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CN111410479A - 一种超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种超高性能混凝土及其制备方法 Download PDF

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CN111410479A
CN111410479A CN202010236038.4A CN202010236038A CN111410479A CN 111410479 A CN111410479 A CN 111410479A CN 202010236038 A CN202010236038 A CN 202010236038A CN 111410479 A CN111410479 A CN 111410479A
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ultra
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concrete
agent
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刘润清
邓永刚
林立安
李瑶
赵荥棵
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Shenyang Ligong University
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Shenyang Ligong University
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Abstract

本发明是关于一种超高性能混凝土及其制备方法，所述超高性能混凝土包含以下重量份的各组分：胶凝材料400‑700份；骨料1500‑2100份；钢纤维70‑250份或PP纤维0.5‑5份；减水剂5‑20份；化学助剂2‑10份；水100‑150份。本发明所制备的超高性能混凝土，其在满足超高性能混凝土要求的情况下，能够减少胶凝材料的用量，不但节约了成本，而且还能保护环境，实现循环经济和可持续发展。

Description

一种超高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
现今社会中，我国的建筑领域发展日趋激烈，建筑行业不断趋近高层化、大型化和现代化的方向发展，超高性能混凝土作为一种新型的混凝土材料开始出现在建筑施工领域。我国对超高性能混凝土也给予了高度的重视，并且在超高性能混凝土的性能以及配合比等方面也取得了突破性的研究进展。
现有技术公开了一种应用于高寒区域超高性能混凝土及其制备方法，胶凝材料利用为900-1200kg/m3，其中水泥用量800-1100kg/m3。有现有技术公布了一种海工超高性能混凝土及其制备方法，胶凝材料用量800-1300kg/m3，其中水泥用量450-650kg/m3。另有现有技术公开了一种含粗骨料的C210强度等级的超高性能纤维混凝土及其制备方法，胶凝材料在800kg/m3以上，水泥用量在600kg/m3以上。国外的一些文献中报道的超高性能混凝土制备时胶凝材料也均在800kg/m3以上。超高性能混凝土配合比设计中胶凝材料的用量较高，这不但导致生产费用较高以外，在浇筑阶段还会导致水泥的水化热较高，造成混凝土表面开裂，影响结构的耐久性和使用寿命。胶凝材料中水泥的用量增大也会给环境带来巨大的压力，水泥的增加会导致生产过程中CO2的排放量增加，大气中的CO2含量上升不仅会导致全球气候变暖，也会影响植物的光合作用，影响整个生物圈的生态平衡。
此外，在制备超高性能混凝土时，通常采用高温养护或蒸汽养护或高压养护来提高混凝土的强度和密实性，这不仅增加了制备成本，且工艺复杂，不适用于大规模的工程应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于，提供了一种超高性能混凝土及其制备方法，以解决现有超高性能混凝土胶凝材料掺量高，制备工艺复杂的问题。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
依据本发明提出的一种超高性能混凝土，包含以下重量份的各组分：
胶凝材料400-700份；
骨料1500-2100份；
钢纤维70-250份或PP纤维0.5-5份；
减水剂5-20份；
化学助剂2-10份；
水100-150份。
优选的，前述的超高性能混凝土，所述胶凝材料按重量百分比计包括：水泥70％-90％；硅灰5％-15％；粉煤灰5％-15％。
优选的，前述的超高性能混凝土，其中所述水泥选自等级标号525以上的硅酸盐水泥；所述硅灰是SiO2含量为96％以上、活性指数为99％的硅灰；所述粉煤灰为重庆珞磺电厂的I级粉煤灰，其中活性指数为73％。
优选的，前述的超高性能混凝土，其中所述骨料包括粗骨料及细骨料；所述粗骨料包括500-700份直径为10-20mm石灰石碎石及500-700份直径为5-10mm的石灰石碎石；所述细骨料包括300-400份细度模数为3.0-2.6的砂及200-300份细度模数为2.2-1.6的砂。
优选的，前述的超高性能混凝土，其中所述钢纤维的长度为10-15mm，等效直径为0.2-0.5mm；所述PP纤维的长度5-10mm，等效直径为30-50μm。
优选的，前述的超高性能混凝土，其中所述减水剂选自聚羧酸减水剂、萘系减水剂、脂肪酸系高效减水剂、粉末聚羧酸酯和干酪素中的一种。
优选的，前述的超高性能混凝土，其中所述助剂由消泡剂、引气剂和防水剂三者按照1:1:1-1:3:4的重量比例混合即得。
优选的，前述的超高性能混凝土，其中所述消泡剂为有机硅消泡剂或聚醚合成消泡剂；所述引气剂选自松香树脂、十二烷基磺酸盐和烷基苯磺酸盐中的一种；所述防水剂选自甲基硅醇钠、乙基硅醇钠和聚乙基羟基硅氧烷中的一种。
优选的，前述的超高性能混凝土，其中所述水为自来水。
本发明的目的及解决其技术问题进一步是采用以下技术方案来实现的。
依据本发明提出的一种超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
1)按照上述比例称取各组分，首先将减水剂、化学助剂及水搅拌均匀，以得到掺加减水剂和化学助剂的水溶液；将胶凝材料及粗细骨料干拌2-5min，然后加入纤维搅拌2-5min至分散均匀，最后加入掺加减水剂和化学助剂的水溶液，搅拌3-6min至混合均匀的混凝土拌合物；
2)将混凝土拌合物进行振捣，震动2-5min到混凝土表面出浆为止；
3)将振动后的材料放置在模具中成型，成型后在试件表面覆盖塑料薄膜，24h后拆模具，取出试件，进行标准养护。
优选的，前述的制备方法，其中步骤1)中，所述干拌的转速为30-60r/min，优选为40r/min；所述搅拌的转速为30-60r/min，优选为40r/min。
优选的，前述的制备方法，其中步骤2)具体包括：将混凝土拌合物一次装模具，进行振捣，震动2-5min到混凝土表面出浆为止；所述振捣的频率为30-100Hz。
优选的，前述的制备方法，其中步骤3)具体包括：将振动后的材料放置在模具中成型，成型后在试件表面覆盖塑料薄膜，24h后拆模具，取出试件，进行标准养护。
借由上述技术方案，本发明所述的超高性能混凝土及其制备方法至少具有下列优点：
1、本发明所制备的超高性能混凝土，其合理地设计配比中胶凝材料各组分的用量，保证了在满足超高性能混凝土的要求下尽可能地减少胶凝材料的用量；
2、本发明所制备的超高性能混凝土，其选用了不同粒径的粗细骨料，粒度级配合理，可以充分减少由于胶凝材料在凝结硬化过程中干缩湿胀所引起的混凝土的体积变化，从而对后期强度的提高以及耐久性有很大的帮助。
3、本发明所制备的超高性能混凝土，其利用粉煤灰和硅灰作为掺合料，由于其微观结构均为球型，有利于新拌混凝土流动性能的提高。
4、本发明所制备的超高性能混凝土，其采用标准养护，制备方法简单，可适用于大规模的现场浇筑。
5、本发明所制备的超高性能混凝土，其在满足超高性能混凝土要求的情况下，能够减少胶凝材料的用量，不但节约了成本，而且还能保护环境，实现循环经济和可持续发展。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种超高性能混凝土及其制备方法其具体实施方式、特征及其性能，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
以下材料或试剂，如非特别说明，均为市购。
本发明提出的一种超高性能混凝土，包含以下重量份的各组分：
胶凝材料400-700份；
骨料1500-2100份；
钢纤维70-250份或PP纤维0.5-5份；
减水剂5-20份；
化学助剂2-10份；
水100-150份。
具体实施时，上述胶凝材料按重量百分比计可以包括：水泥70％-90％；硅灰5％-15％；粉煤灰5％-15％。
具体实施时，上述水泥可以选自等级标号525以上的硅酸盐水泥；上述硅灰可以是SiO2含量为96％以上、活性指数为99％的硅灰；上述粉煤灰可以为重庆珞磺电厂的I级粉煤灰，其中活性指数为73％，这样设置是为了与其他组分协同使得混凝土达到超高强度和超高耐久性。
具体实施时，上述骨料可以包括粗骨料及细骨料；所述粗骨料包括500-700份直径为10-20mm石灰石碎石及500-700份直径为5-10mm的石灰石碎石；所述细骨料可以包括300-400份细度模数为3.0-2.6的砂及200-300份细度模数为2.2-1.6的砂，这样设置是为了与其他组分协同使得混凝土达到超高强度和超高耐久性。
具体实施时，上述钢纤维的长度可以为10-15mm，等效直径为0.2-0.5mm；所述PP纤维的长度5-10mm，等效直径为30-50μm，这样设置是为了与其他组分协同使得混凝土达到超高强度和超高耐久性。
具体实施时，上述减水剂可以选自聚羧酸减水剂、萘系减水剂、脂肪酸系高效减水剂、粉末聚羧酸酯和干酪素中的一种，优选为聚羧酸减水剂或萘系减水剂，这样设置是为了与其他组分协同使得混凝土达到超高强度和超高耐久性。
具体实施时，上述助剂可以由消泡剂、引气剂和防水剂三者按照1:1:1-1:3:4(优选为1:1:1)的重量比例混合即得，这样设置是为了与其他组分协同使得混凝土达到超高强度和超高耐久性。优选地，上述消泡剂可以为有机硅消泡剂或聚醚合成消泡剂；所述引气剂选自松香树脂、十二烷基磺酸盐和烷基苯磺酸盐中的一种；所述防水剂选自甲基硅醇钠、乙基硅醇钠和聚乙基羟基硅氧烷中的一种，这样设置是为了与其他组分协同使得混凝土达到超高强度和超高耐久性。
具体实施时，上述水为自来水。
上述超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
1)按照上述比例称取各组分，首先将减水剂、化学助剂及水搅拌均匀，以得到掺加减水剂和化学助剂的水溶液；将胶凝材料及粗细骨料干拌2-5min(30-60r/min，优选为40r/min)，然后加入纤维搅拌2-5min(30-60r/min优选为40r/min)至分散均匀，最后加入掺加减水剂和化学助剂的水溶液，搅拌3-6min(30-60r/min优选为40r/min)至混合均匀的混凝土拌合物；
2)将混凝土拌合物一次装模具，进行振捣(频率为30-100Hz)，震动2-5min到混凝土表面出浆为止；
3)将振动后的材料放置在模具中成型，成型后在试件表面覆盖塑料薄膜，24h后拆模具，取出试件，进行标准养护。
下面以具体的实施例对本发明做进一步说明，但不作为本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种超高性能混凝土，包含以下重量份的各组分：等级标号为525的硅酸盐水泥400份，硅灰100份、粉煤灰100份；直径为10-20mm的石灰石碎石400份、直径为5-10mm的石灰石碎石500份；细度模数为3.0-2.3中砂300份，细度模数为2.2-1.6的细砂300份；长度为10mm，等效直径为0.2mm的钢纤维90份；聚羧酸高效减水剂10份；消泡剂、引气剂和防水剂各2份；自来水150份。
本实施例中所述低胶凝材料超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
第一步，混合：将胶凝材料、粗细骨料加到混凝土搅拌机中(45转/min)干拌3min。然后加入纤维搅拌3min，最后加入掺加减水剂和化学助剂的水溶液，搅拌3min得到均匀的混凝土拌合物。
第二步，成型和振动：将混凝土拌合物一次装模具(抗压模具尺寸100×100×100mm，抗折模具尺寸100×100×400mm)，进行振捣(震动频率50Hz)，震动40s左右，到混凝土表面出浆为止。
第三步，养护：成型后在试件表面覆盖塑料薄膜，24h后拆模具，取出试件，放置在标准条件下(温度为20-25℃，湿度为80％-90％)养护28d后进行测试，通过检测数据，测得混凝土的抗压强度为108.5MPa，抗折强度为18.5MPa。
实施例2
本实施例提供了一种低胶凝材料超高性能混凝土，包含以下重量份的各组分：等级标号为525的硅酸盐水泥450份，硅灰100份、粉煤灰50份；直径为10-20mm的石灰石碎石500份、直径为5-10mm的石灰石碎石600份；细度模数为3.0-2.3中砂300份，细度模数为2.2-1.6的细砂300份；长度为9mm，等效直径为40μm的PP纤维3份；聚羧酸高效减水剂15份；消泡剂、引气剂和防水剂各1.5份；自来水120份。
本实施例中所述低胶凝材料超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
第一步，混合：将胶凝材料、粗细骨料加到混凝土搅拌机中(45转/min)干拌3min。然后加入纤维搅拌3min，最后加入掺加减水剂和化学助剂的水溶液，搅拌3min得到均匀的混凝土拌合物。
第二步，成型和振动：将混凝土拌合物一次装模具(抗压模具尺寸100×100×100mm，抗折模具尺寸100×100×400mm)，进行振捣(震动频率50Hz)，震动40s左右，到混凝土表面出浆为止。
第三步，养护：成型后在试件表面覆盖塑料薄膜，24h后拆模具，取出试件，放置在标准条件下(温度为20-25℃，湿度为80％-90％)养护28d后进行测试，通过检测数据，测得混凝土的抗压强度和抗折强度分别为123.3MPa和19.7MPa。
实施例3
本实施例提供了一种低胶凝材料超高性能混凝土，包含以下重量份的各组分：等级标号为62.5的普通硅酸盐水泥500份，硅灰100份、粉煤灰100份；直径为10-20mm的石灰石碎石600份、直径为5-10mm的石灰石碎石600份；细度模数为3.0-2.3中砂350份，细度模数为2.2-1.6的细砂300份；长度为15mm，等效直径为0.5mm的钢纤维156份；聚羧酸高效减水剂20份；消泡剂、引气剂和防水剂各2份；自来水120份。
本实施例中所述低胶凝材料超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
第一步，混合：将胶凝材料、粗细骨料加到混凝土搅拌机中(45转/min)干拌3min。然后加入纤维搅拌3min，最后加入掺加减水剂和化学助剂的水溶液，搅拌3min得到均匀的混凝土拌合物。
第二步，成型和振动：将混凝土拌合物一次装模具(抗压模具尺寸100×100×100mm，抗折模具尺寸100×100×400mm)，进行振捣(震动频率50Hz)，震动40s左右，到混凝土表面出浆为止。
第三步，养护：成型后在试件表面覆盖塑料薄膜，24h后拆模具，取出试件，放置在标准条件下(温度为20-25℃，湿度为80％-90％)养护28d后进行测试，通过检测数据，测得混凝土的抗压强度和抗折强度分别为146.5MPa和20.6MPa。
实施例4
本实施例提供了一种低胶凝材料超高性能混凝土，包含以下重量份的各组分：等级标号为62.5的普通硅酸盐水泥400份，硅灰100份、粉煤灰100份；直径为10-20mm的石灰石碎石550份、直径为5-10mm的石灰石碎石550份；细度模数为3.0-2.3中砂400份，细度模数为2.2-1.6的细砂300份；长度为9mm，等效直径为40μm的PP纤维3份；聚羧酸高效减水剂22份；消泡剂、引气剂和防水剂各1份；自来水130份。
本实施例中所述低胶凝材料超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
第一步，混合：将胶凝材料、粗细骨料加到混凝土搅拌机中(45转/min)干拌3min。然后加入纤维搅拌3min，最后加入掺加减水剂和化学助剂的水溶液，搅拌3min得到均匀的混凝土拌合物。
第二步，成型和振动：将混凝土拌合物一次装模具(抗压模具尺寸100×100×100mm，抗折模具尺寸100×100×400mm)，进行振捣(震动频率50Hz)，震动40s左右，到混凝土表面出浆为止。
第三步，养护：成型后在试件表面覆盖塑料薄膜，24h后拆模具，取出试件，放置在标准条件下(温度为20-25℃，湿度为80％-90％)养护28d后进行测试，通过检测数据，测得混凝土的抗压强度和抗折强度分别为134.5MPa和18.6MPa。
实施例5
本实施例提供了一种低胶凝材料超高性能混凝土，包含以下重量份的各组分：等级标号为52.5的普通硅酸盐水泥300份，硅灰100份、粉煤灰50份；直径为10-20mm的石灰石碎石500份、直径为5-10mm的石灰石碎石500份；细度模数为3.0-2.3中砂400份，细度模数为2.2-1.6的细砂350份；长度为9mm，等效直径为40μm的PP纤维3份；聚羧酸高效减水剂22份；消泡剂、引气剂和防水剂各1份；自来水190份。
本实施例中所述低胶凝材料超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
第一步，混合：将胶凝材料、粗细骨料加到混凝土搅拌机中(45转/min)干拌3min。然后加入纤维搅拌3min，最后加入掺加减水剂和化学助剂的水溶液，搅拌3min得到均匀的混凝土拌合物。
第二步，成型和振动：将混凝土拌合物一次装模具(抗压模具尺寸100×100×100mm，抗折模具尺寸100×100×400mm)，进行振捣(震动频率50Hz)，震动40s左右，到混凝土表面出浆为止。
第三步，养护：成型后在试件表面覆盖塑料薄膜，24h后拆模具，取出试件，放置在标准条件下(温度为20-25℃，湿度为80％-90％)养护28d后进行测试，通过检测数据，测得混凝土的抗压强度和抗折强度分别为104.3MPa和14.6MPa。
本发明的实施例1-5中，采用低胶凝材料制备出超高性能混凝土，在不降低混凝土强度等性能基础之上，大大节约了生产的成本，提高了生产效率；选用粉煤灰和硅灰作为矿物掺合料，使得混凝土在水胶比较低的情况下仍然具有较好的流动性。硅灰和粉煤灰的活性均较高，能够促进水泥的水化反应，且能与骨料形成良好的级配关系，使得混凝土致密，弥补了水泥掺量低而引起的强度损失。另外，混凝土外加剂，如引气剂、消泡剂和减水剂的加入也降低了混凝土的孔隙率，提高了它的强度和耐久性。与现有技术相比，本发明制备方法简单，且大大降低了水泥用量(最低可降低到300kg/m3)，强度达到100MPa以上。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种超高性能混凝土，其特征在于，包含以下重量份的各组分：
胶凝材料400-700份；
骨料1500-2100份；
钢纤维70-250份或PP纤维0.5-5份；
减水剂5-20份；
化学助剂2-10份；
水100-150份。
2.如权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述胶凝材料按重量百分比计包括：水泥70％-90％；硅灰5％-15％；粉煤灰5％-15％。
3.如权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥选自等级标号525以上的硅酸盐水泥；所述硅灰是SiO2含量为96％以上、活性指数为99％的硅灰；所述粉煤灰为重庆珞磺电厂的I级粉煤灰，其中活性指数为73％。
4.如权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述骨料包括粗骨料及细骨料；所述粗骨料包括500-700份直径为10-20mm石灰石碎石及500-700份直径为5-10mm的石灰石碎石；所述细骨料包括300-400份细度模数为3.0-2.6的砂及200-300份细度模数为2.2-1.6的砂。
5.如权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维的长度为10-15mm，等效直径为0.2-0.5mm；所述PP纤维的长度5-10mm，等效直径为30-50μm。
6.如权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述减水剂选自聚羧酸减水剂、萘系减水剂、脂肪酸系高效减水剂、粉末聚羧酸酯和干酪素中的一种。
7.如权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述助剂由消泡剂、引气剂和防水剂三者按照1:1:1-1:3:4的重量比例混合即得；所述水为自来水。
8.如权利要求7所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述消泡剂为有机硅消泡剂或聚醚合成消泡剂；所述引气剂选自松香树脂、十二烷基磺酸盐和烷基苯磺酸盐中的一种；所述防水剂选自甲基硅醇钠、乙基硅醇钠和聚乙基羟基硅氧烷中的一种。
9.一种权利要求1-8任一项所述的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按照上述比例称取各组分，首先将减水剂、化学助剂及水搅拌均匀，以得到掺加减水剂和化学助剂的水溶液；将胶凝材料及粗细骨料干拌2-5min，然后加入纤维搅拌2-5min至分散均匀，最后加入掺加减水剂和化学助剂的水溶液，搅拌3-6min至混合均匀的混凝土拌合物；
2)将混凝土拌合物进行振捣，震动2-5min到混凝土表面出浆为止；
3)将振动后的材料成型，成型后在其表面覆盖薄膜，24h后脱模，进行标准养护。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述干拌的转速为30-60r/min；所述搅拌的转速为30-60r/min；步骤2)具体包括：将混凝土拌合物一次装模具，进行振捣，震动2-5min到混凝土表面出浆为止；所述振捣的频率为30-100Hz；步骤3)具体包括：将振动后的材料放置在模具中成型，成型后在试件表面覆盖塑料薄膜，24h后拆模具，取出试件，进行标准养护。
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