CN117567094A - 一种高抗裂超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高抗裂超高性能混凝土及其制备方法，涉及建筑材料技术领域；其包括按重量份数计的以下组分：尾矿粉100～300份、天然凝灰岩100～250份、石灰石粉100～200份、粉煤灰100～300份、水泥400～800份、硅灰100～200份、细骨料900～1200份、钢纤维120～320份、硬硅钙石纤维10～100份、碳纳米管1～10份、外加剂8～10份和水160～190份。本发明采用天然凝灰岩和尾矿粉的化学组分特点，充分的利用天然凝灰岩的活性和尾矿粉中的膨胀组分来降低收缩；本发明还使用多尺度纤维整体提高超高性能混凝土的韧性，从而大幅提高超高性能混凝土的抗裂性能。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种高抗裂超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
超高性能混凝土，也称UHPC，是一种新型水泥基材料，近些年来由于超高强度、超高韧性和超高耐久性的特征受到了广泛的关注和高度重视。超高性能混凝土的这些优势使其在交通路桥、能源工程等领域的基础设施建设中留有非常大的发展空间和非常大的应用优势。超高性能混凝土的设计理论主要依托于最紧密堆积理论，最紧密堆积材料由70％～80％水泥、20％～30％平均粒径比水泥小1～2个数量级的超细材料、高效减水剂和水组成，应用颗粒学原理，按照紧密堆积理论模型，通过合理的颗粒堆积使材料达到最紧密堆积状态，颗粒之间通过化学反应结合而得到均匀密实的高密实材料。
但是现有技术的超高性能混凝土仍然具有以下问题：
1、由于超高性能混凝土水泥用量大，水胶比低，硬化过程中产生的收缩大，导致其容易开裂；
2、超高性能混凝土的韧性改善主要是以加入钢纤维来提高其抗折强度和抗拉强度，钢纤维的掺量按体积掺量一般为1.0％～5.0％，钢纤维掺量超过3.0％后普通搅拌机将很难成型，同时对超高性能混凝土的抗裂性能提升也有限。
而且，全国各地均有不同种类的大量的固废急需大量的回收利用，如何将固废材料进行合理的分级、筛分和磨细等应用在超高性能混凝土是一大难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高抗裂超高性能混凝土及其制备方法，以解决前述背景技术中所提出的技术问题。
本发明提供一种高抗裂超高性能混凝土，包括按重量份数计的以下组分：100～300份尾矿粉、天然凝灰岩100～250份、石灰石粉100～200份、粉煤灰100～300份、水泥400～800份、硅灰100～200份、细骨料900～1200份、钢纤维120～320份、硬硅钙石纤维10～100份、碳纳米管1～10份、外加剂8～10份和水160～190份。
进一步，所述尾矿粉为含活性MgO的尾矿磨细而成，该活性MgO的质量百分比大于或等于10％，且该活性MgO的比表面积为大于或等于400m2/kg。
进一步，所述天然凝灰岩为含活性Al2O3的凝灰岩，该活性Al2O3的质量百分比大于或等于20％，该活性Al2O3的比表面积为大于或等于600m2/kg。
进一步，所述石灰石粉主要由CaCO3组成，该CaCO3的质量百分比大于或等于80％，该CaCO3的比表面积大于等于200m2/kg。
进一步，所述钢纤维的直径大于或等于0.1mm，所述硬硅钙石纤维的直径10～100μm，所述碳纳米管的直径小于100nm。
进一步，所述水泥为52.5R级普通硅酸盐水泥或42.5R级普通硅酸盐水泥。
进一步，所述硅灰比表面积大于或等于15000m2/kg，所述硅灰内SiO2的质量百分比大于或等于85％。
进一步，所述细骨料为机制砂、尾矿砂或、天然河砂的三者之一，且控制其粒径范围为0.15mm～4.75mm。
进一步，所述外加剂为聚羧酸系高效减水剂，其减水率大于或等于30％，其固体质量百分比大于或等于40％。
本发明还提供一种前述的高抗裂超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将尾矿粉、天然凝灰岩、石灰石粉、水泥、硅灰、粉煤灰、硬硅钙石纤维和细骨料进行振动并搅拌直至均匀分散，制得超高性能混凝土干粉料；
(2)采用超声分散的方式将碳纳米管均匀分散到外加剂中，制成悬浮液；
(3)将所述超高性能混凝土干粉料倒入强制式搅拌机，加入水和所述悬浮液，搅拌均匀制得浆体物料；
(3)将钢纤维加入浆体物料中，搅拌均匀制得超高性能混凝土浆体；
(4)将所述超高性能混凝土浆体通过浇注方式置于模具中，待浆体硬化后拆模得到试件；
(5)对试件进行养护。
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用含有MgO组分的尾矿粉作为膨胀剂，通过尾矿粉的MgO组分在水泥水化过程中反应生成Mg(OH)2,产生体积增大效应，从而定量补偿超高性能混凝土水泥的收缩，提高抗裂性能，不仅实现了废弃资源的充分利用，同时也提高了超高性能混凝土的强度和体积稳定性，拓宽了超高性能混凝土的原材料来源，降低超高性能混凝土的成本。
(2)本发明通过使用天然凝灰岩和石灰石粉，使超高性能混凝土的原料在呈碱性环境下的化学反应生成新的水化产物水化碳铝酸钙，一种新的晶体水化产物，能够明显的改善水泥混凝土的微观结构，使微观结构更加致密，提高抗裂性能,拓宽了超高性能混凝土的原材料来源，降低超高性能混凝土的成本，更加有利于超高性能混凝土的推广和应用。
(3)本发明使用多尺度纤维整体提高超高性能混凝土的韧性，从而大幅提高超高性能混凝土的抗裂性能，具体原理为：混凝土中加入钢纤维后，由于钢纤维在混凝土中不同方向的排列和缠绕，使钢纤维与混凝土之间粘应力，对混凝土受力开裂有抑制作用，本发明采用三种不同尺寸的纤维，在混凝土中不仅实现不同方向，还实现不同尺寸级的纤维互相缠绕，在水化过程中掺杂在水化产物中，多尺度提高混凝土抗开裂能力；多尺度纤维包括纳米尺度的碳纳米管、微米尺度的硬硅钙石纤维和毫米尺度钢纤维，纳米尺度和微米尺度的纤维还能够在超高性能混凝土的水化过程对超高性能混凝土的基体进行约束，从而能够在一定程度上控制超高性能混凝土的自收缩，保持其体积稳定性。
具体实施方式
下面将具体实施例对本发明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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供一种高抗裂超高性能混凝土，包括按重量份数计的以下组分：100～300份尾矿粉、天然凝灰岩100～250份、石灰石粉100～200份、粉煤灰100～300份、水泥400～800份、硅灰100～200份、细骨料900～1200份、钢纤维120～320份、硬硅钙石纤维10～100份、碳纳米管1～10份、外加剂8～10份和水160～190份。
在本发明中，通过MgO作为膨胀剂以抑制高抗裂超高性能混凝土开裂，所述尾矿粉为含活性MgO的尾矿磨细而成，该活性MgO的质量百分比大于或等于10％，且该活性MgO的比表面积为大于或等于400m2/kg。
在本发明中，为了生成水化碳铝酸钙以优化超高性能混凝土的微观结构，优选地，所述天然凝灰岩为含活性Al2O3的凝灰岩，该活性Al2O3的质量百分比大于或等于20％，该活性Al2O3的比表面积为大于或等于600m2/kg。
进一步，所述石灰石粉主要由CaCO3组成，该CaCO3的质量百分比大于或等于80％，该CaCO3的比表面积大于等于200m2/kg。
进一步，所述钢纤维的直径大于或等于0.1mm，所述硬硅钙石纤维的直径10～100μm，所述碳纳米管的直径小于100nm。
进一步，所述水泥为52.5R级普通硅酸盐水泥或42.5R级普通硅酸盐水泥。
进一步，所述硅灰比表面积大于或等于15000m2/kg，所述硅灰内SiO2的质量百分比大于或等于85％。
进一步，所述细骨料为机制砂、尾矿砂或、天然河砂的三者之一，且控制其粒径范围为0.15mm～4.75mm。
进一步，所述外加剂为聚羧酸系高效减水剂，其减水率大于或等于30％，其固体质量百分比大于或等于40％。
本发明还提供一种前述的高抗裂超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将尾矿粉、天然凝灰岩、石灰石粉、水泥、硅灰、粉煤灰、硬硅钙石纤维和细骨料进行振动并搅拌直至均匀分散，制得超高性能混凝土干粉料；
(2)采用超声分散的方式将碳纳米管均匀分散到外加剂中，制成悬浮液；
(3)将所述超高性能混凝土干粉料倒入强制式搅拌机，加入水和所述悬浮液，搅拌均匀制得浆体物料；
(3)将钢纤维加入浆体物料中，搅拌均匀制得超高性能混凝土浆体；
(4)将所述超高性能混凝土浆体通过浇注方式置于模具中，待浆体硬化后拆模得到试件；
(5)对试件进行养护。
对比例1
步骤1、将200份尾矿粉，135重量份的天然凝灰岩、140重量份的石灰石粉、550重量份的水泥(选用普通52.5R硅酸盐水泥)、160重量份的硅灰、150份粉煤灰和1020重量份的细骨料(细骨料选用河砂)进行振动搅拌分散，制得超高性能混凝土干粉料；
步骤2、将上述的超高性能混凝土干粉料倒入普通的强制式搅拌机内，加入称量好的170份水和9份专用外加剂，搅拌5分钟，制得浆体物料；
步骤3、将220重量份的钢纤维均匀加入浆体物料中，且边加入边搅拌，保证钢纤维不团聚，搅拌4分钟，制得超高性能混凝土浆体；
步骤4、浇筑成型，将上述制得的超高性能混凝土浆体通过浇注方式置于模具中，24小时后拆模得到100mm×100mm×100mm的混凝土抗压强度试件，100mm×100mm×400mm的混凝土抗折强度试件，待浆体硬化后拆模；
步骤5、在室温(本实施例的范围20±2℃)的条件下对试件进行养护，养护条件为混凝土标准养护制度，湿度不小于95％。
对比例2
步骤1、将140重量份的石灰石粉、550重量份的水泥(选用普通52.5R硅酸盐水泥)、160重量份的硅灰、485份粉煤灰和1020重量份的细骨料(细骨料选用河砂)、硬硅钙石纤维50份进行振动搅拌分散，制得超高性能混凝土干粉料；
步骤2、采用超声分散的方式将7重量份的碳纳米管分散到9重量份的外加剂(本实施例中外加剂选用聚羧酸系高效减水剂)中；
步骤2、将上述的超高性能混凝土干粉料倒入普通的强制式搅拌机内，加入称量好的190份水和专用外加剂，搅拌5分钟，制得浆体物料；
步骤3、将160重量份的钢纤维均匀加入浆体物料中，且边加入边搅拌，保证钢纤维不团聚，搅拌4分钟，制得超高性能混凝土浆体；
步骤4、浇筑成型，将上述制得的超高性能混凝土浆体通过浇注方式置于模具中，24小时后拆模得到100mm×100mm×100mm的混凝土抗压强度试件，100mm×100mm×400mm的混凝土抗折强度试件，待浆体硬化后拆模；
步骤5、在室温(本实施例的范围20±2℃)的条件下对试件进行养护，养护条件为混凝土标准养护制度，湿度不小于95％。
实施例1
与上述对比例不同之处在于：
尾矿粉为200重量份，天然凝灰岩135重量份，石灰石粉140重量份，粉煤灰150重量份，普通52.5R硅酸盐水泥550重量份，硅灰160重量份，河砂860重量份，钢纤维160重量份，硬硅钙石纤维50重量份、碳纳米管7重量份，外加剂9重量份，水170重量份。
实施例2
与上述对比例不同之处在于：
尾矿粉为220重量份，天然凝灰岩200重量份，石灰石粉160重量份，粉煤灰145重量份，普通52.5R硅酸盐水泥650重量份，硅灰150重量份，细骨料1020重量份，钢纤维165重量份，硬硅钙石纤维55重量份、碳纳米管8重量份，外加剂8重量份，水180重量份。
实施例3
与上述对比例不同之处在于：
尾矿粉210份，天然凝灰岩120份，石灰石粉120份，粉煤灰150份，普通52.5R硅酸盐水泥580份，硅灰160份，1050份细骨料，钢纤维120份，硬硅钙石纤维50份、碳纳米管8份，外加剂9份，水175份，且细骨料选用机制砂。
根据《超高性能混凝土基本性能与试验方法》(T/CBMF 37-2018)的测试标准，对对比例1-2、实施例1-3的性能进行检测，测试结果见下表。
表1
如表1所示，在60天抗压强度均大于150MPa的力学性能下，对比例1未加入硬硅钙石纤维和碳纳米管纤维，其60天抗折强度为22.4MPa，对比例2为未加入带有活性组分的尾矿粉和凝灰岩粉，其60天抗折强度为26.6,实施例1-3成型的超高性能混凝土在28天抗折强度均值均大于26MPa，60天后的抗折强度能达到30MPa左右，说明采用本发明制备的超高性能混凝土可具备较强的抗折断抗开裂能力，显著提高了超高性能混凝土的韧性和抗裂性能。
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)
1.一种高抗裂超高性能混凝土，其特征在于，包括按重量份数计的以下组分：尾矿粉100～300份、天然凝灰岩100～250份、石灰石粉100～200份、粉煤灰100～300份、水泥400～800份、硅灰100～200份、细骨料900～1200份、钢纤维120～320份、硬硅钙石纤维10～100份、碳纳米管1～10份、外加剂8～10份和水160～190份。
2.根据权利要求1所述的高抗裂超高性能混凝土，其特征在于，所述尾矿粉为含活性MgO的尾矿磨细而成，该活性MgO的质量百分比大于或等于10％，且该活性MgO的比表面积为大于或等于400m2/kg。
3.根据权利要求1所述的高抗裂超高性能混凝土，其特征在于，所述天然凝灰岩为含活性Al2O3的凝灰岩，该活性Al2O3的质量百分比大于或等于20％，该活性Al2O3的比表面积为大于或等于600m2/kg。
4.根据权利要求1所述的高抗裂超高性能混凝土，其特征在于，所述石灰石粉主要由CaCO3组成，该CaCO3的质量百分比大于或等于80％，该CaCO3的比表面积大于等于200m2/kg。
5.根据权利要求1所述的一种高抗裂超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维的直径大于或等于0.1mm，所述硬硅钙石纤维的直径10～100μm，所述碳纳米管的直径小于100nm。
6.根据权利要求1所述的一种高抗裂超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为52.5R级普通硅酸盐水泥或42.5R级普通硅酸盐水泥。
7.根据权利要求1所述的一种高抗裂超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰比表面积大于或等于15000m2/kg，所述硅灰内SiO2的质量百分比大于或等于85％。
8.根据权利要求1所述的一种高抗裂超高性能混凝土，其特征在于，所述细骨料为机制砂、尾矿砂或天然河砂的三者之一，且控制其粒径范围为0.15mm～4.75mm。
9.根据权利要求1所述的一种高抗裂超高性能混凝土，其特征在于，所述外加剂为聚羧酸系高效减水剂，其减水率大于或等于30％，其固体质量百分比大于或等于40％。
10.一种根据权利要求1-9中任一项所述的高抗裂超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将尾矿粉、天然凝灰岩、石灰石粉、水泥、硅灰、粉煤灰、硬硅钙石纤维和细骨料进行振动并搅拌直至均匀分散，制得超高性能混凝土干粉料；
(2)采用超声分散的方式将碳纳米管均匀分散到外加剂中，制成悬浮液；
(3)将所述超高性能混凝土干粉料倒入强制式搅拌机，加入水和所述悬浮液，搅拌均匀制得浆体物料；
(3)将钢纤维加入浆体物料中，搅拌均匀制得超高性能混凝土浆体；
(4)将所述超高性能混凝土浆体通过浇注方式置于模具中，待浆体硬化后拆模得到试件；
(5)对试件进行养护。
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