CN110240449A - 一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法，所述的海洋混凝土材料为水泥基复合材料，所述的水泥基复合材料以海水、海洋砂砾和水泥为原料，经混合处理后得到抗压强度＞150MPa，单轴拉伸荷载下的延性＞6％的海洋混凝土材料；本发明采用海水代替淡水作为拌合水、采用海砂或珊瑚砂替代磨细石英砂或河砂作为集料、采用超高分子量合成纤维作为微观耗能组分，制备一种抗压强度超过150MPa、单轴拉伸荷载下的延性超过6％的超高强度高延性海洋混凝土材料，不仅可以缓解淡水短缺、生态环境恶化等问题，而且可以实现海洋资源化利用所带来的巨大技术、经济和环保效益。

Description

一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种超高强度、高延性海洋混凝土材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着国家对海洋工程的投入不断加大，相关配套的建筑基础设施需求量陡然增加，例如大型海洋码头、海洋基站、海洋灯塔、海底隧道、海洋机场、海疆国防工事等基础建筑。众所周知，在传统建筑原材料中包含淡水和石英砂(或河沙)。然而，海洋工程的建设往往在陆地的沿海岸、近海岸，甚至在远离陆地的岛礁和岛屿等恶劣环境下施工。如果采用淡水和石英砂(或河沙)，那么将增加海上运输成本。

淡水和石英砂(或河沙)是一种不可再生资源。其中淡水资源仅占地球水资源的3％，许多地区已经处于严重缺水状态；而石英砂和河沙的过度开采已经导致山林水土流失、河床破坏、生态环境恶化的严重后果。在海洋环境下，海水和海砂或珊瑚砂资源丰富且触手可及。目前禁止将海水和海砂或珊瑚砂用于混凝土施工中主要考虑到海水和海砂或珊瑚砂中的氯离子会对钢筋混凝土构件中的钢筋产生锈蚀，钢筋锈胀产物会最终造成混凝土结构的破坏与失效。

然而，随着新材料和新技术的不断发展，超高强度、高延性水泥基复合材料逐渐成为无筋结构的替代者。超高强度高延性水泥基复合材料是一种以水泥、矿物掺合料、细骨料、纤维和外加剂等为原材料；将海水和海砂或珊瑚砂代替传统高延性水泥基复合材料中使用的淡水和石英砂(或河沙)运用到超高强度高延性水泥基复合材料中，可以完全避免由钢筋锈蚀带来的建筑危害，因为这种结构不再需要配置钢筋。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种采用海水和海砂或珊瑚砂代替淡水和石英砂或河沙，抗压强度超过150MPa，单轴拉伸荷载下的延性超过6％的超高强度、高延性海洋混凝土材料及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种超高强度高延性海洋混凝土材料，所述的海洋混凝土材料为水泥基复合材料，所述的水泥基复合材料以海水、海洋砂砾和水泥为原料，经混合处理后得到抗压强度＞150MPa，单轴拉伸荷载下的延性＞6％的海洋混凝土材料。

本发明的水泥基复合材料中各组分的重量份数如下：水泥60～90份、硅灰10～40份、海洋砂砾36～44份、海水16～20份、超高分子量合成纤维1.6～2.0份、减水剂1.2～2.2份。

本发明的水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥中的至少一种，且水泥28天抗压强度≥52.5MPa。限定水泥的品种和28天抗压强度≥52.5MPa，主要是考虑到海洋混凝土材料的超高强度，超出限定范围，会对海洋混凝土材料的强度造成影响。

本发明的硅灰为质量百分比大于92％的二氧化硅，所述的二氧化硅中粒径小于1μm的二氧化硅的质量百分比＞50％。限定硅灰的含量，主要是考虑到海洋混凝土材料的超高强度，经颗粒最紧密堆积理论推算，硅灰中二氧化硅的高含量和颗粒粒径的纳米级别保证了海洋混凝土材料所具备的超高强度。

本发明的海洋砂砾为海砂或珊瑚砂，粒径不超过0.6mm。限定海洋砂砾的粒径，主要是经大量理论和实验研究发现，集料的粒径一旦大于0.6mm，会严重影响纤维的均匀度，从而影响海洋混凝土材料的延性。

本发明的海水中氯离子浓度10000～40000mg/L。限定海水中氯离子浓度，主要是考虑到此浓度范围包含了近海岸中海水的氯离子浓度，符合实际情况；另外，氯离子含量超出此范围，会对影响海洋混凝土材料的强度。

本发明的超高分子量合成纤维为聚乙烯纤维、凯夫拉纤维、碳纤维中的至少一种，且超高分子量合成纤维的长度为8～12mm，直径为24～38μm。对超高分子量合成纤维进行限定，主要的经过超高强度高延性水泥基复合材料的设计理论推算后发现，超出此范围，海洋混凝土材料的延性会受到严重影响。

本发明的减水剂为液体聚羧酸系减水剂，减水剂中固含量＞50％，减水率＞40％。对减水剂进行限定，主要是考虑到超高强度高延性海洋混凝土材料的制备工艺，尤其是在硅灰掺量较高时，超出此范围，会对新拌浆体产生严重影响，从而影响海洋混凝土的强度和延性。

本发明提供了一种超高强度高延性海洋混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将一定重量份的水泥、硅灰、海洋砂砾用搅拌机干混3～5min，得到混合均匀的干混料；

2)将一定重量份的减水剂与海水混合搅拌2～3min，得到混合均匀的混合液；

3)将混合液倒入干混料中并搅拌5～8min，得到混合均匀的海洋混凝土基体；

4)将超高分子量合成纤维加入砂浆中并搅拌3～5min，使合成纤维在海洋混凝土基体中充分均匀分散；

5)将含有超高分子量合成纤维的海洋混凝土倒入模具中成型，覆盖塑料薄膜养护；

6)拆模，将含有超高分子量合成纤维的海洋混凝土在80～90℃的环境中蒸养7d，得到超高强度高延性海洋混凝土材料。

本发明的制备方法中的搅拌机为体式搅拌机，转速为140～285r/min。

本发明的制备方法中的模具为钢制或PE塑料模具。

本发明的制备方法中的塑料薄膜为PE保鲜膜。

本发明的优点在于：本发明的超高强度、高延性海洋混凝土材料可以缓解淡水短缺、环境恶化等问题，以及实现海洋资源化利用所带来的巨大技术、经济和环保效益；尤其在沿海、岛礁、岛屿等缺乏淡水的地方，更是可以发挥海水、海砂、珊瑚砂就地取材、便于运输的优点。

本发明的超高强高延性水泥基复合材料具有的超高抗压强度和高拉伸延伸率成为无钢筋结构的首选材料，这也避免了海水对普通含钢筋混凝土中钢筋的危害；在海疆国防工事方面，能够发挥材料本征方面的独特优势。

本发明的海洋混凝土材料的制备方法简单，操作方便，适用于沿海、岛礁或岛屿等地的大规模工程建筑。

附图说明

图1为本发明实施例1中超高强度高延性海洋混凝土材料的单轴拉伸应力-应变图；

图2为本发明实施例2中超高强度高延性海洋混凝土材料的单轴拉伸应力-应变图；

图3为本发明实施例3中超高强度高延性海洋混凝土材料的单轴拉伸应力-应变图；

图4为本发明实施例4中超高强度高延性海洋混凝土材料的单轴拉伸应力-应变图；

图5为性能测试中的单轴拉伸试验测试试块结构图。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

本发明的材料是市面上一般高延性水泥基复合材料(ECC或STCC或HTCC)或超高性能混凝土(UHPC或UHPFRCC)均无法媲美的，也无法通过已有文献中的制备技术进行重复性试验就能得到。

实施例1

依据本发明提出的一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法，其配合比见表1：(质量份比)

表1实施例1中海洋混凝土材料的配合比

水泥为硅酸盐水泥；所述超高分子量合成纤维为聚乙烯纤维，长度12mm，直径38μm；所述海水氯离子浓度10000mg/L。

依据本发明提出的一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法，包括以下步骤：

1)将水泥、硅灰、海砂用搅拌机干混3min得到混合均匀的干混料；

2)将减水剂与海水混合搅拌2min得到混合均匀的混合液；

3)将混合液倒入干混料中并搅拌5min得到混合均匀的海洋混凝土基体；

4)将聚乙烯纤维加入砂浆中并搅拌3min使纤维在海洋混凝土基体中充分均匀分散；

5)将含有聚乙烯纤维的海洋混凝土倒入模具中成型并覆盖塑料薄膜养护；

6)将硬化后的含有聚乙烯纤维的海洋混凝土拆模，并在80℃的环境中进行蒸养7d，得到一种超高强度高延性海洋混凝土材料。

搅拌机为体式搅拌机，转速为140r/min；所述的模具为钢制模具。

实施例2

依据本发明提出的一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法，其配合比见表2：

实施例2的配合比见表2：(质量份比)

表2实施例2中海洋混凝土材料的配合比

水泥为普通硅酸盐水泥；所述超高分子量合成纤维为碳纤维，长度12mm，直径24μm；所述海水氯离子浓度20000mg/L。

依据本发明提出的一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法，包括以下步骤：

1)将水泥、硅灰、海砂用搅拌机干混3min得到混合均匀的干混料；

2)将减水剂与海水混合搅拌2min得到混合均匀的混合液；

3)将混合液倒入干混料中并搅拌5min得到混合均匀的海洋混凝土基体；

4)将碳纤维加入砂浆中并搅拌4min使碳纤维在海洋混凝土基体中充分均匀分散；

5)将含有碳纤维的海洋混凝土倒入模具中成型并覆盖塑料薄膜养护；

6)将硬化后的含有碳纤维的海洋混凝土拆模，并在85℃的环境中进行蒸养7d，得到一种超高强度高延性海洋混凝土材料。

搅拌机为体式搅拌机，转速为140r/min；所述的模具为钢制模具。

实施例3

依据本发明提出的一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法，其配合比见表3：

实施例3的配合比见表3：(质量份比)

表3实施例3中海洋混凝土材料的配合比

水泥为复合硅酸盐水泥；所述超高分子量合成纤维为凯夫拉纤维，长度8mm，直径24μm；所述海水氯离子浓度30000mg/L。

依据本发明提出的一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法，包括以下步骤：

1)将水泥、硅灰、海砂用搅拌机干混5min得到混合均匀的干混料；

2)将减水剂与海水混合搅拌3min得到混合均匀的混合液；

3)将混合液倒入干混料中并搅拌8min得到混合均匀的海洋混凝土基体；

4)将凯夫拉纤维加入砂浆中并搅拌5min使纤维在海洋混凝土基体中充分均匀分散；

5)将含有凯夫拉纤维的海洋混凝土倒入模具中成型并覆盖塑料薄膜养护；

6)将硬化后的含有凯夫拉纤维的海洋混凝土拆模，并在90℃的环境中进行蒸养7d，得到一种超高强度高延性海洋混凝土材料。

搅拌机为体式搅拌机，转速为285r/min；所述的模具为PE塑料模具。

实施例4：

依据本发明提出的一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法，其配合比见表4：

实施例4的配合比见表4：(质量份比)

表4实施例4中海洋混凝土材料的配合比

水泥为火山灰硅酸盐水泥；超高分子量合成纤维为聚乙烯纤维，长度12mm，直径24μm；海水氯离子浓度20000mg/L。

依据本发明提出的一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法，包括以下步骤：

1)将水泥、硅灰、珊瑚砂用搅拌机干混4min得到混合均匀的干混料；

2)将减水剂与海水混合搅拌3min得到混合均匀的混合液；

3)将混合液倒入干混料中并搅拌6min得到混合均匀的海洋混凝土基体；

4)将聚乙烯纤维加入砂浆中并搅拌4min使纤维在海洋混凝土基体中充分均匀分散；

5)将含有聚乙烯纤维的海洋混凝土倒入模具中成型并覆盖塑料薄膜养护；

6)将硬化后的含有聚乙烯纤维的海洋混凝土拆模，并在85℃的环境中进行蒸养7d，得到一种超高强度高延性海洋混凝土材料。

搅拌机为体式搅拌机，转速为285r/min；所述的模具为钢制模具。

实施例5

依据本发明提出的一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法，其配合比见表5：

实施例5的配合比见表5：(质量份比)

表5实施例5中海洋混凝土材料的配合比

水泥为矿渣硅酸盐水泥；所述超高分子量合成纤维为聚乙烯纤维，长度12mm，直径38μm；所述海水氯离子浓度40000mg/L。

依据本发明提出的一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法，包括以下步骤：

1)将硅酸盐水泥、硅灰、海砂用搅拌机干混3min得到混合均匀的干混料；

2)将减水剂与海水混合搅拌2min得到混合均匀的混合液；

3)将混合液倒入干混料中并搅拌5min得到混合均匀的海洋混凝土基体；

4)将聚乙烯纤维加入砂浆中并搅拌3min使纤维在海洋混凝土基体中充分均匀分散；

5)将含有聚乙烯纤维的海洋混凝土倒入模具中成型并覆盖塑料薄膜养护；

6)将硬化后的含有聚乙烯纤维的海洋混凝土拆模，并在80℃的环境中进行蒸养7d，得到一种超高强度高延性海洋混凝土材料。

搅拌机为体式搅拌机，转速为140r/min；所述的模具为钢制模具。

实施例6

依据本发明提出的一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法，其配合比见表2：

实施例6的配合比见表6：(质量份比)

表6实施例6中海洋混凝土材料的配合比

水泥为和粉煤灰硅酸盐水泥；所述超高分子量合成纤维为碳纤维，长度12mm，直径24μm；所述海水氯离子浓度30000mg/L。

依据本发明提出的一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法，包括以下步骤：

1)将水泥、硅灰、珊瑚砂用搅拌机干混3min得到混合均匀的干混料；

2)将减水剂与海水混合搅拌2min得到混合均匀的混合液；

3)将混合液倒入干混料中并搅拌5min得到混合均匀的海洋混凝土基体；

4)将碳纤维加入砂浆中并搅拌4min使碳纤维在海洋混凝土基体中充分均匀分散；

5)将含有碳纤维的海洋混凝土倒入模具中成型并覆盖塑料薄膜养护；

6)将硬化后的含有碳纤维的海洋混凝土拆模，并在85℃的环境中进行蒸养7d，得到一种超高强度高延性海洋混凝土材料。

搅拌机为体式搅拌机，转速为140r/min；所述的模具为钢制模具。

实施例7

依据本发明提出的一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法，其配合比见表7：(质量份比)

表7实施例7中海洋混凝土材料的配合比

水泥为硅酸盐水泥；硅灰是70％(质量百分比)的二氧化硅，二氧化硅中粒径小于1μm的二氧化硅的质量百分比为80％。所述超高分子量合成纤维为聚乙烯纤维，长度12mm，直径38μm；所述海水氯离子浓度10000mg/L。

依据本发明提出的一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法，包括以下步骤：

1)将水泥、硅灰、海砂用搅拌机干混3min得到混合均匀的干混料；

2)将减水剂与海水混合搅拌2min得到混合均匀的混合液；

3)将混合液倒入干混料中并搅拌5min得到混合均匀的海洋混凝土基体；

4)将聚乙烯纤维加入砂浆中并搅拌3min使纤维在海洋混凝土基体中充分均匀分散；

5)将含有聚乙烯纤维的海洋混凝土倒入模具中成型并覆盖塑料薄膜养护；

6)将硬化后的含有聚乙烯纤维的海洋混凝土拆模，并在80℃的环境中进行蒸养7d，得到一种超高强度高延性海洋混凝土材料。

搅拌机为体式搅拌机，转速为140r/min；所述的模具为钢制模具。

实施例8

依据本发明提出的一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法，其配合比见表8：(质量份比)

表8实施例8中海洋混凝土材料的配合比

水泥为硅酸盐水泥；硅灰是95％(质量百分比)的二氧化硅，二氧化硅中粒径小于1μm的二氧化硅的质量百分比为30％。所述超高分子量合成纤维为聚乙烯纤维，长度12mm，直径38μm；所述海水氯离子浓度10000mg/L。

依据本发明提出的一种超高强度高延性海洋混凝土材料及其制备方法，包括以下步骤：

1)将水泥、硅灰、海砂用搅拌机干混3min得到混合均匀的干混料；

2)将减水剂与海水混合搅拌2min得到混合均匀的混合液；

3)将混合液倒入干混料中并搅拌5min得到混合均匀的海洋混凝土基体；

4)将聚乙烯纤维加入砂浆中并搅拌3min使纤维在海洋混凝土基体中充分均匀分散；

5)将含有聚乙烯纤维的海洋混凝土倒入模具中成型并覆盖塑料薄膜养护；

6)将硬化后的含有聚乙烯纤维的海洋混凝土拆模，并在80℃的环境中进行蒸养7d，得到一种超高强度高延性海洋混凝土材料。

搅拌机为体式搅拌机，转速为140r/min；所述的模具为钢制模具。

性能测试

对实施例1到实施例8进行测试，超高强度高延性海洋混凝土材料的抗压强度测试试块尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体，加载速率为2.4kN/s。初裂强度、极限拉伸强度和拉伸延伸率均由单轴拉伸试验获得。单轴拉伸试验测试试块为“狗骨头”形状，具体尺寸见图5，拉伸加载速率为0.2mm/min。

将实施例1到实施例8的相关参数测试结果如表9：

表9相关参数测试结果

通过以上测试的技术指标可以看出，本发明实施例制备的一种超高强度高延性海洋混凝土材料具有优良的抗压强度(>150MPa)，又具有优异的拉伸延伸率(>6％)。

需要说明的是，上述仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述实施例的基础上所做出的任意组合或等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超高强度高延性海洋混凝土材料，所述的海洋混凝土材料为水泥基复合材料，其特征在于，所述的水泥基复合材料以海水、海洋砂砾和水泥为原料，经混合处理后得到抗压强度＞150MPa，单轴拉伸荷载下的延性＞6％的海洋混凝土材料。

2.如权利要求1所述的超高强度高延性海洋混凝土材料，其特征在于，所述的水泥基复合材料中各组分的重量份数如下：水泥60～90份、硅灰10～40份、海洋砂砾36～44份、海水16～20份、超高分子量合成纤维1.6～2.0份、减水剂1.2～2.2份。

3.如权利要求2所述的超高强度高延性海洋混凝土材料，其特征在于，所述的水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥中的至少一种，所述水泥的28天抗压强度≥52.5MPa。

4.如权利要求2所述的超高强度高延性海洋混凝土材料，其特征在于，所述的硅灰为质量百分比大于92％的二氧化硅；所述的二氧化硅中粒径小于1μm的二氧化硅的质量百分比＞50％。

5.如权利要求2所述的超高强度高延性海洋混凝土材料，其特征在于，所述的海洋砂砾为海砂或珊瑚砂，粒径不超过0.6mm。

6.如权利要求2所述的超高强度高延性海洋混凝土材料，其特征在于，所述海水的氯离子浓度10000～40000mg/L。

7.如权利要求2所述的超高强度高延性海洋混凝土材料，其特征在于，所述的超高分子量合成纤维为聚乙烯纤维、凯夫拉纤维、碳纤维中的至少一种，超高分子量合成纤维的长度为8～12mm，直径为24～38μm。

8.如权利要求2所述的超高强度高延性海洋混凝土材料，其特征在于，所述的减水剂为液体聚羧酸系减水剂，减水剂中固含量＞50％，减水率＞40％。

9.一种如权利要求2所述的超高强度高延性海洋混凝土材料的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：

1)将一定重量份的水泥、硅灰、海砂或珊瑚砂用搅拌机干混3～5min，得到混合均匀的干混料；

2)将一定重量份的减水剂与海水混合搅拌2～3min，得到混合均匀的混合液；

3)将混合液倒入干混料中并搅拌5～8min，得到混合均匀的海洋混凝土基体；

4)将超高分子量合成纤维加入砂浆中并搅拌3～5min，使合成纤维在海洋混凝土基体中充分均匀分散；

5)将含有超高分子量合成纤维的海洋混凝土倒入模具中成型，覆盖塑料薄膜养护；

6)拆模，将含有超高分子量合成纤维的海洋混凝土在80～90℃的环境中蒸养7d，得到超高强度高延性海洋混凝土材料。