CN108481550B - Uhpc的搅拌方法及uhpc混合料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种UHPC的搅拌方法及UHPC混合料，所述UHPC的搅拌方法包括如下步骤：S1、准备原材料；S2、将步骤S1中原材料中的粉状材料进行强制干拌形成干混料，在强制干拌过程中加入钢纤维形成钢纤维干混料，或形成上述干混料后再与钢纤维进行混合搅拌得钢纤维干混料，或暂不加钢纤维，形成上述干混料备用；S3、将液体混合物加入振动搅拌机的搅拌容器内进行湿拌；对于步骤S2中的钢纤维干混料，直接振动搅拌形成新拌好的UHPC混合料；对于步骤S2未加钢纤维的情况，则在振动搅拌时间至少1分钟后再投入钢纤维，继续振动搅拌形成新拌好的UHPC混合料。本发明的搅拌方法搅拌后的混合料能混合均匀，且胶凝材料水化程度高，搅拌效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种UHPC的搅拌方法，尤其涉及低水胶比超高性能混凝土(UHPC)的一种高效搅拌方法。
背景技术
超高性能混凝土(UHPC)指抗压强度在150MPa以上，具有超高韧性、超长耐久性的水泥基复合材料。它由法国学者于1994年提出[1]，其主要成分为硅灰和水泥等胶凝材料、细骨料(粒径一般小于0.5mm)、高效减水剂及钢纤维等，水胶比通常在0.14-0.22。新拌UHPC在各种物料充分渗透、分散足够均匀、水化反应较充分的条件下，水胶比越低，形成的UHPC越致密，强度越高。由于UHPC的致密性和优异的物理力学性能，其在桥梁工程、建筑工程、防护工程等领域具有广阔的应用前景[2]-[5]。
UHPC抗拉强度的提高和开裂后韧性的提高等主要依赖钢纤维的掺入，以及钢纤维在水泥基复合材料中的均匀分布。钢纤维结团或者分布不均匀，将形成钢纤维和基体的低粘结强度界面，降低UHPC的抗压强度，钢纤维对抗拉强度和开裂后韧性也无法发挥增强作用[10]-[12]。由于钢纤维一般用箱装或者袋装，体积较密实，在投入搅拌机前，常需机械方法(钢纤维分散机)、人工方法加以分散，或者在胶凝材料投放前，需将钢纤维与骨料先行干拌均匀，否则，会在搅拌过程中形成结团或扎堆现象[13]。单独的分散工序或者钢纤维与骨料的先行搅拌不仅需要增加设备或者人力，而且耗费工时。能否在搅拌过程中，对搅拌翻滚的UHPC混合物施加一定振动强度(振幅与振动园频率平方的乘积，并除以重力加速度，是一个无量纲的量)[14]，使其可能结团的钢纤维分散均匀呢？
在极低水胶比的情况下，UHPC拌合物的剪切屈服应力和塑性粘度比普通混凝土要大，搅拌使各种成分分散均匀的难度也大为增加[6][7]。而分散均匀是使各种颗粒及水分充分渗透，相互间充分反应，并形成超高强度的必要条件。经研究，采用常规搅拌方法，UHPC中水泥的水化程度仅30％-40％[8]，硅灰的反应程度也仅30％左右[9]。在UHPC的原材料及其配比等相同条件下，能否在搅拌过程中，对搅拌翻滚的UHPC混合物施加一定振动强度，使各种物料颗粒在搅拌中大幅增加碰撞，以使其及水分分散足够均匀、渗透足够充分呢？
研究已表明，对普通混凝土、高强混凝土、钢纤维混凝土或者砂浆等混合料进行振动搅拌，能使物料颗粒处于颤振状态，破坏物料间的粘性连接，便于物料中的胶凝材料—水泥颗粒从结团状态变为均匀分布状态(无论是宏观上，还是微观上)，当配合比不变而搅拌时间不缩短或者缩短不多时，混凝土强度能得到提高，搅拌周边工作噪声降低(需要的搅拌速度降低)，单位产量能耗下降[15][16]。研究还表明，搅拌设备作业介质类型不同，搅拌机构与介质相互作用不同，搅拌后物料各成分间的物理作用和化学作用亦有所区别[15]，振动搅拌相对强制搅拌(普通搅拌)的增强效果不一，低的几乎无效果[17][18]。
大家知道，超高性能混凝土(UHPC)混合料在组成上与其他混凝土存在三个显著不同：1)胶凝材料增加了纳米矿粉、硅灰等；2)没有粗骨料；3)用水量大幅减小(超低水胶比)。同时，超高性能混凝土混合料在搅拌过程中的物理作用、化学作用及流变性能与其他非超高性能混凝土也存在显著区别。那么，适应传统水胶比(0.26以上)、传统胶凝材料(包括水泥、粉煤灰等)、传统骨料(粗粒径大于5mm)混合料性能提高的振动搅拌方法与搅拌制度对包含低水胶比、新型胶凝材料(如纳米矿粉、硅灰等)、无粗骨料在内的UHPC混合料是否有效呢？则必须进行研究，并对振动强度或者搅拌制度等进行改进。
本发明经过机理分析与反复试验，将适应传统水胶比(0.26以上)传统胶凝材料(包括水泥、粉煤灰等)的混合料振动搅拌方法引入到具有低水胶比、新型胶凝材料(如纳米矿粉、硅灰等)，无粗骨料的UHPC混合料搅拌中，发明了一种钢纤维可干拌的、也可不干拌的UHPC振动搅拌方法和相适应的搅拌制度。
发明内容
UHPC混合料的传统强制搅拌方法存在且需要解决的技术问题是：搅拌时间相对较长；搅拌过程中和搅拌后钢纤维易结团；因物料颗粒各种成分混合不完全均匀、相互渗透不足而引起的胶凝材料水化程度不高，施工性能和养护后强度的提高潜力未能有效发掘。本发明旨在提供一种UHPC的搅拌方法，旨在解决这些问题。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
UHPC的搅拌方法，其主要包括如下步骤：
S1、准备原材料：包括水泥、硅灰、石英砂、高效减水剂、钢纤维、消泡剂按要求的配合比称取原材料；
S2、将步骤S1中原材料中的粉状材料进行强制干拌形成干混料，在强制干拌过程中加入钢纤维形成钢纤维干混料，或形成上述干混料后再与钢纤维进行混合搅拌得钢纤维干混料，或暂不加钢纤维，形成上述干混料备用；
S3、将称量好的由水和液体外加剂形成的液体混合物加入振动搅拌机的搅拌容器内进行湿拌，湿拌采用振动搅拌，振动强度为2-7；
对于步骤S2中的钢纤维干混料，直接振动搅拌时间2-8分钟形成新拌好的UHPC混合料；
对于步骤S2未加钢纤维的情况，则在振动搅拌时间至少1分钟后再投入钢纤维，继续振动搅拌时间2-8分钟形成新拌好的UHPC混合料。
本发明中原材料的各个成分的配比均按照常规技术即可。
由此，本发明形成UHPC混合料有三种方案，一种是获得干混料后，加入液体混合物进行湿拌至少1分钟后再投入钢纤维，继续振动湿拌2-8分钟形成新拌好的UHPC混合料；一种是获得干混料的后加入钢纤维进行干拌形成钢纤维干混料，加入液体混合物进行振动湿拌至少2-8分钟形成新拌好的UHPC混合料；第三种是获得干混料的过程中加入钢纤维进行干拌形成钢纤维干混料，再加入液体混合物进行振动湿拌至少2-8分钟形成新拌好的UHPC混合料。
根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：
根据本发明的第二个实施例，步骤S1中的原材料还包括石英粉和一级粉煤灰。
根据本发明的第一个实施例，步骤S1中的原材料还包括纳米矿粉。
优选地，步骤S1中的原材料还包括引气剂。
所述钢纤维为直线形钢纤维和/或端钩形钢纤维。本发明的研究对象为：具有钢纤维和低水胶比的UHPC混合料搅拌均匀问题。这里的钢纤维可以是直线形，也可以是端钩形；可以是单一规格，也可以是多种规格的混掺。
所述水胶比的范围为0.14-0.22，其中水胶比越低，则振动强度越高，水胶比越高，则振动强度越低。
步骤S2的强制干拌时间为30秒-3分钟。
步骤S3中湿拌时间为3-6分钟。
UHPC湿混料搅拌采用振动搅拌方法，即在搅拌过程中，转轴连同搅拌叶片不仅匀速旋转，而且具有直线变加速度(振动)，以使钢纤维、水、水泥、硅灰、粉煤灰、纳米矿粉等充分渗透、分散均匀，钢纤维取向均匀。在UHPC湿混料一定的情况下，振动搅拌的旋转速度较非振动搅拌的速度可适当降低。
在干混料投入搅拌机后，钢纤维既可以先行投入并进行搅拌，搅拌一定时间后，再加搅拌水进行振动搅拌；也可以同搅拌水一起投入，再进行振动搅拌。在UHPC湿混料一定的情况下，搅拌时间可适当缩短，而所得到的UHPC的抗压强度、抗折强度有所提高，变异系数降低。
上述步骤中，振动搅拌的振动强度为2-7。水胶比低时(如0.17及以下)用高值，水胶比高时(如0.17以上)用低值。
上述步骤中的UHPC的水胶比可以低至0.14。钢纤维可以是直线形，也可以是端钩形，可以是单一规格，也可以是多种规格的混掺。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种UHPC混合料，其由所述的UHPC的搅拌方法获得。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明有效地缩短了含低水胶比在内的UHPC混合料搅拌时间，提高了搅拌物料弥散的均匀度和水化反应程度，在配合比相同条件下，由于振动搅拌使各组成物料颗粒在搅拌过程中大幅增加碰撞，各种颗粒与水分分散更均匀、反应更充分，使得UHPC抗压强度、抗折强度均值得以大幅提高(如20％)，
变异系数大幅降低(如25％)，结构致密性和耐久性进一步提高。
具体实施方式
以下将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
超高性能混凝土的一种搅拌方法，主要包括如下步骤：
1、准备原材料：包括52.5号水泥、深色硅灰(活性120)、纳米矿粉(细)、高效减水剂(如530P)、石英砂、直线形钢纤维、端钩形钢纤维、消泡剂、引气剂、一级粉煤灰、石英粉等原材料；按要求的配合比称取原材料。
2、将各种粉状干料放入振动结构与搅拌结构集于一体的振动搅拌机搅拌锅，强制干拌适当时间(如30秒-3分钟)，形成干混料。若干混料是自行制作，可在干混料搅拌过程将钢纤维投入，并适当增加干拌时间(如1分钟-3分钟)；也可暂不投入钢纤维。若是购买商品干混料，则可将钢纤维、干混料一起投入搅拌锅，再干拌适当时间(如1分钟-3分钟)；也可只投入干混料，暂不投入钢纤维和搅拌。
3、将水放入器皿，并按配合比准确称量；将其他液体外加剂缓慢加入盛水容器，通过称增重，准确按量投入其他液体外加剂，形成液体混合物。
4、将称量好的液体混合物放入振动搅拌机搅拌锅，启动振动搅拌(振动强度2-7。水胶比高时，如0.17以上，用低值；水胶比低时，如0.17及以下，用高值)，搅拌2-8分钟。如钢纤维在第2步未投入，则可在启动振动搅拌1分钟后投入，再搅拌2-8分钟。
本发明通过试验研究和机理分析，改变了UHPC混合料的传统搅拌方法和搅拌制度，以加水后振动搅拌为核心的UHPC一种高效搅拌方法与搅拌制度。其主要要点如下：钢纤维可以与粉状物料先行干拌，也可以在加搅拌水后，再加钢纤维，直接进行湿拌；干拌采用传统强制搅拌方法；湿拌采用振动搅拌方法(使用振动结构与搅拌结构集于一体的振动搅拌机)；干拌时间不少于1分钟；湿拌时间为3分钟-6分钟；振动强度2-7，水胶比低时(如0.17及以下)用高值，水胶比高时(如0.17以上)用低值。采用该发明，可节省搅拌时间20％以上，减少或者避免钢纤维结团现象，提高抗压强度10％以上，大幅降低抗压、抗折强度的变异系数。
实施例1：
配合比1的两种搅拌方法与搅拌制度UHPC力学性能的对比。水泥(52.5)、硅灰、石英砂、纳米矿粉、高效减水剂、端钩纤维、消泡剂、搅拌水的用量按配合比1计算，并准确称量。搅拌采用两种搅拌制度，即UHPC混合料的常规搅拌方法与搅拌制度和本发明的UHPC混合料振动搅拌方法与搅拌制度。两种制度除称取原材料数量和方式完全相同外，所采用的常规搅拌方法与制度的余下过程如下：将各种粉状干料投入搅拌机搅拌锅，强制干拌2分钟时间；将称好的钢纤维逐渐投入，再强制干拌时间2分钟；将准确称量的水与其他液体外加剂的混合液体投入搅拌机搅拌锅，再强制湿拌6分钟，从而形成新拌好的UHPC混合料。所采用的本发明搅拌方法与制度余下过程如下：将各种粉状干料及钢纤维一次性投入搅拌机搅拌锅，强制干拌2分钟时间；将准确称量的水与其他液体外加剂的混合液体投入搅拌机搅拌锅，再振动强制湿拌5分钟，从而形成新拌好的UHPC混合料。
对两种搅拌方法与搅拌制度搅拌的UHPC混合物制成的试块按完全相同的养护制度进行养护，同样的试验方法和同一台万能试验机上进行试压。其具体过程如下，分别将按两种搅拌制度搅拌好的UHPC混合料制作成立方体试块(100mm×100mm×100mm)与棱柱体试块(100mm×100mm×400mm)，标准养护(20℃±2℃，湿度95％±2％)48h；脱模；高温(95℃±5℃度)蒸汽养护48h；自然冷却(温度下降速率不超过4℃/h，且降温时间不少于24h)至室温；对降至室温的试块进行试压。新拌UHPC混合料的塌落扩展度与UHPC立方体抗压试验所得结果见表1。
表1：配合比1的两种搅拌方法与制度下所得UHPC立方抗压强度与施工性能对比
表2：配合比1的两种搅拌方法与制度下所得UHPC抗折强度对比
由表1、表2可见和前一段的文字描述可知，采用本发明，不仅搅拌时间减少了3分钟(减少了30％)，而且新拌混合料的施工性能略有改善(扩展度提高)，且在搅拌中未发现钢纤维结团现象，所得UHPC的抗压强度均值提高了28.4％，变异系数降低61.6％,抗压强度标准值提高了41.5％，抗折强度几乎不变，抗折初裂强度均值16.6％，抗折初裂强度变异系数下降41.7％。
实施例2
配合比2的两种搅拌方法与搅拌制度UHPC力学性能的对比。配合比2与配合比1相比较，增加了一级粉煤灰和石英粉，减少了纳米矿粉。搅拌方法与搅拌制度、养护制度、试压方法与实施例1基本相同。改变之处有二：(1)将实施例1中的“再振动强制湿拌5分钟”改为“再振动强制湿拌6分钟”；(2)以及钢纤维改为在加水后投入。抗压试验所得结果见表2。
表3：配合比2的两种搅拌方法与制度下UHPC立方抗压强度与施工性能对比
表4：配合比2的两种搅拌方法与制度下所得UHPC抗折强度对比
由表3、表4可见和前一段的文字描述可知，采用本发明，不仅搅拌时间减少了2分钟(减少了20％)，而且新拌混合料的施工性能大有改善(扩展度提高较多)，在搅拌中也未发现钢纤维结团现象，所得到的UHPC的抗压强度均值提高了31.1％，其变异系数降低20.9％，其标准值提高了35.1％，抗折强度标准值亦有所提高。因传统搅拌法的UHPC抗折试验因现场原因未观测初裂应力，表中未列出，但从相关数据分析可见，抗折初裂强度亦有提高。
一种UHPC混合料，其由上述的UHPC的搅拌方法获得。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。
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Claims (6)
1.UHPC的搅拌方法，其特征在于，主要包括如下步骤：
S1、准备原材料：包括水泥、硅灰、石英砂、高效减水剂、钢纤维、消泡剂按要求的配合比称取原材料；
S2、将步骤S1中原材料中的粉状材料进行强制干拌形成干混料，在强制干拌过程中加入钢纤维形成钢纤维干混料，或形成上述干混料后再与钢纤维进行混合搅拌得钢纤维干混料，或暂不加钢纤维，形成上述干混料备用；
步骤S2的强制干拌时间为30秒-3分钟；
S3、将称量好的由水和液体外加剂形成的液体混合物加入振动搅拌机的搅拌容器内进行湿拌，湿拌采用振动搅拌，振动强度为2-7；
水胶比的范围为0.14-0.22，其中水胶比越低，则振动强度越高，水胶比越高，则振动强度越低；
在振动搅拌机中进行，在搅拌过程中，转轴连同搅拌叶片不仅匀速旋转，而且具有直线变加速度；
湿拌采用振动搅拌方法，使用振动结构与搅拌结构集于一体的振动搅拌机；
对于步骤S2中的钢纤维干混料，直接振动搅拌时间5-6分钟形成新拌好的UHPC混合料；
对于步骤S2未加钢纤维的情况，则在振动搅拌时间至少1分钟后再投入钢纤维，继续振动搅拌时间5-6分钟形成新拌好的UHPC混合料。
2.根据权利要求1所述的UHPC的搅拌方法，其特征在于，步骤S1中的原材料还包括石英粉和一级粉煤灰。
3.根据权利要求1所述的UHPC的搅拌方法，其特征在于，步骤S1中的原材料还包括纳米矿粉。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的UHPC的搅拌方法，其特征在于，步骤S1中的原材料还包括引气剂。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的UHPC的搅拌方法，其特征在于，所述钢纤维为直线形钢纤维和/或端钩形钢纤维。
6.一种UHPC混合料，其特征在于，由权利要求1-5中任一项所述的UHPC的搅拌方法获得。
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