施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土及其制备方法，该混凝土是由以下重量份的组分制成：水泥1份，改性硅灰0.25～0.35份，磨细矿渣0.15～0.35份，石英砂1.0～1.5，聚羧酸减水剂0.030～0.040份，钢纤维0.15～0.25份，聚丙烯纤维0.00175～0.003份，水0.20～0.25份。本发明生产工艺简单，可操作性强；适合粗放式现场施工和养护，有利于活性粉末混凝土的推广应用；矿渣的使用以及非高温蒸汽养护条件，对保护环境、节约能源具有重要意义。
【专利说明】
施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于建筑材料领域，具体涉及的是一种施工现场养护条件下(环境温度大于200C，撒水养护)200MPa级防爆裂活性粉末混凝土及其制备方法。
【背景技术】
[0002]活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)是一种新型水泥基复合材料。RPC200的理论强度应达到120?230MPa，按照目前现有配合比配制时，需采用70?90°C高温蒸汽养护才能保证其强度大于120MPa。施工现场因没有高温蒸汽养护条件，采用现有配合比制备的RPC200的强度仅为lOOMPa，且在较大温差或高温下易于爆裂，严重制约了RPC200在工程中的广泛应用。
[0003]现有研究成果和文献中，给出了RPC200制备时的配合比，对RPC200配置技术和性能研究起到积极作用。按现有研究成果和文献的配合比制备RPC200时，需采用高温蒸汽养护或者80?95°C的温水中养护，不适合施工现场浇筑和养护。按现有配合比制备的RPC200在施工现场养护条件下(环境温度大于20°C，撒水养护)，RPC200的强度仅为lOOMPa，没有达到RPC200的理论强度，且内部凝胶体水化不完全，极易高温爆裂，爆裂将导致构件截面尺寸减小，内部温度骤升和材料性能衰退，严重时导致结构毁损和倒塌。对于RPC200，一方面，制备时为使强度大于120MPa，需高温和蒸汽养护，仅适用于预制件厂预制构件，且消耗大量能源；另一方面，按照现有配合比在施工现场浇筑和养护条件下的RPC200强度为10MPa，目前高强混凝土在施工现场浇筑和养护条件下的强度同样可以达到lOOMPa，与高强混凝土相比，按现有配合比在施工现场浇筑和养护的RPC200无明显优势，且造价较高。虽然申请号为200910310966.4的中国专利《免蒸养活性粉末混凝土》公开了RPC在制备过程中无需高温蒸汽养护，其抗压强度最高能达到130MPa，但是其在无高温蒸汽养护下只注重了抗压强度，而没有考虑到在较大温差和火灾时RPC的防爆裂性能。
[0004]基于上述现有技术，亟需研制适用于粗放简易条件的施工现场养护条件的防爆裂RPC200及其配置方法。
【发明内容】
[0005]本发明针对目前在施工现场浇筑和养护条件下RPC200的强度仅为lOOMPa，小于理论值120MPa，且极易爆裂等问题，创造性地通过提高活性微粉末及早强剂的性能和掺量、优化配合比、复掺钢纤维和聚丙烯纤维的方法，提高RPC200在施工现场浇筑和养护条件下的强度和抗爆裂性能，提出本发明。
[0006]本发明采用的技术方案如下:
[0007]本发明的施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土的特点是由普通硅酸盐水泥、改性硅灰、磨细矿渣、石英砂、早强型聚羧酸高效减水剂、钢纤维、聚丙烯纤维和水等按照一定配合比搅拌而成，具体是由以下重量份的组分制成:
[0008]水泥I份，改性硅灰0.25?0.35份，磨细矿渣0.15?0.35份，石英砂1.0?1.5份，聚羧酸减水剂0.030?0.040份，钢纤维0.15?0.25份，聚丙烯纤维0.00175?0.003份，水0.20?0.25份。
[0009]本发明的防爆裂RPC200在施工现场养护条件下(环境温度大于20°C，撒水养护)的抗压强度大于135MPa，抗折强度大于22MPa，弹性模量大于50GPa。
[0010]优选的，施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土是由以下重量份的组分制成:水泥I份，改性硅灰0.30份，磨细矿渣0.20份，石英砂1.5份，聚羧酸减水剂0.0375份，钢纤维0.20份，聚丙烯纤维0.0025份，水0.20份。
[0011 ] 优选的，水泥为P.052.5级普通硅酸盐水泥。经过大量实验验证，采用此级配的水泥，使得最终得到的活性粉末混凝土的整体性能优异。
[0012]优选的，改性硅灰的粒径为0.1?0.3μπι(进一步优选为0.2μπι)，比表面积应大于15000m2/kg，7天活性指数应大于110%。经过大量实验验证，采用此级配的改性硅灰，使得最终得到的活性粉末混凝土的整体性能优异。
[0013]优选的，磨细矿渣的比表面积应大于600m2/kg，28天活性指数应大于115 %。经过大量实验验证，采用此级配的磨细矿渣，使得最终得到的活性粉末混凝土的整体性能优异。
[0014]改性硅灰和磨细矿渣的主要成分为活性S12,在制备RPC时，二者填充水泥颗粒间的孔隙，增加RPC的密实度。活性S12与水泥水化产物Ca(OH)2发生火山灰反应，生成水化硅酸钙凝胶，将孔隙填充的更加密实，并消耗对强度有不利影响的Ca(OH)2,提高RPC的各项性會K。
[0015]优选的，石英砂中Si02含量大于90%，粒径0.18?0.36mm与粒径0.36?0.60mm(此处不包含0.36mm端点)的质量比为1:0.8?2，进一步优选质量比为1:1。经过大量实验验证，采用此级配的石英砂，相比于其他级配的石英砂，使得最终得到的活性粉末混凝土的整体性能优异。
[0016]优选的，聚羧酸减水剂为早强型聚羧酸高效减水剂，减水率为30%以上。
[0017]优选的，钢纤维采用超细超强平直钢纤维，等效直径为0.20?0.25mm(进一步优选为0.22mm)，平均长度为10?15mm(进一步优选13mm))，长径比为58?60 (进一步优选为59.1)0
[0018]优选的，聚丙烯纤维采用单丝状纤维，平均直径为45?55μπι(进一步优选为48μπι)，长度为18?20mm，密度为0.9?1.0g/cm3(进一步优选为0.91g/cm3)。
[0019]本发明还提供一种施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土的制备方法，包括以下步骤:按配合比准确称取各组分，将石英砂、水泥、改性硅灰、磨细矿渣、聚羧酸减水剂放入混凝土搅拌机，干拌时间不少于4min后，加入水湿拌6min以上，然后均勾撒入钢纤维和聚丙烯纤维，继续搅拌不小于5min后，将拌合物浇筑入模，振动成型后，环境温度大于20°C，撒水养护28d即可制得抗压强度大于135MPa的防爆裂RPC200。
[0020]本发明的机理:本发明为了适应野外施工现场的粗放简易的养护条件，对现有RPC200的配合比进行实质性的优化，通过提高强效矿渣激发剂和早强剂的性能和掺量来增强RPC200在常温下的反应活性和水化程度，优化选择特定的胶凝材料和细骨料较大密实度，掺入钢纤维和聚丙烯纤维，提高基体抗拉强度和内部连通性，防止较大温差以及火灾高温下RPC的爆裂，进而实现适合施工现场浇筑和养护的200MPa级防爆裂RPC的制备。[0021 ]进一步优化胶凝材料和细骨料的级配以实现最大密实度。
[0022]在现有的RPC配制方法中，若是按照现有的原料以及其配合比配制，因为配料常温下的活性较弱，均需要高温蒸汽养护或者80?95°C的热水养护，以促进水泥凝胶体的完全水化，才能对抗压强度和抗折强度起到激发增强作用。
[0023]但是高温蒸汽养护或者80?95°C的热水养护，在野外施工现场的粗放简易条件下，如高层建筑、道路和沿海工程结构，无法实施上述养护条件。在没有高温蒸汽养护或者80?95°C的热水养护时，按现有RPC200配制技术配制的强度仅为lOOMPa，并且不具备防爆裂性能，不能达到理论强度120MPa。
[0024]采用本发明的各原料以及配合比制备得到的活性粉末混凝土，大幅度提高了常温下凝胶体的反应活性，促进了胶凝材料在常温下的完全水化，显著提升了对抗压强度和抗折强度的激发增强作用。通过实质性的优化配合比，RPC的强度和密实度大幅度提高，确保了在野外施工现场粗放简易的浇筑和养护条件下(温度大于20°C，撒水养护)RPC200的抗压强度大于120MPa。
[0025]本发明在野外施工现场粗放简易的浇筑和养护条件下(温度大于20°C，撒水养护)，配制出强度大于120MPa的RPC200，并且具备较好的防爆裂性能；而不是现有配制技术在实验室或者预制件厂严格苛刻的养护条件下(高温蒸汽养护或者80?95°C的热水养护)配制 RPC200。
[0026]本发明的有益效果是:(I)在施工现场浇筑和养护条件下(环境温度大于20°C，撒水养护)RPC200抗压强度可达到135MPa以上，RPC水化充分，节约能源，工艺简单，适于施工现场浇筑和养护，有利于推广RPC在土木工程中的应用。
[0027](2)抗爆裂性能好，有效防止较大温差和火灾高温下RPC的爆裂。
[0028](3)原材料取材方便，使矿渣等废料得以合理利用，保护环境。
[0029](4)本发明的制备方法按照顺序采用一次干拌、两次湿拌方法，没有发生拌合物离析、钢纤维、聚丙烯纤维抱团等现象，使得拌合物均匀和最终的材料性能提高。
[0030](5)利用本发明，在施工现场浇筑和养护条件下(环境温度大于20°C，撒水养护)制备的RPC可达到如下技术指标:
[0031]I)力学性能:抗压强度大于135MPa，抗折强度大于22MPa，弹性模量大于50GPa。
[0032]2)抗爆裂性能:升/降温速率大于25°C/min，含水率大于20%。
【附图说明】
[0033]图1是本发明活性粉末混凝土制备的流程图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合RPC200配制实例及工艺流程附图(图1)举例对本发明做更详细的描述。
[0035]实施例1
[0036]一种施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土，各组分按下列质量份称重:
[0037]水泥:I份，改性硅灰:0.25份，磨细矿渣:0.20份，石英砂:1.15份，早强型聚羧酸高效减水剂:0.035份，钢纤维:0.15份，聚丙烯纤维:0.00175份，水:0.18份。
[0038]其中，水泥为P.052.5级普通硅酸盐水泥；改性硅灰的比表面积应大于15000m2/kg，7天活性指数应大于110% ;磨细矿渣的比表面积应大于600m2/kg，28d活性指数应大于115%；改性硅灰和磨细矿渣的主要成分为活性S12 ；石英砂中S12含量大于90 %，粒径0.18?0.36mm与粒径0.36?0.60mm(不包括0.36mm)的质量比为1:1 ；早强型聚羧酸减水剂的减水率为30%以上;钢纤维采用超细超强平直钢纤维，等效直径为0.22mm，平均长度为13mm;聚丙烯纤维采用单丝状纤维，平均直径为48μπι，长度为18?20mm，密度为0.91g/cm3，熔点为165°C，燃点为 593°C。
[0039]按配合比准确称取各组分，依次将石英砂、普通硅酸盐水泥、改性硅灰、磨细矿渣、早强型聚羧酸高效减水剂放入混凝土搅拌机，干拌时间不少于4min后，加入水湿拌6min以上，然后均匀撒入钢纤维和聚丙烯纤维，继续搅拌不小于5min后，将拌合物浇筑入模并振动成型，在环境温度大于20°C、撒水养护28d后，测得RPC抗压强度为140.67MPa，抗折强度大于22MPa，弹性模量大于50GPa，爆裂时最小升温速率26 °C /min，含水率为23 %。
[0040]实施例2
[0041]一种施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土，各组分按下列质量份称重:
[0042]普通硅酸盐水泥(P.0 52.5):1份，改性硅灰:0.30份，磨细矿渣:0.20份，石英砂:1.50份，早强型聚羧酸高效减水剂:0.0375份，钢纤维:0.20份，聚丙烯纤维:0.0025份，水:
0.20 份。
[0043]其中，改性硅灰的比表面积应大于15000m2/kg，7天活性指数应大于110% ;磨细矿渣的比表面积应大于600m2/kg，28天活性指数应大于115%;改性硅灰和磨细矿渣的主要成分为活性S12；石英砂中S12含量大于90%，粒径0.18?0.36mm与粒径0.36?0.60mm(不包括0.36mm)的质量比为1:1.5;早强型聚羧酸减水剂的减水率为30%以上；钢纤维采用超细超强平直钢纤维，等效直径为0.25mm，平均长度为15mm;聚丙烯纤维采用单丝状纤维，平均直径为52μπι，长度为18?20臟，密度为lg/cm3。
[0044]按配合比准确称取各组分，依次将石英砂、普通硅酸盐水泥、改性硅灰、磨细矿渣、早强型聚羧酸高效减水剂放入混凝土搅拌机，干拌时间不少于4min后，加入水湿拌6min以上，然后均匀撒入钢纤维和聚丙烯纤维，继续搅拌不小于5min后，将拌合物浇筑入模并振动成型，在环境温度大于20°C、撒水养护后，测得RPC抗压强度为148.54MPa，抗折强度大于22MPa，弹性模量大于50GPa，爆裂时最小升温速率30 °C /min，含水率为32 %。
[0045]实施例3
[0046]一种施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土，各组分按下列质量份称重:
[0047]普通硅酸盐水泥(P.0 52.5):1份，改性硅灰:0.35份，磨细矿渣:0.35份，石英砂:I.50份，早强型聚羧酸高效减水剂:0.040份，钢纤维:0.25份，聚丙烯纤维:0.003份，水:0.25 份。
[0048]其中，改性硅灰的比表面积应大于15000m2/kg，7天活性指数应大于110% ;磨细矿渣的比表面积应大于600m2/kg，28天活性指数应大于115%;改性硅灰和磨细矿渣的主要成分为活性S12；石英砂中S12含量大于90%，粒径0.18?0.36mm与粒径0.36?0.60mm(不包括0.36mm)的质量比为1:1.3;早强型聚羧酸减水剂的减水率为30%以上；钢纤维采用超细超强平直钢纤维，等效直径为0.20mm，平均长度为14mm;聚丙烯纤维采用单丝状纤维，平均直径为55μπι，长度为18?20臟，密度为lg/cm3。
[0049]按配合比准确称取各组分，依次将石英砂、普通硅酸盐水泥、改性硅灰、磨细矿渣、早强型聚羧酸高效减水剂放入混凝土搅拌机，干拌时间不少于4min后，加入水湿拌6min以上，然后均匀撒入钢纤维和聚丙烯纤维，继续搅拌不小于5min后，将拌合物浇筑入模并振动成型，在环境温度大于20°C、撒水养护后，测得RPC抗压强度为145.29MPa，抗折强度大于22MPa，弹性模量大于50GPa，爆裂时最小升温速率35 °C /min，含水率为22 %。
[0050]对比例I
[0051]RPC材料性能受投料顺序影响较大，钢钎维、聚丙烯纤维的抱团以及拌合物的离析均对RPC材料性能产生不利影响。为对比现有文献和研究成果中投料顺序对RPC材料性能的影响，取文献《大掺量矿物细粉掺和料活性粉末混凝土高温性能》的投料顺序，将实施例2中的原料，水泥+硅灰+其他掺和料搅拌均匀后，加水搅拌均匀，加砂搅拌均匀，加减水剂搅拌到一定的流动度，加钢纤维，振动成型后，测得试件强度为105.71MPa。
[0052]结论:本发明在投料顺序方面做了大量的试验，按文献《大掺量矿物细粉掺和料活性粉末混凝土高温性能》和其他现有研究成果的投料顺序，制备的RPC强度均在100?115MPa左右，且在搅拌振捣过程中观察发现，按现有文献的投料顺序，搅拌大体积活性粉末混凝土时，有拌合物的离析和钢纤维、聚丙烯纤维抱团等现象，使拌合物不均匀，材料性能下降。经反复试验对比，确定本发明的如下投料顺序和投料方式配制出的RPC抗压强度均大于135MPa。
[0053]对比例2:与实施例2相比，区别仅在于:磨细矿渣的质量份为0.13份，早强型聚羧酸高效减水剂:0.025份，其他与实施例2相同。
[0054]经采用实施例2中的制备方法得到的RPC抗压强度为18.51MPa，抗折强度为19.24MPa，弹性模量为51.72GPa，爆裂时最小升温速率21°C/min，含水率为30%。
[0055]结论:该对比例降低了磨细矿渣和早强型聚羧酸高效减水剂的配比量，使得RPC200在常温下的反应活性和水化程度降低，使得制备得到的RPC的各项性能较差。
[0056]对比例3:与实施例2相比，区别仅在于:钢纤维的质量份:0.12份，聚丙烯纤维的质量份:0.0015份，其他与实施例2相同。
[0057]经采用实施例2中的制备方法得到的RPC抗压强度为113.75MPa，抗折强度为15.39MPa，弹性模量为51.65GPa，爆裂时最小升温速率12°C/min，含水率为30%。
[0058]结论:该对比例降低了钢纤维和聚丙烯纤维的配比量，降低了基体抗拉强度和内部连通性，使得制备得到的RPC的各项性能较差。
[0059]对比例4:与实施例2相比，区别仅在于:钢纤维的质量份:0.4份，聚丙烯纤维的质量份:0.0035份，其他与实施例2相同。
[0060]经采用实施例2中的制备方法得到的RPC抗压强度为15.2 2MPa，抗折强度为16.34MPa，弹性模量为50.27GPa，爆裂时最小升温速率14°C/min，含水率为35%。
[0061]结论:该对比例提高了钢纤维和聚丙烯纤维的配比量，虽然提高了基体抗拉强度和内部连通性，但是钢纤维和聚丙烯纤维的配比量过高，活性粉末混凝土的搅拌质量和流动度难以保证，使得制备得到的RPC的整体性能较差。
【主权项】
1.施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土，其特征是，是由以下重量份的组分制成: 水泥I份，改性硅灰0.25?0.35份，磨细矿渣0.15?0.35份，石英砂1.0?1.5份，聚羧酸减水剂0.030?0.040份，钢纤维0.15?0.25份，聚丙烯纤维0.00175?0.003份，水0.20?0.25 份。2.如权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征是，是由以下重量份的组分制成:水泥I份，改性硅灰0.30份，磨细矿渣0.20份，石英砂1.5份，聚羧酸减水剂0.0375份，钢纤维0.20份，聚丙烯纤维0.0025份，水0.20份。3.如权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征是:所述水泥为P.0 52.5级普通硅酸盐水泥。4.如权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征是:所述改性硅灰的比表面积大于15000m2/kg，7天活性指数大于110 %。5.如权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征是:所述磨细矿渣的比表面积大于600!112/1^，28天活性指数大于115%。6.如权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征是:所述石英砂中S12含量大于90%，粒径0.18?0.36mm与粒径0.36?0.60mm的质量比为1: 0.8?2，其中0.36?0.60mm范围中不包含0.36mm端点。7.如权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征是:所述聚羧酸减水剂减水率为30%以上。8.如权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征是:所述钢纤维采用超细超强平直钢纤维，等效直径为0.20?0.25mm，平均长度为1?15mm。9.如权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征是:所述聚丙烯纤维采用单丝状纤维，平均直径为45?55卩111，长度为18?20111111，密度为0.9?1.0〖/0113。10.—种权利要求1?9中任一项所述的施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土的制备方法，其特征是，包括以下步骤: 按配合比准确称取各组分，将石英砂、水泥、改性硅灰、磨细矿渣、聚羧酸减水剂放入混凝土搅拌机，干拌时间不少于4min后，加入水湿拌6min以上，然后均匀撒入钢纤维和聚丙烯纤维，继续搅拌不小于5min后，将拌合物浇筑入模，振动成型后，环境温度大于20°C，撒水养护即可制得施工现场养护条件下200MPa级防爆裂活性粉末混凝土。
【文档编号】C04B16/06GK105948649SQ201610298231
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】闫凯, 张鑫, 张国强, 贾强
【申请人】山东建筑大学