CN114149209A - 一种钢纤维地质聚合物混凝土材料及其性能计算方法 - Google Patents

一种钢纤维地质聚合物混凝土材料及其性能计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钢纤维地质聚合物混凝土材料及其性能计算方法。通过试验，得到钢纤维地质聚合物混凝土轴心抗压强度、峰值应变、峰值应力、弹性模量等性能特征量与应力‑应变本构模型。本发明得到的钢纤维地质聚合物混凝土材料，因钢纤维可改善骨料与胶凝材料间的薄弱界面，有效抑制裂缝的发展，相较于同配比的普通地质聚合物混凝土具有更高的强度和更好的塑性；随着钢纤维掺量的增加，混凝土的强度和塑性能力均有较大提高，应力‑应变本构模型能够准确地描述钢纤维地质聚合物混凝土的轴心抗压强度、弹性模量、应变强化及软化等力学行为，具有广泛的适用性。

Description

一种钢纤维地质聚合物混凝土材料及其性能计算方法
技术领域
本发明属于土木工程中建筑材料技术领域，涉及一种钢纤维地质聚合物混凝土材料及其性能计算方法。
背景技术
地质聚合物混凝土材料是以碱溶液激发矿渣、粉煤灰的地质聚合物作为一种类似水泥的粘合物，可代替水泥作为新的胶凝材料，具有早强性、低排放、高耐腐蚀性、耐高温等优点，是一种可持续发展的绿色新型无机聚合物建筑材料，具有广阔的应用前景。但地质聚合物混凝土的劈裂抗拉强度与抗折强度较低、脆性较大，使其在土木工程中的实际应用受到限制。因此有必要通过掺入钢纤维以改善地质聚合物混凝土的力学性能，扩大其工程应用范围。
发明内容
针对普通地质聚合物混凝土存在的问题，本发明提供一种钢纤维地质聚合物混凝土材料及其应力-应变性能计算方法。
一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，所述混凝土材料通过将如下组分混合得到：
氢氧化钠35-40份，水玻璃240-250份、水70-75份、石子1400-1500份，砂子 780-790份、矿渣125-200份、粉煤灰450-525份；
在混合的过程中按体积计，向的混合物中掺入0.3-1.2％的钢纤维混匀；所述钢纤维为镀铜微丝型钢纤维，直径0.1-0.3mm，长度10-15mm。
进一步的，所述混合物的溶胶比控制在0.55
进一步的，所述矿渣为密度2.92g/cm3，比表面积460m2/kg，28d活性指数大于95％，含水量小于1.0％的高炉矿渣粉；粉煤灰为密度2.34g/cm3，比表面积800m2/kg，28d 活性指数大于65％，含水量小于5.0％的Ⅱ级F类粉煤灰
进一步的，所述氢氧化钠采用纯度为99％的片状固体NaOH；水玻璃采用模数为3.4，波美度为39°Bé，Na2O、SiO2及H2O质量分数分别为7.4％、27.6％、65％的Na2SiO3水玻璃；水采用自来水
一种钢纤维地质聚合物混凝土材料的应力-应变性能计算方法，采取分段式应力-应变关系描述钢纤维地质聚合物混凝土应力-应变全曲线，基于回归分析得到不同钢纤维掺量下的地质聚合物混凝土应力-应变全曲线上升段和下降段的相关参数a、b的表述式，从而得到钢纤维地质聚合物混凝土应力-应变全曲线的函数表达式；
曲线上升段函数：y＝ax+(3-2a)x2+(a-2)x30≤ε≤εc
曲线下降段函数：y＝x/[b(x-12)+x]εc≤ε≤εu
a＝-2.11r4+5.46r3-4.20r2+1.03r+0.56
b＝86.83r4-200r3+105.57r2+16.72r+0.81
式中：
Figure BDA0003383474600000021
r为钢纤维体积率，εu＜0.04。
本发明有益效果：本发明不仅有效提高了工业固体废弃物(粉煤灰、煤矸石及矿渣) 的重复利用率，且以地质聚合物作为胶凝材料可有效降低CO2排放量，有利于保护环境。经过研究制备出一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，所制备的新型钢纤维地质聚合物混凝土材料改善了普通地聚物混凝土抗拉、抗折强度低，收缩大，脆性大的力学性能缺点。研发了一种新型的绿色建筑材料，可广泛应用于房屋建设、桥梁建设等工程，并提供了相应的制备方法，为类似混凝土的配制及不同强度的钢纤维地质聚合物混凝土材料纤维掺量的确定提供了参考依据，有利于推广新型混凝土的工程应用，解决天然砂石资源紧张的问题。
附图说明
图1为根据钢纤维地质聚合物混凝土材料的应力-应变全曲线函数表达式计算得到的无量纲应力-应变全曲线与试验结果对比图(需要分别说明一下a、b、c、d四张图表示的含义)
图1(a)展示了矿渣占所掺粉煤灰和矿渣总量为20％时，无钢纤维外掺，制备基准强度为C50的普通地质聚合物混凝土的应力应变试验曲线与应力-应变性能计算方法获得曲线的对比，曲线吻合良好。
图1(b)展示了矿渣占所掺粉煤灰和矿渣总量为20％时，外掺0.3％钢纤维，制备基准强度为C50的普通地质聚合物混凝土的应力应变试验曲线与应力-应变性能计算方法获得曲线的对比，曲线吻合良好。
图1(c)为展示了矿渣占所掺粉煤灰和矿渣总量为25％时，外掺0.3％钢纤维，制备基准强度为C60的普通地质聚合物混凝土的应力应变试验曲线与应力-应变性能计算方法获得曲线的对比，曲线吻合良好。
图1(d)为展示了矿渣占所掺粉煤灰和矿渣总量为30％时，外掺1.2％钢纤维，制备基准强度为C70的普通地质聚合物混凝土的应力应变试验曲线与应力-应变性能计算方法获得曲线的对比，曲线吻合良好。
图1(a)、1(b)、1(c)、1(d)展示了矿渣含量的上升及外掺钢纤维含量的增加显著提升混凝土的单轴受压强度并提升了其抵抗开裂破坏的能力，使其具有较高的抗压强度和良好的延性。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面作进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。实施例中的C50、C60、C70地质聚合物混凝土原料配比以及性能如表1所示
表1各组地质聚合物混凝土试验配合比(kg/m3)及抗压强度(MPa)
Figure BDA0003383474600000031
实施例1
一种钢纤维地质聚合物混凝土材料的制备方法，包括以下步骤；
制备基准强度为C50的地质聚合物混凝土材料。比例为氢氧化钠37.04份，水玻璃248.88份、水71.11份、石子1450.29份，砂子787.12份、矿渣129.77份、粉煤灰 519.08份。溶胶比控制在0.55。钢纤维分别为23.55份、47.10份、70.65份、94.20份、对应体积率分别为0.3％、0.6％、0.9％、1.2％。
用所有水先行配制氢氧化钠溶液，静置一段时间后，将水玻璃倒入其中，配制碱激发溶液。
将矿渣、砂子、碎石、粉煤灰、减水剂拌和均匀，在此过程中应逐步加入钢纤维，防止钢纤维结团。
将所配制的碱激发溶液逐步倒入所拌和的材料中去，倒入溶液的同时及时搅拌，以保证矿渣被充分激发。再次拌和均匀既得。
根据权利要求所述的一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，其特征在于，矿渣为密度2.92g/cm3，比表面积460m2/kg，28d活性指数大于95％，含水量小于1.0％的高炉矿渣粉；粉煤灰为密度2.34g/cm3，比表面积800m2/kg，28d活性指数大于65％，含水量小于5.0％的Ⅱ级F类粉煤灰。
根据权利要求所述的一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，其特征在于，钢纤维为镀铜微丝型钢纤维，密度7.8g/cm3,直径0.2mm，长度13mm。
根据权利要求所述的一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，其特征在于，碱激发剂为采用纯度为99％的片状固体NaOH；模数为3.4，波美度为39°Bé，Na2O、SiO2及 H2O含量分别为7.4％、27.6％、65％的Na2SiO3水玻璃；拌合水采用自来水；三者以一定的比例进行搅拌而成，搅拌时应注意防止结团。
本实例制备的地质聚合物混凝土的塌落度和力学性能指标如表2所示。
表2钢纤维体积率对本实例试件力学性能的影响
Figure BDA0003383474600000041
实施例2
一种钢纤维地质聚合物混凝土材料的制备方法，包括以下步骤；
制备基准强度为C60的地质聚合物混凝土材料。比例为氢氧化钠37.04份，水玻璃248.88份、水71.11份、石子1450.29份，砂子787.12份、矿渣162.21份、粉煤灰 486.64份。溶胶比控制在0.55。钢纤维分别为23.55份、47.10份、70.65份、94.20份，对应体积率分别为0.3％、0.6％、0.9％、1.2％。
用所有水先行配制氢氧化钠溶液，静置一段时间后，将水玻璃倒入其中，配制碱激发溶液。
将矿渣、砂子、碎石、粉煤灰、减水剂拌和均匀，在此过程中应逐步加入钢纤维，防止钢纤维结团。
将所配制的碱激发溶液逐步倒入所拌和的材料中去，倒入溶液的同时及时搅拌，以保证矿渣被充分激发。再次拌和均匀既得。
根据权利要求所述的一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，其特征在于，矿渣为密度2.92g/cm3，比表面积460m2/kg，28d活性指数大于95％，含水量小于1.0％的高炉矿渣粉；粉煤灰为密度2.34g/cm3，比表面积800m2/kg，28d活性指数大于65％，含水量小于5.0％的Ⅱ级F类粉煤灰。
根据权利要求所述的一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，其特征在于，钢纤维为镀铜微丝型钢纤维，密度7.8g/cm3,直径0.2mm，长度13mm。
根据权利要求所述的一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，其特征在于，碱激发剂为采用纯度为99％的片状固体NaOH；模数为3.4，波美度为39°Bé，Na2O、SiO2及 H2O含量分别为7.4％、27.6％、65％的Na2SiO3水玻璃；拌合水采用自来水；三者以一定的比例进行搅拌而成，搅拌时应注意防止结团。
本实例制备的地质聚合物混凝土的塌落度和力学性能指标如表3所示。
表3钢纤维体积率对本实例试件力学性能的影响
Figure BDA0003383474600000061
实施例3
一种钢纤维地质聚合物混凝土材料的制备方法，包括以下步骤；
制备基准强度为C70的地质聚合物混凝土材料。比例为氢氧化钠37.04份，水玻璃248.88份、水71.11份、石子1450.29份，砂子787.12份、矿渣194.66份、粉煤灰 451.49份。溶胶比控制在0.55。钢纤维分别为23.55份、47.10份、70.65份、94.20份，对应体积率分别为0.3％、0.6％、0.9％、1.2％。
用所有水先行配制氢氧化钠溶液，静置一段时间后，将水玻璃倒入其中，配制碱激发溶液。
将矿渣、砂子、碎石、粉煤灰、减水剂拌和均匀，在此过程中应逐步加入钢纤维，防止钢纤维结团。
将所配制的碱激发溶液逐步倒入所拌和的材料中去，倒入溶液的同时及时搅拌，以保证矿渣被充分激发。再次拌和均匀既得。
根据权利要求所述的一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，其特征在于，矿渣为密度2.92g/cm3，比表面积460m2/kg，28d活性指数大于95％，含水量小于1.0％的高炉矿渣粉；粉煤灰为密度2.34g/cm3，比表面积800m2/kg，28d活性指数大于65％，含水量小于5.0％的Ⅱ级F类粉煤灰。
根据权利要求所述的一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，其特征在于，钢纤维为镀铜微丝型钢纤维，密度7.8g/cm3,直径0.2mm，长度13mm。
根据权利要求所述的一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，其特征在于，碱激发剂为采用纯度为99％的片状固体NaOH；模数为3.4，波美度为39°Bé，Na2O、SiO2及 H2O含量分别为7.4％、27.6％、65％的Na2SiO3水玻璃；拌合水采用自来水；三者以一定的比例进行搅拌而成，搅拌时应注意防止结团。
本实例制备的地质聚合物混凝土的塌落度和力学性能指标如表4所示。
表4钢纤维体积率对本实例试件力学性能的影响
Figure BDA0003383474600000071
根据权利要求所述的一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，对于除涉及的地质聚合物混凝土强度等级配合比外，其余基准强度等级混凝土的配合比可通过改变矿渣和粉煤灰含量获得。
根据权利要求所述的一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，其特征在于，对于特定的基准强度，除涉及的钢纤维地质聚合物混凝土轴心抗压强度外，其余轴心抗压强度的钢纤维地质聚合物混凝土中的钢纤维含量可采用线性插值法获得。
根据权利要求所述的一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，其特征在于，采取分段式应力—应变关系描述钢纤维地质聚合物混凝土应力-应变全曲线，基于回归分析得到不同钢纤维掺量下的地质聚合物混凝土应力-应变全曲线上升段和下降段的相关参数a、 b的表述式，从而得到钢纤维地质聚合物混凝土应力-应变全曲线的本构函数表达式。
上升段：y＝ax+(3-2a)x2+(a-2)x30≤ε≤εc
下降段：y＝x/[b(x-1)2+x]εc≤ε≤εu
a＝-2.11r4+5.46r3-4.20r2+1.03r+0.56
b＝86.83r4-200r3+105.57r2+16.72r+0.81
式中：
Figure BDA0003383474600000072
r为钢纤维体积率，εu＜0.04。
根据钢纤维地质聚合物混凝土材料的应力-应变全曲线函数表达式计算得到的无量纲应力-应变全曲线与试验结果对比图如图1所示。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变形。

Claims (5)

1.一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，其特征在于，所述混凝土材料通过将如下组分混合得到：
氢氧化钠35-40份，水玻璃240-250份、水70-75份、石子1400-1500份，砂子780-790份、矿渣125-200份、粉煤灰450-525份；
在混合的过程中按体积计，向的混合物中掺入0.3-1.2％的钢纤维混匀；所述钢纤维为镀铜微丝型钢纤维，直径0.1-0.3mm，长度10-15mm。
2.根据权利要求1所述的一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，其特征在于，所述混合物的溶胶比控制在0.55。
3.根据权利要求1所述的一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，其特征在于，所述矿渣为密度2.92g/cm3，比表面积460m2/kg，28d活性指数大于95％，含水量小于1.0％的高炉矿渣粉；粉煤灰为密度2.34g/cm3，比表面积800m2/kg，28d活性指数大于65％，含水量小于5.0％的Ⅱ级F类粉煤灰。
4.根据权利要求1所述的一种钢纤维地质聚合物混凝土材料，其特征在于，所述氢氧化钠采用纯度为99％的片状固体NaOH；水玻璃采用模数为3.4，波美度为39°Bé，Na2O、SiO2及H2O质量分数分别为7.4％、27.6％、65％的Na2SiO3水玻璃；水采用自来水。
5.根据权利要求1-4所述的钢纤维地质聚合物混凝土材料的应力-应变性能计算方法，其特征在于，采取分段式应力-应变关系描述钢纤维地质聚合物混凝土应力-应变全曲线，基于回归分析得到不同钢纤维掺量下的地质聚合物混凝土应力-应变全曲线上升段和下降段的相关参数a、b的表述式，从而得到钢纤维地质聚合物混凝土应力-应变全曲线的函数表达式；
曲线上升段函数：y＝ax+(3-2a)x2+(a-2)x30≤ε≤εc
曲线下降段函数：
Figure FDA0003383474590000011
a＝-2.11r4+5.46r3-4.20r2+1.03r+0.56
b＝86.83r4-200r3+105.57r2+16.72r+0.81
式中：
Figure FDA0003383474590000012
r为钢纤维体积率，εu＜0.04；
其中，ε为受压混凝土的压应变，εc为与单轴抗压强度fc相应的混凝土峰值压应变，σ为对应的单轴受压的混凝土压应力，fc为混凝土单轴抗压强度代表值，εu为受压混凝土从骨架线开始卸载时的应变。
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