CN110627439B - 一种伸缩缝过渡区超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伸缩缝过渡区超高性能混凝土，它以水泥、粉煤灰微珠、硅灰、高钛重矿渣砂、有机‑无机混杂纤维、水性环氧乳液、减水剂和水为主要原料制备而成。本发明以高钛重矿渣砂为集料，利用其内养护和销钉作用，提高混凝土的体积稳定性、抗渗抗裂性能和力学性能；采用有机‑无机纤维复合增韧技术，提升弯曲韧性和抗冲击性能；利用水性环氧乳液交联固化后形成相互交织的网状结构，进一步提升抗冲击性能和韧性；掺加减水剂和粉煤灰微珠，改善工作性能和密实性；所得超高性能混凝土具有高流态、低收缩、高韧性、高粘结、高冲击性能和耐疲劳等优点，可从根本上解决伸缩缝过渡区混凝土反复修补、反复破坏等问题，具有重要的实际应用价值。

Description

一种伸缩缝过渡区超高性能混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种伸缩缝过渡区超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术

目前国内大部分桥梁铺装层都采用沥青混合料进行桥面摊铺，在桥梁伸缩缝处采用水泥混凝土填补。因此，伸缩缝过渡区混凝土的质量及平整程度直接影响着桥梁的寿命和行车舒适度。一方面由于其直接承受车轮的反复碾压冲击作用，过渡区混凝土刚度高、变形能力差，不能有效吸收和传递伸缩体的冲击能量；另一方面其长期暴露于自然条件下，部分北方地区使用除冰盐防滑，服役环境较为恶劣，使得伸缩缝装置成为了桥梁结构最易受损和较难修复的部位，其使用寿命远低于桥梁的设计寿命。频繁维修或更换伸缩缝不仅严重影响交通的通畅与安全，并且也带来了资源的浪费与环境问题，提高了桥梁的维护成本。

目前应用于伸缩缝过渡区混凝土主要为普通混凝土、钢纤维高强混凝土以及各种树脂混凝土，然而这三种混凝土材料分别存在以下问题：1)普通混凝土属于典型的脆性材料，抗压强度高，但抗拉强度、抗剪强度和抗冲击性能低，使得伸缩缝结构难以承受长期车载的反复冲击作用；2)钢纤维高强混凝土抗拉强度、抗冲击性能和抗疲劳能力较普通混凝土有显著的提升，不足之处主要在于钢纤维高强混凝土胶凝材料用量高，水胶比较低，容易发生收缩开裂问题，另一方面自身的黏结强度低，与沥青混凝土铺装层、水泥混凝土梁板、预埋筋及型钢间的界面黏结力差容易形成渗水缝隙；在承受应力作用时，黏结界面容易开裂，从而大幅降低伸缩缝结构的耐久性和安全性；3)环氧树脂混凝土具有强度高、耐磨性好、抗冲击性能好、粘结性能优异和耐化学腐蚀等优点，但缺点主要在于固化后的环氧混凝土呈脆性性质，拉伸变形能力不足，此外环氧树脂属于有机材料，紫外老化问题比较严重，且现场配制比较繁琐，材料成本和施工成本均较高。因此，有必要研发一种具有超高强、低收缩、抗冲击、粘结性好和耐久性等优点的伸缩缝混凝土材料，从根本上解决伸缩缝结构反复修补和反复破坏的问题，提高桥梁结构的服役寿命和行车舒适性。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种伸缩缝过渡区超高性能混凝土，它具有优异的力学性能、体积稳定性能、抗疲劳性能和抗冲击韧性，且涉及的制备方法简单、成本低，具有重要的实际推广价值。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种伸缩缝过渡区超高性能混凝土，各组分及其含量包括：水泥650～800kg/m³，粉煤灰微珠150～200kg/m³，硅灰130～200kg/m³，高钛重矿渣砂970～1200kg/m³，有机-无机混杂纤维120～250kg/m³，水性环氧树脂乳液20～40kg/m³，减水剂22.5～28.5kg/m³，水180～200kg/m³。

根据上述方案，所述水泥为P·O42.5或P·O52.5硅酸盐水泥。

根据上述方案，所述粉煤灰微珠烧失量≤5.0％，需水量比≤90％，球形颗粒体积率≥95％。

根据上述方案，所述硅灰的SiO₂质量含量≥95％，比表面积≥15500m²/kg，28d活性指数≥100％。

根据上述方案，所述高钛重矿渣砂是冶炼钒钛磁铁矿时产生的熔融矿渣经水冷或自然冷却后，通过磁选、破碎、筛分而来的高强多孔细集料，细度模数2.5～3.2，粉尘含量5～15％，堆积密度1650～1870kg/m³，表观密度2970～3300kg/m³，孔隙率15～20％，饱和面干吸水率6.0～9.0％。

根据上述方案，所述有机-无机混杂纤维由镀铜短钢纤维、镀铜长钢纤维和PVA纤维混合而成，其中各组分及其含量包括：镀铜短钢纤维80～160kg/m³，镀铜长钢纤维30～120kg/m³，PVA纤维20～50kg/m³；其中镀铜短钢纤维的公称长度为10～16mm，当量直径为0.18～0.35mm，断裂强度≥3000MPa，弹性模量为40～60GPa；镀铜长钢纤维的公称长度为25～40mm，当量直径0.45～0.6mm，断裂强度>2000MPa；PVA纤维的公称长度为10～14mm，当量直径0.15～0.25mm，弹性模量>15GPa，断裂强度>150GPa，断裂延伸率10～15％，无吸水性。

根据上述方案，所述水性环氧树脂乳液为非离子型水性环氧树脂乳液，采用双组分体系；包括A料水性环氧树脂和B料固化剂，其中A料水性环氧树脂固含量49～51％，平均粒径≤0.5μm，环氧当量190±5，PH值7～8；B料固化剂固含量49～51％，胺氢当量240～250，VOC当量<50g/L，PH值7～8。

根据上述方案，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，固含量为48～51％，减水率26～29％。

根据上述方案，所述水为普通自来水，符合《混凝土用水标准》JGJ63的要求。

上述一种伸缩缝过渡区超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1)按配比称取各原料，各组分及其含量为：水泥650～800kg/m³，粉煤灰微珠150～200kg/m³，硅灰130～200kg/m³，高钛重矿渣砂970～1200kg/m³，有机-无机混杂纤维120～250kg/m³，水性环氧树脂乳液20～40kg/m³，减水剂22.5～28.5kg/m³，水180～200kg/m³；

2)将高钛重矿渣砂放入水中浸泡至饱水状态，将所得预湿高钛重矿渣砂、水泥、硅灰、粉煤灰微珠预拌均匀，随后倒入减水剂和70～80％的水湿拌均匀，然后在加入水性环氧树脂乳液和剩余的水搅拌均匀，最后再撒布式加入有机-无机混杂纤维搅拌均匀；

3)将步骤2)所得混合料进行装模、振捣、成型，薄膜养护后拆模，最后进行标准养护或蒸汽养护至规定龄期，即得所述伸缩缝过渡区超高性能混凝土。

本发明所得伸缩缝过渡区超高性能混凝土56d收缩率小于350×10^-6，28d抗折强度大于25MPa，与C40混凝土界面粘结强度大于5.5MPa，弯曲韧性指数I₂₀大于30，抗冲击功大于1600J，0.65应力水平下抗弯拉疲劳次数达到1000万次以上，同时抗压强度等级可达C140以上，并具有优异的工作性能和耐久性能；可大幅提升伸缩缝装置的整体变形能力和的承载性能，提高桥梁结构的服役寿命和安全性能，具有重要的实际应用价值。

本发明采用的原理为：

1)本发明采用高钛重矿渣砂作为集料制备超高性能混凝土，一方面，高钛重矿渣砂表面粗糙，富有棱角，使细集料与胶凝浆体间的咬合得更加致密，有利于提高超高性能混凝土强度；另一方面，高钛重矿渣砂表面多孔、粗糙，内部含有大量毛细孔，使得高钛重矿渣砂具有“缓释水”效应，预湿处理的高钛重矿渣砂在混凝土成型后会随着时间的延长缓慢释放出内部水分，使混凝土得到充分的内养护，大幅降低混凝土收缩；此外，大量胶凝浆体进入到高钛重矿渣砂表面空隙，形成致密销钉，减小界面过渡区厚度，使得高钛重矿渣砂与水泥石很好的结合成一个整体，显著提高混凝土的密实性和强度，阻止有害离子在硬化浆体毛细孔中迁移，提高了超高性能混凝土的力学性能和抗渗性能。

2)本发明采用高渣粉含量的高钛重矿渣砂代替石英砂制备超高性能混凝土，渣粉对外加剂的吸附量大，使得新拌混凝土工作性能及匀质性差，混凝土易出现离析和泌水的问题；本发明通过掺入硅灰、粉煤灰微珠和水性环氧乳液，利用粉煤灰微珠的“滚珠效应”、水性环氧树脂和减水剂的引气功能，协同降低胶凝浆体的塑性粘度和屈服应力，提高新拌混凝土的流动性和匀质性；利用硅灰改善粘聚性，保水作用的功能和复合纤维在新拌混凝土内部形成乱象骨架结构，联合提升拌合物的粘聚性和饱水性，避免高渣粉含量高钛重矿渣砂制备的超高性能混凝土的离析泌水现象；活性粉煤灰微珠与硅灰复合还可有效改善混凝土胶凝浆体内部的界面过渡区，生成Ca/Si较低的C-S-H凝胶，提高抵御外部侵蚀的能力，从而提高混凝土的力学性能和耐久性能。

3)水性环氧树脂乳液的固化成膜过程包括水的蒸发、乳液颗粒的聚结、固化剂的扩散和交联反应的发生四个阶段；最初，乳液颗粒与固化剂分子分散在水中，随着水分的蒸发，环氧树脂乳液颗粒相互接触，形成堆积结构，与此同时，固化剂分子扩散到环氧树脂颗粒的界面及其内部发生固化反应，使小分子环氧树脂聚合反应生成交联的体形大分子，水性环氧树脂交联聚合形成的三维网状结构将会穿插在胶凝材料的水化产物中，与之形成交织互穿网络结构，在基体内部形成柔性体系；另一方面，水性环氧树脂乳液在固化过程中，乳液表面的活性基团会在钢纤维表面形成一层胶结膜，降低钢纤维与基体粘结界面处的实际水胶比，进一步增加钢纤维与混凝土的界面粘结性能，提高钢纤维的阻裂变形能力；实现纤维与水性环氧树脂协同增韧，大幅提高超高性能混凝土的弯拉韧性和疲劳寿命；此外，由于水泥基材料的水化作用，环氧树脂乳液与水泥水化产物间通过氢键和范德华力相互作用，改善骨料与基体的粘结性能，降低粘结面的实际水胶比，提升了新老混凝土的界面粘结强度，提高了伸缩缝修补结构的力学性能和耐久性能。

4)掺入有机-无机复合纤维可极大地改善基体的脆性，增加混凝土受车轮反复冲击碾压过程中的变形能力和耐疲劳性能；纤维在基体开裂后将发挥其阻裂增韧的能力，不同类型的纤维在基体受弯拉破坏过程中发挥不同作用：PVA纤维比钢纤维尺寸小，单位体积掺量下纤维的数量更多，在基体内部形成相互交织的纤维网，能够有效桥接基体内部的微裂纹，阻滞基体中的微裂缝的扩展，但PVA纤维和短钢纤维的在硬化基体内的有效粘结锚固长度短，在宏观裂缝形成时便已经拔出失效，镀铜长钢纤维在宏观裂缝扩展时可进一步发挥其阻裂效应，在拔出过程中会消耗更多的能量，显著提高了拔出阶段的断裂能，从而大幅提高超高性能混凝土的韧性；同时三种不同尺寸和类型的钢纤维在基体内部相互搭接，形成随机乱象分布的纤维网，发挥混杂纤维的正混杂效应，实现有机-无机混掺纤维的协同改性效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)采用预湿高钛重矿渣砂作为集料制备超高性能混凝土，可有效提高超高性能混凝土的力学性能，利用其内养护功能可一定程度解决目前超高性能混凝土收缩大的问题，利用高钛重矿渣砂改善界面过渡区结构，增加超高性能混凝土密实性和整体性，提高超高性能混凝土的力学性能、耐久性能和体积稳定性能；解决超高性能混凝土因胶材用量高而导致收缩大、需蒸养等问题，显著降低超高性能混凝土的工程造价；此外，可有效解决目前超高性能混凝土常用集料(如石英砂、河砂等)资源匮乏等问题，拓宽了超高性能混凝土的制备原料范围，实现高钛重矿渣等废弃资源的有效利用，具有重要的经济和环境效益。

2)采用硅灰和粉煤灰微珠等矿物掺合料并结合水性环氧乳液，有效解决高渣粉含量的高钛重矿渣砂配制超高性能混凝土而存在的离析泌水问题，优化混凝土拌合物的工作性能，改善混凝土的密实性和均质性，并进一步降低混凝土的收缩量，提升超高性能混凝土的力学性能和体积稳定性能。

3)水性环氧树脂交联固化后的聚合物分子在水泥石基体内部形成三维互穿柔性体系，优化混凝土内部孔结构，提升水泥石基体与集料的粘结强度，降低修补体系界面粘结处的水胶比，改善混凝土的韧性、抗冲击性能、抗疲劳性能和粘结强度。

4)有机-无机复合纤维在基体内部相互搭接形成乱象分布的纤维网络，不同尺度和类型的纤维在基体破坏过程中发挥不同的增韧阻裂效应，增加了超高性能混凝土总的断裂能，有效阻止混凝土微裂纹的萌生和宏观裂缝的扩展，提高混凝土的韧性、抗冲击性能和疲劳性能。

本发明所得伸缩缝过渡区超高性能混凝土56d收缩率小于350×10^-6，28d抗折强度大于25MPa，与C40混凝土界面粘结强度大于5.5MPa，弯曲韧性指数I₂₀大于30，抗冲击功大于1600J，0.65应力水平下抗弯拉疲劳次数达到1000万次以上，同时抗压强度等级可达C140以上，并具有优异的工作性能和耐久性能；可大幅提升伸缩缝装置的整体变形能力和的承载性能，提高桥梁结构的服役寿命和安全性能，具有重要的实际应用价值。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中，水泥采用华新P·O52.5普通硅酸盐水泥；硅灰由上海天恺硅粉材料有限公司提供，SiO₂质量含量为95％，比表面积17500m²/kg，28d活性指数105％；粉煤灰微珠由京诚嘉德(北京)商贸有限公司提供，烧失量3.5％，需水量比88％，球形颗粒体积率97％；高钛重矿渣砂为攀钢环业冶金公司生产钒钛磁铁矿时产生的熔融矿渣经水冷或自然冷却后，通过磁选、破碎、筛分得到的高强多孔细集料，细度模数2.8，粉尘含量12％，堆积密度1800g/m³，表观密度3150kg/m³，孔隙率17.2％，饱和面干吸水率8.4％；镀铜钢纤维和多锚点钢纤维由武汉新途工程新材料科技有限公司生产，镀铜短钢纤维公称长度13mm，当量直径0.25mm，断裂强度3500MPa，弹性模量220GPa；镀铜长钢纤维的公称长度为30mm，当量直径0.5mm，断裂强度>2200MPa，弹性模量200～250GPa；PVA纤维由江苏博特新材料股份有限公司提供，公称长度为12mm，当量直径0.2mm，弹性模量18GPa，断裂强度175GPa，断裂延伸率13％，无吸水性；采用的减水剂为聚羧酸高效减水剂，由江苏苏博特新材料股份有限公司生产，固含量50％，减水率28％；水性环氧树脂乳液H123由上海汉中化工有限公司提供，采用双组分体系，包括A料水性环氧树脂和B料固化剂，其中A料水性环氧树脂固含量50％，平均粒径0.3μm，环氧当量192，pH值7；B料固化剂固含量50％，胺氢当量245，VOC当量40g/L，pH值7；水为普通自来水。

实施例1～6

一种伸缩缝过渡区超高性能混凝土，其制备方法包括如下步骤：

1)按表1所述配比称取各原料；

2)将预湿高钛重矿渣砂、水泥、硅灰、粉煤灰微珠加入混凝土搅拌机预拌1～3分钟至目测均匀，随后倒入70％～80％水和超分散减缩外加剂湿拌3～5分钟，然后在加入配制好的水性环氧乳液和剩余的水搅拌3～5分钟，最后再撒布式加入镀铜短钢纤维、镀铜长钢纤维和PVA纤维搅拌均匀；进行装模、振捣、成型后，表面覆盖不透水的薄膜进行薄膜养护后拆模，最后进行标准养护至规定龄期，即得所述伸缩缝过渡区超高性能混凝土。

表1实施例1～6所述伸缩缝过渡区超高性能混凝土的配合比(kg/m³)

表2实施例1～6所得伸缩缝过渡区超高性能混凝土的性能测试结果

上述结果表明，本发明所得伸缩缝过渡区超高性能混凝土56d收缩率小于350×10^-6，28d抗折强度大于25MPa，与C40混凝土界面粘结强度大于5.5MPa，弯曲韧性指数I₂₀大于30，抗冲击功大于1600J，0.65应力水平下抗弯拉疲劳次数达到1000万次以上，同时抗压强度等级可达C140以上，并具有优异的工作性能和耐久性能。

本发明制备的超高性能混凝土在应用于桥梁伸缩缝时，可有效提升伸缩缝结构的强度、韧性、粘结性能、抗疲劳性能和抗冲击性能，提高桥梁结构的服役寿命和安全性能；同时可有效解决目前超高性能混凝土常用集料(如石英砂、河砂等)资源匮乏等问题，拓宽超高性能混凝土的制备原料范围，降低超高性能混凝土的生产成本，实现高钛重矿渣资源的有效利用，符合国家可持续发展战略。

上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种伸缩缝过渡区超高性能混凝土，各组分及其含量为：水泥650~780kg/m³，粉煤灰微珠150~170kg/m³，硅灰130~185kg/m³，高钛重矿渣砂970~1200kg/m³，有机-无机混杂纤维120~250kg/m³，水性环氧树脂乳液20~40kg/m³，减水剂22.5~28.5kg/m³，水180~200kg/m³；

所述高钛重矿渣砂是冶炼钒钛磁铁矿时产生的熔融矿渣经水冷或自然冷却后，通过磁选、破碎、筛分而来的高强多孔细集料，细度模数2.5~3.2，粉尘含量5~15%，堆积密度1650~1870kg/m³，表观密度2970~3300kg/m³，孔隙率15~20%，饱和面干吸水率6.0~9.0%；

所述有机-无机混杂纤维由镀铜短钢纤维、镀铜长钢纤维和PVA纤维混合而成，镀铜短钢纤维的公称长度为10~16mm，当量直径0.18~0.35mm；镀铜长钢纤维的公称长度为25~40mm，当量直径0.45~0.6mm；P VA纤维公称长度为10~14mm，当量直径0.15~0.25mm。

2.根据权利要求1所述的伸缩缝过渡区超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为P·O42.5或P·O52.5硅酸盐水泥。

3.根据权利要求1所述的伸缩缝过渡区超高性能混凝土，其特征在于，所述粉煤灰微珠烧失量≤5.0%，需水量比≤90%，球形颗粒体积率≥95%。

4.根据权利要求1所述的伸缩缝过渡区超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰的SiO₂质量含量≥95%，比表面积≥15500m²/kg，28d活性指数≥100%。

5.根据权利要求1所述的伸缩缝过渡区超高性能混凝土，其特征在于，所述有机-无机混杂纤维中各组分及其含量包括：镀铜短钢纤维 80~160kg/m³，镀铜长钢纤维 30~120kg/m³，PVA纤维20~50kg/m³。

6.根据权利要求5所述的伸缩缝过渡区超高性能混凝土，其特征在于，所述镀铜短钢纤维的断裂强度≥3000MPa，弹性模量200~250GPa；镀铜长钢纤维的断裂强度>2000MPa，弹性模量200~250GPa；PVA纤维的弹性模量>15GPa，断裂强度>150GPa，断裂延伸率10~15%，无吸水性。

7.根据权利要求1所述的伸缩缝过渡区超高性能混凝土，其特征在于，所述水性环氧树脂乳液为非离子型水性环氧树脂乳液，采用双组分体系，包括A料水性环氧树脂和B料固化剂，其中A料水性环氧树脂固含量49~51%，平均粒径≤0.5μm，环氧当量190±5，pH值7~8；B料固化剂固含量49~51%，胺氢当量240~250，VOC当量<50g/L，pH值7~8。

8.根据权利要求1所述的伸缩缝过渡区超高性能混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，固含量为48~51%，减水率26~29%。

9.权利要求1~8任一项所述伸缩缝过渡区超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1) 按配比称取各原料，各组分及其含量为：水泥650~780kg/m³，粉煤灰微珠150~170kg/m³，硅灰130~185kg/m³，高钛重矿渣砂970~1200kg/m³，有机-无机混杂纤维 120~250kg/m³，水性环氧树脂乳液20~40kg/m³，减水剂22.5~28.5kg/m³，水180~200kg/m³；

2) 将高钛重矿渣砂放入水中浸泡至饱水状态，将所得预湿高钛重矿渣砂、水泥、硅灰、粉煤灰微珠预拌均匀，随后倒入减水剂和70~80%的水湿拌均匀，随后将剩余的水和水性环氧树脂乳液混合均匀后加入搅拌机中，最后再撒布式加入有机-无机混杂纤维搅拌均匀；

3）将步骤2）所得混合料进行装模、振捣、成型，薄膜养护后拆模，最后进行标准养护或蒸汽养护至规定龄期，即得所述伸缩缝过渡区超高性能混凝土。