CN111635198B

CN111635198B - 一种轻质超高强混凝土的设计制备方法

Info

Publication number: CN111635198B
Application number: CN202010572213.7A
Authority: CN
Inventors: 王进军; 吴计旭; 蒋鹏
Original assignee: Handan Jinyu Taihang Commercial Concrete Technology Co ltd
Current assignee: Handan Jinyu Taihang Commercial Concrete Technology Co ltd
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2023-03-10
Anticipated expiration: 2040-06-22
Also published as: CN111635198A

Abstract

本发明涉及混凝土制备技术领域，且公开了一种轻质超高强混凝土的设计制备方法，包括以下步骤：S1、获取原料，胶凝材料1200‑1300份，水泥600‑700份，矿渣粉340‑400份，硅灰120‑130份，玻璃微珠120‑130份，轻质聚丙烯纤维0.5‑1.5份，轻质细骨料100‑104份，轻质粗骨料200‑216份，水170‑210份，外加剂25‑26份。本发明在混凝土设计方法上，开阔思路参考了活性粉末混凝土相关理念，采用绝对体积法进行设计，突破了“轻质的混凝土很难有超高的强度，超高强度的混凝土质量一定重”的传统悖论，创新添加并非粉煤灰材质的玻璃微珠，有效降低了混凝土的表观密度，实现了轻质的效果，在混凝土的制备方式上进行创新。

Description

一种轻质超高强混凝土的设计制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土制备技术领域，具体为一种轻质超高强混凝土的设计制备方法。

背景技术

通过前期资料查阅，轻质高强混凝土，一方面，从轻质角度来看，掺加密度较低的骨料，减少浆体的用量，能有效实现轻质效果，但是轻骨料本身的特性及生产工艺又成为制约砼试块强度的短板；另一方面，从高强的角度来看，为了弥补轻骨料的强度短板，必须提升胶凝材料浆体的强度和浆骨交界面的强度。因此，在配合比设计中，参考《活性粉末混凝土》相关设计规程，轻质高强混凝土靠浆体提升强度，采用浆体相为主要承重体系，即提高浆体用量，减少骨料强度对混凝土强度的限制，骨料主要为填充和降低混凝土的表观密度。选用高强水泥、矿渣粉、硅灰等来提升强度，选用页岩破型陶砂、粉煤灰陶粒和空心玻璃微珠等降低表观密度，以此配制轻质高强混凝土。同时，参考《纤维混凝土应用技术规程》加入适量合成纤维，以增强混凝土的韧性，延缓混凝土试块的破坏进程。总体依据《轻骨料混凝土技术规程》用绝对体积法进行配合比设计、试配及试验。

从不足来看，《活性粉末混凝土》相关规定不使用任何5mm以上粗骨料，这就限制了粗骨料的使用。《轻骨料混凝土技术规程》相关规定采用相对体积法计算，这不利于胶凝材料体积的计算。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种轻质超高强混凝土的设计制备方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种轻质超高强混凝土的设计制备方法，包括以下步骤：

S1、获取原料，胶凝材料1200-1300份，水泥600-700份，矿渣粉340-400份，硅灰120-130份，玻璃微珠120-130份，轻质聚丙烯纤维0.5-1.5份，轻质细骨料100-104份，轻质粗骨料200-216份，水170-210份，外加剂25-26份；

S2、加入所有粉料以及聚丙烯纤维，干拌5min，使得所有粉料及纤维充分打开并搅拌拌匀；

S3、加入水、外加剂，搅拌5min，随后加入轻质细骨料，搅拌5min；

S4、最后加入干轻质粗骨料搅拌10min。

优选的，胶凝材料选取P·I 42.5水泥。

优选的，轻质细骨料为页岩破碎制砂。

优选的，轻质粗骨料为粉煤灰陶粒，粉煤灰陶粒粒径为5-10mm。

优选的，玻璃微珠并非粉煤灰玻璃微珠。

优选的，矿渣粉为S105级矿渣粉。

优选的，轻质细骨料的制备包括以下步骤：

K1、选取的页岩10-20mm石子；

K2、将页岩石子破碎制砂，按各级配分别留存；

K3、配合比设计试配中，将各级配页岩砂复配成二区中砂。

本发明提供了一种轻质超高强混凝土的设计制备方法。具备以下有益效果：

（1）、在混凝土设计方法上，开阔思路参考了活性粉末混凝土相关理念，采用绝对体积法进行设计。

（2）、突破了“轻质的混凝土很难有超高的强度，超高强度的混凝土质量一定重”的传统悖论，创新添加并非粉煤灰材质的玻璃微珠，有效降低了混凝土的表观密度，实现了轻质的效果。

（3）、在混凝土的制备方式上进行创新。

具体实施方式

实施例一

一种轻质超高强混凝土的设计制备方法，包括以下步骤：

S1、获取原料，胶凝材料1200份，胶凝材料选取P·I 42.5水泥，水泥600份，矿渣粉340份，矿渣粉为S105级矿渣粉，硅灰120份，玻璃微珠120份，玻璃微珠并非粉煤灰玻璃微珠，轻质聚丙烯纤维0.5份，轻质细骨料100份，轻质细骨料为页岩破碎制砂，轻质粗骨料200份，轻质粗骨料为粉煤灰陶粒，粉煤灰陶粒粒径为5mm，水170份，外加剂25份；

S4、最后加入干轻质粗骨料搅拌10min。

轻质细骨料的制备包括以下步骤：

K1、选取的页岩10mm石子；

K2、将页岩石子破碎制砂，按各级配分别留存；

K3、配合比设计试配中，将各级配页岩砂复配成二区中砂。

实施例二

一种轻质超高强混凝土的设计制备方法，包括以下步骤：

S1、获取原料，胶凝材料1220份，胶凝材料选取P·I 42.5水泥，水泥620份，矿渣粉350份，矿渣粉为S105级矿渣粉，硅灰122份，玻璃微珠122份，玻璃微珠并非粉煤灰玻璃微珠，轻质聚丙烯纤维0.8份，轻质细骨料101份，轻质细骨料为页岩破碎制砂，轻质粗骨料204份，轻质粗骨料为粉煤灰陶粒，粉煤灰陶粒粒径为6mm，水180份，外加剂25.2份；

S4、最后加入干轻质粗骨料搅拌10min。

轻质细骨料的制备包括以下步骤：

K1、选取的页岩12mm石子；

K2、将页岩石子破碎制砂，按各级配分别留存；

K3、配合比设计试配中，将各级配页岩砂复配成二区中砂。

实施例三：

一种轻质超高强混凝土的设计制备方法，包括以下步骤：

S1、获取原料，胶凝材料1240份，胶凝材料选取P·I 42.5水泥，水泥620份，矿渣粉360份，矿渣粉为S105级矿渣粉，硅灰124份，玻璃微珠124份，玻璃微珠并非粉煤灰玻璃微珠，轻质聚丙烯纤维0.8份，轻质细骨料103份，轻质细骨料为页岩破碎制砂，轻质粗骨料210份，轻质粗骨料为粉煤灰陶粒，粉煤灰陶粒粒径为8mm，水190份，外加剂25.7份；

S4、最后加入干轻质粗骨料搅拌10min。

轻质细骨料的制备包括以下步骤：

K1、选取的页岩14mm石子；

K2、将页岩石子破碎制砂，按各级配分别留存；

K3、配合比设计试配中，将各级配页岩砂复配成二区中砂。

实施例四：

一种轻质超高强混凝土的设计制备方法，包括以下步骤：

S1、获取原料，胶凝材料1280份，胶凝材料选取P·I 42.5水泥，水泥690份，矿渣粉390份，矿渣粉为S105级矿渣粉，硅灰128份，玻璃微珠128份，玻璃微珠并非粉煤灰玻璃微珠，轻质聚丙烯纤维1.4份，轻质细骨料103份，轻质细骨料为页岩破碎制砂，轻质粗骨料214份，轻质粗骨料为粉煤灰陶粒，粉煤灰陶粒粒径为9mm，水205份，外加剂25.8份；

S4、最后加入干轻质粗骨料搅拌10min。

轻质细骨料的制备包括以下步骤：

K1、选取的页岩18mm石子；

K2、将页岩石子破碎制砂，按各级配分别留存；

K3、配合比设计试配中，将各级配页岩砂复配成二区中砂。

实施例五：

一种轻质超高强混凝土的设计制备方法，包括以下步骤：

S1、获取原料，胶凝材料1300份，胶凝材料选取P·I 42.5水泥，水泥700份，矿渣粉400份，矿渣粉为S105级矿渣粉，硅灰130份，玻璃微珠130份，玻璃微珠并非粉煤灰玻璃微珠，轻质聚丙烯纤维1.5份，轻质细骨料104份，轻质细骨料为页岩破碎制砂，轻质粗骨料216份，轻质粗骨料为粉煤灰陶粒，粉煤灰陶粒粒径为10mm，水210份，外加剂26份；

S4、最后加入干轻质粗骨料搅拌10min。

轻质细骨料的制备包括以下步骤：

K1、选取的页岩20mm石子；

K2、将页岩石子破碎制砂，按各级配分别留存；

K3、配合比设计试配中，将各级配页岩砂复配成二区中砂。

实验例：

一种轻质超高强混凝土的设计制备方法，包括以下步骤：

S1、获取原料，胶凝材料1266.7份，胶凝材料选取P·I 42.5水泥，水泥633.3份，矿渣粉380份，矿渣粉为S105级矿渣粉，硅灰126.7份，玻璃微珠126.7份，玻璃微珠并非粉煤灰玻璃微珠，轻质聚丙烯纤维1份，轻质细骨料102份，轻质细骨料为页岩破碎制砂，轻质粗骨料208份，轻质粗骨料为粉煤灰陶粒，粉煤灰陶粒粒径为8mm，水190份，外加剂25.3份；

S4、最后加入干轻质粗骨料搅拌10min。

轻质细骨料的制备包括以下步骤：

K1、选取的页岩18mm石子；

K2、将页岩石子破碎制砂，按各级配分别留存；

K3、配合比设计试配中，将各级配页岩砂复配成二区中砂。

本试验所用粉体材料见表1。

表1 粉体材料品种

粗骨料选用粉煤灰陶粒，其性能指标见表2

表2 粉煤灰陶粒的物理性能

表3 粉煤灰陶粒的颗粒级配

细骨料

页岩砂：由页岩10mm-20mm石子破碎成砂，再将经过筛分的颗粒按Ⅱ区中

砂级配，去除筛底和5mm以上石子配制而成，细度模数2.8，具体物理性能指标见表4，其级配情况见表5。

表4 页岩陶砂的物理性能

表5 陶砂的颗粒级配

减水剂为高性能聚羧酸减水剂，减水率为30%

聚丙烯合成纤维

为增强混凝土的韧性，延缓高强混凝土试块破坏过程中的脆性断裂，加入聚

丙烯合成纤维。其具体性能指标见表6 。

表6 聚丙烯合成纤维性能指标

原材料品种	截面形状	公称长度（mm）	密度（kg/m³）	抗拉强（MPa）
					聚丙烯合成纤维	圆形	8-50mm	930	320

因轻质高强混凝土采用浆体相为主要承重体系，即提高浆体用量，结合《活

性粉末混凝土》（GB/T 31387-2015）标准，设计总骨料体积Vs+Vg=0.20m³，则单方砼中净浆体积0.80m³，假定外加剂体积Vca取值0.025m³即Vca=0.025m³；根据RPC160级别混凝土水胶比<0.16，RPC180级别混凝土水胶比<0.14，水胶比选用0.15。

Vs+Vg=0.20m³，则单方砼中净浆体积0.80m³，

Vp=Vw+Vb+Vca=0.80³

假定外加剂体积Vca取值0.025m³，Vca=0.025m³

设计参数，见表7。

表7 原材料表观密度（kg/m³）

原材料	水泥	矿渣粉	玻璃微珠	页岩砂	陶粒 5-10mm	水	硅灰	外加剂	合成纤维
										表观密度	3150	2900	650	1460	1600	1000	2200	1062	930

通过激光粒度分析仪检测各粉料粒度分布范围，依据富勒级配曲线，确定各粉体材料占比。

通过各粉体材料激光粒度分布以及富勒级配曲线，计算出水泥占粉体材料50%、矿渣粉占粉体材料30%、玻璃微珠和硅灰各占10%时组成的粉体材料级配最接近富勒级配曲线。各粉体材料按上述比例混合后对其进行级配分析：

	<3μm	3-32μm	32-65μm	65-160μm
					分计筛余	16.23%	67.17%	12.63%	3.97%
累计筛余	16.23%	83.41%	96.03%	100.00%

各粉料在粉体材料中占比及粉体材料表观密度：

	水泥（ρm1）	矿渣粉（ρm2）	玻璃微珠（ρm4）	硅灰（ρm3）
					ρkg/m³	3150	2900	650	2200
β（粉体材料中占比） %	β<sub>1</sub>=50%	β<sub>2</sub>=30%	β<sub>4</sub>=10%	β<sub>3</sub>=10%

确定粉体材料质量Mb,水质量Mw

粉体材料质量Mb,水质量Mw计算

联立（1）式、（2）式、（3）式和（4）式，算出

粉体材料体积 Vb=0.58 m³

水体积 Vw=0.19 m³

粉体材料质量 Mb=ρb×Vb=2166.9×0.58=1266.7kg

水质量 Mw=ρw×Vw=1000×0.19=190 kg

确定每立方米混凝土中粉体材料的质量

水泥 mc=mb-m1-m2-m3 =1266.7×50%=633.3 kg/m³

矿渣粉 mSL=mb×βSL =1266.7×30% =380 kg/m³

玻璃微珠 mFA=mb×βFA =1266.7×10% =126.7kg/m³

硅灰 mFA=mb×βFA =1266.7×10% =126.7kg/m³

外加剂（减水剂）用量计算：（α为外加剂用量，取：2.0%）

外加剂质量 mca=mb×α= 1266.7×2.0% = 25.3kg/m³

实际外加剂体积 Vca=25.3/1062=0.024m³

假定外加剂和空气总体积 Vca取值0.3m³

确定细骨料体积（Vs）及质量（ms）

骨料（页岩砂+陶粒5mm-10mm）体积 Vs+Vg=0.20m³

根据《轻骨料混凝土技术规程》标准细骨料页岩砂，体积砂率取值 35%，则：

页岩砂的体积 Vs=（Vs+Vg）×0.35=0.20×0.35=0.07m³

页岩砂的质量 ms = Vs·ρs = 0.07 × 1460 = 102kg/m³

确定粗骨料体积（Vs）及质量（ms）

5mm-10mm陶粒的体积 Vg=（Vs+Vg）-Vs=0.20-0.07=0.13m³

5mm-10mm陶粒的质量 mg = Vg·ρg = 0.13 × 1600 = 208 kg/m³

确定聚丙烯合成纤维体积（Vf）及质量（mf）

依据《活性粉末混凝土》GB/T 31387-2015中规定合成纤维最大掺加量为1.5kg/m³，《纤维混凝土应用技术规程》JGJ/T 221-2010相关规定：聚丙烯合成纤维掺量 mf=1kg/m³，聚丙烯合成纤维体积 Vf=mf/ρf=0.001m³

轻质高强混凝土配合比确定

通过前期的基础试验，结合相关参考文献，以及配合比的理论计算，确定轻质高强混凝土配比见表8，混凝土拌合物性能指标见表9。

表8 轻质高强混凝土配合比 kg/m³

表9 混凝土拌合物性能指标

试验项目	坍落度（mm）	扩展度（mm）	实测表观密度（mm）	28d抗压强度（MPa）
					试验结果	270	630	1810	121.3

综上所述：本专利一是在混凝土设计方法上，开阔思路参考了活性粉末混凝土相关理念，采用绝对体积法进行设计。

二是突破了“轻质的混凝土很难有超高的强度，超高强度的混凝土质量一定重”的传统悖论，创新添加并非粉煤灰材质的玻璃微珠，有效降低了混凝土的表观密度，实现了轻质的效果。

三是在混凝土的制备方式上进行创新。

Claims

1.一种轻质超高强混凝土的设计制备方法，其主要特征为：

配方的设计是由四个公式联立的方程组解得：

水胶比的计算公式见式（1），通过试验确定水胶比数值为0.15：

................... 公式（1）

其中：m_w、m_b分别为水、胶凝材料的质量，ρ_w、ρ_b分别为水、胶凝材料的密度，ρ_w=1000kg/m³，v_w、v_b分别为水、胶凝材料的体积；

通过试验确定骨料体积和浆体体积，使浆骨比为4：

总骨料体积=v_s+v_g=0.20m³

总浆体体积v_p=1-（v_s+v_g）=v_w+v_b+v_ca=0.80m³.................公式（2）

外加剂掺量为总胶凝材料质量的2.0%，则：

外加剂体积v_ca=ρ_b×v_b×0.2%/ρ_ca............公式（3）

其中，v_s、v_g、v_p、v_ca、v_w、v_b分别表示砂、粗骨料、净浆浆体、外加剂、水、胶凝材料的体积，ρ_ca表示外加剂的密度；

胶凝材料的密度计算见式（4）：

....公式（4）

其中，ρ_b、ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄分别为胶凝材料、水泥、矿渣粉、硅灰、空心玻璃微珠的表观密度，β₁、β₂、β₃、β₄分别为水泥、矿渣粉、硅灰、空心玻璃微珠在胶凝材料中用量占比，其中，水泥占比50%，矿渣粉占比30%，硅灰占比10%，空心玻璃微珠占比10%；

联立公式（1）、（2）、（3）、（4）形成方程组，并考虑假定混凝土中存在的0.015m³空气和纤维体积需从胶凝材料体积中扣除，可计算得出胶凝材料的体积v_b=0.58 m³,水的体积v_w=0.19 m³；

随后根据各种原材的密度，可计算出各种原材的具体用量：水泥633.3份，矿渣粉380份，硅灰126.7份，工业玻璃微珠126.7份，轻质聚丙烯纤维1份，轻质细骨料102份，轻质粗骨料208份，水190份，外加剂25.3份；

生产工艺：先加入所有粉料以及聚丙烯纤维，干拌5min，使得所有粉料及纤维充分打开并搅拌拌匀；加入水、外加剂，搅拌5min，随后加入轻质细骨料，搅拌5min；最后加入轻质粗骨料搅拌10min；

采用该方法制备的混凝土试块强度高达到121.3MPa，表观密度密度低至1810kg/m³。

2.根据权利要求1所述的一种轻质超高强混凝土的设计制备方法，其特征在于：

胶凝材料选取P·I 42.5水泥，其核心指标为：3天强度34.2MPa，28天强度64.3MPa；选取S105级矿渣粉，其核心指标为：7天活性指数97%，28天活性指数113%；选取94级硅灰，其核心指标为：SiO₂含量93%，比表面积17000m²/kg，7天活性指数114%；

轻质细骨料（页岩破碎制砂），其核心指标为：表观密度1460kg/m³，1小时吸水率2.3%，细度模数2.8；轻质粗骨料（5-10mm粉煤灰陶粒），其核心指标为：表观密度1600kg/m³，1小时吸水率15.0%，筒压强度18.8MPa。

3.根据权利要求1所述的一种轻质超高强混凝土的设计制备方法，其特征在于：玻璃微珠并非粉煤灰玻璃微珠，该玻璃微珠为工业生产制品，D18000型，其核心指标为：表观密度648kg/m³，抗等静压强度（80%留存）达到18000PSI/124.14MPa。

4.根据权利要求1所述的一种轻质超高强混凝土的设计制备方法，其特征在于：轻质细骨料为页岩破碎制砂。