CN116675493A - 基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土及制备方法，其特征在于，包括水、水泥、硅灰、砂、钢纤维、膨胀剂、植物纤维、内养护剂和减水剂，膨胀剂包括CaO和CSA。通过加入包括CaO和CSA的膨胀剂、内养护剂和植物纤维，实现了高性能混凝土早期收缩的分阶段调控，获得低收缩的超高性能混凝土。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土材料技术领域，尤其涉及基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土及制备方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
超高性能混凝土(UHPC)具有超高的力学性能、韧性和优异的耐久性能。UHPC由水泥、水、填料、细骨料、硅灰和高效减水剂制备而成。此外，纤维的加入显著提高UHPC的抗拉、抗弯和抗剪强度，但抗压强度可能保持不变或略有增加；UHPC在较低水胶比(0.2左右)制备而成。UHPC的优异力学性能和耐久性能使其具有较高的潜能来提高基础设施的耐久性，并解决“反复”修复的难题。将UHPC用于受损混凝土结构的修复不仅可以增强承载能力，而且可以降低有害介质对混凝土的侵蚀，在桥墩和大坝的浪溅区，普通混凝土桥墩外包UHPC修复材料可以显著提高桥墩的抗冲刷性能。目前，国内外尝试使用UHPC修复水工混凝土结构以解决因力学或者耐久性不足威胁水工混凝土结构安全服役的问题。
UHPC的水胶比较低，内部的自由水含量相对较少，不足以让水泥完全水化，随着水化的进行，导致自由水含量变少，大量毛细孔的水由饱和状态变为不饱和状态，毛细孔产生负压作用于水泥石，产生收缩。此外，UHPC中使用高掺量的硅灰也会增大自收缩，硅灰可以细化孔径，增大毛细孔负压，此外，硅灰的火山灰反应也会促进混凝土的自收缩。
UHPC的自收缩对修复界面产生较大的影响，尤其UHPC作为修复材料进行大面积的铺装使用时，由于收缩产生的应力可能致使修复界面产生脱粘或修复材料开裂，因此对UHPC的收缩研究尤为重要。传统的UHPC减缩技术多是单一作用机制，如控制胶凝材料的水化、降低毛细孔张力和物理约束，而这种单一作用机制的减缩窗口期有限，UHPC的收缩是持续发生的过程，而收缩发生期和减缩的窗口期不同步，容易造成收缩调控难，早期收缩仍然大的现象。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土及制备方法，通过加入包括CaO和CSA的膨胀剂、内养护剂和植物纤维，实现了高性能混凝土早期收缩的分阶段调控，获得低收缩的超高性能混凝土。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，提出了基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土，包括水、水泥、硅灰、砂、钢纤维、膨胀剂、植物纤维、内养护剂和减水剂，膨胀剂包括CaO和CSA。
第二方面，提出了基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土的制备方法，包括：
将水泥、硅灰和砂按照进行混合搅拌，获得干料；
向干料中加入水和减水剂并搅拌，获得混合料；
向混合料中加入植物纤维并搅拌，获得带植物纤维的混合料；
向带植物纤维的混合料中加入钢纤维并搅拌，获得带钢纤维的混合料；
向带钢纤维的混合料中加入膨胀剂并搅拌，获得带膨胀剂的混合料；
向带膨胀剂的混合料加入内养护剂并搅拌，获得低收缩超高性能混凝土。
第三方面，提出了上述基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土在道桥工程领域中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的膨胀剂包括CaO和CSA，CaO膨胀剂作用窗口时间24h，CSA膨胀剂作用窗口时间3d，CaO和水反应生成Ca(OH)2，表观体积膨胀，CSA的膨胀产物为钙矾石，基于超高性能混凝土的早期收缩特点，选择用CaO和内养护剂协同作用实现早期减缩，实现CaO膨胀剂窗口和内养护剂释水窗口的统一，实现超高性能混凝土收缩窗口期同步，CSA膨胀剂早期膨胀需要消耗较多水呈现膨胀作用，持续时间较长，采用空腔类植物纤维释放空腔自由水，辅助CSA发挥膨胀作用，膨胀作用补偿了早期水分失去带来的毛细孔负压引发的收缩，整体呈现膨胀，龄期超过3d后，超高性能混凝土的早期收缩占28d收缩占比过半，且早期的收缩速率较高，3d后的收缩控制依靠物理约束调控，通过释放自由水后的植物纤维和钢纤维对收缩约束作用，实现高效减缩。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为混凝土长期收缩性能监测结果图；
图2为ZH1组超高性能混凝土内养护微观观测图；
图3为ZH1组超高性能混凝土钙矾石微观观测图；
图4为ZH1组超高性能混凝土水泥基体微观观测图；
图5为ZH1组超高性能混凝土纤维素纤维微观观测图；
图6为分阶段调控UHPC收缩示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中，UHPC减缩技术多是单一作用机制，单一作用机制的减缩窗口期有限，UHPC的收缩是持续发生的过程，使得收缩发生期和减缩的窗口期不同步，容易造成收缩调控难，早期收缩仍然大的问题。
鉴于此，本发明的一种具体实施方式中，提供了基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土，包括水、水泥、硅灰、砂、钢纤维、膨胀剂、植物纤维、内养护剂和减水剂，膨胀剂包括氧化钙(CaO)和硫铝酸钙(CSA)。
在该实施方式的一些实施例中，基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土，按质量份数计，包括：水156～240份，水泥800～920份、硅灰150～280份、砂800～1200份、钢纤维126～160份、膨胀剂72～120份、植物纤维1～13份、内养护剂100～200份和减水剂20～36份。
在该实施方式的一些实施例中，膨胀剂包括CaO和CSA；膨胀剂中CaO和CSA的重量比值为0.5～0.75。
在该实施方式的一些实施例中，水为自来水或者去离子水。
在该实施方式的一些实施例中，水泥为普通硅酸盐水泥。
在该实施方式的一些实施例中，砂为河砂或石英砂。
在该实施方式的一些实施例中，钢纤维为平直、端钩或波浪型钢纤维，抗拉强度2800～2900MPa，长度12～14mm，直径0.15～0.25mm。
在该实施方式的一些实施例中，植物纤维为空腔结构的植物纤维，如纤维素纤维或剑麻纤维，直径小于0.1mm。
在该实施方式的一些实施例中，内养护剂为富有空腔结构的陶砂或废旧砖，内养护剂预吸水大于24h，孔隙率大于10％。
在该实施方式的一些实施例中，减水剂采用聚羧酸减水剂，减水效率超过30％，含固量接近40％。
本发明提出的基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土的早期收缩作用机制为：膨胀剂包括CaO和CSA，CaO和CSA均能作为膨胀剂使用，CaO膨胀剂作用窗口时间24h，CSA膨胀剂作用窗口时间3d，CaO和水反应生成Ca(OH)2，表观体积膨胀，CSA的膨胀产物为钙矾石，基于超高性能混凝土的早期收缩特点，选择用CaO和内养护剂协同作用实现早期减缩，CaO膨胀剂窗口和内养护剂释水窗口的统一，实现超高性能混凝土收缩窗口期同步，CSA膨胀剂早期膨胀需要消耗较多水呈现膨胀作用，持续时间较长，采用空腔类植物纤维释放空腔自由水，辅助CSA发挥膨胀作用，该膨胀作用补偿了早期水分失去带来的毛细孔负压引发的收缩，整体呈现膨胀，龄期超过3d后，超高性能混凝土的早期收缩占28d收缩占比过半，且早期的收缩速率较高，3d后的收缩控制依靠物理约束调控，通过释放自由水后的植物纤维和钢纤维对收缩约束作用，实现高效减缩，如图6所示。
本发明将多种调控作用机制，分阶段依次通过内部补偿、延缓内部湿度下降、降低毛细孔负压和物理约束对混凝土进行分阶段调控，将前3天的超高性能混凝土自收缩有效降低，将长龄期超高性能混凝土收缩大幅降低；本发明的UHPC自收缩值较小，3天自收缩为0μm/m，甚至微膨胀，7天自收缩小于190μm/m，28天自收缩小于240μm/m；与利用单一作用机制的窗口期不同，本发明采用多种减缩作用机制协同作用，实现减缩与超高性能混凝土本体收缩同窗口全过程进行，从而高效调控超高性能混凝土早期收缩。
本发明的超高性能混凝土具有低收缩特点，能够有效减小超高性能混凝土大面积铺装修复带来的开裂风险，可用于大坝泄洪道，海底隧道接缝连接等多种以百年服役为目标的重大基础设施的建造与延寿。
本发明的一种具体实施方式中，还提供了上述基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土的制备方法，包括：
将水泥、硅灰和砂按照进行混合搅拌，获得干料；
向干料中加入水和减水剂并搅拌，获得混合料；
向混合料中加入植物纤维并搅拌，获得带植物纤维的混合料；
向带植物纤维的混合料中加入钢纤维并搅拌，获得带钢纤维的混合料；
向带钢纤维的混合料中加入膨胀剂并搅拌，获得带膨胀剂的混合料；
向带膨胀剂的混合料加入内养护剂并搅拌，获得低收缩超高性能混凝土。
在该实施方式的一些实施例中，将水泥、硅灰和砂按照进行混合后搅拌3min，获得干料；向干料中加入水和减水剂搅拌5min，获得混合料；向混合料中加入植物纤维并搅拌3min，获得带植物纤维的混合料；向带植物纤维的混合料中加入钢纤维并搅拌3min，获得带钢纤维的混合料；向带钢纤维的混合料中加入膨胀剂并搅拌3min，获得带膨胀剂的混合料；向带膨胀剂的混合料加入内养护剂并搅拌3min，获得低收缩超高性能混凝土。
本发明的一种具体实施方式中，还提供了上述基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土在道桥工程领域中的应用。
实施例1
该实施例公开了基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土，包括：水泥800.4份、硅灰276份、砂860.2份、钢纤维156份、水220.2份、减水剂22份、内养护剂151.8份、膨胀剂119.6份和植物纤维3.4份。将该混凝土命名为ZH1组。
其中，水泥为普通硅酸盐水泥。
水为自来水。
砂为河砂。
膨胀剂为CaO和CSA复合而成，二者比值为0.7。
内养护剂为富有空腔结构的陶砂，内养护剂预吸水大于24h，孔隙率大于10％。
植物纤维为空腔结构的纤维素纤维，直径小于0.1mm。
钢纤维为平直钢纤维，抗拉强度2850MPa，长度13mm，直径0.2mm。
减水剂为聚羧酸减水剂，减水效率超过30％，含固量接近40％。
该实施例中混凝土的制备方法为：将水泥、硅灰和砂预先混合搅拌3min，再加入水和减水剂搅拌5min，再放入纤维素纤维搅拌3min，再放入钢纤维搅拌3min，再加入膨胀剂搅拌3min，最后加入陶砂搅拌2min，获得本实施例公开的基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土。
实施例2
该实施例公开了基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土，包括：水泥848份、硅灰276份、砂911.8份、钢纤维156份、水220.2份、减水剂20份、内养护剂100份、膨胀剂72份和植物纤维1份。将该混凝土命名为ZH2组。
其中，水泥为普通硅酸盐水泥。
水为去离子水。
砂为石英砂。
膨胀剂为CaO和CSA复合而成，二者比值为0.5。
内养护剂为富有空腔结构的废旧砖，内养护剂预吸水大于24h，孔隙率大于10％。
植物纤维为空腔结构的剑麻纤维，直径小于0.1mm。
钢纤维为端钩钢纤维，抗拉强度2850MPa，长度13mm，直径0.2mm。
减水剂为聚羧酸减水剂，减水效率超过30％，含固量接近40％。
该实施例中混凝土的制备方法为：将水泥、硅灰和砂预先混合搅拌3min，再加入水和减水剂搅拌5min，再放入剑麻纤维维搅拌3min，再放入钢纤维搅拌3min，再加入膨胀剂搅拌3min，最后加入废旧砖搅拌2min，获得本实施例公开的基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土。
实施例3
该实施例公开了基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土，包括：水泥810.4份、硅灰276份、砂810.2份、钢纤维160份、水220.2份、减水剂24份、内养护剂200份、膨胀剂120份和植物纤维13份。将该混凝土命名为ZH3组。
其中，水泥为普通硅酸盐水泥。
水为自来水。
砂为石英砂。
膨胀剂为CaO和CSA复合而成，二者比值为0.75。
内养护剂为富有空腔结构的陶砂，内养护剂预吸水大于24h，孔隙率大于10％。
植物纤维为空腔结构的纤维素纤维，直径小于0.1mm。
钢纤维为波浪型钢纤维，抗拉强度2850MPa，长度13mm，直径0.2mm。
减水剂为聚羧酸减水剂，减水效率超过30％，含固量接近40％。
该实施例中混凝土的制备方法为：将水泥、硅灰和砂预先混合搅拌3min，再加入水和减水剂搅拌5min，再放入纤维素纤维搅拌3min，再放入钢纤维搅拌3min，再加入膨胀剂搅拌3min，最后加入陶砂搅拌2min，获得本实施例公开的基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土。
实验组1
该实验组为基础0组，该0组的混凝土，按质量份数计，包括：水泥800.4份、硅灰276份、砂860.2份、钢纤维156份、水220.2份和减水剂20份。
其中，水泥为普通硅酸盐水泥。
水为自来水。
砂为河砂。
钢纤维为平直钢纤维，抗拉强度2850MPa，长度13mm，直径0.2mm。
减水剂为聚羧酸减水剂，减水效率超过30％，含固量接近40％。
该混凝土的制备方法为：将水泥、硅灰和砂预先混合搅拌3min，之后，加入水和减水剂搅拌5min，最后放入钢纤维搅拌3min，获得本实验组的混凝土。
实验组2
该实验组为T组，T组的混凝土，按质量份数计，包括：水泥800.4份、硅灰276份、砂860.2份、钢纤维156份、水220.2份、减水剂23份和内养护剂151.8份。
其中，水泥为普通硅酸盐水泥。
水为自来水。
砂为河砂。
内养护剂为富有空腔结构的陶砂，内养护剂预吸水大于24h，孔隙率大于10％。
钢纤维为平直钢纤维，抗拉强度2850MPa，长度13mm，直径0.2mm。
减水剂为聚羧酸减水剂，减水效率超过30％，含固量接近40％。
该实施例中混凝土的制备方法为：将水泥、硅灰和砂预先混合搅拌3min，再加入水和减水剂搅拌5min，再放入钢纤维搅拌3min，最后加入陶砂搅拌2min，获得本实验组的混凝土。
实验组3
该实验组为P组，P组的混凝土，包括：水泥800.4份、硅灰276份、砂860.2份、钢纤维156份、水220.2份、减水剂20份和膨胀剂119.6份。
其中，水泥为普通硅酸盐水泥。
水为自来水。
砂为河砂。
膨胀剂为CaO和CSA复合而成，二者比值在0.5～0.75。
钢纤维为平直钢纤维，抗拉强度2850MPa，长度13mm，直径0.2mm。
减水剂为聚羧酸减水剂，减水效率超过30％，含固量接近40％。
该实施例中混凝土的制备方法为：将水泥、硅灰和砂预先混合搅拌3min，再加入水和减水剂搅拌5min，再放入钢纤维搅拌3min，再加入膨胀剂搅拌3min，获得本实验组的基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土。
对实施例1、实施例2、实施例3、实验组1、实验组2和实验组3中混凝土进行长期收缩性能监测，监测的收缩结果如图1所示，当收缩值为负值时为膨胀，当收缩值为正值时为收缩，通过图1可知，仅采用单一作用机制调控收缩前3天收缩值降低，如T组和P组，多种作用机制分阶段作用前3天收缩调控明显，趋于微膨胀，如ZH组。通过长期监测发现，未进行调控的超高性能混凝土收缩超过700μm/m，如不进行收缩调控用于桥梁连接缝处或者桥面板的铺装将会出现开裂，ZH组采用分阶段多种作用机制协调作用后超高性能混凝土的收缩降到240μm/m以下，有效降低了桥面修复铺装后开裂的风险。
将ZH1组超高性能混凝土进行微观观测分析，观测结果如图2-图5所示，观察到陶砂释水缓解超高性能混凝土内部湿度下降，陶砂骨料和水泥石界面致密，无明显界面过渡区，陶砂孔里面有水化产物生成，证明陶砂和水泥基体形成良好的结合，图2和图3所示为超高性能混凝土孔壁长满钙矾石，图4为水泥基体中存在较多强氧化钙，体积膨胀能够有效减少收缩，图5为纤维素纤维空腔结构释水后，体积缩小，纤维周围的水泥基体养护致密，纤维素纤维释水缓解超高性能混凝土内部湿度下降，为CSA反应提供水源，能够辅助CSA发挥作用，此外该纤维对基体变形的约束也有利于降低超高性能混凝土收缩，从而说明多机制协同作用，分阶段调控超高性能混凝土收缩的可行性。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土，其特征在于，包括水、水泥、硅灰、砂、钢纤维、膨胀剂、植物纤维、内养护剂和减水剂，膨胀剂包括CaO和CSA。
2.如权利要求1所述的基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土，其特征在于，按质量份数计，包括：水156～240份，水泥800～920份、硅灰150～280份、砂800～1200份、钢纤维126～160份、膨胀剂72～120份、植物纤维1～13份、内养护剂100～200份和减水剂20～36份。
3.如权利要求1所述的基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土，其特征在于，膨胀剂中CaO和CSA的重量比值为0.5～0.75。
4.如权利要求1所述的基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土，其特征在于，钢纤维为平直、端钩或波浪型钢纤维。
5.如权利要求1所述的基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土，其特征在于，减水剂为聚羧酸减水剂。
6.如权利要求1所述的基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土，其特征在于，植物纤维为空腔结构的植物纤维。
7.如权利要求1所述的基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土，其特征在于，内养护剂预吸水大于24h，孔隙率大于10％。
8.如权利要求7所述的基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土，其特征在于，内养护剂为富有空腔结构的陶砂或废旧砖。
9.权利要求1-8任一项所述的基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土的制备方法，包括：
将水泥、硅灰和砂按照进行混合搅拌，获得干料；
向干料中加入水和减水剂并搅拌，获得混合料；
向混合料中加入植物纤维并搅拌，获得带植物纤维的混合料；
向带植物纤维的混合料中加入钢纤维并搅拌，获得带钢纤维的混合料；
向带钢纤维的混合料中加入膨胀剂并搅拌，获得带膨胀剂的混合料；
向带膨胀剂的混合料加入内养护剂并搅拌，获得低收缩超高性能混凝土。
10.权利要求1-8任一项所述的基于分阶段调控的低收缩超高性能混凝土和/或权利要求9制备方法得到的低收缩超高性能混凝土在道桥工程领域中的应用。
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