CN111423180A - 一种高流动性环保型超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

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    • C04B2201/50—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for the mechanical strength

Abstract

本发明公开了一种高流动性环保型超高性能混凝土，其是由低热硅酸盐水泥、粉煤灰微珠、硅灰、细砂、石英粉、减水剂、水和钢纤维按一定比例混合制得。水泥在生产过程中会产生污染，本发明采用火电厂的废料粉煤灰微珠替代部分水泥，有利于减少污染，保护环境，所得超高性能混凝土具有很好的工作性能、较小的收缩和较好的抗裂性能、施工方便；与相同水胶比、胶砂比、钢纤维掺量的现有超高性能混凝土相比，本发明超高性能混凝土的工作性能有很大的提高，可解决现有超高性能混凝土工作性能较差的问题，因此具有良好的经济效益和环保效益，适合大规模推广运用。

Description

一种高流动性环保型超高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及土木工程中的建筑材料技术领域，具体涉及一种高流动性超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土的原材料来源广、生产工艺简便、价格低，是土木工程中用量最大、用途最广的建筑材料。现代工程对混凝土性能要求有所提高，比如更高的力学性能、更好的工作性能和更优异的耐久性能等。常规的混凝土已经不能完全满足现代工程的需求，一些具有特殊功能的混凝土应运而生，例如具有超高力学性能（抗压强度大于100 MPa）和优异耐久性能的超高性能混凝土。
超高性能混凝土出现至今，其优点愈发突出，如其抗压强度远高于普通混凝土；具有优异的韧性、断裂能、抗冲击性和耐久性能。超高性能混凝土由于水胶比极低（一般低于0.2），并且掺加了钢纤维，即使采用了高效减水剂，工作性能仍然很差（如粘度高、坍落度和扩散度小），造成施工困难，这抑制了其在工程中的推广应用。在此，本发明提供了一种高流动性超高性能混凝土，其有助于推动这种新材料在工程中的推广应用，为高耐久性土木工程结构的建造奠定基础。
发明内容
超高性能混凝土是一种新型水泥基复合材料，其有极高的抗压强度，掺入纤维后材料的抗拉性能、韧性显著提高，并具有优良的抗冲击、抗疲劳性能。超高性能混凝土还具有极佳的耐久性，在建筑工程领域有很好的应用前景。但是超高性能混凝土工作性能差和昂贵的造价，导致实际应用比较困难。
为了克服现有技术的不足，本发明利用低热硅酸盐水泥、粉煤灰微珠和降粘型聚羧酸系高效减水剂制备出一种具有高流动性的环保型超高性能混凝土。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高流动性环保型超高性能混凝土，其中各原料的用量为：低热硅酸盐水泥700~1200 kg/m3；粉煤灰微珠90~200 kg/m3；硅灰100~300 kg/m3；细砂900~1300 kg/m3；石英粉0~400 kg/m3；减水剂10~40 kg/m3；水120~240 kg/m3；钢纤维0~5%（固体体积率）。
为保证混凝土的流动度和力学性能，所述低热硅酸盐水泥的强度等级应为42.5级或52.5级，且低热硅酸盐水泥中铝酸三钙的含量应小于3%。
所述粉煤灰微珠的粒径小于10 μm，球状颗粒含量大于80%。
所述硅灰的粒径为0.1~0.2 μm，二氧化硅含量大于90%。
所述细砂的细度模数小于2.0，粒径小于125 μm。
所述石英粉的粒径小于40 μm。
所述减水剂为降粘型聚羧酸系高效减水剂，其固体含量为30%，减水率大于30%，具有降低超高性能混凝土粘度的作用。
所述钢纤维的长度为5~30 mm，直径为0.1~0.3 mm，抗拉强度大于2000 MPa。
所述高流动性环保型超高性能混凝土的制备方法包括以下步骤：
1）将低热硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰微珠、细砂和石英粉置于砂浆搅拌机中搅拌3分钟，以使各种材料分布均匀；
2）将减水剂和水混合并搅拌均匀；
3）在步骤1）所得混合物料中加入一半步骤2）获得的减水剂和水的混合物，搅拌3分钟，然后加入剩下的减水剂和水的混合物，继续搅拌3分钟，形成水泥浆体；
4）加入钢纤维搅拌4分钟，使得钢纤维均匀的分布在水泥浆体中；
5）浇筑后进行养护。
所述高流动性环保型超高性能混凝土有多种养护方式，例如常温养护、标准养护、蒸汽养护和蒸压养护等等。
本发明主要从以下几个方面进行设计：
（1）超高性能混凝土原材料中颗粒级配要合理。超高性能混凝土含有粉煤灰微珠、硅灰、细砂、石英粉等颗粒材料，当粉煤灰微珠的粒径小于10 μm、硅灰的粒径为0.1~0.2 μm、细砂的细度模数小于2.0，粒径小于125 μm，石英粉的粒径小于40 μm时，这些颗粒材料能互相填充，形成密实的空间体系，使原有空隙中的水分被挤出，起到润滑颗粒表面的作用，这提高了超高性能混凝土的工作性。
（2）硅灰中二氧化硅含量大于90%，吸水率低；粉煤灰微珠表面光滑，当其球状颗粒含量大于80%，吸水率也较低；原材料较低的吸水率可以提高超高性能混凝土的工作性。粉煤灰微珠能聚成团的水泥颗粒冲散，并将被水泥颗粒包裹的水分子释放出来，具有矿物减水剂的效果。
（3）低热硅酸盐水泥早期水化热低，凝结时间较晚；降粘型聚羧酸系高效减水剂可以降低超高性能混凝土的粘度；这些均有利于提高超高性能混凝土的工作性。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明使用粉煤灰微珠、低热硅酸盐水泥和降粘型聚羧酸系高效减水剂制备高流动性环保型超高性能混凝土。降粘型聚羧酸系高效减水剂能够降低粘度，粉煤灰微珠具有很好的滚珠效应，能够提高流动性能。使用火力发电厂的废弃物粉煤灰微珠替代部分水泥，能够有效减少水泥用量和利用工业废弃物，具有良好的生态效益。使用粉煤灰微珠替代部分水泥能够提高流动性能，但不会提高成本，性价比较高。本发明使用低铝酸三钙的低热硅酸盐水泥能够减少铝酸三钙在水化初期瞬凝所造成的工作性能损失，从而提高超高性能混凝土的工作性。使用低热水泥能够降低超高性能混凝土早期的水化热，使水泥石骨架结构形成较晚，工作性较好，且能减少温降收缩，提高后期强度。
本发明能在简单的成型工艺条件下制备抗压强度超过100 MPa的超高性能混凝土，其具有性价比高、原材料简单易得、减少收缩和开裂、易于施工和生态环保的特点。
专利CN 106348685A公开了一种具有高工作性的高韧性混凝土及其配制方法，其是将水泥、高强纤维、纳米材料、中砂、外加剂和水按照一定的比例制备得到，其可解决现有的超高性能混凝土韧性低以及工作性能较差的问题。但由于使用纳米材料使得混凝土的价格大幅度上升，难于推广运用。与CN 106348685 A相比，本发明具有成本低、工作性好和环保性好的优势。
专利CN 105645864A公开了一种免蒸压、高流动性、低碳环保型混凝土基体及其制备方法，其使用石灰石粉取代传统超高性能混凝土中部分水泥和硅灰掺量，提高混凝土的流动性能。与CN 105645864 A相比，本发明具有更好的工作性能、更小的收缩和更好的抗裂性能。
具体实施方式
一种高流动性环保型超高性能混凝土，其中各原料的用量为：低热硅酸盐水泥700~1200 kg/m3；粉煤灰微珠90~200 kg/m3；硅灰100~300 kg/m3；细砂900~1300 kg/m3；石英粉0~400 kg/m3；减水剂10~40 kg/m3；水120~240 kg/m3；钢纤维0~5%（固体体积率）。
为保证混凝土的流动度和力学性能，所述低热硅酸盐水泥的强度等级应为42.5级或52.5级，且低热硅酸盐水泥中铝酸三钙的含量应小于3%。
所述粉煤灰微珠的粒径小于10 μm，球状颗粒含量大于80%。
所述硅灰的粒径为0.1~0.2 μm，二氧化硅含量大于90%。
所述细砂的细度模数小于2.0，粒径小于125 μm。
所述石英粉的粒径小于40 μm。
所述减水剂为降粘型聚羧酸系高效减水剂，其固体含量为30%，减水率大于30%，具有降低超高性能混凝土粘度的作用。
所述钢纤维的长度为5~30 mm，直径为0.1~0.3 mm，抗拉强度大于2000 MPa。
所述高流动性环保型超高性能混凝土的制备方法包括以下步骤：
1）将低热硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰微珠、细砂和石英粉置于砂浆搅拌机中搅拌3分钟，以使各种材料分布均匀；
2）将减水剂和水混合并搅拌均匀；
3）在步骤1）所得混合物料中加入一半步骤2）获得的减水剂和水的混合物，搅拌3分钟，然后加入剩下的减水剂和水的混合物，继续搅拌3分钟，形成水泥浆体；
4）加入钢纤维搅拌4分钟，使得钢纤维均匀的分布在水泥浆体中；
5）浇筑后进行养护。
所述高流动性环保型超高性能混凝土的养护方式可以为：常温养护、标准养护、蒸汽养护和蒸压养护等等。
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
一种高流动性环保型超高性能混凝土，其原料配方为：
52.5级低热硅酸盐水泥 700 kg/m3；
粉煤灰微珠 150 kg/m3；
硅灰 250 kg/m3；
细砂 900 kg/m3；
石英粉 389 kg/m3；
降粘型聚羧酸系高效减水剂 20 kg/m3；
水 120 kg/m3；
钢纤维 2.5%（固体体积率）。
所用低热硅酸盐水泥中铝酸三钙的含量为2.5%；粉煤灰微珠的最大粒径为3 μm，球状颗粒含量为85%；硅灰的粒径为0.1~0.2 μm，二氧化硅含量为96%；细砂的细度模数为1.9，最大粒径为90 μm；石英粉的最大粒径为38 μm；减水剂固体含量为30%，减水率为35%；钢纤维的长度为13 mm，直径为0.2 mm，抗拉强度大于2700 MPa。
将减水剂和水混合并搅拌均匀；将低热硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰微珠、细砂和石英粉置于砂浆搅拌机中搅拌3分钟；然后在水泥搅拌过程中先加入一半质量的减水剂和水的混合物，搅拌3分钟，然后加入剩下的减水剂和水的混合物，继续搅拌3分钟，形成水泥浆体；最后加入钢纤维搅拌4分钟，使得钢纤维均匀的分布在水泥浆体中。
1、本实施例所得超高性能混凝土的流动度较好，使用《水泥胶砂流动度测定方法》无法测量。现使用测量方法如下：
（1）将搅拌后的浆体倒入水平放置的截锥圆模中，直至浆体与截锥圆模上口平；其中截锥圆模应符合GB/T 2419的规定，尺寸为下口径100 mm±0.5 mm，上口径70 mm±0.5 mm，高60 mm±0.5 mm，使用前应先用水润湿。
（2）徐徐提起截锥圆模，让浆体在无扰动条件下流动。
（3）截锥圆模提起1分钟后，测量浆体在玻璃板平面上最大扩散直径以及垂直方向的直径，计算平均直径，精确到5 mm，作为流动度。
按上述方法测量高流动性超高性能混凝土的流动度为260 mm。
2、标准养护24小时后进行拆模，然后进行蒸压养护，蒸压养护制度为抽真空半小时，升温升压1小时，恒温恒压6小时，降压2小时，恒温温度为190~200 °C，恒压压力为1.2MPa，蒸压养护完成后，标准养护至养护龄期，养护完成即形成超高性能混凝土成品。
经检测，其28天抗压强度为128.2 MPa，28天抗折强度为29.5 MPa。
3、在室温环境中养护24小时后进行拆模，拆模后使用保鲜膜包裹，放于室内至28天龄期,养护完成即形成成品混凝土。
经检测，其28天抗压强度为117.8 MPa，抗折强度为22.8 MPa。
实施例2
一种高流动性环保型超高性能混凝土，其原料配方如下：
42.5级低热硅酸盐水泥 1200 kg/m3；
粉煤灰微珠 90 kg/m3；
硅灰 100 kg/m3；
细砂 900 kg/m3；
石英粉 0 kg/m3；
降粘型聚羧酸系高效减水剂 10 kg/m3；
水 200 kg/m3；
钢纤维 5%（固体体积率）。
所用低热硅酸盐水泥中铝酸三钙的含量为2%；粉煤灰微珠的最大粒径为5 μm，球状颗粒含量为90%；硅灰的粒径为0.1~0.2 μm，二氧化硅含量为94%；细砂的细度模数为1.8，最大粒径为120 μm；石英粉的最大粒径为36 μm；减水剂固体含量为30%，减水率为31%；钢纤维的长度为13 mm，直径为0.2 mm，抗拉强度大于2500 MPa。
1、超高性能混凝土的制备方法及流动度的测试方法与实施例1相同。测量的流动度为240 mm。
2、标准养护24小时后进行拆模，然后进行蒸压养护，蒸压养护制度为抽真空半小时，升温升压1小时，恒温恒压6小时，降压2小时，恒温温度为190~200 °C，恒压压力为1.2MPa，蒸压养护完成后，标准养护至养护龄期，养护完成即形成超高性能混凝土成品。
经检测，其28天抗压强度为143.3 MPa，28天抗折强度为37.7 MPa。
3、在室温环境中养护24小时后进行拆模，拆模后使用保鲜膜包裹，放于室内至28天龄期,养护完成即形成成品混凝土。
经检测，其28天抗压强度为131.2 MPa，抗折强度为32.6 MPa。
实施例3
一种高流动性环保型超高性能混凝土，其原料配方如下：
52.5级低热硅酸盐水泥 800 kg/m3；
粉煤灰微珠 180 kg/m3；
硅灰 150 kg/m3；
细砂 1250 kg/m3；
石英粉 153 kg/m3；
降粘型聚羧酸系高效减水剂 40 kg/m3；
水 150 kg/m3；
钢纤维 0%（固体体积率）。
所用低热硅酸盐水泥中铝酸三钙的含量为1%；粉煤灰微珠的最大粒径为9 μm，球状颗粒含量大于95%；硅灰的粒径为0.1~0.2 μm，二氧化硅含量为92%；细砂的细度模数为1.6，最大粒径为100 μm；石英粉的最大粒径为32 μm；减水剂固体含量为30%，减水率为32%；钢纤维的长度为13 mm，直径为0.2 mm，抗拉强度大于2600 MPa。
1、混凝土的制备方法及流动度的测试方法与实施例1相同。测量的流动度为280mm.
2、标准养护24小时后进行拆模，然后进行蒸压养护，蒸压养护制度为抽真空半小时，升温升压1小时，恒温恒压6小时，降压2小时，恒温温度为190~200 °C，恒压压力为1.2 MPa，蒸压养护完成后，标准养护至养护龄期，养护完成即形成超高性能混凝土成品。
经检测，其28天抗压强度为119.6 MPa，28天抗折强度为27.9 MPa。
3、在室温环境中养护24小时后进行拆模，拆模后使用保鲜膜包裹，放于室内至28天龄期,养护完成即形成成品混凝土。
经检测，其28天抗压强度为108.4 MPa，抗折强度为21.5 MPa。
对比例
一种传统超高性能混凝土，其原料配方如下：
52.5级硅酸盐水泥 920 kg/m3；
硅灰 200 kg/m3；
细砂 1250 kg/m3；
石英粉 153 kg/m3；
降粘型聚羧酸系高效减水剂 30 kg/m3；
水 150 kg/m3；
钢纤维 2%（固体体积率）。
所用硅酸盐水泥中铝酸三钙的含量为10%；硅灰的粒径为0.1~0.2 μm，二氧化硅含量为92%；细砂的细度模数为1.9，最大粒径为120 μm；石英粉的最大粒径为39 μm；减水剂固体含量为30%，减水率为31%；钢纤维的长度为13 mm，直径为0.2 mm，抗拉强度大于2300MPa。
1、混凝土的制备方法及流动度的测试方法与实施例1相同。测量的流动度为105mm.
2、标准养护24小时后进行拆模，然后进行蒸压养护，蒸压养护制度为抽真空半小时，升温升压1小时，恒温恒压6小时，降压2小时，恒温温度为190~200 °C，恒压压力为1.2 MPa，蒸压养护完成后，标准养护至养护龄期，养护完成即形成超高性能混凝土成品。
经检测，其28天抗压强度为112.3MPa，28天抗折强度为18.6 MPa。
3、在室温环境中养护24小时后进行拆模，拆模后使用保鲜膜包裹，放于室内至28天龄期,养护完成即形成成品混凝土。
经检测，其28天抗压强度为106.2 MPa，抗折强度为16.1 MPa。
在这个对比例中，由于采用的是铝酸三钙含量为10%（远大于3%）的常规硅酸盐水泥；且没有掺粉煤灰微珠，所以其测量的流动度仅为105 mm，抗折强度也远低于实施例中的数值，不利于超高性能混凝土的实际工程应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1. 一种高流动性环保型超高性能混凝土，其特征在于：所述超高性能混凝土中各原料的用量为：低热硅酸盐水泥700~1200 kg/m3；粉煤灰微珠90~200 kg/m3；硅灰100~300 kg/m3；细砂900~1300 kg/m3；石英粉0~400 kg/m3；减水剂10~40 kg/m3；水120~240 kg/m3；钢纤维0~5%。
2.根据权利要求1所述的高流动性环保型超高性能混凝土，其特征在于：所述低热硅酸盐水泥的强度等级为42.5级或52.5级，且其铝酸三钙的含量应小于3%。
3. 根据权利要求1所述的高流动性环保型超高性能混凝土，其特征在于：所述粉煤灰微珠的粒径小于10 μm，球状颗粒含量大于80%。
4. 根据权利要求1所述的高流动性环保型超高性能混凝土，其特征在于：所述硅灰的粒径为0.1~0.2 μm，二氧化硅含量大于90%。
5. 根据权利要求1所述的高流动性环保型超高性能混凝土，其特征在于：所述细砂的细度模数小于2.0，粒径小于125 μm。
6. 根据权利要求1所述的高流动性环保型超高性能混凝土，其特征在于：所述石英粉的粒径小于40 μm。
7.根据权利要求1所述的高流动性环保型超高性能混凝土，其特征在于：所述减水剂为降粘型聚羧酸系高效减水剂，其固体含量为30%，减水率大于30%。
8. 根据权利要求1所述的高流动性环保型超高性能混凝土，其特征在于：所述钢纤维的长度为5~30 mm，直径为0.1~0.3 mm，抗拉强度大于2000 MPa。
9.根据权利要求1所述的高流动性环保型超高性能混凝土，其特征在于：其制备方法包括如下步骤：
1）将低热硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰微珠、细砂和石英粉混合搅拌3分钟；
2）将减水剂和水混合并搅拌均匀；
3）在步骤1）所得混合物料中加入一半步骤2）获得的减水剂和水的混合物，搅拌3分钟，然后加入剩下的减水剂和水的混合物，继续搅拌3分钟，形成水泥浆体；
4）加入钢纤维搅拌4分钟；
5）浇筑后进行养护。
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