CN109592947A - 一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属先进土木工程材料技术领域，具体涉及一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土及制备方法，本发明采用的原材料有水泥、矿粉、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、石英砂、石英粉、石灰石粉、钢纤维、粘度调节剂、减水剂、消泡剂及水，将上述原材料按一定重量比称取后，先将干物料一并加入强制搅拌锅内预拌均匀，随后再将水或混有减水剂及消泡剂的水也加入锅内，继续搅拌，待拌合物呈均匀流态状时加入钢纤维，由此获得本发明产品。本发明具有制备方法简便，发明产品工作性好、水陆强度比高及与普通混凝土水下粘结性能好等优点，可用于水下混凝土结构的加固，进而提高结构的承载力与耐久性。

Description

一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土及制备方法

技术领域

本发明属先进土木工程材料技术领域，具体涉及一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土及制备方法。

背景技术

桥梁作为跨越江河湖海等的重要构筑物，给车辆与行人的通过带来的巨大的便利，在其服役期间，桥梁下部结构的桥墩易受水蚀、冻融及碰撞等因素产生一定的缺陷，进而导致其承载力和耐久性降低，威胁着上部结构的安全使用。大量统计结果表明，水位变化区(即干湿交替变化区)为桥墩最易产生缺陷的部位，为了修补这些缺陷，提高桥墩承载力与耐久性，常采用增大截面法对缺陷部位进行加固。因此，不可避免的涉及到水下混凝土结构的加固，可采用的方法包括围堰排水后加固及水下灌注抗分散混凝土法加固，前者虽然加固效果较好，但施工周期长且费用高，而后者的加固效果受施工工艺及水下抗分散混凝土性能的影响较大，一般水下抗分散混凝土与受损部位的混凝土黏结性能较差，加固效果一般。

超高性能混凝土(UltraHighPerformanceConcrete，简称UHPC)是一种具备超高强度、超高韧性及高耐久性的新型水泥基复合材料，目前主要应用于正交异性钢桥面的铺装，该技术可有效提高钢桥面刚度，进而有望解决正交异性钢桥面系钢结构疲劳开裂和铺装层频繁破损两大难题。已有研究表明，超高性能混凝土与普通混凝土的粘结性能优异，加之其超高的力学性能及耐久性能，若能进一步提高其水下抗分散性能，其将是一种理想的水下混凝土结构加固修补材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土，该发明产品具有水陆强度比高，且与普通混凝土水下粘结性能优异等优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土，其特征在于所述超高性能混凝土的组分包括水泥、矿粉、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、石英砂、石英粉、石灰石粉、钢纤维、粘度调节剂、减水剂、消泡剂及水，各原材料的重量比为：

本发明中，所述水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥中的一种，其强度等级为42.5级或52.5级中的一种。

本发明中，所述矿粉为S95级或S105级中的一种。

本发明中，所述粉煤灰为一级粉煤灰。

本发明中，所述硅灰的比表面积≥20000m²/kg，且二氧化硅含量≥90％。

本发明中，所述膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂，且优选电气化学工业株式会社生产的HP-CSA型产品。

本发明中，所述石英砂的细度为20～30目，所述石英粉的细度为120-200目。

本发明中，所述石灰石粉由细度为400目及1250目的石灰石粉按6:4的质量比混合而成。

本发明中，所述钢纤维长度为6～25mm，直径为0.10-0.30mm，抗拉强度≥2500MPa，钢纤维类型为长直形或端钩形中的一种或两种纤维的混合。

本发明中，所述粘度调节剂为羟丙基甲基纤维素醚，其黏度值为8000MPa·s或40000MPa·s。

本发明中，所述减水剂为聚羧酸系减水剂，减水率不低于25％。

本发明中，所述消泡剂为醚类消泡剂。

本发明中，所述水为自来水。

本发明的另一目的在于提供一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土的制备方法，具有制备方法简便且所得产品工作性好等优点。

为了实现上述目的，本发明中，一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于所述制备方法包括以下步骤：

(1)干物料预混合：将水泥、矿粉、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、石英砂、石英粉、石灰石粉、粘度调节剂、减水剂及消泡剂按一定重量比称取后，将干物料一并加入强制搅拌机内进行拌合混匀；

(2)加水拌合：干物料混合均匀后，将水或溶有减水剂及消泡剂的水一次加入混合料中，继续拌合；

(3)加入钢纤维：待步骤(2)中混合物呈均匀流态状时，将钢纤维均匀加入其中，并继续搅拌，所得拌合物即为本发明产品。

进一步地，若减水剂及消泡剂为粉状，在步骤(1)中与干物料一并拌和，若减水剂及消泡剂为液体，则在步骤(2)中将两者与水混合后再加入。

进一步地，步骤(1)中，拌合时间为2-3min；步骤(3)中，钢纤维的加料时间控制在2min内完成，随后继续搅拌2-3min。

本发明中，水泥、矿粉、粉煤灰及硅灰作为胶凝材料，不仅实现了胶凝材料颗粒的紧密堆积，矿粉、粉煤灰及硅灰的掺入还改善了钢纤维与胶凝材料基体间的粘结性能，有利于提高超高性能混凝土的拉伸强化特性。与此同时，矿粉及粉煤灰的加入也减少了水泥的掺量，降低了材料成本，而选用一级粉煤灰有利于发挥其“滚珠效应”，提高拌合物的工作性。

本发明中，选用硫铝酸钙类膨胀剂可降低超高性能混凝土的总收缩量，进而降低材料的开裂风险。

本发明中，选用石英砂及石英粉同样是为了实现超高性能混凝土拌合物的紧密堆积，同时减少胶凝材料用量，降低成本，并能提高产品的体积稳定性。

本发明中，选用细度400目与1250目石灰石粉按6:4质量比混合，此石灰石粉加入超高性能混凝土拌合物中不仅能够实现颗粒的最紧密堆积，还能有效调节拌合物工作性，同时1250目的石灰石粉能起到较好的晶核效应，改善超高性能混凝土的内部微结构。

本发明中，选用抗拉强度≥2500MPa的钢纤维制备超高性能混凝土，能够显著提高超高性能混凝土的力学性能，特别是显著提高了超高性能混凝土的抗拉强度。选用长度较短的钢纤维有利于提高超高性能混凝土拌合物的工作性，且适用于加固厚度较薄的场合，而选用长度较长的钢纤维则能显著提高超高性能混凝土的拉伸强化特性。此外，相同长度的长直形纤维与端钩形纤维相比，掺加长直形纤维的超高性能混凝土拌合物工作性相对较好，而掺加端钩形纤维的超高性能混凝土则具有更好的拉伸硬化特性，为兼顾超高性能混凝土良好的工作性与拉伸硬化特性，可将长直形纤维与端钩形纤维混合使用。

本发明中，选用黏度值为8000MPa·s或40000MPa·s的羟丙基甲基纤维素醚作为粘度调节剂是为了提高超高性能混凝土拌合物的水下抗分散能力，同时不会显著降低超高性能混凝土的力学性能，保证产品具有较高的水陆强度比。

本发明中，选用的减水剂与消泡剂即可为粉体也可为液体，当选用粉体时，可与其他干物料一同预混合，而使用液体时则应与水混合后再加入使用。

本发明提出的一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土及制备方法，具有制备方法简便，所得产品水陆强度比高且与普通混凝土水下粘结性能好等优点。

附图说明

图1给出了产品水下浇筑与成型模拟试验的装置图。

图2为超高性能混凝土轴拉测试试样结构的正视图。

图3为图2的侧视图。

图4为图2的俯视图。

图5为实施例1所得超高性能混凝土28d龄期拉伸应力-应变曲线。

图6为实施例2所得超高性能混凝土28d龄期拉伸应力-应变曲线。

图7为实施例3所得超高性能混凝土28d龄期拉伸应力-应变曲线。

图8为实施例4所得超高性能混凝土28d龄期拉伸应力-应变曲线。

具体实施方式

本发明公开了一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土及制备方法，为使本发明的目的、制备方法及实施效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土，按水泥(42.5级硅酸盐水泥)100，矿粉(S105级)15，粉煤灰7，硅灰7，膨胀剂(电气化学工业株式会社生产的HP-CSA型产品)2.5，石英砂78，石英粉30，石灰石粉17，钢纤维(直径0.20mm，长度13mm的端钩形钢纤维)13.5，粘度调节剂(黏度值为8000MPa·s的羟丙基甲基纤维素醚)0.05，减水剂(粉状)1，消泡剂(粉状)0.2及水22的重量比分别称取原材料，再将水泥、矿粉、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、石英砂、石英粉、石灰石粉、粘度调节剂、减水剂、消泡剂一并加入到强制搅拌锅中预拌混合2min，随后一次性将水加入搅拌锅内并继续搅拌，待拌合物呈均匀流态状时将钢纤维加入拌合物，继续搅拌2min，得到产品U1；

实施例2，一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土，按水泥(42.5级普通硅酸盐水泥)100，矿粉(S105级)30，粉煤灰12，硅灰20，膨胀剂(电气化学工业株式会社生产的HP-CSA型产品)6.4，石英砂95，石英粉35，石灰石粉25，钢纤维(直径0.20mm，长度13mm的长直形钢纤维)30，粘度调节剂(黏度值为40000MPa·s的羟丙基甲基纤维素醚)0.09，减水剂(粉状)1.6，消泡剂(粉状)0.3及水29的重量比分别称取原材料，再将水泥、矿粉、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、石英砂、石英粉、石灰石粉、粘度调节剂、减水剂、消泡剂一并加入到强制搅拌锅中预拌混合3min，随后一次性将水加入搅拌锅内并继续搅拌，待拌合物呈均匀流态状时将钢纤维加入拌合物，继续搅拌2min，得到产品U2；

实施例3，一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土，按水泥(52.5级硅酸盐水泥)100，矿粉(S95级)45，粉煤灰17，硅灰32，膨胀剂(电气化学工业株式会社生产的HP-CSA型产品)10.5，石英砂116，石英粉37，石灰石粉30，钢纤维(直径0.25mm，长度18mm的长直形钢纤维)40，粘度调节剂(黏度值为8000MPa·s的羟丙基甲基纤维素醚)0.14，减水剂(液体)2.5，消泡剂(液体)0.5及水36的重量比分别称取原材料，再将水泥、矿粉、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、石英砂、石英粉、石灰石粉及粘度调节剂一并加入到强制搅拌锅中预拌混合3min，随后将混有减水剂及消泡剂的水一次性加入搅拌锅内并继续搅拌，待拌合物呈均匀流态状时将钢纤维加入拌合物，继续搅拌3min，得到产品U3；

实施例4，一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土，按水泥(52.5级普通硅酸盐水泥)100，矿粉(S95级)55，粉煤灰20，硅灰45，膨胀剂(电气化学工业株式会社生产的HP-CSA型产品)13.5，石英砂135，石英粉40，石灰石粉35，钢纤维(直径0.25mm，长度18mm的端钩形钢纤维)46.8，粘度调节剂(黏度值为40000MPa·s的羟丙基甲基纤维素醚)0.18，减水剂(液体)3，消泡剂(液体)0.6及水44的重量比分别称取原材料，再将水泥、矿粉、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、石英砂、石英粉、石灰石粉及粘度调节剂一并加入到强制搅拌锅中预拌混合3min，随后将混有减水剂及消泡剂的水一次性加入搅拌锅内并继续搅拌，待拌合物呈均匀流态状时将钢纤维加入拌合物，继续搅拌3min，得到产品U4；

为评价实施例中产品的水陆强度比及产品与普通混凝土水下粘结性能，图1给出了产品水下浇筑与成型模拟试验的装置图。图中，0为加料装置，由加料漏斗0-1和软管0-2构成，软管0-2内径为2～3倍纤维长度；1为水箱，其内部尺寸为：长(L)*宽(W)*高(H)＝1000mm*1000mm*1200mm，水箱1的侧壁距离底面1000mm处有出水口1-1；2为清水，用于模拟实施例产品的水下浇筑；3为抗压强度试模，其内部尺寸为100mm*100mm*100mm；4为抗折强度试模，其内部尺寸为100mm*100mm*400mm；5为普通混凝土试块，其尺寸为100mm*100mm*200mm，且与超高性能混凝土待连接端经凿毛处理。

按图1准备模拟试验，并进行实施例产品的水下浇筑与成型。其中，普通混凝土试块5的强度等级为C40，实测抗折强度为5.7MPa，实施例产品的水下浇筑与成型方法如下所述：

在水箱1底部放置抗压强度试模3与抗折强度试模4，其中抗折强度试模4内放有普通混凝土试块5，随后向水箱1内加入清水2至出水口1-1处有清水2流出，再将加料装置0的软管0-2端部放入抗压强度试模3内。将实施例产品倒入加料漏斗0-1中，实施例产品将沿软管0-2浇筑到抗压强度试模3内，浇筑过程中应保证软管0-2端部始终位于实施例产品浆料面以下，待抗压强度试模3浇筑完毕，拔出软管0-2并按前述方法浇筑抗折强度试模4。以此方式，完成所有实施例产品的水下浇筑与成型，并在成型后第三天取出试模，拆模后对试样进行标准养护。

为获得实施例产品的水陆强度比，还对所有实施例产品进行了标准条件下的抗压强度试件成型。待前述所有试件养护至28d龄期后，按《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081)中规定对试件的抗压强度及抗折强度进行测试，测试结果如表1所示。

表1实施例产品实施效果情况

注：水陆强度比为水下成型试样抗压强度与标准成型试样抗压强度的比值。

水陆强度比是评价加固材料水下抗分散性的重要指标，表1中测试结果表明，本发明的实施例产品具有良好的水下抗分散性能。与此同时，本发明的实施例产品与普通混凝土在水下浇筑成抗折试件并进行抗折测试，通过抗折强度与试件破坏情况能够间接反映出实施例产品与普通混凝土的水下粘结性能，从表1中测试结果来看，实施例产品与普通混凝土的水下粘结性能较好。

与此同时，为了解实施例1至实施例4中所得超高性能混凝土的拉伸性能，对四种超高性能混凝土进行了拉伸试样制作，试样形状及尺寸由图2～图4给出，其中R＝62.5mm，a1＝50mm，a2＝25mm，a＝100mm，b＝100mm，h＝500mm，h1＝100mm，h2＝150mm；其中每一实施例，制作了三个试样，对试样进行标准养护并对28d龄期试样进行拉伸性能测试，获得四组试样的拉伸应力-应变曲线，分别如图5至图8所示。

由图5至图8给出的试样拉伸应力-应变曲线可以看出，实施例中所得的超高性能混凝土具有较高的拉伸强度，且明显有别于普通混凝土的拉伸脆断特性。其中，U1试样表现出一定的拉伸强化特性，U2试样表现出拉伸软化特性，而U3及U4两种试样则表现出良好的拉伸强化特性。由此可知，本发明实施例产品具有优异的拉伸性能。

需要说明的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土，其特征在于所述超高性能混凝土的组分包括水泥、矿粉、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、石英砂、石英粉、石灰石粉、钢纤维、粘度调节剂、减水剂、消泡剂及水，各原材料的重量比为：

水泥 100

矿粉 15-55

粉煤灰 7-20

硅灰 7-45

膨胀剂 2.5-13.5

石英砂 78-135

石英粉 30-40

石灰石粉 17-35

钢纤维 13.5-46.8

粘度调节剂 0.05-0.18

减水剂 1-3

消泡剂 0.2-0.6

水 22-44。

2.根据权利要求1所述的一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土，其特征在于所述水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥中的一种，其强度等级为42.5级或52.5级中的一种；所述矿粉为S95级或S105级中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土，其特征在于所述硅灰的比表面积≥20000m²/kg，且二氧化硅含量≥90%。

4.根据权利要求1所述的一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土，其特征在于所述石英砂细度为20~50目，所述石英粉细度为120~200目。

5.根据权利要求1所述的一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土，其特征在于所述石灰石粉由细度为400目和1250目的石灰石粉按6:4的质量比混合而成。

6.根据权利要求1所述的一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土，其特征在于所述钢纤维长度为6~25mm，直径为0.10-0.30mm，抗拉强度≥2500MPa，钢纤维类型为长直形或端钩形中的一种或两种纤维的混合。

7.根据权利要求1所述的一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土，其特征在于所述粘度调节剂为羟丙基甲基纤维素醚，其黏度值为8000MPa·s或40000MPa·s。

8.根据权利要求1所述的一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土，其特征在于所述减水剂为聚羧酸系减水剂，减水率不低于25%，而所述消泡剂为醚类消泡剂。

9.根据权利要求1所述的一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）干物料预混合：将水泥、矿粉、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、石英砂、石英粉、石灰石粉、粘度调节剂、减水剂及消泡剂按一定重量比称取后，将干物料一并拌合混匀；

（2）加水拌合：干物料混合均匀后，将水或溶有减水剂及消泡剂的水一次加入混合料中，继续拌合；

（3）加入钢纤维：待步骤（2）中混合物呈均匀流态状时，将钢纤维均匀加入其中，并继续搅拌，所得拌合物即为本发明产品。

10.根据权利要求9所述的一种加固水下混凝土结构的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于若减水剂及消泡剂为粉状，在步骤（1）中与干物料一并拌和，若减水剂及消泡剂为液体，则在步骤（2）中将两者与水混合后再加入。