CN116003052A - 基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土及其制备方法。本发明的混凝土包括水泥、粉煤灰微珠、硅灰、人造高强集料、玄武岩粗骨料、镀铜钢纤维、减水剂、水；本发明采用人造高强集料制备超高性能混凝土，可利用其内养护作用可一定程度改善目前超高性能混凝土收缩大的问题，同时结合预拌工艺促进人造高强集料周围浆体形成高强、致密的界面过渡区，提高了高模量超高性能混凝土的力学性能和耐久性能；本发明所得高模量超高性能混凝土的弹性模量为57～60GPa，同时抗压强度等级可达C150以上，并具有良好的工作性能、力学性能以及体积稳定性，可有效提升混凝土构件的韧性、耐久性能及弹性模量，具有重要的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
随着水泥科学技术的进步以及对结构高强轻型化的需要，普通混凝土已经不再满足一些桥梁工程的施工要求。在这种情况下，性能优于普通混凝土的超高性能混凝土(UHPC)应运而生。UHPC是通过矿物掺合料替代水泥优化颗粒堆积密度、降低水胶比以及使用钢纤维和外加剂制备而成，其具有较好的流动性和优异的力学性能。此外，优异的耐久性能使UHPC能够抵御沿海、盐碱地区的侵蚀。因此，近二十年来UHPC开始频繁地应用于道路路面、桥梁结构等基础设施施工工程中。
目前，中日美法等各国相继制定并颁布了UHPC材料及结构设计的技术规范和施工指南，对无粗骨料的UHPC的研究与应用已经相对成熟。但相比于普通混凝土，UHPC仍有一些缺点：1)原材料的影响因素复杂，胶凝材料用量大，水胶比低，导致其水化不充分且早期收缩较大，对UHPC的耐久性和强度具有负面影响；2)弹性模量不高，UHPC的抗压强度是普通混凝土的数倍，但弹性模量却只比普通混凝土高约20％，这会导致桥梁结构刚度不足而变形过度发生破坏，此时结构设计受限于UHPC的弹性模量，其优异的抗压强度无法得到有效使用。因此，迫切需要研发具有高强高弹性模量和低收缩的混凝土，以满足我国道路桥梁结构高强轻型化的发展需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土及其制备方法，以解决或部分解决现有技术中存在的技术问题。
第一方面，本发明提供了一种基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，包括以下配比的原料：水泥600～700kg/m3、粉煤灰微珠120～200kg/m3、硅灰150～200kg/m3、人造高强集料800～1500kg/m3、玄武岩粗骨料0～700kg/m3、镀铜钢纤维100～250kg/m3、减水剂20～35kg/m3、水170～220kg/m3；
其中，人造高强集料的制备方法为：将煤矸石、工业氧化铝、糊精和水混合后造粒，再于1500～1700℃下保温1～3h，即得人造高强集料。
优选的是，所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，所述人造高强集料的制备方法为：将煤矸石和工业氧化铝混合后，再加入糊精和水，继续混合得到浆料；
将浆料进行造粒后得到造粒料；
将造粒料干燥后，于1500～1700℃下保温1～3h，即得人造高强集料。
优选的是，所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，所述人造高强集料的制备步骤中，所述煤矸石、工业氧化铝、糊精和水的质量比为(50～70):(25～45):(2～5):(3～7)。
优选的是，所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，所述水泥为P·II52.5硅酸盐水泥。
优选的是，所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，所述粉煤灰微珠烧失量≤5.0％，需水量比≤90％，球形颗粒体积率≥95％。
优选的是，所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，所述硅灰的SiO2质量含量≥95％，比表面积≥15500m2/kg，28d活性指数≥100％。
优选的是，所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，所述镀铜钢纤维的长度为8～12mm、直径为0.18～0.35mm、断裂强度≥3000Mpa、弹性模量为40～60Gpa。
优选的是，所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，所述玄武岩粗骨料粒径为5～8mm，压碎值为5～9％。
优选的是，所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
第二方面，本发明还提供了一种所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将人造高强集料放入水中浸泡至饱水状态；
将浸泡后的人造高强集料、水泥、硅灰、粉煤灰微珠搅拌混合，然后加入部分水和减水剂继续搅拌，再加入镀铜钢纤维和余下的水再次搅拌后，加入玄武岩粗骨料，继续搅拌，进行装模、振捣和成型，得到混凝土拌合物；
用不透水的薄膜覆盖混凝土拌合物表面，然后放入养护室中养护，即得高模量超高性能混凝土。
本发明的一种基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土及其制备方法相对于现有技术具有以下有益效果：
本发明的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土的制备方法，采用人造高强集料制备超高性能混凝土，可利用其内养护作用可一定程度改善目前超高性能混凝土收缩大的问题，同时结合预拌工艺促进人造高强集料周围浆体形成高强、致密的界面过渡区，提高了高模量超高性能混凝土的力学性能和耐久性能；采用聚羧酸减水剂和粉煤灰微珠等矿物掺合料，优化混凝土拌合物的工作性能，改善混凝土的密实性和均质性，并进一步降低混凝土的收缩量，提高高模量超高性能混凝土的力学性能和体积稳定性能；本发明结合玄武岩粗骨料降低收缩以及人造高强集料的内养护作用，有效提升超高性能混凝土的抗裂性能和体积稳定性，同时可优化混凝土的孔结构，改善混凝土的耐久性能；本发明采用的人造高强集料中氧化铝的总含量占细集料总元素含量的60％以上，人造高强集料的掺入能够有效提升UHPC的弹性模量；本发明所得高模量超高性能混凝土的表观密度为2500～2700kg/m3，弹性模量为57～60GPa，同时抗压强度等级可达C150以上，并具有良好的工作性能、力学性能以及体积稳定性，可有效提升混凝土构件的韧性、耐久性能及弹性模量，具有重要的实际应用价值。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供了一种基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，包括以下配比的原料：水泥600～700kg/m3、粉煤灰微珠120～200kg/m3、硅灰150～200kg/m3、人造高强集料800～1500kg/m3、玄武岩粗骨料0～700kg/m3、镀铜钢纤维100～250kg/m3、减水剂20～35kg/m3、水170～220kg/m3；
其中，人造高强集料的制备方法为：将煤矸石、工业氧化铝、糊精和水混合后造粒，再于1500～1700℃下保温1～3h，即得人造高强集料。
在一些实施例中，人造高强集料的制备方法为：将煤矸石和工业氧化铝混合后，再加入糊精和水，继续混合得到浆料；
将浆料进行造粒后得到造粒料；
将造粒料干燥后，于1500～1700℃下保温1～3h，即得人造高强集料。
具体的，上述实施例中，造粒料粒径为2～10mm，造粒料干燥温度为100～120℃、干燥时间为1～3h。
在一些实施例中，人造高强集料的制备步骤中，煤矸石、工业氧化铝、糊精和水的质量比为(50～70):(25～45):(2～5):(3～7)。
上述实施例制备得到的人造高强集料，氧化铝质量含量＞60％，表观密度为2555～2565kg/m3，饱和面干吸水率为5％～7％。
在一些实施例中，水泥为P·II 52.5硅酸盐水泥。
在一些实施例中，粉煤灰微珠烧失量≤5.0％，需水量比≤90％，球形颗粒体积率≥95％。
在一些实施例中，硅灰的SiO2质量含量≥95％，比表面积≥15500m2/kg，28d活性指数≥100％。
在一些实施例中，镀铜钢纤维的长度为8～12mm、直径为0.18～0.35mm、断裂强度≥3000Mpa、弹性模量为40～60Gpa。
在一些实施例中，玄武岩粗骨料粒径为5～8mm，压碎值为5～9％。
在一些实施例中，减水剂为聚羧酸减水剂。
在一些实施例中，水为普通自来水，符合《混凝土用水标准》JGJ63的要求。
本发明采用人造高强集料制备高弹性模量超高性能混凝土，一方面可有效提升UHPC材料中高弹性模量组分的含量，改善UHPC材料的弹性模量；另一方面，人造高强集料表明有大量微细连通孔，该结构不仅提高了人造高强集料与水泥砂浆之间的粘结强度，且人造高强集料具有内养护作用，经过清水浸泡后的人造高强集料在混凝土成型后会随着时间的延长缓慢释放出内部水分，使混凝土得到充分的内养护，大幅降低混凝土的自收缩和干燥收缩，同时提高混凝土的密实性和强度；硅灰中SiO2质量含量在95％以上，而且绝大多数是无定型SiO2，具有高的火山灰活性；同时，硅灰颗粒主要为非晶态的球形颗粒，平均粒径在0.1～0.2μm级别，硅灰黏滞阻力大，显著改善新拌混凝土的离析泌水，但同时增大了新拌混凝土的粘度；本发明通过掺入粉煤灰微珠，利用超细粉煤灰微珠自身的滚珠效应、填充和减水作用，可以有效改善新拌混凝土流动性和匀质性，同时也可以填充和“细化”混凝土中的空隙和毛细孔，提高混凝土的力学性能和耐久性能。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种上述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1、将人造高强集料放入水中浸泡至饱水状态；
S2、将浸泡后的人造高强集料、水泥、硅灰、粉煤灰微珠搅拌混合，然后加入部分水和减水剂继续搅拌，再加入镀铜钢纤维和余下的水再次搅拌后，加入玄武岩粗骨料，继续搅拌，进行装模、振捣和成型，得到混凝土拌合物；
S3、用不透水的薄膜覆盖混凝土拌合物表面，然后放入养护室中养护，即得高模量超高性能混凝土。
具体的，将浸泡后的人造高强集料、水泥、硅灰、粉煤灰微珠加入混凝土搅拌机预拌1～3min，随后倒入70％～80％(质量分数)水和聚羧酸减水剂湿拌3～5min，再加入镀铜钢纤维和余下的水搅拌均匀，最后倒入玄武岩粗骨料搅拌3～7min；进行装模、振捣、成型后得到混凝土拌合物；表面覆盖不透水的薄膜覆盖混凝土拌合物表面，进行薄膜养护后拆模，最后进行标准养护或蒸汽养护至规定龄期，即得所述高模量超高性能混凝土。
本发明的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土的制备方法，采用人造高强集料制备超高性能混凝土，可利用其内养护作用可一定程度改善目前超高性能混凝土收缩大的问题，同时结合预拌工艺促进人造高强集料周围浆体形成高强、致密的界面过渡区，提高了高模量超高性能混凝土的力学性能和耐久性能；采用聚羧酸减水剂和粉煤灰微珠等矿物掺合料，优化混凝土拌合物的工作性能，改善混凝土的密实性和均质性，并进一步降低混凝土的收缩量，提高高模量超高性能混凝土的力学性能和体积稳定性能；本发明结合玄武岩粗骨料降低收缩以及人造高强集料的内养护作用，有效提升超高性能混凝土的抗裂性能和体积稳定性，同时可优化混凝土的孔结构，改善混凝土的耐久性能；本发明采用的人造高强集料中氧化铝的总含量占细集料总元素含量的60％以上，人造高强集料的掺入能够有效提升UHPC的弹性模量；本发明所得高模量超高性能混凝土的表观密度为2500～2700kg/m3，弹性模量为57～60GPa，同时抗压强度等级可达C150以上，并具有良好的工作性能、力学性能以及体积稳定性，可有效提升混凝土构件的韧性、耐久性能及弹性模量，具有重要的实际应用价值。
以下进一步以具体实施例说明本申请的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土及其制备方法。本部分结合具体实施例进一步说明本发明内容，但不应理解为对本发明的限制。如未特别说明，实施例中所采用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本领域常规试剂、方法和设备。
以下实施例和对比例中，水泥采用湖北娲石P·II 52.5硅酸盐水泥；硅灰由四川朗天资源综合利用公司，SiO2质量含量为95％，比表面积19000m2/kg，28d活性指数105％；粉煤灰微珠由天津筑成新材料科技有限公司提供，比表面积1200m2/kg，28d活性指数＞90％，非晶态；镀铜钢纤维由武汉新途工程新材料科技有限公司生产，公称长度12mm，当量直径0.20mm，断裂强度3500MPa左右，弹性模量52GPa左右；玄武岩由湖北宜昌某公司生产，粒径为5-8mm，表观密度为2900kg/m3，压碎值为7.2％；减水剂采用工科首诚有限工程生产的固含量为50％的高减水率、低引气量的聚羧酸高性能减水剂；水为普通自来水。
以下实施例中所用的人造高强集料的制备方法包括以下步骤：
将煤矸石和工业氧化铝在240r/min的球磨机中混料40min，再加入糊精和水，混合均匀后得到浆料；
将浆料放入造粒机进行造粒，得到粒径为5mm造粒料；
将造粒料于110℃干燥12h后至于1600℃保温2h，即得人造高强集料。
实施例1
本申请实施例提供了一种基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，包括以下配比的原料：水泥625kg/m3、粉煤灰微珠135kg/m3、硅灰165kg/m3、人造高强集料800kg/m3、玄武岩粗骨料500kg/m3、镀铜钢纤维160kg/m3、聚羧酸减水剂30kg/m3、水204kg/m3。
上述基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土的制备方法包括以下步骤：S1、将人造高强集料放入水中浸泡至饱水状态；
S2、将浸泡后的人造高强集料、水泥、硅灰、粉煤灰微珠加入混凝土搅拌机预拌3min，随后倒入153kg/m3的水和聚羧酸减水剂湿拌5min，再加入镀铜钢纤维和51kg/m3的水搅拌均匀，最后倒入玄武岩粗骨料搅拌5min；进行装模、振捣、成型后得到混凝土拌合物；
S3、用不透水的薄膜覆盖混凝土拌合物表面，进行薄膜养护后拆模，最后进行标准养护，即得高模量超高性能混凝土。
实施例2
本申请实施例提供了一种基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，包括以下配比的原料：水泥600kg/m3、粉煤灰微珠115kg/m3、硅灰130kg/m3、人造高强集料887kg/m3、玄武岩粗骨料500kg/m3、镀铜钢纤维160kg/m3、聚羧酸减水剂30kg/m3、水204kg/m3。
上述基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土的制备方法包括以下步骤：S1、将人造高强集料放入水中浸泡至饱水状态；
S2、将浸泡后的人造高强集料、水泥、硅灰、粉煤灰微珠加入混凝土搅拌机预拌3min，随后倒入153kg/m3的水和聚羧酸减水剂湿拌5min，再加入镀铜钢纤维和51kg/m3的水搅拌均匀，最后倒入玄武岩粗骨料搅拌5min；进行装模、振捣、成型后得到混凝土拌合物；
S3、用不透水的薄膜覆盖混凝土拌合物表面，进行薄膜养护后拆模，最后进行标准养护，即得高模量超高性能混凝土。
实施例3
本申请实施例提供了一种基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，包括以下配比的原料：水泥600kg/m3、粉煤灰微珠150kg/m3、硅灰180kg/m3、人造高强集料735kg/m3、玄武岩粗骨料500kg/m3、镀铜钢纤维160kg/m3、聚羧酸减水剂28.25kg/m3、水192kg/m3。
上述基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土的制备方法包括以下步骤：S1、将人造高强集料放入水中浸泡至饱水状态；
S2、将浸泡后的人造高强集料、水泥、硅灰、粉煤灰微珠加入混凝土搅拌机预拌3min，随后倒入144kg/m3的水和聚羧酸减水剂湿拌5min，再加入镀铜钢纤维和48kg/m3的水搅拌均匀，最后倒入玄武岩粗骨料搅拌5min；进行装模、振捣、成型后得到混凝土拌合物；
S3、用不透水的薄膜覆盖混凝土拌合物表面，进行薄膜养护后拆模，最后进行标准养护，即得高模量超高性能混凝土。
对比例1
本对比例提供了一种混凝土，包括以下配比的原料：水泥625kg/m3、粉煤灰微珠135kg/m3、硅灰165kg/m3、石英砂869kg/m3、玄武岩粗骨料500kg/m3、镀铜钢纤维160kg/m3、聚羧酸减水剂30kg/m3、水204kg/m3。
上述基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土的制备方法包括以下步骤：
S1、将石英砂、水泥、硅灰、粉煤灰微珠加入混凝土搅拌机预拌3min，随后倒入153kg/m3的水和聚羧酸减水剂湿拌5min，再加入镀铜钢纤维和51kg/m3的水搅拌均匀，最后倒入玄武岩粗骨料搅拌5min；进行装模、振捣、成型后得到混凝土拌合物；
S2、用不透水的薄膜覆盖混凝土拌合物表面，进行薄膜养护后拆模，最后进行标准养护，即得混凝土。
性能测试
测试实施例1～3以及对比例1中制备得到的混凝土性能，结果如下表1所示。
表1-不同实施例制备得到的混凝土性能
上述结果表明，本发明所得高模量超高性能混凝土具有良好的工作性能、力学性能和体积稳定性，所得高模量超高性能混凝土的弹性模量在57GPa以上，较未掺人造高强骨料的超高性能混凝土弹性模量增加10％以上，抗压强度等级可达C150以上，且具有高韧性和较好的体积稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，其特征在于，包括以下配比的原料：水泥600～700kg/m3、粉煤灰微珠120～200kg/m3、硅灰150～200kg/m3、人造高强集料800～1500kg/m3、玄武岩粗骨料0～700kg/m3、镀铜钢纤维100～250kg/m3、减水剂20～35kg/m3、水170～220kg/m3；
其中，人造高强集料的制备方法为：将煤矸石、工业氧化铝、糊精和水混合后造粒，再于1500～1700℃下保温1～3h，即得人造高强集料。
2.如权利要求1所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，其特征在于，所述人造高强集料的制备方法为：将煤矸石和工业氧化铝混合后，再加入糊精和水，继续混合得到浆料；
将浆料进行造粒后得到造粒料；
将造粒料干燥后，于1500～1700℃下保温1～3h，即得人造高强集料。
3.如权利要求1所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，其特征在于，所述人造高强集料的制备步骤中，所述煤矸石、工业氧化铝、糊精和水的质量比为(50～70):(25～45):(2～5):(3～7)。
4.如权利要求1所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为P·II 52.5硅酸盐水泥。
5.如权利要求1所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，其特征在于，所述粉煤灰微珠烧失量≤5.0％，需水量比≤90％，球形颗粒体积率≥95％。
6.如权利要求1所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰的SiO2质量含量≥95％，比表面积≥15500m2/kg，28d活性指数≥100％。
7.如权利要求1所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，其特征在于，所述镀铜钢纤维的长度为8～12mm、直径为0.18～0.35mm、断裂强度≥3000Mpa、弹性模量为40～60Gpa。
8.如权利要求1所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，其特征在于，所述玄武岩粗骨料粒径为5～8mm，压碎值为5～9％。
9.如权利要求1～8任一所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
10.一种如权利要求1～9任一所述的基于人造高强集料的高模量超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将人造高强集料放入水中浸泡至饱水状态；
将浸泡后的人造高强集料、水泥、硅灰、粉煤灰微珠搅拌混合，然后加入部分水和减水剂继续搅拌，再加入镀铜钢纤维和余下的水再次搅拌后，加入玄武岩粗骨料，继续搅拌，进行装模、振捣和成型，得到混凝土拌合物；
用不透水的薄膜覆盖混凝土拌合物表面，然后放入养护室中养护，即得高模量超高性能混凝土。
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