CN109206095B - 微膨胀超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微膨胀超高性能混凝土及其制备方法，包括以下组分及其重量配比：硅酸盐水泥100份；矿物外加剂10～55份；硅灰20～60份；体积稳定剂10～35份；石英砂150～250份；钢纤维15～40份；高分散低粘型减水剂2.0～5.0份；水30～45份。本发明的微膨胀超高性能混凝土代替负弯矩区传统的机械张拉预应力结构，形成一种非预应力简支转连续体系，又能满足自身承载力、界面粘结、微膨胀性和耐久性要求，有效提高了非预应力简支转连续体系桥梁的施工效率；本发明混凝土具有超高抗压抗拉强度、超高耐久性、微膨胀性、免蒸养性、粘结性能及合理的经济性，同时还具有良好的施工性能。

Description

微膨胀超高性能混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及公路桥梁工程及建筑材料领域，具体地指一种微膨胀超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术

通常在采用基本跨径为30m先简支后连续预制T梁施工的桥梁结构中，主要采用机械张拉的方式通过设置墩顶现浇段及张拉负弯矩钢束从而形成连续梁，由预应力来抵抗墩顶负弯矩区的上缘拉应力，阻止混凝土开裂或降低裂缝宽度。然而，该方法在对技术、设备、人员及管理上都要求较高，施工相对较繁琐，增加了施工工作量和难度，影响桥梁的按期使用。因此，如果能够利用一种具有高抗拉性能的混凝土，以代替负弯矩区传统的机械张拉预应力方法，形成一种非预应力简支转连续体系，又能满足自身承载力、界面粘结、微膨胀性和耐久性要求，将有效提高该体系桥梁的施工效率。

普通高性能混凝土(抗压强度≤60MPa，抗拉强度≤5MPa)的技术性能已经不能完全满足其需要，因此需要研发一种超高性能混凝土材料(抗压强度≥150MPa，抗拉强度≥25MPa)以满足前述工程技术需要。尽管目前的超高性能混凝土在工程上已有示范应用，但离大面积推广仍有很大距离，其主要存在以下几个方面的问题：1)超高性能混凝土收缩较大，易于开裂；2)超高性能混凝土施工难度大，其组成成分不易分散；3)材料成本过高，工程项目的造价大幅度提高。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种微膨胀超高性能混凝土及其制备方法，该超高性能混凝土能代替负弯矩区传统的机械张拉预应力结构，形成一种非预应力简支转连续体系，又能满足自身承载力、界面粘结、微膨胀性和耐久性要求，有效提高了该体系桥梁的施工效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种微膨胀超高性能混凝土，包括以下组分及其重量配比：

进一步地，所述微膨胀超高性能混凝土包括以下组分及其重量配比：

进一步地，所述矿物外加剂由粉煤灰、漂珠及磨细石灰石粉复合而成，重量配比为：粉煤灰:漂珠:磨细石灰石粉＝10～40:20～80:10～30；所述矿物外加剂的比表面积为500～1200m²/kg，细度≤12％，需水量比≤95％，烧失量≤3％，28d活性指数≥105％。

进一步地，所述体积稳定剂由镁质轻烧膨胀剂、镁质重烧膨胀剂及促进剂复合而成，重量配比为：镁质轻烧膨胀剂:镁质重烧膨胀剂:促进剂＝20～60:20～60:10～40；所述体积稳定剂的比表面积为1000～1500m²/kg，细度≤10％，需水量比≤100％，烧失量≤3％，28d活性指数≥110％，28d体积膨胀率≤0.05％。

进一步地，所述促进剂的制备方法如下：由质量分数为2～8％的聚乙烯醇溶液和质量分数为45～55％的Al(NO₃)₃·9H₂O溶液混合，加热搅拌20～28h后再加入到质量分数为20～28％的硅溶胶溶液中，在85～95℃下加热搅拌10～14h后干燥粉磨至比表面积1000～1500m²/kg；所述促进剂的分子式为Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O。

进一步地，所述硅酸盐水泥为P.Ⅱ型硅酸盐水泥，强度等级为52.5级，比表面积为350～450m²/kg。

进一步地，所述硅灰比表面积≥20000m²/kg，活性SiO₂含量≥85％。

进一步地，所述石英砂为20～40目石英砂。

进一步地，所述钢纤维为镀铜钢纤维，直径0.1～0.2mm，长度12～18mm。

更进一步地，所述高分散低粘型减水剂为聚羧酸类粉体减水剂，所述减水剂的减水率≥35％，结构通式为：

一种上述微膨胀超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1)按原料组分的重量配比，硅酸盐水泥:矿物外加剂:硅灰:体积稳定剂:石英砂:钢纤维:高分散低粘型减水剂:水为100:10～55:20～60:10～35:150～250:15～40:2.0～5.0:30～45分别称取相应重量份的硅酸盐水泥、矿物外加剂、硅灰、体积稳定剂、石英砂、钢纤维、高分散低粘型减水剂和水，备用；

2)将按配比称好的石英砂、硅酸盐水泥、矿物外加剂、硅灰、体积稳定剂及高分散低粘型减水剂用高效干粉混料机混合形成干粉组分A；钢纤维作为组分B；水作为组分C；

3)先将组分C置于混凝土搅拌机中，然后将组分A加入搅拌机中，开启混凝土搅拌机将组分A与组分C搅拌混合2～5分钟后，再将组分B加入搅拌机中，使组分A、组分B与组分C一起搅拌混合3～5分钟后停止，即可制备出所述非预应力简支转连续桥梁体系用微膨胀超高性能混凝土。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

其一，在本发明的微膨胀超高性能混凝土体系中，因矿物外加剂的加入使得混凝土的整体性能得到明显改善，混凝土的流动性能大幅度提高，且具有高耐久性和高可泵性，可实现免蒸养施工，同时可以降低材料的成本和施工成本；本发明的超高性能混凝土在其性能和技术指标方面，远远超过了普通高性能混凝土的性能指标，且不易开裂、组成成分易分散、施工性能好、材料成本低。

其二，在本发明的微膨胀超高性能混凝土体系中加入了体积稳定剂，使得混凝土收缩大幅度降低，甚至混凝土可处于一种微膨胀的状态，这是其他超高性能混凝土不具备的性能特征。而这对于用于非预应力简支转连续桥梁体系的湿接缝施工的混凝土而言，其混凝土具备微膨胀的性能是实现这一体系转换的必备条件。

其三，本发明中的硅酸盐水泥、矿物外加剂、硅灰、体积稳定剂、石英砂、钢纤维、高分散低粘型减水剂和水这多种原材料组分的合理配比即进一步提高了超高性能混凝土的整体性能，又在微膨胀性能方面具有独创性；本发明的微膨胀超高性能混凝土代替负弯矩区传统的机械张拉预应力结构，形成一种非预应力简支转连续体系，又能满足自身承载力、界面粘结、微膨胀性和耐久性要求，有效提高了非预应力简支转连续体系桥梁的施工效率；本发明混凝土具有超高抗压抗拉强度、超高耐久性、微膨胀性、免蒸养性、粘结性能及合理的经济性，同时还具有良好的施工性能。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例进一步阐述本发明内容，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

微膨胀超高性能混凝土的制备方法包括以下步骤：

1)按原料组分的重量配比，分别称取相应重量份的硅酸盐水泥、矿物外加剂、硅灰、体积稳定剂、石英砂、钢纤维、高分散低粘型减水剂和水，备用。其中原料配备如下：

硅酸盐水泥为湖北亚东水泥有限公司生产的P.Ⅱ型硅酸盐水泥，强度等级为52.5级，比表面积为435m²/kg，标稠需水量29.8％，初凝时间125min，终凝时间184min，3d抗压强度和抗折强度分别为32.0MPa和5.6MPa，28d抗压强度和抗折强度分别为60.1MPa和10.8MPa。

矿物外加剂由粉煤灰、漂珠及磨细石灰石粉复合而成，重量配比为：粉煤灰:漂珠:磨细石灰石粉＝10～40:20～80:10～30；矿物外加剂的比表面积为500～1200m²/kg，细度为6.5％，比表面积865m²/kg，烧失量为2.8％，需水量比93％，28d活性指数108％。

硅灰为四川东南星建材有限公司生产，比表面积≥22000m²/kg，活性SiO₂含量≥90％。

体积稳定剂由镁质轻烧膨胀剂、镁质重烧膨胀剂及促进剂复合而成，重量配比为：镁质轻烧膨胀剂:镁质重烧膨胀剂:促进剂＝20～60:20～60:10～40；所述体积稳定剂的比表面积1280m²/kg，细度8％，需水量比97％，烧失量2.9％，28d活性指数115％，28d体积膨胀率0.03％。前述促进剂的制备方法如下：由质量分数为5％的聚乙烯醇(PVA)溶液和质量分数为50％的Al(NO₃)₃·9H₂O溶液混合，加热搅拌24h后再加入到质量分数为24.5％的硅溶胶溶液中，在90℃下加热搅拌12h后干燥粉磨至比表面积1280m²/kg；所述促进剂的分子式为Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O。

石英砂为宁波嘉和新材料科技有限公司成产的20～40目洁净石英砂。

钢纤维为四川东南星建材有限公司生产的镀铜钢纤维，直径0.15mm，长度15mm。

高分散低粘型减水剂为中交二航武汉港湾新材料有限公司生产的聚羧酸类粉体减水剂，所述减水剂的减水率42％。

拌和水为洁净自来水。

2)将按配比称好的石英砂、硅酸盐水泥、矿物外加剂、硅灰、体积稳定剂及高分散低粘型减水剂用高效干粉混料机混合形成干粉组分A；钢纤维作为组分B；水作为组分C；

3)先将组分C置于混凝土搅拌机中，然后将组分A加入搅拌机中，开启混凝土搅拌机将组分A与组分C搅拌混合5分钟后，再将组分B加入搅拌机中，使组分A、组分B与组分C一起搅拌混合3分钟后停止，即可制备出用于非预应力简支转连续桥梁的微膨胀超高性能混凝土。

微膨胀超高性能混凝土的技术指标要求如表1：

表1

实施例1～3和对比例1～3

实施例1～3为采用本发明所述原材料及其对应组分比例和制备方法配制而成的微膨胀超高性能混凝土，对比例1为采用上述原材料及制备方法，但未按本发明比例配制而成的超高性能混凝土，实施例1～3和对比例1为各原材料组分重量配比如表2所示：

表2

对比例2～3为使用目前常规掺合料粉煤灰(国标I级粉煤灰)及钙矾石等材料配制而成的超高性能混凝土，各原材料组分重量配比如表3所示：

表3

表2及表3中各实施例1～3和对比例1～3制得的超高性能混凝土的主要性能参数如表4所示：

表4

从表4可以看出，本发明中的微膨胀超高性能混凝土，具有非常好的各项性能指标，其性能完全能够满足设计的技术要求，具有良好的可行性和应用性，与同类其他混凝土相比在性能方面具有明显优势，同时具备其他材料不具备的微膨胀性能，解决了非预应力简支转连续桥梁体系下的材料及结构体系领域的技术难题，保障了非预应力简支转连续桥梁体系的顺利实施及其创新性，保证了公路、桥梁和隧道等工程的质量。

本发明的非预应力简支转连续桥梁体系用微膨胀超高性能混凝土的施工方法是：按上述制备方法将原料配制成具有高流动性能的混凝土拌合物后，利用混凝土高压泵车进行混凝土结构部位的混凝土施工，浇筑施工完成后，覆盖薄膜和土工布进洒水进行常规养护即可，待2～3天后拆除模板即可制得设计尺寸形状的混凝土结构。

本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims (8)

1.一种微膨胀超高性能混凝土，其特征在于：包括以下组分及其重量配比：

所述矿物外加剂由粉煤灰、漂珠及磨细石灰石粉复合而成，重量配比为：粉煤灰:漂珠:磨细石灰石粉＝10～40:20～80:10～30；所述矿物外加剂的比表面积为500～1200m²/kg，细度≤12％，需水量比≤95％，烧失量≤3％，28d活性指数≥105％；

所述体积稳定剂由镁质轻烧膨胀剂、镁质重烧膨胀剂及促进剂复合而成，重量配比为：镁质轻烧膨胀剂:镁质重烧膨胀剂:促进剂＝20～60:20～60:10～40；所述体积稳定剂的比表面积为1000～1500m²/kg，细度≤10％，需水量比≤100％，烧失量≤3％，28d活性指数≥110％，28d体积膨胀率≤0.05％；

所述促进剂的制备方法如下：由质量分数为2～8％的聚乙烯醇溶液和质量分数为45～55％的Al(NO₃)₃·9H₂O溶液混合，加热搅拌20～28h后再加入到质量分数为20～28％的硅溶胶溶液中，在85～95℃下加热搅拌10～14h后干燥粉磨至比表面积1000～1500m²/kg；所述促进剂的分子式为Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O。

2.根据权利要求1所述微膨胀超高性能混凝土，其特征在于：包括以下组分及其重量配比：

3.根据权利要求1或2所述微膨胀超高性能混凝土，其特征在于：所述硅酸盐水泥为P.Ⅱ型硅酸盐水泥，强度等级为52.5级，比表面积为350～450m²/kg。

4.根据权利要求1或2所述微膨胀超高性能混凝土，其特征在于：所述硅灰比表面积≥20000m²/kg，活性SiO₂含量≥85％。

5.根据权利要求1或2所述微膨胀超高性能混凝土，其特征在于：所述石英砂为20～40目石英砂。

6.根据权利要求1或2所述微膨胀超高性能混凝土，其特征在于：所述钢纤维为镀铜钢纤维，直径0.1～0.2mm，长度12～18mm。

7.根据权利要求1或2所述微膨胀超高性能混凝土，其特征在于：所述高分散低粘型减水剂为聚羧酸类粉体减水剂，所述减水剂的减水率≥35％，结构通式为：

8.一种权利要求1所述微膨胀超高性能混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)按原料组分的重量配比，硅酸盐水泥:矿物外加剂:硅灰:体积稳定剂:石英砂:钢纤维:高分散低粘型减水剂:水为100:10～55:20～60:10～35:150～250:15～40:2.0～5.0:30～45分别称取相应重量份的硅酸盐水泥、矿物外加剂、硅灰、体积稳定剂、石英砂、钢纤维、高分散低粘型减水剂和水，备用；

2)将按配比称好的石英砂、硅酸盐水泥、矿物外加剂、硅灰、体积稳定剂及高分散低粘型减水剂用高效干粉混料机混合形成干粉组分A；钢纤维作为组分B；水作为组分C；

3)先将组分C置于混凝土搅拌机中，然后将组分A加入搅拌机中，开启混凝土搅拌机将组分A与组分C搅拌混合2～5分钟后，再将组分B加入搅拌机中，使组分A、组分B与组分C一起搅拌混合3～5分钟后停止，即可制备出所述非预应力简支转连续桥梁体系用微膨胀超高性能混凝土。