一种多参数调控的装饰用超高性能混凝土及其制备方法

本发明涉及建筑材料，具体为一种多参数调控的装饰用超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、随着建筑外立面与景观工程对构件外观与承载要求的不断提升，超高性能混凝土因其突出的力学性能被逐渐引入装饰领域。然而，常规的超高性能混凝土在直接用于制备装饰构件时，在配方体系与物理性能上存在较为明显的局限。

2、在骨料配置与体系收缩方面，现有的超高性能体系通常依赖粒径均匀的昂贵石英砂来保证内部结构的致密性，这直接推高了制备成本，限制了其在装饰领域的规模化应用。为了获取高流动度与超高强度，常规配比通常采用极高的胶凝材料用量。这种高浆骨比体系虽然能提供良好的包裹性，但过大的纯浆体体积在水化过程中会引发早期干缩与化学减缩。当收缩应力超过基体的抗拉强度时，构件表面便容易产生微裂纹，直接破坏装饰构件的外观完整性。

3、在胶凝材料体系方面，现有技术高度依赖单一掺加大量硅灰来填充微孔并提供二次火山灰反应动力。硅灰的极高比表面积会导致浆体的塑性粘度急剧上升，增加成型时振捣排气的难度，容易在构件表面留下气孔缺陷。更为严峻的是，高掺量硅灰会加剧基体的自收缩倾向，对于厚度偏薄或造型复杂的装饰构件而言，这种集中的内应力很容易引发结构性开裂。

4、在材料抗裂性与长期外观维持方面，常规体系多采用掺入钢纤维的方式进行增韧。但表层裸露的钢纤维在自然环境中容易发生锈蚀，产生的锈斑会严重破坏构件的美观度。若不引入纤维增强，纯无机硬化基体又面临脆性大、延性不足的问题。同时，常规无机水化体系在成型脱模后，基体表层仍会存留微细的连通毛细孔。长期处于室外温湿度交替环境中，水分容易顺着毛细孔渗入基体内部，引发泛碱现象，导致构件表面的细腻质感与原有光泽度随时间发生退化。上述缺陷表明，需要对现有超高性能混凝土的骨料级配、胶凝相组成及外加剂体系进行系统性调控，才能同时满足工程实际对低收缩、高力学表现以及持久装饰效果的需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种多参数调控的装饰用超高性能混凝土及其制备方法，解决了常规超高性能混凝土依赖昂贵石英砂导致制备成本偏高，高浆骨比与单一高掺量硅灰容易引发基体干缩与自收缩开裂，以及传统钢纤维增韧与表面毛细孔隙导致构件易出现锈斑泛碱、长期装饰表现力难以维持的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本发明提供一种多参数调控的装饰用超高性能混凝土，包含以下组分：复合胶凝材料100份；复合机制砂80～120份；水15～20份；聚羧酸减水剂1.0～2.5份；控制复合胶凝材料与复合机制砂的质量比为0.83:1～1.25:1，水与复合胶凝材料的质量比为0.15～0.20，复合胶凝材料与复合机制砂混合均匀，形成最紧密堆积的骨架。

4、通过采用上述技术方案，本发明在0.15～0.20的低水胶比条件下，利用聚羧酸减水剂的空间位阻效应使胶凝材料颗粒得以分散。在此基础之上，复合机制砂在体系内部提供承载骨架，而复合胶凝材料形成的水化浆体则用于包裹骨料并填充孔隙。将两者的质量比控制在0.83:1～1.25:1，实际是为了在浆体丰度与骨架密实度之间寻找平衡；这种配比既能避免因浆体过多而引发的干缩开裂，又防止了因浆体不足导致内部孔隙率上升，从而使硬化后的基体能够兼顾机械强度与体积稳定性。

5、优选的，复合胶凝材料按总质量计，包含以下组分：pw52.5白色硅酸盐水泥占复合胶凝材料总质量的75%～85%；高活性偏高岭土占复合胶凝材料总质量的10%～15%；硅灰占复合胶凝材料总质量的5%～10%；且偏高岭土与硅灰的质量比为1.5:1～2.5:1，偏高岭土与硅灰等质量取代15%～25%的水泥。

6、通过采用上述技术方案，复合胶凝材料在水化阶段会发生多阶协同反应。具体而言，白色硅酸盐水泥初期水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙，这不仅构建了初始强度，其白色基底也赋予了混凝土基础的装饰表现力。随着水化的推进，高活性偏高岭土中的活性铝硅酸盐开始与游离的氢氧化钙反应，消耗界面过渡区中较为薄弱的氢氧化钙，进而生成额外的c-s-h凝胶和水化铝酸钙。与此同时，粒径极小的硅灰不仅发挥纳米微集料的填充效应，还会产生微火山灰效应，与剩余的氢氧化钙反应生成致密的高硅钙比凝胶。在此机制下，将偏高岭土与硅灰按特定比例复配并取代部分水泥，能够抑制单一添加硅灰带来的高自收缩倾向；由偏高岭土负责提供早期反应动力及改善塑性粘度，硅灰则用于封堵纳米级毛细孔，两者结合阻断了内部水分的迁移通道。

7、优选的，复合机制砂由以下不同目数区间的机制砂复配而成：10～20目砂占复合机制砂总质量的15%～20%；20～40目砂占复合机制砂总质量的12%～16%；40～80目砂占复合机制砂总质量的8%～12%；80～120目砂占复合机制砂总质量的30%～35%；毛3～6目砂占复合机制砂总质量的20%～30%；复合机制砂的最大粒径不超过2.5mm，且级配满足泰波公式级配指数q=0.5的最紧密堆积，最紧密堆积密度达2108.4kg/m3。

8、通过采用上述技术方案，本发明利用连续级配的机制砂替代了传统的石英砂。通过泰波公式将五种不同粒径区间的机制砂进行复配，粗颗粒（毛3～6目砂及10～20目砂）先搭架形成初级骨架，中细颗粒（20～120目）则顺次填充至粗颗粒留下的空隙中。对于最大粒径为2.5mm的机制砂体系，当级配指数q为0.5时，其实测堆积密度达到2108.4kg/m3，为该最大粒径条件下各试验级配中的最高值，因此将其确定为2.5mm骨料体系的最优级配。该级配有利于提高同一最大粒径条件下的骨架密实程度，减少颗粒间空隙及相应的浆体填充需求，从而改善材料的力学性能与体积稳定性。

9、优选的，装饰用超高性能混凝土还可以包括共聚甲醛纤维和丙烯酸乳液中的至少一种；当包括共聚甲醛纤维时，共聚甲醛纤维的长度为10～15mm、直径为0.15～0.25mm，且掺量为体系总体积的1.5%～2.5%，相对每100份总质量的胶凝材料加入1.8～3.1份质量的pom纤维，共聚甲醛纤维在基体中均匀分散并形成三维乱向网络结构；当包括丙烯酸乳液时，丙烯酸乳液的掺量按有效固含量计为复合胶凝材料总质量的1.5%～2.5%。

10、通过采用上述技术方案，不同添加剂的引入进一步改善了材料的属性。在体系中加入共聚甲醛纤维后，这些纤维会在浆体内部交叉搭接，构成无序分布的承载网络。一旦受到外力或者基体发生收缩变形，微裂缝尖端的应力就会传递到纤维表面，借助纤维的抗拉强度桥接裂纹、消耗断裂能，从而限制宏观裂缝的扩展以提升韧性。若选择引入丙烯酸乳液，聚合物会在水泥失水的水化过程中发生破乳，其链段在无机物和骨料表面成膜，形成穿插在基体中的柔性网络。这层聚合物膜能够有效封闭连通的毛细孔，在降低吸水率的同时，赋予成型表面更为细腻的光泽与装饰质感。

11、第二方面，本发明提供一种多参数调控的装饰用超高性能混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：

12、一种多参数调控的装饰用超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：

13、准确称取复合胶凝材料与复合机制砂，将复合胶凝材料与复合机制砂加入强制式搅拌机中干拌，使复合胶凝材料与复合机制砂混合均匀得到干拌混合物；

14、在得到干拌混合物后，保持强制式搅拌机的搅拌状态下，按顺序将聚羧酸减水剂和水加入强制式搅拌机内，继续湿拌至内部浆体达到流动的塑性状态；

15、将达到流动的塑性状态的浆体装入预先涂覆脱模剂的模具内，放置于振动台上振动排气，表面抹平后紧密覆盖塑料薄膜，静置后脱模，随后将成型构件移入标准养护室中养护至指定龄期。

16、通过采用上述技术方案，制备过程中的工序设定与材料特性实现了紧密配合。干拌操作旨在使不同粒径的骨料与多组分胶凝粉体在宏观空间内分布均匀，提前构筑好骨架。待干粉混合妥当，按顺序引入减水剂和水，使得减水剂分子能够吸附于胶凝材料表面，依靠静电斥力与空间位阻打破粉体原有的絮凝状态，促使相对干涩的体系转化为流动的塑性浆体。在后续的成型阶段，振动排气处理用于驱除内部裹挟的气泡以保障结构致密度；而表面的覆膜操作则切断了水分向外蒸发的途径，在防止塑性收缩开裂的同时，为早期水化留足了所需水分。

17、优选的，控制复合胶凝材料与复合机制砂的质量比为0.83:1～1.25:1，干拌的时间为50～70s；聚羧酸减水剂的掺量为复合胶凝材料总质量的1.0%～2.5%；水与复合胶凝材料的质量比为0.15～0.20；湿拌的时间为2～5min；振动排气的时间为20～40s；静置的条件为静置20～28h后脱模；标准养护室的条件为：温度18～22℃、相对湿度≥95%。

18、通过采用上述技术方案，各项工艺参数的限定直接关系到成品的最终质量。例如，将干拌时间控制在50～70s，既能确保物料分散，又避免了长时间干摩擦造成的骨料破碎；而2～5min的湿拌时长，正好满足低水胶比下浆体流变性能的转化需求。关于20～40s的振动时间，是为了在排出中大型气泡的同时，防止细粉材料因过度振捣产生离析。此外，成型构件在18～22℃且相对湿度大于95%的条件下进行标准养护，主要目的是为内部持续发生的二次火山灰反应提供稳定的温湿度环境，促使微观结构长期向密实化演化。

19、优选的，当混凝土包括共聚甲醛纤维时：在浆体保持搅拌的状态下，均匀撒入长度10～15mm、直径0.15～0.25mm的共聚甲醛纤维，继续搅拌1～3min使纤维在基体中均匀分散并形成三维乱向网络结构。当混凝土包括丙烯酸乳液时，将湿拌工序中按顺序将聚羧酸减水剂和水加入强制式搅拌机内替换为：在保持强制式搅拌机的搅拌状态下，按顺序将聚羧酸减水剂、水、丙烯酸乳液依次加入强制式搅拌机内，继续湿拌2～5min至内部浆体达到流动的塑性状态。

20、通过采用上述技术方案，针对特定添加剂的投料时机进行了针对性优化。若配方中含有共聚甲醛纤维，选择在浆体已具备流塑状态后撒入并进行短时搅拌，是利用了浆体自身的剪切粘度来解开纤维束，避免干粉状态下容易发生的结团现象。而对于丙烯酸乳液，将其置于加水工序之后，使得减水剂有条件先行分散水泥颗粒；随后加入的乳液在均匀的水环境中破乳成膜，这就避开了乳液聚合物与减水剂之间可能发生的竞争吸附，维持了浆体正常的工作性能。

21、优选的，复合胶凝材料与复合机制砂通过以下方法预先制备：

22、复合胶凝材料的制备：准确称取pw52.5白色硅酸盐水泥、高活性偏高岭土和硅灰，使pw52.5白色硅酸盐水泥占复合胶凝材料总质量的75%～85%，高活性偏高岭土占复合胶凝材料总质量的10%～15%，硅灰占复合胶凝材料总质量的5%～10%，加入粉体混合机中连续搅拌混合均匀，即得到复合胶凝材料；

23、复合机制砂的制备：准确称取经过筛分备用的各目数区间机制砂，使10～20目砂占复合机制砂总质量的15%～20%，20～40目砂占复合机制砂总质量的12%～16%，40～80目砂占复合机制砂总质量的8%～12%，80～120目砂占复合机制砂总质量的30%～35%，毛3～6目砂占复合机制砂总质量的20%～30%，加入搅拌设备中充分混合均匀，即得到复合机制砂。

24、通过采用上述技术方案，胶凝材料与骨料的单独预制提高了整体工艺的容错率与稳定性。借助粉体混合机的高频剪切，能够提前消除硅灰与偏高岭土因极细粒径产生的团聚，保证粉体相的绝对均质化。同理，骨料的独立混合提前锁定了符合泰波公式的理论级配分布。这种分类预混的操作逻辑排除了现场直接混合多组分材料容易产生的均匀性误差，为在较低水胶比下获取稳定可靠的超高性能混凝土提供了前端工艺保障。

25、本发明提供了一种多参数调控的装饰用超高性能混凝土及其制备方法。具备以下有益效果：

26、1、本发明通过采用满足泰波公式级配指数q=0.5的五级复配机制砂构建了最大粒径为2.5mm、级配指数q=0.5、实测堆积密度为2108.4kg/m3的优化级配骨架，降低了颗粒体系的总孔隙率，从而减少了填充孔隙所需的胶凝浆体体积。配合0.83:1～1.25:1的胶砂比限制，体系在减少对昂贵石英砂依赖以降低成本的同时，利用硬质机制砂骨架抵御变形，避免了因纯浆体过多而引发的早期干缩开裂，获取了具备高抗压强度与优良体积稳定性的基体结构。

27、2、本发明利用pw52.5白色硅酸盐水泥、高活性偏高岭土与硅灰的特定复配比例，在低水胶比条件下实现了多阶协同水化。偏高岭土与硅灰共同消耗水泥初期水化产生的氢氧化钙，生成致密的水化硅酸钙凝胶以强化界面过渡区。将偏高岭土与硅灰按1.5:1～2.5:1的质量比复配并取代部分水泥，利用偏高岭土改善塑性粘度并提供早期水化动力，硅灰负责封堵纳米级毛细孔径，两者结合不仅阻断了内部水分迁移通道以提升抗渗性，还成功抑制了常规体系中单一掺入大量硅灰容易导致的高自收缩问题。

28、3、本发明的体系允许引入共聚甲醛纤维或丙烯酸乳液对最终性能进行定向强化。共聚甲醛纤维在搅拌剪切作用下均匀分散，于浆体内部形成无序分布的三维承载网络，通过纤维的抗拉断性能桥接基体微裂纹，消耗外部断裂能，有效提升了硬化混凝土的延性与韧性。若加入丙烯酸乳液，聚合物会在水泥失水过程中破乳并在无机水化产物表面交织成膜，封闭连通毛细孔以降低吸水率，进而赋予成型构件表面更为细腻的质感与光泽度，满足实际工程对装饰外观的特定需求。