CN110627429B

CN110627429B - 一种浮石基轻质自密实超高性能混凝土及其制备方法

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Publication number: CN110627429B
Application number: CN201910615015.1A
Authority: CN
Inventors: 水中和; 刘开志; 余睿
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2022-05-06
Anticipated expiration: 2039-07-09
Also published as: CN110627429A

Abstract

本发明提供了一种浮石基轻质自密实超高性能混凝土(UHPC)及其制备方法，该制备方法可以在保证UHPC力学性能的基础上，显著降低UHPC新拌浆体的表观密度和改善浆体流动度，属于UHPC技术领域。本发明提出的制备方法是基于组分颗粒紧密堆积模型，将粉磨后的浮石颗粒进行一定程度的预湿处理，并按一定体积分数取代河砂配制UHPC复合水泥基材料。本发明提供的制备方法可以配制表观密度2000kg/m³以下，流动度300mm以上，强度110MPa以上，具有良好匀质性、体积稳定性和抗渗性能的素UHPC。

Description

一种浮石基轻质自密实超高性能混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于超高性能混凝土(UHPC)技术领域，具体涉及一种浮石基轻质自密实超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术

桥梁作为交通运输的重要组成部分，是国民经济快速发展的“营养通道”。近些年来，随着桥梁技术的发展，大跨、轻质、高耐久已成为现代桥梁发展新方向。钢混桥梁结构本身自重大，约占全部设计载荷的30％～60％，且跨度越大其自重所占的比例越高，如何有效降低桥梁的自重已成为当前桥梁建设的热点。桥梁自重是梁体体积、混凝土容重和钢材用量的函数，如式(1)所示：

g＝c*k*r+s (1)

式中：

g：桥梁自重

c：梁体混凝土的设计用量

k：梁体实际体积与设计体积之比

r：混凝土的容重

s：钢材用量

由此可知，合理降低梁体混凝土的用量和容重是减轻桥梁自重的关键因素之一。

降低梁体混凝土用量的最重要途径就是提升混凝土的性能，尤其是其力学性能，使构件在满足承载力的条件下轻薄化，这对开发具有高强度的混凝土技术提出了新要求。超高性能混凝土(UHPC)是一种基于组分颗粒之间紧密堆积进行设计，配合一定量的增强纤维和极低的水胶比配制的新型水泥基材料。UHPC相比普通混凝土，具有超高强度、高韧性与高耐久性等突出特点，很好的满足了现代结构工程向高度更高、跨度更大、荷载更重的方向发展的要求，具有广阔的开发应用前景，尤其是在桥梁工程领域。

然而，普通UHPC由于水胶比极低，拌合水用量较少，其新拌浆体流动性和通过性往往较差。同时，UHPC胶凝材料用量大，且基体高度致密，导致UHPC新拌浆体的表观密度和硬化水泥石基体的密度较大。普通素UHPC表观密度在2300kg/m³以上。因此，如何在保证UHPC优越力学性能的基础上，降低其容重和密度的同时改善其流动度，已成为拓展其在桥梁建设领域中广泛应用的关键技术。

引入轻集料是降低混凝土容重的重要方法之一。浮石作为密度最小的天然多孔矿物，具有发达的孔隙结构，是制备轻质混凝土的最佳天然轻集料。然而，普通浮石轻集料混凝土易出现：(1)轻质浮石上浮引起的混凝土上部和下部品质匀质性较差，离散性大。(2)浮石本身的多孔结构为物质或离子的传输与扩散提供了新通道，对混凝土的密实度与耐久性会造成一定程度的劣化。(3)浮石本身强度低、脆性大，在受力条件下容易出现轻集料本身发生破坏而形成的混凝土试件失效，导致混凝土力学性能大幅降低。因此，将浮石轻集料纳入自密实UHPC水泥基材料体系设计当中还存在诸多难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种浮石基轻质自密实超高性能混凝土及其制备方法，可以配制表观密度2000kg/m³以下，流动度300mm以上，强度110MPa以上，具有良好匀质性、体积稳定性和抗渗性能的超高性能混凝土。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种浮石基轻质自密实超高性能混凝土，其组成包括粉料、集料和减水剂。其中，粉料为水泥、粉煤灰、微硅粉，集料为河砂和预吸水处理后的浮石，减水剂为聚羧酸型减水剂；各组分的配合比如下：粉料700kg/m³～1300kg/m³，其中水泥400kg/m³～800kg/m³，粉煤灰80kg/m³～300kg/m³，硅灰50kg/m³～200kg/m³；集料400kg/m³～1200kg/m³，其中河砂0～1100kg/m³，干燥浮石5kg/m³～400kg/m³；减水剂掺量为胶材质量的2％～4％，水胶比0.15～0.25。

按上述方案，所述河砂的粒径分布为0～2mm；所述预吸水处理后的浮石，粒径分布为0～2mm，孔隙率为20％～60％，吸水率为10％～100％。其中，浮石吸水处理前后，粒径分布均为0～2mm，孔隙率均为20％～60％，浮石吸水处理前的密度为0.5kg/m³～1.2kg/m³。

按上述方案，所述浮石的预吸水处理方法如下：将粉磨后的浮石中加入一定量的水，混合均匀，密封静置18h～24h，得到预吸水处理后的浮石(即吸水浮石)，吸水率为10％～100％。

本发明提供一种上述浮石基轻质自密实超高性能混凝土的制备方法，主要步骤如下：

(1)按前述所提供的粉料(水泥、粉煤灰、微硅粉)和集料(河砂、浮石)的密度及粒径分布进行测试；

(2)利用修正后的Andreasen-Andersen(A&A)堆积模型对超高性能混凝土的基体配合比进行设计，即确定粉料水泥、粉煤灰、微硅粉和集料河砂的配合比，具体方法：优选分布系数(0.2～0.25)，根据粉体和集料的粒径分布调整各组分的体积占比，使组分颗粒间获得最紧密堆积，确定超高性能混凝土基体配合比；

(3)对浮石进行粉磨，选取0～2mm级配连续分布的浮石颗粒，同时满足密度为0.5kg/m³～1.2kg/m³，孔隙率为20％～60％；以浮石颗粒按一定体积分数取代步骤(2)的河砂，对超高性能混凝土配合比进行优化设计；

(4)对浮石颗粒进行预吸水处理，保证超高性能混凝土的新拌浆体流动度＞260mm，且不出现离析泌水现象，确定减水剂掺量及净水胶比；

(5)根据步骤(3)所得出超高性能混凝土的基体配合比、以及步骤(4)所确定的减水剂掺量和净水胶比，经过拌和、试件成型及养护等步骤，制得浮石基轻质自密实超高性能混凝土。

进一步地，所述步骤(3)中浮石取代河砂体积分数为10％～100％。

进一步地，所述步骤(4)中浮石预吸水处理后的吸水率为10％～100％，减水剂掺量为2％～4％，净水胶比为0.15～0.25。

进一步地，所述步骤(5)中，拌和步骤为：1)根据配合比设计将粉体和集料加入搅拌锅中慢搅150s混料；2)依次加入水和减水剂，慢搅至成浆；3)成浆后依次快搅和慢搅90s，静置30s，得到新拌浆体。其中，慢搅和快搅的速度(公转)分别为50r/min～75r/min、110r/min～140r/min。该新拌浆体的表观密度为1800kg/m³～2200kg/m³，流动度为260mm～380mm，新拌浆体的凝结时间为5h～10h。

进一步地，所述步骤(5)中，试件成型及养护步骤为：(a)将新拌浆体倒入模具中成型，振捣40s，插捣30次，刮面20次；(b)覆膜带模养护1d，脱模；(c)脱模后试件置于标准养护室养护，得到浮石基轻质自密实超高性能混凝土试件。该试件具有良好的匀质性，密度为1800kg/m³～2200kg/m³，28d试件抗压强度为100MPa～160MPa，抗折强度为10MPa～23Mpa，7d试件收缩变形量为300με～1500με，28d试件电通量<100C，氯离子扩散系数<1×10^-12m²/s。

本发明的主要设计构思如下：为了利用浮石轻集料配制UHPC，对浮石进行预吸水处理，这是因为：(1)多孔浮石具有很强的吸水性，且UHPC水胶比极低，为了保证UHPC新拌浆体的和易性和流动性，需对浮石进行预吸水处理。(2)预吸水浮石密度增大，进一步改善UHPC浆体和水泥石的匀质性。(3)UHPC早期自收缩变形较大，体积稳定性差。且浮石弹性模量较低，对水泥石收缩变形约束能力较差，进一步增大了基体的收缩变形和开裂风险。吸水浮石的内养护效应能有效缓解UHPC自干燥和抑制其自收缩发展。(4)吸水浮石缓释的水分能促进UHPC胶凝体系的水化进程，细化基体孔结构和改善界面过渡区，提高其耐久性。然而，吸水浮石的吸水率需严格调控：吸水率过低，浮石会继续吸取UHPC体系内部水分，导致浆体和易性、流动性和体积稳定性变差；吸水率过高，会导致UHPC基体孔隙率增大，密实度降低，力学性能和耐久性下降，甚至引起浆体离析分层。

而且，UHPC浆体塑性黏度大，能很好的抑制浮石轻集料的上浮和分层，保证浆体良好的匀质性。此外，UHPC胶凝体系水化率低，水泥基材料强度的主要来源是其组分颗粒间的紧密堆积状态和基体的高密实度。只要这种颗粒间紧密堆积状态不被破坏，基体的强度和密实度能够得到良好的保证。因此，利用浮石轻集料配制UHPC，基于组分颗粒间紧密堆积模型进行配合比优化设计是其关键技术之一。

本发明提供了一种浮石基轻质自密实超高性能混凝土(UHPC)的制备方法，该制备方法可以在保证UHPC力学性能的基础上，显著降低UHPC新拌浆体的表观密度和改善浆体流动度。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明基于修正后的Andreasen-Andersen堆积模型对浮石基UHPC复合体系基体配合比进行优化设计，将粉磨后的浮石颗粒进行一定程度的预湿处理，并按一定体积分数取代河砂配制UHPC复合水泥基材料，使各组分颗粒间达到紧密堆积状态，基体获得高密实度。

(2)本发明可以配制表观密度2000kg/m³以下，流动度300mm以上，强度110MPa以上，具有良好匀质性、体积稳定性和抗渗性能的素UHPC。

(3)利用天然浮石轻集料取代河砂拌制UHPC，拓宽了浮石开发应用领域的同时，缓解了因河砂开采而造成的环境和生态问题。

附图说明

图1为实施例1和2浮石基UHPC各组分颗粒堆积曲线；

图2为实施例1制备的UHPC1力学性能发展图；

图3为实施例1制备的UHPC1断面形貌；

图4为实施例2制备的UHPC2力学性能发展；

图5为实施例2制备的UHPC2断面形貌。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步说明，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

下述实施例中，拌和步骤为：1)根据配合比设计将粉体和集料加入搅拌锅中慢搅150s混料；2)依次加入水和减水剂，慢搅至成浆；3)成浆后依次快搅和慢搅90s，静置30s，得到新拌浆体。其中，慢搅和快搅的速度(公转)分别为50r/min～75r/min、110r/min～140r/min。该新拌浆体的表观密度为1800kg/m³～2200kg/m³，流动度为260mm～380mm，新拌浆体的凝结时间为5h～10h。

下述实施例中，试件成型及养护步骤为：(a)将新拌浆体倒入模具中成型，振捣40s，插捣30次，刮面20次；(b)覆膜带模养护1d，脱模；(c)脱模后试件置于标准养护室养护，得到浮石基轻质自密实超高性能混凝土试件。

实施例1

一种浮石基轻质自密实超高性能混凝土，其组成包括粉料、集料和减水剂，粉料为P152.5水泥(华新水泥股份有限公司，黄石)、Ⅰ级粉煤灰(华能阳逻电厂，武汉)、微硅粉(东蓝星科技发展有限公司，成都)，集料为天然河砂(武汉)和吸水浮石(长白山)，减水剂为聚羧酸型减水剂(江苏苏博特新材料股份有限公司，南京)；其中，河砂的粒径分布为0.6mm～1.5mm，吸水浮石的粒径分布为0～0.6mm，孔隙率为35％～55％，吸水率为35％；吸水处理前，浮石密度为0.6kg/m³～1.1kg/m³。

上述浮石基轻质自密实超高性能混凝土的制备方法，具体步骤如下：

(1)按前述所提供的粉料(水泥、粉煤灰、微硅粉)和集料(河砂、浮石)的密度及粒径分布进行测试(如图1所示)；

(2)根据修正后A&A模型，对浮石基UHPC各组分的体积占比进行调整，使各组分颗粒间的实际堆积曲线和目标曲线尽可能接近(见图1)，确定UHPC1粉体和集料的配合比(各组分体积占比分别为：水泥30％～35％，粉煤灰8％～12％，硅灰6％～10％，集料：45％～50％)；

(3)对浮石进行粉磨，选取0～2mm级配连续分布的浮石颗粒，同时满足密度为0.5kg/m³～1.2kg/m³，孔隙率为20％～60％；以浮石颗粒取代步骤(2)中的0～0.6mm河砂(以0～0.6mm河砂与0.6mm～1.5mm河砂的总量计，浮石取代河砂的体积分数为75％～80％)，对超高性能混凝土配合比进行优化设计(见表1)；

(4)对浮石颗粒进行预吸水处理，保证超高性能混凝土的新拌浆体流动度＞260mm，且不出现离析泌水现象，确定浮石基UHPC1减水剂掺量和拌合水量(见表1)；

(5)根据步骤(3)所得出超高性能混凝土的基体配合比、以及步骤(4)所确定的减水剂掺量和净水胶比(见表1)，经过拌和、试件成型及养护等步骤，制得浮石基轻质自密实超高性能混凝土。

表1 UHPC1配合比(kg/m³)

根据GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》对UHPC浆体的流动度进行测定。根据GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》对UHPC浆体的凝结时间和表观密度进行测定。根据GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》对UHPC试件的抗压、抗折强度进行测定。根据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对UHPC试件的收缩、快速氯离子迁移系数和电通量进行测定。

UHPC1新拌浆体性能见表2，UHPC1试件耐久性测试结果见表3，力学性能发展见图2，硬化水泥石断面形貌见图3。

表2 UHPC1新拌浆体性能

表3 UHPC1试件耐久性测试结果

由表2可知，UHPC1表观密度为1988kg/m³，流动度330mm。

由图2可知，UHPC1 28d抗压强度为122MPa，抗折强度为14MPa。

由表3可知，UHPC1具有良好的体积稳定性和抗渗性能。

由图3可知，UHPC1具有良好的匀质性。

实施例2

实施例2与实施例1的不同之处在于：河砂的粒径分布为0～0.6mm；吸水浮石的粒径分布为0～1.3mm，其中粒径为0～0.6mm浮石占浮石总质量的85％，浮石吸水率为40％，浮石取代河砂的体积分数为95～99％；其他涉及所用原料、设计、制备及测试方法与实施例1一致。

实施例2配制UHPC2配合比见表4。UHPC2新拌浆体性能见表5，UHPC2试件耐久性测试结果见表6，力学性能发展见图4，硬化水泥石断面形貌见图5。

表4 UHPC2配合比(kg/m³)

表5 UHPC2新拌浆体性能

表6 UHPC2试件耐久性测试结果

由表5可知，UHPC2表观密度为1947kg/m³，流动度350mm。

由图4可知，UHPC2 28d抗压强度为113MPa，抗折强度为11MPa。

由表6可知，UHPC2具有良好的体积稳定性和抗渗性能。

由图5可知，UHPC2具有良好的匀质性。

结果表明，本发明制备方法制备的浮石基轻质自密实UHPC各项性能可以达到表观密度2000kg/m³以下，流动度300mm以上，强度110MPa以上，具有良好匀质性、体积稳定性和抗渗性能。

以上所述仅是本发明的优选方式，并不限制本发明，应当指出凡在本发明的精神和原则范围内的修改、替换等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种浮石基轻质自密实超高性能混凝土的制备方法，其特征在于主要步骤如下：

（1）原料组成包括粉料、集料和减水剂、水，按粉料和集料的密度及粒径分布进行测试；其中，粉料为水泥、粉煤灰、微硅粉，集料为河砂和预吸水处理后的浮石；

其中，粉料为水泥、粉煤灰、微硅粉，集料为河砂和预吸水处理后的浮石，减水剂为聚羧酸型减水剂；各组分的配合比如下：粉料700kg/m³~1300kg/m³，其中水泥400kg/m³~800kg/m³，粉煤灰80kg/m³~300kg/m³，硅灰50kg/m³~200kg/m³；集料400kg/m³~1200kg/m³，其中河砂28~220kg/m³，预吸水处理后的浮石400kg/m³或500kg/m³；减水剂掺量为胶凝材料质量的2%~4%，水胶比0.15~0.25；

（2）利用修正后的Andreasen-Andersen堆积模型对超高性能混凝土的基体配合比进行设计，即确定粉料水泥、粉煤灰、微硅粉和集料河砂的配合比，具体方法：根据粉体和集料的粒径分布调整各组分的体积占比，使组分颗粒间获得最紧密堆积；其中，各组分体积占比分别为：水泥30%~35%，粉煤灰8%~12%，硅灰6%~10%，集料：45%~50%；

（3）对浮石进行粉磨，选取0~2mm级配连续分布的浮石颗粒，同时满足密度为0.5kg/m³~1.2kg/m³，孔隙率为35%~55%，吸水处理前，浮石密度为0.6kg/m³~1.1kg/m³；

其中，河砂的粒径分布为0.6mm~1.5mm，吸水浮石的粒径分布为0~0.6mm；

或者，河砂的粒径分布为0~0.6mm；吸水浮石的粒径分布为0~1.3mm，其中粒径为0~0.6mm浮石占浮石总质量的85%；

（4）将粉磨后的浮石中加入水中，混合均匀，密封静置18h~24h，得到预吸水处理后的浮石，吸水率为35%~40%，保证超高性能混凝土的新拌浆体流动度＞260mm，且不出现离析泌水现象，确定减水剂掺量及净水胶比；

（5）根据步骤（3）所得出超高性能混凝土的基体配合比、以及步骤（4）所确定的减水剂掺量和净水胶比，经过拌和、试件成型及养护步骤，制得浮石基轻质自密实超高性能混凝土，密度为1800kg/m³~2200kg/m³，28d抗压强度为100MPa~160MPa，抗折强度为10MPa~23Mpa，7d收缩变形量为300με~1500με，28d电通量<100C，氯离子扩散系数<1×10^-12m²/s。

2.根据权利要求1所述的浮石基轻质自密实超高性能混凝土的制备方法，其特征在于所述步骤(5)中，拌和步骤为：1) 根据配合比设计将粉体和集料加入搅拌锅中混料；2) 依次加入水和减水剂，搅至成浆；3) 成浆后，得到新拌浆体；该新拌浆体的表观密度为1800kg/m³~2200kg/m³，流动度为260mm~380mm，新拌浆体的凝结时间为5h~10h。

3.根据权利要求1所述的浮石基轻质自密实超高性能混凝土的制备方法，其特征在于所述步骤(5)中，试件成型及养护步骤为：将新拌浆体倒入模具中成型，覆膜带模养护，脱模后试件置于标准养护室养护，得到浮石基轻质自密实超高性能混凝土试件。