CN110357540A

CN110357540A - 一种超高性能混凝土及其制备方法

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Publication number: CN110357540A
Application number: CN201910726428.7A
Authority: CN
Inventors: 元成方; 杨文博; 魏逸然; 张哲�; 高梦起; 王世博
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2019-10-22

Abstract

本发明属于建筑基材技术领域，具体涉及一种制备方法简单、原材料成本低、抗压强度高的超高性能混凝土及其制备方法。包括以下组分：水、水泥、硅灰、聚乙烯醇纤维、减水剂、石英砂；每立方米混凝土中各原料用量为：水：234‑244kg；水泥：1190‑1200kg；硅灰：225‑235kg；聚乙烯醇纤维：13‑13.5kg；减水剂：18.5‑19.0kg；石英砂：967‑977kg；本发明制得的混凝土能有效跨越混凝土内部的微裂缝，在细观层面上发挥增强增韧的效果，并且制备方法简单，适合企业大批量生产。

Description

一种超高性能混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑基材技术领域，具体涉及一种制备方法简单、原材料成本低、抗压强度高的超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术

超高性能混凝土指抗压强度≥150MPa,具有超高韧性、超长耐久性的水泥基复合材料。它由法国学者于1994年提出,其主要成分为硅灰和水泥等胶凝材料、细骨料（粒径一般小于0.5mm）、高效减水剂及钢纤维等,水胶比通常在0.14-0.22。

超高性能混凝土是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高强水泥基材料。它的基本配制原理是通过提高组分的细度与活性，不使用粗骨料，使材料内部的缺陷（孔隙与微裂缝）减到最少，以获得超高强度与高耐久性。

传统超高性能混凝土的制备工艺较为复杂，首先需要压力成型，然后在高温蒸汽条件下进行养护，较为苛刻的制备工艺难以在大型结构及构件中施展。各种添加剂以及特殊材料的掺入，使得传统超高性能混凝土在实际工程中的成本极高，难以推广应用。

传统的超高性能混凝土材料，钢纤维的掺入会引起材料耐久性的降低，易遭受各类型的侵蚀损害，对内部产生的微裂缝，钢纤维的掺入难以对其产生良好的抑制作用。

当混凝土的表面由于塑性收缩产生较大的拉应力，而混凝土并未形成足够的抗拉强度来抵抗此拉应力时，混凝土即开裂。现有技术中，在混凝土中掺入改性聚丙烯纤维可以改善混凝土的塑性开裂性能，因为纤维在混凝土内呈现三维网络结构，起支撑骨料的作用，阻止了粗细骨料的沉降；同时也降低了混凝土表面的析水现象，有效阻止由于混凝土表面迅速失水造成较大体积收缩，从而避免混凝土表面出现裂缝；塑性状态的混凝土强度极低，纤维在塑性状态的混凝土中能承受由于干缩而产生的拉应力，减少与阻止塑性状态下混凝土内部裂缝的产生和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原材料易得、抗压强度高的超高性能混凝土。

本发明的目的在于提供一种适合大批量生产的超高性能混凝土的制备方法。

基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种超高性能混凝土，包括以下组分：

水、水泥、硅灰、聚乙烯醇纤维、减水剂、石英砂；

每立方米混凝土中各原料用量为：

水：234-244kg；

水泥：1190-1200kg；

硅灰：225-235kg

聚乙烯醇纤维：13-13.5kg；

减水剂：18.5-19.0kg；

石英砂：967-977kg。

一种超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：

S1：按配比称取原材料：水、水泥、硅灰、聚乙烯醇纤维、减水剂、石英砂；

S2：将石英砂全部加入搅拌机，启动搅拌机进入工作状态，取部分聚乙烯醇纤维撒入搅拌机内；

S3：称取部分硅灰加入工作的搅拌机中，搅拌2-3min，搅拌过程中再取部分聚乙烯醇纤维均匀撒入搅拌机内，得干混料；

S4: 将水全部加入搅拌机内进行湿拌合，持续拌动4-5min，搅拌过程中再取部分聚乙烯醇纤维均匀撒入搅拌机内，得湿拌合料；

S5: 将减水剂全部加入搅拌机中，持续拌动4-5min，搅拌过程中再取部分聚乙烯醇纤维均匀撒入搅拌机内，使减水剂充分与湿拌合料融为一体；

S6: 称取部分水泥均匀加入搅拌机中，持续搅拌3-4min，得水泥基材料；

S7：将剩余的硅灰均匀的加入搅拌机中，再将剩余水泥均匀的加入搅拌机中，加料完毕后持续搅动4-5min。

作为优选，所述聚乙烯醇纤维采用手动分散方式撒入搅拌机中，每次的加入量为总量的1／4。

作为优选，S3中首次加入硅灰的含量为硅灰总量的1／4。

作为优选，S6中首次加入水泥的含量为水泥总量的1／4。

作为优选，S7中制得的混凝土模压成型后用饱和氢氧化钙溶液浸泡养护。

有益效果

1.有效跨越混凝土内部的微裂缝，在细观层面上发挥增强增韧的效果；

聚乙烯醇纤维掺入混凝土中，增加了混凝土的稠度，抑制了胶凝材料中较重颗粒的下沉运动。聚乙烯醇纤维可以在塑性混凝土中形成网状结构，当集料颗粒下沉时，纤维形成的网状结构可以对其起到牵扯的作用。但是，聚乙烯醇纤维又不同于钢纤维形与聚丙烯纤维这两种常用纤维，具有刚性的钢纤维可以在混凝土基体中起到乱向支撑的作用，可以抑制混凝土中集料颗粒的下沉，因而减少泌水；聚乙烯醇纤维同样是具有柔性的一种合成纤维，聚乙烯醇纤维的掺入不仅提高了聚乙烯醇纤维混凝土中基体的粘性与稠度，阻碍集料的下沉，而且由于它良好的亲水性，与胶凝材料的粘结力强，当集料的下沉引起浆体的流动时，贯穿其中的无数聚乙烯醇纤维与浆体的互相牵扯，抑制了浆体的流动性，限制了置于其中的集料的运动。

相对于其他合成纤维，聚乙烯醇纤维具有更高的弹性模量，在达到相同应变的情况下可以承受更大的应力，从而更加有利于砂浆基体的抗裂，延缓混凝土中微裂缝的形成和开展；

首先，纤维的表面存在大量的亲水基团羟基（—OH），与水缔合而形成氢键，水被聚乙烯醇纤维牢固地吸附住，如果水分要蒸发，需要克服化学键作用，因此需要更多的能量；

其次，由于基体的收缩受到约束而开裂后，聚乙烯醇纤维可以起到桥接作用，抑制开裂的进一步扩展；

最后，基体收缩后会在纤维表面残留部分水化和未水化的产物，这些水化产物粘结在纤维表面上减少了水分蒸发通道，抑制了混凝土的塑性开裂。

水泥与硅灰的协同作用进一步增强混凝土的强度；

硅灰在超高性能混凝土中主要发挥的是微填充效应以及火山灰效应。前者是一种物理作用，由于硅灰颗粒粒径相较水泥颗粒而言较小，掺入硅灰可以显著提高体系的密实度，从而改善超高性能混凝土各项性能。后者是一种化学作用，主要表现为硅灰的主要成分活性SiO2能与水泥水化产物 Ca(OH)2发生反应，从而促使成为水泥石强度组分的C-S-H水化产物的剧烈增长，进而提高其强度。

严格按照配比在搅拌机中分批次加入各组分即可制得满足性能指标的超高性能混凝土，采用饱和氢氧化钙溶液养护，对设备及环境的要求不高，原材料价格低廉易得，适合大批量生产，能有效降低成本。

附图说明：

图1是实施例1中抗压强度与聚乙烯醇的纤维掺量的经时关系图；

图2是实施例2中抗压强度与硅粉在胶凝材料总量占比的经时关系图；

具体实施

以下实施例中选用的原料参数如下：

1.水泥

实施例中水泥是河南孟电水泥集团有限公司提供的P.O52.5水泥，其物理指标和化学成分统计见下表1、表2。

2.硅灰

实施例中硅灰由河南省巩义市恒诺滤料有限公司提供，硅灰的主要氧化物组成为：SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO等。粉煤灰等级为I级。粉煤灰成分及含量如下表3。

3.聚乙烯醇纤维（Polyvinyl alcohol fiber，简称聚乙烯醇纤维纤维）

实施例中聚乙烯醇纤维采用日本Kuraray公司生产的单丝聚乙烯醇纤维纤维，具体性能指标见下表4。

4.石英砂

实施例中石英砂厦门艾思欧标准砂公司制造的标准砂，其粒径如下表5：

5.减水剂：实施例中减水剂采用聚羧酸减水剂，减水率为百分之三十。

6.水：实施例中采用饮用自来水。

以下实施例中混凝土试样均按照以下方法制备及养护：

（1）按配比称取原材料：水、水泥、硅灰、聚乙烯醇纤维、减水剂、石英砂。

（2）将石英砂全部加入搅拌机，启动搅拌机进入工作状态，取部分聚乙烯醇纤维撒入搅拌机内；

（3）称取部分硅灰加入工作的搅拌机中，搅拌2min，搅拌过程中再取部分聚乙烯醇纤维均匀撒入搅拌机内，得干混料；

（4）将水全部加入搅拌机内进行湿拌合，持续拌动4min，搅拌过程中再取部分聚乙烯醇纤维均匀撒入搅拌机内，得湿拌合料；

（5）将减水剂全部加入搅拌机中，持续拌动4min，搅拌过程中再取部分聚乙烯醇纤维均匀撒入搅拌机内，使减水剂充分与湿拌合料融为一体；

（6）称取部分水泥均匀加入搅拌机中，持续搅拌3min，得水泥基材料；

（7）将剩余的硅灰均匀的加入搅拌机中，再将剩余水泥均匀的加入搅拌机中，加料完毕后持续搅动4min；

（8）按照试件设计准备试模，待混凝土入模，使用振动台振实，静置一段时间后，并做好表面抹平；

（9）将试件置于饱和氢氧化钙溶液浸泡养护，并在其表面覆盖保鲜膜，养护至相应龄期后进行力学性能试验。

实施例1：最佳纤维掺量的验证

以抗压强度为指标，首先确定最佳纤维掺量，采用分别改变纤维体积掺量为0%，0.5%，1.0%，1.5%以及试件养护龄期的方式进行。将聚乙烯醇纤维混凝土与基准混凝土的破坏形态以及力学性能做对比研究，分析聚乙烯醇纤维对混凝土的增强效应；分析聚乙烯醇纤维对混凝土韧性产生的影响。该实施例中硅灰占胶凝材料的20%，配合比设计如下表6、试样类目如下表7、试验结果如下表8：

由图1及上述测试结果表8分析可知，随着纤维掺量的增加，超高性能混凝土的抗压强度随着龄期增长而逐渐增高，本研究采用的水胶比为0.16，低水胶比的混凝土本身就相对致密，聚乙烯醇纤维与混凝土基体之间的粘结力更高，即使在早龄期，纤维也能发挥一定的作用，随着掺量达到1%，混凝土抗压强度一直处于增长趋势，超过1%的掺量时，1.5%纤维掺量的超高性能混凝土 7d强度高于1 %纤维掺量的超高性能混凝土，28天抗压强度出现小幅度降低，约为7兆帕，考虑到应用在实际工程中须注意其造价问题，故选择掺量为1%。

实施例2：最佳硅粉掺入量的确定

根据实施例1确定的聚乙烯醇纤维最佳体积掺量为1%。再采用1%的纤维掺量，制备占胶凝材料总量10% ，15%，20%，25%四种硅粉掺量混凝土试件，对混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗折强度进行3d，7d，14d，28d龄期的试验，进而分析研究龄期、硅灰掺量对混凝土强度的影响；该实施例中配合比设计如下表9、试样类目如下表10、试验结果如下表11：

由图2及上述测试结果表11分析可知，硅灰在超高性能混凝土中主要发挥的是微填充效应以及火山灰效应。前者是一种物理作用，由于硅灰颗粒粒径相较水泥颗粒而言较小，掺入硅灰可以显著提高体系的密实度，从而改善超高性能混凝土各项性能。后者是一种化学作用，主要表现为硅灰的主要成分活性 SiO₂能与水泥水化产物 Ca(OH)₂发生反应，从而促使成为水泥石强度组分的C-S-H水化产物的剧烈增长，进而提高其强度。由上述图表可看出硅灰掺量对抗压强度的影响比较小。硅灰掺量从15%变化至25%，抗压强度的变化幅度很小，但28d时，20%硅灰掺量的抗压强度较高，故采用20%掺量的硅灰。

实施例3：

通过控制组分的配合比不同测试制得的超高性能混凝土的力学性能，该实施例中配合比设计如下表12、试样类目如下表13、试验结果如下表14、表15、表16：

由上表14、表15、表16可知，每立方米混凝土中各原料用量为，水234-244kg，水泥1190-1200kg，硅灰225-235kg，聚乙烯醇纤维13-13.5kg，减水剂18.5-19.0kg，石英砂967-977kg，范围值内各力学性能指标基本一致，均能达到性能指标，在上文中所给比例内，水泥基材料性能具有稳定性。

Claims

1.一种超高性能混凝土，其特征在于，包括以下组分：

水、水泥、硅灰、聚乙烯醇纤维、减水剂、石英砂；

每立方米混凝土中各原料用量为：

水：234-244kg；

水泥：1190-1200kg；

硅灰：225-235kg

聚乙烯醇纤维：13-13.5kg；

减水剂：18.5-19.0kg；

石英砂：967-977kg。

2.一种超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S4：将水全部加入搅拌机内进行湿拌合，持续拌动4-5min，搅拌过程中再取部分聚乙烯醇纤维均匀撒入搅拌机内，得湿拌合料；

S5：将减水剂全部加入搅拌机中，持续拌动4-5min，搅拌过程中再取部分聚乙烯醇纤维均匀撒入搅拌机内，使减水剂充分与湿拌合料融为一体；

S6：称取部分水泥均匀加入搅拌机中，持续搅拌3-4min，得水泥基材料；

3.根据权利要求2所述的一种超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇纤维采用手动分散方式撒入搅拌机中，每次的加入量为总量的1／4。

4.根据权利要求2所述的一种超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，S3中首次加入硅灰的含量为硅灰总量的1／4。

5.根据权利要求2所述的一种超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，S6中首次加入水泥的含量为水泥总量的1／4。

6.根据权利要求2所述的一种超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，S7中制得的混凝土模压成型后用饱和氢氧化钙溶液浸泡养护。