CN115819052A

CN115819052A - 一种超高早期强度的超高性能混凝土及其制备方法

Info

Publication number: CN115819052A
Application number: CN202211596372.6A
Authority: CN
Inventors: 龙广成; 杨恺; 谢友均; 曾晓辉; 孙成名; 唐卓; 马昆林; 吴昊; 李承洋
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2022-12-12
Filing date: 2022-12-12
Publication date: 2023-03-21

Abstract

本发明提供了一种超高早期强度的超高性能混凝土及其制备方法，该混凝土每立方米包括以下原料：硅酸盐水泥600～800kg/m³、硫铝酸盐水泥50～150kg/m³、硅灰150～250kg/m³、火山岩微粉100～200kg/m³、石英砂1000～1200kg/m³、钢纤维156～234kg/m³、聚合物纤维3～6kg/m³、早强剂4～10kg/m³、减水剂6～18kg/m³、消泡剂1～2kg/m³和水155～180kg/m³；其具有凝结硬化快、早期强度高、韧性好、抗裂性高的优点，并呈现出超高的后期强度与优异的弯曲韧性。

Description

一种超高早期强度的超高性能混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及土木工程材料技术领域，更具体地，涉及一种超高早期强度的超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术

超高性能混凝土(UHPC)是20世纪90年代开发的最具创新性的水泥基材料，具有优异的力学性能、韧性和耐久性。因此，UHPC在具有特殊要求的应用工程中显示出巨大的潜力，如快速抢修抢建工程、防护工程、大跨度桥梁、港口码头、核电站与海上平台等。

随着经济、科技的发展，现代化的一些快速抢修工程要求混凝土在尽可能短的施工时间内表现出超高的力学强度，且凝结时间可调控来保证施工性。除此之外，混凝土还需具有优异的后期强度，且不出现强度的倒缩，同时兼具良好的韧性、抗裂性和耐久性。

针对上述需求，目前市面上的特种水泥往往无法兼具超高的早期强度与凝结时间可调控的双重需求，而为了满足早期过高的强度，往往掺入过高掺量的早强组分，这就使得新拌的混凝土不具有可施工性，即成型后10～20min就开始硬化失去工作性，无法给工程现场预留出合适的施工时间，且过量的早强组分会造成硅酸盐水泥体系后期强度的损伤。此外，施工现场规模化使用蒸汽养护等快速热养护手段养护超高性能混凝土还存在难度高、能耗高的缺点。

鉴于上述，目前迫切需要发明一种在常温养护下，具有超高的早期强度、可控的凝结时间且后期强度稳步发展提升、不倒缩，同时兼具优异韧性与抗裂性的超高性能混凝土。

发明内容

基于现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种超高早期强度的超高性能混凝土，该混凝土具有快速凝结硬化、超高早期强度的特点、后期强度稳步提升、不倒缩，同时兼具优异的韧性，能够实现抢修抢建特种工程的建造与加固。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种超高早期强度的超高性能混凝土，每立方米的所述超高性能混凝土包括如下组分：

在一些实施方式中，所述硅酸盐水泥为P·II 42.5、P·II 52.5、P·II 42.5R、P·II 52.5R中的至少一种。

在一些实施方式中，所述硫铝酸盐水泥的比表面积≥350m²/kg，Al₂O₃含量＞30％，SiO₂含量＜10.5％。

在一些实施方式中，所述硅灰的SiO₂含量≥93wt％，比表面积≥16000m²/kg。

在一些实施方式中，所述火山岩微粉的平均粒径≤10μm，比表面积≥600m²/kg，SiO₂+Al₂O₃≥65％。

在一些实施方式中，所述石英砂采用26～40目、40～70目和150～200目三种级配，质量比为0.50～0.53：0.22～0.25：0.25～0.28。采用特定配比的连续级配石英砂可以使得骨料颗粒初始堆积密度较高，并配合消泡剂消除超高性能混凝土黏度过大，内部气泡无法振捣派出的缺点，有利于提高材料微观结构的密实性，进一步提高混凝土的后期力学强度。

在一些实施方式中，所述钢纤维为平直镀铜微细钢纤维，其直径0.18～0.20mm，长度为8～13mm。

在一些实施方式中，所述聚合物纤维为超高分子量聚乙烯纤维，所述聚乙烯的重均分子量为100万～300万，所述聚乙烯纤维直径为20～70μm，长度为18～24mm。

在一些实施方式中，所述早强剂为C-S-H晶种和三乙醇胺的复合物，所述C-S-H晶种和所述三乙醇胺的质量比为20～30：1～5。硅酸盐和硫铝酸盐水泥复合体系，与复合早强剂匹配，不仅可以加快混凝土早期的强度发展，还随着调整硫铝酸盐水泥和C-S-H晶种与三乙醇胺复合早强剂的掺量可实现对体系凝结时间的调控。

在一些实施方式中，所述减水剂为粉末型聚羧酸超塑化剂。

在一些实施方式中，所述消泡剂为聚醚类高性能粉末消泡剂。

在一些实施方式中，所述超高性能混凝土还包括CaSO₄晶须，所述CaSO₄晶须为柱状纤维，其CaSO₄含量≥95wt％，直径为1～15μm，长度为10～300μm。

在一些实施方式中，所述超高性能混凝土还包括纳米三氧化二铁，所述纳米三氧化二铁平均粒径为35±5nm，可进一步促进水化和实现增强效应。

本发明还提供了上述任一实施方式的超高早期强度的超高性能混凝土的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1、按原料配比进行配料，将所述硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰、火山岩微粉、石英砂混匀后，再加入所述CaSO₄晶须、聚合物纤维、钢纤维和纳米三氧化二铁，混匀，得到干料混合物；

S2、将所述早强剂、减水剂、消泡剂及水加入所述干料混合物中混匀形成浆料；

S3、将所述浆料进行装模、振捣与抹面，常温下(20±1℃)养护，得到所述超高早期强度的超高性能混凝土。

相较于现有技术，本发明的有益效果如下：

1)本发明采用硅酸盐和硫铝酸盐水泥复合体系，配合匹配该复合体系的特定量的早强剂，可以加快混凝土早期的凝结速度，在不借助快速热养护手段下，凭借铝酸盐水泥和早强剂的协同早强作用使得该超高性能混凝土在常温(20±1℃)养护下具有超高的早期强度(24h抗压强度≥100MPa)；

2)硅灰与火山岩微粉等固废资源的加入，以及部分硫铝酸盐水泥取代硅酸盐水泥(生产相同质量硫铝酸盐水泥排放的CO₂仅为硅酸盐水泥的28％)，可有效减少硅酸盐水泥的用量，从而提高本发明超高性能混凝土的绿色度，并且采用低耗能的常温养护手段，使得本发明的超高性能混凝土更具绿色低碳环保的特点；

3)石英砂的加入作为骨料颗粒并配合消泡剂消除超高性能混凝土黏度过大，内部气泡无法振捣排出的缺点，有利于提高材料微观结构的密实性，从而提高超高性能混凝土的后期力学强度(28d抗压强度≥180MPa)；

4)钢纤维、聚合物纤维和晶须的复合使用，结合具有高化学活性的纳米三氧化二铁，有利于从主要水化产物C-S-H凝胶(微纳观)到水泥基体(宏观)发挥出纤维/颗粒多尺度增强增韧的作用，从而实现超高性能混凝土的超高韧性(3、5.5与10.5倍初裂(峰值)挠度的弯曲韧性指数I₅≥5、I₁₀≥10与I₂₀≥20)；

5)本发明提供的超高早期强度的超高性能混凝土制备方法简单高效可操作，具有现场的可施工性，有利于本发明的推广应用。

附图说明

图1为实施例1制备的超高性能混凝土的抗折抗压破坏形态图；

图2为实施例2制备的超高性能混凝土的抗折抗压破坏形态图；

图3为实施例3制备的超高性能混凝土的抗折抗压破坏形态图；

图4为实施例1制备的超高性能混凝土的微观扫描电镜图；

图5为实施例2制备的超高性能混凝土的微观扫描电镜图；

图6为实施例3制备的超高性能混凝土的微观扫描电镜图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

下述实施例和对比例中，采用的硅酸盐水泥为P·II 52.5水泥；硫铝酸盐水泥为快硬型(低碱度)硫铝酸盐水泥(SAC)；硅灰为埃肯940等级微硅粉；CaSO₄晶须为NP-S02-P-I型硫酸钙晶须；纳米三氧化二铁为I级(粒径35±5nm)纳米Fe₂O₃，早强剂为VIVID-300型C-S-H晶种和三乙醇胺的复合物，二者质量比为20：1；减水剂为SD-600P-S型聚羧酸超分散剂；消泡剂为CQ-406高性能消泡剂。

实施例1～3

实施例1～3的超高性能混凝土每立方米的原料配比如下表1所示。

表1实施例1～3的超高性能混凝土每立方米的原料配比(kg/m³)

实施例1～3的超高性能混凝土的制备方法包括以下步骤：

S1、原料的称量：按表1的原料配比称取相应的原料；

S2、粉料的干拌：将硅酸盐水泥P·II 52.5、硫铝酸盐水泥SAC、硅灰、火山岩微粉、石英砂放入搅拌锅中干拌，同时依次加入纤维/颗粒增强材料聚合物纤维和钢纤维(实施例1)；或者加入聚合物纤维、钢纤维和CaSO₄晶须(实施例2)；或者加入聚合物纤维、钢纤维、CaSO₄晶须与纳米Fe₂O₃(实施例3)，干拌均匀，得到干料混合物；

S3、新拌混凝土的制备：将水、早强剂、减水剂、消泡剂加入所述搅拌锅中，与干料混合物搅拌混合均匀形成浆料；

S4、混凝土的成型：将步骤S3得到浆料装入40mm×40mm×160mm的模具中，接着进行振捣与抹面，成型面覆盖薄膜后置于常温下(20±1℃)养护，得到超高早期强度的超高性能混凝土。

对比例1

对比例1的混凝土的每立方米的原料配比如下表2所示。

表2对比例1的混凝土每立方米的原料配比(kg/m³)

对比例1的混凝土的制备方法包括以下步骤：

S1、原材料的称量：按表2所述的原料配比称取相应的原料；

S2、粉料的干拌：将硅酸盐水泥P·II 52.5、硅灰、火山岩微粉、石英砂放入搅拌锅中干拌，同时依次加入纤维增强材料聚合物纤维与钢纤维，干拌均匀，得到干料混合物；

S3、新拌混凝土的制备：将水、减水剂、消泡剂加入所述搅拌锅中，与干料混合物搅拌均匀形成浆料；

S4、混凝土的成型：将步骤S3得到的浆料装入40mm×40mm×160mm的模具中，接着进行振捣与抹面，成型面覆盖塑料膜后放置于常温(20±1℃)下养护，即可得到普通超高性能混凝土。

将实施例1～3和对比例1得到的混凝土进行力学强度与弯曲韧性测试，测试结果如表3所示。

表3实施例1～3和对比例1得到的混凝土的力学强度与弯曲韧性测试结果

由表3可以看出，本发明所述实施例1～3超高早期强度的超高性能混凝土在常温养护6h时抗折与抗压强度均分别大于5MPa与20MPa，在24h时抗折与抗压强度均分别大于25MPa与100MPa。这说明本发明所述超高早期强度的超高性能混凝土在1d养护龄期时即具有超高的力学强度，且凝结速度快速(2～3h左右硬化)，具有合理的可施工时间。而对比例1在6h时还未硬化形成强度，无法满足快速抢修工程在短时间具备高强度的要求。另外，在24h时，对比例1的抗折与抗压强度较低，仅约为实施例1～3抗折与抗压强度的70％。总体而言，本发明所述的超高性能混凝土的施工性良好，凝结时间合理可控，早期具有超高强度(20℃标养1d抗压强度≥100MPa)，且在28d内强度稳步提升，实现优异的后期力学强度性能(28d抗压强度≥180MPa)，不出现强度的倒缩，同时兼具超高的弯曲韧性(I₅≥5、I₁₀≥10与I₂₀≥20)。

除此之外，说明书附图1～3直观看出实施例1～3进行抗折与抗压试验后，试件未断成两段且仍具有很好的完整性；说明书附图4～6可观察到实施例1～3的水泥基体非常致密，基体与骨料之间粘结紧密，进一步说明了实施例1～3试件的超高强度与超高韧性。

综上，本发明所述的超高早期强度的超高性能混凝土可为高等级/高要求快速抢修工程的施工与建造提供可行的技术方案。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种超高早期强度的超高性能混凝土，其特征在于，每立方米的所述超高性能混凝土包括如下组分：

2.根据权利要求1所述的超高早期强度的超高性能混凝土，其特征在于，所述硅酸盐水泥为P·II 42.5、P·II 52.5、P·II 42.5R、P·II 52.5R中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的超高早期强度的超高性能混凝土，其特征在于，所述硫铝酸盐水泥的比表面积≥350m²/kg，Al₂O₃含量＞30％，SiO₂含量＜10％。

4.根据权利要求1所述的超高早期强度的超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰的SiO₂含量≥93wt％，比表面积≥16000m²/kg。

5.根据权利要求1所述的超高早期强度的超高性能混凝土，其特征在于，所述火山岩微粉的平均粒径≤10μm，比表面积≥600m²/kg，SiO₂+Al₂O₃≥65％。

6.根据权利要求1所述的超高早期强度的超高性能混凝土，其特征在于，所述石英砂采用26～40目、40～70目和150～200目三种级配，质量比为0.50～0.53：0.22～0.25：0.25～0.28。

7.根据权利要求1所述的超高早期强度的超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维为平直镀铜微细钢纤维，其直径0.18～0.20mm，长度为8～13mm；和/或，所述聚合物纤维为超高分子量聚乙烯纤维，所述聚乙烯的重均分子量为100万～300万；所述聚乙烯纤维直径为20～70μm，长度为18～24mm。

8.根据权利要求1所述的超高早期强度的超高性能混凝土，其特征在于，所述早强剂为C-S-H晶种和三乙醇胺的复合物，所述C-S-H晶种和所述三乙醇胺的质量比为20～30：1～5；和/或，所述减水剂为粉末型聚羧酸超塑化剂；和/或，所述消泡剂为聚醚类高性能粉末消泡剂。

9.根据权利要求1所述的超高早期强度的超高性能混凝土，其特征在于，所述超高性能混凝土还包括CaSO₄晶须20～30kg/m³，所述CaSO₄晶须为柱状纤维，其CaSO₄含量≥95wt％，直径为1～15μm，长度为10～300μm。

10.根据权利要求1所述的超高早期强度的超高性能混凝土，其特征在于，所述超高性能混凝土还包括纳米三氧化二铁3～6kg/m³，所述纳米三氧化二铁平均粒径为35±5nm。

11.根据权利要求1-10所述的超高早期强度的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、按原料配比进行配料，将所述硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰、火山岩微粉、石英砂混匀后，再加入所述聚合物纤维、钢纤维；或者加入所述聚合物纤维、钢纤维和CaSO₄晶须；或者加入所述聚合物纤维、钢纤维、CaSO₄晶须和纳米Fe₂O₃，混匀，得到干料混合物；

S2、将所述早强剂、减水剂、消泡剂以及水加入所述干料混合物中混匀形成浆料；

S3、将所述浆料进行装模、振捣与抹面，常温下养护，得到所述超高早期强度的超高性能混凝土。