自密实自应力自养护高强混凝土及其制备方法与流程

本发明涉及一种自密实自应力自养护高强混凝土及其制备方法，属于建筑材料技术领域。

背景技术：

随着高层和超高层房屋建筑结构和大跨度桥梁结构的快速发展，高强以及超高强混凝土应用越来越广泛。高强以及超高强混凝土与高强钢材组合而成的钢管混凝土结构能够减小建筑面积，提高构件承载力。

高强混凝土中胶凝材料用量大，水胶比低，胶凝材料水化不充分，由此混凝土产生较大的自收缩变形。在钢管混凝土中，表现为钢管与混凝土脱空、混凝土表面初始麻面等工程问题，对钢管混凝土的极限承载力、延性和耗能能力具有极大危害。自密实自应力混凝土能够解决钢管混凝土振捣困难的工程问题，提高混凝土结构或构件的浇筑质量，适用于钢管混凝土、隧道衬砌等浇筑困难的工程区域。自应力混凝土能够产生膨胀变形，使得混凝土与钢管壁粘结很好，且在钢管约束条件下产生初始自应力，在一定程度上可提高钢管混凝土构件的承载力。

钢管内混凝土养护困难，高强混凝土中的水泥水化不充分等因素会引起更大的自收缩，增加了混凝土内的初始损伤，降低混凝土初始强度。目前，钢管高强混凝土中脱空、麻面等初始缺陷以及混凝土养护困难的问题还没有得到解决，因此，有必要发明一种自密实自应力自养护高强混凝土以解决实际工程问题，适应钢管高强混凝土快速发展的需要。

技术实现要素：

为解决钢管高强混凝土自收缩现象严重，养护困难以及钢管与混凝土脱空、麻面等工程问题，本发明提供了一种自密实自应力自养护高强混凝土及其制备方法。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种自密实自应力自养护高强混凝土，由以下组分按质量比均匀混合而成：

胶凝材料520～600kg/m³，其中胶凝材料包括：水泥280～340kg/m³，粉煤灰96～134kg/m³，矿粉75～95kg/m³，微珠46～80kg/m³，以及三膨胀源高效复合bm-hcsa膨胀剂，其质量为胶凝材料总质量的8％～11％；

骨料：粗骨料860～1050kg/m³，细骨料677～827kg/m³，粗骨料采用碎石，细骨料采用河沙，砂率控制范围为40～44％；

聚羧酸高效减水剂5.2～7.8kg/m³，该减水剂固含量不小于20％，其减水率超过25％；

高分子吸水树脂sap，其质量为胶凝材料总量的0.1～0.3％；

水135～162kg/m³；

保持胶凝材料总量与水形成的混合物基体水胶比为0.23～0.30。

上述自密实自应力自养护高强混凝土，所述水泥为标号42.5或42.5r级的普通硅酸盐水泥，其28天抗压强度控制在52±2mpa。强度变异系数小，适宜配置高强混凝土。其性能指标必须符合《通用硅酸盐水泥》gb175-2007的有关规定。

上述自密实自应力自养护高强混凝土，所述粉煤灰为i级，其烧失量不大于2.0％，平均粒径为9.61μm，活性指数大于90％，比表面积为1000～1300cm²/g。

上述自密实自应力自养护高强混凝土，所述矿粉为s95矿渣，其表观密度为2760～2920kg/m³。

上述自密实自应力自养护高强混凝土，所述微珠d50平均粒径为1.0μm。

上述自密实自应力自养护高强混凝土，所述粗骨料为全级配碎石，粒径5～20mm，表观密度为2.6～2.79kg/m³；

所述细骨料为河砂，粒径为0～5mm，细度模数为2.6～2.7。

上述自密实自应力自养护高强混凝土，三膨胀源高效复合bm-hcsa膨胀剂，其物相组成主要有cao、硫铝酸钙和mgo，其7d水养的砂浆限制膨胀率不低于0.15％，21d空气养护限制膨胀率不低于0.20％；

高分子吸水树脂sap，具有较好的保水效果和较强吸水性，吸水倍率不低于600，细度为250～280。

本发明还提供一种上述自密实自应力自养护高强混凝土的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按照配合比称量胶凝材料、粗骨料、细骨料、聚羧酸高效减水剂、高分子吸水树脂sap和水；将胶凝材料和河砂放入搅拌机中，搅拌至胶凝材料和细骨料河砂混合均匀；

步骤2：通过将高分子吸水树脂sap浸入水中预吸水，制备预吸水的高分子吸水树脂sap；将预吸水的高分子吸水树脂sap和70％的聚羧酸高效减水剂分散于水中，搅拌均匀后，掺入步骤1制备的胶凝材料和细骨料河砂的混合物中，继续搅拌；

步骤3：将粗骨料碎石倒入工作的搅拌机中，拌和，得到混凝土，并将剩余的聚羧酸高效减水剂倒入混凝土中，继续拌制，直至混凝土具有较好的流动性；

步骤4：将新拌混凝土倒出，将该混凝土装入钢模中成型试件；

步骤5：混凝土浇筑完成后，静置一小时，混凝土表面采用环氧树脂建筑结构胶进行密封，以防止水分散发；

步骤6：成品养护：浇筑好的试件室内静置24小时后拆模，养护方式采用标准养护：养护温度为20±2℃，相对湿度≧95％。

上述步骤2中，制备的预吸水的高分子吸水树脂sap所含高分子吸水树脂sap与水的质量比即预吸水比为0～1:30。

上述步骤2中，制备的预吸水的高分子吸水树脂sap所含高分子吸水树脂sap与水的质量比即预吸水比为0～1:7。

本发明的取得的技术效果如下：

第一，本发明的混凝土具有自流平达到密实的效果，能够用于钢管混凝土和隧道衬砌等工程结构中；第二，本发明在混凝土中掺入膨胀剂使得混凝土产生初始自应力，使得混凝土与钢管粘结较好，能够解决钢管混凝土脱空、麻面等工程问题；第三，本发明的混凝土具有自养护功能，通过在混凝土中掺入自养护材料，在不明显降低混凝土强度的前提下，能够解决钢管混凝土养护困难的问题；第四，由于本发明的混凝土能够产生初始膨胀，用于钢管混凝土中时能够在外部钢管约束下产生自应力，有效提高钢管混凝土构件的承载力；第五，拌和物28天立方体抗压强度达到了70mpa以上，符合高强混凝土强度要求标准。

附图说明

图1为本发明所用膨胀剂的xrd衍射分析图；

图2为本发明所用自养护高分子吸水树脂sap吸水前后对比图，(a)吸水前，(b)吸水后；

图3为本发明实例中钢管表面应变片布置图；

图4为本发明实例中钢管混凝土自应力值测试方法图；

图5为本发明实例中钢管混凝土应力分布图，(a)混凝土受力图，(b)钢管受力图，(c)钢管受力立面图；

图6为本发明实例中自由膨胀率试验测试图；

图7为本发明实例中不同sap掺量以及不同sap预吸水比对混凝土抗压强度的影响规律图，(a)不同sap掺量，(b)不同sap预吸水比；

图8为本发明实例中不同sap掺量以及不同sap预吸水比对混凝土膨胀性能影响规律图，(a)不同sap掺量，(b)不同sap预吸水比。

具体实施方式

结合发明情况，下面详细介绍自密实自应力自养护高强混凝土制备方法，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明制备了一种自密实自应力自养护高强混凝土，其原料配合比(按1m³的混凝土材料用量计算)及性能如下：

水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，28d抗压强度控制在52±2mpa，强度变异系数小，适宜配置高强混凝土，其性能指标符合《通用硅酸盐水泥》gb175-2007的有关规定，表观密度为3010kg/m³；ⅰ级粉煤灰:麻城i级粉煤灰，表观密度为2090kg/m³，需水比为88％，平均粒径为9.61μm，活性指数为90％；s95矿渣:表观密度为2800kg/m³；微珠为天津微珠，d50为1μm；膨胀剂为三膨胀源高效复合bm-hcsa膨胀剂，7d水养的砂浆限制膨胀率达到0.15％，21d空气养护限制膨胀率达到0.20％，其物相组成主要有cao、硫铝酸钙和mgo，其xrd衍射图如图1所示；

骨料：细骨料：天然河砂，其表观密度为2660kg/m³，堆积密度为1570kg/m³，细度模数为2.6，含水率为5％；粗骨料：碎石:5mm～20mm，表观密度为2760kg/m³。

聚羧酸高效减水剂：固含量20％，减水率超过25％。

自养护材料为高分子吸水树脂sap，吸水比高于1000，吸水前后情况如图2所示。

水：可饮用自来水。

本实施例制备的自密实自应力自养护高强混凝土设计配合比(按1cm³的混凝土材料用量计算)如表1所示：

所述表1中，a系列配合比为干拌sap混凝土，sap质量分数(膨胀剂质量与胶凝材料总质量之比)分别为0％、0.1％、0.2％和0.3％，依次标记为a0、a1、a2、a3；b系列为预吸水sap混凝土，预吸水比分别为0:0、1:7、1:15、1:30，sap质量分数为0.1％，依次标记为b0、b1、b2、b3。

所述新拌混凝土的工作性由聚羧酸高效减水剂调整。

表1自密实自应力自养护高强混凝土设计配合比(kg/m³)

本发明还提供了一种自密实自应力自养护高强混凝土的制备方法，特征在于，按照以下5个步骤进行：

步骤1：按照配合比称量的胶凝材料和河砂放入搅拌机(转速为45r/min)中，干拌3min至胶凝材料和河砂混合均匀；

步骤2：将预吸水的高分子吸水树脂sap和70％的聚羧酸高效减水剂分散人水中，搅拌均匀后，掺入搅拌机，搅拌时间为3min；

步骤3：将粗骨料倒入工作的强制搅拌机中，拌和2min，并将剩余30％的减水剂倒入混凝土中，继续拌制3min，直至混凝土具有较好的流动性；

步骤4：将新拌混凝土倒出，按照测试规程测试其塌落度和扩展度，并将混凝土装入9个尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体和3个尺寸为150mm×150mm×515mm棱柱体模具以及1个直径为165mm、高度为600mm的钢管中。

所述棱柱体试件在浇筑前，先在模具内铺设一层塑料薄膜，在模具端部埋设端头，并铺设标靶。混凝土浇筑完成后，静置一小时，用塑料薄膜进行密封，以防止水分散发。

所述钢管混凝土构件在浇筑前，先在圆钢管底端焊接一个边长为200mm厚度为20mm的钢板，使得钢管直立；钢管表面按照设计焊贴应变片(见图3)，并接线。混凝土浇筑完成，且静置一小时后，混凝土表面采用环氧树脂进行密封，以防止水分散失。室内静置24小时后，用应变箱采集钢管表面产生的应变，如图4所示，再根据钢管混凝土内力分析，计算混凝土产生的自应力值，如图5所示。

步骤5：室内静置24小时后，立方体和棱柱体模具拆模，立方体试块放入温度为20±2℃、相对湿度≧95％标准养护室进行养护，棱柱体试件放入温度为20±2℃、湿度为65±3％室内干燥养护，并测量其长度变化。

混凝土的自由膨胀率采用非接触收缩仪进行测试，如图6所示。

混凝土塌落度和扩展度按照《普通混凝土配合比设计规程》(jgj55-2011)进行测试。

混凝土立方体抗压强度按照《普通混凝土力学性能试验方法》(gb/t50081-2002)进行测试。

自密实自应力自养护高强混凝土性能(塌落度/扩展度和立方体抗压强度)测试结果：

表2混凝土塌落度/扩展度和各龄期立方体抗压强度测试结果

混凝土立方体抗压强度随龄期变化关系曲线如图7所示。

由图7(a)可知，当自养护剂掺量低于0.2％时，混凝土立方体抗压强度可达70mpa以上；由图7(b)可知，当预吸水比低于1:15时，自养护剂对混凝土立方体抗压强度影响不大，但超过1:15时，混凝土强度小幅度降低。

混凝土自由膨胀率随龄期变化关系曲线如图8所示。

由图8可知，在混凝土中掺入自养护材料对混凝土自应力混凝土膨胀性能有较大影响；随着自养护材料掺量增加，混凝土自由膨胀率呈现出先增后减的变化趋势；其当自养护剂掺量低于0.2％，混凝土自由膨胀率可达1.1×10^-4。随着预吸水比增加，混凝土自由膨胀率逐渐增大。

钢管混凝土自应力值计算结果如表3所示。

表3养护28d钢管混凝土自应力值计算结果

由表3可以看出，在钢管约束条件下，混凝土产生的自应力值在2mpa以上；在膨胀混凝土中掺入自养护剂对混凝土自应力值影响较小。

所述表3中混凝土自应力值计算方法，其特征在于，按照下面公式：

由广义胡克定律可知：

其中：σθ、σz分别是钢管环向和轴向应力；εθ、εz分别为钢管实测环向和轴向应变；es、μs分别是钢管的弹性模量和泊松比。

根据内力平衡条件：2σθ·t＝2rq，解得核心混凝土径向压应力q为：

其中：r为钢管内径，t为钢管壁厚。

根据轴向平衡条件as·σz＝ac·σcz，解得核心混凝土轴向压应力σcz为：

本发明为了解决钢管混凝土振捣困难、脱空、麻面以及养护困难等工程技术难题，提出自密实自应力自养护高强混凝土。其优点在于：1)通过调整聚羧酸高效减水剂的用量和优化矿物掺合料掺量，配置高工作性混凝土，自流平达到密实，解决钢管混凝土等振捣困难的问题；2)通过在混凝土中掺入膨胀剂使得混凝土在钢管约束条件下产生初始自应力(2mpa以上)，解决混凝土与钢管壁脱空、麻面问题，并在一定程度上提高钢管混凝土构件的承载力；3)通过在混凝土中掺入预吸水的自养护材料sap，在不明显降低混凝土抗压强度和自应力混凝土膨胀率的前提下，解决钢管混凝土中混凝土养护困难的问题；4)提出的自密实自应力自养护高强混凝土在高层、超高层房屋建筑结构、大跨度桥梁、隧道衬砌和防护结构中具有广阔的应用前景。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。