CN112777986A - 一种机制砂超高性能混凝土及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机制砂超高性能混凝土，其由水泥、矿粉、稻壳灰、机制砂、水、改性抗吸附减水剂和钢纤维组成，各组分的质量比为：水泥∶矿粉∶稻壳灰∶机制砂∶水∶改性抗吸附减水剂＝1∶0.3～0.8∶0.1～0.35∶1.1～2.5∶0.2～0.4∶0.03～0.08，钢纤维按体积掺量为1～3％。本发明改变了超高性能混凝土必须使用石英砂的局限，丰富了原材料选择范围，大大降低了超高性能混凝土的制备难度，并且降低材料成本，适合推广应用。

Description

一种机制砂超高性能混凝土及制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种以应用地材生产的机制砂为目的，新创的一种超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
超高性能混凝土具有高强、高韧、高耐久性等优异性能，可用于大跨结构、超高层建筑、隧道、军事防护特种工程等领域，是现代水泥基复合材料的重要发展方向。当前，超高性能混凝土主要通过提高基体密实度，减少内部缺陷，提高水化产物稳定性等技术手段获得高强和高耐久。具体措施包括采用极低的水胶比，提高材料的密实度；优化原材料的粒径搭配，并剔除粗骨料提高基体的匀质性；胶凝材料中掺入活性掺合料，改善内部围观结构；掺入钢纤维，进一步提高材料的强度和韧性。超高性能混凝土主要由硅酸盐水泥、石英砂、石英粉、减水剂、钢纤维等部分组成，再辅以高温蒸养，最终制备出混凝土产品。
目前，超高性能混凝土的细骨料以石英砂为主，需要选用质地优良、级配合理的石英砂，因此与传统混凝土相比，原材料成本大幅上升，而且在石英砂产区以外的地区，石英砂的供应则需要通过长距离运输，不仅运输成本增加，运输过程产生的不必要能耗也还造成能源浪费，不符合节能环保的基本国策。也有研究人员采用天然砂制备超高性能混凝土，但近年来天然砂资源枯竭，已经很难采购到品质较好的天然砂，因此天然砂也不是用于制备超高性能混凝土的理想选择。由于对原材料的苛刻要求，超高性能混凝土的推广受到限制。采用当地石矿资源制备的机制砂制备超高性能混凝土，不仅可以消除远距离运输造成的能耗浪费，最重要的是丰富了原材料的来源，避免了UHPC推广应用后造成单一材料需求过度集中，出现、材料紧缺、价格上涨以及资源过度开采导致的环境破坏。
现有技术存在以下缺点：1.细集料的选择只有石英砂，这会导致原材料需求过度集中，造成原材料紧缺、价格上涨，最终阻碍超高性能混凝土技术的推广；2.机制砂细度模数大、颗粒粗糙、含有一定量的石粉，不仅由于母岩岩性变化大而导致机制砂的性能差异较大，而且由于生产工艺的原因质量稳定性较差，如何选择合适的机制砂制备超高性能混凝土还缺少相关方法；3.常规减水剂与机制砂相容性差，用于制备混凝土工作性能或减水剂掺量大大高于天然砂混凝土，造成机制砂应用的技术经济性较差；4.当前常用的超高性能混凝土配合比中水泥和硅灰的含量较高，导致混凝土收缩大，硬化后易造成收缩开裂。
发明内容
为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种机制砂超高性能混凝土，改变了超高性能混凝土必须使用石英砂的局限，丰富了原材料选择范围，大降低了超高性能混凝土的制备难度，并且降低材料成本，适合推广应用。
一种机制砂超高性能混凝土，其特征在于，由水泥、矿粉、稻壳灰、机制砂、水、改性抗吸附减水剂和钢纤维组成，各组分的质量比为：水泥∶矿粉∶稻壳灰∶机制砂∶水∶改性抗吸附减水剂＝1∶0.3～0.8∶0.1～0.35∶1.1～2.5∶0.2～0.4∶0.03～0.08，钢纤维按体积掺量为1～3％；
其中，所述机制砂级配范围满足下表的要求：
方孔筛尺寸(mm) 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 筛底
百分率(％) 0～5 5～20 10～30 20～31 20～30 5～15 0～15
并且泥块含量≤0.5％，片状颗粒含量≤10％，单级最大压碎指标≤15％，吸水率≤2.0％，石粉含量≤10％，MB值≤1.0。
本发明采用当地可利用的石材加工生产机制砂，制备符合要求的超高性能混凝土，不仅降低了生产成本，还达到了因地制宜、充分利用资源的目的，具有很高的应用价值和广阔的发展前景。
机制砂由于母岩岩性以及生产工艺的不同，材料性能差异巨大，本发明通过研究确定了机制砂对超高性能混凝土工作性和力学性能影响较大的指标并确定了指标范围，其主要指标包括：泥块含量≤0.5％片状颗粒含量≤10％，单级最大压碎指标≤15％，吸水率≤2.0％，石粉含量≤10％，MB值≤1.0，级配范围应满足表1的要求，各性能指标按照GB/T14684-2011进行检测。
表1机制砂的级配范围
方孔筛尺寸(mm) 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 筛底
百分率(％) 0～5 5～20 10～30 20～31 20～30 5～15 0～15
进一步地，本发明所使用的改性抗吸附减水剂，不同于传统的减水剂。目前常用的高性能减水剂主要是聚羧酸减水剂，但常规的聚羧酸由羧基主链和聚氧乙烯侧链组成，空间位阻很弱，极易被机制砂含有石粉，以及山皮土等杂质吸附，导致减水剂的分散作用减弱，从而导致减水剂用量上升，这会导致减水剂和减水剂相容性差，拌合物工作性能不良的问题。本发明利用β-环糊精对聚羧酸分子进行改性，并增加侧链密度，大幅提高了聚羧酸减水剂的空间位阻，阻碍了石粉对聚羧酸分子的吸附，使加入混凝土的聚羧酸减水剂能有效发挥作用。减水剂的制备工艺如下：采用水溶液中自由基共聚的方法，将丙烯酸、HPEG和环糊精按摩尔比3.8∶5∶2加入烧瓶，将烧瓶置于水浴中，保持60℃恒温，再加入总反应物质量的0.6％的工业级H2O2，滴入还原剂FF6M和疏基丙酸，总量分别为总反应物质量的0.12％和0.38％，滴加时间3h，反应后继续保温1h，带反应物冷却后用30％的NaOH溶液将pH调至中性。
传统的超高性能混凝土中使用大量硅灰，由于硅灰的比表面积远远高于其他胶凝材料，因此加入硅灰后浆体达到同样的流动性需水量大幅增加，而且硅灰会导致收缩加剧，由此会导致混凝土收缩开裂的风险增加。本发明利用稻壳灰替代硅灰，稻壳灰不仅具有于硅灰相近的功能，而且稻壳灰是多孔颗粒，能够在拌和时预吸水，然后在混凝土硬化过程中缓慢释水，降低开裂风险。稻壳灰是由稻壳在650-800℃的温度下焚烧后，研磨制得的灰黑色粉末，二氧化硅含量≥90％，平均粒径范围不大于10μm，比表面积≥50000m2/kg。
钢纤维选用不锈钢微丝钢纤维，传统的镀铜微丝钢纤维在机械搅拌后，由于和其他颗粒的摩擦，镀铜层划伤、损坏，钢纤维后期会发生腐蚀，影响材料的性能以及外观。不锈钢钢纤维为304不锈钢制造的微细钢纤维，长度13mm，直径0.18mm，抗拉强度≥2000MPa。
其他原材料的要求：
水泥：为P.O 42.5普通硅酸盐水泥或P.Ⅱ42.5硅酸盐水泥；
矿粉：活性等级≥S95，比表面积≥400m2/kg。
进一步地，所述混凝土各组分的质量比为：水泥∶矿粉∶稻壳灰∶机制砂∶水∶改性抗吸附减水剂＝1∶0.65∶0.35∶2∶0.32∶0.08，钢纤维体积掺量2％；
所述机制砂为花岗岩机制砂，级配如下表所示：
方孔尺寸/mm 4.75 2.36 1.18 0.60 0.30 0.15 筛底
分计筛余/％ 0.2 20.5 26.9 18.7 11.4 12.8 9.5
并且细度模数为3.0，片状颗粒含量为7.2％，泥块含量为0％，单级最大压碎指标11.2％，石粉含量为6.8％，MB值为0.75。
本发明还公开了一种机制砂超高性能混凝土制备方法，采用上述配方配制，配制方法为：先将水泥、稻壳灰、矿粉、机制砂干拌2-5分钟，使原材料充分混合；加入溶有改性抗吸附减水剂的水70％，搅拌1-3分钟，再加入剩余的水和改性抗吸附减水剂，搅拌3-5分钟，最后将不锈钢微丝钢纤维均匀撒入，搅拌2-5分钟；浇筑入模成型，覆盖塑料薄膜，在标准养护条件下养护24小时，然后拆模进行蒸养养护，即得机制砂超高性能混凝土。
进一步地，所述标准养护条件为温度＝20±2℃，湿度≥95％。
进一步地，所述蒸养养护条件为，先升温至90℃，再90℃恒温养护，最后降温至室温，升温和降温速率不大于15℃/小时，蒸养时间总共为72小时。
本发明的有益效果：
1、采用机制砂改变了超高性能混凝土必须使用石英砂的局限，并规定了机制砂的技术要求，这丰富了原材料选择范围，当地母岩生产加工的普通机制砂就可用于制备超高性能混凝土，大大降低了超高性能混凝土的制备难度，对技术的推广应用非常有利。
2、机制砂如果是采用干法加工，含有一定量的石粉，而且机制砂母材的来源复杂且不可控，常常混入山皮土等杂质，这些因素导致减水剂被吸附而不能发挥作用，严重影响机制砂混凝土的工作性能。本发明采用改性抗吸附减水剂能够有效抑制机制砂的吸附作用，使超高性能混凝土具备优异的工作性能，便于施工。
3、传统超高性能混凝土在胶凝材料中掺入大量硅灰，但硅灰价格昂贵，而且会造成混凝土收缩增大。本发明中用稻壳灰替代硅灰，稻壳灰不仅能发挥硅灰具备的功能，此外由于稻壳灰是多孔粉体，能吸附额外的水分，并在后期能将水分慢慢释放，从而使水化更加充分，同时减少收缩，降低机制砂超高性能混凝土开裂的风险，而且使用稻壳灰的成本低于硅灰。
4、采用机制砂制备超高性能混凝土，丰富了骨料原材料的选择范围，避免出现石英砂单一资源利用过度集中，出现资源短缺的局面，达到了各类矿石资源综合理利用的目的，对保护生态环境和促进循环经济的发展具有良好的推动作用，符合节能环保的国策，并且降低材料成本，适合推广应用。
具体实施方式
实施例1
选用的机制砂为石灰岩机制砂，细度模数2.98，片状颗粒含量4.3％，泥块含量0％，压碎指标13.8％，石粉含量3.9％，MB值0.5，机制砂的级配如下表所示。
方孔尺寸/mm 4.75 2.36 1.18 0.60 0.30 0.15 筛底
分计筛余/％ 2.7 19.8 24 19.1 14.4 13.1 6.9
水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥或P.Ⅱ42.5硅酸盐水泥。
矿粉活性等级≥S95，比表面积≥400m2/kg。
稻壳灰是由稻壳在650-800℃的温度下焚烧后，研磨制得的灰黑色粉末，二氧化硅含量≥90％，平均粒径范围不大于10μm，比表面积≥50000m2/kg。
改性抗吸附减水剂采用水溶液中自由基共聚的方法制备获得，制备工艺如下：将丙烯酸、HPEG和环糊精按摩尔比3.8∶5∶2加入烧瓶，水浴保持60℃恒温，再加入总反应物质量0.6％的工业级H2O2，滴入还原剂FF6M和疏基丙酸，滴加总量分别为总反应物质量的0.12％和0.38％，滴加时间3h，反应后继续保温1h，待反应物冷却后用30％的NaOH溶液将pH调至中性。
钢纤维为304不锈钢制造的微细钢纤维，长度13mm，直径0.18mm，抗拉强度≥2000Mpa。
机制砂超高性能混凝土的各组份质量比：水泥：矿粉：稻壳灰：机制砂：水：改性抗吸附减水剂＝1∶0.35∶0.1∶1.35∶0.26∶0.045，钢纤维体积掺量2％。
其制备方法如下：
先将水泥、稻壳灰、矿粉、机制砂干拌2分钟，使原材料充分混合；加入溶有改性抗吸附减水剂的水70％左右，搅拌1分钟，再加入剩余的水和改性抗吸附减水剂，搅拌3分钟，此时浆体具有一定流动性，最后将搅拌过程中将不锈钢微丝钢纤维均匀撒入，搅拌2分钟；浇筑入模成型，覆盖塑料薄膜，在标准养护条件(温度＝20±2℃，湿度≥95％)下养护24小时，然后拆模进行蒸养。最终得到的机制砂超高性能混凝土的强度如下表所示。
Figure BDA0002899492380000051
Figure BDA0002899492380000061
实施例2
选用的机制砂为凝灰岩机制砂，细度模数2.86，片状颗粒含量8.1％，泥块含量0％，压碎指标10.1％，石粉含量4.7％，MB值1.0，机制砂的级配如下表所示。
方孔尺寸/mm 4.75 2.36 1.18 0.60 0.30 0.15 筛底
分计筛余/％ 0 16.3 26 19.3 16 14.5 7.9
水泥、矿粉、稻壳灰、改性抗吸附减水剂和钢纤维与实施例1相同。
机制砂超高性能混凝土的各组份包括(按重量记)：水泥∶矿粉∶稻壳灰∶机制砂∶水∶改性抗吸附减水剂＝1∶0.75∶0.25∶2∶0.36∶0.07，钢纤维体积掺量3％。
其制备方法如下：
先将水泥、稻壳灰、矿粉、机制砂干拌2分钟，使原材料充分混合；加入溶有改性抗吸附减水剂的水70％左右，搅拌1分钟，再加入剩余的水和改性抗吸附减水剂，搅拌3分钟，此时浆体具有一定流动性，最后将搅拌过程中将不锈钢微丝钢纤维均匀撒入，搅拌2分钟；浇筑入模成型，覆盖塑料薄膜，在标准养护条件(温度＝20±2℃，湿度≥95％)下养护24小时，然后拆模进行蒸养。最终得到的机制砂超高性能混凝土的强度如下表所示。
Figure BDA0002899492380000062
实施例3
选用的机制砂为花岗岩机制砂，细度模数3.0，片状颗粒含量7.2％，泥块含量0％，压碎值11.2％，石粉含量6.8％，MB值0.75，花岗岩机制砂的级配如下表所示。
方孔尺寸/mm 4.75 2.36 1.18 0.60 0.30 0.15 筛底
分计筛余/％ 0.2 20.5 26.9 18.7 11.4 12.8 9.5
水泥、矿粉、稻壳灰、改性抗吸附减水剂和钢纤维与实施例1相同。
机制砂超高性能混凝土的各组份包括(按重量记)：水泥∶矿粉∶稻壳灰∶机制砂∶水∶改性抗吸附减水剂＝1∶0.65∶0.35∶2∶0.32∶0.08，钢纤维体积掺量2％。
其制备方法如下：
先将水泥、稻壳灰、矿粉、机制砂干拌2分钟，使原材料充分混合；加入溶有改性抗吸附减水剂的水70％左右，搅拌1分钟，再加入剩余的水和改性抗吸附减水剂，搅拌3分钟，此时浆体具有一定流动性，最后将搅拌过程中将不锈钢微丝钢纤维均匀撒入，搅拌2分钟；浇筑入模成型，覆盖塑料薄膜，在标准养护条件(温度＝20±2℃，湿度≥95％)下养护24小时，然后拆模进行蒸养。最终得到的机制砂超高性能混凝土的强度如下表所示。
Figure BDA0002899492380000071
对比例1：
未使用抗吸附减水剂，减水剂用量增加，混凝土工作性能不良,导致钢纤维分布均匀性不良。
选用的机制砂为凝灰岩机制砂，细度模数2.86，片状颗粒含量8.1％，泥块含量0％，压碎指标10.1％，石粉含量4.7％，MB值1.0，机制砂的级配如下表所示。
方孔尺寸/mm 4.75 2.36 1.18 0.60 0.30 0.15 筛底
分计筛余/％ 0 16.3 26 19.3 16 14.5 7.9
机制砂超高性能混凝土的各组份包括(按重量记)：水泥∶矿粉∶稻壳灰∶机制砂∶水∶普通聚羧酸减水剂＝1∶0.75∶0.25∶2∶0.36∶0.1，钢纤维体积掺量2％。
其制备方法如下：
先将水泥、稻壳灰、矿粉、机制砂干拌2分钟，使原材料充分混合；加入溶有改性抗吸附减水剂的水70％左右，搅拌1分钟，再加入剩余的水和改性抗吸附减水剂，搅拌3分钟，此时浆体具有一定流动性，最后将搅拌过程中将不锈钢微丝钢纤维均匀撒入，搅拌2分钟；浇筑入模成型，覆盖塑料薄膜，在标准养护条件(温度＝20±2℃，湿度≥95％)下养护24小时，然后拆模进行蒸养。最终得到的机制砂超高性能混凝土的强度如下表所示。
Figure BDA0002899492380000081
对比例2：
未使用符合要求的机制砂，工作性能不良，强度下降
选用的机制砂为凝灰岩机制砂，细度模数3.2，片状颗粒含量24％，泥块含量0％，压碎指标12.1％，石粉含量8.3％，MB值1.3，机制砂的级配如下表所示。
方孔尺寸/mm 4.75 2.36 1.18 0.60 0.30 0.15 筛底
分计筛余/％ 4.4 28.2 22.9 16.7 9.4 8.3 10.1
机制砂超高性能混凝土的各组份包括(按重量记)：水泥∶矿粉∶稻壳灰∶机制砂∶水∶抗吸附聚羧酸减水剂＝1∶0.75∶0.25∶2∶0.36∶0.08，钢纤维体积掺量2％。
其制备方法如下：
先将水泥、稻壳灰、矿粉、机制砂干拌2分钟，使原材料充分混合；加入溶有改性抗吸附减水剂的水70％左右，搅拌1分钟，再加入剩余的水和改性抗吸附减水剂，搅拌3分钟，此时浆体具有一定流动性，最后将搅拌过程中将不锈钢微丝钢纤维均匀撒入，搅拌2分钟；浇筑入模成型，覆盖塑料薄膜，在标准养护条件(温度＝20±2℃，湿度≥95％)下养护24小时，然后拆模进行蒸养。最终得到的机制砂超高性能混凝土的强度如下表所示。
Figure BDA0002899492380000091
从对比试验可以看出，对比例1和2的减水剂用量增加，工作性能、抗压性能和抗折性能比实施例1-3下降较多，这将导致材料在实际施工中无法应用。本发明改变了超高性能混凝土必须使用石英砂的局限，丰富了原材料选择范围，大降低了超高性能混凝土的制备难度，并且降低材料成本，适合推广应用。

Claims (10)

1.一种机制砂超高性能混凝土，其特征在于，所述混凝土由水泥、矿粉、稻壳灰、机制砂、水、改性抗吸附减水剂和钢纤维组成，各组分的质量比为：水泥∶矿粉∶稻壳灰∶机制砂∶水∶改性抗吸附减水剂＝1∶0.3～0.8∶0.1～0.35∶1.1～2.5∶0.2～0.4∶0.03～0.08，钢纤维按体积掺量为1～3％；
其中，所述机制砂级配范围满足下表的要求：
方孔筛尺寸(mm) 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 筛底 百分率(％) 0～5 5～20 10～30 20～31 20～30 5～15 0～15
并且泥块含量≤0.5％，片状颗粒含量≤10％，单级最大压碎指标≤15％，吸水率≤2.0％，石粉含量≤10％，MB值≤1.0。
2.如权利要求1所述的混凝土，其特征在于，所述改性抗吸附减水剂为β-环糊精对聚羧酸分子改性后的减水剂。
3.如权利要求2所述的混凝土，其特征在于，所述改性抗吸附减水剂采用水溶液中自由基共聚的方法制备获得，制备工艺如下：将丙烯酸、HPEG和环糊精按摩尔比3.8∶5∶2加入烧瓶，水浴保持60℃恒温，再加入总反应物质量0.6％的工业级H2O2，滴入还原剂FF6M和疏基丙酸，滴加总量分别为总反应物质量的0.12％和0.38％，滴加时间3h，反应后继续保温1h，待反应物冷却后用30％的NaOH溶液将pH调至中性。
4.如权利要求3所述的混凝土，其特征在于，所述水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥或P.Ⅱ42.5硅酸盐水泥；所述矿粉活性等级≥S95，比表面积≥400m2/kg。
5.如权利要求4所述的混凝土，其特征在于，所述稻壳灰是由稻壳在650-800℃的温度下焚烧后，研磨制得的灰黑色粉末，二氧化硅含量≥90％，平均粒径范围不大于10μm，比表面积≥50000m2/kg。
6.如权利要求5所述的混凝土，其特征在于，所述钢纤维为304不锈钢制造的微细钢纤维，长度13mm，直径0.18mm，抗拉强度≥2000Mpa。
7.如权利要求1所述的混凝土，其特征在于，所述混凝土各组分的质量比为：水泥∶矿粉∶稻壳灰∶机制砂∶水∶改性抗吸附减水剂＝1∶0.65∶0.35∶2∶0.32∶0.08，钢纤维体积掺量2％；
所述机制砂为花岗岩机制砂，级配如下表所示：
方孔尺寸/mm 4.75 2.36 1.18 0.60 0.30 0.15 筛底 分计筛余/％ 0.2 20.5 26.9 18.7 11.4 12.8 9.5
并且细度模数为3.0，片状颗粒含量为7.2％，泥块含量为0％，单级最大压碎指标11.2％，石粉含量为6.8％，MB值为0.75。
8.一种机制砂超高性能混凝土制备方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一所述混凝土配方配制而成，配制方法为：先将水泥、稻壳灰、矿粉、机制砂干拌2-5分钟，使原材料充分混合；加入溶有改性抗吸附减水剂的水70％，搅拌1-3分钟，再加入剩余的水和改性抗吸附减水剂，搅拌3-5分钟，最后将不锈钢微丝钢纤维均匀撒入，搅拌2-5分钟；浇筑入模成型，覆盖塑料薄膜，在标准养护条件下养护24小时，然后拆模进行蒸养养护，即得机制砂超高性能混凝土。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述标准养护条件为温度＝20±2℃，湿度≥95％。
10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述蒸养养护条件为，先升温至90℃，再90℃恒温养护，最后降温至室温，升温和降温速率不大于15℃/小时，蒸养时间总共为72小时。
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