CN112266218A - 一种高强混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及建筑材料领域，具体公开了一种高强混凝土及其制备方法。高强混凝土包括以下重量份的组分：包含以下重量份的组分：胶凝材料：水泥300～400份，粉煤灰47～110份，矿粉47～110份，硅灰35～45份；第二组分：减水剂14～17份，河砂950～1100份，石子750～800份，水150～160份，钢纤维110～125份，增强纤维10～60份，早强剂0.3～1.5份；缓凝剂0.1～2.5份；消泡剂0.3～2.5份，防水剂1～5份。本申请具有在保持高强混凝土高强度的同时，抑制高强混凝土裂缝的优点。

Description

一种高强混凝土及其制备方法

技术领域

本申请涉及建筑材料领域，更具体地说，它涉及一种高强混凝土及其制备方法。

背景技术

随着人类社会的发展和进步，人类有能力拓展生存的空间。目前，人们正在向高空、地底及海洋进军，现代建筑物越来越高层化、大跨化、轻量化；在海洋深处建造大型结构物，在海面上建造巨大的工作平台；越来越多的跨大江、深谷、海峡的大跨度桥梁和海底隧道在建造。所有这些，都要求混凝土的质量越来越高。因此，高强度、高耐久性、高泵送性是混凝土材料发展的方向。

CECS104-99《高强混凝土结构技术规程》1.0.2条规定：“高强混凝土为采用水泥、砂、石、高效减水剂等外加剂和粉煤灰、超细矿渣、硅灰等矿物掺合料以常规工艺配制的C50～C80级混凝土。混凝土强度越高，一般水泥用量越大和水胶比越低。水泥用量大，水泥水化热大，导致混凝土结构内外温差就越大；水胶比低，混凝土的自身收缩会越大。这两个因素会增加混凝土裂缝危险性。混凝土是否开裂决定于：在整个混凝土凝结硬化过程，混凝土的抗拉强度是否总是高于其体积变化导致的内部拉应力，‘是’则不裂，‘否’就会裂。这是一个动态变化过程，一直到混凝土温度降低到接近环境温度，不裂，则基本没有问题。

减少水化热的方案有很多，如选用低热水泥如矿渣水泥和/或选用高效减水剂减少水化热；或者通过掺加粉煤灰或者矿粉以减少水泥用量，从而减少水化热。但是粉煤灰和矿粉代替等量水泥，在降低水化热的同时也降低了高强混凝土的抗拉强度和抗压强度。因此如何在保持高强混凝土高强度的同时，抑制高强混凝土裂缝，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

为了解决背景技术当中的问题，本申请提供一种高强混凝土及其制备方法，其通过对混凝土中各组分含量和配比的优化，以及加入钢纤维和增强纤维提升混凝土抗拉强度，从而达到抑制高强混凝土裂缝的效果。

第一方面，本申请提供一种高强混凝土，采用如下的技术方案：

一种高强混凝土，包含以下重量份的组分：胶凝材料：水泥300～400份，粉煤灰47～110份，矿粉47～110份，硅灰35～45份；第二组分：减水剂14～17份，河砂950～1100份，石子750～800份，水150～160份，钢纤维110～125份，增强纤维10～60份，早强剂0.3～1.5份，缓凝剂0.1～2.5份，消泡剂0.3～2.5份，防水剂1～5份。

通过采用上述技术方案，高强混凝土由于水泥用量较多，通过加入粉煤灰和矿粉作为掺合料，可取代一部分的水泥，可降低水泥高水化热带来的风险，有利于提高混凝土和易性和密实性，进而提高强度，并且有利于混凝土后期强度的提高。由于高强混凝土的脆性较大，钢纤维具有改善韧性的优点，通过加入钢纤维可增加高强混凝土的抗拉强度，有效地改善混凝土的性能，减少混凝土浇筑后裂缝的产生，对提高混凝土后期强度有着显著的作用。减水剂可改善混凝土的和易性及提高性能,同时降低水泥用量，降低水化热，减少裂缝产生的风险。加入早强剂可提升高强混凝土的早期强度。消泡剂可减少高强混凝土中的气孔，使得高强混凝土更加密实，提高高强混凝土的耐久性，强度高。防水剂能够使得高强混凝土硬化时，起到补偿收缩和充分填充高强混凝土间隙的作用，同时可降低高强混凝土的水化热，减少温差裂缝。增强纤维添加到高强混凝土中，可在高强混凝土的胶结层体系中形成网状结构，当高强混凝土受力时，胶结层与增强纤维之间的配合，使得高强混凝土中的粗骨料之间的粘结更紧密，同时增强纤维也可以承受部分拉应力，从而提高高强混凝土抗拉强度，进而在保证高强混凝土保持高强度的同时，达到抑制高强混凝土裂缝的效果。

优选的，所述水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为382m²/kg。

通过采用上述技术方案，水泥作为形成高强混凝土整体体系胶结层的胶凝材料，胶结层的强度越高，高强混凝土的强度也越高。

优选的，所述矿粉为S95级矿粉，流动度比为108％，比表面积为428m²/kg。

通过采用上述技术方案，将上述矿粉加入到高强混凝土中，可使得高强混凝土的早期和后期的抗压强度都能够较高的强度。

优选的，所述粉煤灰为F类I级粉煤灰，细度为7.7％，需水量比为93％，烧失量为2.5％，28天抗压强度比为88％。

通过采用上述技术方案，粉煤灰可以改善高强混凝土拌和料的流动性、粘聚性和保水性，使高强混凝土拌和料易于泵送、浇筑成型，并可减少坍落度的经时损失。

优选的，所述河砂为细度模数为2.9的II区天然中砂，所述河砂的含泥量≤0.6％,泥块含量≤0.1％。

通过采用上述技术方案，优先选用级配良好的天然中砂，其含泥量较少石英颗粒含量较多，可提升高强混凝土拌合物的和易性。

优选的，所述石子的连续粒级为5-20mm，且石子的含泥量为0.5％，泥块含量0.1％，针片状含量2％，压碎值5.5％，表观密度2760kg/m³，岩石抗压强度113Mpa。

通过采用上述技术方案，采用连续级配的石子作为骨料，可以在高强混凝土中堆积形成密实填充的搭接骨架，提高高强混凝土的强度，通过其与河砂、粉煤灰、矿渣粉的配合填充骨架的间隙，提高高强混凝土的致密性，减少高强混凝土的孔隙率。

优选的，所述增强纤维包括粘胶纤维、聚酯纤维和聚氨酯纤维，其中，粘胶纤维、聚酯纤维和聚氨酯纤维的质量比为1:1:1。

通过采用上述技术方案，聚酯纤维强度高，在高强混凝土内形成空间网状结构，将石子骨料包裹在内，限制石子骨料之间的相互移动，进而增强高强混凝土的强度，减少混凝土内部裂隙的数量；粘胶纤维在聚酯纤维形成的网络结构中，可以起到吸水导管的作用，使水泥凝胶沿粘胶纤维均匀扩散至石子骨料之间的空隙内，减少高强混凝土因水泥凝胶材料分布不均匀导致裂隙产生；掺杂在水泥凝胶材料内的聚氨酯纤维为高强混凝土提供一定的形变能力，减少高强混凝土因应力集中产生的裂隙；加入三种纤维，能够使高强混凝土获得强度高、抗开裂和抗弯折的效果。

优选的，所述防水剂为膨胀纤维抗裂防水剂。

通过采用上述技术方案，膨胀纤维抗裂防水剂掺入混凝土中后，可以在增强纤维的基础上在混凝土中分布数量众多的纤维，分散的纤维可以减少混凝土的塑性收缩的应力，提高混凝土的抗裂性能；并且膨胀纤维抗裂防水剂形成的纤维网络可以提高混凝土的粘聚性，改善混凝土的分层现象，提高混凝土的抗离析性能；此外膨胀纤维抗裂防水剂中的膨胀组分可以适度膨胀，以补偿混凝土的收缩开裂的现象，从而提高混凝土的抗裂抗渗性能，进而改善混凝土的耐久性。膨胀纤维抗裂防水剂除了与混凝土中的水泥发生水化反应产生大量的钙矾石填充混凝土的毛细孔，切断毛细管和其他空隙之间的连通，并使其孔径变小，从而达到密实混凝土、提高抗渗的目的，还引入了有机防水组分，通过成膜原理，进一步封闭混凝土的毛细空隙，使混凝土抗渗性得到进一步的提高。

优选的，高强混凝土还包括多孔材料，所述多孔材料采用粒径为2-5mm的细径沸石，按重量份计，细径沸石：9～15份。

通过采用上述技术方案，多孔材料采用细径沸石，可有限的增大石子骨料之间的堆积密度，从而增加高强混凝土的抗压强度。由于沸石孔穴内部的电场和极性作用，使沸石具有较高吸附容量的特点，水是极性很强的分子，故在混凝土拌合过程中很容易被沸石粉吸收，随着水化龄期的延长，被沸石粉吸收的水会不断释放出来补充混凝土内部的毛细管水，改善混凝土内部毛细管水分和相对湿度，降低毛细管负压，可有效降低混凝土的自收缩。且增强纤维进入或部分进入到细径沸石内，被吸附在细径沸石内，细径沸石起到连接节点的功能，使得增强纤维在胶结层内形成网状结构。当高强混凝土受力时，增强纤维有从细径沸石内脱离的趋势，细径沸石和增强纤维之间的吸附力阻碍增强纤维脱离细径沸石，提高混凝土的强度。

第二方面，本申请提供一种高强混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：

一种高强混凝土的制备方法，包括以下步骤：步骤一、按设定比例，称取粘胶纤维经去离子水清洗脱浆处理；随后称取聚氨酯纤维经质量份数为0.6％的氢氧化钠溶液浸泡处理；

步骤二、将经过脱浆处理后的粘胶纤维经过电子束辐射降解，辐照时间为10min，辐照剂量为10kGy；

步骤三、按设定比例，称取水泥，粉煤灰，矿粉，硅灰，减水剂，河砂，石子，钢纤维，早强剂，缓凝剂，消泡剂，防水剂，然后加入9/10的水量后混合均匀制成料浆；

步骤四、按设定比例，称取多孔材料，粘胶纤维，聚酯纤维，聚氨酯纤维和剩余1/10的水量，混合搅拌均匀后投入料浆中，搅拌均匀后制成高强混凝土。

通过采用上述技术方案，粘胶纤维表面的浆料经过脱离后，粘胶纤维的摩擦系数增大，与高强混凝土的结合力增加。聚氨酯纤维经过氢氧化钠溶液浸泡后，聚氨酯纤维表面的油剂和杂质被清洗干净，纤维表面摩擦系数增大，与骨料之间的摩擦力增大，进一步提高了高强混凝土的结构强度。粘胶纤维经过电子束辐照降解后，降低粘胶纤维的结晶度，提高粘胶纤维的吸水性，使水泥凝胶材料能更好的沿粘胶纤维扩散，水泥凝胶材料分散的更为均匀。随后将水泥，粉煤灰，矿粉，硅灰，减水剂，河砂，石子，钢纤维，早强剂，缓凝剂，消泡剂，防水剂，然后加入9/10的水量后混合均匀制成料浆；再将多孔材料、增强纤维、水混合后，搅拌均匀，促进增强纤维吸附到多孔材料内的孔道内，再加入料浆内，搅拌均匀后，得到高强混凝土。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、对混凝土中各组分含量和配比的优化，以及加入钢纤维和增强纤维提升混凝土抗拉强度，从而达到抑制高强混凝土裂缝的效果；

2、本申请中优选采用粘胶纤维、聚酯纤维和聚氨酯纤维与透水混凝土混合，结合三种纤维的性能特点，在高强混凝土内形成纤维网状结构，使高强混凝土获得了较高结构强度的效果。

附图说明

图1是本申请提供的方法的流程图。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

本申请中的水采用地下水；水泥选用唐山冀东水泥有限公司出产的P.O52.5R水泥，比表面积为382m²/kg；粉煤灰选用大唐同舟科技有限公司张家口分公司F类Ⅰ级；矿粉选用张家口下花园钢盛建材有限责任公司S95级矿粉；河砂选用天镇县鑫隆建筑用砂有限公司生产的优质河砂；石子选取怀来中基锡安新型石材科技有限公司的5-20mm连续粒级石子；减水剂选用河北旭城建材有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂，其性能指标为：密度1.032g/cm³，PH值4.2，含固量15.34％，减水率32％；硅灰选择使用北京江汉科技有限公司生产的硅灰，其烧失量为3.04％，需水比为102％；钢纤维选用上海哈瑞克斯的铣削波纹钢纤维，其屈服强度698Mpa，抗拉强度715Mpa，弯曲性能：冷弯90度未断裂；早强剂选用硫代硫酸钠；缓凝剂包括柠檬酸、酒石酸或葡萄糖酸钠中的至少一种，优选为葡萄糖酸钠；消泡剂包括多元醇类消泡剂或聚硅氧烷类消泡剂粉体中的至少一种。

实施例

实施例1：一种高强混凝土，包含以下重量份的组分：胶凝材料：水泥300份，粉煤灰47份，矿粉47份，硅灰35份；第二组分：减水剂14份，河砂950份，石子750份，水150份，钢纤维110份，粘胶纤维3.3份，聚酯纤维3.3份，硫代硫酸钠0.3份，葡萄糖酸钠0.1份，消泡剂0.3份，膨胀纤维抗裂防水剂1份，细径沸石9份；其中，矿粉的流动度比为108％，比表面积为428m²/kg；粉煤灰的细度为7.7％，需水量比为93％，烧失量为2.5％，28天抗压强度比为88％；河砂为细度模数为2.9的II区天然中砂，所述河砂的含泥量≤0.6％,泥块含量≤0.1％；石子的连续粒级为5-20mm，且石子的含泥量为0.5％，泥块含量0.1％，针片状含量2％，压碎值5.5％，表观密度2760kg/m³，岩石抗压强度113Mpa；细径沸石的粒径为2-5mm；粘胶纤维为高湿模量粘胶纤维，且高湿模量粘胶纤维的聚合度小于800，高湿模量粘胶纤维旦数为120D，长度为10mm，干强为3Cn/dtex，断裂伸长率为11％，聚合度为500；聚酯纤维长度为20mm，干态强度为4Cn/dtex；聚氨酯纤维长度为20mm，旦数为20D，断裂伸长率为400％。

参照图1，本实施例的高强混凝土的制备方法包括以下步骤：

步骤一、按上述重量份数，称取粘胶纤维经去离子水清洗脱浆处理；随后称取聚氨酯纤维经质量份数为0.6％的氢氧化钠溶液浸泡处理；

步骤二、将经过脱浆处理后的粘胶纤维经过电子束辐射降解，辐照时间为10min，辐照剂量为10kGy；

步骤三、按上述重量份数，取水泥，粉煤灰，矿粉，硅灰，减水剂，河砂，石子，钢纤维，硫代硫酸钠，葡萄糖酸钠，消泡剂，膨胀纤维抗裂防水剂，然后加入9/10的水量后，采用60L横卧式强制式搅拌机进行搅拌，混合均匀制成料浆；

步骤四、按上述重量份数，取细径沸石，粘胶纤维，聚酯纤维，聚氨酯纤维和剩余1/10的水量，混合搅拌均匀后投入料浆中，搅拌均匀后制成高强混凝土。

其余实施例与实施例1相比，区别在于原料的加入量不同，具体如表1所示。

表1各实施例的原料添加量

对比例

对比例1

对比例1与实施5的区别在于：对比例1中，不添加粘胶纤维、聚酯纤维、聚氨酯纤维和钢纤维，其它均与实施例5保持一致。

对比例2

对比例2与实施5的区别在于：对比例2中，不添加膨胀纤维抗裂防水剂；其它均与实施例5保持一致。

对比例3

对比例3与实施5的区别在于：对比例3中，不添加细径沸石；其它均与实施例5保持一致。

性能检测试验

将以上实施例以及对比例制得的高强混凝土拌合物成型150mm×150mm×150mm试模试件4组。分别测试标准养护3、7、28、60d抗压强度。拌合物成型和养护过程参照GB50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。混凝土拌合物性能测试项目为；坍落度、坍落度扩展度、坍落度经时损失，检测方法依据GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。混凝土力学性能试验项目为；立方体抗压强度，检测方法依GB50081-2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

按照GB/T50010《混凝土结构设计规范》制成标准试块，在第28天时测得的具有95％保证率的抗压强度，以及透水性能。以上各实施例以及对比例制备的透水混凝土标准试块的性能指标如表2所示。

表2各实施例以及对比例制备的透水混凝土的性能测试结果

从上述表中可以看出，在28d时，本申请中的所有实施例的高强混凝土试件的抗压强度均大于70Mpa，说明该混凝土的强度等级达到了C70，具有良好的抗压强度，其使用效果较佳，满足高强混凝土的施工规范要求。从实施例2-7可以看出，粉煤灰和矿粉的掺量对高强混凝土拌合物有一定的影响，在粉煤灰和矿粉的掺合总量不变且其它组分也保持不变的情况下，当矿粉掺量大于粉煤灰时拌合物坍落度和坍落度扩展度明显大于粉煤灰掺量大于矿粉掺量，和易性也有较大提升。硅灰的添加使得混凝土坍落度及坍落度扩展度也有着明显增大的变化。考虑到大体积混凝土的特性，选择较少水泥用量的配合比以降低水化热，同时考虑硅灰用量对混凝土拌合物性能的影响，以及掺加钢纤维后对混凝土拌合物性能的影响，综合考虑选择实施例5作为本申请中的最佳实施例。

其中，相较于实施例5，对比例1中不添加粘胶纤维、聚酯纤维、聚氨酯纤维，水泥凝胶与骨料之间只通过水泥凝胶的粘接力进行粘接，造成混凝土的强度下降。

相较于实施例5，对比例2与对比例3中分别不添加膨胀纤维抗裂防水剂和细径沸石，使得高强混凝土反应体系中缺少抗收缩性，同时增强纤维之间缺少以细径沸石作为连接点，使得混凝土体系中增强纤维网状结构强度下降，降低了高强混凝土的断裂韧性，抗拉强度降低，从而导致了制备得到的高强混凝土的强度下降。

综合来看，高湿模量粘胶纤维、聚酯纤维、聚氨酯纤维、膨胀纤维抗裂防水剂和细径沸石在高强混凝土内形成三维网状结构，由于高湿模量粘胶纤维对混凝土胶体具有很强的吸附性，使混凝土胶体能渗透进入高湿模量粘胶纤维束内，使混凝土、骨料和纤维三者之间的粘聚力增大，同时由于纵横交错的加筋和桥接作用，进一步提高了高强混凝土的强度，此外聚氨酯纤维的高弹性恢复率使纤维网状结构的抗拉能力大大提升，进而提高了高强混凝土的抗压强度和抗拉强度，实现在保持高强混凝土高强度的同时，抑制高强混凝土裂缝的优点。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种高强混凝土，其特征在于，包含以下重量份的组分：胶凝材料：水泥300～400份，粉煤灰47～110份，矿粉47～110份，硅灰35～45份；第二组分：减水剂14～17份，河砂950～1100份，石子750～800份，水150～160份，钢纤维110～125份，增强纤维10～60份，早强剂0.3～1.5份，缓凝剂0.1～2.5份，消泡剂0.3～2.5份，防水剂1～5份。

2.根据权利要求1所述的一种高强混凝土，其特征在于：所述水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为382m2/kg。

3.根据权利要求1所述的一种高强混凝土，其特征在于：所述矿粉为S95级矿粉，流动度比为108％，比表面积为428m²/kg。

4.根据权利要求1所述的一种高强混凝土，其特征在于：所述粉煤灰为F类I级粉煤灰，细度为7.7%，需水量比为93％，烧失量为2.5％，28天抗压强度比为88%。

5.根据权利要求1所述的一种高强混凝土，其特征在于：所述河砂为细度模数为2.9的II区天然中砂，所述河砂的含泥量≤0.6％,泥块含量≤0.1％。

6.根据权利要求1所述的一种高强混凝土，其特征在于：所述石子的连续粒级为5-20mm，且石子的含泥量为0.5%，泥块含量0.1%，针片状含量2%，压碎值5.5%，表观密度2760kg/m³，岩石抗压强度113Mpa。

7.根据权利要求1所述的一种高强混凝土，其特征在于：所述增强纤维包括粘胶纤维、聚酯纤维和聚氨酯纤维，其中，粘胶纤维、聚酯纤维和聚氨酯纤维的质量比为1:1:1。

8.根据权利要求1所述的一种高强混凝土，其特征在于：所述防水剂为膨胀纤维抗裂防水剂。

9.根据权利要求1所述的一种高强混凝土，其特征在于：还包括多孔材料，所述多孔材料采用粒径为2-5mm的细径沸石，按重量份计，细径沸石：9～15份。

10.权利要求1-9任一所述的一种高强混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、按设定比例，称取粘胶纤维经去离子水清洗脱浆处理；随后称取聚氨酯纤维经质量份数为0.6%的氢氧化钠溶液浸泡处理；

步骤二、将经过脱浆处理后的粘胶纤维经过电子束辐射降解，辐照时间为10min，辐照剂量为10kGy；

步骤三、按设定比例，称取水泥，粉煤灰，矿粉，硅灰，减水剂，河砂，石子，钢纤维，早强剂，缓凝剂，消泡剂，防水剂，然后加入9/10的水量后混合均匀制成料浆；

步骤四、按设定比例，称取多孔材料，粘胶纤维，聚酯纤维，聚氨酯纤维和剩余1/10的水量，混合搅拌均匀后投入料浆中，搅拌均匀后制成高强混凝土。

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