CN117510158A - 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
本发明涉及一种超高性能混凝土及其制备方法和应用，新型建筑材料技术领域。超高性能混凝土包括如下组分：水泥400～500份、硅灰40～50份、水129～149份、烧结铝矾土细骨料839～1039份、烧结铝矾土粗骨料1042～1242份、平直型黄铜镀锌钢纤维34～44份和减水剂5.2～6.2份。通过减少水泥等胶凝材料的用量，能够在减少材料水化放热和收缩干裂。添加烧结铝矾土骨料提供更高的抗压强度、弹性模量、硬度和吸水能力。抗压强度可达到210.2MPa、弹性模量可达到108.8GPa、硬度达到87HR15T。
Description
技术领域
本发明属于新型建筑材料技术领域，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
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC)，解决了普通混凝土存在的强度低和韧性差的问题，适合用于基础设施建设和工程结构(如防御工事、核废料储存站、高架桥)。
超高性能混凝土的组分配比与性能还在不断地改善与提升，但其依然存在一些问题：(1)超高性能混凝土主要由胶凝材料制成，其中水泥用量较大，会导致材料水化放热较高、材料收缩和干裂较为严重以及制备成本较高等问题；(2)超高性能混凝土制备的结构梁虽然在强度上可以和钢梁媲美，但其弹性模量较低，无法在提高强度的同时提高材料的弹性模量。这些问题影响了超高性能混凝土在桥梁或结构工程中的推广与应用。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种超高性能混凝土及其制备方法和应用，通过添加高强高硬的烧结铝矾土作为骨料，通过添加平直型黄铜镀锌钢纤维抗裂增韧，获得一种自然养护条件下有极高抗压强度、高弹性模量的超高性能混凝土。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
第一方面，一种超高性能混凝土，包括如下重量份的组分：
水泥400～500份、硅灰40～50份、水129～149份、烧结铝矾土细骨料839～1039份、烧结铝矾土粗骨料1042～1242份、平直型黄铜镀锌钢纤维34～44份、减水剂5.2～6.2份。
可选的，所述水泥为强度等级52.5级或52.5R级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
可选的，所述硅灰硅灰中二氧化硅的质量百分比不小于95％，火山灰活性指数大于95％。
可选的，所述硅灰的比表面积大于21.0m2/g，密度为2.20g/cm3。
可选的，烧结铝矾土细骨料的最大粒径为4.5mm，其细度模数为2.73，密度为2.63g/cm3。
可选的，所述烧结铝矾土粗骨料的最大粒径10mm，其骨料压碎指标为8.0％，弹性模量为240GPa，密度为3.2g/cm3。
可选的，所述平直型黄铜镀锌钢纤维，其长度13mm，直径0.16mm，抗拉强度大于2500MPa，弹性模量200GPa，密度为7.8g/cm3。
可选的，所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。
第二方面，上述超高性能混凝土的制备方法，包括步骤：
S1、将全部量的水泥、硅灰、烧结铝矾土细骨料和烧结铝矾土粗骨料一次性加入搅拌机中，搅拌均匀；
S2、将水加入搅拌机中，搅拌均匀；
S3、将平直型黄铜镀锌钢纤维加入搅拌机中，搅拌均匀。
可选的，S2中，先加入总水量70％的水，搅拌均匀后加入减水剂，搅拌均匀后加入剩余的总水量30％的水，再搅拌均匀。
可选的，上述制备方法，还包括步骤：
S4、将拌和后的混凝土浇入模具中，振捣成型；
S5、浇筑后用塑料薄膜覆盖，24h后脱模；
S6、在温度28-30℃、相对湿度>95％的养护室中养护6天，随后在室温(温度28-30℃、相对湿度70-75％)下养护至规定龄期。
第三方面，上述超高性能混凝土在建筑材料中的应用。
包括：在防御工事、核废料储存站、高架桥上的应用。
本发明的有益效果为：
1.在超高性能混凝土中加入骨料，来减少水泥等胶凝材料的用量，能够在减少材料水化放热和收缩干裂的同时节约成本。添加的骨料为烧结铝矾土，为经过1600℃高温烧结粉碎成不同大小的烧结铝矾土骨料，使超高性能混凝土具有较高的耐火性能。同时，还能提供更高的抗压强度、弹性模量、硬度和吸水能力。
2.平直型黄铜镀锌钢纤维的桥接作用可改变混凝土的破坏形式，由原先的粉碎性破坏变为集团式破坏。同时，随着钢纤维的加入，由于钢纤维的桥接作用和基体之间与钢纤维的摩擦作用，使得混凝土材料发生破坏过程中，材料内部初步产生的大量的缝隙和空洞进一步扩大时，需要消耗更多能量使材料发生破坏，提高了材料的破坏抵抗能力，抑制了材料的破坏，裂缝的产生和扩展。
3.通过对本发明配合比进行测试，本发明材料抗压强度可达到210.2MPa、弹性模量可达到108.8GPa、硬度达到87HR15T。抗压强度和弹性模量的大幅度提高在很大程度上提高了超高性能混凝土的应用范围，可满足需要高强、高韧性和高耐久性的工程结构对于材料的需求。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明具体实施方式中各种骨料的粒径示意图；
图2是本发明具体实施方式中的受压应力-应变曲线试验结果的示意图；
图3是本发明具体实施方式中受弯力-位移曲线试验结果的示意图；
图4是本发明具体实施方式中的受压破坏模式示意图；
图5是本发明具体实施方式中制备流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种超高性能混凝土，其包括如下组分：
水泥400～500份、硅灰40～50份、水129～149份、烧结铝矾土细骨料839～1039份、烧结铝矾土粗骨料1042～1242份、平直型黄铜镀锌钢纤维34～44份、减水剂5.2～6.2份。
可选的，所述水泥为强度等级52.5级或52.5R级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，与聚羧酸系减水剂有较好的相容性。
可选的，所述硅灰硅灰中二氧化硅的质量百分比不小于95％，火山灰活性指数大于95％。
可选的，所述硅灰的比表面积大于21.0m2/g，密度为2.20g/cm3。
水泥与硅灰的总量为混凝土的胶凝材料含量，常见的超高性能混凝土水泥等胶凝材料含量大概在800kg/m3左右，水泥水化放热会产生较多的热量，导致试件内外部温差较大，从而产生由温度应力引起的开裂和裂缝，进而影响超高性能混凝土试件的强度和各项性能；随着水泥和胶凝材料用量的减少，试件水化放热热量大幅降低，避免了温度应力产生裂缝孔隙对于试件的影响，同时降低了混凝土的自收缩性，进而提高了成品的力学性能。
所述烧结铝矾土粗骨料和烧结铝矾土细骨料为经过1600℃高温烧结并破碎成不同粒径的烧结铝矾土骨料，Al2O3含量大于83.4％，获得的破碎前骨料的表面粗糙，体积密度大，致密度高且气孔率和吸水率较小。
可选的，烧结铝矾土细骨料的最大粒径为4.5mm，且级配良好，其细度模数为2.73，密度为2.63g/cm3。
可选的，所述烧结铝矾土粗骨料的最大粒径10mm，其骨料压碎指标为8.0％，弹性模量为240GPa，Al2O3含量大于83.4％，密度为3.2g/cm3，且级配良好。
烧结铝矾土粗骨料的压碎指标为8.0％，远小于花岗岩粗骨料(骨料压碎指标为32.7％，密度为2.65kg/m3)，对于粗骨料，较高的骨料破碎值通常对应较低的抗压强度；通过比较，烧结铝矾土粗骨料比花岗岩粗骨料具有更高的抗压强度、弹性模量、硬度和吸水能力；超高性能混凝土中加入烧结铝矾土粗骨料可以在基体中形成刚性骨架，提高其整体性，从而提高抗压强度；另一方面，超高性能混凝土的抗压强度和弹性模量受到粗骨料自身密度影响，烧结铝矾土自身密度可达3.2g/cm3，加入烧结铝矾土作为骨料很大程度上同时提高了超高性能混凝土的抗压强度和弹性模量，提高了试件的刚度。
可选的，所述平直型黄铜镀锌钢纤维，为外层施加黄铜材料层/镀层的镀锌钢纤维，其平均尺寸为：长度13mm，直径0.16mm；抗拉强度大于2500MPa，弹性模量200GPa，密度为7.8g/cm3。
由于黄铜镀锌钢纤维的长径比为40～80，且抗拉强度及大，其桥接作用可改变混凝土的破坏形式，由原先的粉碎性破坏变为集团式破坏；同时，由于钢纤维的桥接作用和基体之间与钢纤维的摩擦作用，使得混凝土材料发生破坏过程中，材料内部初步产生的大量的缝隙和空洞进一步扩大时，需要消耗更多能量使材料发生破坏，提高了材料的破坏抵抗能力，抑制了材料的破坏，裂缝的产生和扩展。
可选的，所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，其固含量大于36％，密度为1.1g/cm3。
上述超高性能混凝土的抗压强度/弹性模量有了大幅度提高，抗压强度大于200MPa且弹性模量大于100GPa；可满足需要高强、高韧性和高耐久性的工程结构对于材料的需求。
上述超高性能混凝土的制备方法，包括步骤：
S1、将全部量的水泥、硅灰、烧结铝矾土细骨料和烧结铝矾土粗骨料一次性加入搅拌机中，搅拌均匀；
S2、将水加入搅拌机中，搅拌均匀；
S3、将平直型黄铜镀锌钢纤维加入搅拌机中，搅拌均匀；
通过这种加入步骤，能够保证平直型黄铜镀锌钢纤维的均匀分散，避免其结团。
可选的，S2中，先加入总水量70％的水，搅拌均匀后加入减水剂，搅拌均匀后加入剩余的总水量30％的水，再搅拌均匀。
可选的，上述制备方法，还包括步骤：
S4、将拌和后的混凝土浇入模具中，使用振捣台轻微振捣1-2min成型，振捣步骤有助于排出其中的气泡，提高密实程度；
S5、浇筑后用塑料薄膜覆盖以防止水分的流失，24h后脱模；
S6、采用常温常压自然养护法进行养护，在温度28-30℃、相对湿度>95％的养护室中养护6天，随后在室温(温度28-30℃、相对湿度70-75％)下养护至规定龄期。
上述超高性能混凝土在建筑材料中的应用，包括：在防御工事、核废料储存站、高架桥上的应用。
实施例1
一种超高性能混凝土，包括如下重量份的组分：
水泥450份、硅灰45份、水139份、烧结铝矾土细骨料939k份、烧结铝矾土粗骨料1142份、平直型黄铜镀锌钢纤维39份和聚羧酸高性能减水剂5.7份。
其制备方法如图5所示，具体包括以下步骤：
步骤一、先将称取的450kg/m3水泥、45kg/m3硅灰、939kg/m3烧结铝矾土细骨料和1142kg/m3烧结铝矾土粗骨料一次性加入搅拌机中，中速搅拌3-5min至均匀；
步骤二、将70％用量的水加入搅拌机中，中速搅拌2-3min至均匀；
步骤三、将5.7kg/m3减水剂加入搅拌机中，中速搅拌3-5min至均匀；然后，将剩余的30％的水加入搅拌机中，继续中速搅拌3-5min至均匀；
步骤四、待新拌混凝土获得较好的流动性后，将平直型黄铜镀锌钢纤维均匀加入搅拌机中，以防止平直型黄铜镀锌钢纤维结团，高速搅拌3-5min至均匀；
步骤五、将步骤四中获得的拌和后的混凝土浇入钢模具中，使用振捣台轻微振捣1-2min，使混凝土中的气泡排出，即得到成品；
步骤六、将得到的成品在温度28-30℃、相对湿度>95％的养护室中养护6天，随后在室温(温度28-30℃、相对湿度70-75％)下养护至规定龄期。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于：将烧结铝矾土细骨料替换为相同比例和规格的河沙细骨料；河沙细骨料与烧结铝矾土细骨料的粒径如图1所示。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于：将烧结铝矾土细骨料替换为相同比例和规格的河沙细骨料，将烧结铝矾土粗骨料替换为相同比例和规格的花岗岩粗骨料；河沙细骨料与烧结铝矾土细骨料的粒径如图1所示，花岗岩粗骨料和烧结铝矾土粗骨料的的粒径如图1所示。
性能检测
将实施例1和对比例1～2制备成φ100*200mm超高性能混凝土试件，用于抗压强度、弹性模量、泊松比以及劈裂抗拉强度实验，测试结果如表1所示。
表1
应力-应变曲线如图2所示，可以看出，实施例1在准静态荷载压缩下的力学行为-单轴应力应变曲线在形状上未发生较大的变化，烧结铝矾土的加入使得应力应变曲线的峰值应力和峰后应力有所增加。
破坏后的试样断面结构如图4所示：在单轴准静态压缩荷载下，过高的水胶比使得基体与骨料之间形成较为薄弱的界面过渡区，裂纹通常围绕骨料的界面过渡区产生。本发明实例采用烧结铝矾土作为粗骨料，由于烧结铝矾土表面较为粗糙，且使用适当的水胶比，裂缝和破坏会穿过骨料扩展。这表明本发明实例可以在一定程度上改善界面过渡区的强度，从而提高超高性能混凝土的抗压强度。
弯力-位移曲线试验结果如图3所示，可以看出，实施例1在四点弯曲下的力学行为-弯力位移曲线在形状上未发生较大的变化，烧结铝矾土的加入使得弯力-位移曲线的峰值力和峰后力有所增加，实施例1的试件具有较好的延展性能。
可以看出，本发明提供的是一种性能极佳的超高性能混凝土(UHPC)，其抗压强度、弹性模量、劈裂强度以及硬度明显高于烧结铝矾土作为粗骨料河砂作为细骨料的材料，特别是抗压强度>200MPa、弹性模量>100GPa。可见烧结铝矾土作为细骨料在UHPC中起到了重要的作用；烧结铝矾土作为粗骨料，河砂作为细骨料的UHPC较之花岗岩作为粗骨料河砂作为细骨料的UHPC，其抗压强度、弹性模量、劈裂强度以及硬度等性能同样较好，烧结铝矾土作为UHPC的粗骨料和细骨料可同时对于UHPC的性能产生显著的提高。烧结铝矾土作为骨料对新型UHPC的进行性能上的优化，使其能够作为现代新型绿色建筑材料使用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，包括如下重量份的组分：
水泥400～500份、硅灰40～50份、水129～149份、烧结铝矾土细骨料839～1039份、烧结铝矾土粗骨料1042～1242份、平直型黄铜镀锌钢纤维34～44份和减水剂5.2～6.2份。
2.如权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，包括如下组分：
水泥450份、硅灰45份、水139份、烧结铝矾土细骨料939份、烧结铝矾土粗骨料1142份、平直型黄铜镀锌钢纤维39份和减水剂5.7份。
3.如权利要求1或2所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为强度等级52.5级或52.5R级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；
优选地，所述硅灰硅灰中二氧化硅的质量百分比不小于95％，火山灰活性指数大于95％；优选地，所述硅灰的比表面积大于21.0m2/g，密度为2.20g/cm3。
4.如权利要求1或2所述的超高性能混凝土，其特征在于，烧结铝矾土粗骨料和烧结铝矾土细骨料为经过1600℃高温烧结并破碎成不同粒径的烧结铝矾土骨料。
5.如权利要求1或2所述的超高性能混凝土，其特征在于，烧结铝矾土细骨料的最大粒径为4.5mm，其细度模数为2.73，密度为2.63g/cm3；
优选地，所述烧结铝矾土粗骨料的最大粒径10mm，其骨料压碎指标为8.0％，弹性模量为240GPa，密度为3.2g/cm3。
6.如权利要求1或2所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述平直型黄铜镀锌钢纤维，其长度13mm，直径0.16mm，抗拉强度大于2500MPa，弹性模量200GPa，密度为7.8g/cm3。
7.如权利要求1或2所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。
8.一种基于如权利要求1-7任一所述的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S1、将全部量的水泥、硅灰、烧结铝矾土细骨料和烧结铝矾土粗骨料一次性加入搅拌机中，搅拌均匀；
S2、将水加入搅拌机中，搅拌均匀；
S3、将平直型黄铜镀锌钢纤维加入搅拌机中，搅拌均匀；
可选的，还包括步骤：
S4、将拌和后的混凝土浇入模具中，振捣成型；
S5、浇筑后用塑料薄膜覆盖，24h后脱模；
S6、在温度28-30℃、相对湿度>95％的养护室中养护6天，随后在室温(温度28-30℃、相对湿度70-75％)下养护至规定龄期。
9.如权利要求8所述的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，S2中，先加入总水量70％的水，搅拌均匀后加入减水剂，搅拌均匀后加入剩余的总水量30％的水，再搅拌均匀。
10.一种如权利要求1-7任一所述的超高性能混凝土在在建筑材料中的应用。
Priority Applications (1)
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| CN202311509783.1A CN117510158A (zh) | 2023-11-13 | 2023-11-13 | 一种超高性能混凝土及其制备方法和应用 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106946520A (zh) * | 2017-03-06 | 2017-07-14 | 武汉大学 | 一种含玄武岩粗骨料的超高性能混凝土及其制备方法 |
| CN108249863A (zh) * | 2018-02-11 | 2018-07-06 | 东南大学 | 一种低收缩高韧性超高性能水泥基材料及其制备方法 |
| CN112551980A (zh) * | 2020-12-10 | 2021-03-26 | 清华大学 | 一种低收缩、较低水泥用量的超高性能混凝土 |
| CN112723781A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-04-30 | 甘肃土木工程科学研究院有限公司 | 一种水工用抗冲耐磨混凝土外加剂 |
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2023
- 2023-11-13 CN CN202311509783.1A patent/CN117510158A/zh active Pending
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