CN113816685A - 一种超高强超高韧性混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种超高强超高韧性混凝土及其制备方法，该混凝土由以下原料混配制成：水泥、硅灰、纳米碳酸钙、细骨料、水、聚羧酸盐减水剂和钢纤维；所述水泥、硅灰、细骨料、水和聚羧酸盐减水剂的重量份配比分别为：水泥92~100份，硅灰20~30份，纳米碳酸钙1~5份，细骨料100~110份，水10~25份和聚羧酸盐减水剂2~5份；所述钢纤维在所述超高强超高韧性混凝土中的体积掺量为1~4%。本发明在超高强超高韧性混凝土内掺杂钢纤维和纳米CaCO3，宏观方面保证钢纤维对UHPC的增强增韧作用，纳/微观方面提高超高强超高韧性混凝土的密实度并改善混凝土内部的水化产物的质量，最终显著改善纤维‑基体粘结性及硬化超高强超高韧性混凝土的强度和韧性。

Description

一种超高强超高韧性混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种混凝土及其制备方法，具体涉及一种超高强超高韧性混凝土及其制备方法。
背景技术
超高性能混凝土是一种非常密实、高强高韧，良好耐久的新型水泥基复合材料，在工程实践中具有广泛的应用前景。超高性能混凝土的优异性能主要通过以下几方面实现：提高颗粒的堆积密度、使用高效减水剂降低孔隙率；减小骨料尺寸、使用高温养护增加匀质性；掺高弹模高强纤维提高强度、韧性并改善延性。超高性能混凝土一般采用钢纤维，纤维的掺入会改善基体开裂后的力学性能，但是会引入纤维-基体界面过渡区。此界面过渡区由于氢氧化钙定向排列、泌水效应等，通常具有孔隙率比基体高、显微硬度比基体低等问题。当外界荷载作用于超高性能混凝土时，基体首先承载，荷载通过纤维-基体界面区传递给纤维，利用纤维和基体的界面性能共同承受荷载。因此，纤维-基体界面的粘结质量对应力的传递及超高性能混凝土的增强、增韧和阻裂作用至关重要。也因此，如何提高纤维-基体界面过渡区的粘结质量，以改善超高性能混凝土的抗拉/抗折强度和韧性是本领域技术人员面临的重要课题。
CN111792895A公开了一种掺偏高岭土和氧化镁的高韧性超高性能混凝土及其制备方法，所述超高性能混凝土按重量比包括水泥：粉煤灰：硅灰：石英砂：不锈钢微丝：纳米填料：水：减水剂＝1：0.2～0.4：0.2～0.4：1.2～1.6：0.10～0.20：0.0015～4.0000：0.35～0.45：0.0015～0.003。CN110357529A公开了一种纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土的制备方法，该方法包括：称取骨料、水泥、减水剂、粉煤灰、水、纳米SiO2和钢纤维；将水分为三份，将纳米SiO2和减水剂加入1份水中，搅拌均匀，备用；对搅拌机进行湿润后，加入粗骨料和细骨料，搅拌，接着加入水泥和粉煤灰，搅拌，然后将钢纤维沿搅拌机叶轮转动方向均匀掺入，经搅拌后加入纳米材料、减水剂和另一份水的混合物，搅拌，再加入剩余水，搅拌，即得纳米二氧化硅和钢纤维增强混凝土。CN1131852209A公开了一种高韧粘结性C220超高强混杂纤维混凝土，用分层搅拌法将各种材料拌合均匀，制备养护，声称其公开的混凝土力学性能、耐久性及其与型钢之间的粘结性均显著提高。但是，上述方法主要考虑的是混凝土产品的折压比、韧性等性能指标，对影响产品韧性起关键作用的因素纤维-基体粘结性能如何加以改善，并未予以考虑。
CN 104556881A公开了一种超高韧性混凝土及其制备方法，其主要成分包括水泥、硅灰、矿渣、粉煤灰、石英粉、石英砂、钢纤维、纳米碳酸钙、水、减水剂；硅灰与水泥的重量比为10-20:100；矿渣与水泥的重量比为1-20:100；粉煤灰与水泥的重量比为5-20:100；石英粉与水泥的重量比为30-38：100；石英砂与水泥的重量比为80-150:100；钢纤维的体积掺量为混凝土总体积的2.0％-4％；纳米碳酸钙与水泥的重量比为0.1-5:100；水胶比为0.16-0.22；减水剂与水泥的重量比为0.5-4:100。但该混凝土使用了矿渣、石英砂和石英粉等原料，不仅生产成本高，所得混凝土的抗压强度和抗折强度也较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种纤维-基体粘结强度、抗折强度、韧性明显得到改善的超高强超高韧性混凝土。
本发明进一步要解决的技术问题是，提供一种操作简便的超高强超高韧性混凝土的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种超高强超高韧性混凝土，由以下原料混配制成：水泥、硅灰、纳米碳酸钙、细骨料、水、聚羧酸盐减水剂和钢纤维。
优选地，所述水泥、硅灰、细骨料、水和聚羧酸盐减水剂的重量份配比分别为：水泥92～100份，硅灰20～30份，纳米碳酸钙1～5份，细骨料100～110份，水10～25份和聚羧酸盐减水剂2～5份；所述钢纤维在所述超高强超高韧性混凝土中的体积掺量为1～4％。
优选地，所述水泥、硅灰、细骨料、水和聚羧酸盐减水剂的重量份配比分别更优选为：水泥96～98份，硅灰24～28份，纳米碳酸钙2～4份，细骨料105～107份，水18～21份和聚羧酸盐减水剂2～3份；所述钢纤维在所述超高强超高韧性混凝土中的体积掺量更优选为2～3％。
优选地，所述水泥为硅酸盐水泥；所述硅灰的比表面积≥10000m2/kg。
优选地，所述纳米碳酸钙的粒径范围为15～105nm。
优选地，所述纳米碳酸钙中，碳酸钙的含量≥97.8％。
优选地，所述细骨料的质量为水泥和硅灰质量之和的0.9～1.1倍；所述细骨料为天然河砂和/或机制砂；所述细骨料的粒径＜2.36mm；所述细骨料的细度模数为2.2～1.6，以减少骨料-基体界面过渡区的面积。
优选地，所述聚羧酸盐减水剂为固含量20～25％、减水率≥30％的液体状聚羧酸盐减水剂。
优选地，所述钢纤维的长度为3～20mm，直径为0.01-0.6mm。
优选地，所述水的质量为水泥、硅灰和细骨料的质量之和的0.06～0.08倍。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种超高强超高韧性混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水泥、硅灰、纳米碳酸钙和细骨料置于搅拌机中，搅拌均匀，得混合料；
(2)将水与聚羧酸盐减水剂混合均匀，再加入至步骤(1)所得的混合料中，搅拌均匀，得新拌超高强超高韧性混凝土基体；
(3)将步骤(2)所得新拌混凝土基体浇筑成型8字形纤维-基体粘结性能测试试件，加入钢纤维，搅拌至钢纤维分布均匀，然后浇筑成型，振动，得混凝土；
(4)将步骤(3)所得的混凝土连同模具一起置于养护室中进行养护，然后拆模，将混凝土置于常温水中养护，即得超高强超高韧性混凝土。
优选地，步骤(1)和(2)中，所述搅拌的速度为57～67r/min。
优选地，步骤(3)中，所述搅拌的速度为115～135r/min，控制钢纤维的加入时间为40～70秒。
优选地，步骤(3)中，控制新拌超高强超高韧性混凝土的坍落扩展度为220～250mm。
优选地，步骤(4)中，所述常温饱和石灰水中养护的时间为28～30天；所述养护室的湿度≥90％，温度为18～22℃。
优选地，步骤(4)中，所述养护室中进行养护的时间为20～26小时。
超高性能混凝土是一种典型复合材料，主要由未水化水泥颗粒、砂、钢纤维、水泥水化产物等组成，存在纤维-基体界面、集料-基体界面、孔隙和裂缝。超高性能混凝土的力学性能与各组分的材料属性、形状、尺寸、界面连接及空间分布特性等一系列微观、细观特征密切相关。C-S-H、骨料、纤维对超高性能混凝土起增强增韧作用，而氢氧化钙、界面、孔洞作为超高性能混凝土内部的缺陷结构，通常为裂缝的发源地和扩展区域，决定了它的损伤演化和破坏模式。其中，界面过渡区通常又被称为复合材料的薄弱层，决定了荷载从基体向增强相的粘结性能和应力传递效率。
研究发现，纤维在混凝土基体中的破坏形式分两种：(1)拉断破坏，当纤维埋入长度大于临界长度且弹性模量较低时易发生；(2)拔出破坏，当埋入长度小于临界长度且其弹性模量比基体高很多时易发生。由于钢纤维拉伸性能和弹性模量均较高，在普通养护超高性能混凝土中纤维大部分呈现拔出破坏方式，使得纤维的潜在性能远远没得到发挥。因此，在给定的纤维的品种和几何尺寸条件下，改善基体质量并最终改善纤维-基体界面的相互作用是提高纤维-基体粘结性能的主要措施。一般来说，基体强度高，界面粘结性能越好。纳米CaCO3作为常用的纳米材料的一种，一方面能起到微填充效应，提高基体堆积密实度，减小孔隙率，降低基体内部缺陷，提高混凝土基体的力学性能。同时，碳酸钙与水泥熟料C3A反应生成碳铝酸钙晶体，会优化水化产物内部结构并最终改善水泥基材料的力学性能。
研究还发现，超高性能混凝土的基体与纤维的界面粘结性和损伤破坏规律主要取决于基体特性、纤维特性和纤维-基体间的性能。在给定的纤维特性及超高性能混凝土的流动性下，超高性能混凝土的粘结性能和力学性能主要受基体及基体与纤维的协同作用控制。本发明在超高性能混凝土内掺杂适当掺量和尺寸的钢纤维的基础上，添加纳米CaCO3，宏观方面，有效保证钢纤维对UHPC的增强增韧作用，纳/微观方面，有效提高超高性能混凝土的密实度并改善超高性能混凝土内部的水化产物的质量，最终显著改善纤维-基体界面的粘结性，从而提高硬化超高性能混凝土的强度和韧性。
另外，研究还发现，当掺钢纤维和纳米CaCO3都过多的话，会造成粘度过大，使浇筑施工过程中，混凝土的流变性降低，增加浇筑的难度。因此，优选适当的钢纤维和纳米CaCO3掺量和配比，也具有较为重要的意义。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明在不影响超高性能混凝土中胶凝材料用量和水胶比的前提下，通过添加纳米CaCO3，利用CaCO3的填充效应、活性效应等，有效改善了超高性能混凝土内部的孔隙结构和水化产物结构，使纤维-基体界面的粘结性能得到明显改善，从而提高了超高性能混凝土的强度和韧性；
(2)通过调整超高性能混凝土原材料颗粒的级配，改善其堆积特性，进一步改善了超高性能混凝土内部的孔隙结构和水化产物结构，使纤维-基体界面的粘结性能得到进一步改善，从而进一步提高了超高性能混凝土的强度和韧性；
(3)优选方案，本发明超高强超高韧性混凝土具有良好纤维-基体粘结性，优异抗压性能、抗折性能和韧性；
(4)本发明超高强超高韧性混凝土生产成本低，与混凝土其它组份兼容性强、可广泛应用于各种工程，如大跨度和跨江大桥，薄壁以及轻型屋面和修复工程等，提高了混凝土结构的抗开裂性、韧性及耐久性并延长其服役寿命，为超高强超高韧性混凝土材料和工程的质量提供保障；
(5)本发明超高强超高韧性混凝土的方法操作简便，对设备要求低，生产效率高，且适用性强；
(6)本发明所采用的原材料全部为超高性能混凝土制备过程中所需的常规材料，原材料易得且价格相对低廉。
附图说明
图1是对比例混凝土中纤维-基体界面过渡区电子显微镜图。
图2是本发明实施例2超高强超高韧性混凝土中的纤维-基体界面过渡区电子显微镜图。
图3是本发明实施例2和实施例4超高强超高韧性混凝土与对比例混凝土的纤维拉拔荷载-位移曲线图。
图4是本发明实施例2和实施例4超高强超高韧性混凝土与对比例混凝土的抗折荷载-位移曲线图。
图5是本发明实施例2超高强超高韧性混凝土与对比例混凝土的抗折荷载-位移曲线图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例所使用的原料，均通过常规商业途径获得。
对比例
对比例采用基准超高强度超高韧性混凝土配合比，没掺任何纳米材料，采用80％的水泥和20％的硅灰作为胶凝材料，骨料采用粒径小于2.36mm的河砂以减少骨料-基体界面过渡区，使用液体状高效减水剂(聚羧酸盐减水剂)，体积掺量为2％的钢纤维，采用常规超高强度超高韧性的制备方法制成。
实施例1
本实施例超高强超高韧性混凝土各原料的重量份数配比见表1。
本实施例超高强超高韧性混凝土的胶凝材料为水泥、硅灰、纳米CaCO3，采用质量分数为2％的纳米CaCO3替代部分水泥，骨料采用粒径小于2.36mm的河砂以减少骨料-基体界面过渡区，采用液体状高效减水剂(聚羧酸盐减水剂)，体积掺量为2％的钢纤维，新拌强度超高韧性混凝土的坍落扩展度为245mm。
本实施例超高强超高韧性混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水泥、硅灰、纳米碳酸钙和细骨料置于搅拌机中，搅拌3分钟，混合均匀，得混合料；
(2)将水与聚羧酸盐减水剂混合均匀，再加入至步骤(1)所得的混合料中，低档搅拌均匀，得新拌超高强超高韧性混凝土基体；
(3)将步骤(2)所得新拌强度超高韧性混凝土基体浇筑成型8字形纤维-基体粘结性能测试试件，加入钢纤维，搅拌至钢纤维分布均匀，然后浇筑成型，在振动台上振动1-2分钟增进试件的密实，得混凝土；
(4)将步骤(3)所得的混凝土连同模具一起置于温度为20℃，湿度为95％养护室中养护24小时，然后拆模，将混凝土置于常温水中养护28天，即得超高强超高韧性混凝土。
实施例2
本实施例超高强超高韧性混凝土各原料的重量份配比见表1。
本实施例超高强超高韧性混凝土的胶凝材料为水泥、硅灰、纳米CaCO3，采用质量分数为4％的纳米CaCO3替代部分水泥，骨料采用粒径小于2.36mm的河砂以减少骨料-基体界面过渡区，采用液体状高效减水剂(聚羧酸盐减水剂)，体积掺量为2％的钢纤维。新拌强度超高韧性混凝土的坍落扩展度为235mm。
本实施例超高强超高韧性混凝土的制备方法与实施例1超高强超高韧性混凝土的制备方法相同。
实施例3
本实施例超高强超高韧性混凝土各原料的重量份配比见表1。
本实施例超高强超高韧性混凝土的胶凝材料为水泥、硅灰、纳米CaCO3，采用质量分数为6％的纳米CaCO3替代部分水泥，骨料采用粒径小于2.36mm的河砂以减少骨料-基体界面过渡区，采用液体状高效减水剂(聚羧酸盐减水剂)，体积掺量为2％的钢纤维，新拌强度超高韧性混凝土的坍落扩展度为225mm。
本实施例超高强超高韧性混凝土的制备方法与实施例1超高强超高韧性混凝土的制备方法相同。
实施例4
本实施例超高强超高韧性混凝土各原料的重量份配比见表1。
本实施例超高强超高韧性混凝土的胶凝材料为水泥、硅灰、纳米CaCO3，采用质量分数为8％的纳米CaCO3替代部分水泥，骨料采用粒径小于2.36mm的河砂以减少骨料-基体界面过渡区，采用液体状高效减水剂(聚羧酸盐减水剂)，体积掺量为2％的钢纤维，新拌强度超高韧性混凝土的坍落扩展度为235mm。
本实施例超高强超高韧性混凝土的制备方法与实施例1超高强超高韧性混凝土的制备方法相同。
实施例5
本实施例超高强超高韧性混凝土各原料的重量份配比见表1。
本实施例超高强超高韧性混凝土的胶凝材料为水泥、硅灰、纳米CaCO3，采用质量分数为8％的纳米CaCO3替代部分水泥，骨料采用粒径小于2.36mm的河砂以减少骨料-基体界面过渡区，采用液体状高效减水剂(聚羧酸盐减水剂)，体积掺量为1％的钢纤维，新拌超高强度超高韧性混凝土的坍落扩展度为225mm。
本实施例超高强超高韧性混凝土的制备方法与实施例1超高强超高韧性混凝土的制备方法相同。
实施例6
本实施例超高强超高韧性混凝土各原料的重量份配比见表1。
本实施例超高强超高韧性混凝土的胶凝材料为水泥、硅灰、纳米CaCO3，采用质量分数为1％的纳米CaCO3替代部分水泥，骨料采用粒径小于2.36mm的河砂以减少骨料-基体界面过渡区，采用液体状高效减水剂(聚羧酸盐减水剂)，体积掺量为4％的钢纤维，新拌超高强超高韧性混凝土的坍落扩展度为220mm。
本实施例超高强超高韧性混凝土的制备方法与实施例1超高强超高韧性混凝土的制备方法相同。
表1实施例1～6超高强超高韧性混凝土和对比例混凝土的原料重量份配比
Figure BDA0003292832620000081
检测与分析
用实施例1-6超高强超高韧性混凝土与对比例混凝土进行钢纤维-基体粘结性测试试验(测试方法按CECS13-2009规定执行)、抗折强度和韧性(测试方法按GB/T 17671-1999规定执行)、抗压强度(测试方法按GB/T 17671-1999规定执行)对比试验。由于纤维-基体粘结性能对纤维的埋入长度、纤维的取向非常敏感，采用布置有四个小洞的厚度为5mm的竹制基底以垂直固定钢纤维并匹配纤维的埋入长度，先将固定有四根纤维的塑料隔板放置于模具中间，模具中间两侧分布的两个卡槽将其固定。在成型前，为了有效防止两端水泥基体的完全隔离，当塑料隔片固定在模具内后，采用塑料薄膜覆盖整个试模内部。试验结果见表2、图1、图2、图3和图4。
图1和图2分别为对比例、实施例2的超高强超高韧性混凝土基体与钢纤维界面的电子显微镜图，图中的白色区域为钢纤维截面，可以看出，对比例中，钢纤维与超高强超高韧性混凝土基体之间的失效主要为界面处的粘结失效，这种失效不利于钢纤维作用的发挥；实施例2中界面失效发生在界面过渡区的基体中，钢纤维截面处附着有水泥基材料，说明钢纤维与基体具有良好的粘结性，保证钢纤维的韧性得到更充分的发挥。
表2本发明实施例1～6超高强超高韧性混凝土和对比例混凝土纤维-基体粘结性能和力学性能试验结果
Figure BDA0003292832620000091
从表2、图3、图4和图5可以看出：本发明实施例1-2所获得的超高强超高韧性混凝土的28-d钢纤维基体-粘结强度、纤维基体拉拔能、28d抗压强度、28d抗折强度、28d抗折韧性均高于对比例，尤其是掺4％(实施例2)的纳米CaCO3实施例，其粘结强度与纤维-基体拉拔能显著提高，使得UHPC力学性能大幅度提高，提升效果明显。但当纳米CaCO3掺入较多时(实施例3、4和5)，由于纳米材料的加入会显著增加新拌超高强超高韧性混凝土的粘度，同时容易产生接团现象引入孔洞，尽管对纤维-基体粘结性能、拉拔能仍然后一定的改善作用，但是对力学性能的不利作用凸显，使得其抗压强度、抗折强度和韧性都低于对比例。

Claims (10)

1.一种超高强超高韧性混凝土，其特征在于，由以下原料混配制成：水泥、硅灰、纳米碳酸钙、细骨料、水、聚羧酸盐减水剂和钢纤维。
2.根据权利要求1所述的超高强超高韧性混凝土，其特征在于，所述水泥、硅灰、细骨料、水和聚羧酸盐减水剂的重量份配比分别为：水泥92~100份，硅灰20~30份，纳米碳酸钙1~5份，细骨料100~110份，水10~25份和聚羧酸盐减水剂2~5份；所述钢纤维在所述超高强超高韧性混凝土中的体积掺量为1~4%。
3. 根据权利要求1或2所述的超高强超高韧性混凝土，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥；所述硅灰的比表面积≥10000 m2/kg。
4.根据权利要求1~3之一所述的超高强超高韧性混凝土，其特征在于，所述纳米碳酸钙的粒径范围为15 ~ 105 nm。
5.根据权利要求1~4之一所述的超高强超高韧性混凝土，其特征在于，所述细骨料的质量为水泥和硅灰质量之和的0.9~1.1倍；所述细骨料为天然河砂和/或机制砂，所述细骨料的粒径＜2.36 mm；所述细骨料的细度模数为2.2~ 1.6。
6.根据权利要求1~5之一所述的超高强超高韧性混凝土，其特征在于，所述聚羧酸盐减水剂为固含量20~25%、减水率≥30%的液体状聚羧酸盐减水剂。
7.根据权利要求1~6之一所述的超高强超高韧性混凝土，其特征在于，所述钢纤维的长度为3~20 mm，直径为0.01 - 0.6 mm。
8.根据权利要求1~7之一所述的超高强超高韧性混凝土，其特征在于，所述水的质量为水泥、硅灰和细骨料的质量之和的0.06~0.08倍。
9.一种如权利要求1~8之一所述的超高强超高韧性混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将水泥、硅灰、纳米碳酸钙和细骨料置于搅拌机中，搅拌均匀，得混合料；
（2）将水与聚羧酸盐减水剂混合均匀，再加入至步骤（1）所得的混合料中，搅拌均匀，得新拌超高强超高韧性混凝土基体；
（3）将步骤（2）所得新拌混凝土基体浇筑成型8字形纤维-基体粘结性能测试试件，加入钢纤维，搅拌至钢纤维分布均匀，然后浇筑成型，振动，得混凝土；
（4）将步骤（3）所得的混凝土连同模具一起置于养护室中进行养护，然后拆模，将混凝土置于常温饱和石灰水中养护，即得超高强超高韧性混凝土。
10.根据权利要求9所述的超高强超高韧性混凝土的制备方法，其特征在于，步骤（1）和（2）中，所述搅拌速度为57~67 r/min；步骤（3）中，所述搅拌速度为115~135 r/min，控制新拌超高强超高韧性混凝土的坍落扩展度为220 ~ 250 mm；步骤（4）中，所述常温饱和石灰水中养护的时间为28~30天；所述养护室的湿度≥90%，温度为18~22℃。
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