CN118063171B - 高延性混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土生产技术领域，具体公开了一种高延性混凝土及其制备方法，本发明的生产原料配方包括如下质量份数比例的各组分：胶凝材料1450～1550份、石英砂435～465份、超高分子量聚乙烯纤维13～20份、减水剂6.5～7份、增稠剂0.4～0.8份、早强剂3～8份、消泡剂5～5.4份；所述胶凝材料由水泥和复合矿物掺合料按照2.3～4:1的质量比组成；所述复合矿物掺合料由锂渣粉、电炉精炼渣粉和粒化高炉矿渣粉按照0.5～1.5:0.5～1.5:1的质量比组成。其优点是：能够显著提高混凝土材料的抗弯拉强度、延伸率和基体粘接强度，所得高延性混凝土抗压强度≥60MPa，等效弯曲韧性≥600kJ/m3，等效弯曲强度≥12MPa，极限抗拉强度≥5MPa，极限延伸率≥6.0%，对砖正拉粘接强度≥2.0MPa。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土生产技术领域，尤其是一种超高性能混凝土生产方法。
背景技术
混凝土是当代应用最为普遍的建筑材料，普通混凝土具备脆性大、易开裂和抗弯拉强度低的缺点。而现代建筑工程、市政工程中存在大量受力情况复杂、条件恶劣的环境，并且一些加固及修补部位对建筑材料的抗弯拉性能、基体粘接性能等有特殊要求，普通混凝土材料难以满足上述应用环境及性能要求。高延性混凝土是一种高抗弯拉强度、高延性、高耐久性的纤维增强水泥基复合材料，克服了传统混凝土抗弯拉强度低、易于开裂、韧性差的缺点，满足了这些建筑结构或构件对安全性、耐久性要求。
本发明基于上述背景，提出一种的高延性混凝土及其制备方法，其具备更高的抗弯拉强度、高延性和较好的基体粘接强度，使其作为建筑结构构件或者加固建筑结构时可大幅提高建筑物的抗弯拉性能及耐久性。
发明内容
为提高混凝土材料的抗弯拉强度、延伸率和基体粘接强度，本发明提供了一种高延性混凝土及其制备方法。
本发明所采用的技术方案是：高延性混凝土的制备方法，生产原料配方包括如下质量份数比例的各组分：胶凝材料1450～1550份、石英砂435～465份、超高分子量聚乙烯纤维13～20份、减水剂6.5～7份、增稠剂0.4～0.8份、早强剂3～8份、消泡剂5～5.4份；所述胶凝材料由水泥和复合矿物掺合料按照2.3～4 : 1的质量比组成；所述复合矿物掺合料由锂渣粉、电炉精炼渣粉和粒化高炉矿渣粉按照0.5～1.5 : 0.5～1.5 : 1的质量比组成。
部分组分说明：
本发明所述锂渣粉，指的是硫酸法炼锂工艺中，锂矿石经高温煅烧并经酸浸和碱中和处理所副产的锂渣，该锂渣经粉磨即为本发明所述锂渣粉。
本发明所述电炉精炼渣粉，指的是电炉精炼钢工艺所产生的CaO-SiO2-MgO-Al2O3系的精练渣，该精练经粉磨即为本发明所述电炉精炼渣粉。需要说明的是，本发明的电炉精炼渣粉不同于本领域所通称的“钢渣”，钢渣指的是生铁中的杂质在熔炼过程中氧化而成的各种氧化物以及这些氧化物与溶剂反应生成的盐类所组成混合物的统称，其来源、成分和性质与本发明的电炉精炼渣粉均显著不同。
本领域技术人员容易理解的，本发明所述的粒化高炉矿渣粉，是由符合GB/T203标准的粒化高炉矿渣，经干燥、粉磨所得。
作为本发明的进一步改进，包括按照所述生产原料配方量取各原料后按照水胶比0.22～0.24 : 1的比例加水拌和成型的步骤。本领域技术人员能够理解，所用水应满足《混凝土用水标准》（JGJ 63-2006）。
作为本发明的进一步改进，所述粒化高炉矿渣粉满足比表面积≥420m2/kg，28d活性指数≥95%，流动度比≥95%。
作为本发明的进一步改进，所述电炉精炼渣粉满足比表面积≥400m2/kg，28d活性指数≥75%，6h压蒸膨胀率≤0.50%。
作为本发明的进一步改进，所述锂渣粉满足比表面积≥450m2/kg，活性指数≥100%，需水量比≤115%，SO3质量分数≤7.0%。
作为本发明的进一步改进，所述水泥为42.5R硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，且满足3d抗压强度≥25MPa，28d抗压强度≥46MPa。本方案采用42.5强度等级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，保证了高延性混凝土的基体强度以及弹性模量，也使本发明的水胶比下的基体强度和弹性模量与性能纤维匹配。本方案采用早强型水泥可提升高延性混凝土的凝结时间和早期强度，使超高延性混凝土更适用于各类加固工程。
作为本发明的进一步改进，所述石英砂由40～70目石英砂和70～140目石英砂按照1.1～1.7 : 1的质量比级配而成。本方案对石英砂的级配进行了设计，石英砂的颗粒粒径在0.425mm以下，避免集料过大造成的沉降，并分为40～70目、70～140目的二级配集料体系使细集料堆积密实，粒度较小的石英砂嵌入较大颗粒粒径之间，不仅形成密实堆积结构，提升体系强度，使所制备出的浆体流动状态良好，强度优良。
作为本发明的进一步改进，所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚；所述早强剂为甲酸钙，纯度为工业纯及以上纯度；所述消泡剂为聚醚类消泡剂；所述减水剂为高分散高性能聚羧酸减水剂，且满足减水率大于35%。羟丙基甲基纤维素醚在碱性条件下仍具备较好的粘度和稳定性，可有增加新拌浆体在建筑上的粘接强度。
本发明的超高分子量聚乙烯纤维由分子量100万～500万的线形聚乙烯制得，单丝直径25μm、长度18mm，且满足断裂伸长率≤4.0%，断裂强度≥30cN/dtex，初始模量≥1100cN/dtex。本发明所采用的超高分子量聚乙烯纤维，具备很高的断裂强度和弹性模量，且具有憎水的特性，使高延性混凝土受拉、弯力作用时，纤维在拉拔滑移纤维和基体粘接力过强而造成的纤维拉断减少，更易发生滑动硬化相应的效果，使基体获得较好的稳态多裂缝发展，达到应变强化效果。进而获得高延性和高抗弯拉性能。
本发明还公开了一种高延性混凝土，其即是由本发明的高延性混凝土的制备方法所制得。
本发明的有益效果是：本发明的高延性混凝土的制备方法能够显著提高混凝土材料的抗弯拉强度、延伸率和基体粘接强度，所得高延性混凝土抗压强度≥60MPa，等效弯曲韧性≥600kJ/m3，等效弯曲强度≥12MPa，极限抗拉强度≥5MPa，极限延伸率≥6.0%，对砖正拉粘接强度≥2.0MPa。
附图说明
图1是实施例一所制得的高延性混凝土试样拉伸性能测试状态示意图。
图2是实施例一所制得的高延性混凝土试样拉伸性能测试的拉伸应力应变曲线。
图3是实施例一所制得的高延性混凝土试样抗弯性能测试状态示意图。
图4是实施例一所制得的高延性混凝土试样抗弯性能测试的载荷-挠度曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
实施例一
按照如下方法制备高延性混凝土：
（1）按照如下生产原料配方量取各组分：
胶凝材料1495份：胶凝材料由P∙O 42.5R硅酸盐水泥（3d抗压强度为29MPa，28d抗压强度为51MPa）和复合矿物掺合料按照3.15 : 1的质量比组成；所述复合矿物掺合料由锂渣粉、电炉精炼渣粉、粒化高炉矿渣粉按照1 : 1 : 1的质量比组成；所述粒化高炉矿渣粉表面积为431m2/kg，28d活性指数为104%，流动度比为99%；所述电炉精炼渣粉比表面积为418m2/kg，所含化学元素以氧化物质量计CaO为44.5%，SiO2为26.6%，MgO为8.3%，28d活性指数为82%，6h压蒸膨胀率为0.35%；所述锂渣粉比表面积为483m2/kg，活性指数为103%，需水量比为110%，SO3质量分数为6.6%；
石英砂450份：由40～70目石英砂和70～140目石英砂按照1.5 : 1的质量比级配而成；
超高分子量聚乙烯纤维17份：单丝直径25μm，长度18mm，断裂伸长率3.9%，断裂强度31cN/dtex，初始模量1150cN/dtex；
聚羧酸减水剂6.7份：减水率39%；
羟丙基甲基纤维素醚0.5份；
甲酸钙4份；
聚醚类消泡剂5份。
按照水胶比0.23 : 1的比例加水拌和成型，将其装入100mm×100mm×100mm的抗压模具、40mm×40mm×160mm的抗弯拉模具、60mm×240mm×13mm的拉伸模具，放置于相对湿度＞95%的标准养护室养护24h后，脱模，将试块继续放置上述标准养护环境养护到龄期后，得到高延性混凝土试样。
测试其力学性能：立方抗压强度的测试方法参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB∕T50081进行。等效弯曲韧性和等效弯曲强度参照《高韧性混凝土加固砌体结构技术规程》T/CECS 997 附录A进行。极限抗拉强度、极限延伸率按照《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》 JC/T 2491进行。对砖正拉粘接强度按照《建筑结构加固工程施工质量验收规范》GB 50550的有关规定进行。检测结果见表1。
图1为实施例一所制得的高延性混凝土试样拉伸性能测试状态示意图，图1中可以看出混凝土试样在拉伸过程中呈现良好的多缝开裂现象。
图2为实施例一所制得的高延性混凝土试样拉伸性能测试的拉伸应力应变曲线，可见试样具备优秀的拉伸率和拉伸强度。
图3为实施例一所制得的高延性混凝土试样抗弯性能测试状态示意图，图3中可以看出混凝土试样具备较大的弯曲形变能力。
图4为实施例一所制得的高延性混凝土试样抗弯性能测试的载荷-挠度曲线，可见试样具备优秀的等效弯曲韧性和等效弯曲强度。
实施例二
该实施例相对于实施例一仅进行了生产原料配方的比例的调整，所用原料批次、种类、制备方法、检测方法等均与实施例一相同。
本实施例生产原料配方比例如下：
胶凝材料1470份：胶凝材料由P∙O 42.5R硅酸盐水泥和复合矿物掺合料按照2.71:1的质量比组成；所述复合矿物掺合料由锂渣粉、电炉精炼渣粉、粒化高炉矿渣粉按照1:1:1的质量比组成；
石英砂442份：由40～70目石英砂和70～140目石英砂按照1.5 : 1的质量比级配而成；
超高分子量聚乙烯纤维20份；
聚羧酸减水剂6.6份；
羟丙基甲基纤维素醚0.5份；
甲酸钙4份；
聚醚类消泡剂5份；
水胶比0.23 : 1。
所得高延性混凝土力学性能检测结果见表1。
实施例三
该实施例相对于实施例一仅进行了生产原料配方的比例的调整，所用原料批次、种类、制备方法、检测方法等均与实施例一相同。
本实施例生产原料配方比例如下：
胶凝材料1520份：胶凝材料由P∙O 42.5R硅酸盐水泥和复合矿物掺合料按照2.33:1的质量比组成；所述复合矿物掺合料由锂渣粉、电炉精炼渣粉、粒化高炉矿渣粉按照1:1:1的质量比组成；
石英砂456份：由40～70目石英砂和70～140目石英砂按照1.51 : 1的质量比级配而成；
超高分子量聚乙烯纤维13份；
聚羧酸减水剂6.9份；
羟丙基甲基纤维素醚0.5份；
甲酸钙4份；
聚醚类消泡剂5份；
水胶比0.23 : 1。
所得高延性混凝土力学性能检测结果见表1。
对比例一：
该对比例为实施例一的对照实验，按照与实施例一相同的步骤和条件实施，所有原料与实施例一均为同一批次，其区别仅在于：复合矿物掺合料全部为粒化高炉矿渣粉（不使用锂渣粉和电炉精炼渣粉），胶凝材料仍由P∙O 42.5R硅酸盐水泥和复合矿物掺合料按照3.15 : 1的质量比组成。
所得混凝土力学性能检测结果见表1。
对比例二：
该对比例为实施例一的对照实验，按照与实施例一相同的步骤和条件实施，所有原料与实施例一均为同一批次，其区别仅在于：复合矿物掺合料全部为电炉精炼渣粉（不使用锂渣粉和粒化高炉矿渣粉），胶凝材料仍由P∙O 42.5R硅酸盐水泥和复合矿物掺合料按照3.15 : 1的质量比组成。
所得混凝土力学性能检测结果见表1。
对比例三：
该对比例为实施例一的对照实验，按照与实施例一相同的步骤和条件实施，所有原料与实施例一均为同一批次，其区别仅在于：复合矿物掺合料全部为锂渣粉（不使用电炉精炼渣粉和粒化高炉矿渣粉），胶凝材料仍由P∙O 42.5R硅酸盐水泥和复合矿物掺合料按照3.15 : 1的质量比组成。
所得混凝土力学性能检测结果见表1。
对比例四：
该对比例为实施例一的对照实验，按照与实施例一相同的步骤和条件实施，所有原料与实施例一均为同一批次，其区别仅在于：复合矿物掺合料由锂渣粉和粒化高炉矿渣粉按照质量比1 : 1组成（不使用电炉精炼渣粉），胶凝材料仍由P∙O 42.5R硅酸盐水泥和复合矿物掺合料按照3.15 : 1的质量比组成。
所得混凝土力学性能检测结果见表1。
对比例五：
该对比例为实施例一的对照实验，按照与实施例一相同的步骤和条件实施，所有原料与实施例一均为同一批次，其区别仅在于：复合矿物掺合料由粒化高炉矿渣粉和电炉精炼渣粉按照质量比1 : 1组成（不使用锂渣粉），胶凝材料仍由P∙O 42.5R硅酸盐水泥和复合矿物掺合料按照3.15 : 1的质量比组成。
所得混凝土力学性能检测结果见表1。
对比例六：
该对比例为实施例一的对照实验，按照与实施例一相同的步骤和条件实施，所有原料与实施例一均为同一批次，其区别仅在于：复合矿物掺合料由锂渣粉和电炉精炼渣粉按照质量比1 : 1组成（不使用粒化高炉矿渣粉），胶凝材料仍由P∙O 42.5R硅酸盐水泥和复合矿物掺合料按照3.15 : 1的质量比组成。
所得混凝土力学性能检测结果见表1。
对比例七：
该对比例为实施例一的对照实验，按照与实施例一相同的步骤和条件实施，所有原料与实施例一均为同一批次，其区别仅在于：将超高分子量聚乙烯纤维的用量比例减少至8份。
所得混凝土力学性能检测结果见表1。
对比例八：
该对比例为实施例一的对照实验，按照与实施例一相同的步骤和条件实施，所有原料与实施例一均为同一批次，其区别仅在于：将超高分子量聚乙烯纤维替换为同质量比例的聚乙烯醇纤维。
所得混凝土力学性能检测结果见表1。
对比例九：
该对比例为实施例一的对照实验，按照与实施例一相同的步骤和条件实施，所有原料与实施例一均为同一批次，其区别仅在于：将水胶比调整为0.30 : 1。
所得混凝土力学性能检测结果见表1。
对比例十：
该对比例为实施例一的对照实验，按照与实施例一相同的步骤和条件实施，所有原料与实施例一均为同一批次，其区别仅在于：不使用增稠剂和消泡剂。
所得混凝土力学性能检测结果见表1。
表1 实施例及对比例所得混凝土力学性能检测结果表
由表1中实施例一、实施例二和实施例三的检测结果可以看出，采用本发明的方法制得的高延性混凝土抗压强度达到72Mpa以上，等效弯曲韧性可达800kJ/m3以上，等效弯曲强度可达15MPa以上，极限抗拉强度达到5MPa以上，极限延伸率可达6%以上，对砖正拉粘接强度达到2.3MPa以上，显著提高了混凝土材料的抗弯拉强度、延伸率和基体粘接强度。
由表1中实施例一、对比例一、对比例二、对比例三与对比例四的力学性能比较可以看出，在复合矿物掺合料使用总量完全不变的前提下，单独使用粒化高炉矿渣粉的对比例一的等效弯曲强度、极限延伸率、对砖正拉粘接强度分别为14.5MPa、4.23%和2.41MPa，单独使用电炉精炼渣粉的对比例二的对应性能分别为13.5MPa、5.56%和1.81MPa，单独使用锂渣粉的对比例三的对应性能分别为11.8MPa、4.61%和2.12MPa。根据计算，在复合矿物掺合料使用总量完全不变的前提下，将三种掺合料按照质量比1 : 1 : 1进行复配，所得混凝土的等效弯曲强度、极限延伸率、对砖正拉粘接强度理论值应分别为13.3MPa、4.80%和2.11MPa，而实施例一的实际测得值分别为15.2MPa、6.74%和2.44MPa，分别明显高出理论值14.3%、40.4%和15.6%。可见由粒化高炉矿渣粉、电炉精炼渣粉和锂渣粉组成的复合复合矿物掺合料组分间具有明显的提高混凝土材料抗弯拉强度、延伸率和基体粘接强度的协同作用。而对比例四、对比例五、对比例六中当复合矿物掺合料由粒化高炉矿渣粉和锂渣粉、粒化高炉矿渣粉和电炉精炼渣粉、锂渣粉和电炉精炼渣粉组成时，实际测得值均与理论值接近，未显示出明显协同作用或协同效果明显较三者复合时更弱。
Claims (9)
1.高延性混凝土的制备方法，其特征在于，生产原料配方包括如下质量份数比例的各组分：胶凝材料1450～1550份、石英砂435～465份、超高分子量聚乙烯纤维13～20份、减水剂6.5～7份、增稠剂0.4～0.8份、早强剂3～8份、消泡剂5～5.4份；所述胶凝材料由水泥和复合矿物掺合料按照2.3～4 : 1的质量比组成；所述复合矿物掺合料由锂渣粉、电炉精炼渣粉和粒化高炉矿渣粉按照0.5～1.5 : 0.5～1.5 : 1的质量比组成；还包括按照所述生产原料配方量取各原料后按照水胶比0.22～0.24 : 1的比例加水拌和成型的步骤。
2.根据权利要求1所述的高延性混凝土的制备方法，其特征在于：所述粒化高炉矿渣粉满足比表面积≥420m2/kg，28d活性指数≥95%，流动度比≥95%。
3.根据权利要求1所述的高延性混凝土的制备方法，其特征在于：所述电炉精炼渣粉满足比表面积≥400m2/kg，28d活性指数≥75%，6h压蒸膨胀率≤0.50%。
4.根据权利要求1所述的高延性混凝土的制备方法，其特征在于：所述锂渣粉满足比表面积≥450m2/kg，活性指数≥100%，需水量比≤115%，SO3质量分数≤7.0%。
5.根据权利要求1～4任一所述的高延性混凝土的制备方法，其特征在于：所述水泥为42.5R硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，且满足3d抗压强度≥25MPa，28d抗压强度≥46MPa。
6.根据权利要求1～4任一所述的高延性混凝土的制备方法，其特征在于：所述石英砂由40～70目石英砂和70～140目石英砂按照1.1～1.7 : 1的质量比级配而成。
7.根据权利要求1～4任一所述的高延性混凝土的制备方法，其特征在于：所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚；所述早强剂为甲酸钙；所述消泡剂为聚醚类消泡剂；所述减水剂为聚羧酸减水剂，且满足减水率大于35%。
8.根据权利要求1～4任一所述的高延性混凝土的制备方法，其特征在于：所述超高分子量聚乙烯纤维满足断裂伸长率≤4.0%，断裂强度≥30cN/dtex，初始模量≥1100cN/dtex。
9.由权利要求1～8中任一所述的高延性混凝土的制备方法制得的高延性混凝土。
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