一种超高性能混凝土及其干混料的制作方法

本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种超高性能混凝土及其干混料。

背景技术：

不同于普通混凝土，超高性能混凝土(简称UHPC，Ultra-High Performance Concrete)剔除了粗骨料，选用细砂作为骨料，添加了硅灰、高炉矿渣粉、粉煤灰和稻壳灰等矿物掺合料，加入高效减水剂和钢纤维，并且严格控制水胶比。由于矿物掺合料的微填充效应和火山灰效应，使得超高性能混凝土比普通混凝土更密实，强度得到大幅提高。而钢纤维的掺入更是提高了超高性能混凝土的抗拉强度和韧性，使得超高性能混凝土承受冲击荷载的能力得到提高。

虽然超高性能混凝土具有工作性能优良、力学性能较高、耐久性好等优点，但由于其胶凝材料用量高和水胶比低等特点，并且超高性能混凝土使用大量的矿物掺合料(硅灰和矿粉等)，这也导致其自收缩现象十分显著。超高性能混凝土内部微观结构致密，普通的外部养护方式(覆盖和喷雾等方法)只能在超高性能混凝土的外表层起到一定作用，难以对超高性能混凝土的内部起到养护的作用，所以超高性能混凝土内部的收缩开裂是一个亟待解决的问题。若超高性能混凝土自收缩早期发展较快，在有约束条件下容易产生裂缝，从而影响超高性能混凝土力学性能和耐久性，这也制约了超高性能混凝土在工程实践中的运用。

超高性能混凝土具有较低水灰比，胶凝材料含量高，和后期的火山灰反应等特点，这也使得超高性能混凝土的收缩与普通混凝土的收缩差异较大。在超高性能混凝土中，自收缩占据其总收缩的70-80％以上，故一般采取以自收缩为主，并辅以干燥收缩的方法来评价其收缩性能。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服普通养护难以对超高性能混凝土内部进行有效养护的弊端，提供一种低收缩的超高性能混凝土及其干混料。

本发明从内部机理来分析降低超高性能混凝土的收缩可行性，降低超高性能混凝土收缩开裂的风险。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：加入超吸水性树脂(SAP)、多孔骨料和降表张剂到超高性能混凝土的原材料中，通过配比优化，配制出一种低收缩超高性能混凝土的干混料。

具体来说，本发明的技术方案为：一种超高性能混凝土的干混料，包括胶凝材料、石粉、砂和减水剂，以及多孔骨料、超吸水性树脂和降表张剂中的一种或一种以上，每立方米超高性能混凝土包括胶凝材料500-1600kg/m³、石粉0-500kg/m³、砂0-1500kg/m³、减水剂5-30kg/m³、多孔骨料35-250kg/m³，超吸水性树脂掺量为胶凝材料质量的0.1％-1.2％，降表张剂掺量为胶凝材料质量的1-5％。

在一个具体实施例中，胶凝材料包括：水泥400-800kg/m³、硅灰100-500kg/m³、粉煤灰0-400kg/m³、矿粉0-400kg/m³、稻壳灰0-200kg/m³和石灰石粉0-200kg/m³。

在一个具体实施例中，石粉粒径要求小于200μm。

在一个具体实施例中，砂的粒径要求小于5mm，砂胶比为0.5-3.0。

在一个具体实施例中，减水剂采用高性能聚羧酸减水剂干粉，减水率要求20％以上。

在一个具体实施例中，多孔骨料粒径小于5mm，掺量为所用砂体积的5％-30％。

在一个具体实施例中，超吸水性树脂为聚丙烯酸树脂和/或丙烯酰胺-丙烯酸共聚物，粒径为10-800μm。

在一个具体实施例中，降表张剂为聚丙烯酸盐类、聚醚或聚醚类衍生物、一元或二元醇类、氨基醇类、聚氧乙烯类、烷氨基类或氧化烯醇类。

本发明提供的超高性能混凝土，采用权利所述干混料加入水搅拌而成。水胶比一般为0.14-0.25。

本发明使用超吸水性树脂，超吸水性树脂是一种工业产物，主要应用于卫生和农业领域，作为保湿(水)剂，产品种类以聚丙烯酸树脂为主。从化学本质上说，超吸水性树脂(SAP)是一种含有强亲水基团(如-COOH、-OH)的高分子电解质。吸水前，高分子链相互在缠绕一起，形成三维网状结构；当水分子进入后，引起亲水基团电离，使内外部的溶液间产生了离子浓度差，促使外部水分继续进入以降低浓度差，最后以水凝胶的形式存在。超吸水性树脂加入到超高性能混凝土中也能起保湿作用，延缓内部湿度的降低，从而达到抑制自收缩的目的。

多孔骨料一般用于轻骨料混凝土中，起到降低自重的作用。本发明使用的多孔骨料是通过内养护水的引入，延缓由于超高性能混凝土内部自干燥而引起的内部相对湿度的降低，从而达到抑制自收缩的目的。

降表张剂(表面张力降低剂)是指一类用于降低混凝土孔隙溶液表面张力的物质，分为聚丙烯酸盐类、聚醚或聚醚类衍生物、一元或二元醇类、氨基醇类、聚氧乙烯类、烷氨基类、氧化烯醇类。降表张剂通过降低超高性能混凝土内部孔隙溶液的表面张力来减少自收缩和干燥收缩。

本发明的干混料含有大量的矿物掺合料，主要包括有硅灰、粉煤灰、矿粉、稻壳灰和石灰石粉等。在超高性能混凝土中加入矿物掺合料主要起到填充效应和火山灰效应。不同粒径大小的矿物颗粒紧密地堆积，微填充效应使得矿物掺合料填充在水泥颗粒间的空隙，提高了超高性能混凝土的密实度，同时也优化了胶凝材料的级配，使得超高性能混凝土在保持标准稠度的前提下用水量减少。而火山灰效应使得超高性能混凝土水化产物中CaO/SiO₂之比减小，增大了硅酸盐的聚合度，组织更加密实，强度得到了极大的改善。另外，粉煤灰是以煤炭为基本燃料的发电厂必须排放的废弃物，以粉煤灰作为超高性能混凝土中的矿物掺合料，既可以变废为宝，也保护了环境。在超高性能混凝土中加入一定量的粉煤灰既可以节省大量的水泥，减小了水化热，改善了超高性能混凝土的和易性，又能够提高超高性能混凝土的抗渗性和减小超高性能混凝土的收缩徐变。

本发明使用高效减水剂。一般来说，减水剂在混凝土拌合物中发挥的作用主要有两方面，一方面是在保持用水量相同的条件下，提高混凝土的流动性能；另一方面是在保持混凝土流动性不变的前提下，能够减少用水量，从而提高混凝土材料的强度。高效减水剂的特点是：减水率高(大于15％)，对凝结时间影响小，与水泥适应性相对较好。所以在配制超高性能混凝土时，需加入高效减水剂，使超高性能混凝土能够保持高强度，同时具有高流动性，使得超高性能混凝土能够自流密实，在工程加固领域，常常需要在原混凝土外包超高性能混凝土薄层，这就对超高性能混凝土的流动性提出了相当高的要求。

本发明的有益效果是：将本发明的干混料采用0.15-0.25的水胶比拌合，在标准养护下28d强度能达到100Mpa以上；较通常使用的超高性能混凝土，自收缩能降低40％以上(最高可以降低60％以上)，干燥收缩最高能降低30％以上。促进了超高性能混凝土在工程实际中的运用。

附图说明

图1是实施例1-4的超高性能混凝土的抗压强度对比图；

图2是实施例1-4的超高性能混凝土的自收缩对比图；

图3是实施例1-4的超高性能混凝土的干燥收缩对比图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步阐述。应该说明的是，不得将下述实施例解释为对本发明内容的限制。

本发明超高性能混凝土的干混料包含胶凝材料、石粉、砂、多孔骨料、超吸水性树脂、降表张剂和减水剂。

胶凝材料包括水泥和辅助性胶凝材料，辅助性胶凝材料包括硅灰，粉煤灰，矿粉、稻壳灰和石灰石粉等。

在一个具体实施方式中，胶凝材料总量500-1600kg/m³(每立方米超高性能混凝土包括的胶凝材料)，包括：水泥400-800kg/m³、硅灰100-500kg/m³、粉煤灰0-400kg/m³、矿粉0-400kg/m³、稻壳灰0-200kg/m³和石灰石粉0-200kg/m³。

在一个具体实施方式中，石粉每立方米超高性能混凝土加入0-500kg/m³，主要成分是惰性SiO₂，其粒径一般要求小于200μm。

细骨料一般采用石英砂，每立方米超高性能混凝土加入0-1500kg/m³，粒径一般要求小于5mm，优选砂胶比为0.5-3.0。

在一个具体实施方式中，多孔骨料每立方米超高性能混凝土加入35-250kg/m³，粒径一般要求小于5mm，采取等体积替代的方法，掺量为所用砂体积的5％-30％。

在一个具体实施方式中，超吸水性树脂粒径为10-800μm，掺量为胶凝材料质量的0.1％-1.2％。超吸水性树脂主要成分为聚丙烯酸树脂、丙烯酰胺-丙烯酸共聚物。

在一个具体实施方式中，降表张剂掺量为胶凝材料质量的1-5％。降表张剂主要分为聚丙烯酸盐类、聚醚或聚醚类衍生物、一元或二元醇类、氨基醇类、聚氧乙烯类、烷氨基类和氧化烯醇类。

在一个具体实施方式中，减水剂每立方米超高性能混凝土加入5-30kg/m³，采用高性能聚羧酸减水剂干粉，减水率要求20％以上，减水剂的掺量保证混凝土的流动度在200mm左右。

本发明所述干混料的使用方法：将干混料搅拌均匀，加入一定量的水搅拌，采用的水胶比一般为0.14-0.25，制备成超高性能混凝土。本发明的干混料通过该方法可制备出低收缩超高性能混凝土，方便快捷，适用于工程的运用。

使用本发明的干混料配置出超高性能混凝土，然后测试其强度、自收缩、干燥收缩，确定出超吸水性树脂、多孔骨料以及降表张剂对超高性能混凝土收缩性能的影响规律，从而制备出具有较低收缩的超高性能混凝土干混料。

实施例1

(1)本实例中，胶凝材料采用P.I.42.5硅酸盐水泥、粉煤灰和硅灰。细骨料为天然砂，粒径0-2.36mm连续级配，细度模数2.7，表观密度2610kg/m³。高吸水树脂(SAP)为丙烯酰胺-丙烯酸共聚物。减水剂采用的聚羧酸系高效减水剂干粉，减水率在30％以上。配合比见表1。

表1超高性能混凝土配合比

(2)将上述的超高性能混凝土干混料加水拌和后检测其强度、自收缩和干燥收缩，实验结果见图1-3。

实施例2

(1)本实例中，胶凝材料采用P.I.42.5硅酸盐水泥、粉煤灰和硅灰。细骨料为天然砂，粒径0-2.36mm连续级配，细度模数2.7，表观密度2610kg/m³。降表张剂掺量为2％，其主要成分为氧化烯醇类物质；减水剂采用的聚羧酸系高效减水剂干粉，减水率在30％以上。配合比见表2。

表2超高性能混凝土配合比

(2)超高性能混凝土的强度、自收缩和干燥收缩实验结果见图1-3。

实施例3

(1)本实例中，胶凝材料采用P.I.42.5硅酸盐水泥、粉煤灰和硅灰。骨料为天然砂，粒径0-2.36mm连续级配，细度模数2.7，表观密度2610kg/m³。高吸水树脂(SAP)为丙烯酰胺-丙烯酸共聚物；降表张剂掺量为2％，其主要成分为氧化烯醇类物质。减水剂采用聚羧酸系高效减水剂干粉，减水率在30％以上。配合比见表3。

表3超高性能混凝土配合比

(2)超高性能混凝土的强度、自收缩和干燥收缩实验结果见图1-3。

实施例4

(1)本实例中，胶凝材料采用P.I.42.5硅酸盐水泥、粉煤灰和硅灰。骨料为天然砂，粒径0-2.36mm连续级配，细度模数2.7，表观密度2610kg/m³。轻质砂粒径为0-2.36mm连续级配，表观密度为1700Kg/m³，掺量为20％。减水剂采用聚羧酸系高效减水剂干粉，减水率在30％以上。配合比见表4。

表4超高性能混凝土配合比

(2)超高性能混凝土的强度、自收缩和干燥收缩实验结果见图1-3。

上述实施例中的超高性能混凝土性能检测如下：

图1是实施例1-4的超高性能混凝土在3d、28d和90d的抗压强度图。相比参照组，单掺SAP和复掺SAP与氧化烯醇类物质的3d抗压强度分别降低了5.4％和1.1％，而单掺氧化烯醇类物质和单掺多孔骨料的3d抗压强度分别增长了11.0％和0.4％；单掺SAP、氧化烯醇类物质、多孔骨料和复掺SAP与氧化烯醇类物质的28d抗压强度分别增长了1.5％、21.3％、16.5％和6.0％；单掺SAP、氧化烯醇类物质、多孔骨料和复掺SAP与氧化烯醇类物质的28d抗压强度分别增长了4.1％、13.1％、11.0％和1.8％。各实施例中的超高性能混凝土90d抗压强度都大于100Mpa。

图2是实施例1-4的超高性能混凝土在72h内自收缩变化图。相比参照组，各实例的自收缩都明显降低。单掺SAP、氧化烯醇类物质、多孔骨料和复掺SAP与氧化烯醇类物质的自收缩分别降低了48.6％、60％、64.3％和44.7％。

图3是实施例1-4的超高性能混凝土在0－90d的干燥收缩图。相比参照组，各实例的干燥收缩都有一定的降低。单掺SAP、氧化烯醇类物质、多孔骨料和复掺SAP与氧化烯醇类物质的干燥收缩分别降低了4.7％、38.8％、11.5％和24.7％。

实施例5

(1)本实例中，胶凝材料采用P.I.42.5硅酸盐水泥、粉煤灰和硅灰。骨料为天然砂，粒径0-2.36mm连续级配，细度模数2.7，表观密度2610kg/m³。高吸水树脂(SAP)为丙烯酰胺-丙烯酸共聚物；降表张剂掺量为1％，其主要成分为聚氧乙烯类物质。作为多孔骨料的轻质砂粒径为0-2.36mm连续级配，表观密度为1700Kg/m³，掺量为5％。

减水剂采用聚羧酸系高效减水剂干粉，减水率在30％以上。配合比见表5。

表5超高性能混凝土配合比

(2)超高性能混凝土的强度、自收缩和干燥收缩实验结果：相较于参照组，3d、28d和90d抗压强度增长了12.1％,26.7％和25.1％；自收缩降低了59.9％；干燥收缩降低了10.4％。

实施例6

本实例中，胶凝材料采用P.I.42.5硅酸盐水泥、粉煤灰和硅灰。骨料为天然砂，粒径0-2.36mm连续级配，细度模数2.7，表观密度2610kg/m³。高吸水树脂(SAP)为聚丙烯酸树脂；降表张剂掺量为5％，其主要成分为氧化烯醇类物质。作为多孔骨料的轻质砂粒径为0-2.36mm连续级配，表观密度为1700Kg/m³，掺量为30％。

减水剂采用聚羧酸系高效减水剂干粉，减水率在30％以上。配合比见表5。

表5超高性能混凝土配合比