CN111393100B - 一种超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高性能混凝土及其制备方法，涉及混凝土技术领域，解决了因混凝土整体的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度并不能全方位得到提高，只会单一性能较为突出，进而导致其整体应用效果较差的问题，其中，一种超高性能混凝土，包括如下重量份数的组分：水泥900‑950份；硅灰75‑85份；硅砂1100‑1300份；钢纤维230‑250份；水170‑190份；减水剂18‑24份。本发明中的超高性能混凝土具有良好优异的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度，整体性能较为优异。

Description

一种超高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，更具体地说，它涉及一种超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
超高性能混凝土，简称UHPC，也称作活性粉末混凝土，是过去三十年中最具创新性的水泥基工程材料，实现工程材料性能的大跨越。UHPC堪称耐久性最好的工程材料，适当配筋的UHPC力学性能接近钢结构，同时UHPC具有优良的耐磨、抗爆性能。因此，UHPC特别适合用于大跨径桥梁、抗爆结构(军事工程、银行金库等)和薄壁结构，以及用在高磨蚀、高腐蚀环境。
在公开号为CN106630792A的中国发明专利申请文件中公开了高性能混凝土，其由以下重量份的原料组成：水泥120-140份、碎石500-600份、河砂150-180份、粉煤灰50-60份、硅砂30-50份、氮化钛粉10-15份、石灰石粉50-60份、氮化硼纤维10-15份、氧化铝纤维10-15份、氯乙烯-聚乙烯醇接枝共聚纤维20-25份、羟丙基淀粉醚10-15份、减水剂5-8份、钢纤维5-10份、纳米氧化镁5-10份、纳米硫酸钡10-15份、十二烷基硫酸钠2-5份、硬脂酸锌3-6份、硼酸2-5份、三聚磷酸钠3-7份、水100-120份。
上述申请文件中，够效改善普通混凝土毛细孔结构，堵塞混凝土内部毛细孔通道，显著提高混凝土的抗渗防水功能，而高性能混凝土因使用较多限位组分进行混合，虽然在一定程度上能够提高自身的结构强度，但因纤维填充效果仅仅局限于各原料的结合处，且多与各组分原料间的界面结合强度较差，导致混凝土整体的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度并不能全方位得到提高，只会单一性能较为突出，进而导致其整体应用效果较差，因此，需要提出一种新的方案来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的一在于提供一种超高性能混凝土，以解决上述技术问题，其具有良好优异的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度，整体性能较为优异。
为实现上述目的一，本发明提供了如下技术方案：
一种超高性能混凝土，包括如下重量份数的组分：
水泥 900-950份；
硅灰 75-85份；
硅砂 1100-1300份；
钢纤维 230-250份；
水 170-190份；
减水剂 18-24份。
通过采用上述技术方案，硅砂是以石英为主要矿物成分、粒径在0.020mm-3.350mm的耐火颗粒物，具有优异的耐磨性和化学稳定性；硅灰能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体，与碱性材料氧化镁反应生成凝胶体，进而够提高混凝土的结构密度和强度、降低混凝土的磨损率、并增强混凝土的抗侵蚀性；钢纤维与其他各组分原料之间具有良好的截面粘结性能，可提高混凝土整体的抗拉、抗弯强度，并大幅度地提高其韧性和抗冲击强度。同时，本发明申请中的各组分原料以最佳比例形成最紧密堆积，使超高性能混凝土具有类金属特性，且仅以0.18左右的水胶比，配制出标养28天强度120MPa的超高性能混凝土，并具有良好优异的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度，整体性能较为优异。
进一步优选为，所述硅灰选择的粒径为100-200nm；所述硅砂选择的粒径为0.1-0.6mm；所述钢纤维选择的直径为0.2-0.3mm，纤维长度为3-12mm。
通过采用上述技术方案，硅灰、硅砂和钢纤维选择上述规格，能够以不同粒径颗粒和特定长径比的钢纤维以最佳比例形成最紧密堆积，不仅能够使超高性能混凝土具有良好优异的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度，还具有优异的体积稳定性，并在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后期具有较小的收缩变形，整体品质较为优异。
进一步优选为，所述水泥选用硅酸盐水泥和高铝酸盐水泥中的任意一种，其中硅酸盐水泥选用P.Ⅰ52.5级和P.Ⅱ52.5级中的任意一种，高铝酸盐水泥选用52.5级和62.5级中的任意一种。
通过采用上述技术方案，硅酸盐水泥是以硅酸钙为主的硅酸盐水泥熟料，5％以下的石灰石或粒化高炉矿渣，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料；高铝酸盐水泥是以铝矾土和石灰石为原料,经煅烧制得的以铝酸钙为主要成分、氧化铝含量约50％的熟料,再磨制成的水硬性胶凝材料；而选用上述规格的硅酸盐水泥和高铝酸盐水泥，均能够得到抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度优异的超高性能混凝土。
进一步优选为，所述减水剂选用氨基磺酸盐系高效减水剂、萘磺酸盐减水剂和聚羧酸系高性能减水剂中的任意一种。
通过采用上述技术方案，上述种类的减水剂均适用超高性能混凝土的制备，并在维持超高性能混凝土坍落度基本不变的条件下，能减少拌合用水量，进而改善超高性能混凝土拌合物的流动性，提高其整体品质。
进一步优选为，所述超高性能混凝土的组分中还加入有重量份数为45-65份的功能助剂，功能助剂由水淬锰渣和生石灰粉混合而得，且水淬锰渣和生石灰粉的重量份数比为(4-6):1。
通过采用上述技术方案，锰渣是锰系合金冶炼或锰矿石冶炼生铁过程中排放的一种废矿渣,被水淬后形成大量封闭或半开孔的蜂窝状水淬锰渣，而在超高性能混凝土的内部会存在水化产物晶簇状集合体，其与水淬锰渣相互交织连生，并形成网络状结构，使超高性能混凝土抵御外界载荷的能力大大提高；生石灰粉和水泥之间对硅砂起到碱性激发的作用，促进了水泥熟料的水化反应，并使体系中各种离子的扩散能力变强，反应更加充分，可显著提高超高性能混凝土整体的结构强度；同时，水淬锰渣和生石灰粉之间组成功能助剂使用时，其相互之间能够起到良好的复配增效作用，促进水化硅酸钙晶形转化，进而能够大大提高超高性能混凝土的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度。
进一步优选为，所述功能助剂中还加入有磷石膏，且功能助剂中水淬锰渣、生石灰粉和磷石膏的重量份数比为(4-6):1:(1-2)。
通过采用上述技术方案，磷石膏是磷酸厂排出的工业废渣，而生石灰粉可以使磷石膏中的有害杂质转化为惰性物质，进而使磷石膏能够直接应用于超高性能混凝土的的制备中，有利于降低生产成本和绿色环保。同时，磷石膏、水淬锰渣和生石灰粉之间能够起到良好的复配增效作用，在超高性能混凝土的凝固过程中，使其内部构成的网络状结构更加完善，整体结构构建的更加稳定，进而使超高性能混凝土的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度均能提高。
进一步优选为，所述超高性能混凝土的组分中还加入有重量份数为6-12份的活性成分，且活性成分选用活性氧化铝、活性氧化硅和活性氧化镁中的任意一种或多种混合物。
通过采用上述技术方案，水泥、硅砂和活性化学物质配制而成的粉状混合物,它具有渗透结晶、耐腐蚀、增加混凝土密实度和提高混凝土强度的特性,它能在混凝土内部生长成枝蔓状针形结晶体，进而能够大大提高超高性能混凝土的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度。
本发明的目的二在于提供一种超高性能混凝土的制备方法，采用该方法制备的超高性能混凝土具有良好优异的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度，整体性能较为优异。
为实现上述目的二，本发明提供了如下技术方案，一种超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将相应重量份数的水泥、硅灰和硅砂在行星式搅拌机中进行混合均匀，得到干料；步骤二，在步骤一得到的干料中用振动筛加入相应重量份数的钢纤维，搅拌混合均匀，得到基料；
步骤三，将相应重量份数的水加入基料中，搅拌混合均匀后，再加入相应重量份数的减水剂，持续混合均匀，即可得到超高性能混凝土。
通过采用上述技术方案，利用行星式搅拌机有利于各组分原料充分混合均匀，并形成最紧密堆积，进而使得到的超高性能混凝土具有良好优异的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度。同时，该超高性能混凝土的制备方法，整体操作较为简单，生产效率较高，整体具有良好的应用性。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明申请中的各组分原料以最佳比例形成最紧密堆积，使超高性能混凝土具有类金属特性，且仅以0.18左右的水胶比，配制出标养28天强度120MPa的超高性能混凝土，并具有良好优异的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度，整体性能较为优异；
(2)水淬锰渣和生石灰粉之间组成功能助剂使用时，其相互之间能够起到良好的复配增效作用，促进水化硅酸钙晶形转化，进而能够大大提高超高性能混凝土的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度；
(3)在功能助剂中还加入有磷石膏，在超高性能混凝土的凝固过程中，使其内部构成的网络状结构更加完善，整体结构构建的更加稳定，进而使超高性能混凝土的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度均能提高；
(4)水泥、硅砂和活性化学物质配制而成的粉状混合物,它具有渗透结晶、耐腐蚀、增加混凝土密实度和提高混凝土强度的特性,它能在混凝土内部生长成枝蔓状针形结晶体，进而能够大大提高超高性能混凝土的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度。
附图说明
图1为本发明中超高性能混凝土的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图1和实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：一种超高性能混凝土，各组分及其相应的重量份数如表1所示，并通过如下步骤制备获得：
步骤一，将相应重量份数的水泥、硅灰和硅砂在行星式搅拌机中进行混合均匀，搅拌速度为20rpm，时间为15min,得到干料；
步骤二，在步骤一得到的干料中用振动筛加入相应重量份数的钢纤维，搅拌混合均匀，搅拌速度为25rpm，时间为10min,得到基料；
步骤三，将相应重量份数的水加入基料中，搅拌混合均匀后，再加入相应重量份数的减水剂，持续混合均匀，搅拌速度为20rpm，时间为10min,即可得到超高性能混凝土。
注：上述步骤中的硅灰选择的粒径为150nm；硅砂选择的粒径为0.35mm；钢纤维选择的直径为0.25mm，纤维长度为7.5mm；水泥选用硅酸盐水泥P.Ⅱ52.5级；减水剂选用聚羧酸系高性能减水剂，聚羧酸系高性能减水剂为购自苏州市兴邦化学建材有限公司的PC-1022聚醚类聚羧酸减水剂。
实施例2-5：一种超高性能混凝土，与实施例1的不同之处在于，各组分及其相应的重量份数如表1所示。
表1实施例1-5中各组分及其重量份数
Figure BDA0002414449090000051
实施例6：一种超高性能混凝土，与实施例1的不同之处在于，上述步骤中的硅灰选择的粒径为100nm；硅砂选择的粒径为0.1mm；钢纤维选择的直径为0.2mm，纤维长度为3mm；水泥选用硅酸盐水泥P.Ⅰ52.5级。
实施例7：一种超高性能混凝土，与实施例1的不同之处在于，上述步骤中的硅灰选择的粒径为200nm；硅砂选择的粒径为0.6mm；钢纤维选择的直径为0.3mm，纤维长度为12mm；水泥选用高铝酸盐水泥52.5级。
实施例8：一种超高性能混凝土，与实施例1的不同之处在于，上述步骤中的硅灰选择的粒径为150nm；硅砂选择的粒径为0.35mm；钢纤维选择的直径为0.25mm，纤维长度为7.5mm；水泥选用高铝酸盐水泥62.5级。
实施例9：一种超高性能混凝土，与实施例1的不同之处在于，所述减水剂选用萘磺酸盐减水剂，购自为湘潭高新区林盛化学有限公司的JS-N1型萘磺酸盐高效减水剂。
实施例10：一种超高性能混凝土，与实施例1的不同之处在于，步骤二具体设置为，在步骤一得到的干料中用振动筛加入相应重量份数的钢纤维和55份的功能助剂，功能助剂由水淬锰渣和生石灰粉按重量份数比为5:1混合而得，搅拌混合均匀，搅拌速度为25rpm，时间为10min,得到基料。
实施例11：一种超高性能混凝土，与实施例1的不同之处在于，步骤二具体设置为，在步骤一得到的干料中用振动筛加入相应重量份数的钢纤维和45份的功能助剂，功能助剂由水淬锰渣和生石灰粉按重量份数比为4:1混合而得，搅拌混合均匀，搅拌速度为25rpm，时间为10min,得到基料。
实施例12：一种超高性能混凝土，与实施例1的不同之处在于，步骤二具体设置为，在步骤一得到的干料中用振动筛加入相应重量份数的钢纤维和65份的功能助剂，功能助剂由水淬锰渣和生石灰粉按重量份数比为6:1混合而得，搅拌混合均匀，搅拌速度为25rpm，时间为10min,得到基料。
实施例13：一种超高性能混凝土，与实施例10的不同之处在于，功能助剂中还加入有磷石膏，且功能助剂中水淬锰渣、生石灰粉和磷石膏的重量份数比为5:1:1.5。
实施例14：一种超高性能混凝土，与实施例10的不同之处在于，功能助剂中还加入有磷石膏，且功能助剂中水淬锰渣、生石灰粉和磷石膏的重量份数比为4:1:1。
实施例15：一种超高性能混凝土，与实施例10的不同之处在于，功能助剂中还加入有磷石膏，且功能助剂中水淬锰渣、生石灰粉和磷石膏的重量份数比为6:1:2。
实施例16：一种超高性能混凝土，与实施例1的不同之处在于，步骤二具体设置为，在步骤一得到的干料中用振动筛加入相应重量份数的钢纤维和9份的活性成分，活性成分选用活性氧化铝，搅拌混合均匀，搅拌速度为25rpm，时间为10min,得到基料。
实施例17：一种超高性能混凝土，与实施例1的不同之处在于，步骤二具体设置为，在步骤一得到的干料中用振动筛加入相应重量份数的钢纤维和6份的活性成分，活性成分选用活性氧化镁和活性氧化铝的混合物，且活性氧化镁和活性氧化铝的质量混合比为1:1，搅拌混合均匀，搅拌速度为25rpm，时间为10min,得到基料。
实施例18：一种超高性能混凝土，与实施例1的不同之处在于，步骤二具体设置为，在步骤一得到的干料中用振动筛加入相应重量份数的钢纤维和12份的活性成分，活性成分选用活性氧化硅，搅拌混合均匀，搅拌速度为25rpm，时间为10min,得到基料。
对比例1：一种超高性能混凝土，与实施例1的不同之处在于，上述步骤中的硅灰选择的粒径为90nm；硅砂选择的粒径为0.08mm；钢纤维选择的直径为0.15mm，纤维长度为2mm。
对比例2：一种超高性能混凝土，与实施例1的不同之处在于，上述步骤中的硅灰选择的粒径为210nm；硅砂选择的粒径为0.65mm；钢纤维选择的直径为0.45mm，纤维长度为13mm。
对比例3：一种超高性能混凝土，与实施例10的不同之处在于，步骤二具体设置为，在步骤一得到的干料中用振动筛加入相应重量份数的钢纤维和55份的功能助剂，功能助剂为水淬锰渣，搅拌混合均匀，搅拌速度为25rpm，时间为10min,得到基料。
对比例4：一种超高性能混凝土，与实施例10的不同之处在于，步骤二具体设置为，在步骤一得到的干料中用振动筛加入相应重量份数的钢纤维和55份的功能助剂，功能助剂为生石灰粉，搅拌混合均匀，搅拌速度为25rpm，时间为10min,得到基料。
对比例5：一种超高性能混凝土，与实施例13的不同之处在于，功能助剂中还加入有磷石膏，且功能助剂中水淬锰渣和磷石膏的重量份数比为5:1.5。
对比例6：一种超高性能混凝土，与实施例13的不同之处在于，功能助剂中还加入有磷石膏，且功能助剂中生石灰粉和磷石膏的重量份数比为1:1.5。
性能测试
试验样品：采用实施例1-18中获得的超高性能混凝土作为试验样品1-18，采用对比例1-6中获得的超高性能混凝土作为对照样品1-6。
试验方法：将试验样品1-18和对照样品1-6按照“JCT-超高混凝土技术标准：基本性能与试验方法”中的内容进行养护和制作标准样品，并检测各标准样品的28天抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度，记录在表2中。
试验结果：试验样品1-18和对照样品1-6的测试结果如表2所示。由表2可知，由试验样品1-3和对照样品1-2的测试结果对照可得，各组分原料以最佳比例规格形成最紧密堆积，使超高性能混凝土整体具有良好优异的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度。由试验样品10-12和试验样品1的测试结果对照可得，水淬锰渣和生石灰粉之间组成功能助剂使用时，能够大大提高超高性能混凝土的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度。由试验样品13-15和试验样品1的测试结果对照可得，在功能助剂中还加入有磷石膏，能够使超高性能混凝土的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度提高。由试验样品16-18和试验样品1的测试结果对照可得，活性化学物质能够大大提高超高性能混凝土的抗压强度、极限抗拉强度和弯拉强度。由试验样品10-12和对照样品3-4的测试结果对照可得，水淬锰渣和生石灰粉之间能够起到良好的复配增效作用，而当水淬锰渣和生石灰粉单一作为功能助剂时，整体效果有限，因此优选为水淬锰渣和生石灰粉共同作用。
表2试验样品1-18和对照样品1-6的测试结果
Figure BDA0002414449090000081
Figure BDA0002414449090000091
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种超高性能混凝土，其特征在于，包括如下重量份数的组分：
水泥 900-950份；
硅灰 75-85份；
硅砂 1100-1300份；
钢纤维 230-250份；
水 170-190份；
减水剂 18-24份；
所述超高性能混凝土的组分中还加入有重量份数为45-65份的功能助剂，功能助剂由水淬锰渣和生石灰粉混合而得，且水淬锰渣和生石灰粉的重量份数比为（4-6）:1；
所述功能助剂中还加入有磷石膏，且功能助剂中水淬锰渣、生石灰粉和磷石膏的重量份数比为（4-6）:1:（1-2）。
2.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰选择的粒径为100-200nm；所述硅砂选择的粒径为0.1-0.6mm；所述钢纤维选择的直径为0.2-0.3mm，纤维长度为3-12mm。
3.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥选用硅酸盐水泥和高铝酸盐水泥中的任意一种，其中硅酸盐水泥选用P.Ⅰ52.5级和P.Ⅱ52.5级中的任意一种，高铝酸盐水泥选用52.5级和62.5级中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述减水剂选用氨基磺酸盐系高效减水剂、萘磺酸盐减水剂和聚羧酸系高性能减水剂中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述超高性能混凝土的组分中还加入有重量份数为6-12份的活性成分，且活性成分选用活性氧化铝、活性氧化硅和活性氧化镁中的任意一种或多种混合物。
6.一种如权利要求1所述的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将相应重量份数的水泥、硅灰和硅砂在行星式搅拌机中进行混合均匀，得到干料；
步骤二，在步骤一得到的干料中用振动筛加入相应重量份数的钢纤维，搅拌混合均匀，得到基料；
步骤三，将相应重量份数的水加入基料中，搅拌混合均匀后，再加入相应重量份数的减水剂，持续混合均匀，即可得到超高性能混凝土。
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