CN113896478A - 一种超高强度混凝土及其制备方法 - Google Patents

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CN113896478A CN202111268951.3A CN202111268951A CN113896478A CN 113896478 A CN113896478 A CN 113896478A CN 202111268951 A CN202111268951 A CN 202111268951A CN 113896478 A CN113896478 A CN 113896478A
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Abstract

本申请公开一种超高强度混凝土及其制备方法，包括如下组分：水泥760～785kg/m3，粉煤灰60～95kg/m3，矿渣粉40～65kg/m3，硅灰100～160kg/m3，煅烧石英纳米粉15～21kg/m3，石英砂骨料1150‑1240kg/m3，钢纤维290～310kg/m3，减水剂31.5～37.0kg/m3，消泡剂0.31～0.37kg/m3，水145～150kg/m3。通过添加煅烧石英纳米粉起到两个作用，一是填充胶凝材料填充不到的孔隙，使混凝土更密实，二是纳米级的石英粉具有一定得活性，在一定条件下，可以参与水化反应，水化后可以与混凝土中的其他组分结合的更加紧密。

Description

一种超高强度混凝土及其制备方法
技术领域
本申请属于建筑材料技术领域，尤其涉及一种超高强度混凝土及其制备方法。
背景技术
近几十年，基础建设的建筑物和结构逐步向着高层、超高层，大跨度和重型化方向发展，普通的水泥混凝土在以上条件下会过早发生地劣变导致损伤甚至失效，已经越来越难满足现代建筑体系的需求。这对水泥混凝土的强度需求越来越高，传统的水泥混凝土材料由于强度低,显然已经不能满足要求，于是越来越多的国内外学者开始研究具有超高性能的混凝土。
现有技术中提出了多种提高混凝土抗压强度的方案，例如，通过在混凝土中添加各种类型的纤维，提高混凝土的强度；又例如，通过在混凝土中添加石墨烯-水性环氧高分散体系，提高混凝土的强度。此处对提高混凝土强度的方案不进行一一列举，但是需要说明的是，目前，现有技术中制备得到的混凝土的抗压强度一般在200Mpa以下。
另外，T/CBMF 37-2018《超高性能混凝土基本性能与试验方法》中，将超高性能混凝土的抗压性能分为三个等级：UC120(120MPa≤fcu<150MPa)、UC150(150MPa≤fcu<180MPa)、UC180(180MPa≤fcu<210MPa)。可见，标准中混凝土的抗压强度最高为210MPa。
因此，如何将混凝土抗压强度突破210MPa是目前亟需解决的技术问题。
发明内容
为解决现有技术中混凝土抗压强度难以突破210MPa的技术问题，本申请提供一种超高强度混凝土及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种超高强度混凝土，包括如下组分：
水泥760～785kg/m3，粉煤灰60～95kg/m3，矿渣粉40～65kg/m3，硅灰100～160kg/m3，煅烧石英纳米粉15～21kg/m3，石英砂骨料1150-1240kg/m3，钢纤维290～310kg/m3，减水剂31.5～37.0kg/m3，消泡剂0.31～0.37kg/m3，水145～150kg/m3。
在一种实现方式中，石英砂骨料包括：40～80目石英砂100～120kg/m3，20～40目石英砂220～240kg/m3，8～20目石英砂350～370kg/m3，4～8目石英砂480～510kg/m3。
在一种实现方式中，水泥选用P·I 42.5级水泥，水泥的粒径为10μm～40μm，水泥的比表面积为350～380m2/kg。
在一种实现方式中，粉煤灰的粒径为5μm～10μm。
在一种实现方式中，煅烧石英纳米粉的粒径为20nm～100nm，煅烧石英纳米粉中SiO2含量在99％以上。
在一种实现方式中，硅灰的粒径为0.1μm～0.3μm，硅灰中SiO2含量在95％以上。
在一种实现方式中，减水剂采用聚羧酸系减水剂。
在一种实现方式中，消泡剂采用聚醚改性有机硅。
在一种实现方式中，水胶比为0.138～0.143。
第二方面，本申请还提供一种超高强度混凝土的制备方法，制备方法包括以下步骤：
按照第一方面超高强度混凝土中各组分配比，称取各组分备用；
将水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、煅烧石英纳米粉和石英砂骨料混合搅拌第一预设时长，得到干混料；
将干混料、减水剂、消泡剂和水混合搅拌第二预设时长，得到预拌料；
将预拌料与钢纤维混合搅拌第三预设时长，得到成型混凝土；
对成型混凝土蒸汽保养；
将蒸汽保养后的成型混凝土置于100℃的水浴中加热72～84小时后，制备得到混凝土。
本申请提供的一种超高强度混凝土及其制备方法，第一、通过采用不同粒径的胶凝材料、多级配石英砂，使粒径小的填充粒径大的留下的空隙，实现混凝土的超级密实性；第二、增加在100℃的沸水中煮72-84小时的工艺步骤，以进一步激发混凝土中胶凝材料水化，生成更多的水化产物；第三、添加的煅烧石英纳米粉起到两个作用，一是填充胶凝材料填充不到的孔隙，使混凝土更密实，二是纳米级的石英粉具有一定得活性，在一定条件下，可以参与水化反应，水化后可以与混凝土中的其他组分结合的更加紧密，而本申请提供的养护制度(100℃的沸水中煮72-84小时)正是给煅烧石英纳米粉提供了水化的条件，从而进一步提高混凝土的强度。另外，钢纤维的加入可以在混凝土中形成一层一层的纤维网，起到环箍效应，提高混凝土的强度，消泡剂能够消除混凝土中的气，使混凝土更加密实。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种超高强度混凝土的制备方法中搅拌流程的流程图；
图2为本申请实施例提供的一种超高强度混凝土的制备方法中养护流程的流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了便于对本申请的理解，首先对技术术语“水化反应”进行说明。
水化反应，在无机化学中指物质溶解在水里时，与水发生的化学作用。一般指溶质分子(或离子)和水分子发生作用，形成水合分子(或水合离子)的过程。混凝土制备工艺中，主要通过蒸汽保养工艺，完成水化反应。
水化产物是水化反应的产物，混凝土的主要水化产物有：氢氧化钙(晶体)、CSH凝胶(纤维状薄片)、水化硫铝酸钙(晶体)、水化铝酸钙(晶体)和水化铁酸钙(晶体)。水化硅酸钙凝胶从熟料颗粒向外伸展，逐渐形成连续的网状结构，与其他晶体互相穿插，增强黏结，产生强度。
本申请提供一种超高强度混凝土，每立方混凝土中包括水泥760～785kg，粉煤灰60～95kg，矿渣粉40～65kg，硅灰100～160kg，煅烧石英纳米粉15～21kg，石英砂骨料1150-1240kg，钢纤维290～310kg，减水剂31.5～37.0kg，消泡剂0.31～0.37kg，水145～150kg。
下面对本申请所选用的原料进行说明。
水泥：本申请选用普通的硅酸盐水泥可以制得超高强度的混凝土，例如：水泥可以选用P·I 42.5级水泥，水泥的粒径为10μm～40μm，水泥的比表面积为350～380m2/kg。
粉煤灰：可以选用F类I级粒径为5μm～10μm的粉煤灰。
硅灰：可以选用粒径为0.1μm～0.3μm的硅灰，其中，硅灰中SiO2含量在95％以上。
矿渣粉：是用水淬高炉矿渣，经干燥，粉磨等工艺处理后得到的高细度，高活性粉料，是优质的混凝土掺合料和水泥混合材料。通过使用粒化高炉矿渣粉，可有效提高混凝土的抗压强度，降低混凝土的成本；同时对抑制碱骨料反应，降低水化热，减少混凝土结构早期温度裂缝，提高混凝土密实度，提高抗渗和抗侵蚀能力有明显效果。矿渣粉可选用S95级粒径1μm～5μm的矿渣粉。
钢纤维：可选用高强度微细纤维，抗拉强度≥2000MPa。
减水剂：本申请对减水剂不进行限定，例如，减水剂可选用聚羧酸系减水剂。
消泡剂：本申请对消泡剂不进行限定，例如，消泡剂看选用聚醚改性有机硅。
煅烧石英纳米粉：是指经过高温煅烧后的石英纳米粉，这样煅烧石英纳米粉具有一定的活性。可以采用粒径为20nm～100nm、SiO2含量在99％以上的煅烧石英纳米粉。
优选的，石英砂骨料选用多级配比，例如石英砂骨料包括40～80目石英砂100～120kg/m3，20～40目石英砂220～240kg/m3，8～20目石英砂350～370kg/m3，4～8目石英砂480～510kg/m3。
优选的，本申请实施例提供的超高强度混凝土的水胶比可以控制在0.138～0.143。
本申请还提供了一种超高强度混凝土的制备方法，包括搅拌流程(如图1所示)和养护流程(如图2所示)，其中，在养护流程中，本申请在常规蒸汽保养之后，增加了“在100℃的水浴中加热72-84小时”的工艺步骤。
本申请提供的一种超高强度混凝土的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、按照上述超高强度混凝土实施例中各组分的配比称取各组分备用；
步骤2、将水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、煅烧石英纳米粉和石英砂骨料混合搅拌第一预设时长，得到干混料，例如：采用60L单轴强制搅拌机搅拌，第一预设时长为3分钟。
步骤3、将干混料、减水剂、消泡剂和水混合搅拌第二预设时长，得到预拌料，例如，第二预设时长为5分钟。
步骤4、将预拌料与钢纤维混合搅拌第三预设时长，得到成型混凝土，例如，第三预设时长为3分钟。
步骤5、对成型混凝土蒸汽保养。具体的，可以先对成型混凝土覆膜，在20℃下静停24小时；然后拆模采用90℃蒸汽养护48小时；最后，将混凝土自然冷却至室温。
步骤6、将蒸汽保养后的成型混凝土置于100℃的水浴中加热72-84小时后，制备得到混凝土。
以下通过实验数据，对本申请实施例提供的超高强度混凝土及其制备方法的技术效果进行说明。
首先对以下实施例和对比例进行说明：
实施例组(包括实施例一至实施例三)：
实施例一
按照如下配比，准备各组分：水泥766.5kg/m3，粉煤灰63kg/m3，矿渣粉42kg/m3，硅灰157.5kg/m3，煅烧石英纳米粉21kg/m3，40～80目石英砂120kg/m3，20～40目石英砂240kg/m3，8～20目石英砂360kg/m3，4～8目石英砂480kg/m3，钢纤维300kg/m3，减水剂31.5kg/m3，消泡剂0.315kg/m3，水147kg/m3。将水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、煅烧石英纳米粉和石英砂骨料混合搅拌第一预设时长，得到干混料，例如：采用60L单轴强制搅拌机搅拌，第一预设时长为3分钟；将干混料、减水剂、消泡剂和水混合搅拌第二预设时长，得到预拌料，例如，第二预设时长为5分钟；将预拌料与钢纤维混合搅拌第三预设时长，得到成型混凝土，例如，第三预设时长为3分钟；对成型混凝土蒸汽保养；将蒸汽保养后的成型混凝土置于100℃的水浴中加热72小时后，制备得到混凝土。
实施例二
实施例二与实施例一基本相同，不同之处在于，实施例二制备混凝土所采用的各组分配比与实施例一的不同。
实施例二的各组分配比如下：水泥771.75kg/m3，粉煤灰94.5kg/m3，矿渣粉63kg/m3，硅灰105kg/m3，煅烧石英纳米粉15.75kg/m3，40～80目石英砂100kg/m3，20～40目石英砂220kg/m3，8～20目石英砂370kg/m3，4～8目石英砂510kg/m3，钢纤维310kg/m3，减水剂36.75kg/m3，消泡剂0.365kg/m3，水145kg/m3。
实施例三
实施例三与实施例一基本相同，不同之处在于，实施例三制备混凝土所采用的各组分配比与实施例一的不同。
实施例三的各组分配比如下：水泥782kg/m3，粉煤灰75kg/m3，矿渣粉55kg/m3，硅灰120kg/m3，煅烧石英纳米粉18kg/m3，40～80目石英砂110kg/m3，20～40目石英砂230kg/m3，8～20目石英砂350kg/m3，4～8目石英砂490kg/m3，钢纤维290kg/m3，减水剂34.1kg/m3，消泡剂0.34kg/m3，水150kg/m3。
第一组对比例(包括对比例一至对比例三)：
对比例一与实施例一基本相同，不同之处在于，对比例一在制备混凝土时不包括“将蒸汽保养后的成型混凝土置于100℃的水浴中加热72小时”的步骤。
对比例二与实施例二基本相同，不同之处在于，对比例二在制备混凝土时不包括“将蒸汽保养后的成型混凝土置于100℃的水浴中加热72小时”的步骤。
对比例三与实施例三基本相同，不同之处在于，对比例三在制备混凝土时不包括“将蒸汽保养后的成型混凝土置于100℃的水浴中加热72小时”的步骤。
第二组对比例(包括对比例四至对比例六)：
对比例四与实施例一基本相同，不同之处在于，对比例四的组分配比中煅烧石英纳米粉的添加量为0。
对比例五与实施例二基本相同，不同之处在于，对比例五的组分配比中煅烧石英纳米粉的添加量为0。
对比例六与实施例三基本相同，不同之处在于，对比例六的组分配比中煅烧石英纳米粉的添加量为0。
第三组对比例(包括对比例七至对比例九)：
对比例七与实施例一基本相同，不同之处在于，对比例七中采用1200kg/m3的8～20目石英砂代替实施例一中“40～80目石英砂120kg/m3，20～40目石英砂240kg/m3，8～20目石英砂360kg/m3，4～8目石英砂480kg/m3”。
对比例八与实施例二基本相同，不同之处在于，对比例八中采用1200kg/m3的8～20目石英砂代替实施例二中“40～80目石英砂100kg/m3，20～40目石英砂220kg/m3，8～20目石英砂370kg/m3，4～8目石英砂510kg/m3”。
对比例九与实施例三基本相同，不同之处在于，对比例九中采用1180kg/m3的8～20目石英砂代替实施例三中“40～80目石英砂110kg/m3，20～40目石英砂230kg/m3，8～20目石英砂350kg/m3，4～8目石英砂490kg/m3”。
对上述实施例组、第一组对比例、第二组对比例和第三组对比例进行性能测试，其中，坍落度按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中4.1章节的方法进行测试；表观密度按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中第14章的方法进行测试，抗压强度按照GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中第5章的方法进行测试。其中，实施例组、第一组对比例(与实施例组配比相同，表1中未展示)、第二组对比例和第三组对比例可参见表1，实施例组、第一组对比例、第二组对比例和第三组对比例的测试结果参见表2。
表1 各实施例及对比例的组分配比
Figure BDA0003327974260000061
表2 各实施例及对比例的性能测试结果
Figure BDA0003327974260000071
上述实施例组的测试结果表明：采用本申请实施例提供的混凝土配比，并且按照本申请实施例提供的制备方法制备得到的混凝土的抗压强度能够达到250MPa以上。
上述第一组对比例与实施例组的区别在于：制备方法不同。对比第一组对比例和实施例组的测试结果可以看出，通过增加“在100℃的水浴中加热72-84小时”的工艺步骤，混凝土的抗压强度可以提高20％～30％。
通过第一组对比例和实施例组的测试结果可知，在常规蒸汽保养之后，增加“在100℃的水浴中加热72-84小时”的工艺步骤后，可以大大增加制备的混凝土的抗压强度。原因分析：胶凝材料水化是需要足够的水才能进行，水胶比低，拌合水的用量低，经过蒸汽养护后使原本的水化反应速度加快，同时消耗掉拌合水，至此，本领域技术人员通常认为混凝土已经接近完全水化，之后强度增长幅度不大。而申请人发现，经过常规蒸汽保养后，混凝土内部已无自由水参与水化反应，胶凝材料的水化程度并不完全，而继续水化的条件是活性物质+水，而此时混凝土已经非常密实，外部的水很难进入混凝土内部。因此，本申请通过将蒸汽保养后成型的混凝土试件放入到100℃的沸水中煮72-84小时，使水改变形态，成为水蒸气、粒径变小，从而能够进入成型的混凝土时间内部，提供继续水化的条件，同时高温和混凝土内部的碱性环境能够加速水化反应。
其中，拌合水有两个作用，一是提供水化反应用水，二是提供混凝土流动性用水。水化反应用水经过水化反应后生产水化产物，形成强度，是混凝土强度的主要来源；流行性用水仅仅是用来使混凝土更容易流动，在装模硬化过程中，这部分水需要从混凝土中脱离出来，在脱离过程中的通道是混凝土的缺陷，对强度不利影响。这也是水胶比大强度低，水胶比小强度高的原因。而低水胶比意味着参与水化反应的水的量不够，因此，本申请通过外界继续补充水化用水的方式(即100℃的沸水中煮72-84小时)，能够控制水胶比在0.138～0.143的情况下，使混凝土的强度达到250MPa以上。
上述第二组对比例与实施例组的区别在于：第二组对比例中未加入煅烧石英纳米粉。对比第二组对比例和实施例组的测试结果可以看出，在混凝土原料中使用煅烧石英纳米粉，能够提高混凝土的抗压强度。原因分析：煅烧石英纳米粉是纳米级材料，可以渗透到胶凝材料的水化产物的缝隙中，由于煅烧石英纳米粉具有一定得活性，因此，煅烧石英纳米粉可以在胶凝材料水化产物的缝隙处发生水化反应，生成的水化产物与胶凝材料水化产物交织在一起，这样，使混凝土更加密实，抗压强度更高。
上述第三组对比例与实施例组的区别在于：第三组对比例采用一种粒径的石英砂，而实施例组采用多种粒径级配的石英砂。对比第三组对比例和实施例组的测试结果可以看出，在混凝土原料中使用多种粒径级配的石英砂，能够提高混凝土的抗压强度。原因分析：混凝土的强度与其密度有直接关系，密度越大强度越大，混凝土的密度取决于混凝土的密实程度。本申请通过不同粒径的胶凝材料、多级配石英砂，使细骨料包裹粗骨料，胶凝材料包裹细骨料，粒径小的颗粒填充粒径大的颗粒留下的空隙，从纳米级到毫米级，一级一级填充，将混凝土的空隙全部填充上，将填充做到极致，从而增加混凝土的密度，提供混凝土的强度。
综上，本申请实施例提供的超高强混凝土，第一、通过采用不同粒径的胶凝材料、多级配石英砂，使粒径小的填充粒径大的留下的空隙，实现混凝土的超级密实性；第二、增加在100℃的沸水中煮72-84小时的工艺步骤，以进一步激发混凝土中胶凝材料水化，生成更多的水化产物；第三、添加的煅烧石英纳米粉起到两个作用，一是填充胶凝材料填充不到的孔隙，使混凝土更密实；二是纳米级的石英粉具有一定得活性，在一定条件下，可以参与水化反应，水化后可以与混凝土中的其他组分结合的更加紧密，而本申请提供的养护制度(100℃的沸水中煮72-84小时)正是给煅烧石英纳米粉提供了水化的条件，从而进一步提高混凝土的强度。另外，钢纤维的加入可以在混凝土中形成一层一层的纤维网，起到环箍效应，提高混凝土的强度，消泡剂能够消除混凝土中的气，使混凝土更加密实。
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种超高强度混凝土，其特征在于，包括如下组分：
水泥760～785kg/m3，粉煤灰60～95kg/m3，矿渣粉40～65kg/m3，硅灰100～160kg/m3，煅烧石英纳米粉15～21kg/m3，石英砂骨料1150-1240kg/m3，钢纤维290～310kg/m3，减水剂31.5～37.0kg/m3，消泡剂0.31～0.37kg/m3，水145～150kg/m3。
2.根据权利要求1所述的超高强度混凝土，其特征在于，所述石英砂骨料包括：
40～80目石英砂100～120kg/m3，20～40目石英砂220～240kg/m3，8～20目石英砂350～370kg/m3，4～8目石英砂480～510kg/m3。
3.根据权利要求1所述的超高强度混凝土，其特征在于，所述水泥选用P·I 42.5级水泥，所述水泥的粒径为10μm～40μm，所述水泥的比表面积为350～380m2/kg。
4.根据权利要求1所述的超高强度混凝土，其特征在于，所述粉煤灰的粒径为5μm～10μm。
5.根据权利要求1所述的超高强度混凝土，其特征在于，所述煅烧石英纳米粉的粒径为20nm～100nm，所述煅烧石英纳米粉中SiO2含量在99％以上。
6.根据权利要求1所述的超高强度混凝土，其特征在于，所述硅灰的粒径为0.1μm～0.3μm，所述硅灰中SiO2含量在95％以上。
7.根据权利要求1所述的超高强度混凝土，其特征在于，所述减水剂采用聚羧酸系减水剂。
8.根据权利要求1所述的超高强度混凝土，其特征在于，所述消泡剂采用聚醚改性有机硅。
9.根据权利要求1所述的超高强度混凝土，其特征在于，水胶比为0.138～0.143。
10.如权利要求1所述的一种超高强度混凝土的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
称取各组分备用；
将水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、煅烧石英纳米粉和石英砂骨料混合搅拌第一预设时长，得到干混料；
将所述干混料、减水剂、消泡剂和水混合搅拌第二预设时长，得到预拌料；
将所述预拌料与钢纤维混合搅拌第三预设时长，得到成型混凝土；
对所述成型混凝土蒸汽保养；
将蒸汽保养后的成型混凝土置于100℃的水浴中加热72～84小时后，制备得到混凝土。
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