CN110028285A - 一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土及其制备方法，其特征在于：包括水泥、矿物掺合料、硅粉、减水剂、复合砂、增韧剂、钢纤维和水，上述各组分的重量份数为：硅酸盐水泥100份；矿物掺合料：10～25份；硅粉：20～40份；减水剂：2.5～4.0份；复合砂：100～150份；增韧剂：1～6份；钢纤维：15～30份；水：20～32份。本发明的超高性能混凝土具有良好的流动性，柔韧性，强度高，耐久性好，本发明的制备方法，引入了增韧剂组分，在保证超高性能混凝土强度不降低的情况下提高了其柔韧性，降低了超高性能混凝土开裂的风险。

Description

一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及高性能混凝土技术领域，具体地，涉及一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
目前我国的大跨度桥面铺装通常采用钢桥面，由于钢桥面具有自重小，承载力大，施工方便等优点，目前得到了广泛的应用。然而经过笔者对近十年来新建的钢桥面铺装调研发现主要存在两大问题，一是大多数的钢桥面的母板及各种焊缝处容易发生疲劳开裂，二是钢桥面的铺装层的表面容易产生裂缝、坑槽、推移等病害。分析上述产生的原因，钢桥面的母板及各种焊缝处发生的疲劳开裂主要原因在于钢桥面板自重小，刚度低，在交通荷载的作用下尤其是超负荷荷载反复作用下使得钢板产生变形，长期积累产生疲劳裂缝；而钢桥面铺装层产生的病害除了与材料性能、施工质量外，更重要的是钢桥面与铺装层之间产生分离，进而加速铺装层病害产生。
针对上述问题，湖南大学提出了在钢桥面上加铺超高韧性能混凝土(STC)的钢-超轻型组合桥梁结构，该结构有效的提高了钢桥面的刚度，对抑制桥面母板及焊接缝处的疲劳开裂具有一定的作用，但是由于该超高韧性能混凝土强度高，刚度大，韧性相对较差，与钢板之间的协调性较差，一旦在超重载交通的反复作用下，将会导致超高性能混凝土产生疲劳裂缝，进而引发其与钢板的脱离或脱空，后期的桥面的承载力将显著下降，桥面结构的使用寿命降低将会是显而易见。基于存在上述问题，提出一种兼具高强与柔韧性能的超高性能混凝土 (UHPC)对钢桥面的钢-超轻型组合桥梁结构十分必要，这将在一定程度上大大降低桥面的病害发生，提高桥面的使用耐久性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土，优点是本发明的超高性能混凝土具有良好的流动性，柔韧性，强度高，耐久性好；目的之二是提供该种材料的制备方法，优点是本发明的制备方法首先将粉剂类材料预先拌和，并将减水剂预先与水进行混合，在拌和过程中促进了减水剂在粉剂类材料中的分散，降低了超高性能混凝土的拌和时间，混合料的均匀度提高，综合性能优异，另外，引入了增韧剂组分，在保证超高性能混凝土强度不降低的情况下提高了其柔韧性，降低了超高性能混凝土开裂的风险。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土，包括水泥、矿物掺合料、硅粉、减水剂、复合砂、增韧剂、钢纤维和水，上述各组分的重量份数为：按重量份计，水泥100份；矿物掺合料：10～25份；硅粉：20～40份；减水剂：2.5～4.0份；复合砂：100～150份；增韧剂：1～6份；钢纤维：15～30份；水：20～32份。
进一步，所述水泥为P.I或者P.II型硅酸盐水泥，所述水泥为强度等级≥52.5；所述水泥的比表面积为350～500m2/kg。
进一步，所述矿物掺合料包括粉煤灰和矿粉，所述煤灰和矿粉的质量比为(20～40)： (60～80)，所述矿物掺合料比表面积600～1500kg/m2；所述矿物掺合料的需水量比≤95％，所述矿物掺合料的烧失量≤2％，所述矿物掺合料的28d活性指数≥105％。
进一步，所述硅粉的比表面积≥20000m2/kg，所述硅粉中活性SiO2质量百分比含量≥90％。
进一步，所述减水剂为低粘型聚羧酸型减水剂；所述减水剂的减水率≥35％。
进一步，所述复合砂包括石英砂和细砂，所述石英砂与细砂的质量比为(50～70):(30～50)，所述复合砂的粒径为15～60目，所述复合砂的细度模数为2.0～2.6。
进一步，所述增韧剂为环氧树脂胶乳与聚乙烯醇PVA的混合物；所述增韧剂的固含量为 20～60％；所述增韧剂的pH值为7～9，所述增韧剂的粘度为300～1800mPa.s。
进一步，所述钢纤维为镀铜钢纤维；所述钢纤维的直径0.15～0.3mm，所述钢纤维的长度 10～15mm，所述钢纤维的抗拉强度等级≥3000级。
一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土的制备方法包括以下步骤：
(1)将硅酸盐水泥、矿物掺合料、硅粉、减水剂、复合砂、增韧剂、钢纤维、水以如下份数分别称取备用：
按重量份计，硅酸盐水泥100份，矿物掺合料10～25份，硅粉20～40份，减水剂2.5～4.0 份，复合砂100～150份，增韧剂1～6份，钢纤维15～30份，水20～32份；
(2)将水泥、矿物掺合料、硅粉、复合砂拌和，形成组分A；
(3)将水和减水剂拌和，形成组分B；
(4)向组分A中加入2/3重量份的组分B，拌和3～5min；
(5)加入增韧剂和剩余的组分B，继续搅拌2～3min；
(6)加入钢纤维，继续拌和2～4min。
进一步，所述增韧剂的制备方法为：按重量份计，
(1)向100份的双酚A环氧树脂乳液中加入50～100份的聚酰胺或者聚醚胺；
(2)充分搅拌形成组份X；
(3)将2～15份的所述聚乙烯醇PVA与40-120份的水进行充分搅拌2～4min形成溶液Y，所述水的温度为80～110℃；
(4)最后将溶液Y与组份X中充分拌和1～3min。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土及其制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：本发明的超高性能混凝土具有良好的流动性，柔韧性，强度高，耐久性好，本发明的制备方法首先将粉剂类材料预先拌和，并将减水剂预先与水进行混合，在拌和过程中促进了减水剂在粉剂类材料中的分散，降低了超高性能混凝土的拌和时间，混合料的均匀度提高，综合性能优异；另外本发明的制备方法，引入了增韧剂组分，在保证超高性能混凝土强度不降低的情况下提高了其柔韧性，降低了超高性能混凝土开裂的风险。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
具体实施方式
以下是对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
以下实施例采用原料来源如下：
硅酸盐水泥选取拉法基水泥厂生产的P.I型强度等级为52.5硅酸盐水泥，水泥比表面积为480m2/kg；标稠需水量30.2％，初凝时间140min，终凝时间220min，3d抗压强度和抗折强度分别为34.5Mpa和6.1Mpa，28d抗压强度和抗折强度分别为61.2Mpa和11.2Mpa。
矿物掺合料选取重庆珞璜电厂生产的II粉煤灰和重庆国浩永固新型建材有限公司的S95 级矿粉，其组成质量比例为粉煤灰：矿粉＝20～40:60～80，矿物掺合料的比表面积1250kg/m2，需水量比≤92％，烧失量1.8％，28d活性指数118％。
硅粉由河北省灵寿县星州矿产品加工厂生产，比表面积22000m2/kg，活性SiO2的质量百分比含量为99.8％。
减水剂选用福建科之杰减水剂有限公司的Point4高效聚羧酸型减水剂，固含量33.5％，减水率36％。
复合砂采用石家庄长永矿产品有限公司生产的石英砂和重庆长江的细砂按照石英砂：细砂＝50～70:30:50配制，配制后复合砂粒径为45目，细度模数为2.2。
增韧剂采用山东德源环氧科技有限公司生产的双酚A环氧树脂乳液E-44、广州市林盛化工有限公司生产的聚酰胺450以及济南利扬化工有限公司生产的聚乙烯醇1788自制得到环氧树脂乳液与聚乙烯醇PVA的混合物，其固含量为45.2％，pH值为8.2，粘度为1100mPa.s。
钢纤维选用常州天怡工程纤维有限公司生产的镀铜端勾状钢纤维，直径0.2mm，长度 14mm。
水选用自来水。
实施例1
根据表1，本发明提供第一种超高性能混凝土，其制备方法包括如下步骤：
(1)硅酸盐水泥100份，矿物掺合料15份，硅粉20份，减水剂3份，复合砂150份，增韧剂1.5份，钢纤维16份，水23份；
(2)将硅酸盐水泥、矿物掺合料、硅粉、复合砂采用混凝土搅拌机拌和，形成组分A；
(3)将水和减水剂拌和，形成组分B；
(4)向组分A中加入2/3重量份的组分B，拌和3～5min；
(5)加入增韧剂和剩余的组分B，继续搅拌2.5min；
(6)加入钢纤维继续拌和3min。
实施例2
根据表1，本发明提供第二种超高性能混凝土，其制备方法包括如下步骤：
(1)硅酸盐水泥100份，矿物掺合料15份，硅粉25份，减水剂2.5份，复合砂120份，增韧剂2份，钢纤维20份，水25.2份；
(2)将硅酸盐水泥、矿物掺合料、硅粉、复合砂采用混凝土搅拌机拌和，形成组分A；
(3)将水和减水剂拌和，形成组分B；
(4)向组分A中加入2/3重量份的组分B，拌和4min；
(5)加入增韧剂和剩余的组分B，继续搅拌2.5min；
(6)加入钢纤维继续拌和3min。
实施例3
根据表1，本发明提供第三种超高性能混凝土，其制备方法包括如下步骤：
(1)硅酸盐水泥100份，矿物掺合料25份，硅粉20份，减水剂3.2份，复合砂120份，增韧剂3份，钢纤维25份，水24.7份；
(2)将硅酸盐水泥、矿物掺合料、硅粉、复合砂采用混凝土搅拌机拌和，形成组分A；
(3)将水和减水剂拌和，形成组分B；
(4)向组分A中加入2/3重量份的组分B，拌和4min；
(5)加入增韧剂和剩余的组分B，继续搅拌2.5min；
(6)加入钢纤维继续拌和3min。
对比例
根据表1，本发明提供第一种超高性能混凝土，其制备方法包括如下步骤：
(1)硅酸盐水泥100份，矿物掺合料15份，硅粉60份，减水剂4.4份，复合砂170份，钢纤维23份，水28份；
(2)将硅酸盐水泥、矿物掺合料、硅粉、复合砂采用混凝土搅拌机拌和，形成组分A；
(3)将水和减水剂拌和，形成组分B；
(4)向组分A中加入2/3重量份的组分B，拌和4min；
(5)加入增韧剂和剩余的组分B，继续搅拌2.5min；
(6)加入钢纤维继续拌和3min。
为进一步对比本发明实施例的应用效果，除了对超高性能混凝土的流动性、扩展度、抗压强度、抗拉强度等指标外，还对能反映材料韧性的指标抗弯拉强度进行测试，以便更好的与对比例进行比较。
表2是实施例1～3和对比例制得的超高性能混凝土的主要性能参数对比。
表1超高性能混凝土配比
表2技术性能指标对比
从表2可以看出，实施例1～3和对比例在工作性能上看均具有良好的流动性能，在力学性能上看实施例1～3的抗压强度和对比例相当，但是前者在抗拉强度上明显优于后者，然而从反映材料韧性指标的抗弯拉强度看，实施例1～3则明显较对比例更优。根据本实施例性能检测反映出按照本发明配制的超高性能混凝土具有良好的流动性、柔韧性，强度高，预期应用于钢桥面钢板上可以不仅可以提高钢桥面的结构刚度，同时具有一定的韧性，能有效的和钢板协调变形，降低后期超高性能混凝土结构层疲劳开裂的风险，提高钢桥面结构的耐久性能。
在超高性能混凝土(UHPC)中掺加的增韧剂为环氧树脂胶乳与聚乙烯醇PVA的混合物，属于一种高分子水性材料，在拌和过程中能充分填充于胶凝材料之间，形成“胶凝材料-环氧树脂-聚乙烯醇PVA”的网状结构，在超高性能混凝土受拉和受弯时，由于掺加的环氧树脂胶乳具有良好的粘结性能，而聚乙烯醇PVA具有好的抗拉和抗弯性能，这使得水泥水化物和聚乙烯醇PVA在环氧树脂胶乳作用下形成连续分布、刚柔并存的整体，不易发生脆断，从而在一定程度上提高了超高性能混凝土的抗弯强度和抗拉强度。
本发明提供的一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土施工方法是：首先对钢桥面钢板喷砂除锈、焊接剪力钉并对钢板表面进行喷涂保护层，接着布置网状钢筋网，然后按照本发明提供的超高性能混凝土的制备方法将制备的超高性能混凝土浇筑在上面，最后蒸汽养护(湿度≥90％，温度80℃)3天，即可形成用于提高钢桥面刚度并具有一定韧性的超高性能混凝土结构。
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。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土，其特征在于：包括水泥、矿物掺合料、硅粉、减水剂、复合砂、增韧剂、钢纤维和水，上述各组分为：按重量份计，硅酸盐水泥100份；矿物掺合料：10～25份；硅粉：20～40份；减水剂：2.5～4.0份；复合砂：100～150份；增韧剂：1～6份；钢纤维：15～30份；水：20～32份。
2.根据权利要求1所述的一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土，其特征在于：所述水泥为P.I或P.II型硅酸盐水泥，所述水泥的强度等级≥52.5；所述水泥的比表面积为350～500m2/kg。
3.根据权利要求1所述的一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土，其特征在于：所述矿物掺合料包括粉煤灰和矿粉，所述煤灰和矿粉的质量比为(20～40):(60～80)，所述矿物掺合料比表面积为600～1500kg/m2；所述矿物掺合料的需水量比≤95％；所述矿物掺合料的烧失量≤2％；所述矿物掺合料的28d活性指数≥105％。
4.根据权利要求1所述的一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土，其特征在于：所述硅粉的比表面积≥20000m2/kg，所述硅粉中活性SiO2的质量百分比含量≥90％。
5.根据权利要求1所述的一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土，其特征在于：所述减水剂为低粘型聚羧酸型减水剂；所述减水剂的减水率≥35％。
6.根据权利要求1所述的一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土，其特征在于：所述复合砂包括石英砂和细砂，所述石英砂与细砂的质量比为(50～70):(30～50)，所述复合砂的粒径为15～60目，所述复合砂的细度模数为2.0～2.6。
7.根据权利要求1所述的一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土，其特征在于：所述增韧剂为环氧树脂胶乳与聚乙烯醇PVA的混合物；所述增韧剂的固含量为20-60％；所述增韧剂的pH值为7～9，所述增韧剂的粘度为300～1800mPa.s。
8.根据权利要求1所述的一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土，其特征在于：所述钢纤维为镀铜钢纤维，所述钢纤维的直径为0.15～0.3mm，所述钢纤维的长度为10～15mm，所述钢纤维的抗拉强度等级≥3000级。
9.一种提高钢桥面刚度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)将硅酸盐水泥、矿物掺合料、硅粉、减水剂、复合砂、增韧剂、钢纤维、水以如下份数分别称取备用：
按重量份计，硅酸盐水泥100份，矿物掺合料10～25份，硅粉20～40份，减水剂2.5～4.0份，复合砂100～150份，增韧剂1～6份，钢纤维15～30份，水20～32份；
(2)将水泥、矿物掺合料、硅粉、复合砂拌和，形成组分A；
(3)将水和减水剂拌和，形成组分B；
(4)向组分A中加入2/3重量份的组分B，拌和3～5min；
(5)加入增韧剂和剩余的组分B，继续搅拌2～3min；
(6)加入钢纤维，继续拌和2～4min。
10.根据权利要求9所述的一种提高钢桥面刚度的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于：所述增韧剂的制备方法为：按重量份计：
(1)向100份的双酚A环氧树脂乳液中加入50～100份的聚酰胺或者聚醚胺；
(2)充分搅拌形成组份X；
(3)将2～15份的聚乙烯醇PVA与40～120份的水进行充分搅拌2～4min形成溶液Y，所述水的温度为80～110℃；
(4)最后将溶液Y与组份X充分拌和1～3min。
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