CN112679162B

CN112679162B - 一种低收缩超高强度的自密实混凝土及其制备方法

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Publication number: CN112679162B
Application number: CN202011589078.3A
Authority: CN
Inventors: 张聪; 袁振; 夏超凡; 余志辉; 吴立山; 李志华
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2022-01-11
Anticipated expiration: 2040-12-29
Also published as: CN112679162A

Abstract

本发明公开了一种低收缩超高强度的自密实混凝土及其制备方法，属于建筑材料技术领域。本发明的低收缩超高强度的自密实混凝土，包括水泥380～420、硅灰70～90、矿粉140～180、粉煤灰140～180、石子775～825、砂子775～825、钢纤维195～273、碳酸钙晶须80～120、减水剂18.5～21.5、羟乙基纤维素0.22～0.3、无机胶凝剂10～15、消泡剂0.1～0.2、水106.8～124.2。本发明所获得的自密实混凝土具有较高的流动性和自密实性，浇筑成型时无需振捣，硬化混凝土28d抗压强度超过150MPa，抗折强度超过31MPa，180d收缩率小于260×10^‑6。

Description

一种低收缩超高强度的自密实混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低收缩超高强度的自密实混凝土及其制备方法，属于建筑材料技术领域。

背景技术

高强混凝土与密集配筋的使用，满足了当前建筑领域对于更高承载力混凝土结构的迫切需求。然而，密集配筋同时亦对混凝土的工作性、填充性和间隙通过能力提出了更高要求。配制高强度自密实混凝土是解决上述问题的有效有段之一。但是，目前该技术领域始终存在两个基本问题尚需进一步解决：其一，目前自密实混凝土的强度偏低，若配制超高强度自密实混凝土仍需要进一步优化和调整混凝土配合比；其二，对于超高强度混凝土而言，通常需要掺加适量的硅灰等超细矿物掺合料，并伴随着大量高标号水泥的使用，这将导致所配制的超高强度混凝土材料体积稳定性较差，混凝土收缩现象较为明显，极易引起混凝土的开裂。虽然目前已有使用膨胀剂补偿收缩的应用示例，但是膨胀剂对于环境依赖性大，且由于实际施工条件与实验室条件差异较大，使得补偿收缩技术在实际施工应用中的效果较难控制。

因此，亟需寻找一种低收缩超高强度的自密实混凝土。

发明内容

为了解决上述两个基本问题，本发明通过调整原材料配比，引入高强度、高弹性模量的碳酸钙晶须作为增强材料，辅以无机胶凝剂对碳酸钙晶须和混凝土之间的界面进行改性，提高其与混凝土基体的粘结能力，从而发明了一种具有较高的流动性和自密实性，浇筑成型时无需振捣，硬化混凝土28d抗压强度超过160MPa，抗折强度超过35MPa，硬化混凝土180d收缩率小于190×10^-6的低收缩、超高强度的自密实混凝土。

具体的，本发明的第一个目的是提出的一种低收缩超高强度的自密实混凝土，包括水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰、石子、砂子、钢纤维、碳酸钙晶须、无机胶凝剂、减水剂、羟乙基纤维素、消泡剂和水，各组分的用量为：

组分用量kg/m³

本发明中，所述水泥包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥中的任一种。

本发明中，所述水泥优选与减水剂相容性良好的水泥。

本发明中，所述水泥优选为P·O 52.5型普通硅酸盐水泥。

本发明中，所述硅灰中二氧化硅的质量百分比不小于96％，平均粒径0.05～0.2μm，比表面积不小于2200m²/kg。

本发明中，所述矿粉28天活性指数不小于105％，比表面积不小于760m²/kg。

本发明中，所述粉煤灰为一级粉煤灰，二氧化硅的质量百分比不小于55％，比表面积不小于680m²/kg。

本发明中，所述石子为最大粒径不大于15mm的连续级配花岗岩或玄武岩碎石，石子材质优选为玄武岩。

本发明中，所述砂子为连续级配的河沙或机制砂，最大粒径不大于3mm，砂子材质优选为石英石。

本发明中，所述钢纤维为表面镀铜钢纤维，长度6～12mm，直径0.12～0.2mm，抗拉强度不低于2200MPa。

本发明中，所述碳酸钙晶须的直径0.5～2μm，长度20～30μm，弹性模量410～710GPa。

本发明中，所述碳酸钙晶须优选为文石型碳酸钙晶须。

本发明中，所述减水剂包括萘系减水剂和聚羧酸高效减水剂，减水率不低于40％，优选为聚羧酸高效减水剂。

本发明中，所述无机胶凝剂为授权公告号CN 110304858 B专利技术《一种透水混凝土胶凝剂》所合成胶凝剂。

本发明的第二个目的是提供上述低收缩超高强度的自密实混凝土的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)按比例准确称取原材料；

(2)将10％～20％水与碳酸钙晶须和羟乙基纤维素混合分散，得到碳酸钙晶须分散悬浮液；

(3)将减水剂和无机胶凝剂与5％～10％水混合；

(4)将水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰、石子、砂子混合；

(5)在步骤(4)所得材料中加入余量水，搅拌、混合；

(6)将步骤(2)和步骤(3)中所得材料加入至步骤(5)所得材料中，搅拌、混合；

(7)将钢纤维加入由步骤(6)所得材料中，搅拌、混合；

(8)将消泡剂加入至步骤(7)所得材料中，混合搅拌，即可制备得到低收缩超高强度的自密实混凝土；

其中，步骤(2)、(3)以及步骤(4)～(5)之间的顺序可以改变或者同时进行。

本发明中，步骤(2)中所述分散的方法是超声分散，采用一体式超声波处理器进行，超声波频率为19～26kHz，超声时间为10～15min。

本发明中，步骤(3)中，混合时，搅拌3～5min，搅拌速率50～70转/min。

本发明中，步骤(4)中，混合时，搅拌2～3min，搅拌速率50～70转/min；

本发明中，步骤(4)中所用的搅拌设备优选为混凝土卧式搅拌机，应有机盖，防止粉体材料在搅拌过程中损失。

本发明中，步骤(5)中，优选在混凝土卧式搅拌机中混合，搅拌2～3min，搅拌速率50～70转/min。

本发明中，步骤(6)中，优选在采用混凝土卧式搅拌机搅拌，搅拌2～3min，搅拌速率50～70转/min。

本发明中，步骤(7)中，所述混合搅拌采用混凝土卧式搅拌机搅拌3～5min，搅拌速率50～70转/min。

本发明中，步骤(8)中，所述混合搅拌采用混凝土卧式搅拌机搅拌1～2min，搅拌速率50～70转/min，

本发明的第三个目的是提供上述低收缩超高强度自密实混凝土以及制备方法在建筑领域的应用。

本发明的第四个目的是提供包含上述低收缩超高强度自密实混凝土的建筑部件，例如梁、板、柱、节点等。

本发明提供的低收缩、超高强度自密实混凝土具有以下优点：

(1)本发明提供的混凝土工作性好，能够依靠混凝土自重均匀密实地填充配筋密集和复杂形式的结构中。

(2)本发明提供的混凝土强度高，28d标准立方体抗压强度可达150MPa以上，最高可达195.2MPa，28d抗折强度可达31MPa以上，最高可达39.5MPa，对于缩小混凝土构件的尺寸有明显效果。

(3)本发明提供的混凝土体积稳定性好，收缩小，180d收缩率小于250×10^-6，当采用本发明特定制备方法制备得到的混凝土的180d收缩率小于190×10^-6，明显低于普通强度自密实混凝土的收缩值，仅为普通强度自密实混凝土收缩值的20％左右。

具体实施方式

羟乙基纤维素选自Cellosize公司生产的QP-300H系列羟乙基纤维素；聚羧酸高效减水剂选自Sika公司生产的Viscocrete-540P系列减水剂；消泡剂选自AXILAT公司生产的DF6352DD系列消泡剂；无机胶凝剂通过授权公告号CN 110304858 B专利技术《一种透水混凝土胶凝剂》的方法制备得到，具体选择的是实施例1的制备方法；硅灰、矿粉、粉煤灰均购自铂润新材料科技有限公司；碳酸钙晶须购自上海峰竺复合新材料科技有限公司；钢纤维购自上海真强纤维有限公司，型号RS80/10-3000。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1～3

本发明的低收缩、超高强度自密实混凝土，其原材料由水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰、石子、砂子、钢纤维、碳酸钙晶须、无机胶凝剂、减水剂、羟乙基纤维素、消泡剂和水组成，其中，水泥为P·O 52.5型普通硅酸盐水泥。下述实施例所选原材料均符合权利要求书中的细节要求，按表1配合比实施。

表1实施例所用配合比(kg/m³)

在实施过程中，各实施例均按表1所示配合比准确称取原材料。

具体的制备方法如下：

将20％水与碳酸钙晶须和羟乙基纤维素混合，采用一体式超声波处理器(品牌：方需，型号：PZ-2000L)超声分散15min，得到材料A。将聚羧酸高效减水剂和无机胶凝剂与10％水混合，手动搅拌3min，搅拌速率50转/min，得到材料B。将全部水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰、石子、砂子在混凝土卧式搅拌机(厂家：河北鑫铭盛仪器设备有限公司，型号：HJW-60)中混合搅拌2min，搅拌速率70转/min，得到材料C。在材料C中加入余量水，继续搅拌2min，搅拌速率70转/min。之后，加入材料A和材料B，继续常温搅拌2min，搅拌速率70转/min。之后，加入全部钢纤维，继续搅拌5min，搅拌速率70转/min。最后，加入全部消泡剂，搅拌2min，搅拌速率70转/min，即得各组实施例混凝土材料。

新拌混凝土的塌落扩展度按照国家行业标准JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》进行测试；硬化混凝土28d抗压强度和抗折强度均按照国家标准GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试；硬化混凝土180d收缩率参照国家标准GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试，各实施例塌落扩展度、抗压强度、抗折强度和收缩率测试结果如表2所示。

表2各组实施例混凝土测试的基本性能

由表2可知，本发明的低收缩、超高强度自密实混凝土符合自密实混凝土对于流动性的要求；三组实施例的28d抗压强度均高于160MPa，最高可达到195.2MPa；三组实施例的28d抗折强度均高于35MPa，最高可达到39.5MPa；三组实施例180d的收缩率均小于190×10^-6，最低可达到149×10^-6，远低于普通强度自密实混凝土的收缩值。

实施例4

本实施例采用和实施例2相同的原料和配比，按以下步骤完成混凝土的制备与测试。

(1)在实施过程中按表1所示实施例2的配合比准确称取原材料；

(2)将全部水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰、石子和砂子在混凝土卧式搅拌机(厂家：河北鑫铭盛仪器设备有限公司，型号：HJW-60)中混合搅拌3min，搅拌速率70转/min；

(3)加入全部水、碳酸钙晶须、羟乙基纤维素、聚羧酸减水剂和无机胶凝剂，继续搅拌2min，搅拌速率70转/min；

(4)随后，加入全部钢纤维，继续搅拌5min，搅拌速率70转/min；

(5)最后，加入全部消泡剂，搅拌2min，搅拌速率70转/min，即得对比例3所述材料。

本实施例的测试方法与实施例1～3相同。实施例4的塌落扩展度、抗压强度、抗折强度和收缩率测试结果如表3所示。

表3实施例4混凝土测试的基本性能

由表3可知，实施例4所述材料坍落扩展度为610mm，28d抗压强度为152.2MPa，28d抗折强度为31.7MPa，180d的收缩率为241×10^-6，各项性能较前述实施例有所降低，说明制备工艺对材料性能有一定影响。但是，按照本发明的组成均能够制备得到塌落扩展度、抗压强度、抗折强度和收缩率性能较好的混凝土。

对比例1

本对比例选用水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰、石子、砂子、钢纤维、碳酸钙晶须、减水剂、羟乙基纤维素、消泡剂和水作为原材料，各原材料均满足发明内容中的要求，按表4配合比实施。

表4对比例1的配合比

在实施过程中，按表4所示配合比准确称取原材料。

具体的制备方法如下：

将20％水与碳酸钙晶须和羟乙基纤维素混合，采用一体式超声波处理器(品牌：方需，型号：PZ-2000L)超声分散15min，得到材料A。将聚羧酸高效减水剂与10％水混合，手动搅拌3min，搅拌速率50转/min，得到材料B。将全部水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰、石子、砂子在混凝土卧式搅拌机(厂家：河北鑫铭盛仪器设备有限公司，型号：HJW-60)中混合搅拌2min，搅拌速率70转/min，得到材料C。加入余量水，继续搅拌2min，搅拌速率70转/min。之后，加入材料A和材料B，继续搅拌2min，搅拌速率70转/min。之后，加入全部钢纤维，继续搅拌5min，搅拌速率70转/min。最后，加入全部消泡剂，搅拌2min，搅拌速率70转/min，即得对比例1所述材料。

各项性能测试方法与实施例1～3相同，对比例1的塌落扩展度、抗压强度、抗折强度和收缩率测试结果如表5所示。

表5对比例1混凝土测试的基本性能

由表5可知，对比例1所述材料坍落扩展度仅为415mm，远达不到自密实混凝土对于流动性的基本要求；其28d抗压强度为147.4MPa，28d抗折强度为31.8MPa，180d的收缩率为376×10^-6，各项性能均远差于前述实施例。

对比例2

本对比例选用水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰、石子、砂子、钢纤维、无机胶凝剂、减水剂、消泡剂和水作为原材料，各原材料均满足发明内容中的要求，按表6配合比实施。

表6对比例2的配合比

水泥	硅灰	矿粉	粉煤灰	石子	砂子	钢纤维	无机胶凝剂	减水剂	消泡剂	水
											400	80	160	160	800	800	234	12.5	20	0.15	115.5

在实施过程中，按表6所示配合比准确称取原材料。

具体的制备方法如下：

将聚羧酸高效减水剂和无机胶凝剂与10％水混合，手动搅拌3min，搅拌速率50转/min，得到材料A。将全部水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰、石子、砂子在混凝土卧式搅拌机(厂家：河北鑫铭盛仪器设备有限公司，型号：HJW-60)中混合搅拌2min，搅拌速率70转/min，得到材料B。加入余量水，继续搅拌2min，搅拌速率70转/min。之后，加入材料A，继续搅拌2min，搅拌速率70转/min。之后，加入全部钢纤维，继续搅拌5min，搅拌速率70转/min。最后，加入全部消泡剂，搅拌2min，搅拌速率70转/min，即得对比例2所述材料。

各项性能测试方法与实施例1～3相同，对比例2的塌落扩展度、抗压强度、抗折强度和收缩率测试结果如表7所示。

表7对比例2混凝土测试的基本性能

由表7可知，对比例2所述材料坍落扩展度为705mm，可以达到自密实混凝土对于流动性的基本要求；其28d抗压强度为155.8MPa，28d抗折强度为29.1MPa，180d的收缩率为469×10^-6，除坍落扩展度外，其他各项性能均远差于前述实施例。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种低收缩超高强度的自密实混凝土，其特征在于，包括水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰、石子、砂子、钢纤维、碳酸钙晶须、无机胶凝剂、减水剂、羟乙基纤维素、消泡剂和水，各组分的用量为：

组分用量 kg/m³

水泥 380～420

硅灰 70～90

矿粉 140～180

粉煤灰 140～180

石子 775～825

砂子 775～825

钢纤维 195～273

碳酸钙晶须 80～120

减水剂 18.5～21.5

羟乙基纤维素 0.22～0.3

无机胶凝剂 10～15

消泡剂 0.1～0.2

水 106.8～124.2；

所述无机胶凝剂为授权公告号CN110304858 B专利技术《一种透水混凝土胶凝剂》所合成胶凝剂。

2.根据权利要求1所述的低收缩超高强度的自密实混凝土，其特征在于，水泥包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥中的任一种。

3.根据权利要求1或2所述的低收缩超高强度的自密实混凝土，其特征在于，所述硅灰中二氧化硅的质量百分比不小于96%，平均粒径0.05～0.2um，比表面积不小于2200 m²/kg。

4.根据权利要求1所述的低收缩超高强度的自密实混凝土，其特征在于，所述矿粉28天活性指数不小于105%，比表面积不小于760 m²/kg。

5.根据权利要求1所述的低收缩超高强度的自密实混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为一级粉煤灰，二氧化硅的质量百分比不小于55%，比表面积不小于680 m²/kg。

6.根据权利要求1所述的低收缩超高强度的自密实混凝土，其特征在于，所述石子为最大粒径不大于15 mm的连续级配花岗岩或玄武岩碎石；所述砂子为连续级配的河沙或机制砂，最大粒径不大于3mm。

7.根据权利要求1所述的低收缩超高强度的自密实混凝土，其特征在于，所述钢纤维为表面镀铜钢纤维，长度6~12mm，直径0.12~0.2mm，抗拉强度不低于2200MPa；所述碳酸钙晶须的直径0.5～2um，长度20～30um，弹性模量410～710 GPa。

8.权利要求1~7任一所述的低收缩超高强度的自密实混凝土的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）按比例准确称取原材料；

（2）将10%~20%水与碳酸钙晶须和羟乙基纤维素混合分散，得到碳酸钙晶须分散悬浮液；

（3）将减水剂和无机胶凝剂与5%~10%水混合；

（4）将水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰、石子、砂子混合；

（5）在步骤（4）所得材料中加入余量水，搅拌、混合；

（6）将步骤（2）和步骤（3）中所得材料加入至步骤（5）所得材料中，搅拌、混合；

（7）将钢纤维加入至步骤（6）所得材料中，搅拌、混合；

（8）将消泡剂加入至步骤（7）所得材料中，混合搅拌，即可制备得到低收缩超高强度的自密实混凝土。

9.包含权利要求1~7任一所述的低收缩超高强度的自密实混凝土的建筑部件。

10.权利要求1~7任一所述的低收缩超高强度的自密实混凝土或权利要求8所述的制备方法在建筑领域的应用。