CN115650656A - 一种工作时间可调的超高性能混凝土 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高性能建筑材料技术领域，尤其是一种工作时间可调的超高性能混凝土，包括水泥100份、精选超细粉煤灰沉珠20‑30份、硅灰5‑10份、砂120‑150份、高性能聚羧酸减水剂1‑1.5份、钢纤维20‑30份、柠檬酸0.5‑2份、膦酰基丁烷三羧酸0.5‑2份以及一定量的水，其中所述水泥、精选超细粉煤灰沉珠以及硅灰构成超高性能混凝土中的胶凝材料。本发明的优点是：通过物理和化学相结合的方法，实现超高性能混凝土拌合物工作时间可调，有效解决超高性能混凝土拌合物工作时间短而产生施工质量缺陷的问题。
Description
技术领域
本发明涉及高性能建筑材料技术领域，尤其是一种工作时间可调的超高性能混凝土，尤其是适用于喷射施工的超高性能混凝土。
背景技术
目前，普通混凝土因抗拉强度低、韧性差和开裂后裂缝发展不能有效控制等缺点，导致混凝土结构过早的劣化不能继续使用，也致使混凝土结构的耐久性和使用寿命大大降低。为了克服混凝土的这些缺点，超高性能混凝土（UHPC）被提出应用于混凝土中，超高性能混凝土是一种水泥基材料，通过利用颗粒紧密堆积理论、断裂力学和微观力学原理对材料体系进行系统的设计、优化和调整，并添加1-3体积率的纤维。超高性能混凝土可以明显的提高混凝土的抗拉能力和抗剪能力，因此具有良好的韧性，能有效控制混凝土的发展，现已逐步应用于实际工程中。
超高性能混凝土强度高、扩展性好，但通常由于水泥等胶凝材料用量比常规混凝土高很多，导致超高性能混凝土的可工作时间也明显缩短，因此对超高性能混凝土的连续施工提出了更高的要求。但由于现场施工因施工设备故障、材料运输、突发天气等原因，经常会出现短时间停止施工的情况，尤其是在夏季高温施工时，因超高性能混凝土拌合物工作性快速丧失而无法顺利完成施工，出现施工冷缝而影响施工质量。
超高性能混凝土中胶凝材料用量一般800kg/m3以上，水胶比在0.2以下，因此，超高性能混凝土拌合物总体水化热大，这又进一步加快了拌合物的水泥水化速度，使得拌合物的可工作时间一般都不超过1小时，在夏季高温施工时可工作时间往往小于0.5小时，对连续施工带来了挑战，大大增加了因工作时间缩短而产生施工质量缺陷的风险。
目前，通过使用缓凝剂可以在一定程度上延长超高性能混凝土的可工作时间，但若缓凝剂品种选择不当或超量使用时，不仅会导致混凝土长期不凝结，而且会严重降低混凝土早期强度和后期强度，尤其是在进行超高性能混凝土的喷射施工时，由于混凝土拌合物可工作时间短，混凝土堵管问题频发而导致施工终端，严重影响施工进度和施工质量。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种工作时间可调的超高性能混凝土，通过优化超高性能混凝土配合比，采用优选粉煤灰微珠为掺合料替代水泥，并结合柠檬酸和膦酰基丁烷三羧酸共同作用在水泥颗粒表面，可延长超高性能混凝土的可工作时间，并可配置工作时间在2-48h内调节的超高性能混凝土。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种工作时间可调的超高性能混凝土，其特征在于：该超高性能混凝土包括水泥100份、精选超细粉煤灰沉珠20-30份、硅灰5-10份、砂120-150份、高性能聚羧酸减水剂1-1.5份、钢纤维20-30份、柠檬酸0.5-2份、膦酰基丁烷三羧酸0.5-2份以及一定量的水，其中所述水泥、精选超细粉煤灰沉珠以及硅灰构成超高性能混凝土中的胶凝材料。
所述超高性能混凝土中的水和所述胶凝材料总量的质量比为0.15-0.19。
所述精选超细粉煤灰沉珠的细度为D50≤2μm，D97≤10μm。
通过调整所述柠檬酸与所述膦酰基丁烷三羧酸的掺入量控制所述超高性能混凝土的可工作时间。
所述柠檬酸和所述膦酰基丁烷三羧酸按所述胶凝材料的重量的0.4‰-1.5‰进行掺入。
本发明的优点是：
（1）采用经过优选的粉煤灰微珠沉珠，从物理上不仅能够将混凝土的放热峰值后推2h，并且能显著降低总水化热，能够延长超高性能混凝土拌合物的可工作时间1.5-2h；
（2）以柠檬酸和膦酰基丁烷三羧酸为主，通过化学作用在水泥颗粒表面形成保护膜，使水泥进入“休眠”状态，到达设定时间后，保护膜破裂，水泥颗粒与水接触，如新鲜混凝土一样进入正常水化反应；
（3）通过“水化反应控制”机理来实现超高性能混凝土拌合物的水化反应时间可调节，从而实现超高性能混凝土可工作时间的可调节；
（4）通过物理和化学相结合的方法，实现超高性能混凝土拌合物工作时间可调，有效解决超高性能混凝土拌合物工作时间短而产生施工质量缺陷的问题；
（5）在进行喷射超高性能混凝土施工时，通过调节混凝土拌合物的可工作时间，能够解决物料长距离运输、长时间等待等难题，而且能够进一步降低回弹，即提高施工进度和施工质量，又节省了成本。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
实施例一：本实施例中的工作时间可调的超高性能混凝土通过选用精选超细粉煤灰沉珠替代部分水泥，从物理上不仅能够将混凝土的放热峰值后推2h，并且能够显著降低总水化热，能够延长超高性能混凝土拌合的工作时间1.5-2h。
以本实施例中的超高性能混凝土的可工作时间可达到2h为要求，按此要求对其配比进行设计，该超高性能混凝土包括如下组分：
水泥700kg、精选超细粉煤灰沉珠200kg、硅灰60kg、0-0.5mm的磨细石英砂1000kg、水180kg，聚羧酸减水剂7kg，钢纤维190kg。
在制备时，按上述配比将称量好的粉料加入强制式搅拌机，开启搅拌机缓慢加入称量好的水，搅拌3-5min后加入称量好的钢纤维，再搅拌3-5min。
按上述配方及制备工艺所制备得到的超高性能混凝土进行坍落扩展度测试，测试结果如下：
（1）新鲜拌合物的坍落扩展度700mm；
（2）1h后的坍落扩展度为680mm；
（3）2h后的坍落扩展度为630mm；
（4）3h后的坍落扩展度为400mm；
通过上述坍落扩展度测试可以看出，制备得到的超高性能混凝土在2h后仍具有630mm的坍落扩展度，其可工作时间得到了显著延长。
实施例二：本实施例中的工作时间可调的超高性能混凝土通过选用精选超细粉煤灰沉珠替代部分水泥之外，还通过在原料中掺入柠檬酸和膦酰基丁烷三羧酸进一步提高超高性能混凝土的可工作时间。
柠檬酸和膦酰基丁烷三羧酸的掺入原理是：通过柠檬酸和膦酰基丁烷三羧酸在混凝土拌合物中均匀分散，两者直接通过化学键结合并包裹在水泥颗粒表面形成一层保护膜，从而使水泥水化处于“休眠”状态。该“休眠”状态指的是，此时水泥由于被包裹在保护膜内，因此其并未发生水化状态。但当达到一定设定时间后，由柠檬酸和膦酰基丁烷三羧酸所形成的保护膜自动破裂，使水泥与水接触，如新鲜混凝土一样进行正常的水化反应。
在本实施例中，柠檬酸和膦酰基丁烷三羧酸的掺量可根据设计要求的可工作时间按胶凝材料重量的0.4‰-1.5‰之间进行添加，使超高性能混凝土的可工作时间在4-48h内可调。柠檬酸和膦酰基丁烷三羧酸与可工作时间之间存在一定的比例关系，通过实验发现，该比例关系可以视作线性关系；在实际使用时，可根据设计要求的可工作时间进行添加，但仍为了保证可工作时间的高精度控制，可先进行室内试验以确定柠檬酸和膦酰基丁烷三羧酸的实际掺量。但若掺量小于0.4‰时，将无法满足“保护膜”的包裹要求，从而使制备所得的超高性能混凝土不能达到所需的工作时间；若掺量大于1.5‰时，工作时间虽在一定程度上会进一步增加，但考虑到实际施工中的情况，但超掺量添加既不经济也会起到一定不良反应，例如可能导致工作时间虽然长，但无法精准控制。
本实施例与现有常用的缓凝剂主要的区别在于：本实施例中的“水化控制机理”是使被保护膜包裹的水泥颗粒进入“休眠”状态，保护膜破裂后，水泥恢复水化反应，对后续凝结时间没有影响，并且对后期强度和耐久性也没有影响；而缓凝剂则只是减缓水泥颗粒的水化反应进程，而且过量添加后会出现混凝土不凝现象，影响混凝土的后期强度和耐久性。
此外，当将本实施例中的超高性能混凝土应用于喷射施工时，拌合物中包裹在水泥颗粒表面的保护膜在遇到喷射施工中所用的无碱速凝剂后发生反应而导致所形成的保护膜自动发生破裂，使水泥颗粒与无碱速凝剂发生快速凝结硬化反应，实现超高性能混凝土的快速凝结硬化。
以本实施例中的超高性能混凝土的可工作时间可达到4h为要求，按此要求对其配比进行设计，该超高性能混凝土包括如下组分：
水泥700kg、精选超细粉煤灰沉珠200kg（细度为D50≤2μm，D97≤10μm）、硅灰60kg、0-0.5mm的磨细石英砂1000kg、水180kg，聚羧酸减水剂7kg，钢纤维190kg、柠檬酸3.6g、膦酰基丁烷三羧酸3.6g。
采用与实施例一相同的制备工艺按上述配方制备超高性能混凝土，并对制备得到的超高性能混凝土进行坍落扩展度测试，测试结果如下：
（1）新鲜拌合物的坍落扩展度720mm；
（2）1h后的坍落扩展度为720mm；
（3）2h后的坍落扩展度为700mm；
（4）3h后的坍落扩展度为680mm；
（5）4h后的坍落扩展度为640mm；
（6）5h后的坍落扩展度为450mm；
通过上述坍落扩展度测试可以看出，制备得到的超高性能混凝土在4h后仍具有640mm的坍落扩展度，其可工作时间相较于实施例一的2h得到了显著延长。
实施例三：本实施例相较于实施例二的不同之处在于，在相同的超高性能混凝土的拌合物中掺入了不同量的柠檬酸和膦酰基丁烷三羧酸。
具体而言，以本实施例中的超高性能混凝土的可工作时间可达到8h为要求，按此要求对其配比进行设计，该超高性能混凝土包括如下组分：
水泥700kg、精选超细粉煤灰沉珠200kg、硅灰60kg、0-0.5mm的磨细石英砂1000kg、水180kg，聚羧酸减水剂7kg，钢纤维190kg、柠檬酸4.9g、膦酰基丁烷三羧酸4.9g。
采用与实施例一、二相同的制备工艺按上述配方制备超高性能混凝土，并对制备得到的超高性能混凝土进行坍落扩展度测试，测试结果如下：
（1）新鲜拌合物的坍落扩展度720mm；
（2）1h后的坍落扩展度为720mm；
（3）2h后的坍落扩展度为700mm；
（4）3h后的坍落扩展度为680mm；
（5）7h后的坍落扩展度为650mm；
（6）8h后的坍落扩展度为640mm；
（7）9h后的坍落扩展度为440mm；
通过上述坍落扩展度测试可以看出，制备得到的超高性能混凝土在8h后仍具有640mm的坍落扩展度，其可工作时间相较于实施例二的4h得到了显著延长。
虽然以上实施例已经参照对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。
Claims (5)
1.一种工作时间可调的超高性能混凝土，其特征在于：该超高性能混凝土包括水泥100份、精选超细粉煤灰沉珠20-30份、硅灰5-10份、砂120-150份、高性能聚羧酸减水剂1-1.5份、钢纤维20-30份、柠檬酸0.5-2份、膦酰基丁烷三羧酸0.5-2份以及一定量的水，其中所述水泥、精选超细粉煤灰沉珠以及硅灰构成超高性能混凝土中的胶凝材料。
2.根据权利要求1所述的一种工作时间可调的超高性能混凝土，其特征在于：所述超高性能混凝土中的水和所述胶凝材料总量的质量比为0.15-0.19。
3.根据权利要求1所述的一种工作时间可调的超高性能混凝土，其特征在于：所述精选超细粉煤灰沉珠的细度为D50≤2μm，D97≤10μm。
4.根据权利要求1所述的一种工作时间可调的超高性能混凝土，其特征在于：通过调整所述柠檬酸与所述膦酰基丁烷三羧酸的掺入量控制所述超高性能混凝土的可工作时间。
5.根据权利要求4所述的一种工作时间可调的超高性能混凝土，其特征在于：所述柠檬酸和所述膦酰基丁烷三羧酸按所述胶凝材料的重量的0.4‰-1.5‰进行掺入。
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