CN111554357A - 一种超高性能混凝土及其配合比设计方法 - Google Patents

一种超高性能混凝土及其配合比设计方法 Download PDF

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黄展魏
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张裕
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汪林
单瑶嘉
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Abstract

本申请涉及一种超高性能混凝土及其配合比设计方法，包括如下步骤：先确定钢纤维不易沉降且气泡能逸出的超高性能混凝土浆体黏度区间A1～A2，再根据钢纤维和气泡的分布情况确定超高性能混凝土浆体的优化黏度区间A3～A4；制备多组不同矿物掺合料掺比的超高性能混凝土浆体，并进行流变性能试验，得到黏度随矿物掺合料掺比变化的曲线，确定优化黏度区间A3～A4对应的矿物掺合料掺比为优化矿物掺合料掺比区间；将优化矿物掺合料掺比区间的两边界值、各固体组分的粒径分布以及表观密度植入最密堆积模型，计算出各固体组分的体积比区间。本申请可优化超高性能混凝土的内部孔结构，降低气泡含量，提高抗压强度，优化其宏观性能，且该方法简单、通用性强。

Description

一种超高性能混凝土及其配合比设计方法
技术领域
本申请涉及超高性能水泥基材料领域，特别涉及一种超高性能混凝土及其配合比设计方法。
背景技术
超高性能混凝土(UHPC)是一种新型的水泥基复合材料，具有优异的力学性能、耐久性能和韧性，在道路和桥梁工程中具有较大的潜在应用价值，但是在实际施工过程中发现试件内部仍然有一些肉眼可见的毫米级大气泡。这是由于在搅拌成型过程中会存在搅拌引入的和一些具有引气作用的外加剂带来的气泡，不同原料的颗粒形状和尺寸不同，其实际堆积情况也并不理想，这也会对浆体中气泡产生影响。同时，超高性能混凝土体系黏度较高，气泡较难逸出，使得硬化浆体内存在许多气泡。在超高性能混凝土服役期间，当试件受到拉应力或压应力时，气泡(孔隙等)的存在易导致应力集中(局部的应力剧增)等问题，从而使得裂纹迅速拓展，体系结构遭到破坏，在一定程度上会降低超高性能混凝土的力学性能、耐久性能等一系列性能。
目前，针对混凝土中引入气泡的消除方法，国内外学者主要采用物理方法和化学方法来优化混凝土中的气泡。物理消泡方法中通常使用高能搅拌器来减少混凝土中的气泡含量，但是由于超高性能混凝土黏度比较高，成型搅拌时对搅拌器机械性能要求较高，能使得混凝土的抗压强度有很大提升。低压力搅拌技术亦然，这些复杂的技术成本太高且要求较高而不能满足现场大型施工工程的要求；其次，在实际工程施工过程中存在预制构件或结构特殊等情况，其结构通常不允许机械振动及插捣；另外，物理消泡方法消泡效率不高，要想达到比较好的消泡效果，需振动插捣的时间较长。综上所述，单纯的物理消泡方法不太适用于超高性能混凝土中气泡的消除。在普通混凝土中，化学消泡方法一般是添加适量消泡剂来消除气泡使得结构致密。普通混凝土的黏度较低，气泡在混凝土中运动的速度较快，加之使用一定量的消泡剂，会促使气泡在体系中运动较快，所以消泡效果较好。然而在超高性能水泥基材料中，由于胶凝材料用量较大，水胶比又极低，黏度较高，导致气泡在超高性能混凝土中运动的速度极其缓慢，而且新拌的超高性能水泥基材料的表面有一种特殊的“效应”，即“Elephant skin”(浇筑后的几十秒到几分钟内，浆体表面快速失水收缩而形成的类似大象皮肤的肉眼可见的皱褶)。因为气泡在超高性能混凝土浆体内运动缓慢，加入消泡剂后，当底端气泡快要运动到浆体表面时，表面已经形成了“Elephant skin”的微结构，它会阻挡体系内气泡的逸出，因此，在超高性能水泥基材料中加入消泡剂进行消泡的方式并不能有效降低超高性能混凝土中的气泡。
发明内容
本申请实施例提供一种超高性能混凝土的配合比设计方法，以解决相关技术中超高性能混凝土中气泡含量高的问题。
第一方面，提供一种超高性能混凝土的配合比设计方法，包括以下步骤：
(1)确定钢纤维不易沉降且气泡能逸出的超高性能混凝土浆体黏度区间A1～A2；
(2)控制浆体黏度在A1～A2范围内，根据浆体内钢纤维和气泡的分布情况确定超高性能混凝土浆体的优化黏度区间A3～A4；
(3)固定水胶比，制备若干组矿物掺合料掺比不同的超高性能混凝土浆体，并进行流变性能试验，得到黏度随矿物掺合料掺比变化的曲线，确定优化黏度区间A3～A4对应的矿物掺合料掺比为优化矿物掺合料掺比区间；
(4)将优化矿物掺合料掺比区间的两边界值、各固体组分的粒径分布以及表观密度植入最密堆积模型，计算出各固体组分的体积比区间。
一些实施例中，步骤(1)具体为:固定水胶比，制备不同黏度的超高性能混凝土浆体，测得钢纤维在超高性能混凝土浆体内不沉降的最低黏度A1，根据斯托克斯理论计算出气泡从超高性能混凝土浆体逸出的最高黏度A2，确定钢纤维不易沉降且气泡能逸出的超高性能混凝土浆体黏度区间为A1～A2。
一些实施例中，步骤(2)具体为:固定水胶比，在A1～A2黏度范围内制备若干组不同黏度的超高性能混凝土浆体，加入钢纤维，待超高性能混凝土浆体硬化后对各试块进行切割，通过各试块截面上钢纤维和气泡的分布情况确定超高性能混凝土浆体的优化黏度区间A3～A4。
一些实施例中，确定优化黏度区间A3～A4具体方法如下：待浆体硬化后，将试块平均切割成四段，对截面图像进行二值化处理，选取气泡小且钢纤维分布均匀的几组切面，确定其对应的试块对应的浆体黏度，即得到优化黏度区间A3～A4。
一些实施例中，步骤(2)通过各试块截面上钢纤维和气泡的分布情况确定超高性能混凝土浆体的最佳黏度A，步骤(3)通过黏度随矿物掺合料掺比变化的曲线确定最佳黏度A对应的矿物掺合料掺比为最佳矿物掺合料掺比；步骤(4)将最佳矿物掺合料掺比、各固体组分的粒径分布以及表观密度植入最密堆积模型，计算出各固体组分的最佳体积比。
一些实施例中，最密堆积模型公式如下：
Figure BDA0002474141310000041
其中，P(D)为累计筛下颗粒百分含量；D为当前粒径(μm)；Dmin为最小粒径(μm)；Dmax为最大粒径(μm)；q为分布系数，取值为0.23。
一些实施例中，各固体组分的粒径分布通过激光粒度分析确定，各固体组分的表观密度通过容量桶法测定。
一些实施例中，水胶比为0.15～0.35；钢纤维的体积掺量为2％。
一些实施例中，计算出各固体组分的体积比后确定减水剂的饱和掺量，然后确定消泡剂的掺量；
确定不同减水剂的饱和掺量的具体确定方法如下：通过加入不同掺量的减水剂对应浆体的流动度，确定减水剂的饱和掺量，即当减水剂量继续增长，而流动度不变或减少的所对应的减水剂掺量为减水剂的饱和掺量；
确定消泡剂掺量的具体确定方法如下：分别制备不同消泡剂掺量的超高性能混凝土浆体，并测试砂浆浆体的湿堆积密实度，成型后测试其各龄期的抗压强度，确定消泡剂的掺量。
另一方面，提供一种超高性能混凝土，其水胶比为0.22，各组分及其掺量为：水泥675kg/m3，粉煤灰240kg/m3，硅灰170kg/m3，粒径≤0.6mm的砂1022kg/m3，减水剂占胶凝材料总量的3.5wt％，消泡剂占胶凝材料总量的0.5wt％。
本申请所用浆体的制备方法是根据配合比将粉料加入到搅拌锅中，低速搅拌30s后加入水与减水剂，待成浆后低速搅拌3min，暂停1min，高速搅拌2min，暂停后加入钢纤维，低速搅拌。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
(1)根据本申请方法制备的超高性能混凝土，可选取当地材料，节约资源，易于推广应用，操作方法简单，通用性强。
(2)通过该方法制得的超高性能混凝土可以优化其内部孔结构，降低其气泡含量，进一步提高其抗压强度，优化其宏观性能。
本申请的原理具体如下：
本申请实施例提供的超高性能混凝土的配合比设计方法，先测得钢纤维在超高性能混凝土浆体内不沉降的最低黏度A1，根据斯托克斯理论计算出气泡从超高性能混凝土浆体逸出的最高黏度A2，确定低黏度区间A1～A2(实施例中为4.39-10.59Pa·s)，再确定优化黏度区间A3～A4，然后在该黏度区间内确定最佳黏度值A，该优化黏度区间A3～A4内的浆体钢纤维分布均匀且气泡较易逸出，因此浆体变得致密，形成超高性能混凝土；再固定水胶比，进行流变性能试验，得到浆体黏度随矿物掺合料掺比变化的曲线，将优化黏度区间A3～A4、最佳黏度值A和固体组分的粒径分布以及表观密度植入颗粒最密堆积模型，即修正的安德森安德烈森模型，得到各固体组分优化后的体积配合比区间以及最佳体积配合比。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的对试块中不同位置钢纤维分布的图像处理过程图；
图2为本申请实施例提供的不同黏度的超高性能混凝土试块在80mm处的切面示意图；其中，图2(a)代表4.2Pa·s，图2(b)代表4.9Pa·s，图2(c)代表5.18Pa·s，图2(d)代表7.79Pa·s，图2(e)代表9.84Pa·s，图2(f)代表12.26Pa·s；
图3展示了不同黏度的浆体在各截面处的钢纤维分布情况；
图4展示了不同硅灰掺量下浆体的黏度变化情况；
图5展示了不同粉煤灰掺量下浆体的黏度变化情况；
图6展示了原料、目标曲线和优化后混合物的颗粒堆积曲线图；
图7展示了不同消泡剂掺量对优化的超高性能混凝土力学性能的影响。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
制备水胶比为0.22的超高性能混凝土浆体，测得钢纤维在超高性能混凝土浆体中不沉降的最低黏度为4.2Pa·s，根据斯托克斯的理论计算出气泡容易从超高性能混凝土浆体逸出的最高黏度为12.26Pa·s。
在4.2～12.26Pa·s的黏度范围内制备黏度分别为4.2Pa·s(浆体1)、4.9Pa·s(浆体2)、5.18Pa·s(浆体3)、7.79Pa·s(浆体4)、9.84Pa·s(浆体5)、12.26Pa·s(浆体6)的浆体，并在各浆体中加入钢纤维，钢纤维的体积掺量均为2％(v/v)。
将成型硬化后的试块(40mm×40mm×160mm)平均切成四段小试块(40mm×40mm×40mm)，对所得切面拍照，对照片进行二值化处理，不同黏度的试块在试块中间部分(80mm)处的切面示意图如图2所示。通过图2中各图的对比可以看出，随着浆体黏度的增加，成型硬化后的试块中引入的气泡更多。当浆体黏度非常接近于所提出的黏度区间的下限值时，发现成型硬化后的试块(例如浆体1和浆体2)内气泡非常少。相反，当浆体的黏度非常接近甚至超过所提出的黏度区间的上限值时，硬化水泥浆体(例如浆体5和浆体6)中有非常明显的大气泡存在。然而，浆体1(黏度为4.20Pa·s)中钢纤维的分布并不是最均匀的一组，在该黏度下的浆体中钢纤维有着略微下降的趋势。
根据图2中显示的钢纤维数量以及截面位置按式(1)和式(2)进行计算不同截面位置的钢纤维分布：
Figure BDA0002474141310000081
Figure BDA0002474141310000082
其中，i为截面的编号，j为小试块的编号，n表示钢纤维数量，ni，j是编号为j的小试块中编号i的截面上钢纤维的总数量；nj是编号为j的小试块中钢纤维的总数量；k表示小试块的数量，xj为截面上的钢纤维数量占所处小试块中钢纤维数量的百分比；
Figure BDA0002474141310000083
为钢纤维数量的平均百分比；S为百分比的方差。
图3展示了不同黏度的浆体在各截面处的钢纤维分布情况。综合图2和图3的情况，选取4.2～4.9Pa·s作为优化黏度区间。
实施例2
对于水泥-粉煤灰-硅灰体系，各固体组分的粒径分布通过激光粒度分析确定，各固体组分的表观密度通过容量桶法测定。
本实施例在水胶比为0.22的条件下调整各矿物掺合料的比例，进行流变性能试验，各组分的重量配合比如表1所示。不同硅灰掺量下浆体的黏度变化情况如图4所示；不同粉煤灰掺量下浆体的黏度变化情况如图5所示。选取优化黏度区间4.2～4.9Pa·s对应的硅灰掺量范围和粉煤灰掺量范围作为优化矿物掺合料掺比区间；在该区间内选择最佳矿物掺合料掺比：图5显示当粉煤灰掺量为20wt％时浆体的黏度较低，图4显示增大硅灰掺量会导致浆体黏度上升，由于硅灰掺量为15wt％的浆体黏度与粉煤灰掺量为20wt％时的浆体黏度接近，为了使超高性能混凝土浆体具有良好的微观结构，选择硅灰掺量为15wt％，故最佳矿物掺合料掺比为：硅灰的掺量为15wt％，粉煤灰的掺量为20wt％。
将硅灰掺量为15wt％、粉煤灰掺量为20wt％以及不同组分的颗粒粒径带入修正安德森-安德烈森堆积模型模拟得出最密堆积曲线，各固体组分的最密堆积模型曲线图见图6，通过最密堆积曲线，得出各固体组分的最佳体积比。
确定不同减水剂的饱和掺量，具体确定方法如下：通过加入不同掺量的减水剂对应浆体的流动度，确定减水剂饱和掺量，即当减水剂量继续增长，而流动度不变或减少所对应的减水剂掺量为饱和掺量。
根据减水剂掺量(占胶凝材料总量的3.5wt％)和水胶比(0.22)，根据减水剂掺量及水胶比确定出表2所示的配合比，即最优组。
将最优组的浆体黏度标记在图5中，在相同水胶比下，很明显最优组的浆体黏度相对较低，将其水胶比低至超高性能混凝土范围内时，测得其黏度为7.19Pa·s，该黏度值也正好在4.39-10.59Pa·s范围内。
实施例3
按最优组的配合比制备8组超高性能混凝土浆体，消泡剂掺量分别为胶凝材料总重量的0.1wt％、0.2wt％、0.3wt％、0.4wt％、0.5wt％、0.6wt％、0.7wt％，测试以上8组超高性能混凝土浆体的湿堆积密实度，并测试其成型后3d、7d、28d各龄期的抗压强度，测试结果如图7所示。在消泡剂掺量合适时(占胶凝材料总量的0.5wt％)，通过切片观测气泡比例发现，通过以上方法制备的超高性能水泥基材料是一种气泡含量低的具有紧密结构的水泥基材料(超高性能混凝土浆体的湿堆积密度>0.85)，抗压强度到达125MPa左右。
表1试验配合比(kg/m3)
Figure BDA0002474141310000101
表2优化后的超高性能混凝土浆体配合比
Figure BDA0002474141310000102
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种超高性能混凝土的配合比设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定钢纤维不易沉降且气泡能逸出的超高性能混凝土浆体黏度区间A1～A2；
(2)控制浆体黏度在A1～A2范围内，根据浆体内钢纤维和气泡的分布情况确定超高性能混凝土浆体的优化黏度区间A3～A4；
(3)固定水胶比，制备若干组矿物掺合料掺比不同的超高性能混凝土浆体，并进行流变性能试验，得到黏度随矿物掺合料掺比变化的曲线，确定优化黏度区间A3～A4对应的矿物掺合料掺比为优化矿物掺合料掺比区间；
(4)将优化矿物掺合料掺比区间的两边界值、各固体组分的粒径分布以及表观密度植入最密堆积模型，计算出各固体组分的体积比区间。
2.根据权利要求1所述的超高性能混凝土的配合比设计方法，其特征在于：所述步骤(1)具体为:固定水胶比，制备不同黏度的超高性能混凝土浆体，测得钢纤维在超高性能混凝土浆体内不沉降的最低黏度A1，根据斯托克斯理论计算出气泡从超高性能混凝土浆体逸出的最高黏度A2，确定钢纤维不易沉降且气泡能逸出的超高性能混凝土浆体黏度区间为A1～A2。
3.根据权利要求1所述的超高性能混凝土的配合比设计方法，其特征在于：所述步骤(2)具体为:固定水胶比，在A1～A2黏度范围内制备若干组不同黏度的超高性能混凝土浆体，加入钢纤维，待超高性能混凝土浆体硬化后对各试块进行切割，通过各试块截面上钢纤维和气泡的分布情况确定超高性能混凝土浆体的优化黏度区间A3～A4。
4.根据权利要求3所述的超高性能混凝土的配合比设计方法，其特征在于：确定优化黏度区间A3～A4具体方法如下：待浆体硬化后，将试块平均切割成四段，对截面图像进行二值化处理，选取气泡小且钢纤维分布均匀的几组切面，确定其对应的试块对应的浆体黏度，即得到优化黏度区间A3～A4。
5.根据权利要求1～3任一项所述的超高性能混凝土的配合比设计方法，其特征在于：步骤(2)通过各试块截面上钢纤维和气泡的分布情况确定超高性能混凝土浆体的最佳黏度A，步骤(3)通过黏度随矿物掺合料掺比变化的曲线确定最佳黏度A对应的矿物掺合料掺比为最佳矿物掺合料掺比；步骤(4)将最佳矿物掺合料掺比、各固体组分的粒径分布以及表观密度植入最密堆积模型，计算出各固体组分的最佳体积比。
6.根据权利要求1所述的超高性能混凝土的配合比设计方法，其特征在于：
所述最密堆积模型公式如下：
Figure FDA0002474141300000021
其中，P(D)为累计筛下颗粒百分含量；D为当前粒径(μm)；Dmin为最小粒径(μm)；Dmax为最大粒径(μm)；q为分布系数，取值为0.23。
7.根据权利要求1所述的超高性能混凝土的配合比设计方法，其特征在于：各固体组分的粒径分布通过激光粒度分析确定，各固体组分的表观密度通过容量桶法测定。
8.根据权利要求1所述的超高性能混凝土的配合比设计方法，其特征在于：所述水胶比为0.15～0.35；所述钢纤维的体积掺量为2％。
9.根据权利要求1所述的超高性能混凝土的配合比设计方法，其特征在于：计算出各固体组分的体积比后确定减水剂的饱和掺量，然后确定消泡剂的掺量；
确定不同减水剂的饱和掺量的具体确定方法如下：通过加入不同掺量的减水剂对应浆体的流动度，确定减水剂的饱和掺量，即当减水剂量继续增长，而流动度不变或减少的所对应的减水剂掺量为减水剂的饱和掺量；
确定消泡剂掺量的具体确定方法如下：分别制备不同消泡剂掺量的超高性能混凝土浆体，并测试砂浆浆体的湿堆积密实度，成型后测试其各龄期的抗压强度，确定消泡剂的掺量。
10.一种超高性能混凝土，其特征在于，水胶比为0.22，各组分及其掺量为：水泥675kg/m3，粉煤灰240kg/m3，硅灰170kg/m3，粒径≤0.6mm的砂1022kg/m3，减水剂占胶凝材料总量的3.5wt％，消泡剂占胶凝材料总量的0.5wt％。
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