CN113061003B - 一种低温超高性能混凝土及其制备方法和应用 - Google Patents

一种低温超高性能混凝土及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于超高性能混凝土技术领域，具体涉及一种低温超高性能混凝土及其制备方法和应用。本发明提供的低温超高性能混凝土包括混凝土基体原料和水；以质量份数计，所述混凝土基体原料包括胶凝材料100份、骨料100～120份、矿物掺合料20～30份、减水剂0.4～0.6份、消泡剂0.08～0.12份、早强剂0.1～0.3份、缓凝剂0.15～0.25份、防冻剂0.1～0.5份和钢纤维13～20份；所述水和混凝土基体原料的质量比为(0.08～0.115):1。本发明采用多种制备原料复合，协同提高低温超高性能混凝土的低温性能，使其具有良好的流动度、抗压强度、耐久性和施工质量。

Description

一种低温超高性能混凝土及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于超高性能混凝土技术领域，具体涉及一种低温超高性能混凝土及其制备方法和应用。
背景技术
随着水泥基材料的研究、应用、创新和发展，超高性能混凝土(UHPC)已成为工业化生产和商业化供应的工程材料，其产品类型和应用领域正在不断扩展，UHPC结构设计方法、施工技术以及标准规范也正处于发展、建立和完善过程。现在市场上常温UHPC的胶凝材料为普通硅酸盐水泥，其性能指标为：初始扩展度710mm，0.5h扩展度690mm，1h扩展度670mm；标准养护下1d强度90MPa、3天强度100MPa，28d强度150Mpa；抗折强度30MPa；抗拉强度9MPa；但由于普通硅酸盐水泥在低温环境下几乎不水化，环境温度低于5℃时常温UHPC的1d强度5MPa、3d强度16MPa、28d强度45MPa，导致其无法在低温环境下正常使用。而且，目前市场上还未对低温环境下UHPC的应用进行研究和探讨，为了填补低温UHPC的市场空缺，急需研发一种能够既满足冬季施工要求，又具有良好的结构性能和工作性能的低温超高性能混凝土。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温超高性能混凝土，本发明提供的低温超高性能混凝土在低温环境(最低温度为-5℃)下具有较高的流动性，固化后具有较高的强度和优良的耐久性，解决了低温环境(最低温度为-5℃)下超高性能混凝土施工困难的问题。
本发明提供了一种低温超高性能混凝土，包括混凝土基体原料和水；以质量份数计，所述混凝土基体原料包括胶凝材料100份、骨料100～120份、矿物掺合料20～30份、减水剂0.4～0.6份、消泡剂0.08～0.12份、早强剂0.1～0.3份、缓凝剂0.15～0.25份、防冻剂0.1～0.5份和钢纤维13～20份；所述水和混凝土基体原料的质量比为(0.08～0.115):1。
优选的，所述胶凝材料包括普通硅酸盐水泥、高贝利特硫铝酸盐水泥和高铝水泥，所述普通硅酸盐水泥、高贝利特硫铝酸盐水泥和高铝水泥的质量比为7:2:1。
优选的，所述骨料包括石英砂。
优选的，所述减水剂包括聚羧酸减水剂，所述消泡剂包括聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚，
优选的，所述早强剂包括碳酸锂、硫酸钙和甲酸钙，所述碳酸锂、硫酸钙和甲酸钙的质量比为1:4:8，
优选的，所述缓凝剂包括葡萄糖酸钠和柠檬酸钠，所述葡萄糖酸钠和柠檬酸钠的质量比为1:1.5。
优选的，所述防冻剂包括硝酸钠和硫氰酸钠，所述硝酸钠和硫氰酸钠的质量比为10:1。
优选的，所述钢纤维抗拉强度≥2500MPa，长度为12～16mm，直径为0.18～0.22mm。
本发明还提供了上述技术方案所述低温超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将胶凝材料、骨料、矿物掺合料、减水剂、消泡剂、早强剂、缓凝剂和防冻剂混合，得到混凝土基体；
将所述混凝土基体与水混合后，得到浆料，在所述浆料中加入钢纤维，得到低温超高性能混凝土。
本发明还提供了上述技术方案所述低温超高性能混凝土或上述技术方案制备得到的低温超高性能混凝土在混凝土结构灌缝施工中的应用。
本发明提供了一种低温超高性能混凝土，包括混凝土基体原料和水；以质量份数计，所述混凝土基体原料包括胶凝材料100份、骨料100～120份、矿物掺合料20～30份、减水剂0.4～0.6份、消泡剂0.08～0.12份、早强剂0.1～0.3份、缓凝剂0.15～0.25份、防冻剂0.1～0.5份和钢纤维13～20份；所述水和混凝土基体原料的质量比为(0.08～0.115):1。在本发明中，胶凝材料作为低温超高性能混凝土的基料，有利于保证低温超高性能混凝土的强度；缓凝剂有利于延缓低温超高性能混凝土的凝固时间，进而延长施工可操作时间；多种试剂复合，协同提高低温超高性能混凝土的低温性能。实施例结果表明，本发明提供的低温超高性能混凝土适用于低温条件下的施工，且低温超高性能混凝土所得的水化样品初始扩展度为690～695mm，具有良好的流动度，进而具有良好的施工效果。在-5℃养护条件下，4h强度29.5～45MPa、12h强度58～75MPa、1天强度67.5～80MPa、3天强度83.5～95.5MPa；-5℃3天+10℃25天养护抗压强度124～130Mpa，抗折强度21～25MPa，抗拉强度7.9～8.5MPa，具有优良的抗压强度和良好的施工质量，而且本发明提供的低温超高性能混凝土的氯离子扩散系数远低于普通混凝土，保证了其具有优良的耐久性。
具体实施方式
本发明提供了一种低温超高性能混凝土，包括混凝土基体原料和水；以质量份数计，所述混凝土基体原料包括胶凝材料100份、骨料100～120份、矿物掺合料20～30份、减水剂0.4～0.6份、消泡剂0.08～0.12份、早强剂0.1～0.3份、缓凝剂0.15～0.25份、防冻剂0.1～0.5份和钢纤维13～20份；所述水和混凝土基体原料的质量比为(0.08～0.115):1。
在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明提供的低温超高性能混凝土包括水。在本发明中，所述水和混凝土基体原料的质量比优选为(0.08～0.115):1，进一步优选为(0.08～0.11):1，更优选为(0.08～0.10):1。本发明通过控制低温超高性能混凝土中水的用量来控制混凝土的强度和工作性，在此范围内既能满足超高性能混凝土低水胶比的要求，又能保证混凝土的工作性，亦可根据实际施工的工作性来调节水的用量。
本发明提供的低温超高性能混凝土包括混凝土基体原料。以质量份数计，本发明提供的低温超高性能混凝土中混凝土基体原料包括胶凝材料100份。在本发明中，所述胶凝材料优选包括普通硅酸盐水泥、高贝利特硫铝酸盐水泥和高铝水泥。在本发明中，所述普通硅酸盐水泥优选为52.5级普通硅酸盐水泥。在本发明中，所述普通硅酸盐水泥、高贝利特硫铝酸盐水泥和高铝水泥的质量比优选为7:2:1。本发明以上述三元复合胶凝材料为基料，有利于保证所述低温超高性能混凝土的强度。其中，高贝利特硫铝酸盐水泥和高铝水泥能够互相激发各自的主要矿物水化，可以提高早期低温强度，保证了所述低温超高性能混凝土的早期强度，普通硅酸盐水泥可以弥补高贝利特硫铝酸盐水泥和高铝水泥后期强度不足和强度倒缩的问题，保证了所述低温超高性能混凝土的终强。因此，本发明采用三种水泥复合使用来增强低温情况下混凝土的强度。通过实验对比证明，三种水泥复合的胶凝材料比单一水泥的胶凝材料更具优势。
以所述胶凝材料的质量份数为基准，本发明提供的低温超高性能混凝土中混凝土基体原料包括骨料100～120份，进一步优选为100～115份，更优选为100～110份。在本发明中，所述骨料优选包括石英砂；所述石英砂优选为河沙。本发明中所用河沙颗粒圆滑、洁净，作为骨料使用可以保证灌浆料的工作性，相比机制砂等其他砂子具有较好的效果。
在本发明中，所述胶凝材料与骨料的质量比(胶骨比)优选为1：(1～1.2)，进一步优选为1：(1～1.15)，更优选为1：(1～1.1)。本发明中骨料的掺量是一个范围，在此范围内都能满足低温超高性能混凝土的强度和工作性的要求，可根据具体施工时的温度和所需要的工作性来调整骨料用量。但是，冬季胶骨比不宜过小，足够多的胶凝材料对骨料进行包裹才能防止冻坏界面，从而需要减少用水量，水胶比控制在0.18以下，越低的水胶比越有利于混凝土的抗冻性能。
在本发明中，所述石英砂优选包括粗石英砂和细石英砂；所述粗石英砂的粒径优选为20～40目，进一步优选为20～30目，更优选为20～25目；所述细石英砂的粒径优选为40～70目，进一步优选为40～60目，更优选为40～50目；所述粗石英砂和细石英砂的质量比优选为1:(1.5～2)，进一步优选为1:(1.5～1.8)，更优选为1:(1.5～1.6)。本发明中粗、细石英砂混合使用提高了低温超高性能混凝土的堆积密度，从而提高了低温超高性能混凝土的强度和抗冻性。
以所述胶凝材料的质量份数为基准，本发明提供的低温超高性能混凝土中混凝土基体原料包括矿物掺合料20～30份，进一步优选为21～30份，更优选为22～28份。在本发明中，所述矿物掺合料优选为超细粉煤灰微珠；所述超细粉煤灰微的粒径优选为1～5μm，进一步优选为1～4μm，更优选为1～2μm。本发明中所述矿物掺合料可以大幅度增加所述低温超高性能混凝土的流动度，并且掺合料粒径较小，可形成良好堆积体，有效增加所述超高性能混凝土的密实程度，增加其最终的强度。而且，所述超细粉煤灰微珠可以有效的降低水胶比(水与胶凝材料的质量比)，提高所述低温超高性能混凝土的抗冻性。
以所述胶凝材料的质量份数为基准，本发明提供的低温超高性能混凝土中混凝土基体原料包括减水剂0.4～0.6份，进一步优选为0.45～0.55份，更优选为0.45～0.50份。在本发明中，所述减水剂优选包括聚羧酸减水剂，在发明实施例中，所述聚羧酸减水剂为上海英杉新材料科技公司研发的PC-100。本发明中使用的减水剂能有效保证在低水胶比下混凝土的工作性，减少拌合水的使用，间接减少了由水结成冰引起的体积增加，同时减水剂内含早强成分，能够提高低温超高性能混凝土的早期强度。
以所述胶凝材料的质量份数为基准，本发明提供的低温超高性能混凝土的制备原料包括消泡剂0.08～0.12份，进一步优选为0.09～0.12份，更优选为0.10～0.12份。在本发明中，所述消泡剂优选包括聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚。本发明所用消泡剂能使混凝土更加密实，提高抗冻性能。
以所述胶凝材料的质量份数为基准，本发明提供的低温超高性能混凝土中混凝土基体原料包括早强剂0.1～0.3份，进一步优选为0.1～0.2份，更优选为0.1～0.15份。在本发明中，所述早强剂优选包括碳酸锂、硫酸钙和甲酸钙，所述碳酸锂、硫酸钙和甲酸钙的质量比优选为1:4:8。本发明中所用早强剂可以提供早期强度，保证混凝土的临界抗冻强度。
以所述胶凝材料的质量份数为基准，本发明提供的低温超高性能混凝土中混凝土基体原料包括缓凝剂0.1～0.25份，进一步优选为0.1～0.2份，更优选为0.1～0.15份。在本发明中，所述缓凝剂优选包括葡萄糖酸钠和柠檬酸钠；所述葡萄糖酸钠和柠檬酸钠的质量比优选为1:1.5。本发明中所用三元复合胶凝材料在不加缓凝剂的情况下，塌落度保持时间较短，10～25min左右。因此，本发明中所述缓凝剂针对所用胶凝材料，有利于延缓所述低温超高性能混凝土的凝固时间，进而延长施工可操作时间。其中，葡萄糖酸钠有利于延缓普通硅酸盐水泥在不同温度下的可操作时间，使其大于1h，柠檬酸钠有利于延缓高贝利特水泥在不同温度下的可操作时间，使其大于1h。而且所述缓凝剂与早强剂混合使用，既能保证所述低温超高性能混凝土的早期强度，又能保证其可操作时间，保证灌浆的持续进行。
以所述胶凝材料的质量份数为基准，本发明提供的低温超高性能混凝土中混凝土基体原料包括防冻剂0.1～0.5份，进一步优选为0.3～0.4份，更优选为0.3～0.35份。在本发明中，所述防冻剂优选包括硝酸钠和硫氰酸钠；所述硝酸钠和硫氰酸钠的质量比优选为10:1。本发明所用防冻剂能够降低冰点，防止混凝土被冻坏。
以所述胶凝材料的质量份数为基准，本发明提供的低温超高性能混凝土中混凝土基体原料包括钢纤维13～20份，进一步优选为13～18份，更优选为14～16份。在本发明中，所述钢纤维的抗拉强度优选为≥2500MPa，进一步优选为≥3000MPa，更优选为≥3500MPa；所述钢纤维的长度优选为12～16mm，进一步优选为12～15mm，更优选为12～14mm；所述钢纤维的直径优选为0.18～0.22mm，进一步优选为0.18～0.21mm，更优选为0.18～0.20mm。本发明中钢纤维可以保证低温超高性能混凝土的抗拉强度。
本发明通过胶凝材料、骨料、矿物掺合料、减水剂、消泡剂、早强剂、缓凝剂和防冻剂多种试剂复合，协同提高所述低温超高性能混凝土的低温性能。
本发明还提供了上述技术方案所述低温超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将胶凝材料、骨料、矿物掺合料、减水剂、消泡剂、早强剂、缓凝剂和防冻剂混合，得到混凝土基体；
将所述混凝土基体与水混合后，得到浆料，在所述浆料中加入钢纤维，得到低温超高性能混凝土。
本发明将胶凝材料、骨料、矿物掺合料、减水剂、消泡剂、早强剂、缓凝剂和防冻剂混合，得到混凝土基体。在本发明中，所述混合的温度优选为-5～10℃，进一步优选为-5～5℃，更优选为优选为-5～0℃。本发明对将胶凝材料、骨料、矿物掺合料、减水剂、消泡剂、早强剂、缓凝剂和防冻剂混合的方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的方式能够将物料混合均匀即可。在本发明的实施例中，具体采用高剪切强制式搅拌机进行搅拌。本发明采用高剪切强制式搅拌机进行搅拌，能够使得物料更加均匀、速度更快，混凝土强度更加稳定。
得到混凝土基体后，本发明将所述混凝土基体与水混合，得到浆料，在所述浆料中加入钢纤维，得到低温超高性能混凝土。在本发明中，所述混凝土基体与水的混合优选在搅拌条件下进行，所述搅拌的时间优选为5～6min；在所述浆料中加入钢纤维后，本发明优选进行搅拌4～5min。本发明中所述搅拌的具体时间优选根据实际基体的状态和钢纤维与基体混合的状态进行调整。本发明对所述搅拌的方式和转速没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的搅拌方式和转速即可。
本发明还提供了上述技术方案所述低温超高性能混凝土及上述技术方案的制备方法得到的低温超高性能混凝土在混凝土结构灌缝施工中的应用。在本发明中，所述混凝土结构灌缝施工优选包括结构损伤修补工程或混凝土结构连接工程。本发明对所述混凝土结构灌缝施工的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混凝土灌缝施工方式即可。本发明提供的低温超高性能混凝土具有高流动性、超高强度和高耐久性，能够保证优良的结构性能。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明所述低温超高性能混凝土及其制备方法和应用进行详细叙述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。(本发明实施例中所用试剂均为市售)
实施例1～4
将胶凝材料、骨料、矿物掺合料、减水剂、消泡剂、早强剂、缓凝剂和防冻剂在-5℃条件下使用高剪切强制式搅拌机混合，得到混凝土基体；将混凝土基体加水搅拌6min，得到浆料，在所述浆料中加入钢纤维，继续搅拌5min，得到低温超高性能混凝土。其中，胶凝材料为52.5级普通硅酸盐水泥、高贝利特硫铝酸盐水泥和高铝水泥以质量比为7:2:1混合所得；骨料为石英砂，石英砂中粒径为20～40目的粗石英砂和粒径为40～70目的细石英砂的质量比为1:1.5；矿物掺合料为粒径为1～5μm的超细粉煤灰微珠；减水剂为聚羧酸减水剂(上海英杉新材料科技公司研发的PC-100)；消泡剂为聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚；早强剂为碳酸锂、硫酸钙和甲酸钙，其质量比为1:4:8；防冻剂为硝酸钠和硫氰酸钠，其质量比为10:1；缓凝剂为葡萄糖酸钠和柠檬酸钠，其质量比为1:1.5。
实施例1～4中所用试剂质量份数见表1。
表1 实施例1～4所用制备原料的质量份数
Figure BDA0003025819810000081
测试例1
对实施例1所得的低温超高性能混凝土进行模拟低温施工测试。
将实施例1制备的混凝土基体在-5℃的环境冷冻24h后，再将其与0℃的水混合后得到浆料，将所得浆料中倒入100mm×100mm×100mm、100mm×100mm×400mm试模以及狗骨型抗拉试模中，同时制作氯离子渗透实验用的高为50mm、直径为100mm的试件，将这些试件在-5℃的环境下养护3天转至10℃环境养护25天，依据《超高性能混凝土基本性能与实验方法》(中国建筑材料协会标准)测试低温超高性能混凝土的相关性能，测试结果如表2所示。
表2 测试例1的测试结果
Figure BDA0003025819810000082
测试例2
对实施例2所得的低温超高性能混凝土进行模拟低温施工测试，其测试方法与测试例1相同，测试结果如表3所示。
表3 测试例2的测试结果
Figure BDA0003025819810000091
测试例3
对实施例3所得的低温超高性能混凝土进行模拟低温施工测试，其测试方式与测试例1相同，测试结果如表4所示。
表4 测试例3的测试结果
Figure BDA0003025819810000092
测试例4
对实施例4所得的低温超高性能混凝土进行模拟低温施工测试，其测试方式与测试例1相同，测试结果如表5所示。
表5 测试例4的测试结果
Figure BDA0003025819810000101
由表2～5可知，本发明提供低温超高性能混凝土的混凝土基体原料中所用的早强剂和缓凝剂对低温超高性能混凝土有较大的影响，同时本发明提供的低温超高性能混凝土适用于低温条件下的施工，且低温超高性能混凝土所得的水化样品初始扩展度为690～695mm，具有良好的流动度，进而具有良好的施工效果。在-5℃养护条件下，4h强度29.5～45MPa、12h强度58～75MPa、1天强度67.5～80MPa、3天强度83.5～95.5MPa；-5℃3天+10℃25天养护抗压强度124～130Mpa，抗折强度21～25MPa，抗拉强度7.9～8.5MPa，具有优良的抗压强度和良好的施工质量。同时，实施例1～4中低温超高性能混凝土的氯离子扩散系数远低于普通混凝土(10-12m2/s)，这是低温超高性能混凝土具有高耐久性的保证。
以上所述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种低温超高性能混凝土，包括混凝土基体原料和水；以质量份数计，所述混凝土基体原料包括：胶凝材料100份、骨料100～120份、矿物掺合料20～30份、减水剂0.4～0.6份、消泡剂0.08～0.12份、早强剂0.1～0.3份、缓凝剂0.15～0.25份、防冻剂0.1～0.5份和钢纤维13～20份；所述水和混凝土基体原料的质量比为(0.08～0.115):1；
所述胶凝材料包括普通硅酸盐水泥、高贝利特硫铝酸盐水泥和高铝水泥，所述普通硅酸盐水泥、高贝利特硫铝酸盐水泥和高铝水泥的质量比为7:2:1；
所述早强剂包括碳酸锂、硫酸钙和甲酸钙，所述碳酸锂、硫酸钙和甲酸钙的质量比为1:4:8；
所述缓凝剂包括葡萄糖酸钠和柠檬酸钠，所述葡萄糖酸钠和柠檬酸钠的质量比为1:1.5。
2.根据权利要求1所述的低温超高性能混凝土，其特征在于，所述骨料包括石英砂。
3.根据权利要求1所述的低温超高性能混凝土，其特征在于，所述减水剂包括聚羧酸减水剂，所述消泡剂包括聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚。
4.根据权利要求1所述的低温超高性能混凝土，其特征在于，所述防冻剂包括硝酸钠和硫氰酸钠，所述硝酸钠和硫氰酸钠的质量比为10:1。
5.根据权利要求1所述的低温超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维抗拉强度≥2500MPa，长度为12～16mm，直径为0.18～0.22mm。
6.权利要求1～5任一项所述低温超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将胶凝材料、骨料、矿物掺合料、减水剂、消泡剂、早强剂、缓凝剂和防冻剂混合，得到混凝土基体；
将所述混凝土基体与水混合后，得到浆料，在所述浆料中加入钢纤维，得到低温超高性能混凝土。
7.权利要求1～5任一项所述低温超高性能混凝土或权利要求6所述方法制备得到的低温超高性能混凝土在混凝土结构灌缝施工中的应用。
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