CN109836096A - 一种超高性能轻质混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高性能轻质混凝土及其制备方法，该混凝土的生产原料包括以下质量百分比的组分：50～60％的胶凝材料，1～10％的细骨料，10～20％的轻骨料，0.1～4％的外加剂，2～11.5％的纤维，10～15％的水，所述轻骨料为真密度为100～1500kg/m³的漂珠，粒径为1～1000μm。本发明所得的超高性能轻质混凝土实现低容重的同时，可具备高抗压强度及抗弯拉强度，并且无需高温蒸养，采用常温养护即可，使得施工操作方便，适用于制备轻量化的预制构件以及其他需要降低自重的结构部位。

Description

一种超高性能轻质混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，涉及一种超高性能轻质混凝土及其制备方法。

背景技术

目前的建筑工程中，广泛应用在公路、铁路桥梁中的钢桥具有恒载自重小、抗震性能优异、施工快捷及可满足可持续发展要求等诸多优点，其中正交异性钢桥面板因其自重轻(约为普通混凝土桥面板的1/4)，极限承载力大等优点已成为国内外大、中跨径钢桥的首选桥面形式，正交异性钢桥面作为钢桥，尤其是大跨径钢桥建设的关键技术之一，长期以来受到国内、外学术界与工程界的高度重视和关注，但很多钢桥面服役后不久，就表现出两大类病害：一类是钢桥面板疲劳开裂(主要原因有钢桥面板刚度不足、钢板及焊缝应力幅过大、超载等)；另一类是钢桥面铺装病害(主要原因是铺装层材料自身抗弯拉、抗疲劳性能不足)。

针对上述两类病害，目前国内基于混凝土材料比较有效的技术解决方案主要有两种：第一种方案是将超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，简称UHPC)用于钢桥面形成轻型桥面组合结构，此方案有效提高了桥面刚度，钢桥面应力降低超过60％，抗疲劳寿命延长10倍以上，彻底解决钢结构易出现疲劳开裂和钢桥面铺装易损坏两个问题。目前这种超高性能轻型组合桥面结构的技术规程GDJTG/T A01-2015已经在广东省率先颁布，并已被成功应用于肇庆马房大桥、天津海河大桥、佛山佛陈大桥、北京通惠河桥等工程，总施工面积已超10000m²。但该技术存在几个缺点：一是UHPC面层需采用高温蒸汽养护，施工较为复杂；二是采用的钢纤维掺量高达3.5％，UHPC价格较为昂贵；三是UHPC容重为2400-2500kg/m3，再加上密集配筋，UHPC铺装层自重过大。另一种方案是采用高韧性抗裂轻质高强混凝土代替现有铺装层材料，这种方案有效降低了桥梁自重，提高了桥梁承载力。然而其最主要的缺点在于材料抗拉强度不足，由于局部荷载效应显著,钢桥面水泥混凝土铺装层中的组合拉应力较高，仍存在开裂风险。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种超高性能轻质混凝土。

本发明的另一个目的是提供一种上述超高性能轻质混凝土的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种超高性能轻质混凝土，其生产原料包括以下质量百分比的组分：

所述轻骨料为真密度为100～1000kg/m³的漂珠，粒径为1～1000μm；漂珠的粒径优选为10～300μm。

所述胶凝材料包括质量百分比为60～80％的水泥、10～30％的矿粉和5～15％的硅灰，

所述水泥采用强度等级为42.5及以上P·I、P·II、P·0代号的硅酸盐水泥；

所述矿粉可采用S105级矿粉；

所述硅灰中SiO₂的质量百分数大于等于94％，所述硅灰的平均粒径为0.10～0.15μm，比表面积为20000～25000m²/kg。

所述细骨料为粒径小于等于0.3mm的细砂。

所述纤维为直型钢纤维，纤维直径为15～300μm，纤维长度为6～20mm。

所述外加剂包括减水剂、消泡剂和减缩剂，其中：

所述减水剂的掺入量为胶凝材料质量的0.2～0.4％，

所述消泡剂的掺入量为胶凝材料质量的0.1～0.3％，

所述减缩剂的掺入量为胶凝材料质量的0.4～0.8％。

所述减水剂为聚羧酸系减水剂；

所述消泡剂包括聚醚类消泡剂、高碳醇类消泡剂、有机硅类消泡剂和聚醚改性硅类消泡剂中的一种以上；

所述减缩剂包括低肌醇亚烷基环氧化合物、聚醇类减缩剂和聚醚类减缩剂中的一种以上。

一种上述超高性能轻质混凝土的制备方法，包括如下步骤：

(1)将质量百分比为50～60％的胶凝材料、10～20％的轻骨料和1～10％的细骨料放入搅拌机内搅拌3～7分钟至混合均匀；

(2)在步骤(1)所得混合物中加入质量百分比为10～15％的水、0.35～0.9％的外加剂，继续搅拌直至流动状态；

(3)将质量百分比为2～11.5％纤维均匀的加到步骤(2)所得产物中，继续搅拌3-5min；

(4)将步骤(3)所得产物浇筑到模具中，常温下静置40～50h至凝固后，拆模后即得所述超高性能轻质混凝土。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

(1)、本发明中所述的超高性能轻质混凝土采用真密度仅为100-1000kg/m³的漂珠作为轻骨料，并剔除粗骨料，不仅可使混凝土材料轻质化，而且在不影响纤维-水泥基体粘结滑移特性的条件下，降低混凝土基体的断裂韧度和开裂强度，更有利于实现准应变硬化和微裂纹多点开裂。

(2)、本发明中所述的超高性能轻质混凝土通过多元粉体最紧密堆积优化设计，在低水胶比下满足了其在施工中对流通性的要求，同时提高了混凝土的强度。

(3)、本发明中所述的超高性能轻质混凝土在1600-2000kg/m³容重情况下，28天标养抗压强度可达到79-120MPa，抗弯拉强度可达到16-24MPa。

(4)、本发明中所述的超高性能轻质混凝土，因为根据多元粉体最紧密堆积原理进行设，故无需高温蒸养，采用常温养护即可，使得施工操作方便，节约能耗。

(5)、本发明所得的超高性能轻质混凝土，在浇筑硬化后，所得混凝土材料表面致密,具有优异的抗渗、抗碳化、抗氯离子侵蚀等耐久性。

具体实施方式

本发明提供了一种超高性能轻质混凝土及其制备方法。

<超高性能轻质混凝土>

该混凝土的生产原料包括以下质量百分比的组分：50～60％之间的胶凝材料，1～10％之间的细骨料，10～20％之间的轻骨料，0.1～4％之间的外加剂，2～11.5％之间的纤维，10～15％之间的水；

所述轻骨料采用真容重为在100～1000kg/m³之间的漂珠是可以的，漂珠的粒径在1～1000μm之间是可以的。

所述胶凝材料包括质量百分比在60～80％之间的水泥、10～30％之间的矿粉和5～15％之间的硅灰，其中，

所述硅灰中SiO₂的质量百分数大于等于94％，所述硅灰的平均粒径在0.10～0.15μm之间是可以的，比表面积在20000～25000m²/kg之间是可以的；

本发明中选用硅灰中各组分及质量百分比含量，见表1，

表1

本发明中选用的矿粉可采用S105级矿粉；

所述纤维为直型钢纤维，纤维直径在15～300μm之间是可以的，纤维长度在6～20mm之间是可以的。

所述外加剂包括减水剂、消泡剂和减缩剂，其中，所述减水剂的掺入量为胶凝材料质量的0.2～0.4％，所述消泡剂的掺入量为胶凝材料质量的0.1～0.3％，所述减缩剂的掺入量为胶凝材料质量的0.4～0.8％；

所述减水剂的减水率应≥25％，本发明中减水剂选用聚羧酸系减水剂；

所述消泡剂可包括聚醚类消泡剂、高碳醇类消泡剂、有机硅类消泡剂和聚醚改性硅类消泡剂中的一种以上；

所述减缩剂包括低肌醇亚烷基环氧化合物、聚醇类减缩剂和聚醚类减缩剂中的一种以上。

<超高性能轻质混凝土的制备方法>

一种上述超高性能轻质混凝土的制备方法，包括如下步骤：

(1)将质量百分比为50～60％的胶凝材料、10～20％的轻骨料和1～10％的细骨料放入搅拌机内搅拌3～7分钟至混合均匀；

(2)在步骤(1)所得混合物中加入质量百分比为10～15％的水、0.35～0.9％的外加剂，继续搅拌直至流动状态；

(3)将质量百分比为2～11.5％纤维均匀的加到步骤(2)所得产物中，继续搅拌3-5min；

(4)将步骤(3)所得产物浇筑到模具中，常温下静置40～50h至凝固后，拆模后即得所述超高性能轻质混凝土。

以下通过实施例对本发明做进一步说明，

实施例1

按表2中质量比称取各组分，其中，所述水泥为强度等级为52.5的P·O水泥，所述硅灰的比表面积为22000m²/kg，平均粒径在0.10～0.15之间，其中的SiO₂质量百分分数为94.48％，所述矿粉为S105级矿粉，所述细骨料是粒度在0.16-0.3mm之间的细砂，所述轻骨料是真密度在600～900kg/m³之间的漂珠，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率≥35％，消泡剂为聚醚改性硅类消泡剂中的P803消泡剂，所述减缩剂为低肌醇亚烷基环氧化合物，所述的纤维为长为19mm、直径为20μm的直型钢纤维。

表2

具体制备步骤如下：

(1)将称取后的水泥、矿粉、硅灰、漂珠和细沙放入搅拌机内搅拌5分钟至混合均匀；

(2)在步骤(1)所得混合物中加入水、减缩剂、消泡剂和减水剂，继续搅拌直至流动状态；

(3)将纤维均匀的加到步骤(2)所得产物中，继续搅拌5min；

(4)将步骤(3)所得产物浇筑到模具中，常温下静置45h至凝固后，拆模后即得所述超高性能轻质混凝土。

根据《普通混凝土力学性能试验方法》GB50081-2002测得，本实施例所得的容重为1709.9kg/m³的超高性能轻质混凝土(等级U1700)扩展度为190mm，100mm*100mm*100mm立方体28天抗压强度为79MPa、28天抗弯拉强度为15.7MPa。

实施例2

按表3中质量比称取各组分，其中，所述水泥为强度等级为52.5的P·O水泥，所述硅灰的比表面积为23000m²/kg，平均粒径在0.10～0.15之间，其中的SiO₂质量百分分数为94.48％，所述矿粉为S105级矿粉，所述细骨料是粒度在0.16-0.3mm之间的细砂，所述轻骨料是真密度在600～900kg/m³之间的漂珠，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率≥35％，消泡剂为聚醚改性硅类消泡剂中的P805消泡剂，所述减缩剂为低肌醇亚烷基环氧化合物，所述的纤维为长度为19mm、直径为20μm的直型钢纤维。

表3

具体制备步骤如下：

(1)将称取后的水泥、矿粉、硅灰、漂珠和细沙放入搅拌机内搅拌6min至混合均匀；

(2)在步骤(1)所得混合物中加入水、减缩剂、消泡剂和减水剂，继续搅拌直至流动状态；

(3)将纤维均匀的加到步骤(2)所得产物中，继续搅拌5min；

(4)将步骤(3)所得产物浇筑到模具中，常温下静置45h至凝固后，拆模后即得所述超高性能轻质混凝土。

根据《普通混凝土力学性能试验方法》GB50081-2002测得，本实施例所得的容重为1815.15kg/m³的超高性能轻质混凝土(等级U1800)扩展度为190mm，100mm*100mm*100mm立方体28天抗压强度为92MPa、28天抗弯拉强度为18.5MPa。

实施例3

按表4中质量比称取各组分，其中，所述水泥为强度等级为52.5的P·O水泥，所述硅灰的比表面积为23000m²/kg，平均粒径在0.10～0.15之间，其中的SiO₂质量百分分数为94.48％，所述矿粉为S105级矿粉，所述细骨料是粒度在0.16-0.3mm之间的细砂，所述轻骨料是真密度在600～900kg/m³之间的漂珠，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率≥35％，消泡剂为聚醚改性硅类消泡剂中的P805消泡剂，所述减缩剂为低肌醇亚烷基环氧化合物，所述的纤维为长度为19mm、直径为20μm的直型钢纤维。

表4

具体制备步骤如下：

(1)将称取后的水泥、矿粉、硅灰、漂珠和细沙放入搅拌机内搅拌6min至混合均匀；

(2)在步骤(1)所得混合物中加入水、减缩剂、消泡剂和减水剂，继续搅拌直至流动状态；

(3)将纤维均匀的加到步骤(2)所得产物中，继续搅拌5min；

(4)将步骤(3)所得产物浇筑到模具中，常温下静置45h至凝固后，拆模后即得所述超高性能轻质混凝土。

根据《普通混凝土力学性能试验方法》GB50081-2002测得，本实施例所得的容重为1917.47kg/m³的超高性能轻质混凝土(等级U1900)扩展度为190mm，100mm*100mm*100mm立方体28天抗压强度为114MPa、28天抗弯拉强度为22.4MPa。

为了更好的研究超高性能轻质混凝土的弯曲性能，本发明参照国家标准《活性粉末混凝土》计算了超高性能轻质混凝土的比抗弯强度(抗弯强度与密度的比值)，并与活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)抗弯性能等级进行对比，其中RPC的密度取值为2500kg/m³，其结果如下表所示，由表5知，U1700、U1800、U1900的抗弯强度分别为15.7MPa、18.5MPa、22.4MPa，分别达等级为RPC120、RPC140、RPC160的最低指标要求。U1700、U1800、U1900的比抗弯强度分别为9.2kPa/kg·m^-3、10.2kPa/kg·m^-3、11.7kPa/kg·m^-3，其中U1700达到了RPC160的最低指标要求，而U1800、U1900均超过了RPC最高等级RPC180相应的比抗弯强度的最低指标要求。

表5

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超高性能轻质混凝土，其特征在于：其生产原料包括以下质量百分比的组分：

所述轻骨料为真密度为100～1500kg/m³的漂珠，漂珠粒径为1～1000μm。

2.如权利要求1所述的混凝土，其特征在于：所述胶凝材料包括质量百分比为40～80％的水泥、0～30％的矿粉和5～30％的硅灰；和/或，

所述漂珠的粒径为10～300μm。

3.如权利要求2所述的混凝土，其特征在于：所述硅灰中SiO₂所占质量百分比大于或等于94％，所述硅灰的平均粒径为0.10～0.15μm，比表面积为20000～25000m²/kg。

4.如权利要求1所述的混凝土，其特征在于：所述细骨料为粒径小于或等于0.3mm的细沙。

5.如权利要求1所述的混凝土，其特征在于：所述纤维为直型钢纤维，纤维直径为15～300μm，纤维长度为6～20mm。

6.如权利要求1或2所述的混凝土，其特征在于：所述外加剂包括减水剂、消泡剂和减缩剂的组合物，其中：

所述减水剂的掺入量为胶凝材料质量的0.2～0.4％，

所述消泡剂的掺入量为胶凝材料质量的0.1～0.3％，

所述减缩剂的掺入量为胶凝材料质量的0.4～0.8％。

7.如权利要求5所述的混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸系减水剂；和/或，

所述消泡剂包括聚醚类消泡剂、高碳醇类消泡剂、有机硅类消泡剂和聚醚改性硅类消泡剂中的一种以上；和/或，

所述减缩剂包括低肌醇亚烷基环氧化合物、聚醇类减缩剂和聚醚类减缩剂中的一种以上。

8.如权利要求1至7中任一所述混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将质量百分比为50～60％的胶凝材料、10～20％的轻骨料和1～10％的细骨料放入搅拌机内搅拌3～7分钟至混合均匀；

(2)在步骤(1)所得混合物中加入质量百分比为10～15％的水、0.35～0.9％的外加剂，继续搅拌直至流动状态；

(3)将纤维均匀的加到步骤(2)所得产物中，继续搅拌3-5min；

(4)将步骤(3)所得产物浇筑到模具中，常温下静置40～50h至凝固后，拆模后即得所述超高性能轻质混凝土。