CN113735534A - 可喷射uhtcc及其制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可喷射UHTCC，其特征在于：除高强、高弹模合成纤维（PVA纤维或PE纤维）按体积比1.5~2.5%，其余按质量百分比，它由以下原材料制备而成：水18~21.5%、水泥20~26%、粉煤灰25.5~50%、硅粉1~2%、细砂5~20%、膨胀珍珠岩粉0.1~0.3%、可再分散乳胶粉0.4~0.55%、外加剂0.5%~0.9%（其中：减水剂0.05~0.15%、缓凝剂0.15~0.2%、触变剂0.1~0.3%、引气剂0.05~0.15%、防水剂0.07~0.15%、憎水剂0.08~0.15%）。本发明制备方法及工艺简单易行，采用搅拌机搅拌5~10min即可制备出收缩性能、拉伸性能、抗裂性能优异等优点的可喷射UHTCC材料。

Description

可喷射UHTCC及其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及可喷射超高韧性水泥基复合材料(Ultra High PerformanceCementitious Composite，简称UHTCC)技术，具体涉及一种可喷射UHTCC及其制备方法及应用。

背景技术

近年来，喷射UHTCC由于具有施工高效和超高韧性的特点在我国发展迅速，已大量应用于桥梁、隧道和水利等工程领域，但大部分仍然使用的是以传统硅酸盐水泥为基础的可喷射UHTCC复合材料，存在着早期强度低、收缩大等缺点，为此需要研制一种能耗低、耐久性好的可喷射UHTCC复合材料。

传统硅酸盐水泥生产过程中能耗高、CO₂排放量大、对资源和环境造成了巨大的浪费和污染，阻碍了社会和经济的可持续发展传统等缺点，为此水泥行业从业人员研制出了低排放、耐久性好的高贝利特水泥。然而由于高贝利特水泥水化速率很慢导致高贝利特水泥早期强度较低，限制了该水泥在实际中的应用。快硬高贝利特硫铝酸盐水泥具有快凝快硬、早强、后期强度高、微膨胀、低干缩、抗腐蚀等诸多优点，因此可以选用快硬高贝利特硫铝酸盐水泥作为喷射UHTCC的水泥材料。

喷射UHTCC由于：1)在较高的喷射压力作用下密实度明显高于浇筑型UHTCC，由此造成其初始缺陷数量远少于浇筑UHTCC，进而导致其应变硬化性能低于后者；2)其使用环境通常很难保证良好的养护条件，过早和过快失水很容易造成UHTCC发生收缩开裂及空鼓现象。为保证UHTCC拥有良好的应变硬化性能、与既有结构粘结牢固并降低其现场养护要求，引入一种既能为UHTCC补充初始缺陷，又能为材料提供内养护机制的填料是十分必要的。膨胀珍珠岩粉具有良好的稳定性和多孔结构，可作为内养护剂兼初始缺陷，其引入有助于改善喷射UHTCC的应变硬化性能特性并降低现场养护要求。

专利公布号CN106380147B公开了一种耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，按重量百分比计，它由以下原料制备而成：0.6～6％的增强纤维、7.5～72％的水泥、0～79％的矿物掺合料、0～40％的细骨料、8～24％的水和0.3～1.5％的外加剂；所述的增强纤维至少包含玄武岩纤维。其在高温下仍具有良好的力学性能，但由于未额外引入初始缺陷，其应变硬化性能受到了一定程度的限制，而未采用任何内养护技术也对其现场养护提出了更高的要求，与既有结构容易出现空鼓现象，材料自身也容易出现收缩开裂，进而降低实际使用效果。

因此，选择掺入膨胀珍珠岩粉制备一种综合性能良好的可喷射快硬UHTCC势在必行。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可喷射UHTCC及其制备方法。

本发明提供了如下的技术方案：

可喷射UHTCC，其特征在于：包括材料A和材料B混合而成，其中：

材料A按质量百分比，它由以下原材料制备而成：水18～21.5％、水泥20～26％、粉煤灰25～50％、硅粉1～2％、细砂5～20％、膨胀珍珠岩粉0.1～0.3％、可再分散乳胶粉0.4～0.55％、外加剂0.5％～0.9％(其中：减水剂0.05～0.15％、缓凝剂0.15～0.2％、触变剂0.1～0.3％、引气剂0.005～0.015％、防水剂0.07～0.15％、憎水剂0.08～0.20％)；

材料B为合成纤维，所述合成纤维按材料A的体积比1.5～2.5％与材料A进行混合。

上述材料中，所述水泥为42.5快硬高贝利特硫铝酸盐水泥；主要矿物为硅酸二钙、硫铝酸钙含量较低，没有硅酸三钙矿物，所以水化放热总量低，其具有体积变化率极小、抗开裂性能极为优异、水化放热总量低、耐久性好等优点，并且快硬的特点更加适合可喷射性能的要求。

上述材料中，粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；主要是考虑到Ⅰ级粉煤灰的需水量小、对外加剂的吸附少，同时活性高对强度更有利。

上述材料中，喷射UHTCC中没有粗骨料，仅使用精细砂作为细骨料，精细砂的最大粒径不超过0.315mm。

上述材料中，所述外加剂中减水剂采用聚梭酸系高效减水剂4930F，其表观形态为淡黄色粉末，分散性良好；所述缓凝剂为硼酸(柠檬酸钠)；触变剂为987；引气剂为AE-10(10G-3)；防水剂为NT-10；憎水剂为Powder D。

所述合成纤维为PVA纤维或PE纤维，其中：

PVA纤维的抗拉强度不低于800MPa，弹性模量不低于30GPa；

PE纤维的抗拉强度不低于2000MPa，弹性模量不低于80GPa

上述材料中，优选PVA纤维，性能参数下表1。

表1 PVA纤维性能参数

上述材料中，水为自来水或饮用水，符合《混凝土用水标准》(JGJ63-2016)的要求。

本发明的可喷射UHTCC，可以用于钢筋混凝土的结构中，也可以用在建筑物的墙体内。

此外，本发明还提出了一种可喷射UHTCC复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤，

1)按质量百分比取水泥、粉煤灰、精细砂、硅粉混合干拌搅拌均匀得到混合原料；

2)将减水剂、缓凝剂等外加剂加入步骤1)混合原料中，干拌搅拌均匀得到混合料；

3)向将步骤2)得到的混合料中加入质量百分比中的60％水，搅拌1min后加入剩余水继续充分搅拌得到均匀浆体即材料A；

4)调节搅拌速度，向步骤3)得到的浆体中按体积比缓慢且均匀地加入PVA纤维或PE纤维，搅拌2-3min至纤维均匀分布即可制成UHTCC新鲜拌合物。

上述的可喷射UHTCC复合材料制备方法中，步骤1)中混合原料加入行星式搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为60～90s；步骤2)中减水剂、缓凝剂等外加剂加入过程中，先暂停搅拌，将外加剂加入至混合原料内部，然后慢搅30～60S；步骤4)中PVA纤维需均匀加入，加入过程在30～60S内完成。

此外，本发明还提出了一种通过可喷射UHTCC复合材料制备方法制备出的可喷射UHTCC复合材料的喷射施工方法，包括如下步骤，

1)将制备得到的新鲜拌合物倒入到喷射机的盛料口中，然后进行喷射施工；

材料从喷射机的盛料口被推入泵的输送管，并以恒定的泵送压力沿管道到达管嘴管内，压强控制在0.1MPa以下；

空气压缩机连接在管嘴的外部，并外接储气罐，压缩空气从此处进入喷嘴，并以一定的初始速度将材料推出喷嘴进入模板内，其中：喷射时压强控制在0.4-0.6MPa左右，使材料分布较为均匀。

本发明由于采用了快硬高贝利特水泥的可喷射UHTCC复合材料，具有制备工艺简单、施工工艺高效、工作性与力学性能优异等优点，在工程实际中有广泛应用前景，具有如下优点：

1.本发明制备方法及工艺简单易行，采用行星式混凝土搅拌机搅拌5～8min即可制备出收缩性能、拉伸性能、抗裂性能优异等优点的可喷射UHTCC复合材料。

2.本发明在各种外加剂的协同作用下，能够实现喷射和施工过程中对于可喷射UHTCC复合材料不同的喷射性能要求。

3.选用快硬的高贝利特硫铝酸盐水泥使得可喷射UHTCC具有早强、低收缩、耐硫酸盐侵蚀等特点，对于结构加固、抢修等领域都有十分重要的工程意义。

4.掺入膨胀珍珠岩粉作为内养护剂兼初始缺陷，初始缺陷的引入有助于改善喷射UHTCC的应变硬化性能，同时膨胀珍珠岩的内部孔隙多孔吸水的特性有利于喷射UHTCC的喷射施工。

附图说明

图1实例1直接拉伸28d应力-应变曲线；

图2对比实例1直接拉伸28d应力-应变曲线；

图3扫描电子显微镜下观察结果一；

图4扫描电子显微镜下观察结果二；

具体实施方式

以下实施例中所用原料均为以下要求：

水泥：传统硅酸盐水泥存在着能耗高、CO₂排放量大、耐久性能差等缺点，因此选择了42.5快硬硫铝酸盐高贝利特水泥，主要矿物为硅酸二钙、硫铝酸钙含量较低，没有硅酸三钙矿物，所以水化放热总量低，其具有体积变化率极小、抗开裂性能极为优异、水化放热总量低、耐久性好等优点，并且快硬的特点更加适合可喷射性能的要求。

粉煤灰：本试验选用Ⅰ级粉煤灰，主要是考虑到Ⅰ级粉煤灰的用量更大、外加剂的需求量更小，同时Ⅰ级粉煤灰细度、需水量要求更高。

精细砂:喷射UHTCC中没有粗骨料，仅使用精细砂作为细骨料，细度为70-140目，SiO₂含量为98.3％，Al₂O₃为0.12％，Fe₂O₃为0.13％。

减水剂：采用聚梭酸系高效减水剂4930F(美国巴斯夫美尔福斯公司生产的Melflux 4930F)，其表观形态为淡黄色粉末，分散性良好。

缓凝剂为硼酸(供应商为无锡市展望化工试剂有限公司)、柠檬酸钠(供应商为常州百运渡化工有限公司)，触变剂为987(供应商为美国ROCKWOOD公司的

987)，引气剂AE-10(供应商为德国马科姆公司的FLOTAGE^TMAE-1)、10G-3(供应商为广州市聚朗化工有限公司的高纯EMAL 10G-3)，防水剂为NT-10(供应商为美国洛克伍德公司生产的

NT10)，憎水剂为Powder D(供应商为德国SILRES公司)。

所述合成纤维为PVA纤维或PE纤维，其中：

PVA纤维的抗拉强度不低于800MPa，弹性模量不低于30GPa；

PE纤维的抗拉强度不低于2000MPa，弹性模量不低于80GPa。

实施例1-5为本发明可喷射UHTCC配料配合比见表2,材料的性能试验结果见表3.

表2—1：材料A的实施案例1-5配合比(质量占比％)

表2—2：材料B的实施案例1-5配合比(体积占比％),和材料A对应；

12mmPVA

1.5％

2％

1.8％

2％

2.5％

表3：实施案例1-5性能试验结果

项目	实例1	实例2	实例3	实例4	实例5
						坍落度/cm	7.8	18.5	9.6	12.3	14.6
初凝时间/min	45	70	55	65	70
						终凝时间/min	65	105	80	85	90
28d抗压强度/MPa	43.03	24.78	37.68	28.98	32.56
						28d拉伸强度/MPa	3.48	2.86	3.36	3.29	3.15
28d极限拉应变/％	1.5	2.56	1.88	2.02	2.38
						28d自由膨胀率φ/10<sup>-6</sup>	768	686	743	724	702

经检测，本发明的可喷射快硬高贝利特硫铝酸盐水泥可喷射UHTCC性能可达到以下标准：

1、强度：养护28天后，抗压强度达24.78MPa～43.03MPa，材料抗拉强度达2.36MPa～3.48MPa。

2、延性：养护28天后，材料抗拉极限延伸率高达1.50％～2.76％，而普通混凝土和纤维混凝土极限延伸率仅为0.01％左右。

3、自由膨胀率：养护28天后，材料自由膨胀率比硅酸盐水泥大2倍以上，收缩变形小。

4、流动性和凝结时间：流动性良好，快硬快凝的特点方便喷射施工。

对比案例1-5为本发明可喷射UHTCC配料配合比对比实施案例1-5配合比请见表4,材料的性能试验结果见表5。

表4-1：材料A对比案例1-5配合比(质量占比％)

原材料	对比实例1	对比实例2	对比实例3	对比实例4	对比实例5
						水	18％	21.5％	19.5％	20.5％	20％
水泥	23％	0％	22％	23％	24％
						硅酸盐水泥	0％	24.5％	0％	0	0％
粉煤灰	35％	29.5％	37.5％	36.5％	32％
						硅粉	1.5％	1％	1.5％	2％	2％
细砂	20％	19.7％	15％	16.8％	18％
						减水剂	0.05％	0.1％	0.05％	0.15％	0.15％
缓凝剂	0.15％	0.2％	0.15％	0.2％	0.2％
						膨胀珍珠岩	0.10％	0.5％	1％	2％	0.3％
胶粉	0.4％	0.4％	0.3％	0.35％	0.35％
						触变剂	0.10％	0.20％	0.3％	0.1％	0.1％
引气剂	0.005％	0.01％	0.015％	0.01％	0.01％
						防水剂	0.07％	0.1％	0.15％	0.15％	0.15％
憎水剂	0.08％	0.1％	0.1％	0.15％	0.15％

表4—2：材料B对比案例1-5配合比(体积占比％)，和材料A对应；

12mmPVA	0％	2％	1.8％	2％	2.5％
						8mmPVA	1.5％	0％	0％	0	0

对比实例一采用不同长度的纤维，对比实例二采用不同的水泥，对比实例三、四采用不同掺量的膨胀珍珠岩粉末，对比实例五采用不同掺量的粉煤灰。

表5对比案例1-5性能试验结果

由表5可知：(1)对比实例1纤维长度的增长对喷射UHTCC拉伸强度和极限拉应变影响很大，其中极限拉应变提升最为明显，多缝开裂现象也明显提升。(2)对比实例2快硬高贝利特硫铝酸盐水泥的掺入使喷射UHTCC复合材料抗压强度有明显的增强(3)对比实例2、3、4可知膨胀珍珠掺量为3％之前对会明显改善材料的拉伸强度和极限拉应变。(4)粉煤灰用量提高极限拉应变会显著提高。

图3为扫描电子显微镜下膨胀珍珠岩粉微观结构观察结果，如图所示膨胀珍珠岩粉颗粒属于多孔结构，可吸水再防水具备自养护功能，内含的封闭孔可作为喷射UHTCC的初始缺陷。

图4为扫描电子显微镜下膨胀珍珠岩粉颗粒在砂浆的微观结构观察结果，如图所示基体内，膨胀珍珠岩粉末颗粒周围水泥水化产物较为致密，内养护功能明显，颗粒周围少许明显的空隙可作为喷射UHTCC的初始缺陷。

综上，本发明的喷射UHTCC在选用了快硬高贝利特硫铝酸盐水泥和掺入膨胀珍珠岩粉末后，在保证了流动性和抗压强度的基础上，拉伸强度和极限拉应变都得到了明显的改善，初始缺陷的引入有助于改善喷射UHTCC的应变硬化性能，多缝开裂现象明显，具有实际工程效益。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.可喷射UHTCC，其特征在于：包括材料A和材料B混合而成，其中：

材料A按质量百分比，它由以下原材料制备而成：水18~21.5%、水泥20~26%、粉煤灰25~50%、硅粉1~2%、细砂 5~20%、膨胀珍珠岩粉 0.1~0.3%、可再分散乳胶粉 0.4~0.55%、外加剂0.5%~0.9%（所述外加剂中：减水剂0.05~0.15%、缓凝剂0.15~0.2%、触变剂0.1~0.3%、引气剂0.005~0.015%、防水剂0.07~0.15%、憎水剂0.08~0.20%）;

材料B为合成纤维，所述合成纤维按材料A的体积比1.5~2.5%与材料A进行混合。

2.根据权利要求1所述的可喷射UHTCC，其特征在于：所述水泥为快硬高贝利特硫铝酸盐水泥；

粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；

所述细砂为精细砂，精细砂的最大粒径小于0.315mm；

所述合成纤维为PVA纤维或PE纤维，其中：

PVA纤维的抗拉强度不低于800MPa，弹性模量不低于30GPa；

PE纤维的抗拉强度不低于2000MPa，弹性模量不低于80GPa。

3.根据权利要求1所述的可喷射UHTCC，其特征在于：所述防水剂采用粘土改性类防水剂；

憎水剂为硅烷类防水剂。

4.一种钢混结构，其特征在于，包括如权利要求1-3中所述的可喷射UHTCC。

5.一种墙体，其特征在于，，包括如权利要求1-3中所述的可喷射UHTCC。

6.一种如权利要求1所述的可喷射UHTCC复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，

1)按质量百分比取水泥、粉煤灰、精细砂、硅粉混合干拌搅拌均匀得到混合原料；

2)将减水剂、缓凝剂等外加剂加入步骤1）混合原料中，干拌搅拌均匀得到混合料；

3)向将步骤2）得到的混合料中加入质量百分比中的60%水，搅拌1min后加入剩余水继续充分搅拌得到均匀浆体即材料A；

4)向步骤3得到的浆体中按体积比缓慢且均匀地加入PVA纤维或PE纤维，搅拌2~3min至纤维均匀分布即可制成UHTCC新鲜拌合物。

7.根据权利要求1所述的可喷射UHTCC复合材料制备方法，其特征在于：步骤1)中混合原料加入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为60~90s；

步骤2)中减水剂、缓凝剂等外加剂加入过程中，先暂停搅拌，将外加剂加入至混合原料内部，然后慢搅30~60S；

步骤4)中PVA纤维需均匀加入，加入过程在30~60S内完成。

8.可喷射UHTCC复合材料的喷射施工方法，其特征在于，包括如下步骤，

1）将权利要求6制备得到的新鲜拌合物倒入到喷射机的盛料口中，然后进行喷射施工；

材料从喷射机的盛料口被推入泵的输送管，并以恒定的泵送压力沿管道到达管嘴管内，压强控制在0.1MPa以下；

空气压缩机连接在管嘴的外部，并外接储气罐，压缩空气从此处进入喷嘴，并以一定的初始速度将材料推出喷嘴进入模板内，其中：喷射时压强控制在0.4-0.6MPa左右，使材料分布较为均匀。

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