一种超高性能混凝土及其制备方法与流程

1.本发明涉及建筑材料领域，具体的涉及一种超高性能混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.超高性能混凝土(uhpc)是拥有优异力学性能和良好耐久性的新一代水泥基复合材料，在高层建筑、大跨桥梁、海洋工程、水利工程、核电工程和特种结构等领域已经得到广泛应用。同普通混凝土和高性能混凝土相比，uhpc具有优异的性能。力学性能方面，uhpc要远远优于普通混凝土和高强混凝土，其抗压强度高于100mpa，抗折强度高于12mpa，断裂能可达30000j
·
m2。传统混凝土属于脆性材料，具有较好抗压性能，但抗折抗剪切性能非常差，而uhpc由于掺入了纤维材料，抗折抗剪切性能和韧性大大提高，相比传统混凝土，uhpc抗折强度高了一个数量级，断裂能高了两个数量级。耐久性能方面，由于uhpc的水胶比很低，原料颗粒之间紧密堆积整体特别密实，孔隙率仅为9％以下，甚至有uhpc的孔隙率接近2％，而且uhpc结构中孔结构的孔径在10nm左右。因此uhpc的渗透性极低、抗环境介质侵蚀能力和抗磨损能力很强，耐久性能远远优于传统混凝土。
3.uhpc突破了水泥基材料性能和应用领域的很多极限。无论是结构材料组分的复合，水泥基材料本身的性能、与纤维增强材料的复合，还是与其他结构材料的“组合”，都打开了许多发展空间，目前uhpc在各种工程上的应用还只是开始，一旦uhpc的性能和优势被认识，将很快形成uhpc的开发和应用高潮。
4.目前uhpc的推广应用阻碍依然较大，其中uhpc的原材料一般选用优质石英砂、石英粉作为骨料，镀铜微细钢纤维作为增强纤维材料，高活性的硅灰、粉煤灰和矿粉作为活性掺合料，高减水率的减水剂作为外加剂，这导致uhpc的原材料成本高昂；uhpc的养护制度与传统混凝土相比较为繁琐和复杂，一般包括静停、初养、终养、自然养护等养护过程。因此，提供一种混凝土，其不仅具有超高性能混凝土的高质量，而且成本低廉，生产简便，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服现有技术所存在的技术缺陷，提供一种超高性能混凝土，解决目前uhpc生产成本较高的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供一种超高性能混凝土，其原料组分包括：普通砂、水泥、硅灰、石灰石粉、粉煤灰、矿渣粉、减水剂、钢纤维及水，
7.优选地，超高性能混凝土中各组分重量份计为：水泥300～500份、硅灰50～150份、石灰石粉400～600份、粉煤灰50～150份、矿渣粉200～400份、减水剂20～30份；
8.优选地，钢纤维含量为超高性能混凝土体积含量2～3％；
9.优选地，水和胶凝材料的质量比为0.16～0.18：1；
10.优选地，普通砂和胶凝材料的质量比为0.8～1.2：1。
11.优选地，各组分重量份计为：水泥400份、硅灰100份、石灰石粉100份、粉煤灰100
份、矿渣粉300份、减水剂25份；
12.优选地，钢纤维含量为超高性能混凝土体积含量2％；
13.优选地，水和胶凝材料的质量比为0.17：1；
14.优选地，普通砂和胶凝材料的质量比为1：1。
15.优选地，水泥平均粒径为10.0～20.0μm，比表面积为1900～2100m2/kg。
16.优选地，硅灰平均粒径为1.0～2.0μm，比表面积为10000～12000m2/kg。
17.优选地，石灰石粉粒径为3～5μm，caco3含量≥95％，含水率≤2％。
18.优选地，粉煤灰平均粒径为5.0～10.0μm，比表面积为2400～2600m2/kg。
19.优选地，矿渣粉平均粒径为8.0～12.0μm，比表面积为1000～1200m2/kg。
20.优选地，减水剂为聚羧酸减水剂，固含量为40wt.％，减水率≥25％；钢纤维为短切钢纤维，长度为4mm～6mm，直径200～220μm，弹性模量不低于150gpa，极限抗拉强度不低于2000mpa。
21.本发明还提供一种超高性能混凝土的制备方法，将水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣粉、石灰石粉和普通砂在搅拌机内低速搅拌2～3min，然后加入70％-80％质量的聚羧酸减水剂和水的混合液低速搅拌1～2min，然后加入剩余质量的聚羧酸减水剂和短切钢纤维，保持低速搅拌2～3min，最后高速搅拌3～4mins置于模具中，养护至规定龄期，得到所述超高性能混凝土。
22.通过本发明提供的超高性能混凝土，具有如下有点：
23.1、本发明中，采用粉煤灰、硅灰、石灰石粉、矿渣粉等固废材料代替水泥等胶凝材料，采用廉价的普通砂代替优质石英砂，采用短切钢纤维代替价格昂贵的镀铜钢纤维，采用这些廉价的原材料，代替原有的优质昂贵原材料，可大大降低超高性能混凝土的材料成本，同时也保证超高性能混凝土的物理力学性能和耐久性能无明显降低。
24.2、本发明中采用石灰石粉作为微细骨料，改善了超高性能混凝土基体的颗粒级配，使基体更加密实，改善新拌混凝土的流动性能，有助于增加混凝土的物理力学性能和工作性能。
25.3、胶凝体系中硅灰、粉煤灰和矿渣粉中的活性sio2、al2o3可以和水泥水化产生的ca(oh)2发生二次水化反应(火山灰反应)生成c-s-h凝胶，修复微裂纹并填充水泥石的孔隙和水泥石与骨料之间的界面过渡区，提高物理力学性能。
26.4、本发明中，超高性能混凝土的养护方式可采用自然养护，免除了额外的高温、蒸汽、蒸压养护方法，可采用普通混凝土的浇筑成型方法，大大降低了超高性能混凝土的制备工艺复杂程度，制备成本也随之大大降低，有利于扩展超高性能混凝土应用领域。
具体实施方式
27.在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
28.本发明提供一种超高性能混凝土，其原料组分包括：普通砂、水泥、硅灰、石灰石粉、粉煤灰、矿渣粉、减水剂、钢纤维及水，
29.进一步地，超高性能混凝土中各组分重量份计为：水泥300～500份、硅灰50～150份、石灰石粉400～600份、粉煤灰50～150份、矿渣粉200～400份、减水剂20～30份；
30.进一步地，钢纤维含量为超高性能混凝土体积含量2～3％；
31.进一步地，水和胶凝材料的质量比为0.16～0.18：1；
32.进一步地，普通砂和胶凝材料的质量比为0.8～1.2：1。
33.进一步地，各组分重量份计为：水泥400份、硅灰100份、石灰石粉100份、粉煤灰100份、矿渣粉300份、减水剂25份；
34.进一步地，钢纤维含量为超高性能混凝土体积含量2％；
35.进一步地，水和胶凝材料的质量比为0.17：1；
36.进一步地，普通砂和胶凝材料的质量比为1：1。
37.进一步地，水泥平均粒径为10.0～20.0μm，比表面积为1900～2100m2/kg。
38.进一步地，硅灰平均粒径为1.0～2.0μm，比表面积为10000～12000m2/kg。
39.进一步地，石灰石粉粒径为3～5μm，caco3含量≥95％，含水率≤2％。
40.进一步地，粉煤灰平均粒径为5.0～10.0μm，比表面积为2400～2600m2/kg。
41.进一步地，矿渣粉平均粒径为8.0～12.0μm，比表面积为1000～1200m2/kg。
42.进一步地，减水剂为聚羧酸减水剂，固含量为40wt.％，减水率≥25％；钢纤维为短切钢纤维，长度为4mm～6mm，直径200～220μm，弹性模量不低于150gpa，极限抗拉强度不低于2000mpa。
43.本发明还提供一种超高性能混凝土的制备方法，将水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣粉、石灰石粉和普通砂在搅拌机内低速搅拌2～3min，然后加入70％-80％质量的聚羧酸减水剂和水的混合液低速搅拌1～2min，然后加入剩余质量的聚羧酸减水剂和短切钢纤维，保持低速搅拌2～3min，最后高速搅拌3～4mins置于模具中，养护至规定龄期，得到所述超高性能混凝土。
44.以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
45.实施例1
46.本实施例用于说明本发明所述的超高性能混凝土。
47.按照重量份称取：水泥400份、硅灰100份、石灰石粉100份、粉煤灰100份、矿渣粉300份、减水剂25份，钢纤维的含量为超高性能混凝土体积含量2％；水和胶凝材料的质量比为0.17：1；普通砂和胶凝材料的质量比为1：1，将水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣粉、石灰石粉和普通砂在搅拌机内低速搅拌2min，然后加入70％％质量的聚羧酸减水剂和水的混合液低速搅拌1min，然后加入剩余质量的聚羧酸减水剂和短切钢纤维，保持低速搅拌3min，最后高速搅拌4min置于模具中，养护至规定龄期，得到所述超高性能混凝土。
48.实施例2
49.本实施例用于说明本发明所述的超高性能混凝土。
50.按照重量份称取：水泥300份、硅灰50份、石灰石粉400份、粉煤灰50份、矿渣粉200份、减水剂20份；钢纤维含量为超高性能混凝土体积含量2％；水和胶凝材料的质量比为0.16：1；普通砂和胶凝材料的质量比为0.8：1，将水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣粉、石灰石粉和普通砂在搅拌机内低速搅拌2min，然后加入70％质量的聚羧酸减水剂和水的混合液低速搅拌2min，然后加入剩余质量的聚羧酸减水剂和短切钢纤维，保持低速搅拌2min，最后高速搅拌
3mins置于模具中，养护至规定龄期，得到所述超高性能混凝土。
51.实施例3
52.本实施例用于说明本发明所述的超高性能混凝土。
53.按照重量份称取：水泥500份、硅灰150份、石灰石粉600份、粉煤灰150份、矿渣粉400份、减水剂30份；钢纤维含量为超高性能混凝土体积含量3％；水和胶凝材料的质量比为0.18：1；普通砂和胶凝材料的质量比为1.2：1，将水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣粉、石灰石粉和普通砂在搅拌机内低速搅拌3min，然后加入70％质量的聚羧酸减水剂和水的混合液低速搅拌2min，然后加入剩余质量的聚羧酸减水剂和短切钢纤维，保持低速搅拌3min，最后高速搅拌4mins置于模具中，养护至规定龄期，得到所述超高性能混凝土。
54.对比例1
55.本对比例与实施例1相比，用石英砂代替普通砂，其余条件均一致。
56.对比例2
57.本对比例与实施例1相比，不加入石灰石粉，其余条件均一致。
58.对比例3
59.本对比例与实施例1相比，不加入硅灰，其余条件均一致。
60.对比例4
61.本对比例与实施例1相比，不加入粉煤灰，其余条件均一致。
62.对比例5
63.本对比例与实施例1相比，不加入矿渣粉，其余条件均一致。
64.对实施例1-3以及对比例1-5制得的超高性能混凝土进行性能测试。
65.将新拌超高性能混凝土按照gb/t 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行坍落度试验和扩展度试验。
66.将新拌超高性能混凝土成型，试件养护采用标准养护制度(20
±
2℃，相对湿度为95％)，养护到规定龄期测试其物理力学性能。抗压强度测试采用100mm
×
100mm
×
100mm的立方体试件，加载速率为1.2mpa/s～1.4mpa/s；抗折强度采用100mm
×
100mm
×
400mm的棱柱体试件，加载速率为0.08mpa/s～0.1mpa/s。
67.结果如下表所示：
[0068][0069][0070]
从上表的性能来看，实施例1-3和对比例1-5的超高性能混凝土的坍落度和扩展度均能满足工作性能要求，各试验组超高性能混凝土标准条件养护28d后实施例1～3和对比例1～5抗压强度均超过110mpa，28d中实施例1～3抗折强度均超过30mpa。
[0071]
通过对比实施例1～3和对比例1的结果来看，使用普通砂和石英砂得到的超高性能混凝土性能相差不大；
[0072]
对比例2～5表明，硅灰、石灰石粉、粉煤灰、矿渣粉的添加可以使超高性能混凝土的性能获得较大的提升，缺一不可，同时选取本发明的配方得到的超高性能混凝土性能最佳。
[0073]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。