CN108929080A - 一种微膨胀补偿收缩超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑材料领域，特别涉及一种微膨胀补偿收缩超高性能混凝土及其制备方法。本发明原料组成按重量份为，水泥1份、粉煤灰0.05～0.2份、硅灰0.2～0.5份、矿粉0.1～0.25份、石英粉0.05～0.2份、石英砂0.9～1.2份、膨胀剂0.04～0.2份、减水剂0.01～0.03份、膨胀促进增强剂0.01～0.03份，高吸水性树脂掺量为胶凝材料的0.4％～0.8％、钢纤维的体积掺量为混凝土总体积的1％～3％，水胶比为0.16～0.22，抗压强度为100～160MPa。本发明微膨胀补偿收缩超高性能混凝土具有微膨胀、高强、高韧、优良工作性能等特点，解决了膨胀剂难以在低水胶比的超高性能混凝土中产生有效膨胀的问题，降低了超高性能混凝土早期收缩开裂的风险，并能使超高性能混凝土长期保持微膨胀。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种微膨胀补偿收缩超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC)是一种具有比普通混凝土强度更高、韧性更优、耐久性更好的新型水泥基复合材料。它解决了结构工程向高度更高、跨度更大、荷载更重的方向发展的要求，同时适应了时代发展的要求，使混凝土性能得到了更大的提升，是过去三十年中最具创造性的水泥基工程材料。但UHPC也有自身缺陷，由于低水胶比和高水泥用量，常温养护下的UHPC和普通混凝土差异很大，即UHPC的收缩远大于普通混凝土，搅拌成型后的一两天内很高的自收缩变形是早期开裂的潜在隐患，自收缩变形引起的裂缝在一定程度上降低了其耐久性，使其在工程建设领域的应用前景受到限制。
目前很多文献和专利提出解决普通混凝土收缩开裂的有效办法是是掺入无水硫铝酸钙类膨胀剂与减缩剂或无水硫铝酸钙类膨胀剂与内养护材料高吸水性树脂(简称SAP)，以上方法能够在有效应用于普通混凝土，但应用于UHPC并不能产生理想的膨胀效果补偿收缩。普通混凝土与UHPC最大的区别是水胶比不同，两者在硬化过程中内部水环境差异较大，UHPC由于超低水胶比导致早期凝结硬化过程中内部湿度明显偏小，而硬化后由于UHPC结构密实导致外部养护水很难渗透进入混凝土内部，因此膨胀剂和SAP的主要成分、粒径和掺量的选择将极大影响膨胀的效果。从已发表的UHPC相关文献来看，如2010年发表的Influence of combination of expansive and shrinkage-reducing admixture onautogenous deformation and self-stress of silica fume high-performanceconcrete，这篇文献采用无水硫铝酸钙类膨胀剂，虽然能够将水胶比为0.23的HPC自由收缩减小到60uε，但无法完全补偿收缩达到微膨胀；如2014年发表的Shrinkage and crackingof restrained ultra-high-performance fiber-reinforced concrete slabs at earlyage，这篇文献采用无水硫铝酸钙类膨胀剂，虽然能够减小收缩，但也无法完全补偿收缩达到微膨胀；如2015年发表的The influence of expansive agent on the performance offiber reinforced cement-based composites，这篇文献采用氧化钙类膨胀剂，虽然能够将水胶比为0.19的UHPC自由干燥收缩减小到120uε，但同样无法完全补偿收缩达到微膨胀。因此可以看出，目前对于UHPC的收缩开裂问题还没有得到解决。
发明内容
考虑到UHPC与普通混凝土的不同以及现有方法无法满足UHPC补偿收缩达到微膨胀的要求，本发明提出同时掺入膨胀剂、膨胀促进增强剂和SAP的方法，并且对膨胀剂、SAP和膨胀促进增强剂的主要成分、粒径和掺量提出具体要求。
本发明的第一个目的在于提供一种微膨胀补偿收缩超高性能混凝土，它具有微膨胀低收缩、高强、高韧、优良工作性能等优点，
本发明的第二个目的是为了提供一种微膨胀补偿收缩超高性能混凝土的制备方法。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种微膨胀的超高性能混凝土，其特征在于，该超高性能混凝土原料组成按重量份为，水泥1份、粉煤灰0.05～0.2份、硅灰0.2～0.5份、矿粉0.1～0.25份、石英粉0.05～0.2份、石英砂0.9～1.2份、膨胀剂0.04～0.2份、减水剂0.01～0.03份、膨胀促进增强剂0.01～0.03份，高吸水性树脂掺量为胶凝材料的0.4％～0.8％、钢纤维的体积掺量为混凝土总体积的1％～3％份，水胶比为0.16～0.22，抗压强度为100～160MPa。
所述水泥为42.5或52.5级普通硅酸盐水泥，要求铝酸三钙含量不大于8％的原因为：铝酸三钙的收缩率高，水化热大，容易因早期的温度收缩、自收缩和干燥收缩而开裂，且与混凝土外加剂的适应性差而使混凝土出现假凝和塑性收缩。
所述粉煤灰为一级低钙粉煤灰，粒径小于5um的颗粒占90％以上，保证混凝土的和易性和强度。
所述硅灰为球形颗粒，粒径在0.1～0.2um之间。本发明控制硅灰的粒径是由于硅灰为高活性掺合料，与水泥、粉煤灰能形成良好级配，并且参与水泥水化，且能提高UHPC的强度；如果硅灰不是球形颗粒，则坍落度会偏小，影响工作性能。
所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率大于35％，含气量小于2％。
所述膨胀剂为氧化钙类混凝土膨胀剂。本发明选用氧化钙类膨胀剂是由于氧化钙膨胀剂与无水硫铝酸钙类膨胀剂相比膨胀率大、需水量少，且氧化钙反应速率与UHPC强度发展速率相协调；而无水硫铝酸钙类膨胀剂用于UHPC很难产生有效膨胀，即使是与SAP或者膨胀促进增强剂组合使用也难以产生有效膨胀；而氧化钙类膨胀剂有效膨胀比无水硫铝酸钙类膨胀剂大，故氧化钙膨胀剂适合超低水胶比的UHPC。
所述SAP为丙烯酰胺-丙烯酸盐交聚物，粒径为120～200um，SAP附加水胶比为0.05～0.1。本发明选用的SAP为丙烯酰胺-丙烯酸盐交聚物，是由于丙烯酰胺-丙烯酸盐交聚物在水泥浆中的吸水率比聚丙烯酸盐高，而且粒径在120～200um之间对工作性能和抗压抗折强度影响不大。而本发明采用丙烯酰胺-丙烯酸盐交聚物和氧化钙类膨胀剂组合，是由于单独在超低水胶比的UHPC中加入氧化钙类膨胀剂极易由于水分不够导致氧化钙反应不充分，不但有效膨胀较低而且还存在后期安定性问题，因此加入SAP使其在搅拌过程中吸水作为储水罐，在混凝土凝结硬化过程中释放水分以供膨胀剂在最佳窗口期反应膨胀，从而达到补偿收缩的微膨胀的效果，故丙烯酰胺-丙烯酸盐交聚物SAP与氧化钙膨胀剂的组合适合超低水胶比的UHPC。
所述膨胀促进增强剂为两亲性低分子聚醚化合物，该膨胀促进增强剂可以促进膨胀、提高强度和减小收缩。本发明在加入膨胀剂和SAP的情况下加入适量膨胀促进增强剂的最大特点是可以延缓水化反应速度和改善碱性环境，进而延长膨胀剂反应的最佳窗口期，增大膨胀率并达到长期微膨胀的效果；同时可以降低SAP的附加水胶比，进而改善混凝土的孔结构提高UHPC的强度；还可以减小毛细管的表面张力，降低在混凝土凝结硬化的过程中因毛细管失水产生的收缩。
所述钢纤维为镀铜高强纤维，体积掺量为混凝土总体积的1％～3％，抗拉强度大于2000MPa。
所述的微膨胀补偿收缩超高性能混凝土的28d膨胀率为1143％，28d抗压强度为100～160MPa，抗折强度20～40MPa，扩展度为600～800mm。
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种微膨胀补偿收缩超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按照配方配比准备好原料；
2)先分别将配方量的水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉、石英粉、石英砂、膨胀剂、高吸水性树脂加入搅拌装置中进行搅拌，搅拌均匀；
3)再加入配方量的水、SAP附加水、膨胀促进增强剂和减水剂进行搅拌流化；
4)拌合物流化后，继续一边搅拌一边缓慢加入钢纤维，搅拌均匀；
5)将搅拌均匀的拌合物灌入模具中，使用薄膜覆盖常温养护，待硬化后脱模即可得到微膨胀补偿收缩超高性能混凝土。
本发明的配方设计原理如下：
本发明是在以前研究的基础上，基于最紧密堆积原理和纤维增强增韧机理，在超高性能混凝土中，掺入膨胀剂、SAP和膨胀促进增强剂，利用三者的协同作用，达到理想的微膨胀状态补偿收缩，从而避免早期收缩开裂以及长期收缩较大的问题。
对于普通混凝土，掺入无水硫铝酸钙类膨胀剂与减缩剂或无水硫铝酸钙类膨胀剂与SAP的组合可以有效减小收缩甚至达到微膨胀状态。但对于超低水胶比的UHPC，以上方法无法达到微膨胀状态，主要原因还是在于没有选择合适的膨胀剂、SAP和膨胀促进增强剂，它们的主要成分、粒径和掺量对于是否达到理想膨胀状态起到关键作用。
以下通过七组对比试验来说明本发明的优势。
①空白对比组UHPC的3天和28天收缩值分别为612uε和1346uε。
②在UHPC中加入掺量为胶凝材料的3％～8％的氧化钙膨胀剂的3天和28天收缩值分别为346uε和956uε。在UHPC中只加入膨胀剂的反应机理为：氧化钙与水反应生产氢氧化钙的膨胀产物；可以看出，单独加入氧化钙膨胀剂虽然能够减小收缩，但是不能达到微膨胀状态，主要原因是UHPC水分较少，无法保证膨胀剂充分反应，且后期未反应的膨胀剂存在安定性的问题。
③在UHPC中加入掺量为胶凝材料的0.4％～0.8％的SAP的3天和28天收缩值分别为235uε和567uε，SAP应为粒径为120～200um、附加水胶比为0.05～0.1的丙烯酰胺-丙烯酸盐交聚物。反应机理为：SAP通过在搅拌过程中吸收水分作为储水罐，在UHPC凝结硬化过程中由于湿度降低引起SAP释放水分，进而不断提供内养护水，降低收缩值。可以看出，加入SAP能够大幅降低收缩值，但是无法达到微膨胀状态，而且SAP对力学性能有一定的不利影响。
④在UHPC中同时加入掺量为水泥的1％～3％的膨胀促进增强剂的3天和28天收缩值分别为345ε和1213uε，也无法达到微膨胀的状态。
⑤在UHPC中同时加入掺量为胶凝材料的3％～8％的氧化钙膨胀剂和掺量为胶凝材料的0.4％～0.8％的SAP的3天和28天收缩值分别为-224uε和-337uε，SAP应为粒径为120～200um、附加水胶比为0.05～0.1的丙烯酰胺-丙烯酸盐交聚物。在UHPC中同时加入氧化钙膨胀剂和SAP的反应机理为：SAP通过在搅拌过程中吸收水分作为储水罐，在UHPC凝结硬化过程中SAP释放水分以供膨胀剂在最佳窗口期充分反应生成膨胀产物，从而达到补偿收缩的微膨胀的效果。可以看出，同时加入氧化钙膨胀剂和SAP能够产生有效膨胀达到微膨胀状态，考虑到收缩会一直持续发展而且SAP在一定程度上会降低UHPC的力学性能，因此仍然需要找到一个膨胀量更大且维持力学性能不受影响的方法。
⑥在UHPC中同时加入掺量为胶凝材料的3％～8％的氧化钙膨胀剂和掺量为水泥的1％～3％的膨胀促进增强剂的3天和28天收缩值分别为42ε和369uε。与只加入膨胀剂或者只加入膨胀促进增强剂相比，膨胀剂和膨胀促进增强剂的组合还是能够减小收缩；这里膨胀促进增强剂能够起到延长膨胀剂反应的最佳窗口期的作用，但并未达到理想膨胀的效果，主要原因还是膨胀剂并未获得足够的水反应。
⑦在UHPC中同时加入掺量为胶凝材料的3％～8％的氧化钙膨胀剂、掺量为胶凝材料的0.4％～0.8％的SAP和掺量为水泥的1％～3％的膨胀促进增强剂的3天和28天收缩值分别为-865uε和-1124uε。在UHPC中同时加入氧化钙膨胀剂、SAP和入膨胀促进增强剂的反应机理为：SAP通过在搅拌过程中吸收水分作为储水罐，在UHPC凝结硬化过程中SAP释放水分使得膨胀剂充分反应，膨胀促进增强剂可以延长膨胀剂反应的最佳窗口期进一步增大有效膨胀，膨胀促进增强剂也可以减小SAP的附加水胶比进而改善UHPC的孔结构以及提高强度，膨胀促进增强剂还可以减小毛细孔的表面张力减小收缩。可以看出，同时加入氧化钙膨胀剂SAP和膨胀促进增强剂能够产生有效膨胀达到理想的微膨胀状态，不但可以维持长期微膨胀的作用，还可以进一步提高UHPC的力学性能。
本发明的有益效果为：
本发明微膨胀补偿收缩超高性能混凝土通过掺入膨胀剂、SAP和膨胀促进增强剂，利用三者协同作用达到理想的微膨胀状态，避免了由于收缩造成的开裂风险；通过掺入矿物掺合料、使用高效减水剂降低水胶比提高强度；通过掺入大量钢纤维提高其韧性；另外通过控制石英粉、石英砂及掺合料的颗粒级配保证混合物的流动性能。总体来说本发明微膨胀补偿收缩超高性能混凝土具有微膨胀低收缩、高强、高韧、优良工作性能的特点。
本发明所述的微膨胀补偿收缩超高性能混凝土的28d膨胀率为1143uε，28d抗压强度为100～160MPa，抗折强度20～40MPa，扩展度为600～800mm。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述：
实施例1：
一种微膨胀补偿收缩超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：
1)分别按照以下七个不同配比准备好原料：
A0为空白组，成分为水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉、石英粉、石英砂、减水剂、钢纤维和水；水泥1份、粉煤灰0.05～0.2份、硅灰0.2～0.5份、矿粉0.1～0.25份、石英粉0.05～0.2份、石英砂0.9～1.2份、减水剂0.01～0.03份、钢纤维的体积掺量为混凝土总体积的1％～3％份，水胶比为0.16～0.22。
A1组只加膨胀剂，成分为水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉、石英粉、石英砂、膨胀剂、减水剂、钢纤维和水；水泥1份、粉煤灰0.05～0.2份、硅灰0.2～0.5份、矿粉0.1～0.25份、石英粉0.05～0.2份、石英砂0.9～1.2份、膨胀剂0.04～0.2份、减水剂0.01～0.03份、钢纤维的体积掺量为混凝土总体积的1％～3％份，水胶比为0.16～0.22。
A2组只加SAP，成分为水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉、石英粉、石英砂、减水剂、高吸水性树脂、钢纤维和水；水泥1份、粉煤灰0.05～0.2份、硅灰0.2～0.5份、矿粉0.1～0.25份、石英粉0.05～0.2份、石英砂0.9～1.2份、减水剂0.01～0.03份、高吸水性树脂掺量为胶凝材料的0.4％～0.8％、钢纤维的体积掺量为混凝土总体积的1％～3％份，水胶比为0.16～0.22。
A3组只加膨胀促进增强剂，成分为水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉、石英粉、石英砂、减水剂、膨胀促进增强剂、钢纤维和水；水泥1份、粉煤灰0.05～0.2份、硅灰0.2～0.5份、矿粉0.1～0.25份、石英粉0.05～0.2份、石英砂0.9～1.2份、减水剂0.01～0.03份、膨胀促进增强剂0.01～0.03份，钢纤维的体积掺量为混凝土总体积的1％～3％份，水胶比为0.16～0.22。
A4同时加入膨胀剂和SAP，成分为水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉、石英粉、石英砂、膨胀剂、减水剂、高吸水性树脂、钢纤维和水；水泥1份、粉煤灰0.05～0.2份、硅灰0.2～0.5份、矿粉0.1～0.25份、石英粉0.05～0.2份、石英砂0.9～1.2份、膨胀剂0.04～0.2份、减水剂0.01～0.03份、高吸水性树脂掺量为胶凝材料的0.4％～0.8％、钢纤维的体积掺量为混凝土总体积的1％～3％份，水胶比为0.16～0.22。
A5同时加入膨胀剂和膨胀促进增强剂，成分为水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉、石英粉、石英砂、膨胀剂、减水剂、膨胀促进增强剂、钢纤维和水；水泥1份、粉煤灰0.05～0.2份、硅灰0.2～0.5份、矿粉0.1～0.25份、石英粉0.05～0.2份、石英砂0.9～1.2份、膨胀剂0.04～0.2份、减水剂0.01～0.03份、膨胀促进增强剂0.01～0.03份，钢纤维的体积掺量为混凝土总体积的1％～3％份，水胶比为0.16～0.22。
A6组同时加入膨胀剂、SAP和膨胀促进增强剂，成分为水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉、石英粉、石英砂、膨胀剂、减水剂、膨胀促进增强剂、高吸水性树脂、钢纤维和水；水泥1份、粉煤灰0.05～0.2份、硅灰0.2～0.5份、矿粉0.1～0.25份、石英粉0.05～0.2份、石英砂0.9～1.2份、膨胀剂0.04～0.2份、减水剂0.01～0.03份、膨胀促进增强剂0.01～0.03份，高吸水性树脂掺量为胶凝材料的0.4％～0.8％、钢纤维的体积掺量为混凝土总体积的1％～3％份，水胶比为0.16～0.22。
2)先分别将配方量的水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉、石英粉、石英砂、膨胀剂、高吸水性树脂加入搅拌装置中进行搅拌；
3)搅拌均匀后，再加入配方量的水、SAP附加水、减水剂和膨胀促进增强剂进行搅拌流化；
4)拌合物流化后，继续一边搅拌一边缓慢加入钢纤维，搅拌均匀；
5)将搅拌均匀的拌合物灌入模具中，使用薄膜覆盖常温养护，待硬化后脱模即可得到微膨胀补偿收缩超高性能混凝土。
6)本实施例中，膨胀剂为氧化钙类膨胀剂；膨胀促进增强剂为两亲性低分子聚醚化合物；SAP为丙烯酰胺-丙烯酸盐交聚物，粒径为120～200um，SAP附加水胶比为0.05～0.1；水泥的铝酸三钙含量不大于8％；硅灰为为球形颗粒，粒径在0.1～0.2um之间；粉煤灰为一级低钙粉煤灰，粒径小于5um的颗粒占90％以上；石英粉的SiO2含量大于95％，平均粒径为45um的球形颗粒；石英砂的SiO2含量大于95％，粒径在0.4～1.1mm之间；钢纤维为镀铜高强纤维，体积掺量为混凝土总体积的1％～3％，抗拉强度大于2000MPa；减水剂为聚羧酸减水剂，减水率大于35％，含气量小于2％。
7)各实施组材料性能汇总结果如下表1
Claims (10)
1.一种微膨胀的超高性能混凝土，其特征在于，该超高性能混凝土原料组成按重量份为，水泥1份、粉煤灰0.05～0.2份、硅灰0.2～0.5份、矿粉0.1～0.25份、石英粉0.05～0.2份、石英砂0.9～1.2份、膨胀剂0.04～0.2份、减水剂0.01～0.03份、膨胀促进增强剂0.01～0.03份，高吸水性树脂掺量为胶凝材料的0.4％～0.8％、钢纤维的体积掺量为混凝土总体积的1％～3％份，水胶比为0.16～0.22，抗压强度为100～160MPa。
2.根据权利要求1所述的微膨胀补偿收缩超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为42.5或52.5级普通硅酸盐水泥，铝酸三钙含量不大于8％。
3.根据权利要求1所述的微膨胀补偿收缩超高性能混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为一级低钙粉煤灰，粒径小于5um的颗粒占90％以上。
4.根据权利要求1所述的微膨胀补偿收缩超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰为球形颗粒，粒径在0.1～0.2um之间。
5.根据权利要求1所述的微膨胀补偿收缩超高性能混凝土，其特征在于，所述膨胀剂为氧化钙类混凝土膨胀剂，烧制温度为1200℃～1300℃，掺量为胶凝材料的3％～8％。
6.根据权利要求1所述的微膨胀补偿收缩超高性能混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率大于35％，含气量小于2％。
7.根据权利要求1所述的微膨胀补偿收缩超高性能混凝土，其特征在于，所述SAP为丙烯酰胺-丙烯酸盐交聚物，粒径为120～200um，附加水胶比为0.05～0.1，掺量为胶凝材料的0.4％～0.8％。
8.根据权利要求1所述的微膨胀补偿收缩超高性能混凝土，其特征在于，所述膨胀促进增强剂为一种两亲性低分子聚醚化合物，掺量为水泥掺量的1％～3％。
9.根据权利要求1所述的微膨胀补偿收缩超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维为镀铜高强纤维，体积掺量为混凝土总体积的1％～3％，抗拉强度大于2000MPa。
10.根据权利要求1所述的微膨胀补偿收缩超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按照配方配比准备好原料；
2)先分别将配方量的水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉、石英粉、石英砂、膨胀剂、消泡剂、高吸水性树脂加入搅拌装置中进行搅拌，搅拌均匀；
3)再加入配方量的水、SAP附加水、膨胀促进增强剂和减水剂进行搅拌流化；
4)拌合物流化后，继续一边搅拌一边缓慢加入钢纤维，搅拌均匀；
5)将搅拌均匀的拌合物灌入模具中，使用薄膜覆盖常温养护，待硬化后脱模即可得到微膨胀补偿收缩超高性能混凝土。
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