CN114409347A - 一种免蒸养低成本超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种免蒸养低成本超高性能混凝土及其制备方法，涉及建筑材料技术领域，解决现有技术中超高性能混凝土成本高，养护繁琐的问题。本发明的免蒸养低成本超高性能混凝土由包括以下按重量份的原料制成：普通硅酸盐水泥40～55份；快硬硫铝酸盐水泥5～20份；矿粉0～15份；硅灰5～20份；粉煤灰15～25份；石灰石粉5～20份；机制砂80～125份；废旧钢纤维12～18份；减水剂1～2份；水17～20份。本发明的免蒸养低成本超高性能混凝土的制备方法包括：按重量份称取各原料；将原料混合均匀后，即得所述免蒸养低成本超高性能混凝土。本发明的免蒸养低成本超高性能混凝土成本低廉，生产简便，各项性能优良。

Description

一种免蒸养低成本超高性能混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种免蒸养低成本超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术

近些年来，随着建筑行业的发展，建筑工程逐渐走向超高高度和超大跨距，对建筑材料的力学性能要求越来越高。同时，随着我国城市化进程不断推进，越来越多的严寒、酷暑、干燥、盐碱、风沙等环境恶劣地区需要建设，这些恶劣环境地区的建筑工程对混凝土材料的耐久性能要求也十分苛刻，许多桥梁的使用寿命更是动辄百年以上。建筑行业对建筑材料的性能要求越来越高，许多研究人员投入到超高性能混凝土(UHPC，Ultra-HighPerformance Concrete)材料的研究中。

同普通混凝土和高性能混凝土相比，UHPC具有优异的性能。力学性能方面，UHPC要远远优于普通混凝土和高强混凝土，其抗压强度高于100MPa，抗折强度高于12MPa，断裂能可达30000J·m^-2。传统混凝土属于脆性材料，具有较好抗压性能，但抗折抗剪切性能非常差，而UHPC由于掺入了纤维材料，抗折抗剪切性能和韧性大大提高，相比传统混凝土，UHPC抗折强度高了一个数量级，断裂能高了两个数量级。耐久性能方面，由于UHPC的水胶比很低，原料颗粒之间紧密堆积整体特别密实，孔隙率仅为9％以下，甚至有UHPC的孔隙率接近2％，而且UHPC结构中孔结构的孔径在10nm左右。因此UHPC的渗透性极低、抗环境介质侵蚀能力和抗磨损能力很强，耐久性能远远优于传统混凝土。

UHPC突破了水泥基材料性能和应用领域的很多极限。无论是结构材料组分的复合，水泥基材料本身的性能、与纤维增强材料的复合，还是与其他结构材料的“组合”，都打开了许多发展空间，目前UHPC在各种工程上的应用还只是开始，一旦UHPC的性能和优势被认识，将很快形成UHPC的开发和应用高潮。

目前UHPC的推广应用阻碍依然较大，其中UHPC的原材料一般选用优质石英砂、石英粉作为骨料，镀铜微细钢纤维作为增强纤维材料，高活性的硅灰、粉煤灰和矿粉作为活性掺合料，高减水率的减水剂作为外加剂，这导致UHPC的原材料成本高昂；UHPC的养护制度与传统混凝土相比较为繁琐和复杂，一般包括静停、初养、终养、自然养护等养护过程。因此，提供一种混凝土，其不仅具有超高性能混凝土的高质量，而且成本低廉，生产简便，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于，提供一种免蒸养低成本超高性能混凝土，解决现有技术中超高性能混凝土成本高，养护繁琐的问题。

本发明的目的之二在于，提供该免蒸养低成本超高性能混凝土的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明公开的一种免蒸养低成本超高性能混凝土，由包括以下按重量份的原料制成：

普通硅酸盐水泥40～55份；快硬硫铝酸盐水泥5～20份；矿粉0～15份；硅灰5～20份；粉煤灰15～25份；石灰石粉5～20份；机制砂80～125份；废旧钢纤维12～18份；减水剂1～2份；水17～20份。

本发明的部分实施方案中，由包括以下按重量份的原料制成：普通硅酸盐水泥45～50份；快硬硫铝酸盐水泥10～15份；矿粉5～10份；硅灰10～15份；粉煤灰15～20份；石灰石粉10～15份；机制砂95～115份；废旧钢纤维14～16份；减水剂1.5～2份；水18～19份。

本发明的部分实施方案中，所述普通硅酸盐水泥为P·O 42.5R水泥；

优选地，所述普通硅酸盐水泥的比表面积≥300m²/kg，3d抗压强度≥22MPa，3d抗折强度≥4MPa，28d抗压强度≥42.5MPa，28d抗折强度≥6.5MPa。

本发明的部分实施方案中，所述快硬硫铝酸盐水泥为R·SAC42.5水泥；

优选地，所述快硬硫铝酸盐水泥的比表面积≥350m²/kg，1d抗压强度≥30MPa，3d抗压强度≥42.5MPa，28d抗压强度≥45MPa，1d抗折强度≥6MPa，3d抗折强度≥6.5MPa，28d抗折强度≥7MPa。

本发明的部分实施方案中，所述矿粉的比表面积≥400m²/kg，7d活性指数≥75％，28d活性指数≥95％，流动度比≥95％；

或/和所述硅灰的比表面积≥15000m²/kg，7d活性指数(7d快速法)≥105％，SiO₂含量≥85％，需水量比≤125％。

本发明的部分实施方案中，所述粉煤灰45μm方孔筛筛余≤12.0，需水量比≥95％；

或/和所述石灰石粉碳酸钙含量≥75wt.％，45μm方孔筛筛余≤15，7d活性指数≥60％，28d活性指数≥60％，流动度比≥100％。

本发明的部分实施方案中，所述机制砂为平均粒径0.15mm～1.18mm连续级配的机制砂；其含泥量用亚加蓝MB值表示，MB值≤0.5时，石粉质量含量≤10％，泥块含量为0％；当MB值大于1.4时，石粉质量含量≤1％，泥块含量为0％。

本发明的部分实施方案中，所述废旧钢纤维为旧轮胎再生废旧钢纤维，直径0.23～0.35mm；

或/和所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂，固含量为30wt.％，减水率≥25％。

本发明公开的一种免蒸养低成本超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.按重量份称取各原料；

步骤2.将原料混合均匀后，即得所述免蒸养低成本超高性能混凝土；

优选地，步骤2中，先将普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉、石灰石粉和机制砂加入强制搅拌机干拌，将减水剂和配方量一半质量的水混合均匀后加入搅拌机搅拌均匀，而后将余量的水加入搅拌机搅拌，同时均匀撒入钢纤维并搅拌均匀。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明中，采用粉煤灰、矿粉、硅灰等固废材料代替水泥等胶凝材料，采用廉价的机制砂代替优质石英砂，采用废旧钢纤维代替价格昂贵的镀铜钢纤维。采用这些廉价的原材料，代替原有的优质昂贵原材料，可大大降低超高性能混凝土的材料成本，同时也保证超高性能混凝土的物理力学性能和耐久性能无明显降低。

2、本发明中采用石灰石粉作为微细骨料，改善了超高性能混凝土基体的颗粒级配，使基体更加密实，改善新拌混凝土的流动性能，有助于增加混凝土的物理力学性能和工作性能。

3、本发明中，采用快硬硫铝酸盐水泥，可以利用快硬硫铝酸盐水泥的快硬早强性能提高超高性能混凝土的早期强度，同时快硬硫铝酸盐水泥的前期高水化热释放，有助于增快超高性能混凝土的强度发展。

4、胶凝体系中硅灰、粉煤灰和矿粉中的活性SiO₂、Al₂O₃可以和水泥水化产生的Ca(OH)₂发生二次水化反应(火山灰反应)生成C-S-H凝胶，修复微裂纹并填充水泥石的孔隙和水泥石与骨料之间的界面过渡区，提高物理力学性能。

5、本发明中，超高性能混凝土的养护方式可采用自然养护，免除了额外的高温、蒸汽、蒸压养护方法，可采用普通混凝土的浇筑成型方法，大大降低了超高性能混凝土的制备工艺复杂程度，制备成本也随之大大降低，有利于扩展超高性能混凝土应用领域。

具体实施方式

下面用实施例进一步描述本发明，但所述实施例仅用于说明本发明而不是限制本发明。

制备方法：首先按照配合比称取原材料，将称好的普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉、石灰石粉和机制砂等加入强制搅拌机干拌3min，然后将一半质量的水和减水剂混合均匀后加入搅拌机再搅拌1min，之后将剩余一半质量的水加入搅拌机搅拌，同时均匀撒入钢纤维并搅拌3min，直至将超高性能混凝土浆体搅拌均匀，使钢纤维分布均匀。

本发明实施例中超高性能混凝土原料用量(按质量份计)见下表：

表1各实施例超高性能混凝土原料表

本发明实施例中的普通硅酸盐水泥为P·O 42.5R水泥；比表面积≥300m²/kg，3d抗压强度≥22MPa，3d抗折强度≥4MPa，28d抗压强度≥42.5MPa，28d抗折强度≥6.5MPa。

本发明实施例中的快硬硫铝酸盐水泥为R·SAC42.5水泥；比表面积≥350m²/kg，1d抗压强度≥30MPa，3d抗压强度≥42.5MPa，28d抗压强度≥45MPa，1d抗折强度≥6MPa，3d抗折强度≥6.5MPa，28d抗折强度≥7MPa。

本发明实施例中的矿粉的比表面积≥400m²/kg，7d活性指数≥75％，28d活性指数≥95％，流动度比≥95％；

本发明实施例中的硅灰的比表面积≥15000m²/kg，7d活性指数(7d快速法)≥105％，SiO₂含量≥85％，需水量比≤125％。

本发明实施例中的粉煤灰45μm方孔筛筛余≤12.0，需水量比≥95％；

本发明实施例中的石灰石粉碳酸钙含量≥75wt.％，45μm方孔筛筛余≤15，7d活性指数≥60％，28d活性指数≥60％，流动度比≥100％。

本发明实施例中的机制砂为平均粒径0.15mm～1.18mm连续级配的机制砂；其含泥量用亚加蓝MB值表示，MB值≤0.5时，石粉质量含量≤10％，泥块含量为0％；当MB值大于1.4时，石粉质量含量≤1％，泥块含量为0％。

本发明实施例中的废旧钢纤维为旧轮胎再生废旧钢纤维，直径0.23～0.35mm；

本发明实施例中的减水剂为聚羧酸高性能减水剂，固含量为30wt.％，减水率≥25％。

实施例1

本实施例公开了本发明的免蒸养低成本超高性能混凝土的制备方法，具体为：

步骤1.称取普通硅酸盐水泥5500g、快硬硫铝酸盐水泥500g、矿粉1500g、硅灰1000g、粉煤灰1500g、石灰石粉1500g、机制砂11500g、废旧钢纤维1400g、减水剂100g、水1800g；

步骤2.先将普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉、石灰石粉和机制砂加入强制搅拌机干拌3min，将减水剂和900g水混合均匀后加入搅拌机搅拌均匀，而后将余量的水加入搅拌机搅拌，同时均匀撒入钢纤维并搅拌均匀，即得免蒸养低成本超高性能混凝土。

实施例2

本实施例公开了本发明的免蒸养低成本超高性能混凝土的制备方法，具体为：

步骤1.称取普通硅酸盐水泥4500g、快硬硫铝酸盐水泥1500g、矿粉1000g、硅灰500g、粉煤灰2500g、石灰石粉2000g、机制砂8000g、废旧钢纤维1800g、减水剂100g、水1700g；

步骤2.先将普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉、石灰石粉和机制砂加入强制搅拌机干拌3min，将减水剂和850g水混合均匀后加入搅拌机搅拌均匀，而后将余量的水加入搅拌机搅拌，同时均匀撒入钢纤维并搅拌均匀，即得免蒸养低成本超高性能混凝土。

实施例3

本实施例公开了本发明的免蒸养低成本超高性能混凝土的制备方法，具体为：

步骤1.称取普通硅酸盐水泥5000g、快硬硫铝酸盐水泥1000g、矿粉500g、硅灰1500g、粉煤灰2000g、石灰石粉1000g、机制砂9500g、废旧钢纤维1600g、减水剂150g、水1900g；

步骤2.先将普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉、石灰石粉和机制砂加入强制搅拌机干拌3min，将减水剂和950g水混合均匀后加入搅拌机搅拌均匀，而后将余量的水加入搅拌机搅拌，同时均匀撒入钢纤维并搅拌均匀，即得免蒸养低成本超高性能混凝土。

实施例4

本实施例公开了本发明的免蒸养低成本超高性能混凝土的制备方法，具体为：

步骤1.称取普通硅酸盐水泥4000g、快硬硫铝酸盐水泥2000g、硅灰2000g、粉煤灰2000g、石灰石粉500g、机制砂12500g、废旧钢纤维1200g、减水剂200g、水2000g；

步骤2.先将普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉、石灰石粉和机制砂加入强制搅拌机干拌3min，将减水剂和950g水混合均匀后加入搅拌机搅拌均匀，而后将余量的水加入搅拌机搅拌，同时均匀撒入钢纤维并搅拌均匀，即得免蒸养低成本超高性能混凝土。

对比例1～5对本发明的免蒸养低成本超高性能混凝土的骨料种类、用量进行了考察。

对比例1

本对比例与实施例1相比，机制砂的粒径为3～5mm，其余条件均一致。

对比例2

本对比例与实施例1相比，机制砂的粒径一半为0.15～1.18mm，另一半为3～5mm，其余条件均一致。

对比例3

本对比例与实施例1相比，11500g机制砂中有10000g的粒径为0.15～1.18mm，1500g的粒径为3～5mm，其余条件均一致。

对比例4

本对比例与实施例1相比，石灰石粉的用量为300g，其余条件均一致。

对比例5

本对比例与实施例1相比，石灰石粉的用量为2500g，其余条件均一致。

对比例6-8对本发明的免蒸养低成本超高性能混凝土的胶凝材料硅灰的用量进行了考察。

对比例6

本对比例与实施例1相比，未加入硅灰，其余条件均一致。

对比例7

本对比例与实施例1相比，硅灰用量为200g，其余条件均一致。

对比例8

本对比例与实施例1相比，硅灰用量为2200g，其余条件均一致。

试验例1

对实施例1-4以及对比例1-8制得的免蒸养低成本超高性能混凝土进行性能测试。

将新拌超高性能混凝土按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行坍落度试验和扩展度试验。

将新拌超高性能混凝土成型，试件养护采用标准养护制度(20±2℃，相对湿度为95％)，养护到规定龄期测试其物理力学性能。抗压强度测试采用100mm×100mm×100mm的立方体试件，加载速率为1.2MPa/s～1.4MPa/s；抗折强度采用100mm×100mm×400mm的棱柱体试件，加载速率为0.08MPa/s～0.1MPa/s。

结果如下表所示：

表2

结果表明，各试验组新拌超高性能混凝土的坍落度和扩展度均能满足工作性能要求，各试验组超高性能混凝土标准条件养护28d后抗压强度均超过110MPa，28d抗折强度均超过30MPa。

对比例1～3表明，随着粗砂掺量的增加，超高性能混凝土的物理力学性能逐渐降低，工作性能逐渐变差；

对比例4～5表明，石灰石粉等微细骨料的掺入的多少，有一个最佳值，掺量较少时，超高性能混凝土的物理力学性能变差，工作性能变好，掺量较多时，超高性能混凝土的物理力学性能变差，工作性也不好；

对比例6～8表明，硅灰对超高性能混凝土的性能影响较大，随着硅灰掺量的增加，其物理力学性能逐渐提高，但工作性能大幅下降。

综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

Claims (9)

1.一种免蒸养低成本超高性能混凝土，其特征在于，由包括以下按重量份的原料制成：

普通硅酸盐水泥40～55份；快硬硫铝酸盐水泥5～20份；矿粉0～15份；硅灰5～20份；粉煤灰15～25份；石灰石粉5～20份；机制砂80～125份；废旧钢纤维12～18份；减水剂1～2份；水17～20份。

2.根据权利要求1所述的一种免蒸养低成本超高性能混凝土，其特征在于，由包括以下按重量份的原料制成：普通硅酸盐水泥45～50份；快硬硫铝酸盐水泥10～15份；矿粉5～10份；硅灰10～15份；粉煤灰15～20份；石灰石粉10～15份；机制砂95～115份；废旧钢纤维14～16份；减水剂1.5～2份；水18～19份。

3.根据权利要求1或2所述的一种免蒸养低成本超高性能混凝土，其特征在于，所述普通硅酸盐水泥为P·O 42.5R水泥；

优选地，所述普通硅酸盐水泥的比表面积≥300m²/kg，3d抗压强度≥22MPa，3d抗折强度≥4MPa，28d抗压强度≥42.5MPa，28d抗折强度≥6.5MPa。

4.根据权利要求1或2所述的一种免蒸养低成本超高性能混凝土，其特征在于，所述快硬硫铝酸盐水泥为R·SAC42.5水泥；

优选地，所述快硬硫铝酸盐水泥的比表面积≥350m²/kg，1d抗压强度≥30MPa，3d抗压强度≥42.5MPa，28d抗压强度≥45MPa，1d抗折强度≥6MPa，3d抗折强度≥6.5MPa，28d抗折强度≥7MPa。

5.根据权利要求1或2所述的一种免蒸养低成本超高性能混凝土，其特征在于，所述矿粉的比表面积≥400m²/kg，7d活性指数≥75％，28d活性指数≥95％，流动度比≥95％；

或/和所述硅灰的比表面积≥15000m²/kg，7d活性指数≥105％，SiO₂含量≥85％，需水量比≤125％。

6.根据权利要求1或2所述的一种免蒸养低成本超高性能混凝土，其特征在于，所述粉煤灰45μm方孔筛筛余≤12.0，需水量比≥95％；

或/和所述石灰石粉碳酸钙含量≥75wt.％，45μm方孔筛筛余≤15，7d活性指数≥60％，28d活性指数≥60％，流动度比≥100％。

7.根据权利要求1或2所述的一种免蒸养低成本超高性能混凝土，其特征在于，所述机制砂为平均粒径0.15mm～1.18mm连续级配的机制砂；其含泥量用亚加蓝MB值表示，MB值≤0.5时，石粉质量含量≤10％，泥块含量为0％；当MB值大于1.4时，石粉质量含量≤1％，泥块含量为0％。

8.根据权利要求1或2所述的一种免蒸养低成本超高性能混凝土，其特征在于，所述废旧钢纤维为旧轮胎再生废旧钢纤维，直径0.23～0.35mm；

或/和所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂，固含量为30wt.％，减水率≥25％。

9.根据权利要求1-9任意一项所述的一种免蒸养低成本超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.按重量份称取各原料；

步骤2.将原料混合均匀后，即得所述免蒸养低成本超高性能混凝土；

优选地，步骤2中，先将普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉、石灰石粉和机制砂加入强制搅拌机干拌，将减水剂和配方量一半质量的水混合均匀后加入搅拌机搅拌均匀，而后将余量的水加入搅拌机搅拌，同时均匀撒入钢纤维并搅拌均匀。