CN116063048A - 超高性能混凝土瓦及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高性能混凝土瓦及其制备方法，超高性能混凝土瓦包括以下重量份组分：水泥700～770份，硅灰110～150份，矿粉70～80份，超细石粉50～80份，集料700～850份，钢纤维80～100份，触变剂2～4份，减水剂20～30份，水180～200份。本发明的超高性能混凝土瓦具有单片面积大、厚度小、耐久性好、承载力高等诸多优点，在工民业建筑屋面系统具有巨大的发展前景。

Description

超高性能混凝土瓦及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，更具体地说，涉及一种超高性能混凝土瓦及其制备方法。

背景技术

混凝土瓦即水泥基瓦，是采用水泥、砂、纤维、外加剂等经压滤、辊压或板压等生产工艺制备而得，其强度、耐久性能较一般彩钢瓦、树脂瓦高，且具有良好的保温隔热隔声性能。但是，瓦作为现代化工业厂房屋面和墙面系统不可缺少的组成部分，传统混凝土瓦由于单片面积小、厚度较大，导致无法在工业厂房得到大规模应用，主要应用于普通民房、别墅、高层建筑中。而目前在工业厂房应用较多的彩钢瓦，因其价格低、重量小、单片面积大，得到用户青睐，但是其具有钢结构普遍存在的不耐火、隔热隔音性能差、防腐等级低等诸多缺点。而混凝土瓦在此方面具有良好的性能，因此若能结合混凝土瓦和彩钢瓦性能优点，制备一种面积大、耐久性好、强度高、耐火、隔热、隔音的新型瓦，则在工业厂房领域具有巨大的发展前景。

超高性能混凝土是一种新型的建筑材料，剔除了传统混凝土中的粗骨料，并采用紧密堆积设计原理和高活性矿物掺合料，大幅提高基体强度，同时引入钢纤维，其三维网状分布使材料抗拉、抗弯性能得到提升。该材料具有优异的力学性能和防腐防火性能，在建筑工程领域能有效代替钢结构。基于上述特征，将超高性能混凝土应用到瓦领域，理论上可以实现面积大、高强、防腐、防火等性能。但是，其一，常规超高性能混凝土是一种大流态材料，制瓦过程中易导致浆料从波峰流向波谷，出现厚度不均匀现象，显然无法完全采用现有材料以及混凝土瓦生产技术制备超高性能混凝土瓦；其二，超高性能混凝土容重较大，一般达到2500kg/m3，制备的瓦重量与常规混凝土瓦无异，限制了瓦的尺寸，并增加了安装难度。因此，采用超高性能混凝土制备瓦需要进一步对其材料组分进行调整优化，并匹配适宜的制备技术，以达到轻质、高强、耐久、面积大等诸多优点。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一在于，提供一种超高性能混凝土瓦，以解决现有混凝土瓦强度低、面积小以及彩钢瓦不耐火、防腐等级差的问题。

本发明要解决的技术问题之二在于，提供一种超高性能混凝土瓦的制备方法，该方法操作简单，并能有效结合超高性能混凝土性能特征，实现瓦的制备。

为达到上述目的之一，本发明的技术方案是这样实现的：

一种超高性能混凝土瓦，所需原材料包括以下重量份组分：水泥700～770份，硅灰110～150份，矿粉70～80份，超细石粉50～80份，集料700～850份，钢纤维80～100份，触变剂2～4份，减水剂20～30份，水180～200份。

根据上述方案，所述水泥为等级≥52.5级的水泥。

根据上述方案，所述硅灰需水量比不大于120％，28d活性指数不小于115％。

根据上述方案，所述矿粉的需水量比不大于103％，28d活性指数不小于110％。

根据上述方案，所述超细石粉制备方法如下：将普通石英粉采用湿法球磨机研磨至粒径0.1～1μm，300℃干燥2～3h得所述的超细石粉。

根据上述方案，所述集料由石英砂和改性陶砂按质量比1:1～1.2复配而成。

上述方案中，石英砂细度模数1.8～2.0。

上述方案中，改性陶砂通过以下方法制得：

1)将水泥、矿粉、萘系减水剂按1:(8～10):(0.6～0.8)置于搅拌机搅拌8～10min，得包覆料；

2)将粒径0.3～2.36mm的500-700级陶砂置于圆盘机，边转动圆盘边喷雾润湿，同时将包覆料均匀撒入圆盘机，控制圆盘转速为20～25r/min，包覆时间5～6min，再自然养护2-5d；

3)将陶砂过2.36mm和0.3mm方孔筛，控制改性后的陶砂粒径在0.3～2.36mm，即得改性陶砂。

根据上述方案，所述钢纤维公称长度为5～7mm，公称直径0.14～0.26mm，抗拉强度≥2000MPa。

根据上述方案，所述触变剂包括以下重量份组分：粉煤灰微珠3～5份，凹凸棒土2～4份，碳纳米管纤维1～2份。

根据上述方案，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率≥30％。

根据上述方案，所述水为普通自来水。

为达到上述目的之二，本发明的技术方案是这样实现的：

一种超高性能混凝土瓦的制备方法包括如下步骤：将称量的水泥、硅灰、矿粉、超细石粉、集料、触变剂倒入搅拌机干混2～3min，继续加入称量的水和减水剂，搅拌5～8min，待材料由粉体态变成流态，均匀加入称量的钢纤维，搅拌1～2min，即得到超高性能混凝土浆料；

将浆料摊铺到PE膜表面，保证摊铺厚度5±0.5mm，再利用振动装置进行振动消泡，最后覆盖一层PE膜，得到瓦坯；

将瓦坯至于瓦模之上，使瓦坯具备瓦形，再覆盖一层瓦模，自然养护1d脱模后，除去上下层PE膜，再自然养护28d得到半成品瓦，将半成品瓦表面喷漆上色即得所述的一种超高性能混凝土瓦。

本发明技术原理如下：

1、超高性能混凝土瓦胶凝材料设计

掺入大量硅灰、矿粉高活性掺合料，并通过紧密堆积设计原理，基体强度远高于普通混凝土瓦；同时，超细石粉作为惰性材料，一方面其超细颗粒具有良好“晶核效应”，为水泥等胶凝材料水化提供载体，促进了水化进程，另一方面，超细石粉具有填充作用，改善了胶凝材料粒径分布，进一步提高了颗粒间的紧密堆积密度。

2、集料设计

超高性能混凝土一般采用石英砂作为骨料，但是在利用其制瓦时，一方面导致成本提高，另一方面，石英砂表观密度大，导致瓦的重量增加，因此采用轻集料陶砂替代部分石英砂。但是陶砂表面多孔，前期搅拌过程中吸水率较大，后期缓释水导致拌合物工作性能波动较大，同时陶砂表观孔会提高瓦的吸水率，影响使用效果。因此本发明采用包覆技术，将陶砂表观孔封闭，利用其内部多孔结构降低瓦的质量，且包覆后可有效提高陶砂强度，从而保证瓦的强度。同时采用改性陶砂与石英砂复配使用，即满足了承载力要求，又降低了瓦的重量。

3、超高性能混凝土材料匹配优化设计

其一，由于超高性能混凝土流动性较好，而瓦存在波峰波谷结构，常规超高性能混凝土材料极易从波峰流向波谷，导致厚度不均匀。本发明复配的触变剂，其中的粉煤灰微珠在动态浆体中具有良好润滑作用，凹凸棒土提高了浆体的静态屈服应力，同时碳纳米管纤维在微纳米尺度形成三维网络结构，进一步对浆体具有“固定”作用。引入本发明的触变剂，使超高性能混凝土浆料满足流浆法成型时具有可施工性，同时入模后的静态条件下，保证塑性的同时抑制了材料的流动。其二，常规超高性能混凝土用钢纤维长度通常为12～14mm，由于其长度较大且具有一定刚度，制瓦过程中易导致钢纤维在波峰波谷过渡区域存在分散不均匀的情况，本发明通过降低钢纤维直径，提高了过渡区的纤维分布量和均匀度。

实施本发明的超高性能混凝土瓦及其制备方法，具有以下有益效果：

1、首次引入超高性能混凝土理论制瓦。本发明充分利用了超高性能混凝土强度高、韧性高、耐久性好等优点，并首次采用该材料制备混凝土瓦。相比传统混凝土瓦，提高强度、耐久性的同时，可大幅增加瓦的单片面积，单片长度最大可达8m，且瓦的单位长度质量也低于传统混凝土瓦，单位长度质量在10～12kg/m。且本发明制备的超高性能混凝土瓦横向和纵向承载力分别达到7000N/m和1400N以上，以上性能远超一般纤维增强水泥基瓦以及现行国家标准要求。

2、通过对超高性能混凝土材料进行优化设计，对骨料类型、工作性能和纤维种类均做了改善，在利用超高性能混凝土优势的同时，解决了其制瓦过程中存在的不利因素，实现了采用超高性能混凝土制瓦技术。

3、首次采用流浆法制备超高性能混凝土瓦，其中，流浆法是指将搅拌好的超高性能混凝土浆料从搅拌机流至预先放置PE膜的制瓦平台，通过转动滚筒，使浆料在PE膜表面均匀摊铺，再在浆料表面覆盖一层PE膜，形成瓦坯，将瓦坯拖至特定形状的瓦模，通过养护拆模切割，即完成流浆法制瓦。本发明摒弃了传统的压滤、辊压和板压法制备瓦，采用了全新的流浆法，结合超高性能混凝土材料特征，可获得单片面积大、厚度小、防腐、韧性和强度高的新型水泥基瓦。同时，该方法通过后期喷漆上色，可以获得不同颜色和样式的瓦，适用于现代化工业厂房集美观、功能于一体要求的各类场景。

4、本发明提出的一种超高性能混凝土瓦，结合瓦模设计，可制备小波瓦、中波瓦、大波瓦、半波瓦等各类瓦型，满足市场不同需求。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明本发明的具体实施方式。

以下实施例中，所述水泥为PO52.5水泥；所述硅灰需水量比为105％，28d活性指数120％；所述矿粉的需水量比100％，28d活性指数112％；所述钢纤维公称长度为6mm，公称直径0.15mm，抗拉强度2500MPa；所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率30％；所述水为普通自来水。

所述超细石粉制备方法如下：将普通石英粉采用湿法球磨机研磨至粒径0.1～1μm，300℃干燥3h得所述的超细石粉。

所述集料由石英砂和改性陶砂按质量比1:1复配而成，

其中，石英砂细度模数1.9；

改性陶砂制备方法如下：1)将水泥、矿粉、萘系减水剂按1:9:0.8置于搅拌机搅拌10min，得包覆料；

2)将粒径0.3～2.36mm的700级陶砂置于圆盘机，边转动圆盘边喷雾润湿，同时将包覆料均匀撒入圆盘机，控制转速20r/min、包覆时间6min，再自然养护3天；

3)将陶砂过2.36mm和0.3mm方孔筛，控制改性后的陶砂粒径在0.3～2.36mm，即得改性陶砂。

所述触变剂包括以下重量份组分：粉煤灰微珠4份，凹凸棒土3份，碳纳米管纤维1.5份。

实施例1～3

实施例1～3中所述的超高性能混凝土瓦，包括超高性能混凝土浆料制备以及瓦的成型。所述超高性能混凝土浆料由水泥、硅灰、矿粉、触变剂、集料、钢纤维、减水剂和水组成。

瓦的制备方法如下：按各实施例的原料用量称量各原材料，将水泥、硅灰、矿粉、超细石粉、集料倒入搅拌机干混2～3min，继续加入水和减水剂，搅拌8min，待材料由粉体态变成流态，均匀加入称量的钢纤维，搅拌2min，得到超高性能混凝土浆料；将浆料均匀摊铺到PE膜表面，保证摊铺厚度5±0.5mm，再利用振动装置进行振动消泡，最后覆盖一层PE膜，得到瓦坯；将瓦坯至于半波瓦瓦模之上，使瓦坯具备瓦形，再覆盖一层半波瓦瓦模，自然养护1d脱模后，除去上下层PE膜，再自然养护28d得到半成品瓦。将半成品瓦表面喷漆上色即得超高性能混凝土瓦。

实施例1

超高性能混凝土浆料各原材料重量份为：水泥720份，硅灰120份，矿粉73份，超细石粉70份，触变剂3份，集料750份，钢纤维90份，减水剂23份，水187份。

实施例2

超高性能混凝土浆料各原材料重量份为：水泥750份，硅灰140份，矿粉80份，超细石粉65份，触变剂4份，集料840份，钢纤维95份，减水剂30份，水200份。

实施例3

超高性能混凝土浆料各原材料重量份为：水泥730份，硅灰130份，矿粉75份，超细石粉50份，触变剂3份，集料800份，钢纤维88份，减水剂26份，水195份。

对比例4

将超高性能混凝土浆料替换为普通砂浆混凝土，其各原材料重量份为：PO42.5水泥700份、河砂1100份、水210份，其余同实施例1。

对比例5

将超高性能混凝土集料中的改性陶砂等体积替换成石英砂，其余同实施例1。

对比例6

将超高性能混凝土集料中的改性陶砂替换成未改性陶砂，其余同实施例1。

对比例7

将超高性能混凝土浆料原材料中的触变剂去掉，其余同实施例1。

对比例8

将超高性能混凝土浆料原材料中的6mm钢纤维替换成12mm钢纤维，其余同实施例1。

对比例9

将触变剂中的粉煤灰微珠去掉，其他两种组分等比例添加，其余同实施例1。

对比例10

将触变剂中的凹凸棒土去掉，其他两种组分等比例添加，其余同实施例1。

对比例11

将触变剂中的碳纳米管纤维去掉，其他两种组分等比例添加，其余同实施例1。

对本发明实施例1以及对比例9-11的超高性能混凝土瓦的状态进行观察测试。

经测试观察可知，本发明实施例1利用特制的触变剂控制浆料工作性能，使浆料出机流动度控制在190～210mm，满足滚筒转动时使动态浆料均匀摊铺，同时在瓦坯入模后的静止状态下，避免浆料从波峰向波谷流动，导致产生厚度不均匀。

由于对比例9去掉了提供润滑作用的粉煤灰微珠，材料粘度较实施例1增加，流动度小于190mm，导致浆料在滚筒摊铺作用下，无法摊铺均匀，增加了瓦的内部缺陷。

与实施例1相比，对比例10将触变剂中的凹凸棒土去掉，浆料流动度基本保持一致，可正常均匀摊铺，但是瓦坯入模后，出现浆料流动的问题，导致不均匀度增加。

与对比例10相比，对比例11将触变剂中的碳纳米管纤维去掉后，虽然瓦坯入模后，浆料静态流动的问题减缓，但与实施例1相比，浆料流动度基本保持一致，可正常均匀摊铺，但仍存浆料从波峰流向波谷的问题。

为验证实施例1～3所得的超高性能混凝土瓦是否满足国家规范要求，参考GB/T7019-2014《纤维水泥制品试验方法》和J/CT 567-2008《玻璃纤维增强水泥波瓦及其脊瓦》对实施例1～3以及对比例4～7进行相关性能测试，结果见表1。

表1实施例1～3和对比例4～7性能测试结果

由实施例1～3制备的超高性能混凝土瓦长度为8m，且单位长度质量在10～12kg/m，横向和纵向承载力分别达到7000N/m和1400N以上，且厚度不均匀度小于10％，其各项性能指标满足国标要求。对比例4采用普通砂浆混凝土制备的瓦，其强度远低于本发明制备的瓦，且单位长度质量、吸水率以及厚度不均匀度较大；对比例5将集料中的改性陶砂替换成石英砂，导致瓦的质量提高，不利于安装；对比例6将集料中的改性陶砂替换成未改性陶砂，与实施例相比，由于吸水率增加，导致瓦的单位长度质量、瓦吸水率以及厚度不均匀度均小幅增加。对比例7由于去掉了触变剂，制瓦过程中，浆料由波峰向波谷流动，导致瓦的厚度不均匀性明显增加，且大幅降低了瓦的纵向抗折强度；对比例8将6mm钢纤维替换成超高性能混凝土常用的12mm钢纤维，也导致瓦纵向抗折强度降低。同时，除对比例4采用普通混凝土砂浆制备的瓦，其余采用超高性能混凝土技术制备的瓦的抗冻试验，均未出现龟裂等破坏现象，说明本发明采用超高性能混凝土技术制备的瓦耐久性较优。以上实施例和对比例说明，采用本发明提出了超高性能混凝土瓦制备技术制备的超高性能混凝土瓦，具备技术先进性。

上面对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种超高性能混凝土瓦，其特征在于，包括以下重量份组分：水泥700～770份，硅灰110～150份，矿粉70～80份，超细石粉50～80份，集料700～850份，钢纤维80～100份，触变剂2～4份，减水剂20～30份，水180～200份。

2.根据权利要求1所述的超高性能混凝土瓦，其特征在于，所述水泥为等级≥52.5级的水泥。

3.根据权利要求1所述的超高性能混凝土瓦，其特征在于，所述硅灰需水量比不大于120％，28d活性指数不小于115％。

4.根据权利要求1所述的超高性能混凝土瓦，其特征在于，所述矿粉的需水量比不大于103％，28d活性指数不小于110％。

5.根据权利要求1所述的超高性能混凝土瓦，其特征在于，所述超细石粉通过如下方法制备：将普通石英粉采用湿法球磨机研磨至粒径0.1～1μm，300℃干燥2～3h得所述的超细石粉。

6.根据权利要求1所述的超高性能混凝土瓦，其特征在于，所述集料由石英砂和改性陶砂按质量比1:1～1.2复配而成，其中，石英砂细度模数为1.8～2.0；

改性陶砂通过以下方法制得：

1)将水泥、矿粉、萘系减水剂按1:(8～10):(0.6～0.8)置于搅拌机搅拌8～10min，得包覆料；

2)将粒径0.3～2.36mm的500-700级陶砂置于圆盘机，边转动圆盘边喷雾润湿，同时将包覆料均匀撒入圆盘机，控制圆盘转速为20～25r/min，包覆时间5～6min，再自然养护2-5d；

3)将陶砂过2.36mm和0.3mm方孔筛，控制改性后的陶砂粒径在0.3～2.36mm，即得改性陶砂。

7.根据权利要求1所述的超高性能混凝土瓦，其特征在于，所述钢纤维公称长度为5～7mm，公称直径0.14～0.26mm，抗拉强度≥2000MPa。

8.根据权利要求1所述的超高性能混凝土瓦，其特征在于，所述触变剂包括以下重量份组分：粉煤灰微珠3～5份，凹凸棒土2～4份，碳纳米管纤维1～2份。

9.一种权利要求1～8任一项所述的超高性能混凝土瓦的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将称量的水泥、硅灰、矿粉、超细石粉、集料、触变剂倒入搅拌机干混2～3min，继续加入称量的水和减水剂，搅拌5～8min，待材料由粉体态变成流态，均匀加入称量的钢纤维，搅拌1～2min，即得到超高性能混凝土浆料；

将浆料摊铺到PE膜表面，保证摊铺厚度5±0.5mm，再利用振动装置进行振动消泡，最后覆盖一层PE膜，得到瓦坯；

将瓦坯至于瓦模之上，使瓦坯具备瓦形，再覆盖一层瓦模，自然养护1d脱模后，除去上下层PE膜，再自然养护28d得到半成品瓦，将半成品瓦表面喷漆上色即得所述的一种超高性能混凝土瓦。