝土试样的残余强度。可以看出，聚丙烯纤维的加入并没有显著降低混凝土的强度。这是因为混凝土的高温后残余强度下降主要是由混凝土中水化产物的受热分解所致，而聚丙烯纤维对这种分解没有影响。聚丙烯纤维受热分解和蒸发引起的混凝土中的孔隙会导致强度略微下降。试验的结论是，较低掺量的聚丙烯纤维是可取的，不会显著降低混凝土的耐火性。水分含量不同的混凝土在高温后表现出相似的强度损失。
表10含聚丙烯纤维的混凝土的残余抗压强度
Figure GDA0002892227000000101
为了优化含钢纤维的混凝土的性能，本发明还研究了钢纤维用量、尺寸和端钩对混凝土坍落度、强度和耐火性的影响。为了研究纤维用量的影响，每种钢纤维使用两个用量：体积百分比为0.2％(15.8kg/m3)和0.4％(31.6kg/m3)。本发明使用配方WF7作为基本混凝土配方来制备含有钢纤维的混凝土，总共制备了8组试样，即C0.16-L、C0.16-H、G0.62-3D-L、G0.62-3D-H、G0.92-3D-L、G0.92-3D-H、G0.92-5D-L和G0.92-5D-H、其中C0.16、G0.62-3D、G0.92-3D和G0.92-5D表示纤维类型，L表示体积百分比为0.2％的较低用量，H表示体积百分比为0.4％的较高用量。表11显示含有体积百分比为0.2％和0.4％钢纤维的混凝土的组成。在制备含有钢纤维的混凝土时，首先将钢纤维与粉状原料干拌，然后加入水和超增塑剂，接着连续搅拌以消除纤维团聚。用于钢纤维研究的试样号和养护方案、坍落度试验方案、抗压试验方案和耐火试验方案基本上与聚丙烯纤维相似。然而，在加热之后，没有测量在50％相对湿度下养护的混凝土的残余强度。
表11含有体积百分比为0.2％和0.4％钢纤维的混凝土的组成(kg/m3)
Figure GDA0002892227000000111
表12显示含有钢纤维的混凝土的坍落度和28天抗压强度。可以看出，不论钢纤维的类型如何，混凝土的强度随着纤维用量的增加而增加，而混凝土的坍落度随着纤维用量的增加而减小。纤维长度对混凝土坍落度有显著影响。13mm长的钢纤维显著降低了坍落度，30mm长的纤维稍微减少了坍落度，而60mm长的纤维稍微增加了坍落度。原因可能是，在一定的纤维用量下，随着纤维长度增加，钢纤维数量减少，塌落度的损失也随之减少。但是，端钩形状对混凝土坍落度几乎没有影响。尽管13mm长的钢纤维减小了混凝土的塌落度，但是增加了混凝土强度。30mm和60mm长的纤维在较低的用量时略微降低了混凝土强度，而在较高的用量下增加了混凝土强度。含有5D端钩的钢纤维混凝土比含有3D端钩的钢纤维混凝土表现出更高的抗压强度。钢纤维对混凝土强度的提升可能是钢纤维的桥接效应(控制裂缝扩展)和纤维高拉伸强度的结果。
表12含有钢纤维的混凝土的坍落度和28天抗压强度
Figure GDA0002892227000000112
表13含有钢纤维的混凝土(完全干燥试样)的残余强度
Figure GDA0002892227000000113
Figure GDA0002892227000000121
在电热炉加热之后，钢纤维混凝土几乎没有爆裂(如图6a和6b所示)。表13显示电热炉加热后所有混凝土试样的残余强度。可以看出钢纤维降低了混凝土的残余抗压强度。原因可能是钢纤维在高温下比混凝土表现出更大的膨胀，导致混凝土中出现一些裂纹。纤维用量和类型对混凝土的残余强度几乎没有影响。
如上所述，F3和F4 Sika fibermesh 150纤维表现出与混凝土最好的相容性，对混凝土的强度具有相似的影响，但与F3纤维相比，F4纤维的加入会引起更多的坍塌减少。对于钢纤维，镀铜的钢纤维在混凝土中表现出最高的粘结强度，并且对于提高混凝土强度具有显著效果。因此，本发明选择使用F3(即12mm长的Sika fibermesh150聚丙烯纤维)和C0.16(即13mm长的镀铜钢纤维)。纤维用量为，聚丙烯纤维为混凝土体积的0.05-0.3％，钢纤维为混凝土体积的0.1-0.4％。本发明基于C100(WF7)配方开发了四种含有混杂纤维的混凝土配方，其组成如表14所示。
表14含有混杂纤维的混凝土的组成(kg/m3)
Figure GDA0002892227000000122
Figure GDA0002892227000000131
本发明采用两个聚丙烯纤维用量，即体积百分比为0.083％和0.165％，以及三个钢纤维用量，即体积百分比为0.1％、0.2％和0.3％。配方编号ID HF0.083/0.2是指含有体积百分比为0.083％聚丙烯纤维和0.2％钢纤维的混杂纤维混凝土。每组分别浇筑6个100mm×100mm×100mm的立方体试样，用于7天和28天抗压强度测量。所有试样均在浇筑后一天从模具中取出，然后在27℃下湿养护6天和27天以待试验。抗压试验在7天和28天的时候进行，荷载速率为0.6MPa/s。每个试样的强度是三个试样的结果的平均值。含有聚丙烯纤维和钢纤维的混凝土的坍落度和抗压强度示于表15中。
表15具有聚丙烯纤维和钢纤维的C100混凝土的坍落度和抗压强度
HF0.083/0.2 HF0.165/0.1 HF0.165/0.2 HF0.165/0.3
坍落度(mm) 180 190 170 150
7天抗压强度(MPa) 97.1 96.5 96.6 97.9
28天抗压强度(MPa) 124.5 119.4 118.8 122.7
结果进一步证明混凝土的坍落度随着纤维含量的增加而下降，钢纤维和聚丙烯纤维对混凝土的坍落度和强度具有不同的影响。所有四种配方具有150mm以上的坍落度和113MPa以上的28天抗压强度，即达到C100的水平。HF0.083/0.2和HF0.165/0.3配方在7天和28天抗压强度两方面都表现更好。考虑到聚丙烯纤维和钢纤维对混凝土耐火性的有利影响，采用HF0.165/0.3作为C80、C90和C100混凝土的纤维用量。本发明同时制备了与HF0.165/0.3相同纤维用量的C80、C90混杂纤维混凝土。表16给出了它们的7天和28天抗压强度。
表16含有混杂纤维的C80和C90混凝土的抗压强度
Figure GDA0002892227000000132
Figure GDA0002892227000000141
含有钢纤维或聚丙烯纤维的混凝土的耐火试验结果显示，不含水分(105℃下干燥)和含有2.6％水分的混凝土在电热炉加热4小时后没有爆裂。本发明将含有PP纤维、钢纤维和混杂纤维的混凝土立方体试样在水中浸泡28天至饱和状态，然后在电热炉里加热。加热速率在图7中示出。不论混凝土等级如何，所有无纤维的控制试样在加热过程中都严重爆裂，如图8所示。含有PP纤维、钢纤维和混杂纤维的试样在试验中保持其完整性。这证明了聚丙烯纤维和钢纤维可以有效防止混凝土在火中发生爆裂。
本发明还测试了含有体积百分比为0.165％和0.3％用量(即HF0.165/0.3)的聚丙烯和钢纤维的C80、C90和C100混凝土的弹性模量，结果在表17中给出。弹性模量随着混凝土等级升高而增加，试验值高于香港混凝土规范中的推荐值，这表明添加聚丙烯纤维和钢纤维不会削弱混凝土的弹性模量。
表17C80、C90和C100混杂纤维混凝土的弹性模量
Figure GDA0002892227000000142
本发明根据香港规范CS1-2010，在28天龄期的时候对C80、C90和C100纤维混凝土上进行劈裂抗拉试验。用于劈裂试验的试样是直径为100毫米、高度为200毫米的圆柱体。另外，本发明在高温下对C100高性能混凝土进行抗压试验以评估钢纤维和聚丙烯纤维对高性能混凝土耐火性的影响，制备了具有不同纤维类型(表18)，直径为75mm、高度为150mm的圆柱形试样。浇筑后24小时将试样从模具中取出，并在27℃下湿养护28天。本试验中考虑的温度包括室温、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃和700℃。在每个温度下测试了一对试样以测定机械性能。
表18C100高性能混凝土的混合比例
Figure GDA0002892227000000151
试样在室温下或者在电热炉中加热至200℃、300℃、400℃、500℃、600℃和700℃，并进行抗压强度测试。试样在没有预加荷载的情况下以5℃/分钟的恒定加热速率在电炉内部加热，以达到指定的温度。在保温三小时之后，通过加载能力为4600kN的MTS液压试验机对电炉内的试样施加压力荷载。
表19中给出了本发明组合物的劈裂强度。聚丙烯纤维和钢纤维极大地提高了混凝土的劈裂强度。在掺入体积百分比为0.165％的聚丙烯纤维和0.3％的钢纤维之后，C80、C90和C100混凝土的劈裂强度分别提高了25.9％、18.9％和12.4％。混凝土等级越低，劈裂强度提高越多。聚丙烯纤维和钢纤维都有助于增强混凝土的劈裂抗拉强度。因此，在本发明所采用的纤维用量范围内，较大用量的聚丙烯纤维和钢纤维有利于提高混凝土的拉伸性能。
表19高性能混凝土的劈裂强度
Figure GDA0002892227000000161
图9a-9d显示了试验后试样的物理状态。随着试样暴露的温度升高，试样的颜色从深灰色变成浅灰色。含有钢纤维和混杂纤维的组比其他两组受损稍多。试样在不同温度下的抗压强度如图10所示。对于所有的组，随着温度的升高，抗压强度会下降。当温度升高到700℃时，对照混凝土的抗压强度降至室温的21％。钢纤维对提高混凝土高温抗压强度有积极的作用。随着温度的升高，这种改善变得越加明显。钢纤维使混凝土在700℃下荷载能力提高了60％。但是，聚丙烯纤维对抗压强度影响不大。这是因为钢纤维可以在高温下保持其强度，而聚丙烯纤维在400℃以上完全熔化。
为了进一步增强高性能混凝土的耐火性和和易性，本发明将纳米颗粒混入混凝土组合物中以评估它们对高性能混凝土的强度和热导率的影响。采用上述开发的C100高性能混凝土作为对照配方。固体纳米Mg(OH)2、聚苯基倍半硅氧烷(“POSS”)、碳纳米管(“CNT”)和纳米SiO2浆液被选为纳米颗粒添加剂。纳米颗粒的用量为混凝土体积的0.1％至0.3％。固体纳米Mg(OH)2、POSS和CNT在使用前通过超声混合器分散成浆液。本发明使用两种不同的分散方法。方法A是以额定功率的30％将质量比为1:11.4的纳米颗粒和水分散4个小时。方法B是以额定功率的70％将质量比为1:11.4:1的纳米颗粒、水和超增塑剂分散0.5小时(表20)。在浇筑24小时后将样品从模具中取出，并在27℃下湿养护28天或在60℃下蒸汽养护7天。养护后，对每组6个样品进行抗压试验。其他样品在电炉中加热。将热电偶嵌入尺寸为100*100*100mm的混凝土立方体中。测量炉温和混凝土立方体中心处的温度。加热速率为5℃/分钟，保温时间为4小时。所有试样在试验后均保持完好。本发明同时还测试了试样的残余抗压强度。
表20含纳米颗粒的高性能混凝土
Figure GDA0002892227000000162
Figure GDA0002892227000000171
包含纳米颗粒的混凝土内的抗压强度和升温如图11和12所示。POSS阻碍了混凝土强度的发展，而碳纳米管是唯一能够抵抗高温环境的材料；因此，选择碳纳米管作为高性能混凝土组合物的添加剂。
本发明在被认可实验室中根据国际标准进行防火试验，以验证本发明的混凝土组合物的耐火性。由于高强度混凝土在实际应用中主要用于垂直构件(如柱、墙等)，因此采用柱试样进行防火试验。
制备十二个高性能混凝土短柱，其组成、尺寸和保护层厚度不同。短柱具有两种横截面尺寸，即250mm×250mm×1000mm和400mm×400mm×1000mm。前者的混凝土保护层厚度(从试样表面到箍筋)为30mm，后者为30mm或45mm(表21)。在这里，C80HF-CS250-30表示由C80混杂纤维强化混凝土制成的横截面为250mm×250mm、保护层厚度为30mm的柱。C100C和C100CNT表示C100对照混凝土(不含纤维)和C100混杂纤维碳纳米管强化混凝土，其中碳纳米管用量为混凝土体积的0.13％。“HF”和“HF2”之间的区别在于，前者的聚丙烯用量为体积百分比0.165％，后者为体积百分比为0.22％。在雄略幕墙顾问有限公司(ResearchEngineering Development Facade Consultants Limited，香港)，在水平炉中进行无荷载情况下的混凝土短柱试样的耐火试验。根据BS EN 1363-1，耐火试验持续了四个小时。
表21用于耐火试验的高性能短柱的细节
Figure GDA0002892227000000181
Figure GDA0002892227000000191
在耐火试验之后的样品在图13a-13c中显示。可以看出C100C-CS400-45混凝土柱严重爆裂并露出钢筋。混凝土爆裂削弱了柱子的横截面并升高了试样中心处的温度(图14a)。相比之下，含聚丙烯纤维和钢纤维的试样在防火试验中保持其完整性，说明加入聚丙烯纤维和钢纤维可以有效地改善高性能混凝土的耐火性。如图14a所示，C100混凝土由于其结构更致密而具有比C80和C90混凝土更高的导热率。碳纳米管的添加改善了混凝土的导热性。保护层厚度和横截面对钢筋的温度的影响如图14b和14c所示。厚的混凝土保护层有助于阻止热量的传播。大的横截面可以吸收更多的热量，从而降低钢筋的温度。表22列出了爆裂的混凝土的深度和面积比(爆裂面积与原面积之比)。爆裂风险随着混凝土等级的增加而增加。在C100混凝土试样中，含有体积百分比为0.22％的聚丙烯纤维和0.3％的钢纤维的C100HF2-CS400-45具有最好的结构完整性。其材料组成被用来制备用于加荷载的耐火试验的高性能混凝土长柱。
表22短柱的爆裂混凝土深度和面积比
Figure GDA0002892227000000192
Figure GDA0002892227000000201
本发明在一个全尺寸的高性能混凝土长柱上施加轴向荷载，并进行耐火试验以测试其耐火性。本试验制备一个宽400毫米、深400毫米、高3300毫米、保护层厚度45毫米的高性能混凝土长柱。试样的钢筋由八根直径为20mm的螺纹钢筋和十八个直径为10mm的箍筋组成。箍筋间距，在试样的中部为200mm，在试样的两端为150mm。在混凝土浇筑之前，在试样的主钢筋上和横截面中心安装了9个热电偶。表23给出了混凝土的组成。测得的混凝土28天抗压强度为122MPa。从试样表面到箍筋，混凝土保护层的厚度为45mm。
表23C100N高性能混凝土的混合比例(kg/m3)
Figure GDA0002892227000000202
Figure GDA0002892227000000211
本发明在雄略幕墙顾问有限公司(Research Engineering Development FacadeConsultants Limited，香港)的立式炉中进行混凝土长柱试样的耐火试验。通过两个液压千斤顶在试样的顶部施加400kN的垂直荷载。载荷的偏心距是6毫米。根据BS EN1363-1，炉的升温遵循以下关系：
T＝345log10(8t+1)+20
式中，T为炉的平均温度，t为时间，单位为分钟。耐火试验持续241分钟。
长柱试样在测试后大致保持其完整性，只有前部的混凝土保护层轻微爆裂(图15a和15b)。前部的爆裂现象原因如下：当水平浇筑混凝土柱时，较重的骨料沉降，较轻的浆料和水漂浮并聚集在柱的表面上，柱的表面层中水含量过高导致该面层在火中的爆裂。但是，所有爆裂混凝土的深度都不超过11mm，远远低于混凝土保护层的45mm厚度。轻微的爆裂对柱内温度影响不大。
长柱的垂直变形和变形率如图16和17所示。虽然受到400kN的压力，但是在整个耐火试验期间，该柱呈现伸长变形。根据BS EN 1363-1，对于受到垂直荷载的构件，当其垂直收缩(缩短变形)达到其初始高度的1％，或者其垂直收缩率(缩短率)达到其初始高度的0.3％时，构件将被认定为在耐火试验中失去其荷载能力。由于本发明的高性能混凝土长柱保持连续膨胀(即伸长变形)，所以它在试验期间保持其承载力，因此认定其通过耐火试验。
本发明也测试了混凝土组合物的热工参数，用该混凝土制备了三块尺寸为300mm×300mm×75mm的混凝土板和四条尺寸为70mm×70mm×285mm的混凝土棱柱，以分别用于导热试验和热膨胀试验。
用于热膨胀试验的棱柱首先在电炉中分别加热到40℃、60℃、80℃、100℃，并保温半小时。然后从炉中取出棱柱，立即用长度比较仪测量它们的长度。线性膨胀系数αl由以下公式获得：
Figure GDA0002892227000000221
式中CRDi和CRDT分别为初始温度时和温度T时试样和参考棒(reference bar)的比较仪读数的差值；G是标距长度，250mm；Ti是初始温度，25℃。
本发明将高性能混凝土的胶凝材料试样在球磨机中研磨，然后通过差示扫描量热法测试胶凝材料的比热容，在图18中显示。Harmathy建立了如下的公式来计算混凝土的比热容：
cc＝ωptcpt+ωfacfa+ωcacca
式中cpt、cfa和cca分别为水泥浆料、细骨料和粗骨料的比热。ωpt、ωfa和ωca分别为水泥浆、细骨料和粗骨料在混凝土中的质量分数。本发明对Harmathy公式进行如下修改，以计算含钢纤维和聚丙烯纤维的高性能混凝土的比热容：
cc＝ωpcp+ωsacsa+ωstcst+ωsfcsf+ωpfcpf
式中，cp、csa、cst、csf和cpf分别为胶凝材料、沙子、石头、钢纤维和聚丙烯纤维在25℃时的比热。根据图18中所示的试验结果，cp为1.207J/(g℃)。csa、cst、csf和cpf分别为0.92、0.82、0.469、1.68J/(g℃)[2-4]。ωpt、ωsa、ωst、ωsf和ωpf分别为胶凝材料、沙子、石头、钢纤维和聚丙烯纤维在高性能混凝土中的质量分数。
计算得到的高性能混凝土比热容为0.953J/(g℃)。表24和25给出了高性能混凝土的热传导系数和热膨胀系数。
表24高性能混凝土的热传导系数(W/(mK))
Figure GDA0002892227000000222
表25高性能混凝土的热膨胀系数(×10-6/℃)
Figure GDA0002892227000000223
Figure GDA0002892227000000231
上面公开的以及其他的特征和功能的各种方案，或者它们的替代方案，可被组合到许多其他不同的系统或应用中。本领域技术人员后续可以做出各种目前未预见到或未预料到的替代方案、修改方案、变化方案或改进方案，这些替代方案、修改方案、变化方案或改进方案中的每一个也旨在被所公开的实施方案所涵盖。

Claims (11)

1.一种混凝土组合物，其特征在于，所述混凝土组合物具有至少150mm的坍落度、至少4小时的耐火时间、常温下至少120MPa的抗压强度和700℃下至少20MPa的抗压强度，所述混凝土混合物包含:
水泥；
粉煤灰；
硅粉；
粒径D9020mm或更低的骨料颗粒；以及
超增塑剂；
所述组合物包含纤维添加剂，所述纤维添加剂包括钢纤维和聚丙烯纤维，所述钢纤维的体积占所述混凝土组合物的0.1％至0.4％之间，所述聚丙烯纤维的熔点为200℃或更低，体积占所述混凝土组合物的0.165％至0.3％之间，所述组合物还包含碳纳米颗粒，所述碳纳米颗粒的体积占所述混凝土组合物的0.1％至0.3％之间。
2.根据权利要求1所述的混凝土组合物，其特征在于，在700℃下的抗压强度为至少28MPa。
3.根据权利要求1所述的混凝土组合物，其特征在于，所述钢纤维用铜包覆。
4.根据权利要求1所述的混凝土组合物，其特征在于，所述聚丙烯纤维的水接触角小于90度。
5.根据权利要求1所述的混凝土组合物，其特征在于，所述碳纳米颗粒为碳纳米管。
6.根据权利要求1所述的混凝土组合物，其特征在于，所述碳纳米颗粒分散在浆液中。
7.根据权利要求1所述的混凝土组合物，其特征在于，所述聚丙烯纤维具有大于6mm的平均长度。
8.根据权利要求1所述的混凝土组合物，其特征在于，所述聚丙烯纤维具有小于42微米的直径。
9.根据权利要求1所述的混凝土组合物，其特征在于，所述钢纤维具有大于13mm的平均长度。
10.根据权利要求1所述的混凝土组合物，其特征在于，所述钢纤维具有至少160微米的直径。
11.根据权利要求1所述的混凝土组合物，其特征在于，所述超增塑剂是基于聚羧酸的超增塑剂。
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