CN113004001A - 超流态免蒸养超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超流态免蒸养超高性能混凝土及其制备方法，该混凝土包括20‑35份水泥、10‑25份矿渣、3‑5份粉煤灰、2‑8份硅灰、1‑3份氧化石墨烯分散液和40‑60份河砂，该混凝土还包括复合外加剂和钢纤维；本发明选用粒径在0.15mm‑1.18mm范围内的河砂，且用常温养护较快水化的粒化高炉矿渣来部分替换水泥及硅灰等，拓展度符合现场施工要求，施工性能良好；钢纤维直接混入干粉料中，无需现场添加，加水后直接搅拌，材料内部纤维分布均匀，无沉降或团聚，使基体达到较密实状态；添加氧化石墨烯分散液，在水泥颗粒的水化中起到晶核作用，提高水泥的水化程度，桥接微观裂缝，进一步提高基体的整体性能。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种超流态免蒸养超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
上世纪80年代早期，聚合物的添加和极低水-粘料比的采用诞生了无宏观缺陷水泥。然而，由于制造过程复杂、材料成本高等缘故，无宏观缺陷水泥的应用情况并不乐观。此后，超高性能混凝土研发中开始使用塑化剂、硅灰和钢纤维，但由于无法找到合适的混合物成分解决流动性问题，研发工作无法延伸到施工现场。随后，又开发出致密微粒，作为采用高二氧化硅含量的硅灰制造超高强度混凝土的新方法。在此之后，通过添加钢纤维，提高混凝土的弯拉强度和抗拉强度，相继开发出砂浆渗浇钢纤维混凝土和密筋混凝土。
对于国际上近年来出现的超高性能混凝土，清华大学最早开始研究，随后湖南大学、北京交通大学、东南大学、中南大学等单位也对超高性能混凝土的配合比、成型工艺进行了系统研究。重庆大学蒲心诚教授曾用碱矿渣商品混凝土技术制成了28d抗压强度为100MPa、110MPa、120MPa的超高性能混凝土，一年后强度增至132MPa；而湖南大学通过掺硅灰、高效减水剂和钢纤维并加热养护的技术途径配制了抗压强度高达298.6MPa的超高强钢纤维商品混凝土，这是目前我国超高强商品混凝土研究的最高强度记录。但复杂的养护制度给项目施工使用造成了巨大阻碍，即便超高性能混凝土具备极高的强度，但施工困难是关键。现今，采用标准养护制度的具有较佳工作性的超高性能混凝土是施工现场最为紧缺的材料和相关研究的重点方向。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明通过调整砂子级配，添加高活性的S105级矿粉和粉煤灰微珠来降低硅灰用量的方式，在保证强度的基础上，首要目的是提供了一种绿色、具有超流态便于施工操作、无需蒸养、钢纤维分布均匀无沉降团聚的超高性能混凝土。
本发明的另一个目的是提供上述超流态免蒸养超高性能混凝土的制备方法。
为达到上述首要目的，本发明的解决方案是：
一种超流态免蒸养超高性能混凝土，其包括如下重量份组分：
超流态免蒸养超高性能混凝土还包括复合外加剂和钢纤维，复合外加剂的掺量为水泥、矿渣、粉煤灰和硅灰总和的0.35-0.6wt％，钢纤维的掺量为混凝土体积的1-3％。
作为本发明的优选实施例，水泥为强度等级52.5级或以上的普通硅酸盐水泥，平均粒径为10μm。
作为本发明的优选实施例，矿渣为S105级以上的粒化高炉矿渣，比表面积为580m2/kg。
作为本发明的优选实施例，粉煤灰为氧化钙含量7-9wt％的低钙粉煤灰或粒径为3-5μm的粉煤灰微珠。
作为本发明的优选实施例，硅灰的平均粒径为0.1μm。
作为本发明的优选实施例，氧化石墨烯分散液的制备过程为：采用分散剂聚乙二醇2000(PEG2000)和氧化石墨烯在15000-23000rpm下高速搅拌机搅拌及超声波分散得到，其中，氧化石墨烯的固含量为1.15％。氧化石墨烯为纳米层状结构，平面内直径为0.5-3μm，厚度为1.1-1.3nm，表面活性官能团主要为羧基和羟基两种。
作为本发明的优选实施例，河砂的粒径为0.15-1.18mm，其中，粒径为0.15-0.3mm的河砂占总河砂量的2-5％，粒径为0.3-0.6mm的河砂占总河砂量的40-70％，粒径为0.6-1.18mm的河砂占总河砂量的30-50％。
作为本发明的优选实施例，复合外加剂选自减水剂、消泡剂、膨胀剂和纤维素醚中的一种以上。
作为本发明的优选实施例，减水剂为减水率30％的聚羧酸系高性能减水剂，用以满足超高性能混凝土(UHPC)的流动性能和操作时间，操作时间指加水拌合至UHPC失去可塑性的这段时间。
作为本发明的优选实施例，消泡剂为聚醚型消泡剂，适用于高流动性的砂浆混凝土材料。
作为本发明的优选实施例，膨胀剂为UEA型膨胀剂。
作为本发明的优选实施例，纤维素醚为粘度400的羟丙基甲基纤维素醚，用以增强UHPC的粘结和保水性能。
作为本发明的优选实施例，钢纤维为镀铜钢纤维，长度为10-20mm，直径为0.18-0.25mm，抗拉强度为2500MPa以上。
为达到上述另一个目的，本发明的解决方案是：
一种如上述的超流态免蒸养超高性能混凝土的制备方法，其包括如下步骤：
(1)、将水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣、钢纤维、河砂和复合外加剂在搅拌机中搅拌混合，再加入水，继续搅拌3±0.1min，得到水泥浆体，
(2)、待搅拌机内无干粉颗粒剩余后，加入氧化石墨烯分散液，继续搅拌3-5min，经标准养护即可得到超流态免蒸养超高性能混凝土。
本发明的养护制度为标准养护，无需蒸汽养护等。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
第一、本发明的混凝土绿色环保，减少资源消耗，一是免蒸养，超高性能混凝土大多采用蒸汽等高耗能养护制度，而本发明通过采用合理的砂子级配，添加高活性的S105级矿粉等技术特征，在普通混凝土的标准养护基础上即可达到较高强度，从而节省大量能源；二是绿色，现有技术中主要可体现为大矿物掺合料混凝土，本发明的矿物掺合料(即矿渣、粉煤灰和硅灰)占胶凝材料比例大于40％，减少水泥的使用量，既减少工业尾料，又间接减少水泥生产中产生的二氧化碳，符合绿色超高性能混凝土的要求。
第二、施工性能良好。大多数超高性能混凝土需要高温高压的复杂养护，这意味着该混凝土中会大量掺有具备高温水化能力的材料，如硅灰、石英砂等。硅灰粒径在0.1μm左右，表面积过大，当其掺量过大时对混凝土流动性有极大的负面影响；石英砂相比于河砂而言，表面棱角较多，虽有利于提高骨料和水泥浆体的粘合程度，但对流动性同样有负面影响。本发明选用粒径在1.18mm以下的河砂，且用常温养护较快水化的粒化高炉矿渣来部分替换水泥及硅灰等，初始拓展度及30min拓展度均符合现场施工要求。施工性能良好，1h后拓展度≥750mm，可满足施工现场要求。
第三、钢纤维分布均匀，无沉降或团聚。本发明根据法国路桥试验中心(LCPC)提出的“最小需水量法”，对选用原材料进行最密堆积，使浆体能承受钢纤维的最大掺量提高，能达到较高强度。钢纤维直接混入干粉料中，无需现场添加，加水后直接搅拌即可，材料内部纤维分布均匀，无沉降或团聚。根据最紧密堆积理论，采用多种粒径的骨料和胶凝材料复掺，使基体达到较密实状态。
第四、高延性、抗开裂。钢纤维以及氧化石墨烯的引入延缓了材料受拉时裂纹发展的速度，使脆性的混凝土材料转变为具有高延性的复合水泥基材料，也使抗拉强度得到大幅提高，而混凝土开裂正是材料局部拉应力超过其抗拉强度而产生的破坏。另外，添加氧化石墨烯，在水泥颗粒的水化中起到晶核作用，从而提高水泥的水化程度，桥接微观裂缝，进一步提高基体的整体性能。
具体实施方式
本发明提供了一种超流态免蒸养超高性能混凝土及其制备方法。基于最紧密堆积原理，通过调整砂子级配以及不同粒径胶凝材料间的添加比例，使基体达到较为密实的状态，并通过氧化石墨烯进一步减少混凝土内部的微观缺陷，使本发明的混凝土在常温养护条件下便可实现高流动性和优异的力学性能。
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
本实施例的超流态免蒸养超高性能混凝土包括以下重量份组分：
该超高性能混凝土还包括复合外加剂和钢纤维。
复合外加剂的掺量为水泥、矿渣、粉煤灰和硅灰总和的0.5wt％，复合外加剂为减水率30％的减水剂、消泡剂、膨胀剂和400粘度的纤维素醚的混合物。钢纤维的的掺量为混凝土体积的(即体积掺量)3％，钢纤维为镀铜钢纤维，长度为15mm，直径为0.21mm，抗拉强度为2500MPa。河砂的粒径在0.15-1.18mm之间，其中，粒径为0.15-0.3mm的河砂占总河砂量的5％，粒径为0.3-0.6mm的河砂占总河砂量的45％，粒径为0.6-1.18mm的河砂占总河砂量的50％。其中，水泥为52.5级普通硅酸盐水泥，矿渣为S105粒化高炉矿渣，粉煤灰为粒径3μm的粉煤灰微珠。
本实施例的超流态免蒸养超高性能混凝土的制备方法包括如下步骤：
(1)、将水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣、钢纤维、河砂和复合外加剂在搅拌机中搅拌3min混匀，再加入水，继续搅拌3min，形成均匀的超流态水泥浆体；
(2)、待搅拌机内无干粉颗粒剩余后，缓缓加入氧化石墨烯分散液，继续搅拌3min，经标准养护得到超流态免蒸养超高性能混凝土。
由第三方检测机构对上述混凝土进行各项物理、力学性能检测，检测结果见表1。
表1本实施例的混凝土的物理、力学性能检测结果
从表1可以看出，超高性能混凝土浆体的拓展度一直维持在650mm以上，初始拓展度更达到775mm，符合超流态的要求；28d抗压等力学强度均达到了《超高性能混凝土技术标准：基本实验性能与方法》中承重结构UC150级的要求，做到了无需蒸汽养护等复杂养护工艺制备高强度混凝土的要求。
对比例1：
本对比例的超流态免蒸养混凝土(高氧化石墨烯掺量)包括以下重量份组分：
该超流态免蒸养混凝土还包括复合外加剂和钢纤维。
复合外加剂的掺量为水泥、矿渣、粉煤灰和硅灰总和的0.55wt％，复合外加剂为减水率30％的减水剂、消泡剂、膨胀剂和400粘度纤维素醚的混合物。钢纤维的的掺量为混凝土体积的(即体积掺量)3％，钢纤维为镀铜钢纤维，长度为15mm，直径为0.21mm，抗拉强度为2500MPa。河砂的粒径在0.15mm-1.18mm之间，其中，粒径为0.15-0.3mm的河砂占总河砂量的5％，粒径为0.3-0.6mm的河砂占总河砂量的45％，粒径为0.6-1.18mm的河砂占总河砂量的50％。其中，水泥为52.5级普通硅酸盐水泥，矿渣为S105粒化高炉矿渣，粉煤灰为粒径3μm的粉煤灰微珠。
本对比例的超流态免蒸养混凝土的制备方法包括如下步骤：
(1)、将水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣、钢纤维、河砂和复合外加剂在搅拌机中搅拌3min混匀，再加入水，继续搅拌3min，形成均匀的超流态水泥浆体，
(2)、待搅拌机内无干粉颗粒剩余后，缓缓加入氧化石墨烯分散液，继续搅拌3min，经标准养护得到超流态免蒸养混凝土。
由第三方检测机构对上述混凝土进行各项物理、力学性能检测，检测结果见表2。
表2本对比例的混凝土的物理、力学性能检测结果
在实施例1的基础上，本对比例增加氧化石墨烯掺量(即较高氧化石墨烯掺量)，超高性能混凝土的初始拓展度下降到540mm；但28d抗压等力学强度有一定增加，同时混凝土收缩也有所降低。通过与实施例1的强度和流动性等性能对比，表明氧化石墨烯的添加有利于进一步提升混凝土的力学性能，但会对流动性影响较大，故掺量不易过高。
对比例2：
本对比例的超流态免蒸养混凝土(无氧化石墨烯掺量)包括以下重量份组分：
该超流态免蒸养混凝土还包括复合外加剂和钢纤维。
复合外加剂的掺量为水泥、矿渣、粉煤灰和硅灰总和的0.35wt％，复合外加剂为减水率30％的减水剂、消泡剂、膨胀剂和400粘度纤维素醚的混合物。钢纤维的的掺量为混凝土体积的(即体积掺量)3％，钢纤维为镀铜钢纤维，长度为15mm，直径为0.21mm，抗拉强度为2500MPa。河砂的粒径在0.15mm-1.18mm之间，其中，粒径为0.15-0.3mm的河砂占总河砂量的5％，粒径为0.3-0.6mm的河砂占总河砂量的45％，粒径为0.6-1.18mm的河砂占总河砂量的50％。其中，水泥为52.5级普通硅酸盐水泥，矿渣为S105粒化高炉矿渣，粉煤灰为粒径5μm的粉煤灰微珠。
本对比例的超流态免蒸养混凝土的制备方法包括如下步骤：
(1)、将水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣、钢纤维、河砂和复合外加剂在搅拌机中搅拌3min混匀，再加入水，继续搅拌3min，形成均匀的超流态水泥浆体，
(2)、待搅拌机内无干粉颗粒剩余后，继续搅拌3min，经标准养护得到超流态免蒸养混凝土。
由第三方检测机构对上述混凝土进行各项物理、力学性能检测，检测结果见表3。
表3本对比例的混凝土的物理、力学性能检测结果
在实施例1的基础上，本对比例将氧化石墨烯去除(即无氧化石墨烯掺量)，超高性能混凝土的初始拓展度增加到820mm；28d抗压等力学性能均有不同程度的下降，28d抗压强度降至154.2MPa，勉强达到《超高性能混凝土技术标准：基本实验性能与方法》中承重结构UC150级的要求；而28d抗折和28d弯曲韧性等性能下降更为严重，降幅均在10％以上。结果表明氧化石墨烯的添加对于UHPC有着较大幅度的性能提升，尤其是在韧性方面。
对比例3：
本对比例的超流态免蒸养混凝土包括以下重量份组分：
该超流态免蒸养混凝土还包括复合外加剂和钢纤维。
复合外加剂的掺量为水泥、矿渣、粉煤灰和硅灰总和的0.5wt％，复合外加剂为减水率30％的减水剂、消泡剂、膨胀剂和400粘度的纤维素醚的混合物。钢纤维的的掺量为混凝土体积的(即体积掺量)3％，钢纤维为镀铜钢纤维，长度为15mm，直径为0.21mm，抗拉强度为2500MPa。河砂的粒径在0.15-1.18mm之间，其中，粒径为0.15-0.3mm的河砂占总河砂量的10％，粒径为0.3-0.6mm的河砂占总河砂量的40％，粒径为0.6-1.18mm的河砂占总河砂量的50％。其中，水泥为52.5级普通硅酸盐水泥，矿渣为S105粒化高炉矿渣，粉煤灰为粒径3μm的粉煤灰微珠。
本对比例的超流态免蒸养混凝土的制备方法包括如下步骤：
(1)、将水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣、钢纤维、河砂和复合外加剂在搅拌机中搅拌3min混匀，再加入水，继续搅拌3min，形成均匀的超流态水泥浆体；
(2)、待搅拌机内无干粉颗粒剩余后，缓缓加入氧化石墨烯分散液，继续搅拌3min，经标准养护得到超流态免蒸养混凝土。
由第三方检测机构对上述混凝土进行各项物理、力学性能检测，检测结果见表4。
表4本对比例的混凝土的物理、力学性能检测结果
在实施例1的基础上，本对比例将砂子级配进行调整，超高性能混凝土的拓展度和28d抗压等力学性能均有不同程度的下降，28d抗压强度降至158.7MPa。故结果表明实施例1中的砂子级配较为合理，材料施工和力学性能表现更为优异。
综上可知，本发明利用最紧密堆积理论调整粒径分布，通过添加氧化石墨烯来增加水泥水化减少微观裂缝，从而提升材料的力学性能，并通过高活性的S105粒化高炉矿渣和粉煤灰微珠来替代部分硅灰，以增强材料的施工性能。本发明在常规的施工工艺和养护条件下便可达到《超高性能混凝土技术标准：基本实验性能与方法》中承重结构UC150级的要求。施工方便，经济可行，具有极大的工程应用前景。则本发明制备的混凝土具有绿色环保、施工性能良好、钢纤维分布均匀，无沉降或团聚、高延性、抗开裂的性能，上述性能均有利于生产企业制造和项目现场施工应用。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超流态免蒸养超高性能混凝土，其特征在于：其包括如下重量份组分：
所述超流态免蒸养超高性能混凝土还包括复合外加剂和钢纤维；
所述复合外加剂的掺量为水泥、矿渣、粉煤灰和硅灰总和的0.35-0.6wt％，所述钢纤维的掺量为该混凝土体积的1-3％。
2.根据权利要求1所述的超流态免蒸养超高性能混凝土，其特征在于：所述水泥为52.5R以上的普通硅酸盐水泥，平均粒径为10μm。
3.根据权利要求1所述的超流态免蒸养超高性能混凝土，其特征在于：所述矿渣为S105级以上的粒化高炉矿渣，比表面积为580m2/kg。
4.根据权利要求1所述的超流态免蒸养超高性能混凝土，其特征在于：所述粉煤灰为氧化钙含量7-9wt％的低钙粉煤灰或粒径为3-5μm的粉煤灰微珠。
5.根据权利要求1所述的超流态免蒸养超高性能混凝土，其特征在于：所述硅灰的平均粒径为0.1μm；和/或，
所述氧化石墨烯分散液的制备过程为：采用分散剂聚乙二醇2000和氧化石墨烯在15000-23000rpm下搅拌及超声分散得到，其中，氧化石墨烯的固含量为1.15％；
所述氧化石墨烯为纳米层状结构，平面内直径为0.5-3μm，厚度为1.1-1.3nm。
6.根据权利要求1所述的超流态免蒸养超高性能混凝土，其特征在于：所述河砂的粒径为0.15-1.18mm，其中，粒径为0.15-0.3mm的河砂占总河砂量的2-5％，粒径为0.3-0.6mm的河砂占总河砂量的40-70％，粒径为0.6-1.18mm的河砂占总河砂量的30-50％。
7.根据权利要求1所述的超流态免蒸养超高性能混凝土，其特征在于：所述复合外加剂选自减水剂、消泡剂、膨胀剂和纤维素醚中的一种以上。
8.根据权利要求7所述的超流态免蒸养超高性能混凝土，其特征在于：所述减水剂为减水率30％的聚羧酸系高性能减水剂；和/或，
所述消泡剂为聚醚型消泡剂；和/或，
所述膨胀剂为UEA型膨胀剂；和/或，
所述纤维素醚为粘度400的羟丙基甲基纤维素醚。
9.根据权利要求1所述的超流态免蒸养超高性能混凝土，其特征在于：所述钢纤维为镀铜钢纤维，长度为10-20mm，直径为0.18-0.25mm，抗拉强度为2500MPa以上。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的超流态免蒸养超高性能混凝土的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：
(1)、将水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣、钢纤维、河砂和复合外加剂在搅拌机中搅拌混合，再加入水，继续搅拌3±0.1min，得到水泥浆体；
(2)、待搅拌机内无干粉颗粒剩余后，加入氧化石墨烯分散液，继续搅拌3-5min，经标准养护得到超流态免蒸养超高性能混凝土。
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