CN115925352A - 一种抑爆抗火超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抑爆抗火超高性能混凝土，以重量份数计，包括如下原料成分：水泥1000～1500份，矿物掺合料200～600份，铝矾土400～1300份、石英砂0～800份、石英粉150～400份、电熔莫来石0～500份、锆英砂0～500份、减水剂5～50份、纤维材料200～350份、橡胶粉3～30份；且骨料铝矾土、石英砂、石英粉、电熔莫来石和锆英砂的总质量份数大于1000份。本发明提供的抑爆抗火超高性能混凝土，经过1050℃的2小时高温后，不仅不发生爆裂，并且在灾后仍有较高的剩余强度。本发明还提供一种抑爆抗火超高性能混凝土的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土材料技术领域，具体涉及一种抑爆抗火超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，简称UHPC)是建筑领域内一种具有超高强度、超高韧性、高耐久性的新型水泥基材料。由于UHPC力学性能、耐久性能优异，因此在超高层建筑、大跨桥梁、城市交通、工业厂房等工程项目的建造与加固中发挥了重要作用。然而，在火灾等突发灾害中，由于UHPC超低的水胶比，其内部非常密实，高温作用下UHPC内部的水分无法通过孔隙及时逸出，造成孔隙压力过大，最终引发UHPC爆裂破坏。与普通混凝土构件相比，UHPC构件往往“跨度”更大，保护层厚度更小，一旦混凝土保护层在火灾中发生爆裂剥落，钢筋直接暴露在火场温度下，钢筋性能的迅速劣化会引起构件破坏，最终导致建筑垮塌。因此，UHPC的耐火性能研究具有重要意义。为防止UHPC爆裂引发建筑构件破坏的“二次灾害”，我们提出一种抑爆抗火超高性能混凝土及其制备方法与应用，以提高UHPC结构在火灾中的安全性能。
现有技术中，公开号为CN110563418A、CN104591635A的中国专利申请公开了免蒸汽养护的超高强混凝土，但由于该发明未考虑超高强混凝土的耐火性能，因此该发明在建筑工程、地下工程、特种工业厂房等工程领域的应用严重受限。公开号为CN 113563034 A的中国专利公布了一种常温养护的耐火超高性能混凝土及其制备方法，其实验最高温度仅850℃，且尺寸效应对于UHPC高温性能的影响非常显著，其实验试块截面尺寸偏小，因此试验结果偏不安全。《GB 50016-2014建筑设计防火规范》中所规定的耐火等级一级的梁、板构件在ISO标准升温制度下耐火极限应超过两小时。该实验温度距离ISO标准升温制度下，升温时间2小时所对应的1050℃高温仍有一定差距。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种抑爆抗火超高性能混凝土，该抑爆抗火超高性能混凝土经过1050℃的2小时高温后，不仅不发生爆裂，并且在灾后仍有较高的剩余强度，完全满足现有《GB 50016-2014建筑设计防火规范》中对于耐火等级为一级的梁、板等建筑构件的耐火极限要求，为UHPC结构防火提供了切实可行的方案，可应用于建筑、桥梁、隧道、甚至地下工程等领域。
为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种抑爆抗火超高性能混凝土，以重量份数计，包括如下原料成分：
水泥1000～1500份，矿物掺合料200～600份，铝矾土400～1300份、石英砂0～800份、石英粉150～400份、电熔莫来石0～500份、锆英砂0～500份、减水剂5～50份、纤维材料200～350份、橡胶粉3～30份；
且骨料铝矾土、石英砂、石英粉、电熔莫来石和锆英砂的总质量份数大于1000份；
所述纤维材料包括钢纤维、合成纤维、植物纤维中的至少一种。
进一步地，所述铝矾土中Al2O3含量为80％以上，其粒径为0～5mm，且不为0。
进一步地，所述电熔莫来石中Al2O3含量大于75％，其粒径为0～5mm，且不为0；所述石英砂中SiO2含量大于99％，其粒径为20～40目；所述石英粉中SiO2含量大于99％，粒径为200～400目；所述锆英砂密度为4.69g/cm3，硬度为7.5，熔点为2430℃，热膨胀系数为4.5×10-6/℃，粒径为20～40目。
进一步地，所述减水剂为含水率小于2.8％，减水率大于25％的聚羧酸粉体减水剂。
进一步地，所述钢纤维为镀铜端钩钢纤维，所述合成纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、或聚酯纤维中的至少一种；所述植物纤维为黄麻纤维、剑麻纤维或大麻纤维中的至少一种，其长度为10～20mm，直径为40～700μm。
进一步地，所述橡胶粉的粒径为20～100目。
进一步地，所述水泥为P.O.42.5级或P.O.52.5级硅酸盐水泥。
进一步地，所述矿物掺合料包括硅灰和粉煤灰。
本发明还提供一种抑爆抗火超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：
按照所述抑爆抗火超高性能混凝土原料配比，将水泥、铝矾土、石英砂、石英粉、电熔莫来石、锆英砂、矿物掺合料倒入搅拌机中均匀混合，然后加入适量的水和减水剂搅拌均匀，再加入纤维材料和橡胶粉，继续搅拌，直到UHPC浆体在搅拌机中搅拌至完全流化，得到抑爆抗火超高性能混凝土浆料；
将抑爆抗火超高性能混凝土浆料装入模具，在室温条件下自然养护2天后拆模，并进行48小时的蒸汽养护，蒸汽养护的温度控制在90℃以上，湿度控制在95％以上。
与现有技术相比，本发明提供的抑爆抗火超高性能混凝土及其制备方法，有益效果在于：
本发明提供的抑爆抗火超高性能混凝土，通过优化UHPC混凝土原料配方，提高了混凝土的抑爆抗火性能。该超高性能混凝土经过1050℃的2小时高温后，不仅不发生爆裂，并且在灾后仍有较高的剩余强度，完全满足现有《GB50016-2014建筑设计防火规范》中对于耐火等级为一级的梁、板等建筑构件的耐火极限要求，为UHPC结构防火提供了切实可行的方案，可应用于建筑、桥梁、隧道、甚至地下工程等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是常规UHPC在400℃高温后的外观形貌；
图2是本发明抑爆抗火UHPC高温前、后的外观形貌对比图；
图3是本发明抑爆抗火UHPC高温后剩余抗压破坏形态图；
图4是本发明抑爆抗火UHPC抗折试块高温前、后的外观形貌对比图；
图5是本发明抑爆抗火UHPC狗骨轴拉试块高温前、后的外观形貌对比图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应该被视为在本文中具体公开。
本发明中，铝矾土为烧结均化铝矾土，其制备工艺是：
将铝矾土原料经湿法粉碎磨细，真空练泥成型，隧道窑干燥后，在进行煅烧。煅烧温度分为多个阶段，由室温升温至1600℃。具体的，煅烧过程分为四个阶段，分别是：
第一阶段：坯体排出水分阶段(10～200℃)，水分的排除在坯体中留下气孔，具有透气性，有利于下一阶段反应的进行；
第二阶段：分解阶段(200～1200℃)，主要发生矾土基均质料中水铝石和高岭石的脱水。温度大于950℃时，偏高岭石转变为莫来石和非晶态SiO2。整个过程中，砖坯发生体积收缩；
第三阶段：二次莫来石化阶段(1200～1400℃)，分解阶段形成的α-Al2O3和游离的非晶态SiO2继续反应生成莫来石，被称为二次莫来石化。莫来石化的进行，为重结晶烧结阶段准备了条件。整个二次莫来石化过程伴随着体积膨胀；
第四阶段：烧结阶段(1400～1600℃)，二次莫来石化完成后，烧结作用开始迅速进行。在高于1400～1500℃时，由于液相的作用，莫来石晶体长大，同时，1400～1500℃后气孔迅速缩小和消失，气孔率降低，仅存在一些闭气孔，物料迅速趋向致密化烧结。
本发明中，橡胶粉的制备工艺如下：
回收废弃旧轮胎，破碎成不同规格的橡胶块；经过橡胶中碎机、橡胶细碎机将橡胶块进一步粉碎，然后通过纤维分选机分离橡胶块中的纤维。最后，通过橡胶研磨机将橡胶研磨成一定粒径规格的精细橡胶粉，其粒径为20～100目。
本发明的抑爆抗火超高性能混凝土，以重量份数计，包括如下原料成分：
水泥1000～1500份，矿物掺合料200～600份，铝矾土400～1300份、石英砂0～800份、石英粉150～400份、电熔莫来石0～500份、锆英砂0～500份、减水剂5～50份、纤维材料200～350份、橡胶粉3～30份，且骨料铝矾土、石英砂、石英粉、电熔莫来石、锆英砂的总质量份数大于1000份。
其中，水泥为P.O.42.5级或P.O.52.5级硅酸盐水泥；水泥的含量可以为1000份、1100份、1200份、1300份、1400份或1500份，也可以为该范围内的其他值。
矿物掺合料的含量可以为200份、300份、400份、500份或600份，也可以为该范围内的其他值；所述矿物掺合料包括硅灰和粉煤灰，其中硅灰的SiO2含量大于92％，比表面积为18500m2/kg，粉煤灰密度2.55g/cm3，烧失量为3.86％。
铝矾土为烧结均化铝矾土，铝矾土中Al2O3含量为80％以上，其粒径为0～5mm，且不为0。铝矾土含量可以为600份、700份、800份、900份、1000份、1100份、1200份或1300份，也可以为该范围内的其他值。
石英砂中SiO2含量大于99％，其粒径为20～40目；石英砂的含量可以为0份、50份、100份、200份、300份、400份、500份、600份、700份或800份，也可以为该范围内的其他值。
石英粉中SiO2含量大于99％，粒径为200～400目；石英粉的含量可以为150份、200份、250份、300份、350份或400份，也可以为该范围内的其他值。
电熔莫来石中Al2O3含量大于75％，其粒径为0～5mm，且不为0；电熔莫来石的含量可以为0份、50份、100份、150份、200份、250份、300份、350份、400份、450份或500份，也可以为该范围内的其他值。
锆英砂密度为4.69g/cm3，硬度为7.5，熔点为2430℃，热膨胀系数为4.5×10-6/℃，粒径为20～40目；锆英砂的含量可以为0份、50份、100份、150份、200份、250份、300份、350份、400份、450份或500份，也可以为该范围内的其他值。
所述减水剂为含水率小于2.8％，减水率大于25％的聚羧酸粉体减水剂；减水剂的含量可以为5份、8份、10份、15份、20份、25份、30份、35份、40份、45份或50份，也可以为该范围内的其他值。
纤维材料包括钢纤维、合成纤维、植物纤维中的至少一种，其含量可以为200份、220份、250份、275份、280份、300份、320份或350份，也可以为该范围内的其他值。
其中，所述钢纤维为镀铜端钩钢纤维，所述合成纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、或聚酯纤维中的至少一种；所述植物纤维为黄麻纤维、剑麻纤维或大麻纤维中的至少其中，其长度为10～20mm，直径为40～700μm。优选地，钢纤维长度为13mm，直径为0.2mm，抗拉强度为2000MPa；聚丙烯纤维长度12mm，直径30μm，弹性模量为5GPa，熔点约为165℃；聚丙烯腈纤维长度12mm，直径20μm，弹性模量为5GPa，熔点约为240℃；聚酯纤维长度6mm，直径20μm，弹性模量为6.5GPa，熔点约为259℃；优选地，黄麻纤维直径为45～90μm；剑麻纤维直径为120～210μm；大麻纤维直径为500～700μm。
所述橡胶粉的粒径为20～100目；优选地，其粒径为40目，密度为1.17kg/m3。橡胶粉的含量可以为3份、5份、10份、15份、20份、25份或30份，也可以为该范围内的其他值。
以下通过具体的实施例对本发明提供的抑爆抗火超高性能混凝土进行详细阐述。
实施例1
一种抑爆抗火超高性能混凝土，按照重量份数计，包括如下成分：
水泥1297份，硅灰281份、粉煤灰167份、铝矾土653份、石英砂791份、石英粉232份、减水剂22份、钢纤维271份、聚丙烯纤维15份，聚酯纤维6份。
其中，水泥为P.O.42.5级硅酸盐水泥，其3天和28天实测抗压强度分别为26.7MPa和50.8MPa，3天和28天实测抗折强度为2.3MPa和9.5MPa，比表面积为342m2/kg。
本实施例的抑爆抗火超高性能混凝土，其制备与养护工艺如下：
将水泥、铝矾土、石英粉、石英砂、硅灰、粉煤灰倒入搅拌机中均匀混合3分钟，然后加入减水剂和适量的水，继续均匀搅拌10分钟，再加入钢纤维继续均匀搅拌3分钟，最后加入纤维材料搅拌3分钟，直到UHPC浆体在搅拌机中搅拌至完全流化，将UHPC浆体装入模具，再将其放在小型振动台上振动30秒，以减少试块内部孔隙。
UHPC水化过程中释放大量热量，因此在UHPC表面洒水以保持UHPC表面湿润，然后用薄膜覆盖，在室温条件下自然养护2天后拆模。将拆模后的UHPC试块进行48小时的蒸汽养护，蒸汽养护的温度和湿度分别控制在90℃和95％以上。
依据上述方法制备UHPC，将制得的UHPC在马弗炉中升温至1050℃，在1050℃的高温下恒温2小时后，加热程序自动结束，待炉膛自然冷却至室温后，取出试块。
将实施例1经高温后的UHPC进行剩余抗压强度测试、UHPC棱柱体高温后抗折强度测试、UHPC狗骨高温后轴拉强度测试，测试结果如表1：
表1：实施例1高温后的UHPC性能测试结果
需要说明的是，本发明中UHPC立方体高温后抗压强度试验方法如下：
1、检查UHPC立方体试块尺寸、形状；
2、将UHPC立方体试块表面与上、下承压板面擦拭干净；
3、以试件成型时的侧面为承压面，应将试件安放在试验机下压板或垫板上，试件的中心应与试验机下压板中心对准；
4、启动试验机，试件表面与上、下承压板或钢垫板应均匀接触；
5、试验过程中应连续均匀加荷。为保证上承压板与试块承压面完全贴合，应进行预加载。因UHPC高温后剩余强度显著下降，为保证预加载对UHPC不造成初始损伤，预加载以5mm/min的速率加载至2kN，达到目标力值2kN后持载20秒；
6、预加载阶段结束后，进入正式加载阶段。加荷速度按应力控制，取1.0MPa/s。
由于UHPC硬化后，内部仍存在大量水泥、活性掺合料等未水化颗粒，经过200℃、400℃高温后，高温作用促进了UHPC内部水泥、活性掺和料的进一步水化，因此200℃、400℃高温后抗压强度较常温抗压强度有明显的提高。经过一系列试验测试及文献数据统计，正式加载阶段的目标力值应大于该UHPC试块常温抗压强度的1.3倍，但注意试块破坏荷载不能大于压力机全量程，且宜小于压力机全量程的80％。
以实施例1的UHPC为例，UHPC高温后抗压强度随温度的变化如表2。每个温度组的抗压强度为3个试块的抗压强度平均值。
表2：UHPC高温后抗压强度随温度的变化
本发明的UHPC棱柱体高温后抗折强度试验，方法如下：
1、检查UHPC棱柱体尺寸、形状。
2、试件放置在试验装置前，应将试件表面擦拭干净，并在试件侧面画出加荷线位置。
3、试件的承压面应为试件成型时的侧面。支座及承压面与圆柱的接触面应平稳、均匀，否则应垫平。
4、为保证预加载对UHPC不造成初始损伤，预加载以5mm/min的速率加载至2kN，达到目标力值2kN后持载20秒。
5、预加载阶段结束后，进入正式加载阶段。在试验过程中应连续均匀地加荷，加载速度宜取0.05MPa/s。
本发明的UHPC狗骨高温后轴拉强度试验，方法如下：
1、由于高温后的UHPC试块经历了高温损伤，因此内部缺陷更显著，为了保证UHPC狗骨试块完成呈轴拉破坏，UHPC狗骨试块应在直线段破坏，在试块表面粘贴碳纤维布。在变截面处涂抹碳纤维浸渍胶，粘贴碳纤维布，然后在碳纤维布上再次涂抹碳纤维浸渍胶。为避免试块在变截面处破坏，碳纤维布的长度应该大于变截面的弧线段长度。
2、为了在试块直线段观察裂缝发展，在直线段粉刷白色油漆。
3、UHPC狗骨试块的截面尺寸为50×50cm2。预加载阶段先进行力加载，先加载至2kN，然后将荷载卸载至零。将力值、位移值清零，进入正式加载阶段。由于UHPC经历高温后，受拉破坏时脆性特征更为明显，为获得完整的应力-应变曲线，减少由于加载速率过快而产生裂缝，因此正式加载按照位移控制进行加载，以0.05mm/min持续加载，直至狗骨试块达到最大承载力。在应变软化阶段，提高加载速率至0.5mm/min。当控制荷载下降至最大荷载的40％时，停止试验。
请结合参阅图1至图4，其中图1是常规UHPC在400℃高温后的外观形貌；图2是本发明抑爆抗火UHPC高温前、后的外观形貌对比图，其中图2(a)表示常温下UHPC外观形貌，图2(b)表示1050℃后UHPC的外观形貌；图3是本发明抑爆抗火UHPC高温后剩余抗压破坏形态图，其中图3(a)表示测试过程示意图，图3(b)表示测试结果示意图；图4是本发明抑爆抗火UHPC抗折试块高温前、后的外观形貌对比图，其中图4(a)表示抗折试块高温前外观形貌，图4(b)表示抗折试块高温后外观形貌；图5是本发明抑爆抗火UHPC狗骨轴拉试块高温前、后的外观形貌对比图，其中图5(a)表示试块高温前外观形貌，图5(b)表示试块高温后外观形貌。由图1可以看出，常规UHPC在400℃高温后发生了严重的爆裂；由图2、图4、图5可以看出，经1050℃高温后，本发明的UHPC没有爆裂；由图3可以看出，经1050℃高温后的UHPC，仍有较高的剩余强度。
需要说明的是，本发明的高温试验是在1050℃的高温下恒温2小时，混凝土内部温度已经与外部温度非常接近，此时用外部温度表征混凝土内部温度及建立混凝土各方面力学性能和温度的关系是可靠的。若没有设置恒温过程，则混凝土内部温度与其外部温度有明显差异，用外部温度直接替代混凝土的内部温度有较大偏差。而在建筑火灾的灾后评估中，UHPC各方面力学性能及其内部经历温度之间关系的确定是必要的，在此基础上才能进行建筑构件火灾后剩余承载力的评估。
实施例2
一种抑爆抗火超高性能混凝土，按照重量份数计，包括如下成分：水泥1378份，硅灰279份、粉煤灰181份、铝矾土844份、石英砂628份、石英粉232份、减水剂33份、钢纤维245份、聚丙烯纤维16份，橡胶粉8份。
进一步地，水泥为P.O.42.5级硅酸盐水泥，其3天和28天实测抗压强度分别为26.7MPa和51.8MPa，3天和28天实测抗折强度为2.3MPa和9.7MPa，比表面积为342m2/kg。
本实施例的抑爆抗火超高性能混凝土，其制备与养护工艺参照实施例1，橡胶粉和纤维材料在最后加入。
按照上述方法制备UHPC，将制得的UHPC用马弗炉升温至1050℃，在1050℃的高温下恒温2小时后，加热程序自动结束，待炉膛自然冷却至室温后，取出试块。
将实施例2经高温后的UHPC进行剩余抗压强度测试、UHPC棱柱体高温后抗折强度测试、UHPC狗骨高温后轴拉强度测试，测试结果如表3：
表3：实施例2高温后的UHPC性能测试结果
实施例3
一种抑爆抗火超高性能混凝土，按照重量份数计，包括如下成分：水泥1256份，硅灰243份、粉煤灰168份、铝矾土1283份、石英粉245份、减水剂25份、钢纤维258份、聚丙烯纤维13份，聚丙烯腈纤维3份。
本实施例的抑爆抗火超高性能混凝土，其制备与养护工艺参照实施例1，在此不做赘述。
将制备得到的UHPC用马弗炉升温至1050℃，在1050℃的高温下恒温2小时后，加热程序自动结束，待炉膛自然冷却至室温后，取出试块。
将实施例1经高温后的UHPC进行剩余抗压强度测试、UHPC棱柱体高温后抗折强度测试、UHPC狗骨高温后轴拉强度测试，测试结果如表4：
表4：实施例3高温后的UHPC性能测试结果
实施例4
一种抑爆抗火超高性能混凝土，按照重量份数计，包括如下成分：水泥1268份，硅灰224份、粉煤灰157份、铝矾土785份、电熔莫来石154份、石英砂528份、石英粉264份、减水剂19份、钢纤维242份、聚丙烯纤维12份，黄麻纤维5份，大麻纤维3份。
本实施例的抑爆抗火超高性能混凝土，其制备与养护工艺参照实施例1，在此不做赘述。
将制备得到的UHPC用马弗炉升温至1050℃，在1050℃的高温下恒温2小时后，加热程序自动结束，待炉膛自然冷却至室温后，取出试块。
将实施例4经高温后的UHPC进行剩余抗压强度测试、UHPC棱柱体高温后抗折强度测试、UHPC狗骨高温后轴拉强度测试，测试结果如表5：
表5：实施例4高温后的UHPC性能测试结果
实施例5
一种抑爆抗火超高性能混凝土，按照重量份数计，包括如下成分：水泥1254份，硅灰288份、粉煤灰191份、铝矾土523份、电熔莫来石267份、锆英砂228份、石英砂425份、石英粉267份、减水剂25份、钢纤维248份、聚丙烯纤维10份，剑麻纤维6份。
本实施例的抑爆抗火超高性能混凝土，其制备与养护工艺参照实施例1，在此不做赘述。
将制备得到的UHPC用马弗炉升温至1050℃，在1050℃的高温下恒温2小时后，加热程序自动结束，待炉膛自然冷却至室温后，取出试块。
将实施例5经高温后的UHPC进行剩余抗压强度测试、UHPC棱柱体高温后抗折强度测试、UHPC狗骨高温后轴拉强度测试，测试结果如表6：
表6：实施例5高温后的UHPC性能测试结果
实施例6
一种抑爆抗火超高性能混凝土，按照重量份数计，包括如下成分：水泥1321份，硅灰264份、粉煤灰196份、石英砂216份、铝矾土487份、电熔莫来石421份、锆英砂436份、石英粉195份、减水剂35份、钢纤维265份、聚丙烯纤维23份，聚丙烯腈纤维5份、黄麻纤维6份、橡胶粉3份。
本实施例的抑爆抗火超高性能混凝土，其制备与养护工艺参照实施例2，在此不做赘述。
将制备得到的UHPC用马弗炉升温至1050℃，在1050℃的高温下恒温2小时后，加热程序自动结束，待炉膛自然冷却至室温后，取出试块。
将实施例6经高温后的UHPC进行剩余抗压强度测试、UHPC棱柱体高温后抗折强度测试、UHPC狗骨高温后轴拉强度测试，测试结果如表7：
表7：实施例6高温后的UHPC性能测试结果
本发明的抑爆抗火超高性能混凝土，具有较强的抑爆抗火性能，其原理是：
其一，随着烧结均化铝矾土的掺量增加，UHPC的抗压强度相应地提高，且显气孔率相应地降低。这是因为铝矾土压碎值高于石英砂，因此用铝矾土部分替代石英砂，UHPC的常温抗压强度会相应地提高。另外，由于石英砂在573℃左右发生了高温相变，从α相向β相转变的过程中，石英砂发生体积膨胀，在骨料和水泥石之间的界面过渡区(ITZ区)发生开裂，石英砂骨料也出现了裂纹。随温度的进一步提高，界面过渡区损伤积累，最终导致局部开裂破坏，增加了UHPC爆裂的风险。而烧结均化铝矾土已经经过二次高温煅烧，高温后的线变化率小，体积变化率小，在经历高温作用后仍能与水泥石保持良好的界面过渡区。因此，与石英砂的高温性能相比，铝矾土的热稳定性更优，加入到UHPC中能明显提高UHPC高温后力学性能。
其二，在常规UHPC中，水泥熟料中的C3S、C2S和水反应形成C-S-H，C-S-H是混凝土强度的主要来源，其中，石英砂起到了骨架的作用。与石英砂相比，烧结均化铝矾土中最主要成分为α-Al2O3，其晶体结构为氧离子呈六方最紧密堆积，质点之间的间距小，阴、阳键由离子键向共价键过渡。其共价键特性使其硬度较高，因而铝矾土的骨架作用更显著。水泥水化过程中产生的Ca(OH)2在高温后脱水形成分解产物CaO。CaO在高温作用下和铝矾土发生如下化学反应：
CaO+α-Al2O3→CA
CA+α-Al2O3→CA2
CA和CA2晶体在高温下能形成更致密的结构，这也是试块经过1050℃高温煅烧后仍能维持一定强度的原因。另外，铝矾土粉促进了水泥的水化，促进了CA6的生成，形成陶瓷结合，进一步改善了UHPC的高温后剩余力学性能。
其三，在骨料的选择上，莫来石和锆英砂的热稳定性均优于石英砂。莫来石抗热震稳定性好、高温蠕变值小、硬度大。在Al2O3-SiO2二元系常压下，莫来石是唯一稳定存在的二元化合物，与石英砂协同组成的骨架即使在高温下也能保持一定的热稳定性。锆英砂硬度高，由ZrO2和SiO2通过牢靠化学键结合，热膨胀系数低，化学性质稳定。另外，锆英砂中ZrO2的增韧作用和Al2O3的结合能提高材料的抗热震性能。
其四，合成纤维的熔点较低，在高温作用下，合成纤维熔化后留下的孔隙及其相互连通的裂缝网络，为随温度升高UHPC内部水蒸气形成的蒸气压的释放提供了途经。黄麻纤维、剑麻纤维、大麻纤维等作为天然植物纤维，在高温作用下发生脱水收缩，由于植物纤维收缩而导致的切向空间有助于高温水蒸气的释放。随着温度的升高，纤维发生碳化，原先的纤维孔道为高温产生的水蒸气的逸出提供了更多空间，并互相连通形成裂缝网络泄压。橡胶粉与合成纤维、植物纤维材料起到的抗爆效果类似，通过熔化后形成孔洞释放内部蒸汽压。
与现有技术相比，本发明提供的抑爆抗火超高性能混凝土及其制备方法和应用，有益效果在于：
本发明提供的抑爆抗火超高性能混凝土，通过优化UHPC混凝土原料配方，提高了混凝土的抑爆抗火性能。该超高性能混凝土经过1050℃的2小时高温后，不仅不发生爆裂，并且在灾后仍有较高的剩余强度，完全满足现有《GB50016-2014建筑设计防火规范》中对于耐火等级为一级的梁、板等建筑构件的耐火极限要求，为UHPC结构防火提供了切实可行的方案，可应用于建筑、桥梁、隧道、甚至地下工程等领域。
以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种抑爆抗火超高性能混凝土，其特征在于，以重量份数计，包括如下原料成分：
水泥1000～1500份，矿物掺合料200～600份，铝矾土400～1300份、石英砂0～800份、石英粉150～400份、电熔莫来石0～500份、锆英砂0～500份、减水剂5～50份、纤维材料200～350份、橡胶粉3～30份；
且骨料铝矾土、石英砂、石英粉、电熔莫来石和锆英砂的总质量份数大于1000份；
所述纤维材料包括钢纤维、合成纤维、植物纤维中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的抑爆抗火超高性能混凝土，其特征在于，所述铝矾土中Al2O3含量为80％以上，其粒径为0～5mm，且不为0。
3.根据权利要求1所述的抑爆抗火超高性能混凝土，其特征在于，所述电熔莫来石中Al2O3含量大于75％，其粒径为0～5mm，且不为0；所述石英砂中SiO2含量大于99％，其粒径为20～40目；所述石英粉中SiO2含量大于99％，粒径为200～400目；所述锆英砂密度为4.69g/cm3，硬度为7.5，熔点为2430℃，热膨胀系数为4.5×10-6/℃，粒径为20～40目。
4.根据权利要求1所述的抑爆抗火超高性能混凝土，其特征在于，所述减水剂为含水率小于2.8％，减水率大于25％的聚羧酸粉体减水剂。
5.根据权利要求1所述的抑爆抗火超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维为镀铜端钩钢纤维，所述合成纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、或聚酯纤维中的至少一种；所述植物纤维为黄麻纤维、剑麻纤维或大麻纤维中的至少一种，其长度为10～20mm，直径为40～700μm。
6.根据权利要求1所述的抑爆抗火超高性能混凝土，其特征在于，所述橡胶粉的粒径为20～100目。
7.根据权利要求1所述的抑爆抗火超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为P.O.42.5级或P.O.52.5级硅酸盐水泥。
8.根据权利要求1所述的抑爆抗火超高性能混凝土，其特征在于，所述矿物掺合料包括硅灰和粉煤灰。
9.一种抑爆抗火超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
按照权利要求1所述的抑爆抗火超高性能混凝土原料配比，将水泥、铝矾土、石英砂、石英粉、电熔莫来石、锆英砂、矿物掺合料倒入搅拌机中均匀混合，然后加入适量的水和减水剂搅拌均匀，再加入纤维材料和橡胶粉，继续搅拌，直到UHPC浆体在搅拌机中搅拌至完全流化，得到抑爆抗火超高性能混凝土浆料；
将抑爆抗火超高性能混凝土浆料装入模具，在室温条件下自然养护2天后拆模，并进行48小时的蒸汽养护，蒸汽养护的温度控制在90℃以上，湿度控制在95％以上。
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