CN115572134A

CN115572134A - 一种轻质耐高温超高性能混凝土及其制备方法

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Publication number: CN115572134A
Application number: CN202211279186.XA
Authority: CN
Inventors: 陈波; 王雄锋; 柴丽娟; 张丰; 宁逢伟; 吕乐乐; 白银; 王海军; 马豪达; 张晓闯
Original assignee: Nanjing Hydraulic Research Institute of National Energy Administration Ministry of Transport Ministry of Water Resources
Current assignee: Nanjing Hydraulic Research Institute of National Energy Administration Ministry of Transport Ministry of Water Resources
Priority date: 2022-10-19
Filing date: 2022-10-19
Publication date: 2023-01-06
Anticipated expiration: 2042-10-19
Also published as: CN115572134B

Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，尤其公开了一种轻质耐高温的超高性能混凝土及其制备方法。该轻质耐高温超高性能混凝土，一方面，通过陶砂等轻质组分的掺加，大幅降低了混凝土的表观密度，达到了轻质UHPC目的；另一方面，利用PE颗粒接近水蒸气温度的熔点，其熔化形成与外界连通的缝隙释放蒸汽压，解决了预湿的陶砂为混凝土内部带来少量水份而更易在养护时导致混凝土内部爆裂的问题。轻质的超高性能混凝土有利于预制结构运输和吊装拼接，促进预制超高性能混凝土的发展，加快工程进展。

Description

一种轻质耐高温超高性能混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体来讲，涉及一种轻质耐高温的超高性能混凝土、以及其制备方法。

背景技术

随着国家的发展与建设对大型建筑、大跨度桥梁的需求越来越强烈，土木工程材料对轻量化、高强化、绿色化、和耐久化的要求也越来越高。对于大型建筑的外部幕墙结构而言，追求能耐高温、且轻质高强的混凝土结构成为必然趋势。

超高性能混凝土(UHPC)是根据最大堆积密度理论设计出的一种强度超过100MPa的具有超高性能的混凝土。UHPC具有超高强度和性能，在建筑领域能够减少结构自重从而减低材料用量，减少碳排放。UHPC在桥梁工程、地下结构和高层建筑领域中凸显出独特的优点。为进一步发展UHPC的应用场景，开发一种能够满足结构性能需求、降低结构自重、提高结构安全的UHPC具有重要意义。

但是，由于UHPC采用低水胶比及最大堆积密度理论设计，导致一般的配合比制备的UHPC容重在2500kg/m³～2800kg/m³，且需要蒸养养护，限制了其在薄壁大跨度的结构中的应用。此外，由于UHPC内部结构密实，缺陷少，导致在高温条件下极易发生爆裂，对结构和周围环境造成巨大的伤害，降低了高温条件下的安全性。

针对上述存在的问题，目前有诸多种对不同解决途径的探索，如一种有利于钢纤维均匀分散的搅拌方法、一种免蒸养的超高性能混凝土制备方法等研究，但它们不能满足防火性能的需求。又如一种超轻质混凝土制备方法，虽然耐火性能好，且不易开裂，其容重降低到180kg/m³～300kg/m³，但是所制备的混凝土抗压强度只达到1MPa～1.2MPa，不适合大跨度结构的使用。与此同时，也有研究利用陶砂的轻质特点来制备轻质UHPC，如一种轻质超高性能混凝土的制备方法，其采用预湿陶砂代替石英砂，将UHPC的容重降低到了2000kg/m³；然而，预湿陶砂给UHPC内部提供水与胶凝材料反应的同时，也导致部分水存留在超高性能混凝土内部，当遇到高温时，由于结构内部密实，导致内部留存的水产生巨大的蒸汽压，从而UHPC容易发生爆裂。

再如一种耐火超高性能混凝土的制备研究，其通过采用有机纤维高温融化产生微细通道和表面防火土层来提高超高性能混凝土的耐火性能；但是，有机纤维熔融后易导致超高性能混凝土的力学性能下降，结构承载能力不足，且耐火涂层工艺复杂，不适合大面积使用。

综上，如何制备一种轻质、抑爆且力学性能优异的混凝土对于UHPC的发展尤其重要。

发明内容

基于现有技术中的诸多问题，本发明的发明人在对UHPC的长期研究中，提出了一种轻质耐高温的UHPC，其通过加入轻质的陶砂、PE颗粒、膨胀蛭石和微珠材料，不仅在降低混凝土容重(可降低到1600kg/m³)同时，不造成性能发生大的变化，并且，还解决了陶砂易导致混凝土***的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采取了下述技术方案：

一种轻质耐高温超高性能混凝土，其包括下述按质量份混合的各组分：

进一步地，陶砂的容重为1000kg/m³～1400kg/m³，由0.55mm～1.4mm、0.27mm～0.55mm、0.15mm～0.27mm的大中小尺寸构成，且大中小尺寸陶砂的重量比为55～60:25～30:15～20。

以陶砂作为混凝土骨料之一时，一般将其容重控制如上即可，以满足骨料之间较好的最紧密堆积密度，更有利于获得超高性能混凝土。容重过低，表明陶砂本身孔洞较多，不利于制备高抗压强度的混凝土；而容重过高，又会导致混凝土整体容重偏重，无法获得轻质产品。

本发明提供的该轻质耐高温超高性能混凝土，以UHPC制备技术中最紧密堆积密度理论为基础，采用陶砂代替传统UHPC中的石英砂，解决了传统UHPC表观密度大的问题。陶砂内部呈蜂窝状，导热率低。传统石英砂为骨料的UHPC的表观密度为2600kg/m³～2800kg/m³，本发明采用陶砂作为骨料的UHPC的表观密度可降低至1500kg/m³～2000kg/m³，大大降低了混凝土的表观密度。

进一步地，PE颗粒的粒径为0.16mm～0.2mm，防止过小的粒径(一般已呈粉状)无法实现骨料作用，而过大的粒径又会导致其熔融时产生过大通道而影响力学性能。

本发明提供的该轻质耐高温超高性能混凝土，一方面其轻质特性可进一步减少容重，另一方面还解决了预湿陶砂内养护易导致UHPC高温爆裂的问题。这是由于，超高性能混凝土内部密实，在高温的情况下，内部残余水分受热产生较强的蒸气压，容易导致超高性能混凝土发生爆裂；PE颗粒(线性低密度)的熔点为(122±2)℃，当超高性能混凝土内部温度达到PE熔点温度时，PE颗粒熔融逸出，在混凝土内部产生细微的孔隙，释放内部蒸气压与热量，提高耐火性能。另外，PE颗粒的加入，还降低了超高性能混凝土的黏度，有利于混凝土的泵送。

进一步地，膨胀蛭石的粒径控制为0.16mm～1.25mm，用以制备高强度、轻质的混凝土。

本发明提供的该轻质耐高温超高性能混凝土，在现有UHPC的基础上，加入总质量2％～6％的膨胀蛭石。一方面，膨胀蛭石层间有细小的空气间隔层，可降低对热流的传导；另一方面，膨胀蛭石是含水铝(镁)硅酸盐矿物，能够与水泥这类无机胶黏剂有很好的黏结效果。加入少量的膨胀蛭石作为超高性能混凝土的骨架，在高温时，膨胀蛭石内部层间的间隔有利于热流的传导，降低UHPC内部水蒸气产生的蒸气压，降低了UHPC内部的最大内应力，提高了材料的耐火性和耐热性。

进一步地，微珠的自然堆积密度为650kg/m³～700kg/m³，需水量比≤95％，28d活性指数≥100％，上述需水量较小且活性更高的微珠，有利于在该用水量较少的混凝土中发生水化反应且表面吸收较少的水，不易造成不出浆的不利现象。

本发明提供的该轻质耐高温超高性能混凝土，微珠内部中空且表面光滑致密，在拌合物中具有“滚珠”效应。微珠的表观密度比水泥小，采用微珠代替部分水泥可降低浆体的整体密度，缩小轻集料陶砂和拌合物的密度差，避免轻集料陶砂上浮，使混凝土更均匀。同时，微珠的低密度特性可进一步降低混凝土的容重，微珠的中空特性降低了导热系数，提升了混凝土的耐高温性能。

一般地，硅酸盐水泥为P O 42.5的普通硅酸盐水泥即可；硅灰的比表面积≥19000m²，其中SiO₂含量≥90％；纤维为长度(13±1)mm、直径(0.2±0.02)mm的镀铜钢纤维；减水剂为聚羧酸减水剂，减水率不小于30％；水符合JGJ63《混凝土拌合用水标准》的要求即可。

大比表面积的硅灰具有更高的反应活性，能够在低水胶比下快速反应。本发明的轻质耐高温超高性能混凝土，其水胶比为0.16～0.2，较普通混凝土的0.4～0.5低很多，固配合减水率不低于30％的减水剂，以促进水化反应形成混凝土浆体。

本发明提供的上述轻质耐高温超高性能混凝土，可采用下述方法制备：

步骤S1、陶砂预湿：按照质量份数称取水和陶砂，将陶砂浸泡至准备的水中，获得预湿陶砂。

步骤S2、干粉料的制备：按质量份称取硅酸盐水泥、微珠、硅灰、PE颗粒、膨胀蛭石和减水剂倒入混凝土搅拌机内低速搅拌。

步骤S3、按照质量份数称取纤维备用。

步骤S4、往搅拌机中加入预湿陶砂和水，低速搅拌。

步骤S5、继续低速搅拌的条件下，将纤维均匀加入搅拌机内，然后换中速搅拌。

步骤S6、将新拌混凝土装入模具中，振动后放置，期间用塑料薄膜覆盖防止水分蒸发。

步骤S7、脱模后放置养护室进行常温养护。

对陶砂进行预湿处理，陶砂预湿可当作内养护材料提高混凝土内部湿度，为低水胶比、内部相对湿度低的超高性能混凝土提供内养护，促进水泥水化反应，提高混凝土性能。

本发明提供的上述轻质耐高温超高性能混凝土，一方面，通过陶砂等轻质组分的掺加，大幅降低了混凝土的表观密度，达到了轻质UHPC目的；另一方面，利用PE颗粒接近水蒸气温度的熔点，其熔化形成与外界连通的缝隙释放蒸汽压，解决了预湿的陶砂为混凝土内部带来少量水份而更易在养护时导致混凝土内部爆裂的问题。轻质的超高性能混凝土有利于预制结构运输和吊装拼接，促进预制超高性能混凝土的发展，加快工程进展。

具体实施方式

以下，将通过具体的实施例来展示本发明的上述轻质耐高温超高性能混凝土及其制备方法，但下述各实施例仅是本发明的产品及其制备方法的具体实例，并不用于限制其全部。

在下述各实施例及对比例中，如无特别规定，PE颗粒的粒径为0.16mm～0.2mm；膨胀蛭石的粒径为0.16mm～1.25mm；微珠的自然堆积密度为650kg/m³～700kg/m³，需水量比≤95％，28d活性指数≥100％；硅灰的比表面积不低于19000m²，其中SiO₂含量不低于90％；纤维为长度(13±1)mm、直径(0.2±0.02)mm的镀铜钢纤维。

实施例1

首先，称取P O 42.5普通硅酸盐水泥65份、微珠20份、硅灰15份、减水剂0.6份、陶砂90份、PE颗粒1份、膨胀蛭石9份和水16份。

其中，尺寸分别为0.55mm～1.4mm、0.27mm～0.55mm、0.15mm～0.27mm的大中小尺寸陶砂的重量比为55:25:20，容重为1230kg/m³。

且减水剂具体为聚羧酸高性能减水剂粉体。

然后，将陶砂放入水中预湿72h。

再次，将称好的普通硅酸盐水泥、硅灰、微珠、PE颗粒、膨胀蛭石和减水剂放置在强制式搅拌机中以100r/min的速度低速干拌30s。

第四步，准备好钢纤维15份，将预湿陶砂和水加入搅拌机中，低速搅拌3min后，将搅拌机速度调制200r/min，并将钢纤维在2min内均匀加入，最后以100r/min的速度低速搅拌60s。

最后，将新拌混凝土装入模具中，振动后放置1d，期间用塑料薄膜覆盖防止水分蒸发，脱模后放置养护室进行常温养护。

实施例2

首先，称取P O 42.5普通硅酸盐水泥50份、微珠15份、硅灰10份、减水剂0.6份、陶砂60份、PE颗粒0.5份、膨胀蛭石14份和水15份。

其中，尺寸分别为0.55mm～1.4mm、0.27mm～0.55mm、0.15mm～0.27mm的大中小尺寸陶砂的重量比为55:25:20，容重为1321kg/m³。

且减水剂具体为聚羧酸高性能减水剂粉体。

然后，将陶砂放入水中预湿72h。

再次，将称好的普通硅酸盐水泥、硅灰、微珠、PE颗粒、膨胀蛭石和聚羧酸高性能减水剂粉体放置在强制式搅拌机中以100r/min的速度低速干拌30s。

第四步，准备好钢纤维20份，将预湿陶砂和水加入搅拌机中，低速搅拌3min后，将搅拌机速度调制200r/min，并将钢纤维在2min内均匀加入，最后以100r/min的速度低速搅拌60s。

实施例3

首先，称取P O 42.5普通硅酸盐水泥70份、微珠18份、硅灰17份、减水剂0.8份、陶砂100份、PE颗粒1.5份、膨胀蛭石8份和水20份。

其中，尺寸分别为0.55mm～1.4mm、0.27mm～0.55mm、0.15mm～0.27mm的大中小尺寸陶砂的重量比为55:30:15，容重为1146kg/m³。

且减水剂具体为聚羧酸高性能减水剂粉体。

然后，将陶砂放入水中预湿72h。

第四步，准备好钢纤维10份，将预湿陶砂和水加入搅拌机中，低速搅拌3min后，将搅拌机速度调制200r/min，并将钢纤维在2min内均匀加入，最后以100r/min的速度低速搅拌60s。

实施例4

首先，称取P O 42.5普通硅酸盐水泥80份、微珠20份、硅灰20份、减水剂1份、陶砂120份、PE颗粒3份、膨胀蛭石14份和水25份。

其中，尺寸分别为0.55mm～1.4mm、0.27mm～0.55mm、0.15mm～0.27mm的大中小尺寸陶砂的重量比为55:30:15，容重为1040kg/m³。

且减水剂具体为聚羧酸高性能减水剂粉体。

其次，将陶砂放入水中预湿72h。

最后，将新拌混凝土装入模具中，振动后放置1d，其间用塑料薄膜覆盖防止水分蒸发，脱模后放置养护室进行常温养护。

为了体现上述轻质耐高温超高性能混凝土中各组分的重要性，进行了一系列的对比实验。

对比例1

本对比例提供一种常规的陶砂超高性能混凝土，也即，其中不含有PE颗粒和膨胀蛭石，且微珠改用为粉煤灰，陶砂份量为100；其余参照实施例1所述，获得第一对比混凝土。

对比例2

本对比例旨在说明PE颗粒对上述轻质耐高温超高性能混凝土的抑爆性能的作用。

本对比例与实施例1的相同之处在此不再赘述，仅描述与实施例1的不同之处。本对比例与实施例1的不同之处在于，在本对比例中，不加入PE颗粒；其余参照实施例1中所述，获得第二对比混凝土。

对比例3

本对比例旨在说明膨胀蛭石对上述轻质耐高温超高性能混凝土的耐火性和耐热性的作用。

本对比例与实施例3的相同之处在此不再赘述，仅描述与实施例3的不同之处。本对比例与实施例3的不同之处在于，在本对比例中，不加入膨胀蛭石；其余参照实施例3中所述，获得第三对比混凝土。

对比例4

本对比例旨在说明微珠对上述轻质耐高温超高性能混凝土的耐火性和流动性的作用。

本对比例与实施例2的相同之处在此不再赘述，仅描述与实施例2的不同之处。本对比例与实施例2的不同之处在于，在本对比例中，不加入微珠；其余参照实施例2所述，获得第四对比混凝土。

对比例5

本对比例与实施例4的相同之处在此不再赘述，仅描述与实施例4的不同之处。本对比例与实施例4的不同之处在于，在本对比例中，不加入PE颗粒，钢纤维改用聚丙烯有机纤维，且陶砂份量为120份；也即，以同样是有机物的聚丙烯替代PE颗粒，对比其抑爆性能，且同时发挥纤维作用；其余参照实施例4所述，获得第五对比混凝土。

对比例6

本对比例与实施例3的相同之处在此不再赘述，仅描述与实施例3的不同之处。本对比例与实施例3的不同之处在于，在本对比例中，将PE颗粒改成等量的聚苯乙烯泡沫；其余参照实施例3所述，获得第六对比混凝土。

对比例7

本对比例旨在说明过大粒径的PE颗粒对上述轻质耐高温超高性能混凝土的耐火性的作用。

本对比例与实施例1的相同之处在此不再赘述，仅描述与实施例1的不同之处。本对比例与实施例1的不同之处在于，在本对比例中，将PE颗粒尺寸范围为0.2mm～1.25mm；其余参照实施例1所述，获得第七对比混凝土。

对比例8

本对比例旨在说明微珠需水量比对上述轻质耐高温超高性能混凝土的影响。

本对比例与实施例2的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例2的不同之处。本对比例与实施例2的不同之处在于，在本对比例中，所采用的微珠的需水量比为98％；其余参照实施例2所述，发现其扩展度仅为500mm，不利于混凝土的浇筑工作。

对比例9

本对比例旨在说明微珠活性指数对上述轻质耐高温超高性能混凝土的影响。

本对比例与实施例2的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例2的不同之处。本对比例与实施例2的不同之处在于，在本对比例中，所采用的微珠的28d活性指数为90％；其余参照实施例2所述，发现其28d抗压强度仅为96MPa，与实施例2比降低了17％。

采用同样的测试方法，对上述各实施例及对比例获得的混凝土的性能进行测定。具体地，根据T/CECS 864-2021《超高性能混凝土试验方法标准》进行混凝土的扩展度、抗压和抗弯试验；表观密度根据ASTM C138/C138M-7进行试验；导热系数测试根据ASTM C518-2010进行测试；高温后残余强度和试样情况按照以下方法进行试验：制作100mm×100mm×100mm正方体试样，将试样放入高温炉中经过电阻加热升温到(1600±10)℃，持续(3±0.05)h，冷却12h后观察试样表面情况并进行抗压强度试验；收缩率测试是将100mm×100mm×400mm的试件放入干缩室，用位移传感器测试其收缩率。

上述实施例1～4提供的轻质耐高温超高性能混凝土、及对比例1～7提供的对比混凝土的性能如下表1所示。

表1各实施例及对比例中混凝土的性能测试结果

由表1中各性能数据可以看出，实施例1～4与对比例1相比，本发明的轻质耐高温超高性能混凝土，其表观密度降到1500kg/m³～1650kg/m³，与传统石英砂制备的超高性能混凝土(2500kg/m³～2800kg/m³)相比降低了40％～50％。预湿陶砂在低水胶比的超高性能混凝土中不仅使其容重大幅降低，同时陶砂孔结构储存的水能给超高性能混凝土进行内养护促进水化提高其强度，28d抗压强度大于110MPa。加入PE颗粒和膨胀蛭石作为骨料填充，进一步减轻了混凝土的容重。

实施例1与对比例2相比，由于PE材料呈表面光滑的球型且具有疏水性，PE颗粒用作骨料时对浆体流变性有利。因为混凝土流动性的提高，有利于超高性能混凝土内部的孔隙的减少，从而减少了混凝土的收缩。同时在高温情况下，添加PE颗粒和膨胀蛭石的水泥基材料能明显提高其稳定性和力学性能。由于PE颗粒(线性低密度)的熔点在120℃～124℃之间，常温状态下PE颗粒能作为骨料提供良好的坚固性，当处于高温时PE颗粒熔化在致密的超高性能混凝土内部形成微小通道，释放高温导致的超高性能混凝土内部蒸气压，减缓了超高性能混凝土高温爆裂的情况。

实施例3与对比例3相比，膨胀蛭石外貌呈层状，层与层之间存在微小空间，这能够减缓超高性能混凝土的热传导，起到保温隔热的作用，能够减缓超高性能混凝土材料在高温下受到的热损害。

实施例2与对比例4相比，加入了微珠，提高了混凝土的流动性和耐火性。由于微珠外貌是球状，在混凝土中能起到滚珠作用，提高了超高性能混凝土的流动性。另外，中空的球状微珠能够给材料提供保温的效果，降低材料的热导系数，从而提高了混凝土在高温环境下的耐火性和耐热性。

实施例4与对比例5相比，使用了同体积掺量的钢纤维，提高了材料的抗压、抗弯强度和高温后的稳定性、残余抗压强度、残余抗弯强度。纤维在超高性能混凝土中起到桥接作用，能够在水泥基材料内部错位后产生桥接力，提高了其强度。在高温下，PE颗粒熔融后形成了微小裂隙，钢纤维在超高性能混凝土内部形成三维的网格，能够一定程度上抑制了混凝土受高温剥落的情况，同时提高高温后材料的残余强度。对比例5掺入体积相当量的有机纤维，在高温时，有机纤维熔融，不能抑制混凝土受高温后的剥落。

实施例3和对比例6相比，使用了常规的保温材料聚丙烯泡沫颗粒。虽然聚丙烯泡沫颗粒的加入也能使得超高性能混凝土在高温后保有较高的抗压强度保持率，但是由于聚丙烯泡沫颗粒材料本身的硬度不够，导致加入后所制得的混凝土在强度上大幅度降低。PE颗粒为硬质有机颗粒，在混凝土中能够承担部分的骨架作用，混凝土强度损失量较少。

实施例1与对比例7相比，过大尺寸的PE颗粒会导致混凝土抗压强度降低。这是由于经过高温后，PE颗粒熔融会在内部留下裂隙，大尺寸的PE颗粒经过高温后留下的裂隙较大且不利于钢纤维与基体之间的桥接，由此导致在高温后的残余强度大幅降低，从而影响最终获得的混凝土的力学性能。

Claims

1.一种轻质耐高温超高性能混凝土，其特征在于，包括下述按质量份混合的各组分：

2.根据权利要求1所述的轻质耐高温超高性能混凝土，其特征在于，所述陶砂的容重为1000kg/m³～1400kg/m³，由0.55mm～1.4mm、0.27mm～0.55mm、0.15mm～0.27mm的大中小尺寸构成，且大中小尺寸陶砂的重量比为55～60:25～30:15～20。

3.根据权利要求1所述的轻质耐高温超高性能混凝土，其特征在于，所述PE颗粒的粒径为0.16mm～0.2mm。

4.根据权利要求1所述的轻质耐高温超高性能混凝土，其特征在于，所述膨胀蛭石的粒径为0.16mm～1.25mm。

5.根据权利要求1所述的轻质耐高温超高性能混凝土，其特征在于，所述微珠的自然堆积密度为650kg/m³～700kg/m³，需水量比≤95％，28d活性指数≥100％。

6.根据权利要求1所述的轻质耐高温超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰的比表面积≥19000m²，其中SiO₂含量≥90％；所述纤维为长度13±1mm、直径0.2±0.02mm的镀铜钢纤维；所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率不小于30％。

7.如权利要求1～6任一所述的轻质耐高温超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括步骤：

S1、对陶砂进行预湿处理，获得预湿陶砂；

S2、将硅酸盐水泥、微珠、硅灰、PE颗粒、膨胀蛭石和减水剂混合均匀，获得第一混合体；

S3、向所述第一混合体中加入所述预湿陶砂，搅拌均匀获得第二混合体；

S4、向所述第二混合体中加入纤维，搅拌均匀获得第三混合体；

S5、将所述第三混合体于模具中成型，并进行保湿养护即可。