CN115521111A - 一种混杂钢纤维超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混杂钢纤维超高性能混凝土及其制备方法，该混凝土包括以质量份数计的以下组分：石英砂700份，石英粉300份，硅灰230份，水泥770份，钢纤维156份，高效减水剂35份和水135.5份；石英砂粒度区间为394.2‑1019.5μm；石英粉粒度区间为152.5‑229.1μm；硅灰平均粒径为0.2μm，SiO2含量为98％。本发明可根据不同种类钢纤维性能参数，可以确定不同体积掺量钢纤维增韧指数；通过合理搭配不同掺量钢纤维使其达到最优化的增韧效果。

Description

一种混杂钢纤维超高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于超高性能混凝土技术领域，特别涉及一种混杂钢纤维超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
超高性能混凝土是由超高强基体和纤维组成的新型复合材料，超高性能混凝土因其具备突出的力学性能(抗压强度>150MPa和拉伸强度>8MPa)、优异的耐久性、良好的抗疲劳性以及多缝开裂产生的应变-硬化行为而引起广泛的关注。由于性能优异，超高性能混凝土具有很好的工程应用价值和广阔的市场前景。然而，超高性能混凝土因掺入钢纤维而导致其成本昂贵，无法广泛应于普通建筑工程。因此，充分发挥钢纤维增强、增韧的优势，降低超高性能混凝土成本，是拓展超高性能混凝土应用领域的有效方法。基于纤维混杂机理，短纤维可以有效抑制微裂缝的产生和延伸，提高长高性能混凝土初裂强度；而长纤维可以有效阻碍宏观裂缝的演变和扩展，显著改善超高性能混凝土的韧性。所以，通过将不同尺寸钢纤维混杂，充分发挥各自优势和特点，使超高性能混凝土朝着低成本、高性能方向发展，成为拓展超高性能混凝土应用领域的最有效的手段之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，科学降低钢纤维使用量，有效控制超高性能混凝土成本，实现超高性能混凝土性能优化和成本可控，进而拓展其工程应用范围。基于塑性断裂力学，引入增韧指数，从能量角度建立不同尺寸钢纤维掺量和力学性能之间的非线性模型，进而达到根据实际建筑工程中超高性能混凝土应用部位的不同，合理的调整混杂纤维的种类和用量。
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种混杂钢纤维超高性能混凝土及其制备方法，以解决上述问题。
本发明提供如下的技术方案：
一种混杂钢纤维超高性能混凝土，包括以质量份数计的以下组分，石英砂700份，石英粉300份，硅灰230份，水泥770份，钢纤维156份，高效减水剂35份和水135.5份。
进一步的，石英砂粒度区间为394.2-1019.5μm；石英粉粒度区间为152.5-229.1μm。
进一步的，硅灰平均粒径为0.2μm，SiO2含量为98％。
进一步的，水泥为普通硅酸盐水泥，其比表面积为360-378m2/kg。
进一步的，钢纤维密度为7.8g/cm3，拉伸强度为2500MPa，弹性模量为200GPa。
进一步的，减水剂为聚羧酸高效减水剂，固含量为33％，减水率为35％。
一种前述混杂钢纤维超高性能混凝土的制备方法，其包括如下步骤：
步骤S1：将石英砂和石英粉投入强制性搅拌机，缓慢搅拌5分钟，使其充分混合均匀；
步骤S2：将水泥和硅灰加入强制性搅拌机，缓慢搅拌10分钟，使所有原材料充分混合均匀；
步骤S3：将一半的水泥和聚羧酸高效减水剂混合物，加入到混合均匀的原材料中，搅拌2分钟，在此过程中，搅拌机持续缓慢转动，保证液体混合物和干粉原材料的充分接触；
步骤S4：将剩余的水和水泥和聚羧酸高效减水剂混合物，加入强制性搅拌机，高速转动10分钟，制备出工作性能良好的新拌浆体；
步骤S5：将新拌超高性能混凝土浆体一次性浇注于100mm×100mm×400mm的试模中，然后放置在混凝土振动台振实1min；
步骤S6：用刮刀抹去高出试模的拌合物，将其置于25℃、RH为90％的环境中静停24h后脱模；
步骤S7：将脱模后的超高性能混凝土基体试件进行蒸汽养护：以12℃/h的速率将其升温至80℃并于80±3℃下养护48h，最后以12℃/h的速率由80℃降至室温；最后，测试其弯曲初裂强度；
步骤S8：在明确超高性能混凝土基体弯曲初裂强度(FLOP)的基础上，根据实际工程中超高性能混凝土所在建筑结构中的施工部位，确定混杂纤维超高性能混凝土服役期间所需弯曲强度(FMOR)及韧性要求；
步骤S9：根据生产厂家所提供的纤维种类、长度(Lf)、直径(df)等基本参数，计算不同体积掺量(Vf)纤维的增韧指数，
Figure BDA0003875771510000021
进一步按照下式，可以确定混杂纤维超高性能混凝土弯曲强度及韧性：
Figure BDA0003875771510000022
Figure BDA0003875771510000023
进一步的，步骤S4中的搅拌过程中，利用钢筛将不同种类钢纤维依次均匀筛入工作性良好的新拌浆体中，最大程度保证纤维分散的均匀性，最后将混杂纤维超高性能混凝土浆体浇注到模具中。
进一步的，步骤S9中，
Figure BDA0003875771510000024
混杂纤维混凝土呈现裂后“挠度硬化”行为，反之呈现“挠度软化”行为，f1、f2和f3代表不同种类的钢纤维。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
1、本发明提供的混杂钢纤维超高性能混凝土及其制备方法，根据不同种类钢纤维性能参数，可以确定不同体积掺量钢纤维增韧指数；通过合理搭配不同掺量钢纤维使其达到最优化的增韧效果；
2、通过科学合理的成本控制，可以在现有成本基础上实现混杂纤维超高性能混凝土弯曲韧性的最大化提高和改善；或则在满足性能要求的基础上，通过合理搭配钢纤维种类和掺量，降低混杂纤维混凝土的成本；
3、弯曲荷载作用下，超高性能混凝土开裂过程，是由微裂缝萌生、聚合成宏观裂缝和宏观裂缝不断扩展直至断裂失效的一个过程；本发明中，通过科学的成本控制和科学性能要求，基于“纤维混杂效应”，利用短纤维抑制微裂缝的萌生、延伸，和长纤维阻碍宏观裂缝扩展，显著改善混杂纤维混凝土裂前弯曲强度和裂后断裂韧性，实现混杂钢纤维在多尺度上增韧效果的充分发挥。
附图说明
图1是本发明实施例的制备方法流程示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，下述的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例：
参见附图1，本发明提供的混杂钢纤维超高性能混凝土，包括以质量份数计的以下组分：石英砂700份，石英粉300份，硅灰230份，水泥770份，钢纤维156份，高效减水剂35份和水135.5份；
可优选地，石英砂粒度区间为394.2-1019.5μm；石英粉粒度区间为152.5-229.1μm。
可有选地，所述硅灰平均粒径为0.2μm，SiO2含量为98％。
可优选地，水泥为普通硅酸盐水泥，其比表面积为360-378m2/kg。
可优选地，钢纤维密度为7.8g/cm3，拉伸强度为2500MPa，弹性模量为200GPa。
可优选地，减水剂为聚羧酸高效减水剂，固含量为33％，减水率为35％。
根据纤维购买厂商提供纤维性能参数，明确纤维长度(Lf)和直径(df)；配制不含钢纤维超高性能混凝土基体。
优选地，配合比如表1所示，参考《GB/31387活性粉末混凝土》对试件进行标准养护，参照《CECS 13 2009》进行弯曲测试，确定素超高性能混凝土初裂强度(FLOP)＝10.66MPa；
表1超高性能混凝土基体配合比
Figure BDA0003875771510000031
本发明提供的前述混杂钢纤维超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：将石英砂和石英粉投入强制性搅拌机，缓慢搅拌5分钟，使其充分混合均匀；
步骤S2：将水泥和硅灰加入强制性搅拌机，缓慢搅拌10分钟，使所有原材料充分混合均匀；
步骤S3：将一半的水泥和聚羧酸高效减水剂混合物，加入到混合均匀的原材料中，搅拌2分钟，在此过程中，搅拌机持续缓慢转动，保证液体混合物和干粉原材料的充分接触；
步骤S4：将剩余的水和水泥和聚羧酸高效减水剂混合物，加入强制性搅拌机，高速转动10分钟，制备出工作性能良好的新拌浆体；搅拌过程中，利用钢筛将不同种类钢纤维依次均匀筛入工作性良好的新拌浆体中，最大程度保证纤维分散的均匀性，最后将混杂纤维超高性能混凝土浆体浇注到模具中；
步骤S5：将新拌超高性能混凝土浆体一次性浇注于100mm×100mm×400mm的试模中，然后放置在混凝土振动台振实1min；
步骤S6：用刮刀抹去高出试模的拌合物，将其置于25℃、RH为90％的环境中静停24h后脱模；
步骤S7：将脱模后的超高性能混凝土基体试件进行蒸汽养护：以12℃/h的速率将其升温至80℃并于80±3℃下养护48h，最后以12℃/h的速率由80℃降至室温；最后，测试其弯曲初裂强度；
步骤S8：在明确超高性能混凝土基体弯曲初裂强度(FLOP)的基础上，根据实际工程中超高性能混凝土所在建筑结构中的施工部位，确定混杂钢纤维超高性能混凝土服役期间所需弯曲强度(FMOR)及韧性要求；
步骤S9：根据生产厂家所提供的纤维种类、长度(Lf)、直径(df)等基本参数，计算不同体积掺量(Vf)纤维的增韧指数，
Figure BDA0003875771510000041
进一步按照下式，可以确定混杂钢纤维超高性能混凝土弯曲强度及韧性：
Figure BDA0003875771510000042
Figure BDA0003875771510000043
Figure BDA0003875771510000044
混杂纤维混凝土呈现裂后“挠度硬化”行为，反之呈现“挠度软化”行为，f1、f2和f3代表不同种类的钢纤维。
如表2所示，根据钢纤维物理性能确定不同长度镀铜钢纤维增韧指数：
表2钢纤维物理性能
Figure BDA0003875771510000045
长度为6mm的镀铜钢纤维，在纤维体积掺量分别为0.5％，1.0％，1.5％和2.0％时，增韧指数分别为
Figure BDA0003875771510000046
0.15，0.30，0.45和0.60；
长度为13mm的镀铜钢纤维，在纤维体积掺量分别为0.5％，1.0％，1.5％和2.0％时，增韧指数分别为
Figure BDA0003875771510000047
0.325，0.650，0.975和1.250；
长度为20mm的镀铜钢纤维，在纤维体积掺量分别为0.5％，1.0％，1.5％和2.0％时，增韧指数分别为
Figure BDA0003875771510000048
0.5，1.0，1.5和2.0；
确定最优化混杂纤维种类和掺量；
在钢纤维体积掺量为2.0％情况下，单一种类钢纤维掺入超高性能混凝土基体中，长度为20mm的钢纤维增韧指数最大，为2.0；
在钢纤维体积掺量为2.0％情况下，长度为13mm和20mm钢纤维按照1：2混杂，其增韧指数最大，为2.15。
根据公式
Figure BDA0003875771510000051
确定长度为13mm和20mm钢纤维按照1：2混杂时，超高性能混凝土最大弯曲强度，FMOR＝3.145FLOP＝33.52MPa。
需要特别说明的是，在本发明记载的组分、配比及工艺参数的范围内，选择其他的组分、配比及工艺参数也可以实现本发明的技术效果，故本发明不再将其一一列出。
本发明上述实施例提供的混杂钢纤维超高性能混凝土及其制备方法，可根据不同种类钢纤维性能参数，可以确定不同体积掺量钢纤维增韧指数；通过合理搭配不同掺量钢纤维使其达到最优化的增韧效果。本发明制备水泥为普通硅酸盐水泥，其比表面积为360-378m2/kg；钢纤维密度为7.8g/cm3，拉伸强度为2500MPa，弹性模量为200GPa；减水剂为聚羧酸高效减水剂，固含量为33％，减水率为35％。
本发明基于塑性断裂力学，引入增韧指数，从能量角度建立不同尺寸钢纤维掺量和力学性能之间的非线性模型，进而达到根据实际建筑工程中超高性能混凝土应用部位的不同，合理的调整混杂纤维的种类和用量。
以上详细描述了本发声明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种混杂钢纤维超高性能混凝土，其特征在于：包括以质量份数计的以下组分，石英砂700份，石英粉300份，硅灰230份，水泥770份，钢纤维156份，高效减水剂35份和水135.5份。
2.根据权利要求1所述的混杂钢纤维超高性能混凝土，其特征在于：所述石英砂粒度区间为394.2-1019.5μm；石英粉粒度区间为152.5-229.1μm。
3.根据权利要求1所述的混杂钢纤维超高性能混凝土，其特征在于：所述硅灰平均粒径为0.2μm，SiO2含量为98％。
4.根据权利要求1所述的混杂钢纤维超高性能混凝土，其特征在于：所述水泥为硅酸盐水泥，其比表面积为360-378m2/kg。
5.根据权利要求1所述的混杂钢纤维超高性能混凝土，其特征在于：所述钢纤维密度为7.8g/cm3，拉伸强度为2500MPa，弹性模量为200GPa。
6.根据权利要求1所述的混杂钢纤维超高性能混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，固含量为33％，减水率为35％。
7.一种根据权利要求1至6任一项所述混杂钢纤维超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：将石英砂和石英粉投入强制性搅拌机，缓慢搅拌5分钟，使其充分混合均匀；
步骤S2：将水泥和硅灰加入强制性搅拌机，缓慢搅拌10分钟，使所有原材料充分混合均匀；
步骤S3：将一半的水泥和聚羧酸高效减水剂混合物，加入到混合均匀的原材料中，搅拌2分钟，在此过程中，搅拌机持续缓慢转动，保证液体混合物和干粉原材料的充分接触；
步骤S4：将剩余的水和水泥和聚羧酸高效减水剂混合物，加入强制性搅拌机，高速转动10分钟，制备出工作性能良好的新拌浆体；
步骤S5：将新拌超高性能混凝土浆体一次性浇注于100mm×100mm×400mm的试模中，然后放置在混凝土振动台振实1min；
步骤S6：用刮刀抹去高出试模的拌合物，将其置于25℃、RH为90％的环境中静停24h后脱模；
步骤S7：将脱模后的超高性能混凝土基体试件进行蒸汽养护：以12℃/h的速率将其升温至80℃并于80±3℃下养护48h，最后以12℃/h的速率由80℃降至室温；最后，测试其弯曲初裂强度；
步骤S8：在明确超高性能混凝土基体弯曲初裂强度(FLOP)的基础上，根据实际工程中超高性能混凝土所在建筑结构中的施工部位，确定混杂钢纤维超高性能混凝土服役期间所需弯曲强度(FMOR)及韧性要求；
步骤S9：根据生产厂家所提供的纤维种类、长度(Lf)、直径(df)等基本参数，计算不同体积掺量(Vf)纤维的增韧指数，
Figure FDA0003875771500000011
进一步按照下式，可以确定混杂钢纤维超高性能混凝土弯曲强度及韧性：
Figure FDA0003875771500000012
(挠度软化)
Figure FDA0003875771500000013
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤S4中的搅拌过程中，利用钢筛将钢纤维均匀筛入工作性良好的新拌浆体中，最后将混杂纤维超高性能混凝土浆体浇注到模具中。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤S9中，
Figure FDA0003875771500000021
Figure FDA0003875771500000022
混杂纤维混凝土呈现裂后“挠度硬化”行为，反之呈现“挠度软化”行为，其中f1、f2和f3代表不同种类的钢纤维。
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