CN113773004B

CN113773004B - 含粗骨料超高性能混凝土配方及低成本设计方法

Info

Publication number: CN113773004B
Application number: CN202111144169.0A
Authority: CN
Inventors: 王鑫; 秦雄; 赵皇; 周艳; 闵红平; 湛德; 袁康; 王宗平; 李思洁
Original assignee: China Construction Third Bureau Green Industry Investment Co Ltd
Current assignee: China Construction Third Bureau Green Industry Investment Co Ltd
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2022-06-03
Anticipated expiration: 2041-09-28
Also published as: CN113773004A

Abstract

本发明提供了一种含粗骨料超高性能混凝土配方及低成本设计方法。该设计方法是根据原料配方区间，预先设定好矿粉、石英砂和粗骨料的含量，测定三者混合物的孔隙率，并以此为导向，逐步优化胶凝材料的含量，最终得到不同等级的抗压强度的低成本超高性能混凝土配方。本发明还通过该实验，确定了最佳骨料尺寸区间，在本发明设定的区间内，有助于得到综合性能较优的超高性能混凝土。本发明的导向性简捷，科学指导性强，可以用于制备相对成本较低但仍具有UHPC较强耐久性的多等级UHPC，解决了UHPC性能过好和成本过高所导致的推广困难和性能浪费问题。

Description

含粗骨料超高性能混凝土配方及低成本设计方法

技术领域

本发明涉及混凝土制备技术领域，尤其涉及一种含粗骨料超高性能混凝土配方及低成本设计方法。

背景技术

超高性能混凝土(UHPC)于上世纪七十年代被发明出来，于上世纪九十年代开始得到了广泛的研究和应用。超高性能混凝土由于其远高于普通混凝土的抗压强度和耐久性而具备了很广泛的应用前景，又因为其出色的抗折和抗拉能力，使得UHPC具备了部分取代钢筋的潜力。

相比于普通混凝土，UHPC利用了紧密堆积原理，将不同粒径的颗粒用最佳的比例组合在一起，以实现不同粒径之间的填充。UHPC中通常没有粗骨料，只有强度较高的细骨料，高标号水泥，矿粉以及少量的硅灰，将这些粉料按一定的比例组合在一起，并加入高效减水剂，就可以获得致密、高强、高耐久的活性粉末混凝土(RPC)，再加入某类增韧纤维(如钢纤维、有机纤维、玻璃纤维)，就得到了具有一定抗折强度和抗拉强度的UHPC。

UHPC已经有了二十来年的推广和应用历史，但是由于成本较高使得其应用场景较少，推广受阻。究其原因，主要是为了同时实现高抗压强度、高耐久，使用了大量的高标号矿粉和硅灰，导致成本大幅提高。事实上，对于大多数应用场景，只需要UHPC一个或两个高性能，比如某些工程只需要UHPC的耐腐蚀能力，有的工程只需要UHPC的耐磨能力，还有的应用只需要UHPC的弹性模量高的能力，但是一旦使用了UHPC，就相当于承担了实现所有优秀性能的成本，这样一来一方面会使得在单个场景使用UHPC的性价比降低，另一方面也会导致很大程度的性能浪费。

另一方面，UHPC由于活性粉末含量很高，同时细度较高，因此反应迅速。而UHPC的水灰比相对较低，这就导致UHPC在水化反应的速度快且程度剧烈，造成了较大的自收缩，特别是在反应初期。自收缩较高就可能造成混凝土的开裂。虽然很多UHPC研究机构和厂商推荐高温蒸汽养护来解决自缩问题，但对大多数施工现场和构件生产厂来说，并不具备提供高温或蒸养的生产或施工条件。

因此，需要提供更为经济的UHPC配方来降低UHPC的成本，同时需要在配比或养护制度上采取措施避免自缩，这样才能降低UHPC的使用门槛，有助于UHPC的推广和应用。

有鉴于此，有必要设计一种改进的含粗骨料超高性能混凝土配方及低成本设计方法，以解决上述问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种含粗骨料超高性能混凝土配方及低成本设计方法。可以用于制备相对成本较低但仍具有UHPC较强耐久性的多等级UHPC，解决了UHPC性能过好和成本过高所导致的推广困难和性能浪费问题。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种含粗骨料超高性能混凝土配方的低成本设计方法，所述含粗骨料超高性能混凝土配方按成型后的质量体积含量包括水泥500-800kg/m³、矿粉0-300kg/m³、石英砂500-1000kg/m³、粗骨料0-500kg/m³、外加剂和水；

所述设计方法包括以下步骤：

S1.选取CaO含量在65％-70％之间，SiO₂在20％-23％之间，Al₂O₃的含量在4-8％之间，比表面积≥350的水泥；选取比重在2.6-2.7g/cm³的石英砂；

S2.根据上述配方区间，预先选定矿粉、石英砂和粗骨料的含量，并测定该含量下矿粉、石英砂和粗骨料组成的混合骨料的孔隙率；

S3.根据步骤S2得到的所述孔隙率确定胶凝材料的用量区间，并分别选定最小、最佳、最高胶凝材料用量；

S4.通过对不同胶凝材料用量的试验，测定其对应的流动度和抗压强度，最终选取最佳的胶凝材料用量，即得到含粗骨料超高性能混凝土配方。

作为本发明的进一步改进，所述粗骨料的质量含量为所述石英砂质量的0-20％。

作为本发明的进一步改进，所述矿粉、石英砂、粗骨料的筛余量满足如下条件：骨料尺寸大于26.5mm的含量为0-8％；骨料尺寸在12.7-19mm的含量为3.5％-10％，骨料尺寸在4.75-9.5mm的含量为3.5％-20％；骨料尺寸在2.36-4.75mm的含量为0-12.5％；骨料尺寸在0.600-1.18mm的含量为3.5％-30％；骨料尺寸在0.150-0.300mm的含量为0-20％。

作为本发明的进一步改进，所述粗骨料为石灰石、鹅卵石或玄武石中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述粗骨料的粒径为5-16mm。

作为本发明的进一步改进，在步骤S4中，所述流动度的区间范围为250mm-300mm。

作为本发明的进一步改进，在步骤S4中，所述抗压强度为100-150MPa。

作为本发明的进一步改进，所述抗压强度为100MPa时，粗骨料含量为20.0％；所述抗压强度为120MPa时，粗骨料含量为17.5％；所述抗压强度为130MPa时，粗骨料含量为15.0％；所述抗压强度为140MPa时，粗骨料含量为12.5％；所述抗压强度为150MPa时，粗骨料含量为10.0％。

作为本发明的进一步改进，所述矿粉为S115超细矿粉。

作为本发明的进一步改进，所述外加剂包括聚羧酸减水剂、消泡剂、稳定剂和引气剂。

本发明还提供了一种含粗骨料超高性能混凝土配方，所述配方中，骨料尺寸满足：骨料尺寸大于26.5mm的含量为0-8％；骨料尺寸在12.7-19mm的含量为3.5％-10％，骨料尺寸在4.75-9.5mm的含量为3.5％-20％；骨料尺寸在2.36-4.75mm的含量为0-12.5％；骨料尺寸在0.600-1.18mm的含量为3.5％-30％；骨料尺寸在0.150-0.300mm的含量为0-20％。

作为本发明的进一步改进，所述配方中，骨料尺寸满足：骨料尺寸大于26.5mm的含量为0.2％；骨料尺寸在12.7-19mm的含量为4％，骨料尺寸在4.75-9.5mm的含量5％；骨料尺寸在2.36-4.75mm的含量为7.5％；骨料尺寸在0.600-1.18mm的含量为30％；骨料尺寸在0.150-0.300mm的含量为8％。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供的含粗骨料超高性能混凝土配方的低成本设计方法，以含粗骨料的混凝土配方为基础，预先设定好矿粉、石英砂和粗骨料的含量，测定三者混合物的孔隙率，并以此为导向，逐步优化胶凝材料的含量，最终得到不同等级的抗压强度的低成本超高性能混凝土配方。相比现有技术中，通常以成型的混凝土性能为导向，逐步优化配方，本发明的导向性更简捷，科学指导性较强，可以用于制备相对成本较低但仍具有UHPC较强耐久性的多等级UHPC，解决了UHPC性能过好和成本过高所导致的推广困难和性能浪费问题。

2.本发明在超高性能混凝土中加入了粗骨料，并使用拓展度、流动度来进行配合比设计，在可以达到工作性能要求的同时尽量减少胶凝材料特别是水泥的用量，降低了UHPC的成本，并有效降低了因胶凝材料过多而产生的自缩问题。

附图说明

图1为本发明骨料尺寸筛余量最佳区间及一组骨料尺寸设计实施例；

图2为本发明骨料尺寸筛余量最佳区间及另一组骨料尺寸设计实施例。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在具体实施例中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明提供的一种含粗骨料超高性能混凝土配方的低成本设计方法，含粗骨料超高性能混凝土配方按成型后的质量体积含量包括水泥500-800kg/m³、矿粉0-300kg/m³、石英砂500-1000kg/m³、粗骨料0-500kg/m³、外加剂和水。

具体配方设计包括以下步骤：

S1.首先根据水泥的XRD化学成分测量结果来选取水泥，优选选取CaO含量在65％-70％之间，SiO₂在20％-23％之间，Al₂O₃的含量在4-8％之间，比表面积≥350的水泥，例如525水泥；选取比重在2.6-2.7g/cm³的石英砂；

S2.根据上述配方区间，预先选定矿粉、石英砂和粗骨料的含量，并测定该含量下矿粉、石英砂和粗骨料组成的混合骨料的孔隙率；孔隙率测定方法为：将矿粉、石英砂、粗骨料根据设计比例填入固定体积的容器中，并测量填充后的重量，多次测量后取平均值，根据各组分的密度、重量计算出其体积，并根据容器体积和固体体积之差计算出孔隙率。

S3.根据步骤S2得到的孔隙率确定胶凝材料的用量区间，并分别选定最小、最佳、最高胶凝材料用量；胶凝材料指包含水泥在内的胶结料。其中，通常矿粉、石英砂和粗骨料组成的混合骨料的孔隙率越小，胶凝材料的用量越小，孔隙率越大，胶凝材料的用量越大。根据预设的孔隙率区间，确定胶凝材料用量区间，并通过步骤S4中流动度的对比，进一步确定胶凝材料最终的用量。

本发明通过采用上述技术方案，以含粗骨料的混凝土配方为基础，预先设定好矿粉、石英砂和粗骨料的含量，测定三者混合物的孔隙率，并以此为导向，逐步优化胶凝材料的含量，最终得到不同等级的抗压强度的低成本超高性能混凝土配方。相比现有技术中，通常以成型的混凝土性能为导向，逐步优化配方，本发明的导向性更简捷，科学指导性较强，可以用于制备相对成本较低但仍具有UHPC较强耐久性的多等级UHPC，解决了UHPC性能过好和成本过高所导致的推广困难和性能浪费问题。

在步骤S4中，流动度的区间范围为250mm-300mm。在一些实施方式中，还测定泌水程度以及浆料对骨料的包裹程度，包裹程度通常通过肉眼判断，无明显砂粒感和粗骨料完全包裹在浆料里。

粗骨料的质量含量优选为石英砂质量的0-20％。粗骨料为石灰石、鹅卵石或玄武石中的一种或多种。粗骨料的粒径为5-16mm。

在步骤S4中，抗压强度为100-150MPa。具体地，制备抗压强度为100MPa的超高性能混凝土时，粗骨料含量为20.0％；制备抗压强度为120MPa的超高性能混凝土时，粗骨料含量为17.5％；制备抗压强度为130MPa的超高性能混凝土时，粗骨料含量为15.0％；制备抗压强度为140MPa的超高性能混凝土时，粗骨料含量为12.5％；制备抗压强度为150MPa的超高性能混凝土时，粗骨料含量为10.0％。在此种粗骨料含量配方下，逐步对胶凝材料的用量进行优化，最终成本显著降低。如下表所示，为本发明得到的一组不同等级抗压强度对应的粗骨料含量及成本。相比现有技术的超高性能混凝土，成本显著降低，且能满足不同应用场景对特定性能的要求，拓展了超高性能混凝土的应用空间。

抗压强度MPa	粗骨料含量	水泥	成本元/吨
				常规UHPC	0	1	2500
150	10.0％	0.98	2150
				140	12.5％	0.94	2022
130	15.0％	0.91	1982
				120	17.5％	0.89	1950
100	20.0％	0.85	1834

优选地，如图1所示，矿粉、石英砂、粗骨料的筛余量满足如下条件：骨料尺寸大于26.5mm的含量为0-8％；骨料尺寸在19-26.5mm的含量为0-10％；骨料尺寸在12.7-19mm的含量为3.5％-10％；骨料尺寸在9.5-12.7mm的含量为3.5％-15％；骨料尺寸在4.75-9.5mm的含量为3.5％-20％；骨料尺寸在2.36-4.75mm的含量为0-12.5％；骨料尺寸在1.18-2.36mm的含量为0-12.5％；骨料尺寸在0.600-1.18mm的含量为3.5％-30％；骨料尺寸在0.300-0.600mm的含量为3.5％-30％；骨料尺寸在0.150-0.300mm的含量为0-20％。

本发明大量实验结果表明，在图1所示的骨料尺寸区间内，得到的超高性能混凝土具有较佳的性能。

矿粉优选为S115超细矿粉。

外加剂包括具有和易性(包含流动性、粘聚性及保水性)的聚羧酸减水剂、消泡剂、稳定剂和引气剂。

实施例1

一种含粗骨料超高性能混凝土配方的低成本设计方法，

S1.选取CaO含量在65％-70％之间，SiO₂在20％-23％之间，Al₂O₃的含量在4-8％之间，比表面积≥350的水泥；选取比重在2.6-2.7g/cm³的石英砂。

S2.预先选定矿粉、石英砂和粗骨料的含量，矿粉200kg/m³、石英砂800kg/m³、粗骨料160kg/m³，选取不同骨料尺寸组成的配方，并测定该含量下矿粉、石英砂和粗骨料组成的混合骨料的孔隙率；如图1和2所示，为两组骨料尺寸组成；图中，虚线是通过多次实验找到的最佳骨料组合区间，实线为某骨料组合实例。测试结果表明，图1中矿粉、石英砂和粗骨料的混合骨料孔隙率为9.2％，图2中孔隙率为12％；因此选用图1中孔隙率更小的骨料组合，从而预先确定矿粉、石英砂和粗骨料的尺寸组合及相应含量。

S3.根据步骤S2得到的所述孔隙率确定胶凝材料的用量区间，最终使用600kg/m³、650kg/m³和700kg/m³的胶凝材料进行实验。

S4.通过对不同胶凝材料用量的试验，测定其对应的流动度和抗压强度，最终选取最佳的胶凝材料用量，确定600kg/m³的胶凝材料用量可以满足250mm的流动度要求，固确定600kg/m³为最佳胶凝材料用量。即得到含粗骨料超高性能混凝土配方：矿粉200kg/m³、石英砂800kg/m³、粗骨料160kg/m³，水泥600kg/m³。其他外加剂和水的含量按现有技术的含量区间进行合理设计。

从实验结果看，图1中强度为151.2MPa，图2中强度为149.6MPa，但图1的流动度为250mm，满足流动性要求，而图2流动性仅为213mm，且部分骨料未完全包裹，不符合流动度要求。由此说明，在本发明限定的骨料尺寸区间内，对骨料尺寸含量进行限定，有助于得到综合性能较优的超高性能混凝土。

综上所述，本发明以含粗骨料的混凝土配方为基础，预先设定好矿粉、石英砂和粗骨料的含量，测定三者混合物的孔隙率，并以此为导向，逐步优化胶凝材料的含量，最终得到不同等级的抗压强度的低成本超高性能混凝土配方。相比现有技术中，通常以成型的混凝土性能为导向，逐步优化配方，本发明的导向性更简捷，科学指导性较强，可以用于制备相对成本较低但仍具有UHPC较强耐久性的多等级UHPC，解决了UHPC性能过好和成本过高所导致的推广困难和性能浪费问题。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种含粗骨料超高性能混凝土配方的低成本设计方法，其特征在于，所述含粗骨料超高性能混凝土配方按成型后的质量体积含量包括水泥500-800kg/m³、矿粉0-300 kg/m³、石英砂500-1000 kg/m³、粗骨料0-500 kg/m³、外加剂和水；其中，所述矿粉和所述粗骨料的添加量大于0；

所述设计方法包括以下步骤：

S1.选取CaO含量在65%-70%之间，SiO₂含量在20%-23%之间，Al₂O₃的含量在4-8%之间,比表面积≥350的水泥；选取比重在2.6-2.7g/cm³的石英砂；

S4.通过对不同胶凝材料用量的试验，测定其对应的流动度和抗压强度，最终选取最佳的胶凝材料用量，即得到含粗骨料超高性能混凝土配方；

所述矿粉、石英砂、粗骨料的筛余量满足如下条件：骨料尺寸大于26.5mm的含量为0-8%；骨料尺寸在12.7-19mm的含量为3.5%-10%，骨料尺寸在4.75-9.5mm的含量为3.5%-20%；骨料尺寸在2.36-4.75mm的含量为0-12.5%；骨料尺寸在0.600-1.18mm的含量为3.5%-30%；骨料尺寸在0.150-0.300mm的含量为0-20%。

2.根据权利要求1所述的含粗骨料超高性能混凝土配方的低成本设计方法，其特征在于，所述粗骨料的质量含量为所述石英砂质量的0-20%。

3.根据权利要求1所述的含粗骨料超高性能混凝土配方的低成本设计方法，其特征在于，所述粗骨料为石灰石、鹅卵石或玄武石中的一种或多种；所述粗骨料的粒径为5-16mm。

4.根据权利要求1所述的含粗骨料超高性能混凝土配方的低成本设计方法，其特征在于，在步骤S4中，所述流动度的区间范围为250mm-300mm。

5.根据权利要求1所述的含粗骨料超高性能混凝土配方的低成本设计方法，其特征在于，在步骤S4中，所述抗压强度为100-150MPa。

6.根据权利要求1所述的含粗骨料超高性能混凝土配方的低成本设计方法，其特征在于，所述抗压强度为100MPa时，粗骨料含量为20.0%；所述抗压强度为120MPa时，粗骨料含量为17.5%；所述抗压强度为130MPa时，粗骨料含量为15.0%；所述抗压强度为140MPa时，粗骨料含量为12.5%；所述抗压强度为150MPa时，粗骨料含量为10.0%。

7.根据权利要求1所述的含粗骨料超高性能混凝土配方的低成本设计方法，其特征在于，所述矿粉为S115超细矿粉；所述外加剂包括聚羧酸减水剂、消泡剂、稳定剂和引气剂。