CN113386246A - 一种高强度高耐久水泥基材料制备及其成型工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度高耐久水泥基材料制备及其成型工艺，包括以下步骤：1）模具的设计、制作、安装；2）脱模剂的喷涂；3）原材料粉体的混合分散；4）浆体的制备；5）增韧纤维的添加；6）真空搅拌分散；7）螺旋定向挤压浇筑；8）成型及养护。所述工艺能有效解决以UHPC为代表的高强高耐久水泥基材料广泛存在的浆体粘稠、浇筑成型过程中气孔过多、纤维难以均匀定向分散等工艺难题。可广泛应用于高强水泥基板材、型材等构件的制备。采用前述工艺制备的材料力学性能和耐久性能明显提升。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高强度高耐久水泥基材料制备及其成型工艺。
背景技术
以超高性能混凝土（简称UHPC）为代表的低水胶比水泥基材料，具有优异的力学性能和耐久性能，是目前建筑行业研究和应用的热点。UHPC的抗压强度能达到130～200MPa，其抗弯拉强度能达到10MPa以上，与传统混凝土相比，提高3～5倍；由于通过紧密堆积设计，使其原材料级配达到最佳，内部贯通气孔很少，具有很好的抗外部侵蚀和渗透等耐久性能。因其优异的性能，已在公路、桥梁、高层/超高层建筑等诸多土木建筑工程领域得到大量应用。
由于UHPC在原材料的选用、配合比设计、施工等环节要求较为苛刻，因此应用场景多集中于预制构件领域。同时其在应用过程中面临诸多问题，具体包括：
（1）原材料配合比设计通常采用了原材料干燥状态下的颗粒级配进行紧密堆积计算，未考虑浆体状态下的颗粒团聚特征，导致浆体难以达到理论上的紧密堆积状态，影响浆体工作性能和致密程度。
（2）由于拌合水用量太低，浆体粘稠致密，导致搅拌带入的内部气泡难以通过常规振捣等形式排出，影响产品力学和耐久性能。
（3）混凝土材料抗压性能优异，在使用过程中，其抗弯拉的受力性能最为重要。作为一种纤维增韧材料，纤维分布均匀性和垂直于受力面的取向性对整体构件的性能尤为重要，但粘稠致密的浆体，常规搅拌中很难做到纤维有效均匀且定向分布。
（4）由于浆体密度大，浇筑过程难以顺畅进行。同时容易出现跑模、与模板粘连等工艺问题，影响产品的表观质量和工作效率。
发明内容
为解决上述应用问题，本发明的目的在于提出一种高强度高耐久水泥基材料制备及其成型工艺，该工艺采用浆体状态下湿法紧密堆积设计和真空搅拌等方法，有效降低了浆体中的气孔含量；通过改进增韧纤维的加入方式和螺旋定向挤出成型方法，有效提升了纤维分布的均匀性和取向性。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：一种高强度高耐久水泥基材料制备及其成型工艺，具体包括以下步骤：
1) 模具设计、制作及安装，根据预制构件尺寸要求进行模具设计和制作；
2) 组装前对模具的内表面进行清理，需要保证内表面平坦、干净和干燥，并均匀的喷涂脱模剂；
3) 进行原材料配合比设计，原材料的配合比设计应根据原材料的颗粒级配和湿法状态下的聚集状态来确定，通过含量和级配调整，使其满足浆体紧密堆积模型； 称取胶凝材料、骨料、掺合料等粉体材料，同时加入适量润湿水分，放入搅拌装置搅拌；
4) 将减水外加组分溶于剩余拌合水，在粉体搅拌的同时加入搅拌装置继续搅拌；
5) 将称量好的增韧纤维均匀筛入搅拌仓中；
6) 待增韧纤维全部筛入并分散均匀后，关闭搅拌仓密封门并开启真空泵，进行真空搅拌；
7) 将搅拌后的浆体导入螺旋定向挤出喷头，进行构件的成型；
8) 对构件的成型表面进行抹面及压光，采用蒸汽养护至龄期后拆模。
进一步的，所述步骤1）中，为防止出现跑模、模具变形等问题，模具材质应选用钢模板；同时模具的底模、侧模、内模之间采用定位机械加固件连接，且定位机械加固件纵向间隔小于1m，所述定位机械加固件可采用卡扣或螺栓。
本发明的模具设计方法可解决低水胶比水泥基材料在浇筑过程中，由于浆体粘稠致密带来的跑模、偏模工艺问题，有效提高构件尺寸精度。
进一步的，所述步骤2）中，脱模剂采用水性蜡质脱模剂，其目的为了克服传统油脂类脱模剂涂刷难以均匀、脱模困难，以及带来的构件成品表观质量缺陷。
进一步的，所述步骤3）中，原材料包括的组分及相应的重量份数为：胶凝材料25～30份、骨料50～60份、掺合料15～20份，拌合水3～6份，减水外加组分1～2份。各原材料的具体配比份额需根据其各自颗粒级配和浆体紧密堆积理论进行设计。
UHPC等低水胶比水泥基材料配合比设计基础是最紧密堆积理论，由于原材料在多组分浆体状态下吸附、团聚等变化，导致传统仅考虑固体颗粒紧密堆积进行的配合比设计存在局限性。采用浆体最紧密堆积设计的原材料配合比体系，避免了粉体颗粒在浆体状态下发生的团聚、吸附、化学反应等变化造成的浆体气孔含量多，密实度不够等缺陷。由于水泥基材料的孔隙率和其力学性能成反比，因此从理论上可有效提高本发明材料的力学性能和耐久性能。
进一步的，所述步骤3）中，胶凝材料选用52.5标号的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；掺合料选用球形度较好的Ⅰ级粉煤灰、高强玻化微珠、硅灰；骨料选用石英砂、辉绿岩、其他高强骨料中的至少一种。
本发明原材料组分中，水泥提供胶凝特性，通过水化硬化反应将其他材料粘接在一起；硅灰是一种纳米级的高活性硅质材料，可有效填充水泥微米级颗粒的中间空隙，提高密实度。同时与水泥水化产物发生二次水化反应，提高硬化产物的匀质性。球形度较好的Ⅰ级粉煤灰、高强玻化微珠作为掺合料，不但有助于改善粉体颗粒堆积的紧密程度，同时颗粒的球形特征可有效改善浆体的工作性能。骨料选用的石英砂、辉绿岩或其他高强骨料，骨料本身的抗压强度基本能达到150MPa以上，为本发明材料达到高强度的效果提供支撑。
进一步的，所述步骤3）中，粉体材料搅拌时，加入的润湿水分不高于拌合水总量的30%；步骤4）中，在粉体材料搅拌均匀的同时，将其余拌合水与减水外加组分混合均匀后加入搅拌装置继续搅拌。
在干粉搅拌分散过程中，由于颗粒的表面能变化、静电吸附等作用，细粉体颗粒之间容易吸附团聚。加入部分润湿水分，细颗粒粉体容易吸附于骨料颗粒，可有效提高硅灰、水泥等细颗粒对骨料的包裹性，便于粉体均匀分散。
进一步的，所述步骤6）中的增韧纤维，选用镀铜钢纤维或耐碱玻纤，也可两者混杂。纤维用量为构件体积的2～3%；纤维长度为12～20mm，根据构件型式确定；纤维通过搅拌仓的进料口处布置的振动筛均匀筛入，振动筛的筛孔直径为3～5mm；纤维筛入过程与浆体搅拌同步进行，控制在3分钟以内。
纤维材料可以提高水泥基材料的抗拉拔、抗折性能。但是纤维在浆体中存在难以分散问题。本发明采用的镀铜钢纤维或耐碱玻纤，其不但本身抗拉强度高，能达到2000MPa以上。同时化学性质稳定，与水泥水化产物的握裹力较好。采用震动筛入的方式，与浆体搅拌同步进行，可有效提高纤维在浆体中分散性。为了避免搅拌时间过长带来的浆体流动性损失，浆体搅拌时间应控制在3min以内。
进一步的，所述步骤6）中的真空搅拌过程，需在纤维加入完成后封闭搅拌仓，同时开启真空泵进行真空搅拌。搅拌过程中真空度应控制在30～50KPa，搅拌时间控制在3分钟。
尽管本发明材料采用了浆体紧密堆积设计，但是原材料质量和现实操方法与理论假设状态会存在部分偏差，加之常规的搅拌过程带入的气体，导致制备的材料难以实现紧密堆积。本发明在浆体和纤维材料初步搅拌分散均匀后，采用真空搅拌制度，可有效排除浆体中气体含量，提高浆体材料致密程度。
进一步的，所述步骤7）中，搅拌后的浆体需通过导管导入螺旋定向挤出喷头，通过螺旋输送压力将浆体定向挤出，螺旋转速控制在10～20转/分钟。螺旋挤出喷头的出口截面为矩形，其宽度由成型构件截面尺寸确定。挤出成型过程沿构件长度方向匀速往复循环进行。
真空搅拌后的浆体直接通过搅拌仓下部出口，通过导管输送至螺旋定向挤出喷头。避免了常规混凝土在卸料、浇筑过程中带来的气泡，同时喷头的螺旋挤出设计，内部螺杆旋转不但给浆体材料一定的挤出压力，同时，在螺杆旋转过程中，随机取向的纤维材料更容易朝向浆体运动方向，在螺旋压力作用下和浆体一起向出口移动。挤出成型过程沿构件长度方向匀速往复循环进行，可提高纤维在沿构件长度方向的朝向概率，有效提升构件产品的整体抗拉拔、抗折性能。另一方面，为了减少浆体挤出后在模板内的流动距离，出口截面设计为矩形，且其宽度尽可能按照成型构件截面尺寸确定。减少浆体在浇筑过程中移动过多带入的空洞数量。
进一步的，所述步骤7）中的构件成型过程需在振动台上进行，振动频率为60次/分钟，成型完成后需对构件成型表面进行抹面和压光。
震动过程有助于浆体浇筑过程中带入的气体排出，减少空洞缺陷，提高浆体在模具中的填充密实度；对构件成型表面进行抹面和压光，来提高产品尺寸精度和表观质量。
进一步的，所述步骤8）中的养护过程，蒸汽养护前带模静停12～24h，静停温度控制在25～45℃；蒸汽养护温度为80～90℃，养护48h；升温速率不超过10℃/h，降温速率不超过8℃/h；拆模时构件表面与环境温差不超过20℃；构件蒸汽养护后进行自然养护，自然养护的环境平均温度高于10℃，构件表面应保持湿润不少于7d；整个养护周期大于14d。
本发明相对于现有技术取得了以下有益效果：
所述工艺采用浆体状态下湿法紧密堆积设计和真空搅拌等方法，有效降低了浆体中的气孔含量，浆体密实度提高，脱模后材料表观质量良好；通过改进增韧纤维的加入方式和螺旋挤出成型方法，有效提升了纤维分布的均匀性和取向性。经过对浆体随机取样，纤维含量差值可控制在10%以内，并且沿成型方向，纤维定向分布数量达到70%左右。
采用前述工艺制备的材料力学性能和耐久性能提升。试件28d抗压强度能达到250MPa，抗折强度达到26MPa以上。抗氯离子渗透系数小于1.6×10-14m2/s。具有优异的力学性能和耐久性能。
采用前述工艺制备的高强度高耐久水泥基型材、板材等构件，结构尺寸小，受力强度高，能够替代部分钢材的应用场景，同时具有性价比高，耐久性好等优势，进而具有广阔的应用前景和良好的社会效益。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，可依照说明书的内容予以实施。并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例,详细说明如下。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，不应视作对本发明权利的限定。
本实施例提供一种高强度高耐久水泥基材料制备及其成型工艺，以解决目前UHPC材料制备过程中气孔多且难以排出、纤维难以分散、取向性难以调整等工艺问题。该工艺的具体步骤如下：
1) 根据构件外形尺寸进行模具设计、制作及安装，本实施例成型产品为280×40×10mm的板材，模具材质选用钢模板，底模放置于振动台面上，为防止侧模变形，在底模与侧模之间沿长度方向均匀布置四对螺栓连接定位加固环，进行机械加固；
当然在本发明的其他实施例中，模具可能还包括芯模，此时需要在底模与芯模之间、侧模与芯模之间设置定位机械加固件。
2) 对模具的内表面进行清理，需要保证内表面平坦、干净和干燥，并均匀的喷涂水性蜡质脱模剂；
3) 进行原材料配合比设计，UHPC配合比设计基础是最紧密堆积理论，由于原材料在多组分浆体状态下吸附、团聚等变化，导致仅考虑固体颗粒紧密堆积进行的配合比设计存在局限性。
本实施例中原材料的配合比设计基于浆体最紧密堆积，结合粉体堆积理论和统计设计方法进行。使用二次饱和D-最优设计方法设计配合比，二次饱和D-最优设计方法能够建立UHPC各组分与堆积体系（湿堆积密实度）的关系，得出湿堆积密实度最大的浆体最紧密堆积配合比。具体实现方法为：以各原材料组分（胶凝材料、骨料、外加剂）为自变量，湿堆积密实度为因变量；通过分析自变量对因变量的影响，建立模型求解最优解来获得浆体最紧密堆积的理论配合比设计。
根据原材料的颗粒分布和浆体状态下的堆积密度，设计出配合比如下：水泥26份、骨料（连续集配石英砂）51份、硅灰5份、粉煤灰6份，玻化微珠8份、拌合水4份、减水外加组分1.5份；
4) 按步骤3）得到的配合比要求称取胶凝材料、骨料、掺合料等粉体材料，同时加入适量润湿水分（20%部分拌合水），放入搅拌装置搅拌；
5) 将减水剂、消泡剂等减水外加组分溶于剩余拌合水，缓慢加入搅拌装置继续搅拌，此过程搅拌装置不停机保持工作状态；
6) 纤维选用镀铜钢纤维和耐碱玻纤混杂纤维，按体积掺量计，其中镀铜钢纤维1.3%，耐碱玻纤1%。将称量好的纤维均匀放入搅拌仓的进料口处布置的振动筛上，将其均匀筛入搅拌仓，该振动筛的筛网为4.75mm的方孔筛，上述筛入过程控制在3min以内；
7) 待纤维全部筛入并分散均匀后，关闭搅拌仓密封门并开启真空泵，使搅拌仓内的真空度控制在30～50KPa，进行真空搅拌3min；
8) 将搅拌后的浆体通过导管导入螺旋定向挤出喷头；通过螺旋输送压力将浆体定向挤出，螺旋转速控制在15转/分钟。按构件长度方向匀速移动挤出喷头，在模具里面往复循环进行浇筑。挤出喷头与浇筑面的垂直距离需小于10cm，前述浇筑成型过程在振动台上进行，振动频率为60次/分钟；
9）浇筑完成后，对构件的成型表面进行抹面及压光。表面覆膜后，在30℃温度下带模静停24h；以10℃/h的升温速率，升温至80℃，养护48h；养护完成后以8℃/h的速度，降温至30℃；蒸汽养护完成后自然养护至14d龄期，自然养护过程中构件表面要做保湿处理。
本实施例步骤3）中采用了浆体最紧密堆积设计的原材料配合比体系，避免了粉体颗粒在浆体状态下发生的团聚、吸附、化学反应等变化造成的浆体气孔含量多，密实度不够等缺陷。减少成型产品内部孔隙率，从理论上可有效提高水泥基材料的力学性能和耐久性能。
实施例步骤6）中通过采用振动筛，在浆体搅拌过程中，将纤维均匀的筛入浆体中，提高了纤维的分散均匀性。对浆体随机5次取样，根据浆体内纤维含量评价纤维分散情况，5个样品纤维含量与平均值偏差最大为+4.6%。
实施例步骤7）和8）中，采用了真空搅拌制度和沿长度方向对构件进行螺旋挤出工艺浇筑成型。脱模后得到的高强度高耐久水泥板材表观质量良好，无明显气孔和裂纹缺陷。切片并对其剖面进行显微结构观察和统计，沿成型方向，纤维定向数量达到67%。
本实施例所得板材的力学性能和耐久性能优异。力学试件28d抗压强度达到260MPa，抗折强度达到29MPa，抗氯离子渗透系数为1.5×10-14m2/s。
目前我国基础设施建设正在向工业化、装配化、绿色建造方向转型，采用本发明制备的高强度高耐久水泥基型材、板材等构件，结构尺寸小，受力强度高，能够替代部分钢材的应用场景，同时具有性价比高，耐久性好等优势，进而具有广阔的应用前景和良好的社会效益。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种高强度高耐久水泥基材料制备及其成型工艺，其特征在于：包括以下步骤：1）根据预制构件尺寸要求进行模具设计和制作；2）对模具的内表面进行清理，并均匀的喷涂脱模剂；3）进行原材料配合比设计，称取对应的胶凝材料、骨料、掺合料等粉体材料，同时加入适量润湿水分，放入搅拌装置搅拌；4）将减水外加组分溶于剩余拌合水，加入搅拌装置继续搅拌；5）将称量好的增韧纤维均匀筛入搅拌仓；6）待增韧纤维全部筛入并分散均匀后，关闭搅拌仓密封门并开启真空泵，进行真空搅拌；7）将搅拌后的浆体导入螺旋定向挤出喷头，进行构件的成型；8）对构件的成型表面进行抹面及压光，采用蒸汽养护至龄期后拆模。
2.根据权利要求1所述的高强度高耐久水泥基材料制备及其成型工艺，其特征在于：步骤1）中，模具材质选用钢模板；模具的底模、侧模、内模之间采用定位机械加固件进行连接，且定位机械加固件纵向间隔小于1m。
3.根据权利要求1所述的高强度高耐久水泥基材料制备及其成型工艺，其特征在于：步骤2）中，脱模剂采用水性蜡质脱模剂。
4.根据权利要求1所述的高强度高耐久水泥基材料制备及其成型工艺，其特征在于：步骤3）中，原材料的配合比设计根据原材料的颗粒级配和湿法状态下的聚集状态来确定，按重量份计，其中胶凝材料25～30份、骨料50～60份、掺合料15～20份、拌合水3～6份、减水外加组分1～2份；所述胶凝材料选用52.5标号的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；所述掺合料选用硅灰、球形度较好的Ⅰ级粉煤灰和高强玻化微珠；所述骨料选用石英砂、辉绿岩、其他高强骨料中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的高强度高耐久水泥基材料制备及其成型工艺，其特征在于：步骤3）中，粉体材料搅拌时，加入的润湿水分不高于拌合水总量的30%；步骤4）中，在粉体材料搅拌过程中，将其余拌合水与减水外加组分混合均匀后加入，并继续搅拌。
6.根据权利要求1所述的高强度高耐久水泥基材料制备及其成型工艺，其特征在于：步骤5）中，增韧纤维选用镀铜钢纤维、耐碱玻纤中的至少一种，纤维用量为构件体积的2～3%；纤维长度为12～20mm，根据构件型式确定；纤维通过搅拌仓进料口处布置的振动筛均匀筛入，该振动筛的筛孔直径为3～5mm；纤维筛入过程与浆体搅拌同步进行，控制在3分钟以内。
7.根据权利要求1所述的高强度高耐久水泥基材料制备及其成型工艺，其特征在于：步骤6）中，搅拌过程中真空度控制在30～50KPa，搅拌时间为3分钟。
8.根据权利要求1所述的高强度高耐久水泥基材料制备及其成型工艺，其特征在于：步骤7）中，搅拌后的浆体通过导管导入螺旋定向挤出喷头，通过螺旋输送压力将浆体定向挤出，螺旋转速控制在10～20转/分钟；挤出喷头的出口截面为矩形，其宽度由成型构件截面尺寸确定；挤出成型过程沿构件长度方向匀速往复循环进行。
9.根据权利要求1所述的高强度高耐久水泥基材料制备及其成型工艺，其特征在于：步骤7）中，构件的成型过程需在振动台上进行，振动频率为60次/分钟。
10.根据权利要求1所述的高强度高耐久水泥基材料制备及其成型工艺，其特征在于：步骤8）中，蒸汽养护前带模静停12～24h，静停温度控制在25～45 ℃；蒸汽养护温度为80～90 ℃，养护48h；升温速率不超过10℃/h，降温速率不超过8℃/h；拆模时构件表面与环境温差不超过20℃；构件蒸汽养护后进行自然养护，自然养护的环境平均温度高于10℃，构件表面应保持湿润不少于7d；整个养护周期大于14d。
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