CN113233845A - 一种抗高温爆裂超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

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CN113233845A CN202110653451.5A CN202110653451A CN113233845A CN 113233845 A CN113233845 A CN 113233845A CN 202110653451 A CN202110653451 A CN 202110653451A CN 113233845 A CN113233845 A CN 113233845A
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Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种抗高温爆裂超高性能混凝土及其制备方法。本发明通过调整水胶比、掺入硅灰和减水剂、限制骨料粒径使超高性能混凝土达到优化的集配和较高的密实度，从而保证了其力学性能和耐久性，并通过在超高性能混凝土基体中掺入聚丙烯纤维和钢纤维的混合纤维，不仅提高了其强度，而且协同提高了其在高温下的渗透性，使其在经历高温或火灾后无爆裂现象发生。本发明提供的抗高温爆裂超高性能混凝土硬化后具有优良的力学性能，在400℃高温下其抗压强度不低于初始强度，经历900℃高温后其残余强度仍大于40MPa，而且其在受高温或者火灾后，表面无爆裂，能够提高混凝土结构的完整性和安全性。

Description

一种抗高温爆裂超高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种抗高温爆裂超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
传统混凝土的抗压强度、抗拉强度相对较低，韧性差且耐久性差。由火灾造成的高温会造成混凝土力学性能的劣化，同时造成爆裂、剥落等现象，明显减小混凝土构件的截面积，直接将钢筋暴露于火中，从而直接导致混凝土结构的安全性能降低甚至失效，造成生命和财产的巨大损失。
20世纪80年代以来，高强、高性能混凝土的开发在一定程度上提高了混凝土的力学性能和耐久性，并越来越多地用于工程实际。但由于其渗透性低，使爆裂现象更加严重，导致混凝土表面保护层发生裂性破坏、横截面显著减小，从而降低混凝土结构的承载能力，严重缩短了耐火时间。这严重限制了其在对抗火要求高的结构中的应用。
现有方法中，一般通过掺入1～2kg/m3的聚丙烯纤维来解决混凝土的爆裂问题。然而，这种方法不但不能增加混凝土在高温下的韧性和力学性能，而且仍无法避免对抗压强度要求更高、更密实的超高性能混凝土在高温(大于300℃)或火灾下发生爆裂。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种抗高温爆裂超高性能混凝土及其制备方法，本发明提供的抗高温爆裂超高性能混凝土能避免在高温或火灾下发生爆裂。
为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
2、本发明提供了一种抗高温爆裂超高性能混凝土，以质量份数计，包括以下原料：水泥1份、细骨料1.12～1.2份、石英砂0.1～0.24份、硅灰0.1～0.24份、水0.2～0.24份、减水剂0.03～0.05份、聚丙烯纤维0.003～0.0075份和钢纤维0.10～0.19份；所述细骨料的细度为10～100目；所述石英砂的细度为100～240目。
优选的，所述水泥为强度不低于42.5级的硅酸盐水泥。
优选的，所述硅灰中SiO2含量≥95％。
优选的，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂；所述减水剂的含固率>20％。
优选的，所述聚丙烯纤维的圆截面直径为20～40μm，
优选的，所述聚丙烯纤维的长度为9～20mm。
优选的，所述钢纤维的圆截面直径为0.18～0.25mm。
优选的，所述钢纤维的长度为10～20mm。
本发明还提供了上述技术方案所述抗高温爆裂超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将水泥、细骨料、石英砂和硅灰进行第一混合，得到胶砂混合物；
将水、减水剂和所述胶砂混合物进行第二混合，得到胶砂拌合物；
将聚丙烯纤维、钢纤维和所述胶砂拌合物进行第三混合，得到混凝土混合料；
将所述混凝土混合料浇筑成型后，依次进行第一养护、拆模和第二养护后，得到抗高温爆裂超高性能混凝土。
优选的，所述第二养护在相对湿度大于90％的环境下进行；所述第二养护的温度为室温；所述第二养护的时间为28d。
本发明提供了一种抗高温爆裂超高性能混凝土，以质量份数计，包括以下原料：水泥1份、细骨料1.12～1.2份、石英砂0.1～0.24份、硅灰0.1～0.24份、水0.2～0.24份、减水剂0.03～0.05份、聚丙烯纤维0.003～0.0075份和钢纤维0.10～0.19份；所述细骨料的细度为10～100目；所述石英砂的细度为100～240目。本发明提供的抗高温爆裂超高性能混凝土中，硅灰和水泥的水化物(氢氧化钙)会形成无定形的水化硅酸钙，从而使混凝土基体更加致密；通过调整混凝土的水胶比(水与水泥和硅灰的比例)并掺入减水剂，减少硬化水泥浆基体中的毛细孔，增强了混凝土的致密性；本发明限制细骨料和石英砂粒径进一步提高混凝土基体的密实程度，限制疏松界面过渡区的产生；本发明通过调整水胶比、掺入硅灰和减水剂、限制骨料粒径确保提供超高性能混凝土基体并达到自密实的效果，从而提高超高性能混凝土的力学性能和耐久性。但是由于超高性能混凝土的密实结构使其渗透性降低，在其受到高温或火灾时，产生的蒸汽不能从其内部排出，从而发生爆裂。本发明通过在超高性能混凝土基体中掺入聚丙烯纤维和钢纤维的混合纤维，不仅提高了超高性能混凝土的强度，而且在火灾或高温下，聚丙烯纤维发生熔融而产生纤维隧道，聚丙烯纤维从80℃开始膨胀，到达200℃前将周围约束的混凝土基体(水化硅酸钙和骨料等形成的结构)胀裂，形成纤维隧道加微裂纹的连通网络，同时，钢纤维也发生膨胀，与混凝土基体(水化硅酸钙和骨料等形成的结构)之间的应变不相容性导致微裂纹产生，增强了聚丙烯纤维隧道及微裂纹的连通性，从而协同提高了超高性能混凝土的渗透性，使其在经历高温或火灾后无爆裂现象发生。
实验结果表明，本发明提供的抗高温爆裂超高性能混凝土硬化后具有优良的力学性能，在400℃高温下其抗压强度不低于初始强度，经历900℃高温后其残余强度仍大于40MPa，与普通混凝土持平，而且其在受高温或者火灾后，表面无爆裂，能够提高混凝土结构的安全性。
而且，本发明提供的抗高温爆裂超高性能混凝土能够在配筋密集的结构中进行施工，无噪音污染，可加快施工进度并节省劳动力。
附图说明
图1为实施例1的抗高温爆裂超高性能混凝土制作的圆柱形试件未加热时的状态图；
图2为实施例1的抗高温爆裂超高性能混凝土制作的圆柱形试件在ISO-834加热速率下加热2h后的状态图；
图3为对比例1的抗高温爆裂超高性能混凝土制作的圆柱形试件在ISO-834加热速率下加热2h后的状态图。
具体实施方式
本发明提供了一种抗高温爆裂超高性能混凝土，以质量份数计，包括以下原料：水泥1份、细骨料1.12～1.2份、石英砂0.1～0.24份、硅灰0.1～0.24份、水0.2～0.24份、减水剂0.03～0.05份、聚丙烯纤维0.003～0.0075份和钢纤维0.10～0.19份；所述细骨料的细度为10～100目；所述石英砂的细度为100～240目。
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。
以质量份数计，本发明提供的抗高温爆裂超高性能混凝土包括水泥1份。在本发明中，所述水泥优选为强度不低于42.5级的硅酸盐水泥，更优选为亚洲水泥CEM I 52.5N。本发明中所述水泥能够提高超高性能混凝土的强度和耐久性，水泥标号小于42.5级的超高性能混凝土的强度难以达到120MPa，从而导致其耐久性也会降低。
以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的抗高温爆裂超高性能混凝土包括细骨料1.12～1.2份，更优选为1.14～1.18份。在本发明中，所述细骨料的细度为10～100目，优选为14～100目。本发明中所述细骨料的用量和粒径增强了超高性能混凝土的强度和耐久性，在本发明所述范围内，超高性能混凝土既不会因细骨料过少，出现泌水、离析等现象，也不会因细骨料粒径过大，造成集料集配不合理，从而降低超高性能混凝土的强度、韧性、和耐久性；也不会因细骨料过多或细骨料粒径过小，导致流动性降低，难以拌和，从而降低超高性能混凝土的强度、韧性、和耐久性。
以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的抗高温爆裂超高性能混凝土包括石英砂0.1～0.24份，更优选为0.14～0.22份。在本发明中，所述石英砂的细度为100～240目，优选为110～180目。本发明限定石英砂在上述用量和细度范围，能够避免石英砂过少过粗降低强度和耐久性，同时避免石英砂过多过细降低超高性能混凝土流动性，从而降低强度和耐久性。本发明所述石英砂细度和用量通过填充了细骨料和水泥颗粒之间的粒径区间，使集配更合理，从而使超高性能混凝土基体更密实，在提高其强度和耐久性的同时保证流动性。
以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的抗高温爆裂超高性能混凝土包括硅灰0.1～0.24份，更优选为0.14～0.22份。在本发明中，所述硅灰中SiO2含量优选≥95％。本发明中，硅灰和水泥水化物(氢氧化钙)形成无定形的水化硅酸钙，相较于具有晶型结构的氢氧化钙，无定形的水化硅酸钙使混凝土基体更加致密，而且本发明所述硅灰的用量能提高超高性能混凝土的强度和耐久性，既不会因硅灰用量过多降低超高性能混凝土的流动性，使其难以拌和并降低强度和耐久性，也不会因硅灰用量过少导致不能产生火山灰反应，降低超高性能混凝土的流动性，从而降低超高性能混凝土的强度和耐久性。
以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的抗高温爆裂超高性能混凝土包括水0.2～0.24份，更优选为0.22～0.24份。在本发明所述水的用量范围内，超高性能混凝土既不会因水量过小导致流动性差，难以拌和，降低其强度和工作性，也不会因水量过多导致容易泌水，降低其强度和耐久性。
以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的抗高温爆裂超高性能混凝土包括减水剂0.03～0.05份，更优选为0.035～0.04份。在本发明中，所述减水剂优选为聚羧酸高效减水剂，更优选为BASF RHEOPLUS 410、Sika@ViscoCrete@-2044、ADVA 181N或ADVA 152N。在本发明中，减水剂的含固率优选>20％，更优选>25％。本发明所用减水剂具有良好的减水效果，可降低用水量35％以上，避免了因减水剂的减水效果不佳而产生的混凝土流动性下降，难以拌和的问题，保证了超高性能混凝土具有优异的强度和耐久性。
以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的抗高温爆裂超高性能混凝土包括聚丙烯纤维0.003～0.0075份，更优选为0.003～0.004份。在本发明中，所述聚丙烯纤维的圆截面直径优选为20～40μm，更优选为25～35μm；所述聚丙烯纤维的长度优选为9～20mm，更优选为10～15mm。本发明所述聚丙烯纤维的用量、圆截面直径和长度增强了超高性能混凝土的抗爆裂性能。在本发明所述聚丙烯纤维用量范围内，超高性能混凝土既不会因聚丙烯纤维用量过小导致其抗爆裂性能降低，也不会因聚丙烯纤维用量过大导致其流动性降低，难以拌和，从而使其强度降低；限定聚丙烯纤维的圆截面直径在上述范围内，能够避免聚丙烯纤维直径过小导致单位体积内聚丙烯纤维根数增加降低其流动性，难以拌和而降低强度，也不会因聚丙烯纤维直径过大导致单位体积聚丙烯纤维根数降低而使其抗爆裂性能降低；限定聚丙烯纤维的长度在上述范围内，能够避免聚丙烯纤维长度过小而不利于形成纤维隧道连通网络，降低其抗爆裂效果，也不会因聚丙烯纤维长度过大导致纤维团聚，流动性降低，难以拌和，从而使其强度降低。
以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的抗高温爆裂超高性能混凝土包括钢纤维0.10～0.19份，更优选为0.15～0.18份。在本发明中，所述钢纤维的圆截面直径优选为0.18～0.25mm，更优选为0.20～0.22mm；所述钢纤维的长度优选为10～20mm，更优选为12～15mm。本发明所述钢纤维的用量、圆截面直径和长度增强了超高性能混凝土的抗爆裂性能和强度。在本发明所述钢纤维用量范围内，超高性能混凝土不会因钢纤维用量过小而使其抗爆裂性、强度和韧性降低，也不会因钢纤维用量过大导致其纤维团聚，流动性降低，难以拌和，从而使其强度降低；限定所述钢纤维的圆截面直径在上述范围内，能够避免钢纤维直径过小导致单位体积钢纤维根数增加降低其流动性，难以拌和，从而使其强度降低，也不会因钢纤维直径过大导致单位体积钢纤维根数降低，而使其抗爆裂性能、强度和韧性降低；限定所述钢纤维的长度上述范围内，能够避免钢纤维长度过小导致其不利于形成连通网络，降低抗爆裂效果，也不会因钢纤维长度过大而降低其流动性、难以拌和，从而使其强度降低。
本发明还提供了上述技术方案所述抗高温爆裂超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将水泥、细骨料、石英砂和硅灰进行第一混合，得到胶砂混合物；
将水、减水剂和所述胶砂混合物进行第二混合，得到胶砂拌合物；
将聚丙烯纤维、钢纤维和所述胶砂拌合物进行第三混合，得到混凝土混合料；
将所述混凝土混合料浇筑成型后，依次进行第一养护、拆模和第二养护后，得到抗高温爆裂超高性能混凝土。
本发明将水泥、细骨料、石英砂和硅灰进行第一混合，得到胶砂混合物。在本发明中，所述第一混合的时间优选为2～3min，所述第一混合的方式优选为搅拌，所述第一混合的设备优选为搅拌机。本发明对所述第一混合过程中搅拌的转速没有特殊要求，采用本领域熟知的转速使物料混合均匀即可。
得到胶砂混合物后，本发明将水、减水剂和所述胶砂混合物进行第二混合，得到胶砂拌合物。本发明优选将减水剂溶于水中得到减水剂溶液，然后将减水剂水溶液与所述胶砂混合物进行第二混合。在本发明中，所述第二混合的时间优选为3～5min，所述第二混合的方式和设备与所述第一混合的方式和设备一致，在此不再赘述。本发明对所述第二混合过程中搅拌的转速没有特殊限定，采用本领域熟知的搅拌转速使物料呈流动状态即可。
得到胶砂拌合物后，本发明将聚丙烯纤维、钢纤维和所述胶砂拌合物进行第三混合，得到超高性能混凝土混合料。在本发明中，所述第三混合的时间优选为3～5min，所述第三混合的方式和设备与所述第一混合的方式和设备一致，在此不再赘述。本发明对所述第三混合过程中搅拌的转速没有特殊限定，采用本领域熟知的搅拌转速使纤维均匀分散即可。本发明对所述流动状态和纤维均匀分散的具体状态没有特殊的限定，按照本领域熟知的理解搅拌至相应状态即可。
得到混凝土混合料后，本发明将所述混凝土混合料浇筑成型后，依次进行第一养护、拆模和第二养护后，得到抗高温爆裂超高性能混凝土。本发明对所述浇筑成型的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。完成所述浇筑成型后，本发明优选对所述浇筑成型后混合料进行振捣1～3min，以排除其中的气泡，使混凝土密实结合，提高其强度，保证混凝土构件的质量。本发明对所述振捣的方式没有特殊要求，采用本领域熟知的方式即可。
在本发明中，所述第一养护的温度优选为室温，时间优选为24h。在本发明中，所述浇筑成型的工具优选为模具。本发明对所述模具没有特殊限定，本领域技术人员根据实际情况选用合适的模具即可。在本发明中，所述第一养护的方式优选为采用塑料薄膜覆盖。本发明对所述拆模的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的方式即可。
在本发明中，所述第二养护优选在相对湿度大于90％的环境下进行；所述第二养护的温度优选为室温；所述第二养护的时间优选为28d。
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。
实施例1～3
实施例1～3的原料用量见表1，抗高温爆裂超高性能混凝土制备方法均为：
先将减水剂(Sika@ViscoCrete@-2044，含固率为30％)溶于水中得到减水剂水溶剂，然后将水泥(亚洲水泥CEM I 52.5N)、细骨料(14～100目)、石英砂(110～180目)和硅灰(SiO2含量为97％)进行搅拌3min，加入减水剂水溶液继续搅拌4min至物料呈流动状态，再加入聚丙烯纤维(直径为30μm，长度为12mm)和钢纤维(直径为0.22mm，长度为13mm)搅拌5min至纤维均匀分散，得到混合料；
将所述混合料浇筑模具成型，并振捣3min，保鲜膜覆盖，养护24h后拆模，之后在相对湿度为95％的环境下养护28d，得到抗高温爆裂超高性能混凝土。
对比例1
制备方法同实施例1，原料及用量见表1。
表1实施例1～3及对比例1所用制备原料用量(单位：kg)
实施例 水泥 细骨料 石英砂 硅灰 减水剂 水 聚丙烯纤维 钢纤维
实施例1 817 931 180 180 29 196 2.7 150
实施例2 817 964 114 114 32 180 3 140
实施例3 817 939 147 147 30 180 2.5 120
对比例1 833 917 208 208 20 200 1.5 0
测试例1
将实施例1的抗高温爆裂超高性能混凝土制成直径为100mm、高度为200mm的圆柱形试件，在相对湿度为95％的环境下养护28d后，根据ASTM C109规范测量其抗压强度。结果表明，实施例1的抗高温爆裂超高性能混凝土制作的圆柱形试件的抗压强度为147MPa，将其加热至300℃时，其抗压强度上升至218MPa，加热至600℃时，其抗压强度下降至190MPa，加热至900℃时，其抗压强度为54MPa，其常温抗拉强度为12.5MPa，抗折强为22.3MPa，单向拉伸伸长率为1.2％。
将上述圆柱形试件放入电炉中，设定其加热速率为ISO-834火灾标准升温曲线，模拟圆柱形试件在火灾下的状态，加热2h后(温度达1049℃)，未出现爆裂现象(其发生爆裂前后的状态分别如图1和图2所示)。在高温或火灾环境中，超高性能混凝土基体中的聚丙烯纤维发生熔融而产生纤维隧道，并将超高性能混凝土基体(水化硅酸钙和骨料等形成的结构)胀裂，形成纤维隧道加微裂纹的连通网络，同时，钢纤维也发生膨胀，并与超高性能混凝土基体(水化硅酸钙和骨料等形成的结构)之间的应变不相容性导致微裂纹的产生，增强了聚丙烯纤维隧道及微裂纹的连通性，从而协同提高了超高性能混凝土的渗透性，防止其在高温或火灾中发生爆裂。
测试例2
将实施例2的抗高温爆裂超高性能混凝土制成直径为100mm，高度为200mm的圆柱形试件，在相对湿度为95％的环境下养护28d后，根据ASTM C109规范测量其抗压强度。
实验结果表明，实施例2的抗高温爆裂超高性能混凝土制作的圆柱形试件的抗压强度达132MPa，将其加热至300℃时，其抗压强度上升至205MPa，加热至600℃时，其抗压强度下降至167MPa，加热至900℃时，其抗压强度为53MPa。
将上述圆柱形试件放入电炉中，设定其加热速率为ISO-834火灾标准升温曲线，模拟圆柱形试件在火灾下的状态，加热2h后(达1049℃)，未出现爆裂现象。
测试例3
将实施例3所得的抗高温爆裂超高性能混凝土制成直径为100mm，高度为200mm的圆柱形试件，在相对湿度为95％的环境下养护28d后，根据ASTM C109规范测量其抗压强度。
实验结果表明，实施例3的抗高温爆裂超高性能混凝土制作的圆柱形试件的抗压强度达137MPa，将其加热至300℃时，其抗压强度上升至188MPa，加热至600℃时，其抗压强度下降至128MPa，加热至900℃时，其抗压强度为46MPa。
将上述圆柱形试件放入电炉中，设定其加热速率为ISO-834火灾标准升温曲线，模拟圆柱形试件在火灾下的状态，加热2h后(达1049℃)，未出现爆裂现象。
测试例4
将对比例1的混凝土制成直径为100mm，高度为200mm的圆柱形试件，在相对湿度为95％的环境下养护28d后，将其放入电炉中，设定其加热速率为ISO-834火灾标准升温曲线，模拟圆柱形试件在火灾下的状态，加热2h后(达1049℃)，发现圆柱形试件的爆裂十分严重(其发生爆裂后的情况如图3所示)。通常对比例1中的聚丙烯纤维掺量可以缓解普通混凝土高温爆裂。这是由于普通混凝土微观结构疏松、渗透性高，高温产生的蒸汽能从普通混凝土内部排出，因此在其中掺入少量的聚丙烯纤维就能解决普通混凝土在高温或火灾中发生爆裂的问题。而超高性能混凝土比普通混凝土的微观结构更致密，渗透性更低，高温产生的蒸汽不能从其内部排出，因此，仅添加聚丙烯纤维对超高性能混凝土的渗透性的改善已不能避免其在高温和火灾环境中发生爆裂。
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 (10)

1.一种抗高温爆裂超高性能混凝土，以质量份数计，包括以下原料：水泥1份、细骨料1.12～1.2份、石英砂0.1～0.24份、硅灰0.1～0.24份、水0.2～0.24份、减水剂0.03～0.05份、聚丙烯纤维0.003～0.0075份和钢纤维0.10～0.19份；所述细骨料的细度为10～100目；所述石英砂的细度为100～240目。
2.根据权利要求1所述的抗高温爆裂超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为强度不低于42.5级的硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的抗高温爆裂超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰中SiO2含量≥95％。
4.根据权利要求1所述的抗高温爆裂超高性能混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂；所述减水剂的含固率>20％。
5.根据权利要求1所述的抗高温爆裂超高性能混凝土，其特征在于，所述聚丙烯纤维的圆截面直径为20～40μm。
6.根据权利要求1所述的抗高温爆裂超高性能混凝土，其特征在于，所述聚丙烯纤维的长度为9～20mm。
7.根据权利要求1所述的抗高温爆裂超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维的圆截面直径为0.18～0.25mm。
8.根据权利要求1所述的抗高温爆裂超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维的长度为10～20mm。
9.权利要求1～8任一项所述抗高温爆裂超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将水泥、细骨料、石英砂和硅灰进行第一混合，得到胶砂混合物；
将水、减水剂和所述胶砂混合物进行第二混合，得到胶砂拌合物；
将聚丙烯纤维、钢纤维和所述胶砂拌合物进行第三混合，得到混凝土混合料；
将所述混凝土混合料浇筑成型后，依次进行第一养护、拆模和第二养护后，得到抗高温爆裂超高性能混凝土。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述第二养护在相对湿度大于90％的环境下进行；所述第二养护的温度为室温；所述第二养护的时间为28d。
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