CN104591664A - 用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土及其制备方法，涉及长寿命混凝土制备领域。长寿命混凝土按质量份计，包括456～520份胶凝材料、1748～1813份集料、0.80～1.50份仿钢纤维、2.05～2.86份增韧材料、4.10～5.72份减水剂和142～148份水；所述长寿命混凝土的28天d抗压强度≥69.0MPa、28d抗折强度≥7.0MPa、28d劈裂抗拉强度≥5.0MPa、28d弹性模量≥36.0GPa、56d氯离子扩散系数＜4.0×10-12m2/s、抗裂等级达到L-Ⅳ级、28d弯曲韧性指数I20≥8。长寿命混凝土的抗弯拉强度、弯曲韧性和抗裂性均较高，改变了混凝土易脆性，不仅结构耐久性好，使用寿命长，而且成本较低，便于大量使用。
Description
技术领域
本发明涉及长寿命混凝土制备领域，具体涉及一种用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土及其制备方法。
背景技术
随着社会的发展，钢-混组合梁(即钢梁和混凝土板组合)大量应用于大型桥梁，组合梁结构跟其他结构形式的桥梁相比，在施工、维护及使用寿命方面，有很多优点。与一般钢-混组合梁相比，海洋环境下的钢-混组合梁的混凝土的工作环境恶劣，不仅要受到交通荷载的反复作用，还要受到温度变化、干湿交替、盐雾中氯离子侵蚀等作用。因此，海洋环境下的钢-混组合梁的混凝土需要具有优良的韧性和结构耐久性；对于钢-混组合梁负弯矩区的桥面板混凝土而言，桥面板混凝土与钢主梁在弹性模量、挠曲变形、疲劳性能及韧性等特性方面存在较大差异，导致桥面板混凝土工作环境更加恶劣，对桥面板混凝土的抗弯拉性、韧性、抗开裂性和结构耐久性要求更高。
下面对现有的提高混凝土抗裂性能和结构耐久性的方法进行介绍。
一、提高混凝土的抗裂性能
目前，国内外一般通过掺加钢纤维或有机聚合物纤维(例如聚丙烯腈和聚丙烯)来提高混凝土的韧性和延性，制备较高抗裂性能的混凝土，但是掺加钢纤维或有机聚合物纤维分别存在以下缺陷：
(1)钢纤维本身容易锈蚀，无法满足海洋环境下的耐久性要求，而且钢纤维(例如镀铜纤维)的成本较高，不便大量使用。
(2)有机聚合物纤维自身的抗拉强度和弹性模量较低，难以解决特定环境下的组合梁桥面板的抗裂性问题，钢-混组合梁负弯矩区的桥面板混凝土采用有机聚合物纤维制备时，会因抗弯拉及韧性不足而出现结构破坏，进而使得使用寿命较短。
二、提高混凝土结构耐久性
目前，混凝土主要通过掺加矿物掺合料(例如粉煤灰、磨细矿渣粉和硅粉等)和高效减水剂来提高混凝土的密实性，进而提高抗氯离子渗透能力。但是大量工程实践表明，掺加矿物掺合料在改善混凝土工作性能和抗氯离子渗透性能的同时，会增大混凝土的自身收缩，进而使得混凝土容易产生裂缝，给侵蚀性氯离子和二氧化碳提供了通道，加快了有害离子侵蚀速率，造成混凝土劣化，降低了混凝土结构耐久性。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土及其制备方法。本发明的长寿命混凝土的28d抗压强度≥69.0MPa、28d抗折强度≥7.0MPa、28d劈裂抗拉强度≥5.0MPa、28d弹性模量≥36.0GPa、56d氯离子扩散系数＜4.0×10-12m2/s、抗裂等级达到L-Ⅳ级、28d弯曲韧性指数I20≥8。长寿命混凝土的抗弯拉强度、弯曲韧性和抗裂性均较高，改变了混凝土易脆性，不仅结构耐久性好，使用寿命长，而且成本较低，便于大量使用。
为达到以上目的，本发明提供的用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土，按质量份计，包括456～520份胶凝材料、1748～1813份集料、0.80～1.50份仿钢纤维、2.05～2.86份增韧材料、4.10～5.72份减水剂和142～148份水；所述长寿命混凝土的28d抗压强度≥69.0MPa、28d抗折强度≥7.0MPa、28d劈裂抗拉强度≥5.0MPa、28d弹性模量≥36.0GPa、抗裂等级达到L-Ⅳ级、56d氯离子扩散系数＜4.0×10-12m2/s、28d弯曲韧性指数I20≥8。
在上述技术方案的基础上，按质量份计，包括487份胶凝材料、1782份集料、1.00份仿钢纤维、2.44份增韧材料、4.87份减水剂和146份水。
在上述技术方案的基础上，所述胶凝材料按质量份计，包括0.65份水泥、0.15份粉煤灰和0.20份矿渣粉；所述水泥采用52.5级硅酸盐水泥，所述粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰，所述矿渣粉采用S95级矿渣粉。
在上述技术方案的基础上，所述集料按质量份计，包括1份粗集料和0.64份细集料；所述粗集料采用粒径为5～20mm级配碎石，所述细集料采用天然中砂。
在上述技术方案的基础上，所述仿钢纤维为采用100％聚丙烯加工成型的波形纤维，直径0.8～1.2mm，长度30±2mm，比重0.91～0.93g/cm3，抗拉强度≥500MPa。
在上述技术方案的基础上，所述增韧材料为有机聚合物水分散微纳米材料，其关键结构为双键封端的聚氨基甲酸酯结构，28d断裂能耗比＞160％。
在上述技术方案的基础上，所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率≥25％。
本发明提供的用于上述钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1：按质量份将456～520份胶凝材料和1748～1813份集料加入搅拌机，将胶凝材料和集料均匀搅拌30s，转到步骤S2；
S2：向搅拌机中撒入0.80～1.50份仿钢纤维，将胶凝材料、集料和仿钢纤维共同搅拌30s，转到步骤S3；
S3：将4.10～5.72份减水剂与142～148份水融合形成混合液；依次将混合液和2.05～2.86份增韧材料加入搅拌机中，将胶凝材料、集料、仿钢纤维、混合液和增韧材料共同搅拌3min，得到坍落度为180～220mm的可泵送混凝土拌和物。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的混凝土中增加了增韧材料，增韧材料能够吸收水泥水化产生的部分钙离子，进而减少混凝土孔溶液中的钙离子。钙离子的减少使得水泥水化生成的C-S-H凝胶的钙硅比降低，不仅能够提高C-S-H凝胶组分的强度，而且使得混凝土基体和界面过渡区的粘结强度均有所提升。
与此同时，本发明的增韧材料能够通过与水泥基体的空间网络结构抑制微裂纹的萌生，本发明仿钢纤维能够通过缓慢拔出逐渐释放抵抗裂缝扩展的能量，在减缓应力集中的同时改善了仿钢纤维-水泥基体、骨料-水泥基体间的界面结构，进而使得仿钢纤维在拔出过程中需要克服较大的粘结力，以此得到具有抗疲劳性能、高韧性和高抗裂性的长寿命混凝土。
本发明的长寿命混凝土的28d抗压强度≥69.0MPa、28d抗折强度≥7.0MPa、28d劈裂抗拉强度≥5.0MPa、28d弹性模量≥36.0GPa、抗裂等级达到L-Ⅳ级、56d氯离子扩散系数＜4.0×10-12m2/s、28d弯曲韧性指数I20≥8。
(2)本发明的增韧材料在混凝土中吸收水泥水化产生的部分钙离子形成了具有高弹高强特性的聚合物膜，不仅改善了集料-硬化水泥浆体的界面过渡区的微观形貌和密实度，而且提高了界面过渡区的粘结强度，使得原来在界面过渡区富集并定向生长的水泥水化产物Ca(OH)2晶体的取向性减弱，晶粒尺寸细化，进而起到提高界面区密实度的作用。
(3)与现有技术中钢纤维相比，本发明采用仿钢纤维，在同样体积掺量下，仿钢纤维重量仅是钢纤维重量的1/8，其成本较低，便于大量应用。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例中的用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土，按质量份计，包括456～520份胶凝材料、1748～1813份集料、0.80～1.50份仿钢纤维、2.05～2.86份增韧材料、4.10～5.72份减水剂和142～148份水。
本发明实施例中的用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土的28d抗压强度≥69.0MPa、28d抗折强度≥7.0MPa、28d劈裂抗拉强度≥5.0MPa、28d弹性模量≥36.0GPa、抗裂等级达到L-Ⅳ级、56d氯离子扩散系数＜4.0×10-12m2/s、28d弯曲韧性指数I20≥8。
本实施例中的长寿命混凝土，按质量份计，具体包括487份胶凝材料、1782份集料、1.00份仿钢纤维、2.44份增韧材料、4.87份减水剂和146份水。
本实施例中的胶凝材料按质量份计，包括0.65份水泥、0.15份粉煤灰和0.20份矿渣粉；水泥采用52.5级硅酸盐水泥，粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰，矿渣粉采用S95级矿渣粉。
本实施例中的集料按质量份计，包括1份粗集料和0.64份细集料；粗集料采用粒径为5～20mm级配碎石，细集料采用天然中砂。
本实施例中的仿钢纤维为采用100％聚丙烯加工成型的波形纤维，直径0.80～1.2mm，长度30±2mm，比重0.91～0.93g/cm3，断裂伸长率15％～25％，抗拉强度≥500MPa；增韧材料是一种有机聚合物水分散微纳米材料，其关键结构为双键封端的聚氨基甲酸酯结构，28d断裂能耗比＞160％；减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂，减水率≥25％；水采用自来水。
本发明实施例中的用于上述钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1：按质量份将456～520份胶凝材料和1748～1813份集料加入搅拌机，将胶凝材料和集料均匀搅拌30s，转到步骤S2。
S2：向搅拌机中撒入0.80～1.50份仿钢纤维，将胶凝材料、集料和仿钢纤维共同搅拌30s，转到步骤S3。
S3：将4.10～5.72份减水剂与142～148份水融合形成混合液；依次将混合液和2.05～2.86份增韧材料加入搅拌机中，将胶凝材料、集料、仿钢纤维、混合液和增韧材料共同搅拌3min，得到坍落度为180～220mm的可泵送混凝土拌和物。
下面通过7个实施例和1个对比例(实施例0为不掺加仿钢纤维和增韧材料的对比例)具体说明本发明的用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土及其制备方法。
实施例0～7中各组分的质量配比如表1所示，实施例1～7为本发明中用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土，实施例4为应用于海洋桥梁工程实体钢-混组合梁负弯矩区的桥面板混凝土理论配合比，预测可满足120年设计使用寿命，其余实施例为研究的试验配合比。
表1实施例0～7的组分质量配比表
实施例1～7中的胶凝材料按质量份计，包括0.65份华润水泥(平南)有限公司P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥、0.15份镇江华源集团新型材料分公司的F类Ⅰ级粉煤灰、0.20份唐山曹妃甸盾石新型建材有限公司的S95级矿渣粉。
实施例1～7中的集料按质量份计，包括1份粗集料和0.64份细集料。粗集料采用江门新会白水带石场粒径为5～20mm的连续级配碎石；细集料采用西江的天然河砂，细度模数为2.9。
实施例1～7中的仿钢纤维采用泰安同伴纤维有限公司TB-30有机合成波形纤维，直径0.81mm，长度30mm，比重0.91g/cm3，断裂伸长率15.2％，抗拉强度503MPa；增韧材料采用江苏苏博特新材料股份有限公司液态混凝土原位增韧材料，28d断裂能耗比179％；减水剂采用山东华伟银凯建材科技股份有限公司NOF-AS聚羧酸系高性能减水剂，减水率29％；水采用自来水。
下面对实施例0～7中的混凝土按照以下试验方法标准进行性能测试，得出的各项性能数据如表2所示。
(1)抗压强度：根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002检测混凝土抗压强度，试件尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体。
(2)抗折强度：根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002检测混凝土抗折强度，试件尺寸为150mm×150mm×550mm的小梁试件。
(3)劈裂抗拉强度：根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002检测混凝土劈裂抗拉强度，试件尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体。
(4)弹性模量：根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002检测混凝土弹性模量，试件尺寸为150mm×150mm×300mm的棱柱体。
(5)氯离子扩散系数：根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009检测混凝土氯离子扩散系数，试件尺寸为Φ100×50mm的圆柱体。
(6)弯曲韧性指数：根据《纤维混凝土试验方法标准》CECS13：2009检测混凝土的弯曲韧性指数，试件尺寸为150mm×150mm×550mm的小梁试件。
(7)抗裂等级：根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009及《混凝土耐久性检验评定标准》JGJ/T193-2009评价抗裂等级，试件尺寸为800mm×600mm×100mm的平面薄板型试件。
表2实施例0～7性能测试数据表
可以看出，实施例0与实施例1～7相比，28d抗压强度、28d弹性模量和56d氯离子扩散系数的结果数据相近，但是实施例1～7中的28d抗折强度、28d劈裂抗拉强度、28d弯曲韧性指数和抗裂等级均远远高于实施例0，实施例1～7长寿命混凝土的抗弯拉强度高，抗裂性能和韧性好。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土，其特征在于：按质量份计，包括456～520份胶凝材料、1748～1813份集料、0.80～1.50份仿钢纤维、2.05～2.86份增韧材料、4.10～5.72份减水剂和142～148份水；所述长寿命混凝土的28d抗压强度≥69.0MPa、28d抗折强度≥7.0MPa、28d劈裂抗拉强度≥5.0MPa、28d弹性模量≥36.0GPa、抗裂等级达到L-Ⅳ级、56d氯离子扩散系数＜4.0×10-12m2/s、28d弯曲韧性指数I20≥8。
2.如权利要求1所述的用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土，其特征在于：按质量份计，具体包括487份胶凝材料、1782份集料、1.00份仿钢纤维、2.44份增韧材料、4.87份减水剂和146份水。
3.如权利要求1或2所述的用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土，其特征在于：所述胶凝材料按质量份计，包括0.65份水泥、0.15份粉煤灰和0.20份矿渣粉；所述水泥采用52.5级硅酸盐水泥，所述粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰，所述矿渣粉采用S95级矿渣粉。
4.如权利要求1或2所述的用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土，其特征在于：所述集料按质量份计，包括1份粗集料和0.64份细集料；所述粗集料采用粒径为5～20mm级配碎石，所述细集料采用天然中砂。
5.如权利要求1或2所述的用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土，其特征在于：所述仿钢纤维为采用100％聚丙烯加工成型的波形纤维，直径0.8～1.2mm，长度30±2mm，比重0.91～0.93g/cm3，抗拉强度≥500MPa。
6.如权利要求1或2所述的用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土，其特征在于：所述增韧材料为有机聚合物水分散微纳米材料，其关键结构为双键封端的聚氨基甲酸酯结构，28d断裂能耗比＞160％。
7.如权利要求1或2所述的用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率≥25％。
8.一种用于权利要求1至7任一项所述的用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：按质量份将456～520份胶凝材料和1748～1813份集料加入搅拌机，将胶凝材料和集料均匀搅拌30s，转到步骤S2；
S2：向搅拌机中撒入0.80～1.50份仿钢纤维，将胶凝材料、集料和仿钢纤维共同搅拌30s，转到步骤S3；
S3：将4.10～5.72份减水剂与142～148份水融合形成混合液；依次将混合液和2.05～2.86份增韧材料加入搅拌机中，将胶凝材料、集料、仿钢纤维、混合液和增韧材料共同搅拌3min，得到坍落度为180～220mm的可泵送混凝土拌和物。
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