一种轻骨料超高性能混凝土及其制备方法与流程

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种轻骨料超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术：

轻骨料混凝土是指通过掺加轻骨料，表观密度控制在1950kg/m³以下的混凝土，轻骨料混凝土具有比强度高、保温、隔热等优点，广泛应用在各种承重和非承重结构。超大跨度桥梁、超高层建筑对混凝土的强度和耐久性提出了更高要求，然而，与传统砂石骨料相比，轻骨料的力学性能低，导致轻骨料混凝土存在强度低、耐久性差的缺陷，限制了轻骨料混凝土的发展和应用。

现有研究聚焦在轻骨料的性能增强(提高其力学性能)，常用的技术手段包括：(1)选用低吸水率、高强优质的轻骨料，提高了轻骨料混凝土的原料成本；(2)在轻骨料表面使用水泥基材料预制一层致密的壳，提升轻骨料的强度；(3)通过掺加辅助胶凝材料，改善轻骨料与水泥浆体的界面过渡区性能(界面过渡区当成轻骨料的壳)以提高轻骨料混凝土的性能。然而，上述技术手段对轻骨料预处理工艺和施工工艺都提出了更高的要求，制备工艺复杂，且并未从根本上解决轻骨料混凝土作为薄弱环节的事实，导致制备的轻骨料混凝土性能提升有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种轻骨料超高性能混凝土及其制备的新思路。本发明使用来源广泛、吸水率高、强度差的膨胀珍珠岩作为轻骨料(填料)，通过提高浆体的均质性，降低混凝土应力集中现象，实现超高强度、高韧性、高抗冲击性和优异耐久性能的轻骨料超高性能混凝土的制备，本研究一方面使用广泛易得的轻骨料，降低了轻骨料成本和预处理工艺；另一方面，较现有轻骨料混凝土的研究，本研究制备的轻骨料混凝土性能更加优异。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种轻骨料超高性能混凝土，由包括以下重量份数的组分制备得到：

所述膨胀珍珠岩的粒径为0.075～0.6mm；

所述膨胀珍珠粉的粒径小于0.075mm。

优选地，所述水泥为硅酸盐水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥或矿渣水泥；所述水泥的平均粒径为10.6μm。

优选地，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂；所述减水剂的减水率超过35％。

优选地，所述钢纤维为长直钢纤维；所述钢纤维的直径为0.1～0.3mm，长度为6～15mm，抗拉强度为1600mpa以上。

优选地，确定所述轻骨料超高性能混凝土配方的设计方法包括以下步骤：

(1)基于紧密堆积理论，利用modifiedandreasenandandersen模型，设计具有密实结构的基准组配合比；

(2)根据效应面法建立膨胀珍珠粉和膨胀珍珠岩的取代量与超高性能密度和强度的函数关系，根据性能要求确定膨胀珍珠粉和膨胀珍珠岩的掺量；

(3)对效应面法设计的配比进行试验验证，得到所述轻骨料超高性能混凝土的配合比。

优选地，采用膨胀珍珠粉取代部分水泥，采用膨胀珍珠岩取代部分或全部石英砂。

优选地，步骤(3)所述轻骨料超高性能混凝土的配方为：

当所述轻骨料超高性能混凝土的密度为1700级时，由包括以下重量份数的组分制备得到：水泥241份，硅灰112份，膨胀珍珠粉147份，膨胀珍珠岩244份，水146份，减水剂18份，钢纤维93份；

当所述轻骨料超高性能混凝土的密度为1800级时，由包括以下重量份数的组分制备得到：水泥388份，硅灰102份，膨胀珍珠粉47份，膨胀珍珠岩223份，水137份，减水剂16份，钢纤维85份。

本发明还提供了上述技术方案所述轻骨料超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：

(1)将水泥、硅灰、膨胀珍珠粉和膨胀珍珠岩进行第一混合，得到混合料；

(2)将所述混合料与减水剂、水进行第二混合，得到混合浆料；

(3)将所述混合浆料与钢纤维进行第三混合后，得到坯体；

(4)将所述坯体进行热养护，得到轻质超高性能混凝土。

优选地，所述热养护包括依次进行的第一阶段热水养护和第二阶段干燥高温养护。

优选地，所述第一阶段热水养护包括依次进行的预养护、升温阶段、恒温阶段和降温阶段；

所述第一阶段热水养护中预养护的温度为20～40℃，时间为12～36h；

所述第一阶段热水养护中升温阶段的升温速率为0.1～1℃/min；

所述第一阶段热水养护中恒温阶段的温度为90～100℃，时间为6～8h；

所述第一阶段热水养护中降温阶段的降温速率为0.23～0.3℃/min；

所述第二阶段干燥高温养护包括依次进行的升温阶段、恒温阶段和降温阶段；

所述第二阶段干燥高温养护中升温阶段的升温速率为5～10℃/min；

所述第二阶段干燥高温养护中恒温阶段的恒温时间为2～3h；

所述第二阶段干燥高温养护中降温阶段的降温速率为0.1～0.5℃/min。

本发明提供了一种轻骨料超高性能混凝土，由包括以下重量份数的组分制备得到：水泥220～400份；硅灰100～120份；膨胀珍珠粉5～150份；膨胀珍珠岩220～260份；聚羧酸基高效减水剂15～20份；钢纤维76～93份；水130～160份。所述膨胀珍珠粉的粒径小于0.075mm，所述膨胀珍珠岩的粒径为0.075～0.6mm。本发明使用来源广泛、性能较低的膨胀珍珠岩作为轻骨料组分，通过对膨胀珍珠岩和膨胀珍珠粉的粒径和添加量的控制，以及其他原料的配合作用，使得膨胀珍珠岩和膨胀珍珠粉均匀分散在混凝土中，构建了一种应力分散的几何结构；通过添加钢纤维进一步避免了应力集中现象，得到了具有超高强度、高韧性、高抗冲击性和优异耐久性能的轻骨料超高性能混凝土。与现有技术相比，本发明并不从轻骨料(陶粒等传统轻骨料)的增强出发，也就不需要使用高强的轻骨料，而是通过提高水泥基材料的均质性，进而减少应力集中现象，从而获得兼具低密度和高强度的水泥基材料。本发明提供的轻骨料超高性能混凝土制备原材料广泛易得、作为轻骨料的膨胀珍珠岩成本低，易处理；本发明设计制备的轻质超高性能混凝土密度性能优异(密度＜1700kg/m³，抗压强度＞150mpa，28天电通量＜100c)，能够满足超大跨度桥梁、超高层建筑以及海洋复杂环境下服役混凝土构件等对水泥基材料的轻质、超高强、超高耐久的要求，具有较高的推广价值。

本发明还提供了上述轻骨料超高性能混凝土的制备方法，本发明无需使用其他工艺对轻骨料及其他原料进行预处理，简化了制备工艺，缩短了生产周期。

附图说明

图1为本发明轻骨料超高性能混凝的设计流程图；

图2为膨胀珍珠岩、膨胀珍珠粉和其他原料的取代关系图；

图3为使用效应面法确定试验方案的试验取点图；

图4为热养护制度示意图；

图5为实施例1制备的轻骨料超高性能混凝土的电通量。

具体实施方式

本发明提供了一种轻骨料超高性能混凝土，由包括以下重量份数的组分制备得到：

所述膨胀珍珠岩的粒径为0.075～0.6mm；

所述膨胀珍珠粉的粒径小于0.075mm。

在本发明中，若无特殊说明，所有的原料组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。

在本发明中，按重量份数计，制备所述轻骨料超高性能混凝土的原料包括水泥220～400份，优选为220～260份，更优选为240份。在本发明中，所述水泥优选为硅酸盐水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥或矿渣水泥，更优选为普通硅酸盐水泥；所述水泥的平均粒径优选为10.6μm。在本发明中，所述水泥兼具参与水化反应和物理填充的作用。

在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，制备所述轻骨料超高性能混凝土的原料包括硅灰100～120份，优选为112份。在本发明中，所述硅灰的作用是发挥火山灰效应和填充作用。

在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，制备所述轻骨料超高性能混凝土的原料包括膨胀珍珠粉5～150份，更优选为47～147份；所述膨胀珍珠粉的粒径优选小于0.075mm。在本发明中，所述膨胀珍珠粉的制备方法优选包括：将市售膨胀珍珠岩进行球磨，筛分后得到粒径小于0.075mm的膨胀珍珠粉。在本发明中，所述球磨的转速优选为30～40r/min，时间优选为0.3～1.0h。

在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，制备所述轻骨料超高性能混凝土的原料包括膨胀珍珠岩220～260份，优选为223～244份，所述膨胀珍珠岩的粒径为0.075～0.6mm。在本发明中，所述膨胀珍珠岩的制备方法优选包括：将市售膨胀珍珠岩进行球磨，筛分后得到粒径为0.075～0.6mm的膨胀珍珠岩。在本发明中，所述球磨的转速优选为30～40r/min，时间优选为0.1～0.3h。

在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，制备所述轻骨料超高性能混凝土的原料包括减水剂15～20份，优选为16～18份。在本发明中，所述减水剂优选为聚羧酸减水剂，所述减水剂的固含量优选为18％；所述减水剂的减水率超过35％。

在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，制备所述轻骨料超高性能混凝土的原料包括钢纤维76～93份，优选为85～93份。在本发明中，所述钢纤维优选为长直钢纤维；所述钢纤维的直径优选为0.1～0.3mm，更优选为0.2mm；长度优选为6～15mm，更优选为13mm；抗拉强度优选为1600mpa以上，更优选为2400mpa。

在本发明中，以所述水泥的重量份数为基准，制备所述轻骨料超高性能混凝土的原料包括水130～160份，优选为137～146份。

在本发明中，确定所述轻骨料超高性能混凝土配方的设计方法优选包括以下步骤：

(1)基于紧密堆积理论，利用modifiedandreasenandandersen模型，设计具有密实结构的基准组配合比；

(2)根据效应面法建立膨胀珍珠粉和膨胀珍珠岩的取代量与超高性能密度和强度的函数关系，根据性能要求确定膨胀珍珠粉和膨胀珍珠岩的掺量；

(3)对效应面法设计的配比进行试验验证，得到所述轻骨料超高性能混凝土的配合比。

本发明轻骨料超高性能混凝土(uhpc)的设计思路如图1所示，本发明旨在建立一种防止应力集中的均质结构而非通过提升轻骨料的强度制备uhpc。

本发明优选根据颗粒紧密堆积理论，利用modifiedandreasenandandersen，通过调整膨胀珍珠粉填料和膨胀珍珠岩轻骨料粒径范围，建立合理的取代关系(即使用膨胀珍珠粉取代水泥，使用膨胀珍珠岩取代石英砂，以保证紧密的堆积密实度)，具体为：先准备粒径为0.075～0.6mm的膨胀珍珠岩和粒径小于0.075mm的膨胀珍珠粉；然后通过紧密堆积理论，使用modifiedandreasenandandersenmodel，初步建立膨胀珍珠岩和膨胀珍珠粉对其他制备原料的取代关系，如图2所示，由图2可以看出，使用膨胀珍珠粉或膨胀珍珠岩分别取代水泥和石英砂对体系的堆积密实度影响不大，因此，确定采用膨胀珍珠粉取代部分水泥，采用膨胀珍珠岩取代部分或全部石英砂；其中，基准组配合比见表1。

表1基准组配合比(kg/m³)

在确定膨胀珍珠岩和膨胀珍珠粉对其他制备原料的取代关系后，本发明根据效应面法进一步确定膨胀珍珠粉轻填料和膨胀珍珠岩轻骨料的取代量，具体为：

(1)确定自变量、自变量取值范围和因变量：在本发明中，膨胀珍珠粉轻填料、膨胀珍珠岩轻骨料的取代量为自变量，水泥基材料的密度(以绝干密度计)和抗压强度为因变量，自变量、约束条件和因变量见表2；

表2自变量(包括约束条件)和因变量

(2)设计试验，记录结果：使用效应面法(ccd法)确定试验方案(见图3)(中心点重复3次)，共计11个配合比，进行试验，记录试验数据，试验方案及测试结果见表3；

表3试验方案(kg/m³)及结果

(3)建立模型并评价模型准确度，见表4；基于试验结果，对回归模型进行拟合，得到轻骨料(填料)掺量与水泥基材料密度和强度的关系是分别为：

密度＝2424.00-280.65×膨胀珍珠粉取代水泥量-610.52×膨胀珍珠岩取代石英砂量；

强度＝190.55659+6.77904×膨胀珍珠粉取代水泥量-68.73060×膨胀珍珠岩取代石英砂量+7.33333×膨胀珍珠粉取代水泥量×膨胀珍珠岩取代石英砂量-98.93519×膨胀珍珠粉取代水泥量×膨胀珍珠粉取代水泥量+18.98333×膨胀珍珠岩取代石英砂量×膨胀珍珠岩取代石英砂量；

表4模型准确性评价结果

其中，模型的f值分别为2160.17和96.39，p值＜0.0001，说明模型极显著；模型的校正决定系数分别为adj-r²＝0.99和0.95；复相关系数pre-r²＝0.99和0.91，说明模型拟合程度高；结果表明，此模型可靠性好，分析可信度高。

(4)设定范围，求解，本发明设计的不同轻骨料混凝土详见表5；

表5求解条件(kg/m³)

根据所述函数关系和预设的目标性能，得到所述轻骨料超高性能混凝土的配方，具体的如表6所示；

表6轻骨料超高性能混凝土的配方(kg/m³)

本发明还提供了上述技术方案所述轻骨料超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：

(1)将水泥、硅灰、膨胀珍珠粉和膨胀珍珠岩进行第一混合，得到混合料；

(2)将所述混合料与减水剂、水进行第二混合，得到混合浆料；

(3)将所述混合浆料与钢纤维进行第三混合后制坯，得到坯体；

(4)将所述坯体进行热养护，得到轻骨料超高性能混凝土。

本发明将水泥、硅灰、膨胀珍珠岩、膨胀珍珠粉和石英砂进行第一混合，得到混合料。在本发明中，所述第一混合优选在搅拌条件下进行，所述搅拌的速度优选为135～145r/min；所述搅拌的时间优选为2～5min，更优选为3min。在本发明中，膨胀珍珠岩、膨胀珍珠粉的加入能够明显提高拌合物与搅拌机内壁之间的摩擦力，同时提高胶砂拌合物之间的摩擦力与剪切力，较大的摩擦力和剪切力有助于提高水和减水剂的分散速度，使混凝土能够搅拌成均匀的浆料。

得到混合料后，本发明将所述混合料与减水剂、水进行第二混合，得到混合浆料。本发明优选先将水和减水剂混合，然后将所得混合液与前文所述混合料进行混合。

得到混合浆料后，本发明将所述混合浆料与钢纤维进行第三混合后制坯，得到坯体。本发明在得到混合浆料后，本发明优选先将混合浆料进行高速搅拌，然后再加入钢纤维混合。在本发明中，所述高速搅拌的搅拌速度优选为270～290r/min，时间优选为2min。本发明通过高速搅拌提高混合浆料的均质性。

在本发明中，所述第三混合优选在搅拌条件下进行，所述搅拌的速度优选为135～145r/min；所述搅拌的时间优选为2～3min，更优选为2min。本发明最后加入钢纤维能够提高混凝土中各物料的分散均匀性。

本发明对所述制备过程没有特殊的限定，采用本领域所熟知的超高性能混凝土制备过程即可。

得到试样后，本发明将所述试样进行热养护，得到轻骨料超高性能混凝土。在本发明中，所述热养护优选包括依次进行的第一阶段热水养护和第二阶段干燥高温养护；

所述第一阶段热水养护优选包括依次进行的预养护、升温阶段、恒温阶段和降温阶段；所述预养护的温度优选为20～40℃，时间优选为12～36h；所述升温阶段的速率优选为0.1～1℃/min；所述恒温阶段的温度优选为90～100℃，时间优选为6～8h；所述降温阶段的降温速率优选为0.23～0.3℃/min；

所述第二阶段干燥高温养护优选包括依次进行的升温阶段、恒温阶段和降温阶段；所述升温阶段的升温速率优选为5～10℃/min；在本发明的具体实施例中，优选每升温50℃保持恒温2～3h；在本发明中，所述恒温阶段的温度优选为250℃，恒温时间优选为2～3h；所述降温阶段的降温速率优选为0.1～0.5℃/min。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

(1)将405kgp.o42.5r的普通硅酸盐水泥(平均粒径为10.6μm)、188kg硅灰、248kg膨胀珍珠粉(粒径为0～0.075mm)和410kg膨胀珍珠岩(粒径为0.075～0.6mm)在140r/min的速度下搅拌3min，得到混合料；

(2)将30kg聚羧酸减水剂(固含量为18％)和246kg水混合后缓慢加入步骤(1)所述混合料中，在140r/min的速度下搅拌5min以上，得到混合浆料；

(3)将所述混合浆料在280r/min的速度下搅拌2min，然后加入长直钢纤维(直径为0.2mm，长度为13mm，抗拉强度为2400mpa)，在140r/min的速度下搅拌2min，成型脱模后，得到坯体；

(4)将所述坯体按照图4所示养护制度进行热养护，得到轻骨料超高性能混凝土；所述热养护的具体方式为：先在20℃条件下预养护24h；然后以1℃/min的升温速率升至90℃，保温6h；再以0.23℃/min的降温速率降至20℃，再以5℃/min的速率升温至250℃(每升温50℃保持恒温2h)，最后以0.35℃/min的降温速率降低至室温以备测试。

所得轻骨料超高性能混凝土为1600级，密度为1580kg/m³，抗压强度为164.9mpa。

试验例

测试实施例1制备的轻骨料超高性能混凝土的耐久性(以电通量和氯离子扩散深度计)，结果如图5所示，由图5可知，本发明制备的轻骨料超高性能混凝土经28天常规养护后的氯离子渗透深度为0mm，电通量均＜100c，说明其除了具有轻质超高强的优点外，也表现优异的耐久性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。