CN109293311A - 超高性能混凝土浆料、超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于建筑材料的技术领域，尤其涉及超高性能混凝土浆料、超高性能混凝土及其制备方法。本发明提供了一种超高性能混凝土浆料，包括：水泥、微硅粉、纳米二氧化硅、石英粉、硅砂、钢纤维、减水剂及水。本发明通过最紧密堆积理论算出每种材料的添加比例和进行了多次试配实验，研发出了原材料种类最少，搅拌过程和养护工艺简单，力学性能最好的超高性能混凝土。

Description

超高性能混凝土浆料、超高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料的技术领域，尤其涉及超高性能混凝土浆料、超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
随着技术的发展，工程结构朝着更深、更长远的方向发展，这对混凝土的强度提出了更高的要求。对于普通混凝土，在满足相同功能时水泥用量较大，这加剧了对能源的需求和对环境的污染。为此，超高性能混凝土应运而生。目前，关于超高性能混凝土已开展了大量的研究，但在实际工程中的应用却微乎其微。究其原因，系制备超高性能混凝土复杂的施工工艺以及超高性能混凝土需要高温蒸压的养护条件难以实现，导致其使用范围受限。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种常温养护下即可简易制备的超高性能混凝土的超高性能混凝土浆料。
本发明提供了一种超高性能混凝土浆料，包括：水泥、微硅粉、纳米二氧化硅、石英粉、硅砂、钢纤维、减水剂及水。
作为优选，按重量份计算，包括：
及水；
其中，胶凝材料包括所述水泥和所述微硅粉；
所述水与所述胶凝材料的重量比为0.20-0.23。
需要说明的是，所述纳米二氧化硅为亲水性纳米二氧化硅。
其中，本发明使用的纳米二氧化硅具有明显的填充效应、晶核作用和早强效应，并且能充分发挥其极强的火山灰活性。混凝中掺入那你二氧化硅能够保证良好的工作性能、加速胶凝材料的水化进程、降低混凝土含气率、显著提高以抗压强度为代表的力学性能，和抗氯离子渗透性和抗冻耐久性为代表的耐久性能。
作为优选，所述水泥为3天抗压强度≥27MPa，28天抗压强度≥52.5MPa，3天抗折强度≥5MPa，28天抗折强度≥7MPa的水泥。
作为优选，所述水泥的比表面积≥300m2/kg；所述水泥的80μm方孔筛筛余不大于10％；所述水泥的粒径为20～40μm。
作为优选，所述硅砂包括粗粒径硅砂、中粒径硅砂和细粒径硅砂；所述粗粒径硅砂的粒径为800～400μm，所述中粒径硅砂的粒径为400～200μm，所述细粒径硅砂的粒径为200～120μm。
作为优选，所述粗粒径硅砂、所述中粒径硅砂和所述细粒径硅砂的质量比为1：(0.25-0.3)：(0.10-0.15)。
更为优选，所述粗粒径硅砂、所述中粒径硅砂和所述细粒径硅砂的质量比为1：0.286：0.114。
作为优选，所述微硅粉的比表面积为(20～25)×103m2/kg，所述微硅粉的粒径为0.5～2μm。
其中，本发明使用的微硅粉是冶炼工业硅产生的废料，来源广泛，具有极强的火山灰性能，能加速水泥的水化过程，与不利于混凝土内部结构的钙矾石发生二次水化反应，生成C-S-H凝胶，有利于改善凝胶-骨料过渡区，提高混凝土的力学性能。
作为优选，述石英粉的SiO2重量含量≥95％，所述石英粉的粒径为60～45μm。
其中，本发明使用硅砂和石英粉的粒径范围和质量比例是经过计算和多次试配实验得到的实验结论，能够有效地缩小混凝土内部气孔尺寸、降低混凝土含气率、提高流动性和密实度，在不改材料种类，不同粒径范围的硅砂在本申请的质量比例下可使混凝土力学性能提高约20％。
作为优选，所述减水剂是聚羧酸系减水剂。
其中，本发明使用钢纤维能有效提高混凝土韧性、劈裂抗拉强度、抗折强度、抗弯强度，但掺量过大会导致超高性能混凝土和易性下降，本申请提供的掺量范围是经过实验论证的可实现的掺量。
本发明还提供了一种超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、将水泥、微硅粉、石英粉、硅砂、水、减水剂、纳米二氧化硅和钢纤维混合，得到超高性能混凝土浆料，
步骤2、将所述超高性能混凝土浆料依次进成型和养护，得到超高性能混凝土。
具体的，本发明的一种超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)将水泥、微硅粉、石英粉和硅砂混合，得到混合物1；
(2)将混合物1、纳米二氧化硅、水，和配成溶液的减水剂溶液混合，得到混合物2；
(3)将混合物2和钢纤维混合，得到超高性能混凝土浆料；
(4)将所述超高性能混凝土浆料在模具中成型，固化后拆模，在常温养护条件下养护，得到超高性能混凝土。
具体的，所述步骤4具体为：将所述超高性能混凝土浆料分三次倒入模具中，每次倒入体积的三分之一，每装入一次浆料后使用振动台振动60秒，经过一天固化后拆模，在常温养护条件下养护6天，得到纳米二氧化硅超高性能混凝土。
本发明还公开一种超高性能混凝土，由权利要求所述的超高性能混凝土浆料制得或按照所述的制备方法制得。
其中，本发明提供的超高性能混凝土具有优秀的力学性能，7天抗压强度＞150MPa、劈拉强度＞10MPa、坍落度＞200mm、抗折强度＞30MPa、含气率下降35％-50％。本发明提供的超高性能混凝土的制作工艺简单，养护方法便利、极利于抗压强度150MPa及以上的超高性能混凝土在工程上的推广。
针对上述现有技术存在的问题，本专利发明基于骨料的最密实堆积理论以及添加纳米二氧化硅来实现。本发明的超高性能混凝土浆料使用纳米二氧化硅，由于纳米二氧化硅具有极强的火山灰活性、晶核作用和微集料填充效应，还具有对抗紫外线的光学性能，能提高其他材料抗老化、强度和耐化学性能。本发明掺加纳米二氧化硅能使超高性能混凝土早期强度提升十分明显，提高超高性能混凝土的密实度、抗氯离子渗透性和抗冻耐久性。本发明通过最紧密堆积理论算出每种材料的添加比例和进行了多次试配实验，研发出了原材料种类最少，搅拌过程和养护工艺简单，力学性能最好的超高性能混凝土。本发明的超高性能混凝土使用纳米二氧化硅，是根据纳米二氧化硅在混凝土中的微集料填充效应、晶核作用和早强效应进行胶凝体系的优化和加速水化程度(将原本的初凝时间缩短20％～35％)，并基于最紧密实理论优化骨料级配使超高性能混凝土达到最密实状态，而且掺入适量具有优良火山灰活性的微硅粉，通过以上三种优化方法可保证混凝土有良好的工作性能的同时有效提升混凝土的抗压强度和密实度。其技术指标在于7天常温养护下抗压强度大于150MPa，保证流动度在200mm以上，并且混凝土含气率下降35％-50％。本发明所述的简易制作方法是：投入粉末材料后进行第一次搅拌，投入液体材料后进行第二次搅拌，投入钢纤维后进行第三次搅拌，一天后拆模并通过常温养护至所需龄期。本发明制作工艺简单，养护方法便利、极利于抗压强度150MPa及以上的超高性能混凝土在工程上的推广。此外，本发明选用的超高性能混凝土浆料的原料，一方面，有利于促进微硅粉合理循环再利用，使垃圾废料变废为宝，减少环境污染。另一方面，有利于简化施工工艺，降低养护要求，提升超高性能混凝土的早期强度，同时将初凝时间缩短20％～35％。
具体实施方式
本发明提供了超高性能混凝土浆料、超高性能混凝土及其制备方法，用于解决现有技术中超高性能混凝土制备工艺困难的技术缺陷。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
其中，以下实施例所用原料的来源如下：
(1)水泥：采用广州市珠江水泥厂生产的金羊牌P·Ⅱ52.5R硅酸盐水泥。3天抗压强度为28.9MPa，28天抗压强度为54.3MPa，3天抗折强度为6.2MPa，28天抗折强度为7.5MPa，比表面积为320m2/kg；
(2)微硅粉：采用山东博肯硅材料有限公司生产的微硅粉，SiO2含量为94.35％，比表面积为23×103m2/kg，粒径为0.5～2μm，火山灰活性指数大于116％；
(3)纳米二氧化硅：采用上海迈坤化工有限公司生产的纳米二氧化硅，CAS编号为9631-86-9，PH值5～7，比表面积为220±30m2/g；
(4)石英粉：采用深圳市海扬粉体科技有限公司生产的型号为HY-G5石英粉，325目筛余率为0.5％，PH值为8～10，白度≥94，SiO2含量≥95％；
(5)硅砂：采用江门市新会区双水合成陶瓷玻璃原料加工厂生产的硅砂，分别购买粗粒径硅砂、中粒径硅砂和细粒径硅砂，粗粒径硅砂、中粒径硅砂和细粒径硅砂的粒径分别是(800～400)μm、(400～200)μm、(200～120)μm，使用前，根据质量比1：0.286：:0114混合使用；
(6)钢纤维：采用武汉新途公司生产的CW01-02/13镀铜微细平直形钢丝纤维，长度13mm，直径175μm，抗拉强度2000MPa，弹性模量750GPa；
(6)减水剂：采用上海齐硕实业有限公司生产的型号为QS-8020的聚羧酸高效减水剂，减水率35％，粉末聚羧酸高效减水剂与水以质量比1：3混合使用。
(7)水：采用自来水作为拌合水。
实施例1
本发明实施例提供第一种超高性能混凝土，其制备方法包括如下步骤：
(1)按照表1的重量复配关系，在强制式搅拌机中加入水泥674.21kg、微硅粉168.55kg、石英粉202.26kg、硅砂985.5kg(包括粗粒径硅砂703.93kg、中粒径硅砂201.12kg和细粒径硅砂80.45kg)，搅拌5分钟；
(2)然后一边搅拌一边加入纳米二氧化硅6.74kg、水188.10.kg和减水剂溶液41.8kg(减水剂10.45kg和水31.35kg混合配制而成)，搅拌4分钟；
(3)最后加入钢纤维196.25kg，搅拌8分钟，得到超高性能混凝土浆料；
(4)将超高性能混凝土浆料分三次倒入模具中，每次倒入体积的三分之一，每装入一次浆料后使用振动台振动60秒，经过一天固化后拆模，在常温养护条件下养护6天，得到超高性能混凝土。
实施例2
本发明实施例提供第二种超高性能混凝土，其制备方法包括如下步骤：
(1)按照表1的重量复配关系，在强制式搅拌机中加入水泥674.21kg、微硅粉168.55kg、石英粉202.26kg、硅砂985.5kg(包括粗粒径硅砂703.93kg、中粒径硅砂201.12kg和细粒径硅砂80.45kg)，搅拌5分钟；
(2)然后一边搅拌一边加入纳米二氧化硅13.48kg、水188.10.kg和减水剂溶液41.8kg(减水剂10.45kg和水31.35kg混合配制而成)，搅拌4分钟；
(3)最后加入钢纤维196.25kg，搅拌8分钟，得到超高性能混凝土浆料；
(4)将超高性能混凝土浆料分三次倒入模具中，每次倒入体积的三分之一，每装入一次浆料后使用振动台振动60秒，经过一天固化后拆模，在常温养护条件下养护6天，得到超高性能混凝土。
实施例3
本发明实施例提供第三种超高性能混凝土，其制备方法包括如下步骤：
(1)按照表1的重量复配关系，在强制式搅拌机中加入水泥674.21kg、微硅粉168.55kg、石英粉202.26kg、硅砂985.5kg(包括粗粒径硅砂703.93kg、中粒径硅砂201.12kg和细粒径硅砂80.45kg)，搅拌5分钟；
(2)然后一边搅拌一边加入纳米二氧化硅20.23kg、水188.10.kg和减水剂溶液41.8kg(减水剂10.45kg和水31.35kg混合配制而成)，搅拌4分钟；
(3)最后加入钢纤维196.25kg，搅拌8分钟，得到超高性能混凝土浆料；
(4)将超高性能混凝土浆料分三次倒入模具中，每次倒入体积的三分之一，每装入一次浆料后使用振动台振动60秒，经过一天固化后拆模，在常温养护条件下养护6天，得到超高性能混凝土。
表1
对比例
本发明实施例提供第一种超高性能混凝土，其制备方法包括如下步骤：
(1)在强制式搅拌机中加入水泥674.21kg、微硅粉168.55kg、石英粉202.26kg、硅砂985.5kg(包括粗粒径硅砂703.93kg、中粒径硅砂201.12kg和细粒径硅砂80.45kg)，搅拌5分钟；
(2)然后一边搅拌一边加入水188.10.kg和减水剂溶液41.8kg(减水剂10.45kg和水31.35kg混合配制而成)，搅拌4分钟；
(3)最后加入钢纤维196.25kg，搅拌8分钟，得到无纳米二氧化硅的混凝土浆料；
(4)将无纳米二氧化硅的混凝土浆料分三次倒入模具中，每次倒入体积的三分之一，每装入一次浆料后使用振动台振动60秒，经过一天固化后拆模，在常温养护条件下养护6天，得到无纳米二氧化硅的混凝土。
实施例5
对实施例1-3、对比例、普通硅酸盐混凝土和现有的超高性能混凝土的进行7天抗压强度、流动度、含气率和初凝时间的检测，结果如表2和表3所示。
表2
混凝土类型 7天抗压强度(MPa) 流动度(mm) 含气率(％) 初凝时间(min)
普通硅酸盐混凝土 30～60 200～270 4.0-5.0 700～750
现有的超高性能混凝土 120 240 3.5 433
实施例2 150 195 2.0 286
表3
从表2可知，本发明提供的超高性能混凝土具有优秀的力学性能，实施例2的7天抗压强度、流动度、含气率和初凝时间的性能均优于普通硅酸盐混凝土和现有的超高性能混凝土，从表3可知。由添加纳米二氧化硅的超高性能混凝土浆料制备的超高性能混凝土的抗压强度显著增大，流动度显著降低，说明掺加纳米二氧化硅能使超高性能混凝土的强度得到明显提升。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超高性能混凝土浆料，其特征在于，包括：水泥、微硅粉、纳米二氧化硅、石英粉、硅砂、钢纤维、减水剂及水。
2.根据权利要求1所述的超高性能混凝土浆料，其特征在于，按重量份计算，包括：
其中，胶凝材料包括所述水泥和所述微硅粉；
所述水与所述胶凝材料的重量比为0.20-0.23。
3.根据权利要求1所述的超高性能混凝土浆料，其特征在于，所述水泥为3天抗压强度≥27MPa，28天抗压强度≥52.5MPa，3天抗折强度≥5MPa，28天抗折强度≥7MPa的水泥；所述水泥的比表面积≥300m2/kg；所述水泥的80μm方孔筛筛余不大于10％；所述水泥的粒径为20～40μm。
4.根据权利要求1所述的超高性能混凝土浆料，其特征在于，所述硅砂包括粗粒径硅砂、中粒径硅砂和细粒径硅砂；所述粗粒径硅砂的粒径为800～400μm，所述中粒径硅砂的粒径为400～200μm，所述细粒径硅砂的粒径为200～120μm。
5.根据权利要求4所述的超高性能混凝土浆料，其特征在于，所述粗粒径硅砂、所述中粒径硅砂和所述细粒径硅砂的质量比为1：(0.25-0.3)：(0.10-0.15)。
6.根据权利要求1所述的超高性能混凝土浆料，其特征在于，所述微硅粉的火山灰活性指数大于116％。
7.根据权利要求1所述的超高性能混凝土浆料，其特征在于，所述微硅粉的比表面积为(20～25)×103m2/kg，所述微硅粉的粒径为0.5～2μm。
8.根据权利要求1所述的超高性能混凝土浆料，其特征在于，所述石英粉的SiO2重量含量≥95％，所述石英粉的粒径为60～45μm。
9.一种超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将水泥、微硅粉、石英粉、硅砂、水、减水剂、纳米二氧化硅和钢纤维混合，得到超高性能混凝土浆料，
步骤2、将所述超高性能混凝土浆料依次进行成型和养护，得到超高性能混凝土。
10.一种超高性能混凝土，其特征在于，由权利要求1～8中任一项所述的超高性能混凝土浆料制得或按照权利要求9所述的制备方法制得。
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