CN115196915A - 一种高弹性模量的韧性混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高弹性模量的韧性混凝土及其制备方法，该高弹性模量的韧性混凝土包括水泥470～490份、砂700～720份、5～10mm粒径碎石270～310份、微硅粉10～20份、10～25mm粒径碎石860～900份、钢纤维20～60份、减水剂5～8份、水130～150份。本发明所提出的高弹性模量的韧性混凝土其强度、弹性模量和韧性均高于普通混凝土，具备高强度、高弹模及优良的抗裂性能；将其应用于预应力连续刚构桥梁结构以及其他大跨度结构建筑，可利用其高弹性模量的特性有效缓解大跨结构的跨中下挠，防止混凝土结构开裂，降低结构后期维护的成本，对大跨结构建筑尤其是大跨连续刚构桥梁工程具有较高的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种高弹性模量的韧性混凝土及其制备方法。
背景技术
目前，随着我国综合国力的提升，交通工程设施建设得到了快速发展，桥梁工程的建设也是越来越多，其中预应力混凝土连续刚构桥因其优异的受力性能和较低的造价而备受桥梁工程师青睐。但连续刚构桥梁在其服役期间，尤其是具有较大跨度时，桥梁跨中下挠现象明显，造成桥梁结构变形过大，混凝土开裂严重，导致混凝土结构承载能力和耐久性降低。而混凝土结构的抗变形能力与混凝土弹性模量呈正相关，提高建造所用混凝土的弹性模量，能有效缓解大跨混凝土连续刚构桥的跨中下挠现象，提高了桥梁使用的安全性和可靠性，降低桥梁运营后期的维护成本。
由于混凝土是一种准脆性材料，已有的研究成果表明，提高混凝土弹性模量会进一步提高混凝土的脆性，增加混凝土开裂以及突然破坏的风险。因此，在提高混凝土弹性模量的同时须增强混凝土的韧性。
发明内容
本发明的目的是提供一种高弹性模量的韧性混凝土及其制备方法，具体通过混凝土配合比设计、实现骨料密堆积、加入辅助性胶凝材料和掺入钢纤维增韧等方法实现，解决了现有技术中混凝土弹性模量和韧性不足的问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种高弹性模量的韧性混凝土，包括以下质量份的组分：
优选的，高弹性模量的韧性混凝土包括以下质量份的组分：
在一些具体的技术方案中，所述水泥为P·Ⅱ·52.5硅酸盐水泥，比表面积≥350m2/kg。
在一些具体的技术方案中，所述砂为天然河砂，级配范围为Ⅱ区级配，含水率为1％～2％，细度模数为2.8。
在一些具体的技术方案中，所述5～10mm粒径碎石和10～25mm粒径碎石为花岗岩碎石，其中片状、针状碎石占比≤4.5wt％。
在一些具体的技术方案中，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率≥30％。
在一些具体的技术方案中，所述微硅粉的粒径为0.1～0.2μm，比表面积≥18500m2/kg，微硅粉中活性二氧化硅的含量≥92％。
在一些具体的技术方案中，所述钢纤维为短直型镀铜钢纤维，长度为0.8cm～1.5cm，直径为0.05mm～0.25mm，拉伸强度≥2850MPa。
第二方面，本发明还提供了上述的高弹性模量的韧性混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水、水泥、砂、5～10mm粒径碎石、10～25mm粒径碎石、减水剂、微硅粉、钢纤维分别按比例称取；
(2)将称得的水泥、砂、5～10mm粒径碎石、10～25mm粒径碎石、微硅粉混合搅拌均匀后，加入水和减水剂继续搅拌均匀，最后加入钢纤维搅拌均匀，得到混凝土拌合物；
(3)将步骤(2)所制得的混凝土拌合物装入模具中，振捣密实，使用铲刀抹去试模表面浆体，平整试件上表面；
(4)试件成型1天后拆模，使用土工布覆盖湿法养护13天后，自然养护14天，即得所述高弹性模量的韧性混凝土。
在一些具体的技术方案中，在步骤(2)中，具体操作为：采用强制式双卧轴混凝土搅拌机在55r/min的搅拌速度下将水泥、砂、5～10mm粒径碎石、10～25mm粒径碎石、微硅粉混合搅拌2min至均匀，然后加入水与减水剂在55r/min的搅拌速度下继续混合搅拌2min至混合料均匀，最后加入钢纤维并在55r/min的搅拌速度下搅拌4min，确保钢纤维在所制得的混凝土拌合物中均匀分散。
本发明的设计原理：
(1)混凝土作为一种多相复合材料，主要由胶凝材料、骨料和增强材料组成，其各项性能主要取决于基体属性以及各组分的界面性能。而各类骨料组成了混凝土的刚性骨架，骨架性能直接决定了混凝土各项性能优劣，尤其是混凝土的弹性模量。基于骨料密堆积原理，得到大刚性混凝土骨架，提高混凝土整体弹性模量，可构筑高弹模模量的混凝土。
(2)0.1～0.2μm微硅粉能有效填充混凝土基体中的微小有害孔洞，使基体孔数量显著减少，增大基体密实性，提高混凝土整体弹性模量。
(3)在高弹性模量混凝土配合比中加入合理掺量的钢纤维，钢纤维可以桥接基体，延缓混凝土承受荷载时的变形及开裂，改善混凝土由于高弹性模量而增加的脆性，提高其韧性，可构筑一种高弹性模量的韧性混凝土。另外，钢纤维还可在一定程度上提升混凝土基体的密实性，使混凝土强度以及弹性模量进一步提高。
与现有技术相比，本发明提供了一种高弹性模量的韧性混凝土及其制备方法，具备以下有益效果：
(1)本发明通过骨料密堆积构成紧密的混凝土骨架，并利用微硅粉填充基体孔隙，使混凝土的弹性模量得到大幅提高，28天静弹性模量可达45～50GPa，远超普通混凝土的弹性模量。通过加入钢纤维，增强混凝土的韧性，进一步提高混凝土的力学性能，使得混凝土具备高强度、高弹性模量的同时兼顾一定韧性。
(2)本发明在保证混凝土高强度、高弹性模量的条件下，改善了混凝土的脆性，使其具备一定的韧性，应用于大跨连续刚构桥结构，在利用其高弹性模量特性减轻桥梁跨中下挠的同时保证其具有一定的延性，进一步提高了结构的安全性和可靠性，降低了结构开裂以及突然破坏的风险，减少了桥梁后期维护成本。
(3)本发明涉及使用的原材料易于获得，制备方法过程简单，有利于在工程中规模化生产。
具体实施方式
下面将对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种高弹性模量的韧性混凝土，包括以下质量份的组分：
其中，水泥为P·Ⅱ·52.5硅酸盐水泥，比表面积≥350m2/kg。砂为天然河砂，级配范围为Ⅱ区级配，含水率为1％～2％，细度模数为2.8。5～10mm粒径碎石和10～25mm粒径碎石为花岗岩碎石，其中片状、针状碎石占比≤4.5wt％。减水剂为聚羧酸减水剂，减水率≥30％。微硅粉的粒径为0.1～0.2μm，比表面积≥18500m2/kg，微硅粉中活性二氧化硅的含量≥92％。钢纤维为短直型镀铜钢纤维，长度为0.8cm～1.5cm，直径为0.05mm～0.25mm，拉伸强度≥2850MPa。
该高弹性模量的韧性混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水、水泥、砂、5～10mm粒径碎石、10～25mm粒径碎石、减水剂、微硅粉、钢纤维分别按比例称取；
(2)采用强制式双卧轴混凝土搅拌机在55r/min的搅拌速度下将称得的水泥、砂、5～10mm粒径碎石、10～25mm粒径碎石、微硅粉混合搅拌2min至均匀，然后加入水与减水剂在55r/min的搅拌速度下继续混合搅拌2min至混合料均匀，最后加入钢纤维并在55r/min的搅拌速度下搅拌4min，得到混凝土拌合物，确保钢纤维在所制得的混凝土拌合物中均匀分散；
(3)将步骤(2)所制得的混凝土拌合物装入模具中，振捣密实，使用铲刀抹去试模表面浆体，平整试件上表面；
(4)试件成型1天后拆模，使用土工布覆盖湿法养护13天后，自然养护14天，即得所述高弹性模量的韧性混凝土。
下面通过详细的实施例对本发明作进一步详细描述。
以下实施例中，水泥采用广东省阳春海螺水泥有限公司生产的P·Ⅱ·52.5硅酸盐水泥，其比表面积为356m2/kg；细骨料用砂采用天然河砂，级配范围为Ⅱ区级配，含水率为1％，细度模数为2.8；5～10mm粒径碎石以及10～25mm粒径碎石采用花岗岩碎石，其中片状、针状颗粒含量为4.5wt％，压碎指标为4.0；减水剂采用西卡建筑材料有限公司生产的聚羧酸减水剂，减水率为30％；微硅粉采用甘肃三远硅材料有限公司生产的微硅粉，比表面积18500m2/kg；钢纤维采用上海真强纤维有限公司生产的长度为8mm，直径为0.12mm的短直型钢纤维，长径比为67。
实施例1
本实施例提供了一种高弹性模量的韧性混凝土，包括以下质量份的组分：水142份、P·Ⅱ·52.5硅酸盐水泥490份、砂710份、5～10mm粒径碎石295份、10～25mm粒径碎石882份、聚羧酸减水剂7份、微硅粉20份和短直型钢纤维47份。
实施例2
本实施例提供了一种高弹性模量的韧性混凝土，包括以下质量份的组分：水142份、P·Ⅱ·52.5硅酸盐水泥490份、砂710份、5～10mm粒径碎石295份、10～25mm粒径碎石882份、聚羧酸减水剂7份、微硅粉20份和短直型钢纤维31.5份。
实施例3
本实施例提供了一种高弹性模量的韧性混凝土，包括以下质量份的组分：水142份、P·Ⅱ·52.5硅酸盐水泥490份、砂710份、5～10mm粒径碎石295份、10～25mm粒径碎石882份、聚羧酸减水剂7份、微硅粉10份和短直型钢纤维31.5份。
上述实施例1～3中高弹性模量的韧性混凝土的制备方法包括以下步骤：
(1)将水、水泥、砂、5～10mm粒径碎石、10～25mm粒径碎石、减水剂、微硅粉、钢纤维分别按配合比例称取；
(2)将称得的水泥、砂、5～10mm粒径碎石、10～25mm粒径碎石、微硅粉采用强制式双卧轴混凝土搅拌机在55r/min的搅拌速度下搅拌2min至各组分干料均匀混合；
(3)然后加入水与减水剂，使混合料在55r/min的搅拌速度下湿搅拌2min至混合料均匀；
(4)加入钢纤维，并在55r/min的搅拌速度下搅拌4min，确保钢纤维均匀分散，得到混凝土拌合物；
(5)将所制得的混凝土拌合物装入模具中，振捣密实，使用铲刀抹去试模表面浆体，平整试件上表面；
(6)试件成型1天后拆模，使用土工布覆盖湿法养护13天后，自然养护14天，即得所述高弹性模量的韧性混凝土。
对比例1
对比例为强度等级为C50的普通混凝土，包括以下质量份的组分：水142份、P·Ⅱ·52.5硅酸盐水泥490份、砂691份、5～10mm粒径碎石235份、10～25mm粒径碎石942份和聚羧酸减水剂7份。
对比例1中普通混凝土的制备方法包括以下步骤：
(1)根据配合比例称取各原材料；
(2)将称得的水泥、砂、5～10mm粒径碎石、10～25mm粒径碎石加入搅拌机搅拌2min，然后加入水与减水剂搅拌2min，得到混凝土拌合物；
(3)将所制得的混凝土拌合物装入模具中，振捣密实，使用铲刀抹去试模表面浆体，平整试件上表面；
(4)试件成型1天后拆模，使用土工布覆盖湿法养护13天后，自然养护14天，制得对比例1普通混凝土。
根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)，采用电液式压力试验机对实施例1～3所得的高弹性模量的韧性混凝土和对比例1所得的普通混凝土进行抗压强度试验、抗折强度试验和弹性模量试验；根据国际材料与结构研究实验联合会(RILEM)推荐方法计算实施例1～3和对比例1的断裂能。结果如下表1所示。
表1性能测试结果
| 抗压强度(MPa) | 抗折强度(MPa) | 弹性模量(GPa) | 断裂能(N/m) | |
| 对比例1 | 51.7 | 7.07 | 39.10 | 562.32 |
| 实施例1 | 84.9 | 10.23 | 50.15 | 5680.45 |
| 实施例2 | 89.5 | 9.67 | 49.92 | 3374.66 |
| 实施例3 | 73.8 | 9.11 | 47.39 | 3160.51 |
上述表1结果表明，本发明所得的高弹性模量的韧性混凝土，其抗压强度、抗折强度均大于普通C50混凝土，弹性模量是普通C50混凝土弹性模量的128％，并且在达到高强度、高弹性模量的同时，断裂能可达普通C50混凝土的10倍，充分说明混凝土在保持高弹性模量特性的同时具备一定的韧性，能更好满足现代桥梁工程的建造需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施例。
Claims (10)
1.一种高弹性模量的韧性混凝土，其特征在于，包括以下质量份的组分：
2.根据权利要求1所述的高弹性模量的韧性混凝土，其特征在于，包括以下质量份的组分：
3.根据权利要求1或2中任一项所述的高弹性模量的韧性混凝土，其特征在于：所述水泥为P·Ⅱ·52.5硅酸盐水泥，比表面积≥350m2/kg。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的高弹性模量的韧性混凝土，其特征在于：所述砂为天然河砂，级配范围为Ⅱ区级配，含水率为1％～2％，细度模数为2.8。
5.根据权利要求1或2中任一项所述的高弹性模量的韧性混凝土，其特征在于：所述5～10mm粒径碎石和10～25mm粒径碎石为花岗岩碎石，其中片状、针状碎石占比≤4.5wt％。
6.根据权利要求1或2中任一项所述的高弹性模量的韧性混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率≥30％。
7.根据权利要求1或2中任一项所述的高弹性模量的韧性混凝土，其特征在于：所述微硅粉的粒径为0.1～0.2μm，比表面积≥18500m2/kg，微硅粉中活性二氧化硅的含量≥92％。
8.根据权利要求1或2中任一项所述的高弹性模量的韧性混凝土，其特征在于：所述钢纤维为短直型镀铜钢纤维，长度为0.8cm～1.5cm，直径为0.05mm～0.25mm，拉伸强度≥2850MPa。
9.根据权利要求1或2中任一项所述的高弹性模量的韧性混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将水、水泥、砂、5～10mm粒径碎石、10～25mm粒径碎石、减水剂、微硅粉、钢纤维分别按比例称取；
(2)将称得的水泥、砂、5～10mm粒径碎石、10～25mm粒径碎石、微硅粉混合搅拌均匀后，加入水和减水剂继续搅拌均匀，最后加入钢纤维搅拌均匀，得到混凝土拌合物；
(3)将步骤(2)所制得的混凝土拌合物装入模具中，振捣密实，使用铲刀抹去试模表面浆体，平整试件上表面；
(4)试件成型1天后拆模，使用土工布覆盖湿法养护13天后，自然养护14天，即得所述高弹性模量的韧性混凝土。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，具体操作为：采用强制式双卧轴混凝土搅拌机在55r/min的搅拌速度下将水泥、砂、5～10mm粒径碎石、10～25mm粒径碎石、微硅粉混合搅拌2min至均匀，然后加入水与减水剂在55r/min的搅拌速度下继续混合搅拌2min至混合料均匀，最后加入钢纤维并在55r/min的搅拌速度下搅拌4min，确保钢纤维在所制得的混凝土拌合物中均匀分散。
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| CN202210541643.1A Pending CN115196915A (zh) | 2022-05-17 | 2022-05-17 | 一种高弹性模量的韧性混凝土及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115196915A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115974468A (zh) * | 2022-10-25 | 2023-04-18 | 中铁二十四局集团安徽工程有限公司 | 一种机场场道高性能混凝土及其制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140326168A1 (en) * | 2011-11-16 | 2014-11-06 | Taisei Corporation | Fiber reinforced cement based mixed material |
| CN106517957A (zh) * | 2016-11-22 | 2017-03-22 | 江苏苏博特新材料股份有限公司 | 一种普通强度高弹性模量混凝土及其制备方法 |
| CN109867496A (zh) * | 2017-12-04 | 2019-06-11 | 东北林业大学 | 一种混杂纤维增强增韧高强自密实混凝土及其制备方法 |
-
2022
- 2022-05-17 CN CN202210541643.1A patent/CN115196915A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140326168A1 (en) * | 2011-11-16 | 2014-11-06 | Taisei Corporation | Fiber reinforced cement based mixed material |
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| CN109867496A (zh) * | 2017-12-04 | 2019-06-11 | 东北林业大学 | 一种混杂纤维增强增韧高强自密实混凝土及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 常鸿雁: "高强混凝土的配制及增韧研究", 《山西建筑》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115974468A (zh) * | 2022-10-25 | 2023-04-18 | 中铁二十四局集团安徽工程有限公司 | 一种机场场道高性能混凝土及其制备方法 |
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