CN113248214A - 抗压强度180Mpa以上的机制砂超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

抗压强度180Mpa以上的机制砂超高性能混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种抗压强度180Mpa以上的机制砂超高性能混凝土及其制备方法。该机制砂超高性能混凝土由水泥、硅灰、机制砂、磨细石灰石粉、钢纤维、减水剂和水组成，按重量份计，水泥513～598份；硅灰154～180份；机制砂1093份；磨细石灰石粉334～445份；钢纤维160份；减水剂18～20份；水175～180份；所述水泥、所述硅灰和所述磨细石灰石粉总计1112份；所述磨细石灰石粉中粒径大于45μm的颗粒含量为0％，D50为10～15μm；所述机制砂中粒径大于2.36mm的颗粒含量为0％，粒径为1.18～2.36mm的颗粒重量占比为12～18％。在满足流动性要求的情况下，28天抗压强度达到180Mpa以上。

Description

抗压强度180Mpa以上的机制砂超高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种抗压强度180Mpa以上的机制砂超高性能混凝土及其制备方法和应用。
背景技术
超高性能混凝土(UHPC)是一种同时具备“超高强”、“高韧性”、“高耐久性”、“质量轻”等优点的新型材料。因此，UHPC特别适合用于大跨径桥梁、抗爆结构、薄壁结构，以及用于高腐蚀环境。目前，UHPC已经实现一定规模的应用，但是其成本较高，影响了大规模推广。UHPC主要以水泥、硅灰、石英粉、优质石英砂、钢纤维等为原材料，原材料价格较高，并且石英砂和石英粉为地区性材料，其跨地区运输成本高。因此，根据就地取材的原则，采用当地的普通矿石按照UHPC的使用需求生产机制砂和石粉，再采用当地的水泥，减少外购原材料比例，可降低UHPC成本，促进UHPC推广。
采用机制砂制备超高性能混凝土时，需要解决机制砂带来的不利影响和UHPC自身的不足两方面的问题。在机制砂方面，石英砂母岩为石英矿，硬度大，坚固性更好，而机制砂主要采用石灰岩加工，使得机制砂的坚固性较差，且内部更容易形成裂隙，降低了UHPC的强度。机制砂相比石英砂颗粒棱角更多，表面更粗糙，对UHPC流动性有较大影响。在UHPC方面，由于UHPC中水泥含量极大(往往达到1100-1300kg/m3)，同时水胶比极低(0.14-0.19)，UHPC浆体黏度相当大，对施工十分不利。而且水泥的水化程度仅为30％～40％，硅灰的反应程度也仅在30％左右，这意味着UHPC中还有大量未反应的水泥与硅灰，这些价格昂贵的材料仅仅作为填充料使用，既不经济，同时对强度的贡献率也不高。
综上，目前采用机制砂制备超高性能混凝土时，存在抗压强度和流动性不佳的问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的采用机制砂制备超高性能混凝土时，存在抗压强度和流动性不佳的问题，提供一种流动性良好，抗压强度180Mpa以上的机制砂超高性能混凝土。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种机制砂超高性能混凝土，由水泥、硅灰、机制砂、磨细石灰石粉、钢纤维、减水剂和水组成，按重量份计，
水泥513～598份；
硅灰154～180份；
机制砂1093份；
磨细石灰石粉334～445份；
钢纤维160份；
减水剂18～20份；
水175～180份；
所述水泥、所述硅灰和所述磨细石灰石粉总计1112份；
所述磨细石灰石粉中粒径大于45μm的颗粒含量为0％，D50为10～15μm；
所述机制砂中粒径大于2.36mm的颗粒含量为0％，粒径为1.18～2.36mm的颗粒重量占比为12～18％。
石灰石粉由于具有较低的表面能，分散性良好，将石灰石粉加入UHPC可有效降低其黏性，改善传统高水泥用量的UHPC的工作性能。石灰石粉能够减少机制砂颗粒之间的摩擦，改善混凝土拌合物的和易性。然而在发明人采用普通石灰石粉对机制砂超高性能混凝土进行优化时，发现随着石灰石粉掺量上升，虽然流动性有所改善，但是当石灰石粉掺量超过10％以后，抗压强度出现明显降低。当普通石灰石粉在胶凝材料中的掺量在10％时，抗压强度为179.3MPa，然后随着掺量从10％增加到40％，抗压强度降低至167.5MPa。
研究发现，这主要是因为石粉在UHPC中主要起填充作用，而现行规范对石粉的规定是“0.075mm以下的颗粒”，其颗粒大小介于水泥与机制砂之间。机制砂中本身已含有7％的石粉颗粒，已能提供较好的填充效应，但是添加的石灰石粉细度不够，不能有效填充更小的空隙，因此在掺量超过一个较小定值(10％)时混凝土强度即开始降低。进一步的研究发现，当使用的石灰石粉中粒径大于45μm的颗粒含量为0％时，即使用磨细石灰石粉时，磨细石灰石粉取代胶凝材料的比例在40％以内时，对UHPC性能有积极影响，抗压强度随着掺量的能够达到189.2MPa，磨细石灰石粉的比例超过40％时，抗压强度最低仅为139.2MPa。其中有两方面原因，首先，石灰石粉经过磨细，达到与水泥颗粒细度相当甚至更细后，可填充UHPC内部直径更小的微空隙，其替代量可以进一步增加；其次，UHPC中的水泥和硅灰用量较大，大部分未参与反应，仅作为填充料使用，而采用细度相当的石灰石粉粉取代该部分胶凝材料，不会使强度降低。当石灰石粉替代率超过该部分胶凝材料，替代了部分参与反应的胶凝材料后，随着掺量增加，强度即开始迅速降低。
进一步的，所述磨细石灰石粉D50＝12.8μm，D100＝45μm，比表面积1083.5m2/kg。采用上述规格的磨细石灰石粉，抗压强度达到185以上MPa，最高抗压强度达到189.3MPa。
进一步的，所述机制砂采用石灰岩制成，所述石灰岩的抗压强度在135MPa以上。
进一步的，所述机制砂中，
粒径大于2.36mm的颗粒含量为0％；
粒径为1.18～2.36mm的颗粒重量占比为15％；
粒径为0.075mm～1.18mm颗粒重量占比为78％，
粒径为0.15～0.6mm颗粒重量占比为35％；
粒径小于0.075mm的颗粒重量占比为7％。
进一步的，所述水泥和所述硅灰的重量份比例为10:3。
进一步的，所述水泥为硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥，强度等级52.5以上。
进一步的，所述硅灰中SiO2的含量85％以上。硅灰可以是冶金生产或者硅生产中的副产品，通常以球体颗粒的形式存在。
进一步的，所述钢纤维为直径0.18～0.22mm且长度12～14mm的平直镀铜型钢纤维。
进一步的，所述钢纤维为直径0.20mm且长度13mm的平直镀铜型钢纤维。抗拉强度2000Mpa以上。
进一步的，所述减水剂为减水率30％以上的聚羧酸减水剂；所述减水剂的含固量35％以上。
一种如上所述的机制砂高性能混凝土的制备方法，具体步骤为，按照配合比准备原料；采用立轴行星式搅拌机，将机制砂、水泥、硅灰、磨细石灰石粉依次加入到搅拌机中，干拌120秒以上；然后将水和减水剂的混合液加入到搅拌机中，拌和180秒以上，直至拌合物成砂浆状态；然后向搅拌机中均匀撒入钢纤维，钢纤维投入完毕后，再搅拌60秒以上，得到所述机制砂超高性能混凝土。
采用立轴行星式搅拌机，优选配钢纤维分散投料装置。其技术优势在于搅拌臂在主机运转时进行自转，同时沿着主轴公转，做到360℃无死角搅拌，保证拌合物均匀。相比于传统的双卧轴强制式搅拌机搅拌轨迹单一，转速慢，不容易打散结团的粉体，常有结团现象，立轴行星式搅拌机多层级的搅拌方式，更适合高胶凝材料，低水胶比的UHPC搅拌，可有效克服拌合物粘度过大而搅拌不均匀的情况。
一种混合物，由如上所述的磨细石灰石粉和如上所述的机制砂组成。
进一步的，所述磨细石灰石粉由制作所述机制砂的尾料制作而成。所述磨细石灰石粉是机制砂尾料经过球磨得到。
一种用于建筑领域的制品，包括如上所述的机制砂超高性能混凝土或者如上所述的混合物。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的机制砂超高性能混凝土，通过对UHPC配方的筛选，并使用不含45μm以上颗粒的磨细石灰石粉，能够大幅度提高磨细石灰石粉在胶凝材料中的比例，且对UHPC性能有积极影响。配合使用不含粒径大于2.36mm的颗粒，且粒径为1.18～2.36mm的颗粒重量占比为12％～18％的机制砂；磨细石灰石粉减少机制砂颗粒之间的摩擦，改善混凝土拌合物的和易性。经检测，28天抗压强度达到180Mpa以上。
2、本发明的机制砂超高性能混凝土，通过对机制砂和磨细石灰石粉粒径分布的优选，在用于超高性能混凝土时，能够就地取材，综合利用机制砂和及其尾料，不使用石英砂，采用当地水泥，减少了外购原材料比例，大大降低了生产成本，利于UHPC推广应用。
附图说明
图1是本发明实施例1-3中的磨细石灰石粉的粒度分布图。
图2是本发明对比例1中的普通石灰石粉的粒度分布图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
采用的原材料如下，
水泥为P.O 52.5水泥(生产厂家，滇西红塔水泥)；硅灰为SiO2含量大于85％的硅灰(生产厂家，重庆劲锋商贸)；钢纤维为直径0.2mm，长度为13mm的平直镀铜钢纤维(生产厂家，上海真强牌)；减水剂为减水率32％的降黏型聚羧酸减水剂(生产厂家，苏博特)；水采用自来水。
石灰石粉粒度分布采用丹东市百特仪器有限公司的型号Bettersize3000Plus激光/图像粒度粒形分析仪进行测试。立方件28天抗压强度测试方法按照《活性粉末混凝土》(GB/T 31387-2015)的测试方法实施。
实施例1
一种机制砂超高性能混凝土，按重量份计，包括513份水泥，154份硅灰，445份磨细石灰石粉，1093份机制砂，160份钢纤维；177份水；19份减水剂。水胶比为0.17，水灰比为0.37。
机制砂的制备
采用抗压强度为135MPa的石灰岩母岩作为原料，采用干法制砂，生产工艺基于“石打石”原理；采用立轴冲击式破碎制砂设备和可调式空气负压筛分设备制得机制砂，机制砂规格为：粒径大于2.36mm的颗粒含量为0％；粒径为1.18～2.36mm的颗粒重量占比为15％；粒径为0.075mm～1.18mm颗粒重量占比78％，粒径为0.15～0.6mm颗粒重量占比35％；粒径小于0.075mm的颗粒重量占比7％。
磨细石灰石粉的制备
将上述机制砂的尾料进行球磨制得磨细石灰石粉。采用激光粒度仪对磨细石灰石粉的粒度分布进行检测。磨细石灰石粉的规格为D10＝7.5μm，D50＝12.8μm，D100＝45μm，比表面积1083.5m2/kg。粒度分布图如图1所示。
上述机制砂超高性能混凝土制备方法如下，
采用立轴行星式搅拌机搅拌，配钢纤维分散投料装置。按配合比准备原料，并按照以下顺序将材料投入搅拌机：机制砂、水泥、硅灰、磨细石灰石粉，干拌120秒，随即将水与减水剂的混合液投入搅拌机，拌合180秒以上，直至拌合物成砂浆状态，然后缓慢均匀地撒入钢纤维，钢纤维投入完毕后再搅拌60秒，即可完成搅拌，得到混凝土。混凝土拌合料工作性能良好。经检测，28天抗压强度为189.2Mpa。
实施例2
一种机制砂超高性能混凝土，按重量份计，包括555份水泥，167份硅灰，390份磨细石灰石粉，1093份机制砂，160份钢纤维；177份水；19份减水剂。
机制砂的制备方法和规格同实施例1。磨细石灰石粉的制备方法和规格同实施例。机制砂超高性能混凝土的制备方法同实施例1。混凝土拌合料工作性能良好。经检测，28天抗压强度为185.2Mpa。
实施例3
一种机制砂超高性能混凝土，按重量份计，包括598份水泥，180份硅灰，334份磨细石灰石粉，1093份机制砂，160份钢纤维；177份水；19份减水剂。
机制砂的制备方法和规格同实施例1。磨细石灰石粉的制备方法和规格同实施例。机制砂超高性能混凝土的制备方法同实施例1。混凝土拌合料工作性能良好。经检测，28天抗压强度为185.0Mpa。
试验例1
磨细石灰石粉含量对抗压强度的影响
调整磨细石灰石粉在胶凝材料中的比例，试验例1的机制砂超高性能混凝土的配合比如表1。胶凝材料包括水泥、硅灰和磨细石灰石粉。其中，其中，按重量份计，1112份胶凝材料，1093份机制砂，160份钢纤维；177份水；19份减水剂。
机制砂规格同实施例1。磨细石灰石粉的规格同实施例1。机制砂超高性能混凝土的制备方法同实施例1。
分别制备编号为1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7、1-8、1-9的机制砂超高性能混凝土，并测试28天抗压强度。其中，1-6为实施例1，1-5为实施例2，1-4为实施例3。
表1磨细石灰石粉含量对抗压强度的影响
Figure BDA0003115010360000081
由上测试结果可知，在UHPC中使用磨细石灰石粉替代水泥和硅灰石时，随着磨细石灰石粉含量的增加，混凝土的强度呈现先增加后降低的趋势。在胶凝材料总量为1112份，磨细石灰石粉为334～445份时，抗压强度达到185以上。当水泥、硅灰、磨细石灰石粉的比例超出实施例1-3的范围后，抗压强度低于180MPa。
对比例1
普通石灰石粉含量对抗压强度的影响
用普通的石灰石粉代替磨细石灰石粉。调整普通石灰石粉在凝胶材料中的比例，对比例1机制砂超高性能混凝土的配合比如表2。胶凝材料包括水泥、硅灰和普通石灰石粉。其中，按重量份计，1112份胶凝材料，1093份机制砂，160份钢纤维；177份水；19份减水剂。
机制砂规格同实施例1。普通石灰石粉采用实施例1中的机制砂的尾料筛分制得，规格为：D10＝8.2μm，D50＝18.8μm，D97＝140μm，粒度分布测试结果如图2所示。机制砂超高性能混凝土的制备方法同实施例1。
分别制备编号为2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6的机制砂超高性能混凝土，并测试28天抗压强度。
表2普通石灰石粉对抗压强度的影响
Figure BDA0003115010360000091
由上测试结果可知，在UHPC中使用普通石灰石粉替代水泥和硅灰石时，随着磨细石灰石粉含量的增加，混凝土的强度呈现先增加后降低的趋势。磨细石灰石粉占比超过10％时，混凝土的强度就出现了下降的趋势。而且最高的抗压强度为179.3Mpa。将图2的普通石灰石粉粒度分布图和图1的磨细石灰石粉粒度分布图比较可知，普通石灰石粉中含有约20％的粒径大于45μm的颗粒，这些较大的颗粒无法对UHPC内部形成良好填充，导致混凝土强度下降明显。采用普通的石灰石粉无法达到180Mpa以上的抗压强度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种机制砂超高性能混凝土，其特征在于，由水泥、硅灰、机制砂、磨细石灰石粉、钢纤维、减水剂和水组成，按重量份计，
水泥513～598份；
硅灰154～180份；
机制砂1093份；
磨细石灰石粉334～445份；
钢纤维160份；
减水剂18～20份；
水175～180份；
所述水泥、所述硅灰和所述磨细石灰石粉总计1112份；
所述磨细石灰石粉中粒径大于45μm的颗粒含量为0％，D50为10～15μm；
所述机制砂中粒径大于2.36mm的颗粒含量为0％，粒径为1.18～2.36mm的颗粒重量占比为12～18％。
2.根据权利要求1所述的机制砂超高性能混凝土，其特征在于，所述磨细石灰石粉的D50＝12.8μm，D100＝45μm，比表面积1083.5m2/kg。
3.根据权利要求1所述的机制砂超高性能混凝土，其特征在于，所述机制砂采用石灰岩制成，所述石灰岩的抗压强度在135MPa以上；所述机制砂中，
粒径大于2.36mm的颗粒含量为0％；
粒径为1.18～2.36mm的颗粒重量占比为15％；
粒径为0.075mm～1.18mm颗粒重量占比为78％，
粒径为0.15～0.6mm颗粒重量占比为35％；
粒径小于0.075mm的颗粒重量占比为7％。
4.根据权利要求1所述的机制砂超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥和所述硅灰的重量份比例为10:3。
5.根据权利要求1所述的机制砂超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥，强度等级52.5以上。
6.根据权利要求1所述的机制砂超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰中SiO2的含量85％以上。
7.根据权利要求1所述的机制砂超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维为直径0.18～0.22mm且长度12～14mm的平直镀铜型钢纤维。
8.根据权利要求1所述的机制砂超高性能混凝土，其特征在于，所述减水剂为减水率30％以上的聚羧酸减水剂，所述减水剂的含固量35％以上。
9.如权利要求1-8任一所述的机制砂超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，具体步骤为，按照配合比准备原料；采用立轴行星式搅拌机，将机制砂、水泥、硅灰、磨细石灰石粉依次加入到搅拌机中，干拌120秒以上；然后将水和减水剂的混合液加入到搅拌机中，拌和180秒以上，直至拌合物成砂浆状态；然后向搅拌机中均匀撒入钢纤维，钢纤维投入完毕后，再搅拌60秒以上，得到所述机制砂超高性能混凝土。
10.一种混合物，其特征在于，由如权利要求1或2所述的磨细石灰石粉和如权利要求1或3所述的机制砂组成。
11.一种用于建筑领域的制品，其特征在于，包括如权利要求1-8任一所述的机制砂超高性能混凝土或者如权利要求10所述的混合物。
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