CN115140974B - 含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及混凝土技术领域，提供了一种含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土及其制备方法。该超高性能混凝土包括如下质量份数的原料：水泥100份，硅灰15‑20份，粉煤灰30‑35份，细骨料95‑105份，粗骨料85‑140份，水20‑25份，减水剂2‑5份，钢纤维19‑33份。本公开提供的超高性能混凝土，组分主要为常规材料和废弃材料，原材料种类少，材料易取得，成本低。本公开提供的超高性能混凝土的制备方法，采用太阳能加速养护方法对超高性能混凝土进行成型养护，基于等效龄期的混凝土性能预测，能够保证混凝土在太阳能等非恒温养护条件下经济、高效、高质量的生产，养护工艺节能环保，绿色低碳，操作简单方便，经济成本低，有利于超高性能混凝土的推广应用。

Description

含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本公开涉及混凝土技术领域，特别涉及一种含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
相对普通混凝土，含粗骨料的超高性能混凝土(UHPC)具有高强度、高延性和高耐久性三大特点含，含粗骨料的超高性能混凝土由于粗骨料的掺入，相对活性粉末混凝土材料具有更高的弹性模量和抗收缩开裂能力，有望在建筑结构领域实现推广应用，尤其是在大跨度桥梁工程中，含粗骨料的超高性能混凝土还可以提高桥梁整体结构刚度，大幅度减小结构尺寸与自重，降低收缩开裂风险，延长全周期服役寿命。
现有技术中，含粗骨料的超高性能混凝土在制备过程中通常采用常规养护方式，导致混凝土的强度普遍不高，强度很难达到200MPa，强度要达到200MPa以上需要干热条件或高温蒸汽条件下进行成型养护，养护温度一般大于90℃，制备工艺相对复杂且耗能大，制约了含粗骨料的超高性能混凝土在大型结构及构件中的应用前景。
此外，各种添加剂以及特殊材料的掺入，使得含粗骨料的超高性能混凝土在实际工程中的成本极高，难以推广应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土及其制备方法，以解决采用自然条件下养护方式超高性能混凝土强度普遍不高，200MPa以上需要采用高温或加压养护的问题，同时改善超高性能混凝土原材料复杂苛刻，成本高等问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本公开提供一种含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土，该超高性能混凝土包括如下质量份数的原料：
水泥100份，硅灰15-20份，粉煤灰30-35份，细骨料95-105份，粗骨料85-140份，水20-25份，减水剂2-5份，钢纤维19-33份。
上述方案中，所述粗骨料采用花岗岩、辉绿岩、玄武岩、石灰岩中的一种，颗粒粒径为4.75mm～9.5mm，含水率≤0.1％，含泥量≤0.5％，压碎值≤10％。
上述方案中，所述减水剂为聚羧酸高性能液体减水剂，固含量大于40％。
上述方案中，所述钢纤维采用镀铜钢纤维，所述镀铜钢纤维的直径为0.18～0.22mm，长度为10～15mm，抗拉强度≥2200MPa，弹性模量≥210GPa。
上述方案中，所述水泥采用强度等级52.5及以上的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；所述硅灰采用SiO2质量分数≥95％，活性指数≥115％，比表面积≥15m2/g，45μm筛选余量≤5.0％的高纯度建筑用硅粉；所述粉煤灰采用筛余量≤9％，烧失量≤1％，需水量比≤95％的一级粉煤灰；所述细骨料采用石英砂、河砂、机制砂中的至少一种，颗粒粒径为0.075～4.75mm，细度模数为2.6～2.8，含水率≤0.1％，含泥量≤0.5％。
本公开还提供了一种含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按质量份数配比分别称取水泥、硅灰、粉煤灰、细骨料、粗骨料、水、减水剂和钢纤维；
步骤2：将水泥、硅灰、粉煤灰、细骨料和粗骨料加入搅拌机，均匀搅拌1-2分钟；
步骤3：向步骤2得到的混合物中加入水和减水剂，继续搅拌2-3分钟；
步骤4：向步骤3得到的混合物中加入钢纤维，继续搅拌1-3分钟，搅拌均匀后出料，得到混凝土拌和物；
步骤5：对步骤4得到的混凝土拌合物进行成型养护，得到含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土。
上述方案中，步骤5中所述成型养护采用太阳能加速养护方法，包括如下步骤：
步骤51：将混凝土拌合物浇筑到模具中振捣成型，在温度为20±2℃，相对湿度≥95％的标准养护条件下静置1-2天，拆模；
步骤52：将拆模后的混凝土移至配置有增温保湿系统和温湿度连续监测系统的太阳能养护棚中进行养护；
步骤53：根据温湿度连续监测系统提供的温湿度数据计算混凝土在养护过程中对应的等效龄期，再根据等效龄期计算养护过程中混凝土的抗压强度和由化学减缩引起的自收缩，当计算得到的抗压强度和由化学减缩引起的自收缩满足性能要求时养护结束，即得到含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土。
上述方案中，所述太阳能养护棚包括阳光板或采光板、保温材料和密封材料。
上述方案中，所述增温保湿系统采用喷淋水雾装置，所述温湿度连续监测系统采用温湿度传感器。
本公开还提供了一种含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土在建筑、公路、桥梁、铁路、水利领域中的应用。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土及其制备方法，至少具有以下有益效果：
1、本公开提供的含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土，组分主要为常规材料和废弃材料，不用掺入过多化学添加剂，原材料种类少，材料易取得，成本低，解决了超高性能混凝土原材料复杂苛刻，成本高的问题。
2、本公开提供的含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土制备方法，采用太阳能加速养护方法对超高性能混凝土进行成型养护，解决了采用自然条件下养护方式超高性能混凝土强度普遍不高，200MPa以上需要采用高温或加压养护的问题，与传统的蒸汽养护方法相比，太阳能加速养护方法节能环保，绿色低碳，操作简单方便，避免建立结构复杂的养护设备，极大节约建设成本，有益于可持续发展。
3、本公开提供的含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土快速预制养护方法，采用太阳能加速养护方法对超高性能混凝土进行成型养护，基于等效龄期的混凝土性能预测，能够保证混凝土在太阳能等非恒温养护条件下经济、高效、高质量的生产，且实现了太阳能等非恒温养护条件下混凝土性能的实时监控，养护质量的全程评估，从而较为科学准确的确定养护龄期，保证混凝土在太阳能等非恒温养护条件下经济、高效、高质量的生产。
附图说明
图1为依照本公开实施例的含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本公开进一步详细说明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
本公开实施例提供了一种含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土，该超高性能混凝土包括如下质量份数的原料：水泥100份，硅灰15-20份，粉煤灰30-35份，细骨料95-105份，粗骨料85-140份，水20-25份，减水剂2-5份，钢纤维19-33份。
在本公开实施例中，所述水泥采用强度等级52.5及以上的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
在本公开实施例中，所述硅灰采用SiO2质量分数≥95％，活性指数≥115％，比表面积≥15m2/g，45μm筛选余量≤5.0％的高纯度建筑用硅粉。所述粉煤灰采用筛余量≤9％，烧失量≤1％，需水量比≤95％的一级粉煤灰。硅灰和粉煤灰作为活性组分，发生火山灰反应，消耗大量氢氧化钙晶体，生成大量的水化硅酸钙凝胶，可以改善界面区的微观结构，提高混凝土的密实度。
在本公开实施例中，所述细骨料采用石英砂、河砂、机制砂中的至少一种，可选地，细骨料采用河砂；颗粒粒径为0.075～4.75mm，细度模数为2.6～2.8，含水率≤0.1％，含泥量≤0.5％。
在本公开实施例中，所述粗骨料采用花岗岩、辉绿岩、玄武岩、石灰岩中的一种，可选地，粗骨料采用辉绿岩；颗粒粒径为4.75mm～9.5mm，含水率≤0.1％，含泥量≤0.5％，压碎值≤10％。粗骨料的加入，能够提高混凝土的弹性模量和变形能力、降低开裂风险和提高体积稳定性、提高耐磨性能以及降低成本。
在本公开实施例中，所述减水剂为聚羧酸高性能液体减水剂，固含量大于40％，例如固含量为45％。减水剂的掺入，能够大幅度地减少拌合用水量，使得含粗骨料超高性能混凝土在水胶比很低时，电能具有良好的工作性和匀质性。
在本公开实施例中，所述钢纤维采用镀铜钢纤维，所述镀铜钢纤维的直径为0.18～0.22mm，长度为10～15mm，抗拉强度≥2200MPa，弹性模量≥210GPa。钢纤维的掺入，能够提高混凝土的韧性和延性。
基于本公开实施例提供的这种含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土，本公开实施例还提供了一种含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土的制备方法，具体如图1所示，该制备方法包括以下步骤：
步骤1：按质量份数配比分别称取水泥、硅灰、粉煤灰、细骨料、粗骨料、水、减水剂和钢纤维；
步骤2：将水泥、硅灰、粉煤灰、细骨料和粗骨料加入搅拌机，均匀搅拌1-2分钟；
步骤3：向步骤2得到的混合物中加入水和减水剂，继续搅拌2-3分钟；
步骤4：向步骤3得到的混合物中加入钢纤维，继续搅拌1-3分钟，搅拌均匀后出料，得到混凝土拌和物；
步骤5：对步骤4得到的混凝土拌合物进行成型养护，得到含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土。
在本步骤中，所述成型养护采用太阳能加速养护方法，包括如下步骤：
步骤51：将混凝土拌合物浇筑到模具中振捣成型，在温度为20±2℃，相对湿度≥95％的标准养护条件下静置1-2天，拆模；
步骤52：将拆模后的混凝土移至配置有增温保湿系统和温湿度连续监测系统的太阳能养护棚中进行养护；
在本步骤中，所述配置有增温保湿系统和温湿度连续监测系统的太阳能养护棚包括阳光板或采光板、保温材料和密封材料。可选地，所述增温保湿系统采用喷淋水雾装置，设置于太阳能养护棚内部。所述温湿度连续监测系统采用温湿度传感器，设置于太阳能养护棚内部。
步骤53：根据温湿度连续监测系统提供的温湿度数据计算混凝土在养护过程中对应的等效龄期，再根据等效龄期计算养护过程中混凝土的抗压强度和由化学减缩引起的自收缩，当计算得到的抗压强度和由化学减缩引起的自收缩满足性能要求时养护结束，即得到含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土。
在本步骤中，养护龄期采用基于等效龄期的混凝土性能预测方法确定，具体包括：根据温湿度连续监测系统提供温湿度数据计算混凝土在养护过程中对应的等效龄期，再根据等效龄期计算养护过程中混凝土的抗压强度和由化学减缩引起的自收缩，当计算得到的抗压强度和由化学减缩引起的自收缩满足性能要求时养护结束，所对应的时间即为养护所需龄期。
本实施例中，所述混凝土在养护过程中对应的等效龄期计算公式为：
其中：
UaT＝(42830-43T)e(-0.00017T)t
式中，R为气体常数，取8.314J/mol·K；Uar为养护温度为20℃时的水化反应活化能；UaT为温度为T时反应活化能，是时间和温度的函数。
本实施例中，所述混凝土在养护过程中对应的抗压强度和由化学减缩引起的自收缩的计算公式为：
式中，α为混凝土水化度，α0为混凝土凝结时的水泥水化度，αu为混凝土最终水化度，Xi(α)为混凝土水化为α时的混凝土抗压强度或由化学减缩引起的自收缩，Xi(αu)为混凝土最终水化度时对应的混凝土抗压强度或由化学减缩引起的自收缩，βi为材料相关的常数。
其中：
式中，A，B为材料相关的常数。
基于本公开实施例提供的这种含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土，本公开实施例还提供了一种含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土在在建筑、公路、桥梁、铁路、水利等领域中的应用。
为了测试和验证本公开提供的含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土的性能，以下结合实施例1-3对本公开提供的含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土进一步详细说明。
实施例1-3通过调整粗骨料和钢纤维的用量，在保证高强度，高弹模性能的基础上，降低骨料与纤维的搭接对工作性能的影响，配制C200等级以上的粗骨料超高性能混凝土，具体配合比见表1所示，各组分的单位为kg/m3。
表1
将实施例1至实施例3的含粗骨料的超高性能混凝土组分按照上述制备方法生产后进行综合性能测试，试验结果如表2所示：
表2
根据表2中的试验数据可以看出，采用本公开提供的含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土的制备方法，粗骨料用于提高弹性模量和体积稳定性，钢纤维用于提高混凝土韧性和延性，通过调整粗骨料和钢纤维的用量，可以制备出抗压强度大于200MPa，弹性模量大于58GPa的粗骨料超高性能混凝土。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土，其特征在于，该超高性能混凝土采用太阳能加速养护方式得到，包括如下质量份数的原料：
水泥100份，硅灰15-20份，粉煤灰30-35份，细骨料95-105份，粗骨料85-140份，水20-25份，减水剂2-5份，钢纤维19-33份；其中，所述硅灰采用SiO2质量分数≥95％，活性指数≥115％，比表面积≥15m2/g，45μm筛选余量≤5.0％的高纯度建筑用硅粉；所述粉煤灰采用筛余量≤9％，烧失量≤1％，需水量比≤95％的一级粉煤灰；所述细骨料采用石英砂、河砂、机制砂中的至少一种，颗粒粒径为0.075～4.75mm，细度模数为2.6～2.8，含水率≤0.1％，含泥量≤0.5％；
其中，该超高性能混凝土采用太阳能加速养护方式得到，具体包括：
步骤1：按质量份数配比分别称取水泥、硅灰、粉煤灰、细骨料、粗骨料、水、减水剂和钢纤维；
步骤2：将水泥、硅灰、粉煤灰、细骨料和粗骨料加入搅拌机，均匀搅拌1-2分钟；
步骤3：向步骤2得到的混合物中加入水和减水剂，继续搅拌2-3分钟；
步骤4：向步骤3得到的混合物中加入钢纤维，继续搅拌1-3分钟，搅拌均匀后出料，得到混凝土拌和物；
步骤5：对步骤4得到的混凝土拌合物采用太阳能加速养护方式进行成型养护，得到含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土；
其中，步骤5中所述采用太阳能加速养护方式进行成型养护，包括如下步骤：
步骤51：将混凝土拌合物浇筑到模具中振捣成型，在温度为20±2℃，相对湿度≥95％的标准养护条件下静置1-2天，拆模；
步骤52：将拆模后的混凝土移至配置有增温保湿系统和温湿度连续监测系统的太阳能养护棚中进行养护；
步骤53：根据温湿度连续监测系统提供的温湿度数据计算混凝土在养护过程中对应的等效龄期，再根据等效龄期计算养护过程中混凝土的抗压强度和由化学减缩引起的自收缩，当计算得到的抗压强度和由化学减缩引起的自收缩满足性能要求时养护结束，即得到含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土。
2.根据权利要求1所述的含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土，其特征在于，所述粗骨料采用花岗岩、辉绿岩、玄武岩、石灰岩中的一种，颗粒粒径为4.75mm～9.5mm，含水率≤0.1％，含泥量≤0.5％，压碎值≤10％。
3.根据权利要求1所述的含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高性能液体减水剂，固含量大于40％。
4.根据权利要求1所述的含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维采用镀铜钢纤维，所述镀铜钢纤维的直径为0.18～0.22mm，长度为10～15mm，抗拉强度≥2200MPa，弹性模量≥210GPa。
5.根据权利要求1所述的含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥采用强度等级52.5及以上的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
6.根据权利要求1所述的含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土，所述太阳能养护棚包括阳光板或采光板、保温材料和密封材料。
7.根据权利要求1所述的含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土，所述增温保湿系统采用喷淋水雾装置，所述温湿度连续监测系统采用温湿度传感器。
8.权利要求1至7中任一项所述的含粗骨料的200MPa级免蒸养超高性能混凝土在建筑、公路、桥梁、铁路、水利领域中的应用。
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