CN113480277A - 一种超早强型超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超早强型超高性能混凝土及其制备方法，属于建筑材料技术领域。按重量份计，该超早强型超高性能混凝土包括以下组分：水泥50‑100份、硅灰10‑30份、粉煤灰5‑20份、集料80‑150份、熟石灰0.1‑2份、钢纤维5‑25份、减水剂1‑5份、缓凝剂0.05‑0.5份、促凝剂0.01‑0.2份、水10‑30份。本发明的超早强型超高性能混凝土具有超早强、后期强度超高、超高耐久性、凝结时间可控、工作性能优异等多种特性，在各类抢修工程、冬季施工工程中具有重要的实用价值。本发明还公开了上述超早强型超高性能混凝土的制备方法，该制备方法简易、操作简便、制备条件容易控制，对生产设备要求较低，是一种容易实现工业化生产的方法。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种超早强型超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
随着混凝土结构服役年限的延长以及日益加剧的交通压力，近年来市政工程对快速修复材料的需求量呈大幅上升趋势，主要需要修复的工程部位包括：桥梁、隧道、高架、道路等。
一般应用于上述工程部位快速修复的材料为快硬材料，目前国内快硬材料多采用硫铝酸盐类水泥作为主要原材料。快硬硫铝酸盐水泥具有凝结时间短、低温性能好等特性，被广泛应用于修复工程，但其本身具有诸多缺陷，如收缩大、裂缝明显、后期强度倒缩、可操作时间不易调控、对工况条件敏感性高等。这些缺陷导致该类修补混凝土不利于实际施工，并且由于采用其制备的快硬混凝土通常强度较低，且存在后期强度倒缩或强度不增长等现象，导致工程的耐久性能较差，往往出现反复维修的现象。
同时随着经济发展和城市生活节奏的加快，市政维养工程的施工周期非常有限，如高架桥或道路维养通常需要在夜间封闭施工，施工时间为夜间12点至凌晨5点，因此对修补混凝土的强度发展速度要求较高。
针对上述需求，目前市面上有两种产品，一种为快硬灌浆料(砂浆)或快硬混凝土(含粗骨料)，由于快硬组分的作用，凝结时间不易调控、质量波动剧烈，且在裂缝控制、长期强度发展以及耐久性方面存在明显缺陷，因此修复部位的服役寿命通常很短暂，需反复维修；另一种为超高性能混凝土材料，超高性能混凝土作为目前最具创新性的新型水泥基工程材料，与传统普通混凝土和高强混凝土相比，在强度、耐久性、和易性等方面均表现出优异性能，在各类土木工程领域具有广阔的应用前景。但是该产品在没有采取必要快硬或早强措施时，通常需要1天方可达到快速维养开放施工的30MPa抗压强度指标要求，其并不能真正实现快速修复。
因此开发一款能够满足超早强、后期强度超高、耐久性能优越、凝结时间可控、工作性能优异的超高性能混凝土，是目前各类抢修工程、冬季施工工程可控等亟需解决的关键问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种超早强型超高性能混凝土，其具有超早强、后期强度超高、超高耐久性、凝结时间可控、工作性能优异等多种特性，在各类抢修工程、冬季施工工程中具有重要的实用价值。
本发明的目的之二在于提供本发明目的之一的超早强型超高性能混凝土的制备方法，该制备方法简易、操作简便、制备条件容易控制，对生产设备要求较低，是一种容易实现工业化生产的方法。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种超早强型超高性能混凝土，按重量份计，包括以下组分：
水泥50-100份、硅灰10-30份、粉煤灰5-20份、集料80-150份、熟石灰0.1-2份、钢纤维5-25份、减水剂1-5份、缓凝剂0.05-0.5份、促凝剂0.01-0.2份、水10-30份。
进一步地，所述水泥为R·SAC42.5型快硬硫铝酸盐水泥和R·SAC52.5型快硬硫铝酸盐水泥中的一种或两种以上组合，所述水泥的比表面积≥350m2/kg。
进一步地，所述硅灰的比表面积≥14000m2/kg，所述硅灰的活性指数≥104％，所述硅灰中SiO2的质量含量≥90％。
进一步地，所述粉煤灰的比表面积≥500m2/kg，所述粉煤灰的烧失量≤5.0％，所述粉煤灰的需水量比≤98％。
进一步地，所述集料为石英砂、机制砂和河砂中的一种或两种以上组合，所述集料的细度模数为1.8-2.7，所述集料的压碎值≤10％。
进一步地，所述熟石灰为粉末状，所述熟石灰中Ca(OH)2的质量含量≥95％。
进一步地，所述钢纤维的公称长度为10-20mm，所述钢纤维的当量直径为0.4-0.8mm，所述钢纤维的断裂强度≥2500MPa。
进一步地，所述减水剂为聚羧酸减水剂，所述减水剂的固含量为30％-50％，所述减水剂的减水率≥30％。
进一步地，所述缓凝剂为硼酸或葡萄糖酸钠；所述促凝剂为碳酸锂、硫酸锂和氯化锂中的一种或两种以上组合。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
本发明的目的之一所述的超早强型超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将配方量的水泥、硅灰、粉煤灰、集料、缓凝剂和熟石灰预混合1-10min，加入配方量的水和减水剂，搅拌5-15min，直至产生浆体，最后加入配方量的钢纤维和促凝剂，搅拌1-10min，移入模具，经养护、脱模，制得所述超早强型超高性能混凝土。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1.本发明的超早强型超高性能混凝土由快硬硫铝酸盐水泥、硅灰、粉煤灰为胶凝材料，通过与其他组分的合理配比，能够保证较长的工作时间，同时满足2小时超早强特性，而且后期强度不倒缩，兼具超高性能混凝土耐久性好、强度高的优点，适用于各类抢修工程、冬季施工工程等，在实际的工程中具有重要的应用价值。
2.本发明的超早强型超高性能混凝土采用快硬硫铝酸盐水泥替代现有技术超高性能混凝土中的硅酸盐水泥，并通过与硅灰、粉煤灰、集料等进行级配、配比的优化设计，在较低水胶比的条件下使混凝土具有较低的孔隙率。同时，由于快硬硫铝酸盐水泥的水化环境碱度较低，不利于硅灰和粉煤灰的二次水化反应，本发明通过加入熟石灰，提高混凝土内部的碱度，加快了快硬硫铝酸盐水泥的水化进程，并与硅灰、粉煤灰反应生成大量的C-S-H凝胶填充混凝土内部的有害孔，从而进一步提高了混凝土的密实度，使得采用快硬硫铝酸盐水泥制备的超早强型超高性能混凝土能够实现28天抗压强度达到140MPa以上，28天抗折强度达到20MPa以上，本发明的超早强型超高性能混凝土具有优异的性能。
3.由于快硬硫铝酸盐水泥的初凝、终凝时间较短，特别是在较低用水量的情况下，其初凝时间只有10-15min，大大影响工程施工，本发明采用硼酸或葡萄糖酸钠为缓凝剂，在水泥水化初期，缓凝剂通过化学反应形成盐类或结晶物包裹在水泥颗粒表面，阻止了其进一步水化反应，从而延缓了凝结时间，使得本发明的超早强型超高性能混凝土具有了凝结时间长的特性。同时，本发明通过缓凝剂与聚羧酸减水剂的复合使用，使得超早强的超高性能混凝土不仅具有较好的早期工作性能，并且进一步大幅度地延缓了凝结时间。本发明的超早强型超高性能混凝土在30-60min的流动度与初始流动度相比，损失率在4％以内，并且具有自密实的特性，从而保证了本发明的超早强的超高性能混凝土具有良好的工作性能。
4.本发明的超早强型超高性能混凝土采用缓凝剂延缓了混凝土的凝结时间，同时，为了满足其2h、4h超早强的特性，以锂盐为促凝剂，在混凝土搅拌完成时加入，降低了缓凝剂对混凝土的缓凝作用，并加速了水泥水化进程，从而使快硬硫铝酸盐水泥快速硬化，获得较高的早期强度，具有超早强的特性。现有技术制备的超高性能混凝土一般脱模时间为24h，因此基本不具备2h和4h强度，而现有技术采用硫铝酸盐水泥制备的普通混凝土2h强度通常在10-20MPa，而且工作性能较差。本发明的超早强型超高性能混凝土在满足混凝土工作性能的条件下，2h、4h、1d的抗压强度分别可以达到50MPa、60MPa、90MPa以上，综合性能远优于现有技术。
5.本发明的超早强型超高性能混凝土的制备方法，充分利用各组分的特性，通过合理的配比，使得制备得到的混凝土具有超早强、后期强度超高、超高耐久性、工作性能优异等多种特性的同时，可根据实际工程施工需要，通过调整各组分的含量，控制材料凝结时间，达到施工过程操作时间可控的目的,而且本发明制备过程操作简便、条件容易控制，对生产设备要求较低，是一种容易实现工业化生产的方法。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
一种超早强型超高性能混凝土，包括以下重量份的各组分：
水泥50-100份、硅灰10-30份、粉煤灰5-20份、集料80-150份、熟石灰0.1-2份、钢纤维5-25份、减水剂1-5份、缓凝剂0.05-0.5份、促凝剂0.01-0.2份、水10-30份。
作为进一步的实施方式，水泥为R·SAC42.5型快硬硫铝酸盐水泥和R·SAC52.5型快硬硫铝酸盐水泥中的一种或两种以上组合，水泥的比表面积≥350m2/kg。
作为进一步的实施方式，硅灰的比表面积≥14000m2/kg，硅灰的活性指数≥104％，硅灰中SiO2的质量含量≥90％。
作为进一步的实施方式，粉煤灰的比表面积≥500m2/kg，粉煤灰的烧失量≤5.0％，粉煤灰的需水量比≤98％。
作为进一步的实施方式，集料为石英砂、机制砂和河砂中的一种或两种以上组合，集料的细度模数为1.8-2.7，集料的压碎值≤10％。
作为进一步的实施方式，熟石灰为粉末状，熟石灰中Ca(OH)2的质量含量≥95％。
作为进一步的实施方式，钢纤维的公称长度为10-20mm，钢纤维的当量直径为0.4-0.8mm，钢纤维的断裂强度≥2500MPa。
作为进一步的实施方式，减水剂为聚羧酸减水剂，减水剂的固含量为30％-50％，减水剂的减水率≥30％。
作为进一步的实施方式，缓凝剂为硼酸或葡萄糖酸钠；促凝剂为碳酸锂、硫酸锂和氯化锂中的一种或两种以上组合。
上述超早强型超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将配方量的水泥、硅灰、粉煤灰、集料、缓凝剂和熟石灰预混合1-10min，加入配方量的水和减水剂，搅拌5-15min，直至产生浆体，最后加入配方量的钢纤维和促凝剂，搅拌1-10min，移入模具，经养护、脱模，制得超早强型超高性能混凝土。
实施例1：
一种超早强型超高性能混凝土，包括以下重量份的各组分：
水泥50份、硅灰10份、粉煤灰5份、集料80份、熟石灰2份、钢纤维25份、减水剂5份、缓凝剂0.5份、促凝剂0.2份、水30份。
其中，水泥为R·SAC42.5型快硬硫铝酸盐水泥，水泥的比表面积为360m2/kg。
硅灰的比表面积为15000m2/kg，硅灰的活性指数为106％，硅灰中SiO2的质量含量为95％。
粉煤灰的比表面积为550m2/kg，粉煤灰的烧失量为3.6％，粉煤灰的需水量比为94％。
集料为石英砂，集料的细度模数为1.9，集料的压碎值为6％。
熟石灰为粉末状，熟石灰中Ca(OH)2的质量含量为96％。
钢纤维的公称长度为12mm，钢纤维的当量直径为0.5mm，钢纤维的断裂强度为2600MPa。
减水剂为聚羧酸减水剂，减水剂的固含量为35％，减水剂的减水率为30％。
缓凝剂为硼酸；促凝剂为碳酸锂。
上述的超早强型超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将配方量的水泥、硅灰、粉煤灰、集料、缓凝剂和熟石灰预混合10min，加入配方量的水和减水剂，搅拌15min，直至产生浆体，最后加入配方量的钢纤维和促凝剂，搅拌10min，移入模具，经养护、脱模，制得超早强型超高性能混凝土。
实施例2：
一种超早强型超高性能混凝土，包括以下重量份的各组分：
水泥100份、硅灰30份、粉煤灰20份、集料150份、熟石灰0.1份、钢纤维5份、减水剂1份、缓凝剂0.05份、促凝剂0.01份、水10份。
其中，水泥为R·SAC52.5型快硬硫铝酸盐水泥，水泥的比表面积为370m2/kg。
硅灰的比表面积为16000m2/kg，硅灰的活性指数为105％，硅灰中SiO2的质量含量为93％。
粉煤灰的比表面积为580m2/kg，粉煤灰的烧失量为3％，粉煤灰的需水量比为95％。
集料为机制砂，集料的细度模数为2.7，集料的压碎值为10％。
熟石灰为粉末状，熟石灰中Ca(OH)2的质量含量为98％。
钢纤维的公称长度为20mm，钢纤维的当量直径为0.4mm，钢纤维的断裂强度为2700MPa。
减水剂为聚羧酸减水剂，减水剂的固含量为50％，减水剂的减水率为35％。
缓凝剂为葡萄糖酸钠；促凝剂为硫酸锂。
上述的超早强型超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将配方量的水泥、硅灰、粉煤灰、集料、缓凝剂和熟石灰预混合1min，加入配方量的水和减水剂，搅拌5min，直至产生浆体，最后加入配方量的钢纤维和促凝剂，搅拌1min，移入模具，经养护、脱模，制得超早强型超高性能混凝土。
实施例3：
一种超早强型超高性能混凝土，包括以下重量份的各组分：
水泥75份、硅灰14份、粉煤灰8.5份、集料95份、熟石灰0.8份、钢纤维10份、减水剂2份、缓凝剂0.1份、促凝剂0.05份、水17份。
其中，水泥为R·SAC42.5型快硬硫铝酸盐水泥，水泥的比表面积为380m2/kg。
硅灰的比表面积为17000m2/kg，硅灰的活性指数为108％，硅灰中SiO2的质量含量为96％。
粉煤灰的比表面积为600m2/kg，粉煤灰的烧失量为4％，粉煤灰的需水量比为96％。
集料为河砂，集料的细度模数为2.3，集料的压碎值为5％。
熟石灰为粉末状，熟石灰中Ca(OH)2的质量含量为96％。
钢纤维的公称长度为12mm，钢纤维的当量直径为0.6mm，钢纤维的断裂强度为2800MPa。
减水剂为聚羧酸减水剂，减水剂的固含量为45％，减水剂的减水率为35％。
缓凝剂为硼酸；促凝剂为氯化锂。
上述的超早强型超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将配方量的水泥、硅灰、粉煤灰、集料、缓凝剂和熟石灰预混合3min，加入配方量的水和减水剂，搅拌9min，直至产生浆体，最后加入配方量的钢纤维和促凝剂，搅拌4min，移入模具，经养护、脱模，制得超早强型超高性能混凝土。
实施例4：
一种超早强型超高性能混凝土，包括以下重量份的各组分：
水泥90份、硅灰25份、粉煤灰13.5份、集料125份、熟石灰1.4份、钢纤维17份、减水剂4份、缓凝剂0.3份、促凝剂0.15份、水23份。
其中，水泥为R·SAC52.5型快硬硫铝酸盐水泥，水泥的比表面积为350m2/kg。
硅灰的比表面积为15000m2/kg，硅灰的活性指数为106％，硅灰中SiO2的质量含量为93％。
粉煤灰的比表面积为580m2/kg，粉煤灰的烧失量为2.8％，粉煤灰的需水量比为97％。
集料为机制砂和河砂，集料的细度模数为2，集料的压碎值为7％。
熟石灰为粉末状，熟石灰中Ca(OH)2的质量含量为98％。
钢纤维的公称长度为18mm，钢纤维的当量直径为0.8mm，钢纤维的断裂强度为2700MPa。
减水剂为聚羧酸减水剂，减水剂的固含量为40％，减水剂的减水率为35％。
缓凝剂为葡萄糖酸钠；促凝剂为硫酸锂和氯化锂。
上述的超早强型超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将配方量的水泥、硅灰、粉煤灰、集料、缓凝剂和熟石灰预混合8min，加入配方量的水和减水剂，搅拌7min，直至产生浆体，最后加入配方量的钢纤维和促凝剂，搅拌2min，移入模具，经养护、脱模，制得超早强型超高性能混凝土。
验证实施例：
通过以下试验来进一步阐述本发明的超早强的超高性能混凝土的有益效果。
性能测试：
对实施例1-4的超早强型超高性能混凝土进行性能测试，性能测试结果见表1。
表1
从表1可以看出，本发明的超早强型超高性能混凝土，初始扩展度可达600mm以上，且30min扩展度损失较小，解决了现有技术快硬硫铝酸盐水泥混凝土凝结时间过快，导致浆体很快凝结，无法施工的问题。本发明的超早强型超高性能混凝土在2h的抗压强度可达50MPa以上，同时，本发明的超早强型超高性能混凝土其后期的强度持续增加，无强度倒缩或强度不增长的现象，28d抗压强度可达150MPa，抗折强度达到25MPa，而且Cl-的扩散系数只有10-13m2/s数量级，抗蚀等级可达KS120以上。综上说明本发明的超早强型超高性能混凝土能够同时具备凝结时间可控、超早强、后期强度高、耐久性能好等优异工作性能，在各类抢修工程、冬季施工工程中具有重要的实用价值。
上述实施方式仅为本发明的优选实施例方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种超早强型超高性能混凝土，其特征在于，按重量份计，包括以下组分：
水泥50-100份、硅灰10-30份、粉煤灰5-20份、集料80-150份、熟石灰0.1-2份、钢纤维5-25份、减水剂1-5份、缓凝剂0.05-0.5份、促凝剂0.01-0.2份、水10-30份。
2.根据权利要求1所述的超早强型超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为R·SAC42.5型快硬硫铝酸盐水泥和R·SAC52.5型快硬硫铝酸盐水泥中的一种或两种以上组合，所述水泥的比表面积≥350m2/kg。
3.根据权利要求1所述的超早强型超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰的比表面积≥14000m2/kg，所述硅灰的活性指数≥104%，所述硅灰中SiO2的质量含量≥90%。
4.根据权利要求1所述的超早强型超高性能混凝土，其特征在于，所述粉煤灰的比表面积≥500m2/kg，所述粉煤灰的烧失量≤5.0%，所述粉煤灰的需水量比≤98%。
5.根据权利要求1所述的超早强型超高性能混凝土，其特征在于，所述集料为石英砂、机制砂和河砂中的一种或两种以上组合，所述集料的细度模数为1.8-2.7，所述集料的压碎值≤10%。
6.根据权利要求1所述的超早强型超高性能混凝土，其特征在于，所述熟石灰为粉末状，所述熟石灰中Ca(OH)2的质量含量≥95%。
7.根据权利要求1所述的超早强型超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维的公称长度为10-20mm，所述钢纤维的当量直径为0.4-0.8mm，所述钢纤维的断裂强度≥2500MPa。
8.根据权利要求1所述的超早强型超高性能混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂，所述减水剂的固含量为30%-50%，所述减水剂的减水率≥30%。
9.根据权利要求1所述的超早强型超高性能混凝土，其特征在于，所述缓凝剂为硼酸或葡萄糖酸钠；所述促凝剂为碳酸锂、硫酸锂和氯化锂中的一种或两种以上组合。
10.权利要求1-9任一项所述的超早强型超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将配方量的水泥、硅灰、粉煤灰、集料、缓凝剂和熟石灰预混合1-10min，加入配方量的水和减水剂，搅拌5-15min，直至产生浆体，最后加入配方量的钢纤维和促凝剂，搅拌1-10min，移入模具，经养护、脱模，制得所述超早强型超高性能混凝土。
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