CN114133185B - 一种超高性能混凝土及其制备方法与应用 - Google Patents

一种超高性能混凝土及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种超高性能混凝土及其制备方法与应用。所述超高性能混凝土包括30‑85％的石英砂；所述石英砂包括质量比为(30‑50)：(20‑40)：(20‑40)的14‑28目石英砂、28‑48目石英砂和48‑90目石英砂。本发明提供的超高性能混凝土，通过材料最紧密堆积和胶凝材料体系优选实现其整体强度的提升；通过辊压成型工艺，使纤维材料定向排列，纤维在超高性能混凝土中定向分布，突出了在特定方向的抗折和抗压强度，为超高性能混凝土的发展提供了有力的技术支持。

Description

一种超高性能混凝土及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种超高性能混凝土及其制备方法与应用。
背景技术
超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC)，因一般需掺入钢纤维，也被称作超高性能纤维增强混凝土(Ultra-High Performance Fibre ReinforcedConcrete，简称UHPFRC)，UHPC以超高的强度、韧性和耐久性为特征，成为实现水泥基材料性能大跨越的新体系。与普通混凝土相比较，超高性能混凝土可以大量减少材料用量，降低建筑成本，节约资源，减少生产、运输和施工能耗，采用超高性能混凝土将对保护环境作出贡献。
超高性能混凝土自从被提出以来，以其超高的力学性能和优异的耐久性能受到了建筑工程界的广泛关注。但是，关于超高性能混凝土配合比的设计并没有像普通混凝土一样的设计标准；此外，采用传统的搅拌工艺，很难将纤维完全分散开。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高性能混凝土，该超高性能混凝土具有更高的抗折和抗压强度；本发明的另一目的在于提供该超高性能混凝土的制备方法和应用。
具体地，本发明提供以下技术方案：
本发明提供一种超高性能混凝土，其包括30-85％的石英砂；
所述石英砂包括质量比为(30-50)：(20-40)：(20-40)的14-28目石英砂、28-48目石英砂和48-90目石英砂。
本发明发现，采用上述石英砂可实现超高性能混凝土的紧密堆积，进而使该超高性能混凝土具有更高的抗折和抗压强度。
作为优选，所述石英砂包括质量比为(35-45)：(25-35)：(25-35)的14-28目石英砂、28-48目石英砂和48-90目石英砂。
进一步地，所述石英砂包括质量比为40：30：30的14-28目石英砂、28-48目石英砂和48-90目石英砂。
更进一步地，所述石英砂为圆粒石英砂；采用上述石英砂，效果最佳。
作为优选，所述超高性能混凝土还包括胶凝材料；
所述胶凝材料与所述石英砂的质量比为(6-10)：(10-15)；
进一步地，所述胶凝材料为硅酸盐水泥；
更进一步地，所述胶凝材料为P.I 42.5水泥或P.I 52.5水泥。
本发明还发现，采用上述胶凝材料与石英砂按照特定配比复配，可进一步提高超高性能混凝土的抗折和抗压强度。
作为优选，所述超高性能混凝土包括如下重量份的组分：
胶凝材料600-1000份，石英砂1000-1500份，硅灰50-200份，纤维0-150份，水140-180份，减水剂20-35份，消泡剂0.05-0.5份，内养护剂0.5-5份，增韧剂0.5-5份。
本发明中，采用上述石英砂可使超高性能混凝土紧密堆积，采用上述胶凝材料可提高超高性能混凝土的强度，采用上述减水剂可降低水胶比，采用消泡剂可消除尺寸较大的有害气泡，进而提高了超高性能混凝土的抗折和抗压强度。
进一步地，所述硅灰选自85级硅灰、90级硅灰、95级硅灰中的一种或多种。
进一步地，所述纤维选自钢纤维、聚甲醛纤维、聚乙烯醇纤维中的一种或多种。
进一步地，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂，其减水率在35％以上。
进一步地，所述内养护剂为吸水树脂，所述吸水树脂已经在CN113667061A中得到公开。
进一步地，所述增韧剂选自聚丙烯酰胺、胶粉、可再分散乳胶粉、胶粉改性沥青中的一种或多种。
针对本发明的配方体系，与之相适配的增韧剂如上所述；采用该增韧剂可避免后续辊压过程中出现分布不均匀和断裂的现象。
本发明还提供以上所述的超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)将胶凝材料、石英砂、硅灰、内养护剂和增韧剂混合，得混合料；
(2)将水、减水剂、消泡剂和所述混合料混合，得新拌混凝土浆体；
(3)将纤维与所述新拌混凝土浆体混合，得新拌超高性能混凝土浆体。
本发明发现，采用上述混料方式有利于物料混合更均匀，为制备性能优异的超高性能混凝土奠定了基础。
作为优选，所述制备方法还包括：将所述新拌超高性能混凝土浆体进行辊压成型；
所述辊压成型具体为：
将所述新拌超高性能混凝土浆体多次辊压，直至所得混凝土薄板中无纤维团聚和大气泡；所述辊压的双辊间距为1～30mm；
将辊压后的混凝土薄板进行成型。
本发明还发现，采用上述方式进行辊压成型，实现了纤维在辊压平面上的二维定向分布，有利于提高超高性能混凝土的抗折和抗压强度。
在具体的实施方式中，采用辊压机对所述新拌超高性能混凝土浆体进行辊压，并调整双辊间距为10±1mm；在成型过程中，将辊压后的混凝土薄板分次加入到模具中，并在振动台上振动10s。
作为优选，所述制备方法还包括：将辊压成型后的材料养护24±2h。
在具体的实施方式中，所述养护带模具进行，待养护完成后再脱模。
本发明同时提供以上所述的超高性能混凝土在建筑材料中的应用。
本发明提供的超高性能混凝土中纤维定向分布，在特定方向的抗折和抗压强度显著增加，特别适合用于薄板状或其他特异形状的装饰混凝土。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的超高性能混凝土，通过材料最紧密堆积和胶凝材料体系实现其整体强度的提升；通过辊压成型工艺，使纤维材料定向排列，纤维在超高性能混凝土中定向分布，突出了在特定方向的抗折和抗压强度，为超高性能混凝土的发展提供了有力的技术支持。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
以下实例中所涉及的吸水树脂按照CN113667061A中实施例2的方法制得。
实施例1
本实施例提供一种超高性能混凝土(JC)，其配方如下：
P.I 42.5水泥745kg/m3，硅灰150kg/m3，14-28目石英砂500kg/m3，28-48目石英砂370kg/m3，48-90目石英砂370kg/m3，水152kg/m3，减水剂30kg/m3，消泡剂0.1kg/m3，吸水树脂1kg/m3，胶粉5kg/m3；
其制备方法如下：
(1)将P.I 42.5水泥、硅灰、石英砂、吸水树脂和胶粉加入到搅拌锅中预混合30s；将水、减水剂、消泡剂加入到搅拌锅中，搅拌180s得到新拌混凝土浆体；
(2)将新拌混凝土浆体加入到辊压机中，调整双辊间距为10mm，辊压后得到纤维定向分布混凝土薄板；反复辊压混凝土薄板，直到检查薄板中无大气泡后停止辊压；
(3)将辊压好的混凝土薄板分次加入到混凝土成型模具中，制备成混凝土制品，在振动台上振动10s，完成混凝土成型；
(4)实验室内带膜养护24h后脱模，制成超高性能混凝土。
实施例2
本实施例提供一种超高性能混凝土(GBC)，其配方如下：
P.I 52.5水泥745kg/m3，硅灰150kg/m3，14-28目石英砂500kg/m3，28-48目石英砂370kg/m3，48-90目石英砂370kg/m3，水152kg/m3，减水剂30kg/m3，消泡剂0.1kg/m3，吸水树脂1kg/m3，胶粉5kg/m3；
其制备方法如下：
(1)将P.I 52.5水泥、硅灰、石英砂、吸水树脂和胶粉加入到搅拌锅中预混合30s；将水、减水剂、消泡剂加入到搅拌锅中，搅拌180s得到新拌混凝土浆体；
(2)将新拌混凝土浆体加入到辊压机中，调整双辊间距为10mm，辊压后得到纤维定向分布混凝土薄板；反复辊压混凝土薄板，直到检查薄板中无大气泡后停止辊压；
(3)将辊压好的混凝土薄板分次加入到混凝土成型模具中，制备成混凝土制品，在振动台上振动10s，完成混凝土成型。
(4)实验室内带膜养护24h后脱模，制成超高性能混凝土。
实施例3
本实施例提供一种超高性能混凝土(POX)，其配方如下：
P.I 42.5水泥745kg/m3，硅灰150kg/m3，聚甲醛纤维13kg/m3，14-28目石英砂500kg/m3，28-48目石英砂370kg/m3，48-90目石英砂370kg/m3，水152kg/m3，减水剂31kg/m3，消泡剂0.1kg/m3，吸水树脂1kg/m3，胶粉5kg/m3；
其制备方法如下：
(1)将P.I 42.5水泥、硅灰、石英砂、吸水树脂和胶粉加入到搅拌锅中预混合30s；将水、减水剂、消泡剂加入到搅拌锅中，搅拌180s得到新拌混凝土浆体；再加入聚甲醛纤维，搅拌30s，得到新拌超高性能混凝土浆体；
(2)将新拌超高性能混凝土浆体加入到辊压机中，调整双辊间距为10mm，辊压后得到纤维定向分布混凝土薄板；反复辊压混凝土薄板，直到检查薄板中无纤维团聚和大气泡后停止辊压；
(3)将辊压好的混凝土薄板分次加入到混凝土成型模具中，制备成混凝土制品，在振动台上振动10s，完成混凝土成型；
(4)实验室内带膜养护24h后脱模，制成超高性能混凝土。
实施例4
本实施例提供一种超高性能混凝土(GX)，其配方如下：
P.I 42.5水泥745kg/m3，硅灰150kg/m3，钢纤维100kg/m3，14-28目石英砂500kg/m3，28-48目石英砂370kg/m3，48-90目石英砂370kg/m3，水152kg/m3，减水剂31kg/m3，消泡剂0.1kg/m3，吸水树脂1kg/m3，胶粉5kg/m3；
其制备方法如下：
(1)将P.I 42.5水泥、硅灰、石英砂、吸水树脂和胶粉加入到搅拌锅中预混合30s；将水、减水剂、消泡剂加入到搅拌锅中，搅拌180s得到新拌混凝土浆体；再加入钢纤维，搅拌30s，得到新拌超高性能混凝土浆体；
(2)将新拌超高性能混凝土浆体加入到辊压机中，调整双辊间距为10mm，辊压后得到纤维定向分布混凝土薄板；反复辊压混凝土薄板，直到检查薄板中无纤维团聚和大气泡后停止辊压；
(3)将辊压好的混凝土薄板分次加入到混凝土成型模具中，制备成混凝土制品，在振动台上振动10s，完成混凝土成型；
(4)实验室内带膜养护24h后脱模，制成超高性能混凝土。
实施例5
本实施例提供一种超高性能混凝土(GBX)，其配方如下：
P.I 52.5水泥745kg/m3，硅灰150kg/m3，刚纤维100kg/m3，14-28目石英砂500kg/m3，28-48目石英砂370kg/m3，48-90目石英砂370kg/m3，水152kg/m3，减水剂31kg/m3，消泡剂0.1kg/m3，吸水树脂1kg/m3，胶粉5kg/m3；
其制备方法如下：
(1)将P.I 52.5水泥、硅灰、石英砂、吸水树脂和胶粉加入到搅拌锅中预混合30s；将水、减水剂、消泡剂加入到搅拌锅中，搅拌180s得到新拌混凝土浆体；再加入钢纤维，搅拌30s，得到新拌超高性能混凝土浆体；
(2)将新拌超高性能混凝土浆体加入到辊压机中，调整双辊间距为10mm，辊压后得到纤维定向分布混凝土薄板；反复辊压混凝土薄板，直到检查薄板中无纤维团聚和大气泡后停止辊压；
(3)将辊压好的混凝土薄板分次加入到混凝土成型模具中，制备成混凝土制品，在振动台上振动10s，完成混凝土成型；
(4)实验室内带膜养护24h后脱模，制成超高性能混凝土。
实施例6
本实施例提供一种超高性能混凝土(GBXY)，其配方如下：
P.I 52.5水泥745kg/m3，硅灰150kg/m3，刚纤维100kg/m3，14-28目圆粒石英砂500kg/m3，28-48目圆粒石英砂370kg/m3，48-90目圆粒石英砂370kg/m3，水152kg/m3，减水剂20kg/m3，消泡剂0.1kg/m3，吸水树脂1kg/m3，胶粉5kg/m3；
其制备方法如下：
(1)将P.I 52.5水泥、硅灰、圆粒石英砂、吸水树脂和胶粉加入到搅拌锅中预混合30s；将水、减水剂、消泡剂加入到搅拌锅中，搅拌180s得到新拌混凝土浆体；再加入钢纤维，搅拌30s，得到新拌超高性能混凝土浆体；
(2)将新拌超高性能混凝土浆体加入到辊压机中，调整双辊间距为10mm，辊压后得到纤维定向分布混凝土薄板；反复辊压混凝土薄板，直到检查薄板中无纤维团聚和大气泡后停止辊压；
(3)将辊压好的混凝土薄板分次加入到混凝土成型模具中，制备成混凝土制品，在振动台上振动10s，完成混凝土成型；
(4)实验室内带膜养护24h后脱模，制成超高性能混凝土。
对比例1
本对比例提供一种超高性能混凝土(GXY)，其与实施例4的区别在于：在配方中，4-28目石英砂322kg/m3，28-48目石英砂521kg/m3，48-90目石英砂397kg/m3。
对比例2
本对比例提供一种超高性能混凝土(GXZ)，其与实施例4的区别在于：在制备方法中，不进行步骤(2)，直接将新拌超高性能混凝土浆体进行步骤(3)的操作。
试验例
按照GB50080和GB50081测试实施例和对比例中超高性能混凝土的流动性、28天抗压和抗折强度，结果如表1所示；
表1各超高性能混凝土的性能
试验组 坍落度/mm 28d抗压强度/MPa 28d抗折强度/MPa
GXY 110 15.1 102.66
GXZ 135 19.8 113.16
JC 140 21.2 116.90
GBC 145 22.1 117.25
POX 130 24.7 139.90
GX 135 28.2 173.05
GBX 130 34.1 176.75
GBXY 140 33.8 175.26
由表1可知，GXY为骨料未紧密堆积的纤维混凝土，与GXY相比，实施例1-6的超高性能混凝土的流动性都有一定程度的提高；与GXY使用相同水泥的POX和GX的抗压抗折强度显著提高，POX和GX的抗折强度分别增加64％和87％、抗压强度分别增加36％和69％；同时，钢纤维的使用效果优于聚甲醛纤维。
GXZ为未辊压的混凝土，与GXZ使用相同水泥的POX和GX的抗压抗折强度显著提高，POX和GX的抗折强度分别增加25％和42％、抗压强度分别增加24％和53％。
对比采用P.I 42.5水泥的JC和GX、以及采用P.I 52.5水泥的GBC和GBX，采用P.I52.5水泥效果更佳。对比GBX和GBXY，采用圆粒石英砂可以明显降低减水剂的用量，提高超高性能混凝土的流动性，且不降低超高性能混凝土的强度。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种超高性能混凝土，其特征在于，其包括30-85%的石英砂；
所述石英砂包括质量比为（35-45）：（25-35）：（25-35）的14-28目石英砂、28-48目石英砂和48-90目石英砂；
所述超高性能混凝土的制备方法包括如下步骤：
（1）将胶凝材料、石英砂、硅灰、内养护剂和增韧剂混合，得混合料；所述增韧剂选自聚丙烯酰胺、胶粉、可再分散乳胶粉、胶粉改性沥青中的一种或多种；
（2）将水、减水剂、消泡剂和所述混合料混合，得新拌混凝土浆体；
（3）将纤维与所述新拌混凝土浆体混合，得新拌超高性能混凝土浆体；将所述新拌超高性能混凝土浆体多次辊压，直至所得混凝土薄板中无纤维团聚和大气泡；将辊压后的混凝土薄板进行成型。
2.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述石英砂为圆粒石英砂。
3.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述胶凝材料与所述石英砂的质量比为（6-10）：（10-15）。
4.根据权利要求3所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述胶凝材料为硅酸盐水泥。
5.根据权利要求4所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述胶凝材料为P.I 42.5水泥或P.I 52.5水泥。
6.根据权利要求1-5任一项所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述超高性能混凝土包括如下重量份的组分：
胶凝材料600-1000份，石英砂1000-1500份，硅灰50-200份，纤维0-150份，水140-180份，减水剂20-35份，消泡剂0.05-0.5份，内养护剂0.5-5份，增韧剂0.5-5份。
7.根据权利要求6所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰选自85级硅灰、90级硅灰、95级硅灰中的一种或多种；
和/或，所述纤维选自钢纤维、聚甲醛纤维、聚乙烯醇纤维中的一种或多种；
和/或，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂，其减水率在35%以上。
8.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述辊压的双辊间距为1~30mm。
9.根据权利要求8所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述制备方法还包括：将辊压成型后的材料养护24±2 h。
10.权利要求1-9任一项所述的超高性能混凝土在建筑材料中的应用。
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