CN114605117A - 一种高碱性耐高温超高性能混凝土材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高碱性耐高温超高性能混凝土材料及其制备方法，该材料包括粉料、水、减水剂和纤维，粉料包含以下质量百分含量的组分：水泥为34％～43％，富硅矿物掺合料为4％～8％，高铝矿物掺合料为3％～8％，骨料为48～52％；减水剂相对粉料总质量的质量百分数为0.78％～1.02％；水灰比：0.20～0.23；纤维包括钢纤维和合成纤维，钢纤维相对混凝土总体积的体积百分数为2.0～2.4％，合成纤维相对混凝土总体积的体积百分数为0.4～0.7％。本发明在600℃高温后不发生爆裂，抗压强度不损失，抗折强度降低不到30％。

Description

一种高碱性耐高温超高性能混凝土材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种建筑材料及其制备方法，尤其涉及一种高碱性耐高温超高性能混凝土材料及其制备方法。
背景技术
混凝土是土木工程结构中的主要建筑材料之一，建筑物在其使用寿命期间可能会遭受火灾等突发情况，火灾的高温会使混凝土的强度和承载能力大大降低，严重时甚至会引起混凝土的爆裂，对结构造成严重破坏。近年来，超高性能混凝土(UHPC)因其各项性能大大优于传统混凝土而在世界范围内得到了广泛关注，并在工程结构中得到大量应用。UHPC的优异性能得益于其致密的微观结构，然而经过600℃高温后，UHPC会发生爆裂或强度损失严重，高温后各项力学性能已不能满足UHPC的基本性能要求。
目前UHPC的应用主要集中在土木工程领域，而很多有色金属的生产需经过高温熔融，这一过程离不开承装和输送熔融金属的热工设备，在工业生产中经常会在设备内浇筑一层耐火内衬，目前多采用普通耐火粘土砖和高铝水泥制品作为热工设备的内衬材料。耐火粘土砖价格低廉，但其公差较大，砌筑后留下大量砌筑砖缝，导致设备受液体凝固产生的挤压而发生变形，且粘土砖形状固定不灵活，杂质含量高，使用寿命较低。高铝水泥虽具有良好的耐热特性，抗渗性能好，能有效防止液体损失并保护设备，然而高铝水泥水化的主要矿物为低碱性的铝酸钙，水泥石液相碱度低，使得热工设备的外层钢壳易发生锈蚀，且高铝水泥具有后期强度下降的特点，不宜用于结构工程。因此，寻找一种耐高温性能良好、抗渗性能优异且具高碱性的材料作为有色金属热工装置的内衬材料具有重要的现实意义。
专利CN102976779A公开了“一种高强度耐火混凝土”，但该专利并未提供实施实例，未知其强度值，专利CN108439872B公开了一种抗高温的高强度低弹模高密度水泥浆，常温强度最高仅有57.7MPa；专利CN106116333B公开了一种梯度围护结构耐热高强混凝土及其制备方法，在600℃残余强度最高仅有36.5MPa；专利CN111925160A公开了一种耐高温抗开裂混凝土及其制备方法，尽管其残余强度可达到185MPa，但制备方法复杂、耗时长、原材料种类繁多，需制备5种改性材料及助剂。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种耐高温性能良好、抗渗性能优异的高碱性耐高温超高性能混凝土材料；
本发明的第二个目的是提供上述高碱性耐高温超高性能混凝土材料的制备方法。
技术方案：本发明的高碱性耐高温超高性能混凝土材料，包括粉料、水、减水剂和纤维，所述粉料包含以下质量百分含量的组分：水泥为34％～43％，富硅矿物掺合料为4％～8％，高铝矿物掺合料为3％～8％，骨料为48～52％；所述减水剂相对粉料总质量的质量百分数为0.78％～1.02％；水灰比：0.20～0.23；所述纤维包括钢纤维和合成纤维，所述钢纤维相对混凝土总体积的体积百分数为2.0～2.4％，所述合成纤维相对混凝土总体积的体积百分数为0.4～0.7％。
其中，所述的高铝矿物掺合料中的Al2O3含量大于40％。
其中，所述的富硅矿物掺合料中的SiO2含量大于50％。
其中，所述的骨料为普通河砂或精制石英砂中的一种或两种的混合物，其中，普通河砂的最大粒径不超过600μm；精制石英砂的最大粒径不超过1mm。
其中，所述的合成纤维长度为12mm～14mm，直径18～40μm，弹性模量不低于3GPa，极限抗拉强度不低于400MPa。
其中，所述的钢纤维长度为12mm～14mm，直径200～220μm，弹性模量不低于150GPa，极限抗拉强度不低于2000MPa。
其中，所述的减水剂的减水率≥30％。
其中，所述的水泥为标号为52.5级、52.5R级、62.5级或62.5R级硅酸盐水泥。
制备上述的高碱性耐高温超高性能混凝土材料的方法，包括如下步骤：
(1)将水和减水剂混合搅拌，在搅拌的情况下加入粉料，至粉料搅拌成浆体，后加入纤维，搅拌；
(2)取模具，浇注成型，静置后脱模，并进行养护，经烘干后得到所述高碱性耐高温超高性能混凝土材料。
其中，所述静置的时间为20-24h；所述烘干的温度为110-130℃，时间为36-48h。
其中，所述养护为标准养护或蒸汽养护；所述蒸汽养护的温度为80℃～90℃，时间为72h；所述标准养护的温度为20℃，时间为28d。
本发明的混凝土材料中加入了高铝矿物掺合料，在与粉料和水的拌合过程中产生了托贝莫来石和两种C-S-A-H晶体，这些产物有助于提高材料的强度，且具有较优的耐高温性能。在经过600℃高温后，材料抗压强度比常温时有所提高。
有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：(1)具有常温力学强度高、高温后残余力学强度高的特点，在600℃高温后不发生爆裂，其抗压强度未发生损失，残余抗压强度超过160MPa，同时，残余抗折强度保留在常温强度的70％以上，性能依旧能满足UHPC的要求，解决了传统混凝土材料在经过高温后强度损失严重的问题。(2)作为一种建筑材料，不仅解决了传统耐高温无机胶凝材料碱性低易导致外部钢制容器腐蚀严重的问题，而且解决了传统水泥混凝土材料在经过高温后强度损失严重的问题。(3)既可用于需同时具备防腐和耐高温性能的热工设备耐火内衬，也可用于需承受火灾的结构，有效拓宽了超高性能混凝土的应用领域。(4)原材料均为市售材料，制备流程简便。
附图说明
图1为本发明实施例2及其对照组的XRD图；
图2为本发明实施例2的对照组的扫描电镜图；
图3为本发明实施例2的扫描电镜图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种高碱性耐高温与超高强混凝土材料，包括粉料、水、减水剂和纤维；拌合水用水量用水灰比表示为0.21；减水剂质量为粉料总质量的0.78％；混凝土材料中钢纤维的体积百分数为2.0％，合成纤维的体积百分数为0.4％；粉料、水和减水剂总共的体积百分数为97.6％。粉料包含以下质量百分含量的组分：水泥为42％，富硅矿物掺合料为4％，高铝矿物掺合料为6％，骨料为48％。
其中，水泥为标号62.5级硅酸盐水泥；富硅矿物掺合料为磨细高炉矿渣；高铝矿物掺合料为煅烧粘土；骨料为普通河砂，最大粒径不超过600μm；纤维为聚乙烯纤维和钢纤维，其中，聚乙烯纤维长度为12mm，直径24μm，弹性模量不低于50GPa，极限抗拉强度不低于1500MPa；钢纤维长度为12mm，直径200μm，弹性模量不低于150GPa，极限抗拉强度不低于2000MPa；减水剂为萘系高效减水剂，减水率≥30％。
上述高碱性耐高温与超高强混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将按预定配合比称量好的粉料充分混合，将按预定配合比称量好的水和减水剂倒入干净的搅拌锅内，开启搅拌机进行搅拌，边搅拌边将混合好的粉料加入，直至粉料全部搅拌成浆体，后加入预先称量好的纤维，搅拌直至纤维分散均匀；
(2)取规格尺寸的模具，浇注成型，然后用抹子将其表面抹平，静置22h后脱模，20℃标准养护28d，后110℃烘干36h，即得高碱性耐高温与超高强混凝土材料。
实施例2
一种高碱性耐高温与超高强混凝土材料，包括粉料、水、减水剂和纤维；拌合水用水量用水灰比表示为0.20；减水剂质量为粉料总质量的1.02％；混凝土材料中钢纤维的体积百分数为2.0％，合成纤维的体积百分数为0.5％，粉料、水和减水剂总共的体积百分数为97.5％。粉料包含以下质量百分含量的组分：水泥为41％，富硅矿物掺合料为5％，高铝矿物掺合料为5％，骨料为49％。
其中，水泥为标号52.5R级硅酸盐水泥；富硅矿物掺合料为硅灰；高铝矿物掺合料为偏高岭土；骨料为普通河砂，最大粒径不超过600μm；纤维为聚丙烯纤维和钢纤维，其中，聚丙烯纤维长度为12mm，直径18-40μm，弹性模量不低于3GPa，极限抗拉强度不低于400MPa；钢纤维长度为14mm，直径200μm，弹性模量不低于150GPa，极限抗拉强度不低于2000MPa；减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率≥30％。
制备方法同实施例1，不同的是，步骤(2)中，静置24h后脱模，90℃蒸汽养护72h，后120℃烘干48h。
作为对照组，在混凝土中不加入高铝矿物掺合料。
图1为不同超高强混凝土的XRD图谱，其中，线1、2均为未加入高铝矿物掺合料情形下的XRD图谱，线3、4均为实施例2的加入高铝矿物掺合料情形下的XRD图谱，线1、3是经过600℃高温后的XRD图谱，线2、4是在常温下的XRD图谱。图1中的石英为砂的主要成分，是惰性组分，全程不参与反应，为图像中的干扰项。对比线1、2和线3、4的XRD图谱，可以看出，加入了高铝矿物掺合料的产物中新增了托贝莫来石和两种C-S-A-H晶体，这些产物对材料的强度有利，且具有较优的耐高温性能。此外，在经过600℃高温后，新增的几种产物对应的衍射峰有所升高，即产物的量增加，可以解释本实施例材料经过600℃高温后材料抗压强度比常温时有所提高。
图2和3分别为对照组和本实施例的SEM图像。对比两图可以发现，图3中多了一些片状的产物，如图3中的白色框图所示，符合文献中对托贝莫来石形貌的描绘，该产物可以作为加入高铝矿物掺合料后材料耐高温性能提高的依据。此外，耐高温性能的提高也归因于高铝矿物掺合料中富含Al2O3，该组分具有优异的耐高温性能。
实施例3
一种高碱性耐高温与超高强混凝土材料，包括粉料、水、减水剂和纤维；拌合水用水量用水灰比表示为0.22；减水剂质量为粉料总质量的0.92％；混凝土材料中钢纤维的体积百分数为2.2％，合成纤维的体积百分数为0.7％，粉料、水和减水剂总共的体积百分数为97.1％。粉料包含以下质量百分含量的组分：水泥为38％，富硅矿物掺合料为5％，高铝矿物掺合料为8％，骨料为49％。
其中，水泥为标号52.5级硅酸盐水泥；富硅矿物掺合料为F类粉煤灰；高铝矿物掺合料为偏高岭土；骨料为精制石英砂，最大粒径不超过1mm；纤维为聚乙烯醇纤维和钢纤维，其中，聚乙烯醇纤维长度为13mm，直径39μm，弹性模量不低于20GPa，极限抗拉强度不低于800MPa；钢纤维长度为12mm，直径220μm，弹性模量不低于150GPa，极限抗拉强度不低于2500MPa；减水剂为萘系高效减水剂，减水率≥30％。
制备方法同实施例1，不同的是，步骤(2)中，静置24h后脱模，80℃蒸汽养护72h，后130℃烘干48h。
实施例4
一种高碱性耐高温与超高强混凝土材料，包括粉料、水、减水剂和纤维；拌合水用水量用水灰比表示为0.23；减水剂质量为粉料总质量的0.96％；混凝土材料中钢纤维的体积百分数为2.0％，合成纤维的体积百分数为0.5％，粉料、水和减水剂总共的体积百分数为97.5％。粉料包含以下质量百分含量的组分：水泥为34％，硅矿物掺合料为8％，高铝矿物掺合料为6％，骨料为52％。
其中，水泥为标号62.5R级硅酸盐水泥；富硅矿物掺合料为F类粉煤灰；高铝矿物掺合料为高岭土；骨料为精制石英砂，最大粒径不超过1mm；纤维为聚乙烯纤维和钢纤维，其中，聚乙烯纤维长度为12mm，直径24μm，弹性模量不低于50GPa，极限抗拉强度不低于1500MPa；钢纤维长度为12mm，直径220μm，弹性模量不低于150GPa，极限抗拉强度不低于2500MPa；减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率≥30％。
制备方法同实施例1，不同的是，步骤(2)中，静置20h后脱模，90℃蒸汽养护72h，后110℃烘干36h。
实施例5
一种高碱性耐高温与超高强混凝土材料，包括粉料、水、减水剂和纤维；拌合水用水量用水灰比表示为0.20；减水剂质量为粉料总质量的1.02％；混凝土材料中钢纤维的体积百分数为2.4％，合成纤维的体积百分数为0.4％，粉料、水和减水剂总共的体积百分数为97.2％。粉料包含以下质量百分含量的组分：水泥为43％，富硅矿物掺合料为5％，高铝矿物掺合料为3％，骨料为49％。
其中，水泥为标号52.5级硅酸盐水泥；富硅矿物掺合料为磨细高炉矿渣；高铝矿物掺合料为偏高岭土；骨料为精制石英砂，最大粒径不超过1mm；纤维为聚丙烯纤维和钢纤维，其中，聚丙烯纤维长度为10mm，直径18-40μm，弹性模量不低于3GPa，极限抗拉强度不低于400MPa；钢纤维长度为14mm，直径200μm，弹性模量不低于150GPa，极限抗拉强度不低于2000MPa；减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率≥30％。
制备方法同实施例1，不同的是，步骤(2)中，静置22h后脱模，85℃蒸汽养护72h，后110℃烘干48h。
对实施例1-5进行如下测试：
抗压、抗折强度测试：参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》中的相关测试方法进行测定。
高温制度和残余强度：参照YB/T 4252-2011《耐热混凝土应用技术规程》中的相关方法，高温制度设置为升温速率为5℃/min，从常温20℃升温至600℃，保温3h后，冷却至室温，并测定残余强度。
相关参数测试结果如表1所示：
表1
Figure BDA0003540238420000061
表1所测的结果显示，本发明制备的高碱性耐高温与超高强度混凝土性能优异，经过600℃高温后，其抗压强度不损失，且残余抗压强度超过160MPa。

Claims (10)

1.一种高碱性耐高温超高性能混凝土材料，其特征在于，包括粉料、水、减水剂和纤维，所述粉料包含以下质量百分含量的组分：水泥为34％～43％，富硅矿物掺合料为4％～8％，高铝矿物掺合料为3％～8％，骨料为48～52％；所述减水剂相对粉料总质量的质量百分数为0.78％～1.02％；水灰比：0.20～0.23；所述纤维包括钢纤维和合成纤维，所述钢纤维相对混凝土总体积的体积百分数为2.0～2.4％，所述合成纤维相对混凝土总体积的体积百分数为0.4～0.7％。
2.根据权利要求1所述的高碱性耐高温超高性能混凝土材料，其特征在于，所述的高铝矿物掺合料中的Al2O3含量大于40％。
3.根据权利要求1所述的高碱性耐高温超高性能混凝土材料，其特征在于，所述的富硅矿物掺合料中的SiO2含量大于50％。
4.根据权利要求1所述的高碱性耐高温超高性能混凝土材料，其特征在于，所述的骨料为普通河砂或精制石英砂中的一种或两种的混合物，其中，普通河砂的最大粒径不超过600μm；精制石英砂的最大粒径不超过1mm。
5.根据权利要求1所述的高碱性耐高温超高性能混凝土材料，其特征在于，所述的合成纤维长度为12mm～14mm，直径18～40μm，弹性模量不低于3GPa，极限抗拉强度不低于400MPa。
6.根据权利要求1所述的高碱性耐高温超高性能混凝土材料，其特征在于，所述的钢纤维长度为12mm～14mm，直径200～220μm，弹性模量不低于150GPa，极限抗拉强度不低于2000MPa。
7.根据权利要求1所述的高碱性耐高温超高性能混凝土材料，其特征在于，所述的减水剂的减水率≥30％。
8.根据权利要求1所述的高碱性耐高温超高性能混凝土材料，其特征在于，所述的水泥为标号为52.5级、52.5R级、62.5级或62.5R级硅酸盐水泥。
9.一种权利要求1所述的高碱性耐高温超高性能混凝土材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将水和减水剂混合搅拌，在搅拌的情况下加入粉料，至粉料搅拌成浆体，后加入纤维，搅拌；
(2)取模具，浇注成型，静置后脱模，并进行养护，经烘干后得到所述高碱性耐高温超高性能混凝土材料。
10.根据权利要求9所述的高碱性耐高温超高性能混凝土材料的制备方法，其特征在于，所述静置的时间为20-24h；所述烘干的温度为110-130℃，时间为36-48h。
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