CN117105613B - 一种超高性能混凝土及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种超高性能混凝土及其制备方法和应用，属于超高性能混凝土技术领域。由以下重量份的原料制备而成：水泥90‑110份、粉煤灰15‑25份、矿粉40‑60份、硅灰15‑25份、聚羧酸减水剂1.8‑2.5份、石英砂130‑170份、钢纤维180‑320份、高活性晶化剂1‑3份、水80‑120份。本发明制备的超高性能混凝土即使承受超过其破坏荷载的力时，只会开裂而不会裂成碎片，而且其承载能力并没有损失太多，仍可以暂时使用，就像玻璃中的安全玻璃一样，同时没有冻融循环、碱一骨料反应和延迟钙矾石生成破坏的问题，预计能够明显延长使用周期，使得成本更低。
Description
技术领域
在本发明涉及超高性能混凝土技术领域，具体涉及一种超高性能混凝土及其制备方法和应用。
背景技术
超高性能混凝土，是过去三十年中最具创新性的水泥基工程材料，实现了工程材料性能的大跨越。超高性能混凝土的抗压强度可高达230MP及以上，与Q235钢相近；另外，超高性能混凝土中的特种纤维为其提供了高抗拉强度、类金属的拉伸应变强化、高延性、多点分布微裂纹开展以及高抗爆、抗侵彻等特性，被称为“液体钢”，而且它可以弥补钢材的缺点——无锈蚀性及高耐久性，具备极佳的抗渗、抗冻融、耐腐蚀、耐高温、抗冲磨等耐久性。
据调查，目前C250级和D400级超高性能混凝土井盖所用超高性能混凝土都需要蒸养，能耗及投资较大。
发明内容
本发明的目的在于提出一种超高性能混凝土及其制备方法和应用，本提供一种常温养护超高性能混凝土，通过添加高活性晶化剂，超高性能混凝土采用常温养护方式，无需蒸养，避免了对蒸养空间与温湿度的严格要求而带来的成本问题，节约能源与空间投资，设备投资小、生产工艺简单，整体生产成本大大降低，并且大大拓宽了应用范围。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供一种超高性能混凝土，由以下重量份的原料制备而成：水泥90-110份、粉煤灰15-25份、矿粉40-60份、硅灰15-25份、聚羧酸减水剂1.8-2.5份、石英砂130-170份、钢纤维180-320份、高活性晶化剂1-3份、水80-120份。
所述高活性晶化剂的制备方法如下：
S1.二氧化硅纳米球的制备：将氨水、乙醇、水搅拌混合均匀，加入正硅酸乙酯，加热水解反应，离心，洗涤，干燥，制得二氧化硅纳米球；
S2.氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球的制备：将氧化石墨烯溶于水中，加入步骤S1制得的二氧化硅纳米球，搅拌混合均匀，喷雾干燥，制得氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球；
S3.金属离子的沉积：将步骤S2制得的氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球加入水中，加入铁盐和镁盐，挥干溶剂，制得金属离子沉积纳米球；
S4.高活性晶化剂的制备：将步骤S3制得的金属离子沉积纳米球在空气通入的条件下加热煅烧，冷却至室温，洗涤，干燥，制得高活性晶化剂。
作为本发明的进一步改进，由以下原料按重量份制备而成：水泥100份、粉煤灰19份、矿粉46份、硅灰19份、聚羧酸减水剂2.1份、石英砂154份、钢纤维200份、高活性晶化剂2份、水100份。
作为本发明的进一步改进，所述水泥为52.5级普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为I级粉煤灰；所述矿粉为S95 级矿粉；所述聚羧酸减水剂的固含量50%，减水率30%以上；所述石英砂的粒径为20-40目；所述钢纤维为镀铜钢纤维，平直型，直径0.1-0.3mm，长度13-16mm。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中所述氨水、水、乙醇、正硅酸乙酯的质量比为17-25:13-50:120-160:13-16，所述氨水的浓度为20-25wt%，所述二氧化硅纳米球的粒径为200-300nm，所述加热水解反应的温度为30-40℃，时间为10-12h。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中所述氧化石墨烯、二氧化硅纳米球的质量比为15-20:12-15，所述喷雾干燥的条件为进风温度为80-100℃，出风温度为30-80℃，蒸发水量为1500-2000mL/h。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中所述氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球、铁盐、镁盐的质量比为100:15-20:12-15，所述铁盐选自氯化铁、硫酸铁、硝酸铁中的至少一种，所述镁盐选自氯化镁、硫酸镁、硝酸镁中的至少一种。
作为本发明的进一步改进，步骤S4中所述加热煅烧的温度为500-600℃，时间为2-4h。
本发明进一步保护一种上述超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
（1）将水泥、石英砂、粉煤灰、矿粉、硅灰、高活性晶化剂投入搅拌设备里面搅拌3-5min，将减水剂和水加入到搅拌设备里，搅拌3-5min成流态，再边搅拌边加入钢纤维，继续搅拌1-3min，得到超高性能混凝土拌合物；
（2）将焊接好钢筋的模具放在平坦处，然后将超高性能混凝土拌合物倒入模具中让其自流平；
（3）待搅拌设备里超高性能混凝土拌合物全部浇筑完后，向表面喷雾状水，形成一层均匀的水膜层，然后覆盖一层混凝土养护膜，养护，拆模，得到超高性能混凝土。
作为本发明的进一步改进，所述养护的时间为2-4天。
本发明进一步保护一种上述超高性能混凝土在制备井盖（例如C250级或D400级井盖）和飞机场跑道预制板中的应用。
本发明具有如下有益效果：本发明制备了一种高活性晶化剂，常温养护条件下能使超高性能混凝土胶凝体系发挥出最大功效，形成高度致密的无机质基体，极大增强了超高性能混凝土的物理力学性能和耐久性，从而起到免蒸养的作用。
本发明高活性晶化剂以二氧化硅纳米球的核心，在喷雾干燥的作用下，溶剂快速蒸发，导致液滴的体积收缩，制得的氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球表面有很多褶皱，大大提高了载体的比表面积，然后将铁盐和镁盐沉积在其表面，经过空气条件下煅烧，制得高活性晶化剂负载了大量的氧化铁和氧化镁，从而提高粉煤灰活性，降低粉煤灰中Si-O、Al-O键的键能，降低其聚合度，使Si4+、Al3+离子成为活性状态，活性的Si4+、Al3+离子与水泥中CaO在有水的情况下发生反应，会生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，继续与石膏反应，生成钙矾石，提高混凝土各组分的胶结作用，使混凝土的性能得以提高。
本发明通过添加高活性晶化剂后，使得混凝土在常温养护即可达到相应的性能，相比蒸养型超高性能混凝土，大大节省了蒸养设备投资，具备明显的性价比优势。
本发明制备的超高性能混凝土的断裂能为20000-40000J/㎡，即使承受超过其破坏荷载的力时，只会开裂而不会裂成碎片，而且其承载能力并没有损失太多，仍可以暂时使用，就像玻璃中的安全玻璃一样。
本发明制备的超高性能混凝土没有冻融循环、碱一骨料反应(AAR)和延迟钙矾石生成(DEF)破坏的问题，预计能够明显延长井盖的使用周期，使得成本更低。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
水泥:52.5级普通硅酸盐水泥。粉煤灰：I级粉煤灰。矿粉:S95级矿粉。硅灰：灰白色粉末，为球状体粒子。聚羧酸减水剂：固含量50%，减水率30%以上，购自廊坊隆腾新材料有限公司。石英砂:平均粒径20-40目。钢纤维:苏州龙宇钢纤维有限公司生产，镀铜钢纤维，平直型，直径0.1-0.3mm，长度13-16mm。氧化石墨烯购于先丰纳米科技有限公司。
制备例1 高活性晶化剂的制备
方法如下：
S1.二氧化硅纳米球的制备：将17重量份20wt%的氨水、13重量份乙醇、120重量份水搅拌混合均匀，加入13重量份正硅酸乙酯，加热至30℃，水解反应10h，离心，洗涤，干燥，制得二氧化硅纳米球，平均粒径为200nm；
S2.氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球的制备：将15重量份氧化石墨烯溶于200重量份水中，加入12重量份步骤S1制得的二氧化硅纳米球，搅拌混合均匀，喷雾干燥，制得氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球；
所述喷雾干燥的条件为进风温度为80℃，出风温度为30℃，蒸发水量为1500mL/h；
S3.金属离子的沉积：将100重量份步骤S2制得的氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球加入水中，加入15重量份硝酸铁和12重量份硝酸镁，挥干溶剂，制得金属离子沉积纳米球；
S4.高活性晶化剂的制备：将步骤S3制得的金属离子沉积纳米球在空气通入的条件下加热至500℃，煅烧2h，冷却至室温，洗涤，干燥，制得高活性晶化剂。
制备例2 高活性晶化剂的制备
方法如下：
S1.二氧化硅纳米球的制备：将25重量份25wt%的氨水、50重量份乙醇、160重量份水搅拌混合均匀，加入16重量份正硅酸乙酯，加热至40℃，水解反应12h，离心，洗涤，干燥，制得二氧化硅纳米球，平均粒径为300nm；
S2.氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球的制备：将20重量份氧化石墨烯溶于200重量份水中，加入15重量份步骤S1制得的二氧化硅纳米球，搅拌混合均匀，喷雾干燥，制得氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球；
所述喷雾干燥的条件为进风温度为100℃，出风温度为80℃，蒸发水量为2000mL/h；
S3.金属离子的沉积：将100重量份步骤S2制得的氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球加入水中，加入20重量份硫酸铁和15重量份硫酸镁，挥干溶剂，制得金属离子沉积纳米球；
S4.高活性晶化剂的制备：将步骤S3制得的金属离子沉积纳米球在空气通入的条件下加热至600℃，煅烧4h，冷却至室温，洗涤，干燥，制得高活性晶化剂。
制备例3 高活性晶化剂的制备
方法如下：
S1.二氧化硅纳米球的制备：将20重量份22wt%的氨水、30重量份乙醇、140重量份水搅拌混合均匀，加入14.5重量份正硅酸乙酯，加热至35℃，水解反应11h，离心，洗涤，干燥，制得二氧化硅纳米球，平均粒径为250nm；
S2.氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球的制备：将17重量份氧化石墨烯溶于200重量份水中，加入13.5重量份步骤S1制得的二氧化硅纳米球，搅拌混合均匀，喷雾干燥，制得氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球；
所述喷雾干燥的条件为进风温度为90℃，出风温度为40℃，蒸发水量为1700mL/h；
S3.金属离子的沉积：将100重量份步骤S2制得的氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球加入水中，加入17重量份氯化铁和13.5重量份氯化镁，挥干溶剂，制得金属离子沉积纳米球；
S4.高活性晶化剂的制备：将步骤S3制得的金属离子沉积纳米球在空气通入的条件下加热至550℃，煅烧3h，冷却至室温，洗涤，干燥，制得高活性晶化剂。
对比制备例1
与制备例3相比，不同之处在于，步骤S3中未添加氯化铁。
对比制备例2
与制备例3相比，不同之处在于，步骤S3中未添加氯化镁。
实施例1
本实施例提供一种超高性能混凝土井盖。
制备方法包括以下步骤：
（1）将90重量份水泥、130重量份石英砂、15重量份粉煤灰、40重量份矿粉、15重量份硅灰、1重量份制备例1制得的高活性晶化剂投入搅拌设备里面搅拌3min，将1.8重量份聚羧酸减水剂和80重量份水加入到搅拌设备里，搅拌3min成流态，再边搅拌边加入180重量份钢纤维，继续搅拌1min，得到超高性能混凝土拌合物；
（2）将焊接好钢筋的井盖模具放在平坦处，然后将超高性能混凝土拌合物倒入模具中让其自流平；
（3）待搅拌设备里超高性能混凝土拌合物全部浇筑完后，向井盖表面喷雾状水，形成一层均匀的水膜层，然后覆盖一层混凝土养护膜，常温养护2天，拆模，得到超高性能混凝土井盖。
实施例2
本实施例提供一种超高性能混凝土井盖。
制备方法包括以下步骤：
（1）将110重量份水泥、170重量份石英砂、25重量份粉煤灰、60重量份矿粉、25重量份硅灰、3重量份制备例2制得的高活性晶化剂投入搅拌设备里面搅拌5min，将2.5重量份聚羧酸减水剂和120重量份水加入到搅拌设备里，搅拌5min成流态，再边搅拌边加入320重量份钢纤维，继续搅拌3min，得到超高性能混凝土拌合物；
（2）将焊接好钢筋的井盖模具放在平坦处，然后将超高性能混凝土拌合物倒入模具中让其自流平；
（3）待搅拌设备里超高性能混凝土拌合物全部浇筑完后，向井盖表面喷雾状水，形成一层均匀的水膜层，然后覆盖一层混凝土养护膜，常温养护3天，拆模，得到超高性能混凝土井盖。
实施例3
本实施例提供一种超高性能混凝土井盖。
制备方法包括以下步骤：
（1）将100重量份水泥、154重量份石英砂、19重量份粉煤灰、46重量份矿粉、19重量份硅灰、2重量份制备例3制得的高活性晶化剂投入搅拌设备里面搅拌4min，将2.1重量份聚羧酸减水剂和100重量份水加入到搅拌设备里，搅拌4min成流态，再边搅拌边加入200重量份钢纤维，继续搅拌2min，得到超高性能混凝土拌合物；
（2）将焊接好钢筋的井盖模具放在平坦处，然后将超高性能混凝土拌合物倒入模具中让其自流平；
（3）待搅拌设备里超高性能混凝土拌合物全部浇筑完后，向井盖表面喷雾状水，形成一层均匀的水膜层，然后覆盖一层混凝土养护膜，常温养护3天，拆模，得到超高性能混凝土井盖。
对比例1-2
与实施例3相比，不同之处在于，高活性晶化剂分别由对比制备例1-2制得。
对比例3
与实施例3相比，不同之处在于，未添加高活性晶化剂，养护采用蒸汽养护。
蒸汽养护的具体方法如下：首先将浇筑完成的混凝土静停6h，然后以10℃/h升温至65℃，蒸氧3d，保持相对湿度为95%，结束后以20℃/h降至室温，拆模。
测试例1
将本发明实施例和对比例制得的超高性能混凝土进行性能测试，结果见表1。
(1)抗压强度的测试方法
根据GB/T31387-2015《活性粉末混凝土》的方法，试件尺寸为100mmx100mmx100mm，拆模后将试件放入标准养护室，测试7d和28d的抗压强度。
(2)劈裂抗拉强度的测试方法
参照GB/T50081-2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》的方法，试件尺寸为100mmx100mmx100mm，拆模后将试件放入标准养护室，测试7d和28d的劈裂抗拉强度。
(3)扩展度的测试方法
参照GB/T50081-2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》的方法进行。
表1 超高性能混凝土性能
由上表可知，本发明实施例1-3制得的超高性能混凝土物理力学性能和耐久性得到了明显的提高。
测试例2
将本发明实施例和对比例制得的超高性能混凝土井盖进行性能测试。
参照GB26537-2011《钢纤维混凝土检查井盖》对D400等级井盖的要求，利用承载能力试验装置用测力仪进行测试，测试破坏荷载和裂缝荷载，裂缝荷载系指加载时表面裂缝达到0.2mm时的试验荷载值。
结果见表2。
表2 超高性能混凝土井盖的破坏荷载和裂缝荷载
由上表可知，本发明实施例1-3制得的超高性能混凝土井盖的破坏荷载和裂缝荷载均较高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超高性能混凝土，其特征在于，由以下重量份的原料制备而成：水泥90-110份、粉煤灰15-25份、矿粉40-60份、硅灰15-25份、聚羧酸减水剂1.8-2.5份、石英砂130-170份、钢纤维180-320份、高活性晶化剂1-3份、水80-120份；
所述高活性晶化剂的制备方法如下：
S1.二氧化硅纳米球的制备：将氨水、乙醇、水搅拌混合均匀，加入正硅酸乙酯，加热水解反应，离心，洗涤，干燥，制得二氧化硅纳米球；
S2.氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球的制备：将氧化石墨烯溶于水中，加入步骤S1制得的二氧化硅纳米球，搅拌混合均匀，喷雾干燥，制得氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球；
S3.金属离子的沉积：将步骤S2制得的氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球加入水中，加入铁盐和镁盐，挥干溶剂，制得金属离子沉积纳米球；
S4.高活性晶化剂的制备：将步骤S3制得的金属离子沉积纳米球在空气通入的条件下加热煅烧，冷却至室温，洗涤，干燥，制得高活性晶化剂。
2.根据权利要求1所述超高性能混凝土，其特征在于，由以下原料按重量份制备而成：水泥100份、粉煤灰19份、矿粉46份、硅灰19份、聚羧酸减水剂2.1份、石英砂154份、钢纤维200份、高活性晶化剂2份、水100份。
3.根据权利要求1所述超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为52.5级普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为I级粉煤灰；所述矿粉为S95 级矿粉；所述聚羧酸减水剂的固含量50%，减水率30%以上；所述石英砂的粒径为20-40目；所述钢纤维为镀铜钢纤维，平直型，直径0.1-0.3mm，长度13-16mm。
4.根据权利要求1所述超高性能混凝土，其特征在于，步骤S1中所述氨水、水、乙醇、正硅酸乙酯的质量比为17-25:13-50:120-160:13-16，所述氨水的浓度为20-25wt%，所述二氧化硅纳米球的粒径为200-300nm，所述加热水解反应的温度为30-40℃，时间为10-12h。
5.根据权利要求1所述超高性能混凝土，其特征在于，步骤S2中所述氧化石墨烯、二氧化硅纳米球的质量比为15-20:12-15，所述喷雾干燥的条件为进风温度为80-100℃，出风温度为30-80℃，蒸发水量为1500-2000mL/h。
6.根据权利要求1所述超高性能混凝土，其特征在于，步骤S3中所述氧化石墨烯包覆二氧化硅纳米球、铁盐、镁盐的质量比为100:15-20:12-15，所述铁盐选自氯化铁、硫酸铁、硝酸铁中的至少一种，所述镁盐选自氯化镁、硫酸镁、硝酸镁中的至少一种。
7.根据权利要求1所述超高性能混凝土，其特征在于，步骤S4中所述加热煅烧的温度为500-600℃，时间为2-4h。
8.一种如权利要求1-7任一项所述超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将水泥、石英砂、粉煤灰、矿粉、硅灰、高活性晶化剂投入搅拌设备里面搅拌3-5min，将减水剂和水加入到搅拌设备里，搅拌3-5min成流态，再边搅拌边加入钢纤维，继续搅拌1-3min，得到超高性能混凝土拌合物；
（2）将焊接好钢筋的模具放在平坦处，然后将超高性能混凝土拌合物倒入模具中让其自流平；
（3）待搅拌设备里超高性能混凝土拌合物全部浇筑完后，向表面喷雾状水，形成一层均匀的水膜层，然后覆盖一层混凝土养护膜，养护，拆模，得到超高性能混凝土。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述养护的时间为2-4天。
10.一种如权利要求1-7任一项所述超高性能混凝土在制备井盖和飞机场跑道预制板中的应用。
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