CN109836082B - 一种超高性能自密实混凝土及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高性能自密实混凝土及其制备方法，属于水泥及混凝土技术领域，本发明的超高性能自密实混凝土包括重量份数如下的组分：胶凝材料：水泥90‑140份、矿粉20‑60份、玻璃微珠25‑55份；骨料：石英砂70‑105份；掺合料：硅灰10‑35份、金属纤维20‑60份、石蜡5‑10份、碳纤维10‑20份；外加剂：复合聚羧酸减水剂1.5‑4份；水22‑73份。本发明的超高性能自密实混凝土兼具超高性能混凝土和自密实混凝土两者优势，既具有高流动性，又具有高强度、优良的耐久性、不易开裂等性能，容易在实际工程中推广运用，还可以应用于异型构件等普通混凝土无法应用的领域。

Description

一种超高性能自密实混凝土及制备方法

技术领域

本发明属于水泥及混凝土技术领域，涉及一种超高性能自密实混凝土及制备方法。

背景技术

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete)，简称UHPC, 是过去三十年中最具创新性的水泥基工程材料，实现工程材料性能的大跨越，具有超高的耐久性和超高的力学性能，被越来越多的应用于工程实践中。

超高性能混凝土剔除了传统混凝土使用的粗骨料，选用石英砂作为填充骨料，形成较大的堆积密度，因此，超高性能混凝土具有较高的抗压强度、抗拉强度及优良的耐久性，被广泛应用在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程。但目前，超高性能混凝土为了保证高的力学性能，普遍存在较为粘稠、难以搅拌均匀等问题，现在多只能应用于干硬性混凝土。

自密实混凝土(Self Compacting Concrete 或Self- Consolidating Concrete简称SCC)是指在自身重力作用下，能够流动、密实，即使存在致密钢筋也能完全填充模板，同时获得很好均质性，并且不需要附加振动的混凝土。由于自密实混凝土不需要振捣，混凝土浇筑需要的时间大幅度缩短，可以浇筑成型形状复杂、薄壁和密集配筋的结构，但自密实混凝土力学性能相对较低、耐久性差，限制了其在工程上的应用。

综上所述，为解决现有超高性能混凝土较为粘稠、难以搅拌均匀和现有自密实混凝土性能相对较低、耐久性差的问题，需要设计一种兼具超高性能混凝土和自密实混凝土两者优势，既具有高流动性，又具有高强度、优良的耐久性、不易开裂等性能的混凝土及制备方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提供一种兼具超高性能混凝土和自密实混凝土两者优势，既具有高流动性，又具有高强度、优良的耐久性、不易开裂等性能的混凝土及制备方法。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种超高性能自密实混凝土，所述超高性能自密实混凝土包括重量份数如下的组分：

胶凝材料：水泥90-140份、矿粉20-60份、玻璃微珠25-55份；

骨料：石英砂70-105份；

掺合料：硅灰10-35份、金属纤维20-60份、石蜡5-10份、碳纤维10-20份；

外加剂：复合聚羧酸减水剂1.5-4份；

水22-73份。

本发明的超高性能自密实混凝土中，以水泥、矿粉、玻璃微珠、石英砂、金属纤维、硅灰、石蜡、碳纤维、复合聚羧酸减水剂、水等物料为主要组分，通过各组分之间的协同作用，提高混凝土的组分均匀性、流动性、力学等性能、降低混凝土制品开裂可能性，实现超高强度且自密实效果。

在混凝土制备过程中，水泥与水反应会在水泥硬化过程中不断放出热量产生水化热，水化热会使混凝土的内部温度大大超过外部，从而引起较大的温度应力，使混凝土表面产生裂缝，严重影响混凝土的强度及其他性能。本发明通过增加玻璃微珠、矿粉替代部分水泥，能够减少水泥用量、降低水化热，并且玻璃微珠和矿粉能够填充在混凝土颗粒间隙，提高混凝土密实性，同时本发明混凝土中增加了石蜡，一方面，石蜡相变温度低，可以通过相变吸收水泥产生的水化热，降低由此产生的温度应力，避免混凝土表面产生裂缝；另一方面，石蜡填充在混凝土的颗粒间隙中，石蜡颗粒表面光滑且不吸水，在混凝土颗粒中类似滚珠，能够降低颗粒之间的摩擦力，减少水的用量，因此可以发挥润滑的作用，降低混凝土粘聚性，提高混凝土和易性，并且提高组分均匀度；此外，石蜡不溶于水，能够提高混凝土抗渗性，降低金属纤维生锈的可能性，提高混凝土耐久性。石蜡与纤维、硅灰、矿粉组分的混合能够提高混凝土流动性，使各组分混合更加均匀，通过金属纤维与碳纤维的掺杂，促进纤维与混凝土中的其他组分融合，提升了混凝土的韧性及力学性能并且降低混凝土开裂的可能性。

硅灰平均粒径为0.1-0.3μm，比水泥粒径小约100倍，并且硅灰活性较高，硅灰在混凝土中的掺入可以填充水泥孔隙、同时与水化产物生成凝胶体，提高混凝土强度和耐久性、减少泌水、提高抗渗性等，但提高了混凝土需水量，在本发明中，通过与矿粉、玻璃微珠、石蜡、复合聚羧酸减水剂配合使用，降低了混凝土需水量。

优选的技术方案是所述石英砂颗粒级配4.75mm，累计筛余范围10-0，颗粒级配600μm，累计筛余范围70-41。

优选的技术方案是所述金属纤维直径0.05-0.2mm，长度10-15mm。混凝土通常韧性差、易开裂，通过添加金属纤维可显著提高混凝土的力学性能、提高韧性、降低开裂可能性。混凝土中分散的金属纤维互相交叉，并与混凝土中的其他成分胶粘，因此可以大大降低混凝土的脆性，减缓材料内部微裂缝的扩展，提高材料的强度、韧性、延性和耐久性。

优选的技术方案是所述金属纤维为不锈钢纤维、镀铜钢纤维、镀锌钢纤维中的一种或多种。钢纤维具有抗拉强度高，弹性模量大，易批量生产等优点，因此是超高性能混凝土广泛使用的纤维。但钢纤维容易生锈，对超高性能混凝土的性能和耐久性都会产生不良后果，因此本发明超高性能自密实混凝土优选不锈钢纤维、镀铜钢纤维、镀锌钢纤维中的一种或多种。

超高性能混凝土为保证超高性能需要保持低的水胶比，但容易导致混凝土和易性差、流动性差。传统的聚羧酸减水剂，在掺量提高到一定的范围后，减水剂的减水率增长变缓，而且混凝土表现出较大粘性，放置片刻，会出现泌水板结现象，影响混凝土的流动性和匀质性，因此需要减水率高的减水剂。本发明超高性能自密实混凝土采用复合聚羧酸减水剂，通过复合羟甲基纤维素醚来改善粘聚性和保水性，通过复合三异丙醇安、甲酸钙来调节凝结时间。进一步优选的，所述聚羧酸减水剂占复合聚羧酸减水剂总质量的69-84.7%。所述羟甲基纤维素醚、三异丙醇胺、甲酸钙三者分别占所述复合聚羧酸减水剂总质量的0.3-1%、5-10%、10-20%。经实验验证，上述组分范围能够合理的控制超高性能混凝土里的含气量以及气泡的大小，保证混凝土的匀质性和外观效果。进一步的，所述复合聚羧酸减水剂的减水率达到25-32%。

本发明的另一目的在于提供一种所述的超高性能自密实混凝土的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)、按上述的超高性能自密实混凝土的组分称取物料，先将石蜡加热至熔化，再将矿粉、硅灰、金属纤维、碳纤维置于加热后的石蜡中进行预处理，备用；

(2)、将水泥、石英砂、玻璃微珠先混合搅拌均匀，再加入水和复合聚羧酸减水剂，继续搅拌至流化状态，然后加入经过预处理的矿粉、硅灰、金属纤维、碳纤维，搅拌至完全分散，得到超高强度自密实混凝土。

在本发明一种超高性能自密实混凝土的制备方法中包含预处理过程，先将石蜡加热至熔化，再将矿粉、硅灰、金属纤维、碳纤维置于加热后的石蜡中进行预处理。在融化的石蜡中，矿粉、硅灰、金属纤维、碳纤维相互粘接，解决了矿粉、硅灰容易产生粉尘、以及各组分难以混合均匀的问题。在混凝土的搅拌过程中，加入经预处理的矿粉、硅灰、金属纤维、碳纤维，继续搅拌，因水泥遇水反应生成的水化热，使石蜡通过吸热依然保持融化状态，矿粉、硅灰、金属纤维、碳纤维分散的更加均匀，不但提高混凝土的和易性，提升力学性能，而且减少粉尘，优化生产环境。

优选的技术方案是所述步骤(2)中搅拌的时间总和为5-30min。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供的超高性能自密实混凝土以水泥、矿粉、玻璃微珠、石英砂、金属纤维、硅灰、石蜡、碳纤维、复合聚羧酸减水剂等物料为主要组分，通过各组分之间的协同作用，提高混凝土的组分均匀性、流动性、力学等性能、降低混凝土制品开裂可能性。本发明的超高性能自密实混凝土兼具超高性能混凝土和自密实混凝土两者优势，既具有高流动性，又具有高强度、优良的耐久性、不易开裂等性能。本发明的超高性能自密实混凝土，容易在实际工程中推广运用，还可以应用于异型构件等普通混凝土无法应用的领域。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步说明。以下仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

实施例1

一种超高性能自密实混凝土，物料组分为：水泥120份、石英砂85份、矿粉37份、玻璃微珠24份、硅灰24份、石蜡7份、钢纤维45份、碳纤维15份、复合聚羧酸减水剂2.5份和水37份；钢纤维直径0.05-0.2mm，长度10-15mm，复合聚羧酸减水剂的减水率为25%-32%，复合聚羧酸减水剂中，聚羧酸减水剂、羟甲基纤维素醚、三异丙醇胺、甲酸钙分别为1.725份、0.025份、0.25份、0.5份。

所述的一种超高性能自密实混凝土的制备方法，其步骤为：

(1)、按照上述组分称取物料；

(2)、将石蜡加热至熔化，将称取的矿粉、硅灰、钢纤维、碳纤维置于加热后的石蜡中进行预处理；

(3)、将水泥、石英砂、玻璃微珠先混合搅拌均匀，再加入水和复合聚羧酸减水剂，继续搅拌至流化状态，然后加入经过预处理的矿粉、硅灰、钢纤维、碳纤维，搅拌至完全分散，总搅拌时间20min，得到本发明的超高强度自密实混凝土。

实施例2

一种超高性能自密实混凝土，物料组分为：水泥140份、石英砂70份、矿粉20份、玻璃微珠25份、硅灰35份、石蜡5份、不锈钢纤维60份、碳纤维10份、复合聚羧酸减水剂4份和水22份；不锈钢纤维直径0.05-0.2mm，长度10-15mm，复合聚羧酸减水剂的减水率达到25%-32%。复合聚羧酸减水剂中，聚羧酸减水剂、羟甲基纤维素醚、三异丙醇胺、甲酸钙分别为3.388份、0.012份、0.2份、0.4份。

所述的一种超高性能自密实混凝土的制备方法，其步骤为：

(1)、按照上述组分称取物料；

(2)、将石蜡加热至熔化，将称取的矿粉、硅灰、不锈钢纤维、碳纤维置于加热后的石蜡中进行预处理；

(3)、将水泥、石英砂、玻璃微珠先混合搅拌均匀，再加入水和复合聚羧酸减水剂，继续搅拌至流化状态，然后加入经过预处理的矿粉、硅灰、不锈钢纤维、碳纤维，搅拌至完全分散，总搅拌时间20min，得到本发明的超高强度自密实混凝土。

实施例3

一种超高性能自密实混凝土，物料组分为：水泥90份、石英砂105份、矿粉60份、玻璃微珠55份、硅灰10份、石蜡10份、镀铜钢纤维20份、碳纤维20份，复合聚羧酸减水剂1.5份和水73份；镀铜钢纤维直径0.05-0.2mm，长度10-15mm，复合聚羧酸减水剂的减水率达到25%-32%。复合聚羧酸减水剂中，聚羧酸减水剂、羟甲基纤维素醚、三异丙醇胺、甲酸钙分别为1.1625份、0.0075份、0.105份、0.225份。

(1)、按照上述组分称取物料；

(2)、将石蜡加热至熔化，将称取的矿粉、硅灰、镀铜钢纤维、碳纤维置于加热后的石蜡中进行预处理；

(3)、将水泥、石英砂、玻璃微珠先混合搅拌均匀，再加入水和复合聚羧酸减水剂，继续搅拌至流化状态，然后加入经过预处理的矿粉、硅灰、镀铜钢纤维、碳纤维，搅拌至完全分散，总搅拌时间20min，得到本发明的超高强度自密实混凝土。

实施例4

一种超高性能自密实混凝土，物料组分为：水泥110份、石英砂80份、矿粉44份、玻璃微珠40份、硅灰10份、石蜡7份、镀铜钢纤维45份、碳纤维12份，复合聚羧酸减水剂3份和水60份；镀铜钢纤维直径0.05-0.2mm，长度10-15mm，复合聚羧酸减水剂的减水率达到25%-32%。复合聚羧酸减水剂中，聚羧酸减水剂、羟甲基纤维素醚、三异丙醇胺、甲酸钙分别为2.32份、0.02份、0.18份、0.48份。

(1)、按照上述组分称取物料；

(2)、将石蜡加热至熔化，将称取的矿粉、硅灰、金属纤维、碳纤维置于加热后的石蜡中进行预处理；

(3)、将水泥、石英砂、玻璃微珠先混合搅拌均匀，再加入水和复合聚羧酸减水剂，继续搅拌至流化状态，然后加入经过预处理的矿粉、硅灰、金属纤维、碳纤维，搅拌至完全分散，总搅拌时间20min，得到本发明的超高强度自密实混凝土。

实施例5

一种超高性能自密实混凝土，物料组分为：水泥130份、石英砂90份、矿粉55份、玻璃微珠48份、硅灰28份、石蜡9份、不锈钢纤维55份、碳纤维16份，复合聚羧酸减水剂3.5份和水70份；不锈钢纤维直径0.05-0.2mm，长度10-15mm，复合聚羧酸减水剂的减水率达到25%-32%。复合聚羧酸减水剂中，聚羧酸减水剂、羟甲基纤维素醚、三异丙醇胺、甲酸钙分别为2.538份、0.017份、0.315份、0.63份。

(1)、按照上述组分称取物料；

(2)、将石蜡加热至熔化，将称取的矿粉、硅灰、不锈钢纤维、碳纤维置于加热后的石蜡中进行预处理；

(3)、将水泥、石英砂、玻璃微珠先混合搅拌均匀，再加入水和复合聚羧酸减水剂，继续搅拌至流化状态，然后加入经过预处理的矿粉、硅灰、不锈钢纤维、碳纤维，搅拌至完全分散，总搅拌时间20min，得到本发明的超高强度自密实混凝土。

对比例1

一种混凝土，物料组分为：水泥120份、石英砂85份、硅灰24份、钢纤维45份、聚羧酸减水剂2.5份和水37份；钢纤维直径0.05-0.2mm，长度10-15mm；减水剂为市售南京合创新天BTC-100型号高性能减水剂。

与实施例1相比的区别在于，该对比例1中并不含有矿粉、玻璃微珠、石蜡、碳纤维、复合聚羧酸减水剂，其余组分均相同。

所述混凝土的制备方法，步骤为：

(1)、按照上述组分称取物料；

(2)、先将水泥、石英砂、硅灰混合搅拌均匀，再加入水、聚羧酸减水剂继续搅拌至流化状态；然后加入钢纤维，搅拌至纤维完全分散，总搅拌时间20min，得到混凝土。

对比例2

一种混凝土，物料组分为：水泥120份、石英砂85份、矿粉37份、玻璃微珠24份、硅灰24份、钢纤维45份、碳纤维15份、聚羧酸减水剂2.5份和水37份；钢纤维直径0.05-0.2mm，长度10-15mm；减水剂为市售南京合创新天BTC-100型号高性能减水剂。

与实施例1相比的区别在于，该对比例2中并不含有石蜡、复合聚羧酸减水剂，其余组分均相同。

所述混凝土的制备方法，步骤为：

(1)、按照上述组分称取物料；

(2)、先将水泥、石英砂、矿粉、玻璃微珠、硅灰混合搅拌均匀，再加入水、聚羧酸减水剂继续搅拌至流化状态；然后加入钢纤维、碳纤维，搅拌至纤维完全分散，总搅拌时间20min，得到混凝土。

对比例3

一种混凝土，物料组分为：水泥120份、石英砂85份、矿粉37份、玻璃微珠24份、硅灰24份、石蜡7份、钢纤维45份、碳纤维15份、复合聚羧酸减水剂2.5份和水37份；钢纤维直径0.05-0.2mm，长度10-15mm，复合聚羧酸减水剂的减水率为25%-32%，复合聚羧酸减水剂中，聚羧酸减水剂、羟甲基纤维素醚、三异丙醇胺、甲酸钙分别为1.725份、0.025份、0.25份、0.5份。

该对比例3与实施例1相比组分均相同，区别在于制备方法中，对比例3未对物料进行预处理。

所述混凝土的制备方法，步骤为：

(1)、按照上述组分称取物料；

(2)、先将水泥、石英砂、矿粉、玻璃微珠、硅灰、石蜡混合搅拌均匀，再加入水、聚羧酸减水剂继续搅拌至流化状态；然后加入钢纤维、碳纤维，搅拌至纤维完全分散，总搅拌时间20min，得到混凝土。

将实施例1-5及对比例1-3中搅拌均匀的混凝土拌合物及硬化后混凝土性能进行测试，测试结果列于表1：

表1超高性能自密实混凝土性能指标

从实验结果可以看出，不添加矿粉、玻璃微珠、石蜡、碳纤维、复合聚羧酸减水剂且没有经过任何预处理的对比例1的混凝土28天强度、坍落度均较低，混凝土和易性一般，通过添加矿粉、玻璃微珠、碳纤维，混凝土28天强度、坍落度略有提升，混凝土和易性一般，进一步添加石蜡、复合聚羧酸减水剂，混凝土坍落度显著提高，28天强度也保持较高水平，能够实现超高强度自密实效果。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种超高性能自密实混凝土，其特征在于，所述超高性能自密实混凝土包括重量份数如下的组分：

胶凝材料：水泥90-140份、矿粉20-60份、玻璃微珠25-55份；

骨料：石英砂70-105份；

掺合料：硅灰10-35份、金属纤维20-60份、石蜡5-10份、碳纤维10-20份；

外加剂：复合聚羧酸减水剂1.5-4份；

水22-73份；

所述超高性能自密实混凝土包括如下制备步骤：

(1)、按上述超高性能自密实混凝土的组分称取物料，先将石蜡加热至熔化，再将矿粉、硅灰、金属纤维、碳纤维置于加热后的石蜡中进行预处理，备用；

(2)、将水泥、石英砂、玻璃微珠先混合搅拌均匀，再加入水和复合聚羧酸减水剂，继续搅拌至流化状态，然后加入经过预处理的矿粉、硅灰、金属纤维、碳纤维，搅拌至完全分散，得到超高性能自密实混凝土。

2.根据权利要求1所述的一种超高性能自密实混凝土，其特征在于，所述金属纤维直径0.05-0.2mm，长度10-15mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种超高性能自密实混凝土，其特征在于，所述金属纤维为不锈钢纤维、镀铜钢纤维、镀锌钢纤维中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种超高性能自密实混凝土，其特征在于，所述复合聚羧酸减水剂由聚羧酸减水剂、羟甲基纤维素醚、三异丙醇胺、甲酸钙复配而成。

5.根据权利要求4所述的一种超高性能自密实混凝土，其特征在于，所述聚羧酸减水剂占复合聚羧酸减水剂总质量的69-84.7%。

6.根据权利要求4或5所述的一种超高性能自密实混凝土，其特征在于，所述羟甲基纤维素醚、三异丙醇胺、甲酸钙三者分别占所述复合聚羧酸减水剂总质量的0.3-1%、5-10%、10-20%。

7.根据权利要求4或5所述的一种超高性能自密实混凝土，其特征在于，所述复合聚羧酸减水剂的减水率达到25-32%。

8.根据权利要求1所述的一种超高性能自密实混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中搅拌的时间总和为5-30min。