CN116217178A - 一种超高性能混凝土及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超高性能混凝土及制备方法和应用，具体涉及混凝土技术领域。该超高性能混凝土包括无机胶凝材料、砂、γ相氧化铝、石墨烯浆料、复合纤维和水；其中，复合纤维包括钢纤维和聚甲醛纤维。本发明提供的超高性能混凝土具有优异的耐高温性能，在600℃高温作用后的残余抗压强度几乎无损失，1000℃高温作用后的残余抗压强度仅损失约50％，适用于对材料耐高温性能有较高要求的特殊场景。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，尤其是涉及一种超高性能混凝土及制备方法和应用。
背景技术
超高性能混凝土是根据颗粒最紧密堆积、水胶比小于0.25和纤维增强等原则设计制备的新型水泥基复合材料，具备超高强度、韧性、耐久性等特点，逐渐成为桥梁、铁路、建筑等领域施工的热门选择。超高性能混凝土多应用于建筑结构的重要构件或关键节点，建筑结构在服役期间难免遭受火灾等突发灾害。超高性能混凝土致密的微观结构和较低的渗透性使其在高温条件下极易发生爆裂剥落，直接影响建筑结构的安全性及使用寿命。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种超高性能混凝土，旨在解决现有技术中超高性能混凝土不耐高温，影响建筑结构的安全和使用寿命的技术问题。
本发明的目的之二在于提供一种超高性能混凝土的制备方法。
本发明的目的之三在于提供一种超高性能混凝土在热工设备中的窑炉内壁或核电厂乏燃料临时干式贮存设施中的应用。
为解决上述技术问题，本发明特采用如下技术方案：
本发明的第一方面提供了一种超高性能混凝土，包括无机胶凝材料、砂、γ相氧化铝、石墨烯浆料、复合纤维和水；
其中，所述复合纤维包括钢纤维和聚甲醛纤维；
所述无机胶凝材料包括水泥、硅灰以及无机功能粉料；
所述无机功能粉料包括偏高岭土、粉煤灰微珠和石灰石粉中的至少一种。
进一步地，还包括添加剂，所述添加剂包括减水剂、消泡剂和膨胀剂中的至少一种。
进一步地，按照重量份数计，包括无机胶凝材料1000份、砂700份-900份、γ相氧化铝14份-30份、石墨烯浆料0.2份-0.5份、复合纤维130份-150份和水180份-200份。
优选地，所述复合纤维中，钢纤维和聚甲醛纤维的重量比为100:3-5。
进一步地，所述γ相氧化铝的平均粒径为10μm-50μm。
优选地，所述钢纤维直径为0.1mm-0.3mm，长度为15mm-20mm，抗拉强度大于2300MPa。
优选地，所述聚甲醛纤维直径为0.1mm-0.3mm，长度为5mm-15mm。
进一步地，所述石墨烯浆料包括氧化石墨烯浆料、多层石墨烯浆料和硫化石墨烯浆料中的至少一种。
优选地，所述硫化石墨烯浆料的固含量为5％-15％。
优选地，所述硫化石墨烯的平均粒径为50μm-100μm。
优选地，所述硫化石墨烯的片层厚度为1nm-2nm。
进一步地，所述无机胶凝材料为水泥、硅灰、偏高岭土、粉煤灰微珠和石灰石粉。
优选地，所述无机胶凝材料中，水泥、硅灰、偏高岭土、粉煤灰微珠和石灰石粉的重量比为100:13-15:7-9:4-6:4-6。
优选地，所述硅灰的平均粒径为0.1μm-0.5μm，比表面积为15m2/g-20m2/g，SiO2质量分数大于90％。
优选地，所述偏高岭土的平均粒径为1μm-5μm，比表面积为10m2/g-20m2/g，SiO2及Al2O3质量分数总和大于90％。
优选地，所述粉煤灰微珠的平均粒径为5μm-10μm，密度大于2g/cm3-3g/cm3，SiO2质量分数大于40％。
优选地，所述石灰石粉的平均粒径为3μm-8μm，密度大于2g/cm3-3g/cm3，CaO质量分数大于50％。
优选地，所述砂包括石英砂和/或河砂。
优选地，所述砂的粒径范围为20目-70目。
进一步地，按照重量份数计，所述添加剂包括减水剂10份-12份、消泡剂1份-3份和膨胀剂35份-40份。
本发明的第二方面提供了所述的超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
A、将γ相氧化铝加入石墨烯浆料中搅拌，再加入用量为1/5-1/2的水分散均匀，得到γ相氧化铝/石墨烯溶液；
B、将所述无机胶凝材料、砂和任选的添加剂混合均匀得到干混料；
C、将步骤A得到的γ相氧化铝/石墨烯溶液和剩余的水加入步骤B得到的干混料中搅拌，再加入所述复合纤维搅拌均匀得到超高性能混凝土浆料；
D、将所述的超高性能混凝土浆料浇筑后得到所述超高性能混凝土。
进一步地，步骤A中，所述分散包括超声分散。
本发明的第三方面提供了所述的超高性能混凝土在热工设备中的窑炉内壁或核电厂乏燃料临时干式贮存设施中的应用。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
本发明提供的超高性能混凝土，使用石墨烯浆料在无机胶凝材料水化进程中提高水化产物的微观密实度，从而优化超高性能混凝土的孔结构；γ相氧化铝与无机胶凝材料的水化产物发生火山灰反应，形成二次水化产物，进一步填充超高性能混凝土孔隙；石墨烯浆料和γ相氧化铝掺入时的水化产物与作用机理不同，两者共同作用可进一步形成致密化结构，延缓或抑制高温作用引起的微孔隙和裂缝的扩展，从而改善超高性能混凝土在高温作用下的力学性能。所用复合纤维的分散性佳、强度及弹性模量高，加入后产生正混杂效应，保证了超高性能混凝土浆料的高流动性、高强度及高韧性；此外，聚甲醛纤维高温熔化后可形成三维乱向分布孔道，有利于水蒸汽逃逸以避免高温爆裂的产生，从而提高超高性能混凝土的耐高温性能。
常用超高性能混凝土材料(采用钢纤维增强)经历600℃高温后抗压强度明显降低，800℃高温后抗压强度损失高达80％。本发明提供的超高性能混凝土具有优异的耐高温性能，在600℃高温作用后的残余抗压强度几乎无损失，1000℃高温作用后的残余抗压强度仅损失约50％，适用于对材料耐高温性能有较高要求的特殊场景。
本发明提供的制备方法，工艺简单连续，机械化程度高，适合大规模工业化生产。
本发明提供的超高性能混凝土的应用，为热工设备中的窑炉内壁或核电厂乏燃料临时干式贮存设施提供了耐热温度更高的超高性能混凝土，促进了超高性能混凝土向着高安全性和高寿命发展，推动了下游产业链的高速发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为实施例4得到的超高性能混凝土抗压试验前(a)、后(b)外观图；
图2为实施例5得到的超高性能混凝土抗压试验前(a)、后(b)外观图；
图3为实施例6得到的超高性能混凝土抗压试验前(a)、后(b)外观图；
图4为实施例7得到的超高性能混凝土抗压试验前(a)、后(b)外观图；
图5为对比例1得到的超高性能混凝土抗压试验前(a)、后(b)外观图；
图6为对比例2得到的超高性能混凝土抗压试验前(a)、后(b)外观图；
图7为实施例7得到的超高性能混凝土的纤维孔道的微观结构特征图；
图8为对比例1得到的超高性能混凝土的纤维孔道的微观结构特征图；
图9为实施例7得到的超高性能混凝土基体的微观结构特征图；
图10为对比例2得到的超高性能混凝土基体的微观结构特征图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
本发明的第一方面提供了一种超高性能混凝土，包括无机胶凝材料、砂、γ相氧化铝、石墨烯浆料、复合纤维和水；
其中，所述复合纤维包括钢纤维和聚甲醛纤维；
所述无机胶凝材料包括水泥、硅灰以及无机功能粉料；
所述无机功能粉料包括偏高岭土、粉煤灰微珠和石灰石粉中的至少一种。
本发明提供的超高性能混凝土，使用石墨烯浆料在无机胶凝材料水化进程中提高水化产物的微观密实度，从而优化超高性能混凝土的孔结构；γ相氧化铝与无机胶凝材料的水化产物发生火山灰反应，形成二次水化产物，进一步填充超高性能混凝土孔隙；石墨烯浆料和γ相氧化铝掺入时的水化产物与作用机理不同，两者共同作用可进一步改善超高性能混凝土在高温作用下的力学性能。复合纤维的加入保证了超高性能混凝土浆料的高流动性、高强度及高韧性，同时提高了超高性能混凝土的耐高温性能。本发明提供的超高性能混凝土具有优异的耐高温性能，在600℃高温作用后的残余抗压强度几乎无损失，1000℃高温作用后的残余抗压强度仅损失约50％，适用于对材料耐高温性能有较高要求的特殊场景。
γ相Al2O3是一种活性氧化物，具备比表面积大、活性高等特点，能够改善超高性能混凝土的孔结构。
聚甲醛纤维是一种综合性能优异的有机合成纤维，具有相对密度低(1.41g/cm3)、抗拉强度高(967MPa～1175MPa)、耐碱性能好(99％)、长期使用稳定、耐磨性好等优点。其分子结构中有大量醚键，与无机材料具有良好的相容性且结合强度高，可提高超高性能混凝土的韧性及抗裂性能。
进一步地，还包括添加剂，所述添加剂包括减水剂、消泡剂和膨胀剂中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，减水剂为聚羧酸类白色粉末状(减水率大于30％)，消泡剂为聚醚类白色粉末状，膨胀剂为硫铝酸钙类或氧化钙类。
进一步地，按照重量份数计，包括无机胶凝材料1000份、砂700份-900份、γ相氧化铝14份-30份、石墨烯浆料0.2份-0.5份、复合纤维130份-150份和水180份-200份。
在本发明的一些实施方式中，超高性能混凝土中，无机胶凝材料的重量份数典型但不限于为1000份；砂的重量份数典型但不限于为700份、750份、800份、850份或900份；γ相氧化铝的重量份数典型但不限于为14份、18份、22份、26份或30份；石墨烯浆料的重量份数典型但不限于为0.2份、0.3份、0.4份或0.5份；复合纤维的重量份数典型但不限于为130份、135份、140份、145份或150份；水的重量份数典型但不限于为180份、185份、190份、195份或200份。
优选地，所述复合纤维中，钢纤维和聚甲醛纤维的重量比为100:3-5。当钢纤维和聚甲醛纤维的重量比大于100:3时，对超高性能混凝土耐高温性能的提升效果不显著；当钢纤维和聚甲醛纤维的重量比小于100:5时，对超高性能混凝土增强增韧效果不显著。在本发明的一些实施方式中，钢纤维和聚甲醛纤维的重量比典型但不限于为100:3、100:4或100:5。
进一步地，所述γ相氧化铝的平均粒径为10μm-50μm。在本发明的一些实施方式中，γ相氧化铝的平均粒径典型但不限于为10μm、20μm、30μm、40μm或50μm。
优选地，所述钢纤维直径为0.1mm-0.3mm，长度为15mm-20mm，抗拉强度大于2300MPa。
优选地，所述聚甲醛纤维直径为0.1mm-0.3mm，长度为5mm-15mm。
在本发明的一些实施方式中，聚甲醛纤维的长度选择14mm和6mm复配，这两种纤维的重量比优选为(2～4)：(0～1)。
进一步地，所述石墨烯浆料包括氧化石墨烯浆料、多层石墨烯浆料和硫化石墨烯浆料中的至少一种。
氧化石墨烯作为石墨烯的一种衍生物，其sp2杂化的碳原子平面上布有不等数量的羟基、羧基等含氧官能团。由于存在羟基、羧基和环氧基等氧官能团的存在，氧化石墨烯相比于石墨烯片层更容易分散在水溶液和其他有机溶剂中。将(氧化)石墨烯和硫化剂在溶剂中进行硫化反应，即可得到硫化石墨烯，通过硫化可进一步改善石墨烯的分散性。
多层石墨烯作为一种石墨烯衍生物的一种，其基本结构是由单层碳原子平面结构石墨烯堆叠而成。碳原子通过π-π键连接，结合方式为sp2杂化。碳原子之间的π-π键赋予多层石墨烯非常理想的力学性能和结构刚性。需要区分的是，多层石墨烯与石墨烯纳米片存在一定差别，虽然后者也是由石墨烯堆叠而成。
优选地，所述硫化石墨烯浆料的固含量为5％-15％。在本发明的一些实施方式中，硫化石墨烯浆料的固含量典型但不限于为5％、7％、9％、11％、13％或15％。
优选地，所述硫化石墨烯的平均粒径为50μm-100μm。在本发明的一些实施方式中，当硫化石墨烯的平均粒径典型但不限于为50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm。
优选地，所述硫化石墨烯的片层厚度为1nm-2nm。
进一步地，所述无机胶凝材料为水泥、硅灰、偏高岭土、粉煤灰微珠和石灰石粉。
优选地，所述无机胶凝材料中，水泥、硅灰、偏高岭土、粉煤灰微珠和石灰石粉的重量比为100:13-15:7-9:4-6:4-6。在本发明的一些实施方式中，水泥、硅灰、偏高岭土、粉煤灰微珠和石灰石粉的重量比典型但不限于为100:13:7:4:4、100:15:7:4:4、100:13:9:4:4、100:15:9:4:4、100:13:7:6:4、100:15:7:6:4、100:13:7:4:6或100:15:7:4:6。
优选地，所述硅灰的平均粒径为0.1μm-0.5μm，比表面积为15m2/g-20m2/g，SiO2质量分数大于90％。
优选地，所述偏高岭土的平均粒径为1μm-5μm，比表面积为10m2/g-20m2/g，SiO2及Al2O3质量分数总和大于90％。
优选地，所述粉煤灰微珠的平均粒径为5μm-10μm，密度大于2g/cm3-3g/cm3，SiO2质量分数大于40％。
优选地，所述石灰石粉的平均粒径为3μm-8μm，密度大于2g/cm3-3g/cm3，CaO质量分数大于50％。
优选地，所述砂包括石英砂和/或河砂。
优选地，所述砂的粒径范围为20目-70目。
进一步地，按照重量份数计，所述添加剂包括减水剂10份-12份、消泡剂1份-3份和膨胀剂35份-40份。
本发明的第二方面提供了所述的超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
A、将γ相氧化铝加入石墨烯浆料中搅拌，再加入用量为1/5-1/2的水分散均匀，得到γ相氧化铝/石墨烯溶液；
B、将所述无机胶凝材料、砂和任选的添加剂混合均匀得到干混料；
C、将步骤A得到的γ相氧化铝/石墨烯溶液和剩余的水加入步骤B得到的干混料中搅拌，再加入所述复合纤维搅拌均匀得到超高性能混凝土浆料；
D、将所述的超高性能混凝土浆料浇筑后得到所述超高性能混凝土。
本发明提供的制备方法，工艺简单连续，机械化程度高，适合大规模工业化生产。
进一步地，步骤A中，所述分散包括超声分散。
本发明的第三方面提供了所述的超高性能混凝土在热工设备中的窑炉内壁或核电厂乏燃料临时干式贮存设施中的应用。
本发明提供的超高性能混凝土的应用，为热工设备中的窑炉内壁或核电厂乏燃料临时干式贮存设施提供了耐热温度更高的超高性能混凝土，促进了超高性能混凝土向着高安全性和高寿命发展，推动了下游产业链的高速发展。
下面结合实施例，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明使用的原材料如无特别说明，均可通过市售购买得到。
以下实施例和对比例使用的材料规格如下：
硅灰的比表面积大于18m2/g且SiO2质量分数大于94％。
偏高岭土比表面积约15m2/g且SiO2及Al2O3质量分数总和大于94％。
粉煤灰微珠密度为2.44g/cm3，平均粒径约8μm且SiO2质量分数大于50％。
石灰石粉密度为2.53g/cm3，平均粒径约5μm且CaO质量分数大于50％。
γ相氧化铝为白色粉末状，平均粒径约30μm。
硫化石墨烯浆料的固含量为10％的水溶液，硫化石墨烯的平均粒径为50μm-100μm，其厚度为1nm-2nm。
实施例1
本实施例提供一种超高性能混凝土，包括如下组分：无机胶凝材料1kg、20-70目石英砂0.8kg、γ相氧化铝0.014kg、硫化石墨烯浆料0.0003kg、聚羧酸类粉体减水剂001kg、聚醚类粉体消泡剂0.002kg，氧化钙类膨胀剂0.038kg，复合纤维0.13kg、水0.19kg。
其中无机胶凝材料由0.76kg PO42.5硅酸盐水泥、0.11kg硅灰、0.06kg偏高岭土、0.03kg粉煤灰微珠及0.04kg石灰石粉混合组成。
复合纤维由0.125kg钢纤维和0.005kg聚甲醛纤维组成。
钢纤维直径约0.2mm，长度18mm，抗拉强度大于2500MPa。聚甲醛纤维直径0.2mm，长度14mm和6mm的重量比例为3：1。
具体制备过程如下：
1、先将无机胶凝材料、砂、减水剂、消泡剂、膨胀剂预混15min左右得到超高性能混凝土干混料；
2、将γ相氧化铝粉体加入到硫化石墨烯水溶液中搅拌1min，再加入约1/2拌和用水稀释后进行超声分散约1h，得到γ相氧化铝/硫化石墨烯溶液。
3、将制备好的γ相氧化铝/硫化石墨烯溶液与剩余的水一起加入超高性能混凝土干混料中搅拌4min，之后均匀撒入钢纤维和聚甲醛纤维，再继续搅拌2min即可得到超高性能混凝土新拌浆体，全程无需振捣。
实施例2
本实施例提供一种超高性能混凝土，包括如下组分：无机胶凝材料1kg、20-70目石英砂0.9kg、γ相氧化铝0.03kg、硫化石墨烯浆料0.0005kg、聚羧酸类粉体减水剂0.012kg、聚醚类粉体消泡剂0.002kg，氧化钙类膨胀剂0.035kg，复合纤维0.14kg、水0.2kg。
其中无机胶凝材料由0.757kgPO 42.5硅酸盐水泥、0.098kg硅灰、0.053kg偏高岭土、0.046kg粉煤灰微珠及0.046kg石灰石粉混合组成。
复合纤维由0.13kg钢纤维、0.01kg聚甲醛纤维组成。
钢纤维直径约0.2mm，长度16mm，抗拉强度大于2500MPa。
聚甲醛纤维直径0.2mm，长度14mm和6mm的重量比例为2：1。
制备方法同实施例1。
实施例3
本实施例提供一种超高性能混凝土，包括如下组分：无机胶凝材料1kg、20-70目石英砂0.9kg、γ相氧化铝0.02kg、硫化石墨烯浆料0.0004kg、聚羧酸类粉体减水剂0.012kg、聚醚类粉体消泡剂0.002kg，氧化钙类膨胀剂0.04kg，复合纤维0.13kg、水0.2kg。
其中无机胶凝材料由0.775kgPO 42.5硅酸盐水泥、0.1kg硅灰、0.054kg偏高岭土、0.039kg粉煤灰微珠及0.031kg石灰石粉混合组成。
复合纤维由0.123kg钢纤维、0.007kg聚甲醛纤维组成。
钢纤维直径约0.2mm，长度18mm，抗拉强度大于2500MPa。
聚甲醛纤维直径0.2mm，长度14mm和6mm的重量比例为4：1。
制备方法同实施例1。
实施例4
本实施例提供一种超高性能混凝土，包括如下组分：无机胶凝材料1kg、20-70目石英砂0.85kg、γ相氧化铝0.025kg、硫化石墨烯浆料0.00045kg、聚羧酸类粉体减水剂0.012kg、聚醚类粉体消泡剂0.002kg，氧化钙类膨胀剂0.037kg，复合纤维0.15kg、水0.2kg。
其中无机胶凝材料由0.775kgPO 42.5硅酸盐水泥、0.1kg硅灰、0.054kg偏高岭土、0.039kg粉煤灰微珠及0.031kg石灰石粉混合组成。
复合纤维由0.143kg钢纤维、0.007kg聚甲醛纤维组成。
钢纤维直径约0.2mm，长度18mm，抗拉强度大于2500MPa。
聚甲醛纤维直径0.2mm，长度14mm。
制备方法同实施例1。
实施例5
本实施例提供一种超高性能混凝土，原料及制备方法与实施例4相同。
实施例6
本实施例提供一种超高性能混凝土，原料及制备方法与实施例4相同。
实施例7
本实施例提供一种超高性能混凝土，原料及制备方法与实施例4相同。
实施例8
本实施例提供一种超高性能混凝土，与实施例4不同的是，原料中使用氧化石墨烯浆料替换硫化石墨烯浆料，氧化石墨烯浆料的固含量为10％，其他原料和制备方法，均与实施例4相同，在此不再赘述。
实施例9
本实施例提供一种超高性能混凝土，与实施例4不同的是，原料中使用多层石墨烯浆料替换硫化石墨烯浆料，多层石墨烯浆料的固含量为10％，多层石墨烯的粒径为50μm-100μm，其厚度为1nm-2nm。其他原料和制备方法均与实施例4相同，在此不再赘述。
对比例1
本对比例提供一种超高性能混凝土，与实施例4不同的是，复合纤维由0.123kg钢纤维、0.007kg聚乙烯醇纤维组成。
钢纤维直径约0.2mm，长度18mm，抗拉强度大于2500MPa。
聚乙烯醇纤维直径0.2mm，长度14mm和6mm的重量比例为4：1。
其他原料和制备方法均与实施例4相同，在此不再赘述。
对比例2
本对比例提供一种超高性能混凝土，与实施例4不同的是，原料中不加入γ相氧化铝和硫化石墨烯浆料，其他原料和制备方法均与实施例4相同，在此不再赘述。
对比例3
本对比例提供一种超高性能混凝土，与实施例4不同的是，原料中不加入γ相氧化铝，其他原料和制备方法均与实施例4相同，在此不再赘述。
对比例4
本对比例提供一种超高性能混凝土，与实施例4不同的是，原料中不加入硫化石墨烯浆料，其他原料和制备方法均与实施例4相同，在此不再赘述。
试验例
对实施例1-9和对比例1-4得到的超高性能混凝土浆料进行如下性能测试，具体过程如下：
1.将超高性能混凝土浆料倒入边长为100mm的立方体试模中，每组实施(对比)例各成型6个立方体试块，置于20℃、60％湿度的室内环境中养护1d后拆模，之后移入标准养护室养护至28d龄期后取出试件，置于通风干燥处自然风干24h。
2.将每组实施(对比)例中的3个立方体试块直接进行抗压试验，另外3个立方体试块开展高温爆裂试验后进行抗压试验。立方体抗压试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2016)进行测试，加载速率设定为1MPa/s，得到的数据记录于表1。
此外，对高温处理前后的每个立方体试块进行称重，以确定加热过程中试块的质量损失，数据记录于表1。
3.高温爆裂试验：将每组实施(对比)例中剩余的3个立方体试块置于电阻式高温炉加热，升温速度设定为10℃/min，升温至目标温度后维持3h，之后关闭电阻炉自然冷却至室温后(需要约6h)取出试件。实施例1-4的目标温度设定为600℃，实施例5-7的目标温度分别设定为400℃、800℃、1000℃，实施例8-9及对比例1-4的目标温度均为1000℃。
4.微观测试：为进一步探究超高性能混凝土材料的高温作用机理，对高温作用后的实施例7及对比例1-2进行取样，采用显微镜观测超高性能混凝土材料的微观结构特征。
图1、图2、图3、图4、图5和图6分别对应为实施例5、实施例4、实施例6、实施例7、对比例1、对比例2得到的超高性能混凝土抗压试验前(图中的a)、后(图中的b)的外观图。
由图1、图2、图3和图4可知，实施例4-7制备的超高性能混凝土试件均未发生高温爆裂现象，高温后试件颜色发白或发黄，试件形态均完整，表面出现少许微裂缝及聚甲醛纤维融化后留下的孔道；对比图5和图6可知，对比例1制备的超高性能混凝土试件高温后出现少量的边角缺片现象，对比例2制备的超高性能混凝土试件高温后形态亦较完整。以上试件在受压破坏后仍保持一定的整体性。
表1为所有超高性能混凝土试件在高温作用前后相关的测试数据。每个数据为每组3个试件的平均值，其中相对抗压强度比为高温后残余抗压强度与高温前抗压强度的比值。
表1
由表1可知，实施例1-4制备的超高性能混凝土试件在600℃高温作用后质量损失率及相对抗压强度比均较接近，说明本发明配方优选区间制备的超高性能混凝土的耐高温性能的稳定性较好；对比实施例4-7可知，400℃高温作用可提升超高性能混凝土的抗压性能，而高于600℃的高温作用对其抗压性能产生不利影响；对比实施例7-9可知，石墨烯浆料类型对超高性能混凝土耐高温性能影响较小，其中硫化石墨烯的效果略好。
此外，与实施例7进行对比可知：对比例1制备的超高性能混凝土试件的残余抗压强度损失更严重，可见，相比于聚乙烯醇纤维，聚甲醛纤维对超高性能混凝土耐高温性能的改善效果更优；对比例2-4制备的超高性能混凝土试件的残余抗压强度损失亦更严重，说明γ相氧化铝/硫化石墨烯复掺技术可改善超高性能混凝土的耐高温性能。
图7、图8、图9和图10为部分超高性能混凝土试件的微观结构特征图。其中，图7和图8对应为实施例7、对比例1得到的超高性能混凝土的纤维孔道的微观结构特征图；图9和图10对应为实施例7、对比例2得到的超高性能混凝土基体的微观结构特征图。
对比图7和图8可知，聚甲醛纤维及聚乙烯醇纤维在高温作用后均融化留下孔道，其中聚乙烯醇纤维留下的孔道内出现微裂缝，而聚甲醛纤维留下的孔道无裂缝，说明聚甲醛纤维融化对超高性能混凝土基体带来的损伤较小，从而具备更高的残余抗压强度。此外，对比图9和图10可知，掺入γ相氧化铝/硫化石墨烯的超高性能混凝土在经历高温作用后具有更致密的微观结构，从而提高其高温后的力学性能。
综上所述，本发明通过钢-聚甲醛纤维混杂方式和γ相氧化铝/硫化石墨烯复掺技术制备的超高性能混凝土材料具备更优异的耐高温性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种超高性能混凝土，其特征在于，包括无机胶凝材料、砂、γ相氧化铝、石墨烯浆料、复合纤维和水；
其中，所述复合纤维包括钢纤维和聚甲醛纤维；
所述无机胶凝材料包括水泥、硅灰以及无机功能粉料；
所述无机功能粉料包括偏高岭土、粉煤灰微珠和石灰石粉中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，还包括添加剂，所述添加剂包括减水剂、消泡剂和膨胀剂中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，按照重量份数计，包括无机胶凝材料1000份、砂700份-900份、γ相氧化铝14份-30份、石墨烯浆料0.2份-0.5份、复合纤维130份-150份和水180份-200份；
优选地，所述复合纤维中，钢纤维和聚甲醛纤维的重量比为100:3-5。
4.根据权利要求1-3任一项所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述γ相氧化铝的平均粒径为10μm-50μm；
优选地，所述钢纤维直径为0.1mm-0.3mm，长度为15mm-20mm，抗拉强度大于2300MPa；
优选地，所述聚甲醛纤维直径为0.1mm-0.3mm，长度为5mm-15mm。
5.根据权利要求1-3任一项所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述石墨烯浆料包括氧化石墨烯浆料、多层石墨烯浆料和硫化石墨烯浆料中的至少一种；
优选地，所述硫化石墨烯浆料的固含量为5％-15％；
优选地，所述硫化石墨烯的平均粒径为50μm-100μm；
优选地，所述硫化石墨烯的片层厚度为1nm-2nm。
6.根据权利要求1-3任一项所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述无机胶凝材料为水泥、硅灰、偏高岭土、粉煤灰微珠和石灰石粉；
优选地，所述无机胶凝材料中，水泥、硅灰、偏高岭土、粉煤灰微珠和石灰石粉的重量比为100:13-15:7-9:4-6:4-6；
优选地，所述硅灰的平均粒径为0.1μm-0.5μm，比表面积为15m2/g-20m2/g，SiO2质量分数大于90％；
优选地，所述偏高岭土的平均粒径为1μm-5μm，比表面积为10m2/g-20m2/g，SiO2及Al2O3质量分数总和大于90％；
优选地，所述粉煤灰微珠的平均粒径为5μm-10μm，密度为2g/cm3-3g/cm3，SiO2质量分数大于40％；
优选地，所述石灰石粉的平均粒径为3μm-8μm，密度为2g/cm3-3g/cm3，CaO质量分数大于50％；
优选地，所述砂包括石英砂和/或河砂；
优选地，所述砂的粒径范围为20目-70目。
7.根据权利要求2所述的超高性能混凝土，其特征在于，按照重量份数计，所述添加剂包括减水剂10份-12份、消泡剂1份-3份和膨胀剂35份-40份。
8.一种权利要求1-7任一项所述的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将γ相氧化铝加入石墨烯浆料中搅拌，再加入用量为1/5-1/2的水分散均匀，得到γ相氧化铝/石墨烯溶液；
B、将所述无机胶凝材料、砂和任选的添加剂混合均匀得到干混料；
C、将步骤A得到的γ相氧化铝/石墨烯溶液和剩余的水加入步骤B得到的干混料中搅拌，再加入所述复合纤维搅拌均匀得到超高性能混凝土浆料；
D、将所述的超高性能混凝土浆料浇筑后得到所述超高性能混凝土。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述分散包括超声分散。
10.一种权利要求1-7任一项所述的超高性能混凝土在热工设备中的窑炉内壁或核电厂乏燃料临时干式贮存设施中的应用。
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- 2023-03-17 CN CN202310281981.0A patent/CN116217178A/zh active Pending
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