CN110218056B - 一种应变硬化粉末混凝土及其制备方法和其在桥梁施工中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应变硬化粉末混凝土，其组成包括下述组分：水泥掺合料、细骨料、界面强化剂、纳米增强剂、磷酸锌改性钢纤维、水；所述应变硬化粉末混凝土实现基体与纤维的高效协同机制，实现拉伸应变硬化，应对钢桥面疲劳变形大的特性，在不改变组合结构承载能力的前提下，可显著提升施工性能和服役性能。

Description

一种应变硬化粉末混凝土及其制备方法和其在桥梁施工中的 应用

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种应变硬化活性粉末混凝土及其制备方法和其在桥梁施工中的应用。

背景技术

正交异性钢桥面板因其构件质量轻、架设方便和施工周期短等优势被国内外大跨钢桥中广泛应用。但存在的铺装层极易损坏和桥面易疲劳开裂破坏已成为正交异性钢桥面板的工程难题，每年花费的维修费用不计其数。造成这个现象的主要原因为铺装层材料抗拉强度低、韧性差，导致结构开裂和非延性破坏，其韧性差更是导致车辆超载、疲劳荷载等作用下正交异性板结构耐久性、安全性不足的主要原因。高强高韧混凝土具有比强度高、负荷能力大和耐久性好等特点，已成为解决此类结构病害顽疾的重要手段之一。但目前高强高韧混凝土提高韧性的手段仍提留在机械式的采用大掺量纤维层面，并不能从本质上调控纤维与混凝土基体之间的协同作用机制，实现纤维的高效桥接，从而造成纤维混凝土应变软化破坏的现状，导致高强高韧混凝土高承载荷载下持续变形能力小，无法应对钢桥面疲劳变形大的特性。

申请号为201710609945.7的专利文献“一种超高韧性混凝土及其制备方法”，公开了一种高延性混凝土。该发明通过竹纤维和高强仿钢丝纤维掺入到混凝土中来提高韧性。然而，该发明双螺杆挤出成型方式只适合试验室小样品制作，实际规模化应用无潜力，无法响应高延性混凝土在实际工程中规模应用的迫切需求，更无法胜利钢-混组合结构制作工艺。

申请号为201410260733.9的专利文献“一种掺碳纳米管的高强高韧活性粉末混凝土及其制备方法”，公开了一种高强高韧活性粉末混凝土。该发明通过碳纳米管提升活性粉末混凝土的拉伸性能，在直接拉伸状态下初裂强度达到10MPa，拉伸应变达到0.5％。然而碳纳米管的使用不仅极大的提高了活性粉末混凝土的造价成本，同时显著劣化活性粉末混凝土的施工性能，进而限制其在实际工程中的规模化应用。此外，该技术制备的拉伸应变仅为0.5％，使得该类材料在桥面铺装负弯矩受拉区的使用受到较大限制。

发明内容

为解决现有铺装材料拉伸应变不够，施工难的问题，本发明提供一种应变硬化粉末混凝土，实现基体与纤维的高效协同机制，实现拉伸应变硬化，应对钢桥面疲劳变形大的特性，在不改变组合结构承载能力的前提下，可显著提升施工性能和服役性能。

本发明所述应变硬化粉末混凝土，其产品组成按重量份数计，包括下述组分：

水泥 100份，

掺合料 20～60份，

细骨料 80～200份，

界面强化剂 2～10份，

纳米增强剂 2～15份，

磷酸锌改性钢纤维 10～60份，

水 10～30份；

所述的水泥为强度等级52.5及以上的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥中的任意一种或一种以上的混合物；

所述的掺合料为硅灰、超细粉煤灰、超细矿粉、超细偏高岭土、沸石粉、石灰石粉、石英粉中的任意两种或两种以上的混合物，所述掺合料比表面积大于7000m²/kg；

所述的细骨料为石英砂、河砂、金刚砂、刚玉砂、石榴石砂、高强机制砂、黄玉、莫来石中的任意一种或一种以上混合物，混合物为粒径0.075～4.75mm的连续级配砂；

所述的界面强化剂为钛酸酯、铝酸酯、磷酸酯、不饱和有机酸中任意一种或一种以上混合物；

所述的纳米增强剂应具有亲水性，为纳米石墨烯、纳米二氧化硅、纳米碳化硅、纳米黏土中任意两种或两种以上混合物，平均粒径为5nm～50nm；

所述的磷酸锌改性钢纤维为平直状、端钩状、螺旋状、波浪状磷酸锌改性微细钢纤维中的任意两种或两种以上的混合物，混合物长度为13～20mm；

所述纳米增强剂可以有效填充浆体与纤维之间的界面过渡区，降低其厚度；磷酸锌在钢纤维表面形成的微观粗糙面可显著提升纤维拔出耗能；界面强化剂表面的活性官能团能与水泥水化产物进一步反应，促进高密和超高密C-S-H凝胶在界面区大量生成，显著提高界面过渡区的致密度、强度和刚度。上述三者协同，即“三位一体”的浆体与纤维界面提升技术；可以显著提升纤维的裂后桥接应力，获得拉伸应变硬化现象以及极高的拉伸变形，克服高强高韧混凝土应变软化的通病。

作为改进，本发明所述的应变硬化粉末混凝土，其产品组成按重量份数计，还包括下述组分：

流变调控剂 10～25份，

高效分散剂 3～5份，

收缩抑制剂 3～10份，

超塑化剂 2～5份，

所述的流变调控剂为纳米金属氧化物、无机盐、有机聚醚和稳定剂以以30％～50％:15％～30:10％～30:3％～8％比例比例配制而成。所述的纳米金属氧化物为纳米氧化铁、纳米氧化铝、纳米氧化钛中的任意两种或两种以上的混合物；所述的无机盐为硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐中的任意一种或一种以上的混合物；所述的有机聚醚为丙烯醇聚醚、丙二醇聚醚中的任意一种或一种以上的混合物；所述的稳定剂为纤维素醚、聚丙烯酸酯、缔合型聚氨酯中的任意一种或一种以上的混合物；

所述的高效分散剂为六偏磷酸钠、硝酸钾、柠檬酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酸钠、聚乙二醇或聚乙烯砒咯烷酮中的任意一种或一种以上混合物；

所述的收缩抑制组分为水化热调控材料、膨胀剂、减缩剂按10％～20％：50％～70％：20％～30％比例组成的混合物。所述水化热调控材料为淀粉类水化热调控材料、糊精类水化热调控材料中的任意一种或两种混合物；所述膨胀剂为氧化钙类膨胀剂、氧化镁类膨胀剂、硫铝酸钙类膨胀剂中的任意一种或一种以上混合物；所述减缩剂为聚醚减缩剂、聚醇减缩剂中的任意一种或两种混合物。

所述的超塑化剂为聚羧酸类，对超细粉体应具有选择性吸附作用。

通过高效分散剂可以提高超细粉体的分散性，使其填充作用充分发挥，减少颗粒堆积缺陷，提高堆积密实度；同时流变调控剂可以提高超细粉体颗粒的间距，提升颗粒间水膜层厚度；此外具有选择性吸附的超塑化剂可以优先吸附超细粉体，降低超细粉体对超塑化剂的总吸附量和浆体溶液中的超塑化剂残留量。三者的共同作用可以降低应变硬化粉末混凝土的粘度达50％以上，改善高强高韧混凝土粘度大导致的流动度小、浇筑不密实和施工难等难题。

所述的应变硬化粉末混凝土的制备方法，包括以下步骤：

(1)首先将水泥、掺合料、流变调控剂、界面强化剂、纳米增强剂、高效分散剂、收缩抑制剂、细骨料在卧轴式或立轴行星式强制搅拌机中混合0.5～1分钟；

(2)向步骤(1)中所得的混合物加水及超塑化剂，搅拌2～3分钟；

(3)向步骤(2)中所得的混合物均匀洒布磷酸锌改性钢纤维，持续时间1～1.5分钟；

(4)继续搅拌1～3分钟，制得所述应变硬化粉末混凝土。

所述的应变硬化粉末混凝土的施工方法，包括以下步骤：

(1)应变硬化粉末混凝土核心粉料以吨袋包装，磷酸锌改性钢纤维采用牛皮纸袋小包装，液料用塑料桶包装，所有包装便于运输至施工地点；

(2)采用强制式立轴搅拌机，依照应变硬化粉末混凝土制备方法进行搅拌；

(3)宜采用料斗或罐车进行拌合物浇筑，浇筑应控制放料速度，保证拌合物均匀连续入模；

(3)拌合物具备自密实特性，无需振捣；

(4)浇筑完成后采用薄膜覆盖并保湿养护7天；

(5)折模。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

本发明所述应变硬化粉末混凝土通过“三位一体”的浆体与纤维界面提升技术，使得高强混凝土具备拉伸应变硬化现象以及极高的拉伸变形。应用于桥面铺装，可解决现有桥梁铺装用高强高韧混凝土应变软化、应变能力差和韧性提升不足问题，显著提升结构承载能力和抗疲劳性能。

本发明所述应变硬化粉末混凝土通过调控混凝土的流变性能，使其具备自密实特性，解决了高强高韧混凝土规模化施工难及效率低下的问题；而且通过收缩抑制技术实现高强高韧混凝土硬化后良好的体积稳定性，90天后总体收缩可实现无收缩，极大地降低了高强高韧混凝土的收缩开裂风险，使其具有良好的整体性和稳定性，避免了大幅面钢桥面铺装层的开裂顽疾。

本发明所述应变硬化粉末混凝土采用采用高效分散剂可提高超细粉体的分散性，从而可以促进不同活性的超细粉体充分交互，实现次递水化；此外纳米增强剂不仅可以提高胶凝材料的反应活性，还可以有效填充尺寸在纳米级别的微孔并生产出超高密度的C-S-H凝胶取代低密度的C-S-H，进而改善高强高韧混凝土后期强度发展动力不足现象，摒弃高强高韧混凝土强度提升通常采取热养护等特殊工艺措施。

具体实施方式

为了更充分的解释本发明的实施，提供下述自密实应变硬化活性粉末混凝土制备实施例。这些实施实例仅仅是解释，而不是限制本发明的范围。

实施例中的“水泥”为P·II 52.5硅酸盐水泥。

实施例中的“掺合料”为硅灰、超细粉煤灰、超细矿粉混合物，比例为50：20：30，比表面积为14000m²/kg。

实施例中的“流变调控剂”为纳米氧化铁、硫酸盐、丙烯醇聚醚和聚丙烯酸酯混合物，比例为40：30：25：5。

实施例中的“界面强化剂”为钛酸酯和不饱和有机酸的混合物，比例为40：60。

实施例中的“纳米增强剂”为纳米二氧化硅、纳米碳化硅和纳米黏土的混合物，比例为60：20：10，平均粒径为30nm。

实施例中的“高效分散剂”为十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酸钠和聚乙二醇的混合物，比例为30：30：40。

实施例中的“收缩抑制剂”为糊精类水化热调控材料、氧化钙类膨胀剂和聚醚减缩剂的混合物，比例为20：40：40。

实施例中的“细骨料”为河砂和石英砂组合物，比例为80:20，粒径为0.075～4.75mm的连续级配砂。

实施例中的“磷酸锌改性钢纤维”为长度13mm、直径0.2mm的平直微细钢纤维与长度20mm，直径0.25mm的端钩微细钢纤维混合物，比例为60:40。

实施例中的“超塑化剂”为具有选择性吸附的聚羧酸类外加剂。

表1各实施例中混凝土各组分含量

实施例1为基础混凝土，没有掺入流变调控剂、界面强化剂、纳米增强剂、高效分散剂、收缩抑制剂，且钢纤维未经磷酸锌改性。

实施例2中掺入磷酸锌改性钢纤维，没有掺入流变调控剂、界面强化剂、纳米增强剂、高效分散剂、收缩抑制剂。

实施例3中掺入磷酸锌改性钢纤维和收缩抑制剂，没有掺入流变调控剂、界面强化剂、纳米增强剂、高效分散剂。

实施例4中掺入磷酸锌改性钢纤维、收缩抑制剂和流变调控剂，没有掺入界面强化剂、纳米增强剂、高效分散剂。

实施例5中掺入磷酸锌改性钢纤维、收缩抑制剂、流变调控剂和高效分散剂，没有掺入界面强化剂、纳米增强剂。

实施例6中掺入磷酸锌改性钢纤维、收缩抑制剂、流变调控剂、高效分散剂和纳米增强剂，没有掺入界面强化剂。

实施例7中掺入磷酸锌改性钢纤维、收缩抑制剂、流变调控剂、高效分散剂、纳米增强剂和界面强化剂。

实施例8中提高纳米增强剂和界面强化剂用量。

实施例9中进一步提高磷酸锌改性钢纤维用量。

上述实施例1-9中的材料在制备时，先将水泥、掺合料、流变调控剂、界面强化剂、纳米增强剂、高效分散剂、收缩抑制剂、细骨料在立轴行星式强制搅拌机中混合1分钟，然后向所得的混合物中加水及超塑化剂，搅拌2分钟，接着均匀洒布钢纤维，持续时间为1.5分钟，最后继续湿拌2.5分钟，制得所述自密实应变硬化粉末混凝土。将拌合物进行新拌性能测试后浇筑入模24h后折模，放入标准养护环境养护28天后测试综合性能。

扩展度测试参照GB/T 50080进行；抗压强度测试采用100mm×100mm×100mm立方体试件，参照GB/T 31387进行；弹性模量测试采用100mm×100mm×300mm棱柱体试件，参照GB/T 31387进行；拉伸强度和拉伸应变性能测试采用50mm×100mm×515mm的哑铃状试件。

相关试验及结果如下：

表2各实施例中混凝土综合性能

从试验结果可以看到，采用本发明的纳米增强剂、界面强化剂和磷酸锌改性钢纤维可以显著提升混凝土基体与纤维之间的粘结强度，使之具备应变硬化和极高的拉伸应变特点，拉伸强度和拉伸应变数据也远高于申请号201410260733.9的专利文献中混凝土所述值；流变调控剂、高效分散剂和超塑化剂可以有效调控混凝土的流变性能，使之具备自密实特性，施工性能远胜申请号201710609945.7的专利文献中所述混凝土；同时纳米增强剂和高效分散剂又可以提升混凝土的密实性，改善高强高韧混凝土后期强度发展慢、养护工艺繁琐等问题，收缩抑制剂可实现高强高韧混凝土的低收缩及无收缩，极大降低开裂风险。从而提高了高强高韧混凝土在桥梁铺装应用中的适应性、耐久性和安全性，具有显著的推广应用价值。

实施例1为基准混凝土，具有相对较差的施工性能和力学性能，同时具有非常大的收缩性能，开裂风险极高。

实施例2中引入磷酸锌改性钢纤维有利于高强高韧混凝土拉伸强度的提高，但对其它性能影响不大。

实施例3中引入收缩抑制剂后，可以有效抑制高强高韧混凝土的全过程收缩，显著降低至120με，提升了结构的体积稳定性。

实施例4中引入流变调控剂后可以有效改善粉体堆积状态，释放更多的自由水，提高水膜层厚度，进而增大浆体扩展度和提升施工性能。

实施例5中引入高效分散剂后，粉体的分散性能得到显著改善，降低了堆积缺陷，同时提高了水化程度，从而高强高韧混凝土的施工性能和力学性能得到提升，但对拉伸性能影响较小。

实施例6中引入纳米增强剂后，不仅提高了胶凝材料的反应活性以及有效填充了纳米微孔，造成力学性能显著提升，而且降低了基体与纤维的界面过渡区厚度，从而提升了界面粘结性能，导致拉伸强度的提高。

实施例7中引入界面强化剂后，进一步改善了基体与纤维的界面粘结状态，显著提高了纤维拔出耗能以及裂后桥接强度，进而促成应变硬化现象的出现，实现拉伸强度的提升及其拉伸应变率超过10000με。

实施例8中随着纳米增强剂和界面强化剂的进一步提升，高强高韧混凝土的力学性能提升非常显著，同时应变硬化现象进一步提到强化，拉伸性能和拉伸应变也明显提高。

实施例9中进一步提高磷酸锌改性钢纤维用量，可以发现高强高韧混凝土的拉伸强度提高更为明显，尤其极限拉伸强度，同时拉伸应变也进一步得到强化。此外，较多的钢纤维对收缩也起到更强的约束作用。

本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (2)

1.一种应变硬化粉末混凝土，其特征在于，其组成按重量份数计，包括下述组分：

水泥 100份，

掺合料 20～60份，

细骨料 80～200份，

界面强化剂 2～10份，

纳米增强剂 2～15份，

磷酸锌改性钢纤维 10～60份，

水 10～30份；

所述的水泥为强度等级52.5及以上的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥中的任意一种或一种以上的混合物；

所述的掺合料为硅灰、超细粉煤灰、超细矿粉、超细偏高岭土、沸石粉、石灰石粉、石英粉中的任意两种或两种以上的混合物，所述掺合料比表面积大于7000m²/kg；

所述的细骨料为石英砂、河砂、金刚砂、刚玉砂、石榴石砂、高强机制砂、黄玉、莫来石中的任意一种或一种以上混合物，混合物为粒径0.075～4.75mm的连续级配砂；

所述的界面强化剂为钛酸酯、铝酸酯、磷酸酯、不饱和有机酸中任意一种或一种以上混合物；

所述的纳米增强剂应具有亲水性，为纳米石墨烯、纳米二氧化硅、纳米碳化硅、纳米黏土中任意两种或两种以上混合物，平均粒径为5nm～50nm；

所述的磷酸锌改性钢纤维为平直状、端钩状、螺旋状、波浪状磷酸锌改性微细钢纤维中的任意两种或两种以上的混合物，混合物长度为13~20mm；

其组成按重量份数计，还包括下述组分：

流变调控剂 10～25份，

高效分散剂 3~5份，

收缩抑制剂 3～10份，

超塑化剂 2～5份，

所述的流变调控剂为纳米金属氧化物、无机盐、有机聚醚和稳定剂以（30～50）:（15～30）:（10～30）:（3～8）比例配制而成；

所述的纳米金属氧化物为纳米氧化铁、纳米氧化铝、纳米氧化钛中的任意两种或两种以上的混合物；

所述的无机盐为硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐中的任意一种或一种以上的混合物；

所述的有机聚醚为丙烯醇聚醚、丙二醇聚醚中的任意一种或一种以上的混合物；

所述的稳定剂为纤维素醚、聚丙烯酸酯、缔合型聚氨酯中的任意一种或一种以上的混合物；

所述的高效分散剂为六偏磷酸钠、硝酸钾、柠檬酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酸钠、聚乙二醇或聚乙烯砒咯烷酮中的任意一种或一种以上混合物；

所述的收缩抑制组分为水化热调控材料、膨胀剂、减缩剂按（1~2）：（5~7）：（2~3）比例组成的混合物；

所述水化热调控材料为淀粉类水化热调控材料、糊精类水化热调控材料中的任意一种或两种混合物；

所述膨胀剂为氧化钙类膨胀剂、氧化镁类膨胀剂、硫铝酸钙类膨胀剂中的任意一种或一种以上混合物；

所述减缩剂为聚醚减缩剂、聚醇减缩剂中的任意一种或两种混合物；

所述的超塑化剂为聚羧酸类，对超细粉体应具有选择性吸附作用。

2.权利要求1所述的应变硬化粉末混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）首先将水泥、掺合料、流变调控剂、界面强化剂、纳米增强剂、高效分散剂、收缩抑制剂、细骨料在卧轴式或立轴行星式强制搅拌机中混合0.5～1分钟；

（2）向步骤（1）中所得的混合物加水及超塑化剂，搅拌2～3分钟；

（3）向步骤（2）中所得的混合物均匀洒布磷酸锌改性钢纤维，持续时间1～1.5分钟；

（4）继续搅拌1～3分钟，制得所述应变硬化粉末混凝土。