CN109081655A - 一种桥梁用粗骨料活性粉末混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁用粗骨料活性粉末混凝土及其制备方法。本发明所述粗骨料活性粉末混凝土的各组成成分以质量份计算：水泥100份，掺合料20~60份，界面改性剂2～10份，细骨料60~120份，粗骨料40～120份，纤维10～60份，水15~30份。本发明所述粗骨料活性粉末混凝土材料在自然条件等常规养护工艺下不仅具有超高的抗压强度、抗弯拉强度、抗拉强度、粘结强度以及极低的收缩性能，还具有极高的弹性模量、抗疲劳性能、耐久性能以及优异的施工性能，可极大地降低桥梁的自重和收缩徐变影响，并可显著地提高桥梁的跨径、结构刚度、承载能力和服役寿命。

Description

一种桥梁用粗骨料活性粉末混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种可用于大跨径桥梁工程用粗骨料活性粉末混凝土及其制备方法

背景技术

传统的桥梁采用普通混凝土桥面板，由于混凝土材料自重大、强度低、弹性模量小，收缩徐变大，使得桥面板在组合梁受力中的参与程度低，为了提高混凝土桥面板的受力参与程度，不得不采用厚度在250mm～300mm间的桥面板，在局部区域，桥面厚度甚至可达500mm，巨大的主梁自重制约了组合梁的跨越能力和应用范围。而活性粉末混凝土具有比强度高、负荷能力大和耐久性好等特点，不仅可大幅度度降低结构自重，为组合结构桥梁的轻型化提供了新的途径,还可以解决传统桥梁桥面板易疲劳破坏以及铺装难等顽疾。但是活性粉末混凝土主要通过细化粒径、高胶凝材料、低水胶比、热养护等技术途径实现力学性能和耐久性能的提升。带来的致命缺陷就是制作工艺复杂、原材料苛刻，成本高、收缩变形大、粘度大等，随之引起的就是应用过程中的过程控制难，性能保障差、施工难、开裂风险高等一系列隐患。另外活性粉末混凝土弹性模量进一步提升难，难以匹配钢梁的变形能力，这些缺陷都制约了其在桥梁中的应用前景。

针对上述问题，在活性粉末混凝土中引入粗骨料，并解决粗骨料界面过渡区对其性能的影响以及粗骨料与纤维搭接对施工性能的影响，不仅可继承传统活性粉末混凝土的高强度、高延性和高耐久性等卓越的力学性能，还具有以下优势：提高弹性模量和协同变形能力、降低开裂风险和提高体积稳定性、提高耐磨性能以及降低成本。因此，将其应用于桥梁中，在不改变钢-活性粉末混凝土组合结构优良性能的前提下，可提高钢混组合结构在大跨度桥梁领域中的适应性。

申请号为201710129370.9的专利文献“一种含玄武岩粗骨料的超高性能混凝土及其制备方法”，公开了一种便于工程实际运用的粗骨料超高性能混凝土，组分包括胶凝材料、骨料、水、聚羧酸高效减水剂和钢纤维。该发明在活性粉末混凝土的基础上掺入了5～20mm玄武岩粗骨料，降低了活性粉末混凝土的生产成本，且一定程度上抑制了活性粉末混凝土的自收缩。然而，该发明没有针对性的调控粗骨料带来的界面过渡区对活性粉末混凝土力学性能的影响，造成力学性能一定程度的下降。因此，该方案不是改进活性粉末混凝土的理想方案。

申请号为201610070776.X的专利文献“一种超高性能混凝土及其制备方法”，公开了一种粗骨料超高性能混凝土，组份包括：水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣粉、细骨料、粗骨料、高效减水剂。该发明中采用干热养护的方式促进胶凝材料(水泥及活性掺合料)的水化，可一定程度上改善粗骨料与砂浆界面的缺陷，提高含粗骨料超高性能混凝土的常温力学性能。然而干热养护工艺相对复杂耗能，实际工程操作性较差，不利于粗骨料活性粉末混凝土在实际工程中的推广与应用。

发明内容

本发明目的在于提供一种桥梁用粗骨料活性粉末混凝土及其制备方法，改善现有桥梁用活性粉末混凝土原材料苛刻，成本高，养护工艺复杂、收缩大，开裂风险高、施工难、弹性模量难以提升等问题。

为解决桥梁用活性粉末混凝土的弹性模量难以提升，原材料苛刻和养护工艺复杂的问题，本发明提供了一种桥梁用粗骨料活性粉末混凝土，其产品组成按重量份数计，包括下述组分：

所述的水泥为强度等级52.5及以上的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；

所述的掺合料为硅灰、粉煤灰、矿粉、偏高岭土、沸石粉、石灰石粉、石英粉的任意两种及两种以上的混合物，所述掺合料比表面积大于6000m²/kg；

所述的界面改性剂为氧化石墨烯、纳米二氧化硅、纳米金属氧化物、纳米黏土中一种或多种混合物；

所述高效分散剂为六偏磷酸钠、硝酸钾、柠檬酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酸钠、聚乙二醇、聚乙烯砒咯烷酮的一种或多种混合物；

所述细骨料选自石英砂、金刚砂、刚玉砂、碳化硅、石榴石砂、高强机制砂的任意一种或多种组合物，混合后为粒径0.075～4.75mm连续级配砂；

所述粗骨料选自花岗岩、辉绿岩、玄武岩、石灰岩的任意一种，颗粒粒径为4.75mm～9.5mm。

所述的钢纤维选自平直状、端钩状、螺旋状、波浪状微细钢纤维的两种或两种以上的混合物，混合物长度为13～20mm。

高效分散剂不仅可以提高粉体的分散性，使其填充作用充分发挥，减少颗粒堆积缺陷，提高混凝土密实性。同时高分散下不同活性的粉体可以充分交互，实现次递水化，改善了活性粉末混凝土后期强度发展动力不足现象，实现常规养护条件下前期强度发展迅速，中期强度稳健发展，后期强度持续提升，摒弃了活性粉末混凝土强度提升通常采取热养、干养等特殊养护工艺措施。

界面改性剂一方面起到纳米填充作用，有效填充粗骨料与浆体的界面过渡区，降低其厚度。另一方面其表面的活性官能团与水泥水化产物进一步反应，促进密和超高密C-S-H凝胶在界面区大量生成，显著提高界面过渡区的致密性、强度和刚度，从而规避了粗骨料界面过渡区对活性粉末混凝土弯拉强度等力学性能的降低。

利用界面改性剂和粗骨料的共同作用，在保证力学性能不降低的情况下，可以有效提升粗骨料活性粉末混凝土的抗疲劳性能，可达1000万次以上疲劳寿命，而且可以显著提升粗骨料活性粉末混凝土的弹性模量，可达50～80GPa，提升其与钢梁的协同变形能力，极大的提升桥梁的服役寿命。

作为改进，提升粗骨料活性粉末混凝土的体积稳定性，本发明所述的桥梁用粗骨料活性粉末混凝土还添加了下述按重量份数计的组分

收缩抑制组分 3～10份；

所述的收缩抑制组分为水化热调控材料、膨胀剂、减缩剂的按10％～20％：50％～70％：20％～30％比例组成的混合物

所述水化热调控材料为淀粉基水化热调控材料或糊精类水化热调控材料的任意一种或两种混合，

所述膨胀剂为氧化钙类膨胀剂、氧化镁类膨胀剂以及硫铝酸钙类膨胀剂的任意一种或两种混合，

所述减缩剂为聚醚减缩剂、聚醇减缩剂的任意一种或两种混合；

利用粗骨料的刚性骨架和水化热调控材料、膨胀剂补偿收缩、减缩剂化学减缩协同作用可以实现粗骨料活性粉末混凝土硬化后的良好的体积稳定性，90天后总体收缩变形低于0.01×10^-12，极大地降低了材料的收缩开裂风险，使其具有良好的整体性和稳定性，避免了目前活性粉末混凝土桥面板的开裂通病。

作为进一步的改进，提升粗骨料粉末混凝土的施工性能，本发明所述的桥梁用粗骨料粉末混凝土中还添加了下述重量份数计的组分

流变调控组分 10～15份，

所述的流变调控组分为硫酸盐、碳酸盐、有机硅降粘剂、有机聚醚降粘剂的任意一种或多种材料的混合物，所述的硫酸盐选自硫酸钠、硫酸钾中的一种或两种任意比例混合，所述的碳酸盐选自碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾中的一种或多种混合物；

利用流变调控组分和合理的颗粒级配设计不仅可实现粗骨料与纤维等固相硬化后均匀分散以及气泡的有效排出，保证了活性粉末混凝土结构性能的各向同性。而且叠加混杂纤维形貌设计，可以有效避免粗骨料与钢纤维搭接对浆体的拖拉作用，实现了粗骨料活性粉末混凝土的高流态，极大的改善了目前粗骨料活性粉末混凝土施工性能差的顽疾，推进了粗骨料活性粉末混凝土的规模应用。

为进一步改善本发明所述的桥梁用粗骨料活性粉末混凝土的施工性能，还添加了下述重量份数的组分：

高性能外加剂 2～5份，

所述的高性能外加剂选自聚羧酸类、脂肪族类外加剂的任意一种或多种混合物。

本发明组分主要为常规材料和废弃材料，取材方便，制备工艺简单、快捷，可显著降低活性粉末混凝土制备成本。养护工艺简易，性能保障性高，施工过程中节能环保，环境适应性广，有益于可持续发展。

所述的桥梁用粗骨料活性粉末混凝土的制备方法，包括以下步骤：

(1)首先将水泥、掺合料、流变调控组分、收缩抑制组分、界面改性剂、细骨料、粗骨料在卧轴式或立轴行星式强制搅拌机中混合1分钟；

(2)向步骤(1)中所得的混合物加水及高性能外加剂，搅拌3分钟；

(3)向步骤(2)中所得的混合物均匀洒布钢纤维，持续时间1.5～3分钟；

(4)继续湿拌2.5分钟，制得所述桥梁用粗骨料活性粉末混凝土。

此外，所述制备方法可以根据施工现场设备和工艺情况而灵活选择，便于施工操作和效率提升。

本发明所述粗骨料活性粉末混凝土材料在自然条件等常规养护工艺下不仅具有超高的抗压强度、抗弯拉强度、抗拉强度、粘结强度以及极低的收缩性能，还具有极高的弹性模量、抗疲劳性能、耐久性能以及优异的施工性能，可极大地降低桥梁的自重和收缩徐变影响，并可极大地提高桥梁的跨径、结构刚度、承载能力和服役寿命。

具体实施方式

为了更充分的解释本发明的实施，提供下述粗骨料活性粉末混凝土制备实施例。这些实施实例仅仅是解释，而不是限制本发明的范围。

实施例中的“水泥”为P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥。

实施例中的“掺合料”为硅灰、粉煤灰、石灰石粉混合物，比例为50：20：30，比表面积为13200m²/kg。

实施例中的“流变调控组分”为硫酸钾和胡机硅降粘剂组合物，比例为50：50。

实施例中的“收缩抑制组分”为糊精类水化热调控材料、氧化钙类膨胀剂、和聚醚减缩剂的组合物，比例为20:60:20。

实施例中的“界面改性剂”为纳米金属氧化物，平均粒径为30nm。

实施例中的“高效分散剂”为、十二烷基苯磺酸钠。

实施例中的“细骨料”为河砂与碳化硅组合物，比例为80:20，粒径为0.075～4.75mm连续级配砂。

实施例中的“粗骨料”为石灰岩，颗粒粒径为4.75mm～9.5mm；

实施例中的“钢纤维”为长度13mm，直径0.2mm的平直微细钢纤维与长度20mm，直径0.35mm的端钩微细钢纤维组合物，比例为50:50；

实施例中的“高性能外加剂”为聚羧酸类外加剂。

表1各实施中的粗骨料活性粉末混凝土各组分含量

实施例1为基础混凝土，没有掺入流变调控组分、收缩抑制组分、界面改性剂、高效分散剂和粗骨料。

实施例2中掺入粗骨料，没有掺入流变调控组分、收缩抑制组分、界面改性剂、高效分散剂。

实施例3中掺入粗骨料和收缩抑制组分，没有掺入流变调控组分界面改性剂、高效分散剂。

实施例4中掺入粗骨料、流变调控组分和收缩抑制组分，没有掺入界面改性剂、高效分散剂。

实施例5中掺入粗骨料、流变调控组分和收缩抑制组分，引入界面改性剂和高效分散剂。

实施例6中掺入粗骨料、流变调控组分和收缩抑制组分，提高界面改性剂和高效分散剂用量。

实施例7中掺入粗骨料、流变调控组分和收缩抑制组分，进一步提高界面改性剂和高效分散剂用量。

实施例8中提高粗骨料、流变调控组分和界面改性剂用量。

实施例9中进一步提高粗骨料、流变调控组分和界面改性剂用量。

上述实施例1-9中的材料在制备时，先将水泥、掺合料、流变调控组分、收缩抑制组分、界面改性剂、细骨料、粗骨料在卧轴式强制搅拌机中混合1分钟，然后向所得的混合物加水及高性能外加剂，搅拌3分钟，接着均匀洒布钢纤维，持续时间1.5分钟，最后继续继续湿拌2.5分钟，制得所述桥梁用粗骨料活性粉末混凝土。将拌合物进行新拌性能测试后浇筑入模24h折模，放入标准养护环境养护28天后测试综合性能。

相关试验及结果

用实施例1-9的粗骨料活性粉末混凝土，进行工作性能与力学性能的对比试验，试验结果如下：

从试验结果可以看到，采用本发明的流变调控组分、收缩抑制组分、界面改性剂、高效分散剂等技术，可以有效解决粗骨料界面过渡区对其性能的影响，使之不仅可继承传统活性粉末混凝土的高强度、高延性和高耐久性等卓越的力学性能，还可以显著提升弹性模量、降低收缩开裂风险。从而提高了活性粉末混凝土在桥梁结构中的适应性，具有显著推广价值。

实施例1为基准混凝土，具有相对较低的弹性模量和抗压强度，同时具有非常大的收缩性能，开裂风险极高。

实施例2中引入粗骨料后有利于活性粉末混凝土抗压强度、弹性模量的提升以及收缩性能的抑制，但对其弯拉性能和施工性能劣化较明显。

实施例3中引入粗骨料后叠加收缩抑制组分的作用，活性粉末混凝土的收缩抑制效果非常明显，可达普通混凝土水平，显著提升结构的体积稳定性。

实施例4中引入流变调控组分后可以有效提升骨料和纤维的分散性能，从而力学性能得到一定的提升，另外能够显著提升其施工性能。

实施例5中引入界面调控剂和高效分散剂后，骨料的界面过渡区和粉体的分散性能得到显著改善，从而粗骨料活性粉末混凝土的力学性能和耐久性能得到提升，尤其弹性模量提升明显。

实施例6和7中随着界面调控剂和高效分散剂用量的提升，粗骨料活性粉末混凝土的力学性能逐步得到提升，综合性能远超过活性粉末混凝土。

实施例8和9中随着粗骨料用量的提升，通过调整流变调控组分、界面改性剂和高效分散剂用量，可以进一步提升弹性模量和降低总收缩。

本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种桥梁用粗骨料活性粉末混凝土，其特征在于，其组成按重量份数计，包括下述组分：

水泥 100份，

掺合料 20～60份，

界面改性剂 2~10份，

高效分散剂 3~5份，

细骨料 60～120份，

粗骨料 40～120份，

钢纤维 10~60份，

水 15～35份；

所述的水泥为强度等级52.5及以上的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；

所述的掺合料为硅灰、粉煤灰、矿粉、偏高岭土、沸石粉、石灰石粉、石英粉的任意两种及两种以上的混合物，所述掺合料比表面积大于6000m²/kg；

所述的界面改性剂为氧化石墨烯、纳米二氧化硅、纳米金属氧化物、纳米黏土中一种或多种混合物；

所述高效分散剂为六偏磷酸钠、硝酸钾、柠檬酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酸钠、聚乙二醇、聚乙烯砒咯烷酮的一种或多种混合物；

所述细骨料选自石英砂、金刚砂、刚玉砂、碳化硅、石榴石砂、高强机制砂的任意一种或多种组合物，混合后为粒径0 .075～4.75mm连续级配砂；

所述粗骨料选自花岗岩、辉绿岩、玄武岩、石灰岩的任意一种，颗粒粒径为4.75mm~9.5mm；

所述的钢纤维选自平直状、端钩状、螺旋状、波浪状微细钢纤维的两种或两种以上的混合物，混合物长度为13~20mm。

2.根据权利要求1所述的桥梁用粗骨料活性粉末混凝土，其特征在于，还添加了下述按重量份数计的组分：

收缩抑制组分 3~10份；

所述的收缩抑制组分为水化热调控材料、膨胀剂、减缩剂按10%~20%：50%~70%：20%~30%比例组成的混合物；

所述水化热调控材料为淀粉基水化热调控材料或糊精类水化热调控材料的任意一种或两种混合，

所述膨胀剂为氧化钙类膨胀剂、氧化镁类膨胀剂以及硫铝酸钙类膨胀剂的任意一种或两种混合，

所述减缩剂为聚醚减缩剂、聚醇减缩剂的任意一种或两种混合。

3.根据权利要求1所述的桥梁用粗骨料活性粉末混凝土，其特征在于，还添加了下述重量份数计的组分：

流变调控组分 10~15份，

所述的流变调控组分为硫酸盐、碳酸盐、有机硅降粘剂、有机聚醚降粘剂的任意一种或多种材料的混合物，所述的硫酸盐选自硫酸钠、硫酸钾中的一种或两种任意比例混合，所述的碳酸盐选自碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾中的一种或多种混合物。

4.根据权利要求1所述的桥梁用粗骨料活性粉末混凝土，其特征在于，还添加了下述重量份数计的组分：

高性能外加剂 2~5份，

所述的高性能外加剂选自聚羧酸类、脂肪族类外加剂的任意一种或多种混合物。

5.权利要求4所述的桥梁用粗骨料活性粉末混凝土的制备方法，包括以下步骤：

（1）首先将水泥、掺合料、流变调控组分、收缩抑制组分、界面改性剂、细骨料、粗骨料在卧轴式或立轴行星式强制搅拌机中混合1分钟；

（2）向步骤（1）中所得的混合物加水及高性能外加剂，搅拌3分钟；

（3）向步骤（2）中所得的混合物均匀洒布钢纤维，持续时间1.5~3分钟；

（4）继续湿拌2.5分钟，制得所述桥梁用粗骨料活性粉末混凝土。