本发明属于土木工程技术领域，主要涉及一种适用于交通工程基础设施建设用绿色高性能混凝土材料及其制备方法。
背景技术：
混凝土材料是工程建设最常用的材料，对工程质量和安全的影响尤为显著，使人们开始设法提高混凝土的生产效率与质量。随着商品混凝土产业及其技术的发展，在混凝土组成中水泥、矿物掺合料、添加剂等的作用日益受到重视。目前国内使用量最大的是火力发电厂干排的粉煤灰掺入混凝土中，它虽然可以减少水泥用量，但粉煤灰的品质变异系数大，常造成混凝土工作性差，强度波动大，使混凝土的效果不好。
随着我国国民经济的高速发展和城市化水平的不断提高，以及土地资源的日益紧缺，大规模的开发利用地下空间进行基础设施建设是必然的趋势。国际上提出“21世纪是人类开发利用地下空间时代”。开发利用地下空间，发展地下交通系统可以改善城市交通拥挤状况和居民生活环境。目前我国各大城市正在大规模兴建地铁等大型地下交通工程，由于这类重大地下混凝土工程投资巨大、建设周期长、安全性能要求高，因此其对混凝土结构的耐久性有较高的要求。改革的不断深化和现代化进程的加快，我国正处在工程建设规模日益增长时期，保证工程建设的质量和安全成为人们广泛关注的问题。
众所周知，传统混凝土在使用过程中存在不少问题，比如耐久性、耐化学腐蚀性及抗冻性等方面性能较差。为了解决传统混凝土存在的上述问题，高性能混凝土应运而生。高性能混凝土具有传统混凝土无法比拟的高耐久性、高工作性及高强度等优点，为大量重大工程所广泛使用，获得全世界的认可。但同时，高性能混凝土的制备给环境带来许多负面影响，如制造水泥时排放大量的二氧化碳和含硫气体，导致形成酸雨，产生温室效应等。随着经济的发展，人类对自然环境的要求不断提高，高性能混凝土已不适应人类发展的需求，迫切需要一种可持续发展、绿色环保的新型高性能混凝土材料来适应人类发展的需要，解决人与自然的协调发展问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于：本发明提供一种绿色高性能混凝土材料及其制备方法，针对传统混凝土材料的不足之处，通过解决现有的技术难题，提供一种制备简单、性能良好的绿色高性能混凝土材料。
为了实现上述所述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种绿色高性能混凝土材料，包括水泥、掺合料、集料、外加剂和水制成，所述水泥是强度等级为52.5的硅酸盐水泥；所述掺合料包括粉煤灰、硅灰和矿渣；所述集料包括砂和石；所述外加剂包括聚酯纤维/聚丙烯纤维、膨胀剂、减水剂、引气剂和钢纤维；所述水为普通自来水；所述各原料按照以下重量份配比制成：水泥180～250份、粉煤灰200～290份、矿渣45～80份、硅灰25～65份、砂655～695份、石1000～1200份、膨胀剂25～65份、钢纤维3.6～4.9份、聚酯纤维/聚丙烯纤维0.4～0.9份、减水剂6.6～7.9份、引气剂0.55～0.75份和水135～155份。
进一步地，所述混凝土材料中各原料按照以下重量份配比制成：水泥200～230份、粉煤灰220～270份、矿渣55～70份、硅灰35～55份、砂665～685份、石1050～1150份、膨胀剂35～55份、钢纤维3.9～4.6份、聚酯纤维/聚丙烯纤维0.5～0.8份、减水剂6.9～7.6份、引气剂0.60～0.70份和水140～150份。
进一步地，所述聚酯纤维/聚丙烯纤维为高性能改性聚酯/聚丙烯单丝纤维，长度为16～20mm，断裂强度大于300mpa，断裂伸长率为13～30％。
进一步地，所述粉煤灰为ⅰ级粉煤灰，其中sio2含量大于50％，al2o3含量大于30％，so3含量小于2％。
进一步地，所述硅灰中sio2含量大于90％；所述矿渣为磨细矿渣，其中sio2含量大于30％，al2o3含量大于13％，so3含量小于6％。
进一步地，所述膨胀剂中al2o3含量不小于15％，cao含量不小于25％，mgo含量不大于5％，碱含量不大于0.75％。
进一步地，所述砂为中砂，属于ⅱ区级配，含泥量不大于2.0％，泥块含量不大于0.5％。
进一步地，所述石属于粒径为5～20mm的连续级配，压碎值不大于10％，针片状颗粒含量不大于8％，含泥量不大于1.0％。
进一步地，所述减水剂为减水率大于20％的高效减水剂；所述引气剂为掺量为0.5～1.0‰的高效引气剂；所述钢纤维长度为20～25mm，长径比大于34，抗拉强度大于900mpa。
作为本发明的另一方面，一种制备上述所述的绿色高性能混凝土材料的方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)按照重量份数称取水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰、砂、石和膨胀剂，投入搅拌机中，匀速搅拌1～3min混合均匀，得到第一拌合物；
(2)按照重量份数称取钢纤维、聚酯纤维/聚丙烯纤维，然后将钢纤维、聚酯纤维/聚丙烯纤维加入步骤(1)得到的第一拌合物中，匀速搅拌1～3min混合均匀，得到第二拌合物；
(3)按照重量份数取水、减水剂和引气剂，依次投入搅拌机中，搅拌均匀，得混合液；
(4)将步骤(3)的混合液分3～5次加入步骤(2)的第二拌合物中，匀速搅拌3～5min，得到混凝土半成品；
(5)将步骤(4)的混凝土半成品浇注到模具中成型，人工或机械振捣20～30s，正常养护，即得所述绿色高性能混凝土材料。
本发明采用了以上技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明所用原材料均符合现行国家或行业标准要求，无毒性，且制备工艺简单，操作方便，施工便利，对生产设备要求较低，采用现有路用水泥混凝土设备即可完成。
(2)本发明生产的产品比传统混凝土具有更高的强度和耐久性，可达到如下技术指标：力学性能：28天抗压强度63～80mpa，抗弯强度10～13mpa。
(3)本发明原料采用粉煤灰、硅灰和矿渣作为掺合料，利用工业废弃资源，不仅提高了资源循环利用率，减少了工业废弃物对自然环境的破坏，能减少环境污染，实现非再生资源的可循环利用，降低有害物质的排放量，在节约国家资源的同时又具有经济性，可持续发展，节约资源，能提高混凝土的综合性能，并降低生产成本。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，以下结合具体实施例子来说明，下述各实施例子仅用于说明本发明而非对本发明的限制。
以下实施例中，所述聚酯纤维/聚丙烯纤维为高性能改性聚酯/聚丙烯单丝纤维，长度为16～20mm，断裂强度大于300mpa，断裂伸长率为13～30％；所述粉煤灰为ⅰ级粉煤灰，其中sio2含量大于50％，al2o3含量大于30％，so3含量小于2％；所述硅灰中sio2含量大于90％；所述矿渣为磨细矿渣，其中sio2含量大于30％，al2o3含量大于13％，so3含量小于6％；所述膨胀剂中al2o3含量不小于15％，cao含量不小于25％，mgo含量不大于5％，碱含量不大于0.75％；所述砂为中砂，属于ⅱ区级配，含泥量不大于2.0％，泥块含量不大于0.5％；所述石属于粒径为5～20mm的连续级配，压碎值不大于10％，针片状颗粒含量不大于8％，含泥量不大于1.0％；所述减水剂为减水率大于20％的高效减水剂；所述引气剂为掺量为0.5～1.0‰的高效引气剂；所述钢纤维长度为20～25mm，长径比大于34，抗拉强度大于900mpa。
实施例1
一种绿色高性能混凝土材料，包括水泥、掺合料、集料、外加剂和水制成，所述水泥是强度等级为52.5的硅酸盐水泥；所述掺合料包括粉煤灰、硅灰和矿渣；所述集料包括砂和石；所述外加剂包括聚酯纤维/聚丙烯纤维、膨胀剂、减水剂、引气剂和钢纤维；所述水为普通自来水；所述各原料按照以下重量份配比制成：水泥180份、粉煤灰200份、矿渣45份、硅灰25份、砂655份、石1000份、膨胀剂25份、钢纤维3.6份、聚酯纤维/聚丙烯纤维0.4份、减水剂6.6份、引气剂0.55份和水135份。
一种制备上述所述的绿色高性能混凝土材料的方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)按照重量份数称取水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰、砂、石和膨胀剂，投入搅拌机中，匀速搅拌1min混合均匀，得到第一拌合物；
(2)按照重量份数称取钢纤维、聚酯纤维/聚丙烯纤维，然后将钢纤维、聚酯纤维/聚丙烯纤维加入步骤(1)得到的第一拌合物中，匀速搅拌1min混合均匀，得到第二拌合物；
(3)按照重量份数取水、减水剂和引气剂，依次投入搅拌机中，搅拌均匀，得混合液；
(4)将步骤(3)的混合液分3次加入步骤(2)的第二拌合物中，匀速搅拌3min，得到混凝土半成品；
(5)将步骤(4)的混凝土半成品浇注到模具中成型，人工或机械振捣20s，正常养护，即得所述绿色高性能混凝土材料。
实施例2
一种绿色高性能混凝土材料，包括水泥、掺合料、集料、外加剂和水制成，所述水泥是强度等级为52.5的硅酸盐水泥；所述掺合料包括粉煤灰、硅灰和矿渣；所述集料包括砂和石；所述外加剂包括聚酯纤维/聚丙烯纤维、膨胀剂、减水剂、引气剂和钢纤维；所述水为普通自来水；所述各原料按照以下重量份配比制成：水泥250份、粉煤灰290份、矿渣80份、硅灰65份、砂695份、石1200份、膨胀剂65份、钢纤维4.9份、聚酯纤维/聚丙烯纤维0.9份、减水剂7.9份、引气剂0.75份和水155份。
一种制备上述所述的绿色高性能混凝土材料的方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)按照重量份数称取水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰、砂、石和膨胀剂，投入搅拌机中，匀速搅拌3min混合均匀，得到第一拌合物；
(2)按照重量份数称取钢纤维、聚酯纤维/聚丙烯纤维，然后将钢纤维、聚酯纤维/聚丙烯纤维加入步骤(1)得到的第一拌合物中，匀速搅拌3min混合均匀，得到第二拌合物；
(3)按照重量份数取水、减水剂和引气剂，依次投入搅拌机中，搅拌均匀，得混合液；
(4)将步骤(3)的混合液分5次加入步骤(2)的第二拌合物中，匀速搅拌5min，得到混凝土半成品；
(5)将步骤(4)的混凝土半成品浇注到模具中成型，人工或机械振捣30s，正常养护，即得所述绿色高性能混凝土材料。
实施例3
一种绿色高性能混凝土材料，包括水泥、掺合料、集料、外加剂和水制成，所述水泥是强度等级为52.5的硅酸盐水泥；所述掺合料包括粉煤灰、硅灰和矿渣；所述集料包括砂和石；所述外加剂包括聚酯纤维/聚丙烯纤维、膨胀剂、减水剂、引气剂和钢纤维；所述水为普通自来水；所述各原料按照以下重量份配比制成：水泥200份、粉煤灰220份、矿渣55份、硅灰35份、砂665份、石1050份、膨胀剂35份、钢纤维3.9份、聚酯纤维/聚丙烯纤维0.5份、减水剂6.9份、引气剂0.60份和水140份。
一种制备上述所述的绿色高性能混凝土材料的方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)按照重量份数称取水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰、砂、石和膨胀剂，投入搅拌机中，匀速搅拌1.5min混合均匀，得到第一拌合物；
(2)按照重量份数称取钢纤维、聚酯纤维/聚丙烯纤维，然后将钢纤维、聚酯纤维/聚丙烯纤维加入步骤(1)得到的第一拌合物中，匀速搅拌1.5min混合均匀，得到第二拌合物；
(3)按照重量份数取水、减水剂和引气剂，依次投入搅拌机中，搅拌均匀，得混合液；
(4)将步骤(3)的混合液分3次加入步骤(2)的第二拌合物中，匀速搅拌3.5min，得到混凝土半成品；
(5)将步骤(4)的混凝土半成品浇注到模具中成型，人工或机械振捣23s，正常养护，即得所述绿色高性能混凝土材料。
实施例4
一种绿色高性能混凝土材料，包括水泥、掺合料、集料、外加剂和水制成，所述水泥是强度等级为52.5的硅酸盐水泥；所述掺合料包括粉煤灰、硅灰和矿渣；所述集料包括砂和石；所述外加剂包括聚酯纤维/聚丙烯纤维、膨胀剂、减水剂、引气剂和钢纤维；所述水为普通自来水；所述各原料按照以下重量份配比制成：水泥230份、粉煤灰270份、矿渣70份、硅灰55份、砂685份、石1150份、膨胀剂55份、钢纤维4.6份、聚酯纤维/聚丙烯纤维0.8份、减水剂7.6份、引气剂0.70份和水150份。
一种制备上述所述的绿色高性能混凝土材料的方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)按照重量份数称取水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰、砂、石和膨胀剂，投入搅拌机中，匀速搅拌2.5min混合均匀，得到第一拌合物；
(2)按照重量份数称取钢纤维、聚酯纤维/聚丙烯纤维，然后将钢纤维、聚酯纤维/聚丙烯纤维加入步骤(1)得到的第一拌合物中，匀速搅拌2.5min混合均匀，得到第二拌合物；
(3)按照重量份数取水、减水剂和引气剂，依次投入搅拌机中，搅拌均匀，得混合液；
(4)将步骤(3)的混合液分5次加入步骤(2)的第二拌合物中，匀速搅拌4.5min，得到混凝土半成品；
(5)将步骤(4)的混凝土半成品浇注到模具中成型，人工或机械振捣28s，正常养护，即得所述绿色高性能混凝土材料。
实施例5
一种绿色高性能混凝土材料，包括水泥、掺合料、集料、外加剂和水制成，所述水泥是强度等级为52.5的硅酸盐水泥；所述掺合料包括粉煤灰、硅灰和矿渣；所述集料包括砂和石；所述外加剂包括聚酯纤维/聚丙烯纤维、膨胀剂、减水剂、引气剂和钢纤维；所述水为普通自来水；所述各原料按照以下重量份配比制成：水泥215份、粉煤灰245份、矿渣62份、硅灰40份、砂675份、石1100份、膨胀剂45份、钢纤维4.1份、聚酯纤维/聚丙烯纤维0.65份、减水剂7.1份、引气剂0.65份和水145份。
一种制备上述所述的绿色高性能混凝土材料的方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)按照重量份数称取水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰、砂、石和膨胀剂，投入搅拌机中，匀速搅拌2min混合均匀，得到第一拌合物；
(2)按照重量份数称取钢纤维、聚酯纤维/聚丙烯纤维，然后将钢纤维、聚酯纤维/聚丙烯纤维加入步骤(1)得到的第一拌合物中，匀速搅拌2min混合均匀，得到第二拌合物；
(3)按照重量份数取水、减水剂和引气剂，依次投入搅拌机中，搅拌均匀，得混合液；
(4)将步骤(3)的混合液分4次加入步骤(2)的第二拌合物中，匀速搅拌4min，得到混凝土半成品；
(5)将步骤(4)的混凝土半成品浇注到模具中成型，人工或机械振捣25s，正常养护，即得所述绿色高性能混凝土材料。
依据有关国家标准和行业标准，对上述实施例进行性能试验，同时进行两个对比例：对比例1为采用常规方法制备的普通混凝土，原材料为水泥312份、砂636份、石1237份和水165份；对比例2为采用常规方法制备的粉煤灰混凝土，原材料为水泥304份、粉煤灰76份，砂775份，石1235份和水171份。本发明实施例1-5及对比例1-2试验得到固化物的具体性能指标如表1所示。
表1
根据表1数据可知，本发明生产的产品比传统混凝土抗折强度和抗压强度更好，具有更高的强度和耐久性。
综上所述，本发明所用原材料均符合现行国家或行业标准要求，无毒性，且制备工艺简单，操作方便，施工便利，对生产设备要求较低，采用现有路用水泥混凝土设备即可完成。本发明生产的产品比传统混凝土具有更高的强度和耐久性，可达到如下技术指标：力学性能：28天抗压强度63～80mpa，抗弯强度10～13mpa。本发明原料采用粉煤灰、硅灰和矿渣作为掺合料，利用工业废弃资源，不仅提高了资源循环利用率，减少了工业废弃物对自然环境的破坏，能减少环境污染，实现非再生资源的可循环利用，降低有害物质的排放量，在节约国家资源的同时又具有经济性，可持续发展，节约资源，能提高混凝土的综合性能，并降低生产成本。
以上所述仅为本发明应用于绿色高性能混凝土生产的优选实施例而已，因此上述实施例并不用于限制本发明的保护范围，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。