CN113603405A - 一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土及其制备方法。本发明属于混凝土领域。本发明为解决现有超高性能混凝土收缩大、成本高的技术问题，且提高弹性模量，增强抵抗变形能力水平。本发明的一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土按质量份数由胶凝材料、砂、粗骨料、减水剂、弓形镀铜钢纤维和水制备而成。本发明的方法：先将胶凝材料、砂倒入搅拌机混合搅拌，再加入预先混合均匀的减水剂和水继续搅拌，然后缓慢加入弓形镀铜钢纤维，再搅拌得到砂浆；将适量砂浆倒入模具中，再加入适量粗骨料，并用铲刀将粗骨料压入砂浆内，重复该过程，直到填满整个模具；然后蒸汽养护，得到混凝土。本发明经济性好，收缩小，抵抗变形能力水平高。

Description

一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于混凝土领域，具体涉及一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
我国每年会消耗大量的能源进行基础设施建设，2020年，我国水泥产量达23.8亿吨，耗能居世界第一。有必要对传统建筑材料进行创新升级，实现资源和能源的高效利用。超高性能混凝土因兼具高强度、高韧性、高耐久性以及高抗冲击能力而受到市场的广泛欢迎，但过多胶凝材料用量，不仅收缩大，易造成开裂，而且会消耗大量的能源，不符合绿色发展理念；另外，在构件尺寸设计中，变形往往是设计的主导因素，而混凝土的弹性模量与构件抵抗变形能力呈正相关，因此提高弹性模量对于降低构件尺寸意义重大。
有研究将“预置骨料混凝土”的工艺应用到超高性能混凝土中，该工艺虽然可实现“高弹模低收缩”的目标，但由于无法有效掺加钢纤维、砂浆流动性要求高等，造成超高性能混凝土的韧性大幅降低、成本增加。目前，在保证超高性能混凝土原性能的前提下，如何进一步“提高弹性模量、降低收缩”一直是困扰研究人员的难题。因此，设计一种经济的“高弹模低收缩”的超高性能混凝土的制备方法具有重要意义。
发明内容
本发明为解决现有超高性能混凝土收缩大、成本高的技术问题，增强抵抗变形能力水平，而提供了一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土及其制备方法。
本发明的一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土按质量份数由胶凝材料35～37份、砂15份、粗骨料180～220份、减水剂0.5～0.7份、弓形镀铜钢纤维2.7～2.9份和水5.9～6.5 份制备而成。
进一步限定，所述胶凝材料为水泥、粉煤灰、硅灰、矿渣、偏高岭土中的一种或几种的混合物。
进一步限定，所述粗骨料弹性模量≥60GPa，且粗骨料中针状、片状粗骨料占比≤3wt％。
进一步限定，所述弓形镀铜钢纤维的直径为0.18mm～0.22mm，长度为13mm～17mm。
本发明的一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土的制备方法按以下步骤进行：
步骤1：将水和减水剂预先混合均匀，得到减水剂水溶液；
步骤2：将胶凝材料、砂依次倒入搅拌机混合搅拌5min，加入减水剂水溶液继续搅拌3min，然后在5min～6min内加入弓形镀铜钢纤维，再搅拌5min，得到砂浆；
步骤3：将砂浆和洗净并烘干的粗骨料分次依次交替的加入到模具中，先加入砂浆，后加入粗骨料，加入粗骨料后用铲刀将其压入砂浆内，然后静置80±5秒，直到砂浆和粗骨料填满整个模具；
步骤4：在40±3℃下静置12h，然后在60±3℃下蒸汽养护72h，得到低收缩高弹性模量的超高性能混凝土。
进一步限定，步骤2中所述砂浆的水胶比为0.16～0.19。
进一步限定，步骤2中所述砂浆流动性要求砂浆从水泥浆稠度测定仪流出的时间≤ 2min。
进一步限定，步骤3中所述每次加入砂浆的液面高度为粗骨料最大粒径的1.5±0.2倍。
进一步限定，步骤3中所述每次加入粗骨料的高度低于总液面高度。
进一步限定，步骤3中所述模具为钢模具，且立面钢模壁厚≥8mm。
进一步限定，步骤3中所述静置过程全程覆盖密闭塑料薄膜。
本发明与现有技术相比具有的显著效果：
1、本发明的超高性能混凝土以粗骨料相互接触构成结构骨架，粗骨料之间的空隙为低水胶比砂浆，进而将粗骨料粘结为整体，砂浆中均匀分布的弓形钢纤维起桥接增韧作用，其中，粗骨料相互接触构成结构骨架，使超高性能混凝土整体收缩为0，该结构骨架还可充分发挥粗骨料弹性模量大的优势，大幅提高整体混凝土的弹性模量；低水胶比砂浆有助于提高基体与粗骨料之间的界面强度，整体性好，避免受力时出现界面破坏；弓形钢纤维抗拉拔作用力大，可使超高性能混凝土的抗拉和抗剪能力大幅提升。
2、本发明的超高性能混凝土中粗骨料含量高，浆体含量少，一方面，可大幅降低水泥用量，经济效果明显，且符合绿色发展理念；另一方面，提高了整体混凝土的弹性模量，增强构件抵抗变形能力，可大幅降低构件截面尺寸和构件质量，既能节约材料用量，又便于运输、吊装和装配。
3、通过粗骨料形成结构骨架，使整体收缩为0，而发生收缩的砂浆，由于填充在粗骨料之间的空隙中，体积小，不易开裂，解决了超高性能混凝土因收缩大而开裂的问题。
4、采用先浇筑砂浆、再加入粗骨料的制备工艺，对砂浆流动性要求较低，可减少减水剂用量，经济效益显著。
5、先浇筑砂浆、后投入粗骨料的制备工艺，可使所有粒径的粗骨料都被砂浆包裹，进而降低了对粗骨料最小粒径的要求，使粗骨料利用率高，经济性好。
附图说明
图1为部分砂浆倒入模具后示意图；
图2为部分粗骨料投放示意图；
图3为粗骨料被压入砂浆后示意图；
图4为本发明混凝土制备流程示意图；
图5为楼板的几何模型；
图6为固定支座约束下对比例1楼板的应力分布云图；
图7为固定支座约束下对比例2楼板的应力分布云图；
图8为固定支座约束下实施例1楼板的应力分布云图；
图9为可动铰支座约束下对比例1楼板的应力分布云图；
图10为可动铰支座约束下对比例2楼板的应力分布云图；
图11为可动铰支座约束下实施例1楼板的应力分布云图；
其中1-砂浆；2-粗骨料；3-总液面高度；4-楼板钢筋。
具体实施方式
实施例1：本实施例的一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土按质量份数由水泥36 份、硅灰0份、粉煤灰0份、河砂15份、高标碎石200份、高效减水剂0.6份、弓形镀铜钢纤维2.7份和水6.5份制备而成，所述高标碎石弹性模量≥60GPa，且高标碎石中针状、片状碎石占比≤3wt％，所述弓形镀铜钢纤维的直径为0.2mm，长度为15mm。
实施例2：实施例的一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土按质量份数由水泥23.7 份、硅灰1.8份、粉煤灰10.8份、河砂15份、高标碎石200份、高效减水剂0.7份、弓形镀铜钢纤维2.7份和水5.9份制备而成，所述高标碎石弹性模量≥60GPa，且高标碎石中针状、片状碎石占比≤3wt％，所述弓形镀铜钢纤维的直径为0.2mm，长度为15mm。
实施例3：实施例的一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土按质量份数由水泥23.5 份、硅灰0份、粉煤灰12.6份、河砂15份、高标碎石200份、高效减水剂0.5份、弓形镀铜钢纤维2.8份和水6.1份制备而成，所述高标碎石弹性模量≥60GPa，且高标碎石中针状、片状碎石占比≤3wt％，所述弓形镀铜钢纤维的直径为0.2mm，长度为15mm。
制备实施例1-3的低收缩高弹性模量的超高性能混凝土的制备方法按以下步骤进行：
步骤1：将水和高效减水剂预先混合均匀，得到减水剂水溶液；
步骤2：将水泥、河砂依次倒入搅拌机混合搅拌5min，加入减水剂水溶液继续搅拌3min，然后在5-6min内加入弓形镀铜钢纤维，再搅拌5min，得到砂浆；所述砂浆的水胶比为0.17；砂浆流动性要求砂浆从水泥浆稠度测定仪流出的时间≤2min；
步骤3：将砂浆和洗净并烘干的粗骨料分次依次交替的加入到模具中，先加入砂浆，后加入粗骨料，每次加入砂浆的液面高度为粗骨料最大粒径的1.5倍，每次加入粗骨的高度低于总液面高度，加入粗骨料后用铲刀将其压入砂浆内，然后静置80秒，直到砂浆和粗骨料填满整个模具；
步骤4：在40℃下静置12h，静置过程全程覆盖密闭塑料薄膜，然后在60℃下蒸汽养护72h，得到低收缩高弹性模量的超高性能混凝土。
对比例1：本实施例的普通混凝土及其制备方法具体如下：
混凝土按质量份数由水泥50份、河砂60份、高标碎石110份、高效减水剂0.3份、弓形镀铜钢纤维0份和水20份制备而成；
制备步骤：步骤1：水泥、河砂、高标碎石加入搅拌机中，搅拌3min；
步骤2：加入高效减水剂和水，搅拌5min；
步骤3：将混凝土装入模具中，在40℃下静置12h，静置过程全程覆盖密闭塑料薄膜，然后在60℃下蒸汽养护72h，得到普通混凝土。
对比例2：本实施例的现有超高性能混凝土按质量份数由水泥93份、硅灰18份、粉煤灰0份、河砂105份、高标碎石0份、高效减水剂1.9份、弓形镀铜钢纤维11.8份和水 17.8份制备而成；
制备步骤：步骤1：将胶凝材料、硅灰和河砂加入搅拌机混合搅拌5min；
步骤2：将水和减水剂混合均匀倒入搅拌机，搅拌7min；在5-6min内将弓形镀铜钢纤维缓慢加入搅拌机中，再搅拌7min；
步骤3：将混凝土装入模具中，在40℃下静置12h，静置过程全程覆盖密闭塑料薄膜，然后在60℃下蒸汽养护72h，得到传统超高性能混凝土。
检测试验
试验一：对普通混凝土(对比例1)、传统超高性能混凝土(对比例2)和本发明混凝土(实施例1、实施例2、实施例3)进行经济和力学性能对比分析，原材料价格如表1 所示，成本和弹性模量如表2所示。
表1原材料价格
Figure BDA0003206845140000041
Figure BDA0003206845140000051
表2成本和弹性模量
类别 成本(元/m<sup>3</sup>) 弹性模量(GPa)
实施例1 729.4 59.7
实施例2 720.3 58.9
实施例3 705.3 58.0
对比例1 420.2 32.5
对比例2 2241.1 41.4
结果表明，实施例1的弹性模量是对比例1的1.84倍，而成本只是对比例1的1.74倍；实施例2的弹性模量是对比例1的1.81倍，而成本只是对比例1的1.71倍；实施例 3的弹性模量是对比例1的1.78倍，而成本只是对比例1的1.68倍。实施例1的弹性模量比对比例2高44％，而成本只是对比例2的33％；实施例2的弹性模量比对比例2高42％，而成本只是对比例2的32％；实施例3的弹性模量比对比例2高40％，而成本只是对比例2的31％，综上对比，本发明的经济和力学综合指标高于普通混凝土和传统超高性能混凝土。
试验二：结合实际工程，对普通混凝土(对比例1)、传统超高性能混凝土(对比例2)和本发明混凝土(实施例1)制作的预制混凝土楼板进行位移变形、楼板厚度计算，进而对比分析，具体过程如下：
济南某高层装配式住宅，楼板100％预制装配，现对上述三种材料制作的预制楼板进行变形分析和板厚计算，原楼板长度×宽度×厚度为6000mm×2000mm×100mm，竖向荷载设计值为8kN/m3，在进行变形分析时，根据荷载设计值配置楼板钢筋4，然后对上述3 类材料分别通过COMSOL有限元进行几何建模(图5)，得到楼板在荷载作用下两端为固定支座约束下的应力分布云图(图6、图7、图8)、两端为可动铰支座约束下的应力分布云图(图9、图10、图11)，以及在固定和可动铰支座约束下的位移变形计算结果 (表3)、楼板板厚计算结果(表4)。
表3混凝土板的最大位移
Figure BDA0003206845140000052
表4混凝土板的最小厚度
Figure BDA0003206845140000053
Figure BDA0003206845140000061
(1)位移变形对比分析：结果表明，在固定支座约束条件下，对比例1和对比例2 的最大位移分别比实施例1高83.6％、44.1％；在可动铰支座约束条件下，对比例1和对比例2的混凝土的最大位移分别比实施例1高84.5％、44.5％。因此，无论楼板处于固定约束还是可动铰支座约束条件，本发明都可大幅度增强楼板的抵抗变形能力，安全储备更高。
(2)楼板板厚对比分析：保持楼板的长度和宽度、竖向荷载设计值、楼板配筋不变，进行楼板板厚的计算，根据《混凝土结构设计规范》要求：当楼板长度l0＜7米时，楼板挠度限值不得超过l0/200，即该楼板的挠度限值为30mm，经有限元计算得知：在固定支座约束条件下，相对于对比例1和对比例2的混凝土制作的楼板，本发明实施例1的混凝土制作的楼板厚度分别降低了12.8mm、7.3mm；在可动铰支座约束条件下，相对于对比例1和对比例2的混凝土制作的楼板，本发明实施例1的混凝土制作的楼板厚度分别降低了16.4mm、9.6mm。因此，无论是固定约束还是可动铰支座约束，本发明都可较大程度地降低构件截面尺寸。截面尺寸降低，不仅能减轻构件质量，施工方便快捷，而且还大幅降低原材料用量，经济效益显著。

Claims (9)

1.一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土，其特征在于，该混凝土按质量份数由胶凝材料35～37份、砂15份、粗骨料180～220份、减水剂0.5～0.7份、弓形镀铜钢纤维2.7～2.9份和水5.9～6.5份制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土，其特征在于，所述胶凝材料为水泥、粉煤灰、硅灰、矿渣、偏高岭土中的一种或几种的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土，其特征在于，所述粗骨料弹性模量≥60GPa，且粗骨料中针状、片状粗骨料占比≤3wt％。
4.根据权利要求1所述的一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土，其特征在于，所述弓形镀铜钢纤维的直径为0.18mm～0.22mm，长度为13mm～17mm。
5.如权利要求1-4任意一项权利要求所述的一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，该制备方法按以下步骤进行：
步骤1：将水和减水剂预先混合均匀，得到减水剂水溶液；
步骤2：将胶凝材料、砂依次倒入搅拌机混合搅拌5min，加入减水剂水溶液继续搅拌3min，然后在5min～6min内加入弓形镀铜钢纤维，再搅拌5min，得到砂浆；
步骤3：将砂浆和洗净并烘干的粗骨料分次依次交替的加入到模具中，先加入砂浆，后加入粗骨料，加入粗骨料后用铲刀将其压入砂浆内，然后静置80±5秒，直到砂浆和粗骨料填满整个模具；
步骤4：在40±3℃下静置12h，然后在60±3℃下蒸汽养护72h，得到低收缩高弹性模量的超高性能混凝土。
6.根据权利要求5所述的一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，步骤2中所述砂浆的水胶比为0.16～0.19。
7.根据权利要求5所述的一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，步骤2中所述砂浆流动性要求砂浆从水泥浆稠度测定仪流出的时间≤2min。
8.根据权利要求5所述的一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，步骤3中所述每次加入砂浆的液面高度为粗骨料最大粒径的1.5±0.2倍。
9.根据权利要求5所述的一种低收缩高弹性模量的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，步骤3中所述每次加入粗骨料的高度低于总液面高度。
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