CN111099865B - 一种防高温爆裂c250活性粉末混凝土及其制备和成型养护方法 - Google Patents

一种防高温爆裂c250活性粉末混凝土及其制备和成型养护方法 Download PDF

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Abstract

一种防高温爆裂C250活性粉末混凝土及其制备和成型养护方法。本发明属于土木工程领域。本发明解决了现有混凝土强度较低、高强度混凝土的制备方法不成熟且易发生高温爆裂的技术问题。产品由由水泥、硅灰、矿渣、石英砂、石英粉、钢纤维、减水剂和水经搅拌制备而成。成型养护方法采用先蒸汽养护再干热养护的方式进行。本发明的C250活性粉末混凝土，其抗压强度可达250MPa，在受压为主的穹顶结构、拱形结构中具有广泛应用价值，可明显增加结构跨度，降低结构造价。其含水率低于0.4～0.5％，可有效避免RPC高温爆裂，明显提升该类结构的火灾安全，此外本发明的方法节省了养护时间，还降低了工程造价，便于推广应用。

Description

一种防高温爆裂C250活性粉末混凝土及其制备和成型养护 方法
技术领域
本发明属于土木工程领域，具体涉及一种防高温爆裂C250活性粉末混凝土及其制备和成型养护方法。
背景技术
随着现代城市人口的大量聚集和经济的高速发展，超高层和超大跨度建筑结构被大量的建造和使用。我国正处于城镇化快速推进阶段，建筑行业蓬勃发展，但现在已经出现河砂、粗骨料等建筑材料短缺的问题，同时随着建筑高度越来越高，这使得高层或超高层建筑结构中底层框架柱所承担的竖向荷载越来越大，为避免因采用普通混凝土而导致框架柱截面过大、占用过多的使用面积及形成剪跨比小于2的短柱等问题，推广使用超高强高性能材料，可显著提高构件和结构的承载能力，满足土木工程轻量化、高层化、大跨化及耐久化等诸多方面的要求；同时材料高强化将显著降低材料用量，进而有效控制岩石、河砂、水泥、铁矿石等诸多上游原材料在开采、制备、运输中产生的巨量能耗，可大幅度减少能源、资源消耗和环境污染，降低碳排放，有利于可持续发展。因此，推广使用超高强高性能材料，是提高结构性能和发展绿色建筑的有效途径。
活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)是一种具有超高强度、优异耐久性和高韧性的新型混凝土材料。RPC具有良好的力学性能，断裂能高达12-40kJ/m2。RPC工程的建造表明：其材料特性与工程结构的有效结合，可逐步拓宽至大型桥梁、高层建筑、国防设施等多个领域。目前，国内多为强度为100-180MPa的RPC，更高强度的 RPC配制方法尚未解决。
目前，有采用对RPC进行压力釜高压养护以提高RPC强度的方法。压力釜高压养护环节施工难度大，养护时间长，压力釜养护设备造价高，且高压养护后RPC强度不易控制，不利于工程应用。
火灾是高频灾种。RPC结构遭受火灾的概率并不低。RPC不可燃性和低热梯度的特性，使得它在高温下的性能要优于木材、钢材等其他建筑材料。RPC由于其超高强度、超高韧性和超高耐久性具有极高的工程应用价值。然而，在火灾下RPC由于其高致密性和低渗透性会发生高温爆裂，爆裂临界温度低(约250-300℃)，超过爆裂临界温度后，爆裂概率高达95％，严重威胁RPC结构灾安全，限制了RPC的推广与应用。怎样配制超高强度的RPC并防止其在高温下的爆裂，是推广应用高强高性能混凝土材料迫切需要解决的难题。
发明内容
本发明解决了现有混凝土强度较低、高强度混凝土的制备方法不成熟且易发生高温爆裂的技术问题，而提供了一种防高温爆裂C250活性粉末混凝土及其制备和成型养护方法。
本发明的一种防高温爆裂C250活性粉末混凝土由水泥、硅灰、矿渣、石英砂、石英粉、钢纤维、减水剂和水制备而成；所述硅灰与水泥的质量比为(0.25～0.35)：1；所述矿渣与水泥的质量比为(0.1～0.2)：1；所述石英砂与水泥的质量比为(0.55～0.65)：1；所述石英粉与水泥的质量比为(0.55～0.65)：1；所述钢纤维的掺入量为混凝土体积的 2％～3％；所述减水剂的质量与水泥、硅灰和矿渣的总质量的比为(2～3)：100；所述水的质量与水泥、硅灰和矿渣的总质量的比为(0.15～0.2)：1。
进一步限定，该防高温爆裂C250活性粉末混凝土由水泥、硅灰、矿渣、石英粗砂、石英细砂、钢纤维、减水剂和水制备而成；所述硅灰与水泥的质量比为0.3：1；所述矿渣与水泥的质量比为0.15：1；所述石英粗砂与水泥的质量比为0.6：1；所述石英细砂与水泥的质量比为0.6：1；所述钢纤维的掺入量为混凝土体积的3％；所述减水剂的质量与水泥、硅灰和矿渣的总质量的比为2.5：100；所述水的质量与水泥、硅灰和矿渣的总质量的比为0.17：1。
进一步限定，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
进一步限定，所述减水剂pH 值为6～8，减水率为25％～35％，比重为1.08±0.02g/cm3，固形物含量为40％。
进一步限定，所述硅灰粒径为0.1μm～0.3μm。
进一步限定，所述石英砂为石英中砂和石英细砂中的一种或两种按任意比的组合。
进一步限定，所述石英中砂粒径0.36mm～0.6mm，所述石英细砂粒径为 0.18mm～0.36mm。
进一步限定，所述石英粉粒径为0.04mm～0.06mm。
进一步限定，所述钢纤维平均长度为13mm，平均直径为0.18mm。
制备本发明的一种防高温爆裂C250活性粉末混凝土的方法按以下步骤进行：
一、按顺序依次将水泥、硅灰、矿渣、石英砂和石英粉加入到搅拌机内，搅拌均匀，所述搅拌参数为：转速为130rpm～150rpm，温度为17～23℃，相对湿度为50％～70％，时间为2min～4min，得到混合干料；
二、将水和减水剂混合均匀，得到混合液体；
三、①向步骤一得到的混合干料中加入部分步骤二得到的混合液体，在转速为130rpm～150rpm的条件下搅拌2min～4min；②再加入剩余步骤二得到的混合液体，然后均匀撒入钢纤维，在转速为270rpm～290rpm的条件下搅拌5min～7min，得到防高温爆裂C250活性粉末混凝土。
进一步限定，步骤一中所述温度为20℃。
进一步限定，步骤一中所述相对湿度为60％。
进一步限定，步骤一中所述时间为3min。
进一步限定，步骤三①中所述部分步骤二得到的混合液体的质量为步骤二得到的混合液体的质量的50％。
进一步限定，步骤三①中在转速为130rpm～150rpm的条件下搅拌3min。
进一步限定，步骤三②中在转速为270rpm～290rpm的条件下搅拌6min。
本发明的一种防高温爆裂C250活性粉末混凝土的成型养护方法按以下步骤进行：
一、浇模：将搅拌完成的防高温爆裂C250活性粉末混凝土湿料浇筑于模具中，浇筑装模时采用分层插捣的方式，装模完毕后进行振捣，边振捣边抹平，待模具表面溢水时停止振捣，得到试件；
二、密封：将步骤一得到的试件表面用保鲜膜密封，在室温条件下静置22h～26h，然后拆模，得到水泥基材料试件；
三、蒸汽养护：将步骤二得到的水泥基材料试件进行蒸汽养护，所述蒸汽养护过程为：将水泥基材料试件以升温速率为2℃/min～3℃/min由室温升温至80～100℃，然后在该温度下的蒸汽环境中恒温养护2～4天；
四、干热养护：将步骤三后的水泥基材料试件以升温速率为2℃/min～3℃/min由室温升温至200～300℃，然后在该温度下恒温养护7h～9h，完成防高温爆裂C250活性粉末混凝土的养护。
进一步限定，步骤一中所述振捣时间为2min～4min。
进一步限定，步骤二中在室温条件下静置24h。
进一步限定，步骤三中所述升温速率为2.5℃/min。
进一步限定，步骤三中在温度为90℃的蒸汽环境中养护3天。
进一步限定，步骤四中所述升温速率为2.5℃/min。
进一步限定，步骤四中在温度为250℃的条件下养护8h。
本发明的防高温爆裂C250活性粉末混凝土的制备方法首先，采用石英砂代替粗骨料，基于最紧密堆积理论，通过优化颗粒级配提高基体密实性；其次，降低了RPC水胶比，使用高效减水剂提高拌合物流动性，促进水泥快速水化，提高RPC强度；再次，通过添加钢纤维提高基体的强度、增强韧性，在RPC受力过程中，钢纤维能有效抑制裂缝开展；最后，在浇筑时采用加压成型以排除基体孔隙及多余水分，抑制气泡的形成，提高基体密实度。
本发明的防高温爆裂C250活性粉末混凝土的成型养护方法采用先蒸汽养护，在干热养护的方式，首先，蒸汽养护可促进RPC内部水化反应，提升强度。其次，蒸汽养护结束后再采用干热养护的方式加快火山灰反应，提高了水泥基体中C-S-H凝胶及硬硅钙石的含量，改善了微观结构，从而提高RPC强度。干热养护不仅可以提高RPC强度，还可以将RPC内部含水率(质量比)降低至0.4～0.5％之间，进而可避免RPC发生高温爆裂。
具体优点如下：
①本发明的C250活性粉末混凝土，其抗压强度可达250MPa，与普通热轧钢材相当，质量为普通钢材的1/3，强度重量比是普通钢材的3倍，在受压为主的穹顶结构、拱形结构中具有广泛应用价值，可明显增加结构跨度，降低结构造价。
②本发明的C250活性粉末混凝土，因采用了高温干热养护，其含水率低于0.4～0.5％，可有效避免RPC高温爆裂，明显提升该类结构的火灾安全。
③本发明的C250活性粉末混凝土，与传统活性粉末混凝土相比，因采用了高温干热养护，其抗压强度较未采用干热养护相比，提高了约50％，抗拉强度提高了约10％。此外，采用主要材料之一矿渣为工业废弃物，起到了资源再利用的作用，是一种绿色、高性能混凝土材料。
④本发明的C250活性粉末混凝土，取消了压力釜高压养护的这一环节，该环节施工难度大，养护时间长，压力釜这一养护设备造价高，且养护后RPC强度不易控制，而本发明的C250活性粉末混凝土不仅节省了养护时间，还降低了工程造价，便于推广应用。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中的一种防高温爆裂C250活性粉末混凝土由水泥、硅灰、矿渣、石英粗砂、石英细砂、钢纤维、聚羧酸减水剂和水制备而成；所述硅灰与水泥的质量比为0.3：1；所述矿渣与水泥的质量比为0.15：1；所述石英粗砂与水泥的质量比为0.6：1；所述石英细砂与水泥的质量比为0.6：1；所述钢纤维的掺入量为混凝土体积的 3％；所述聚羧酸减水剂的质量与水泥、硅灰和矿渣的总质量的比为2.5：100；所述水的质量与水泥、硅灰和矿渣的总质量的比为0.17：1。
本实施方式中所述水泥选用黑龙江亚泰水泥有限公司生产的天鹅牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥。水泥的各项指标符合GB175-1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》的质量要求。
本实施方式中所述矿渣选用哈尔滨三发新型节能建材有限责任公司生产的S95级矿渣，其密度为2.85g/cm3，比表面积为366m2/kg。
本实施方式中所述硅灰选用河南省巩义市金石建材公司生产的1000目硅灰。SiO2含量为94％，堆积密度为330kg/m3，容重为1700kg/m3，平均粒径为0.2μm，比表面积为21210m2/kg，表观特征呈黑灰色超细粉末状。
本实施方式中所述石英粉和石英砂选用哈尔滨晶华水处理材料有限公司生产的石英粉和石英砂；所述石英粉和石英砂中SiO2含量超过99.6％；其中所述石英粉平均粒径为 0.05mm，所述石英砂由石英中砂和石英细砂按质量比1:1混合而成；所述石英中砂平均粒径0.48mm，所述石英细砂平均粒径为0.27mm。
本实施方式中所述聚羧酸减水剂选用青岛虹厦混凝土减水剂公司生产的聚羧酸高效减水剂，其pH 值为6～8，减水率为25％～35％，比重为1.08±0.02g/cm3，固形物含量为 40％。
本实施方式中所述钢纤维选用辽宁鞍山昌宏公司生产的平直型镀铜钢纤维，其平均长度为13mm，平均直径为0.18mm，抗拉强度2850MPa。
制备本发明的一种防高温爆裂C250活性粉末混凝土的方法按以下步骤进行：
一、按顺序依次将水泥、硅灰、矿渣、石英砂和石英粉加入到搅拌机内，搅拌均匀，所述搅拌参数为：转速为140rpm，温度为20℃，相对湿度为60％，时间为3min，得到混合干料；
二、将水和减水剂混合均匀，得到混合液体；
三、①向步骤一得到的混合干料中加入部分步骤二得到的混合液体，在转速为140rpm 的条件下搅拌3min；②再加入剩余步骤二得到的混合液体，然后均匀撒入钢纤维，在转速为280rpm的条件下搅拌6min，得到防高温爆裂C250活性粉末混凝土。
进一步限定，步骤三①中所述部分步骤二得到的混合液体的质量为步骤二得到的混合液体的质量的50％。
本发明的一种防高温爆裂C250活性粉末混凝土的养护方法按以下步骤进行：
一、浇模：将搅拌完成的防高温爆裂C250活性粉末混凝土湿料浇筑于规格为70.7mm×70.7mm×70.7mm的模具中，浇筑装模时采用分层插捣的方式，装模完毕后进行振捣，边振捣边抹平，待模具表面溢水时停止振捣，得到试件；所述振捣时间为3min；
二、密封：将步骤一得到的试件表面用保鲜膜密封，在室温条件下静置24h，然后拆模，得到水泥基材料试件；
三、蒸汽养护：将步骤二得到的水泥基材料试件进行蒸汽养护，所述蒸汽养护过程为：将水泥基材料试件以升温速率为2.5℃/min由室温升温至90℃，然后在该温度下的蒸汽环境中恒温养护3天；
四、干热养护：将步骤三后的水泥基材料试件以升温速率为2.5℃/min由室温升温至 250℃，然后在该温度下恒温养护8h，完成防高温爆裂C250活性粉末混凝土的养护。
检测试验：
(一)用国家标准GB/T2419规定的水泥胶砂流动度测定方法(跳桌法)对步骤一后的试件进行RPC的流动性检测，得到RPC流动性在140mm～170mm之间。
(二)按国家标准普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T50081规定的方法测量RPC抗压强度，抗压强度平均值不低于250MPa。
(三)按国家标准GB/T4111混凝土砌块和砖试验方法规定的方法测量RPC含水率，RPC含水率应低于0.5％。

Claims (4)

1.一种防高温爆裂C250活性粉末混凝土的成型养护方法，其特征在于该成型养护方法按以下步骤进行：
一、浇模：将搅拌完成的防高温爆裂C250活性粉末混凝土湿料浇筑于模具中，浇筑装模时采用分层插捣的方式，装模完毕后进行振捣，边振捣边抹平，待模具表面溢水时停止振捣，加压成型，得到试件；其中所述防高温爆裂C250活性粉末混凝土由水泥、硅灰、矿渣、石英砂、石英粉、钢纤维、减水剂和水制备而成；所述硅灰与水泥的质量比为(0.25～0.35)：1；所述矿渣与水泥的质量比为(0.1～0.2)：1；所述石英砂与水泥的质量比为(0.55～0.65)：1；所述石英粉与水泥的质量比为(0.55～0.65)：1；所述钢纤维的掺入量为混凝土体积的2％～3％；所述减水剂的质量与水泥、硅灰和矿渣的总质量的比为(2～3)：100；所述水的质量与水泥、硅灰和矿渣的总质量的比为(0.15～0.2)：1；
二、密封：将步骤一得到的试件表面用保鲜膜密封，在室温条件下静置22h～26h，然后拆模，得到水泥基材料试件；
三、蒸汽养护：将步骤二得到的水泥基材料试件进行蒸汽养护，所述蒸汽养护过程为：将水泥基材料试件以升温速率为2℃/min～3℃/min由室温升温至80～100℃，然后在该温度下的蒸汽环境中恒温养护2～4天；
四、干热养护：将步骤三后的水泥基材料试件以升温速率为2℃/min～3℃/min由室温升温至200～300℃，然后在该温度下恒温养护7h～9h，完成防高温爆裂C250活性粉末混凝土的养护。
2.根据权利要求1所述的一种防高温爆裂C250活性粉末混凝土的成型养护方法，其特征在于步骤二中在室温条件下静置24h。
3.根据权利要求1所述的一种防高温爆裂C250活性粉末混凝土的成型养护方法，其特征在于步骤三中以升温速率为2.5℃/min由室温升温至90℃，然后在该温度下的蒸汽环境中恒温养护3天。
4.根据权利要求1所述的一种防高温爆裂C250活性粉末混凝土的成型养护方法，其特征在于步骤四中以升温速率为2.5℃/min由室温升温至250℃，然后在该温度下恒温养护8h。
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