一种基于复合胶凝材料体系的超高性能混凝土的制作方法

1.本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种基于复合胶凝材料体系的超高性能混凝土。


背景技术：

2.在公路桥梁结构中，伸缩缝装置是桥梁为满足桥面变形要求的附属设施，通常设置在两梁端之间、梁端与桥台之间或桥梁的铰接位置，但其施工质量往往被相关工程技术人员所忽视。在交通迅速发展下，交通量激增，部分车辆为超载车辆和重型车辆。公路桥梁伸缩装置直接承受着行车荷载的反复作用，许多的公路桥梁都产生了伸缩缝病害，伸缩缝装置成为了桥梁结构中易损和频繁需修复的部位。而伸缩缝在承受行车荷载的冲击作用下，可能会出现混凝土裂缝，导致伸缩缝破坏。特别在伸缩缝承受着行车荷载下，伸缩缝设计、施工、养护各方面工作不善，会加快伸缩缝使用寿命的缩减。在这过程中，会明显增加桥梁的维护成本，还会影响交通。
3.目前工程中普遍应用的桥梁伸缩缝过渡区混凝土类型主要有普通混凝土(如c50及以上强度等级)、钢纤维混凝土。普通混凝土是以水泥和水作为主要胶凝材料，将砂、石子、外加剂和矿物掺合料按适当比例均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的复合材料，属脆性材料，抗压强度高，但抗折、抗冲击能力差，因桥梁伸缩缝过渡区混凝土的工作环境是直接承受车轮载荷的反复冲击作用，对材料的抗折和抗冲击性能要求较高，普通混凝土难以承受这种工作环境，故其破损率和维修率很高。钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型复合材料。乱向分布的钢纤维能够有效抑制混凝土微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著提升混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能。与普通混凝土相比，钢纤维混凝土抗拉强度提高40％～80％，抗弯强度提高60％～120％，抗剪强度提高50％～100％。虽然钢纤维混凝土因其优越的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能已成为目前桥梁伸缩缝过渡区混凝土的主流选择，应用范围最广，应用比例最大，但是由于早期性能的不足，在伸缩缝过渡区修复维护过程中，不仅易致交通资源的浪费，还一定程度上对伸缩缝过渡区混凝土修复维护的效果有不利的影响。
4.超高性能混凝土相对于普通混凝土、钢纤维混凝土，有着优异的施工性能、弯曲韧性、抗冲击性能、界面粘结性能与耐久性能，具有良好推广应用前景。近年来，有相关学者提出将超高性能混凝土用于桥梁伸缩缝过渡区，但均存在一些弊端，例如授权公告号cn110627439b所采用的原材料硅酸盐水泥，种类单一，不能很好地根据实际工况进行调配设计；所采用的原材料水性环氧树脂乳液、有机-无机混杂纤维不仅增加了施工难度，还增加了混凝土制备时长，减缓工程进度，且该发明只是单单用于桥梁伸缩缝过渡区，不具有推广价值。还如授权公告号cn108046658b在实施过程中，需要制备a、b、c三种组分，不仅其制备工艺复杂，其成本高昂，且该发明也只适用于桥梁伸缩缝过渡区，不利于实际推广应用。
5.在我国交通迅速发展下，交通量激增的同时，桥梁除了伸缩缝装置容易破坏，其伸缩缝锚固区、桥头搭板、墩柱、混凝土防撞栏等各部位皆有不同程度的损耗。因此，有必要研
发一种不仅可用于桥梁伸缩缝过渡区，满足相关设计要求，制备简便，还可推广应用于桥梁一般混凝土构件的混凝土。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种基于复合胶凝材料体系的超高性能混凝土，通过不同种类胶凝材料的有机结合实现超高性能混凝土的快硬早强，改善其性能，并降低了碳排放，依据本发明所制得的超高性能混凝土具有快硬早强、高韧性、高抗冲击性与高耐久性等优点，适用桥梁伸缩缝过渡区及其他混凝土构件的快速修补与更换，具有良好的推广应用前景。
7.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种基于复合胶凝材料体系的超高性能混凝土，采用复合凝胶材料、石英砂、瓜米石、钢纤维、减水剂和水制备而成；所述复合凝胶材料由水泥、粉煤灰微珠、硅灰、矿粉复配而成，且复合凝胶材料中化学成分的摩尔比如下：sio2：al2o3为6.4～8.3；sio2：na2o为121.4～203.8；sio2：cao为0.9～1.1；sio2：so3为82.2～281.7。
9.进一步的，所述水泥包括52.5强度等级的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥以及42.5强度等级的硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥。
10.进一步的，所述粉煤灰微珠的烧失量不大于5％，需水量比不大于90％，球形颗粒体积率不小于95％。
11.进一步的，所述硅灰的sio2质量含量不小于98％，比表面积不小于15500m2/kg，28d活性指数不小于100％。
12.进一步的，所述矿粉为s140级别，比表面积不小于500m2/kg，7d活性指数不小于95％，28d活性指数不小于105％。
13.进一步的，所述石英砂为包含粗砂粒径、中砂粒径和细砂粒径的级配石英砂，粗砂粒径为20-40目，中砂粒径为40-80目，细砂粒径为80-120目，且粗砂颗粒、中砂颗粒、细砂颗粒的质量比例为3：4：2。
14.进一步的，所述瓜米石为公称粒径小于10mm的骨料。
15.进一步的，所述钢纤维为镀铜短纤维，公称长度为10～16mm，断裂强度不小于3000mpa，弹性模量为200～250gpa。
16.进一步的，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率25～30％。
17.本发明的有益效果为：
18.1、本发明的基于复合胶凝材料体系的超高性能混凝土，抗压强度在26.97mpa～139.8mpa之间，抗折强度在6.4mpa～20.27mpa之间，流动度在144.5mm～162.5mm之间，具有快硬早强、高韧性、高抗冲击性与高耐久性等优点；
19.2、本发明利用水泥复掺体系制备超高性能混凝土代替纯硅酸盐水泥，从而有效地实现快硬早强，并通过控制化学成分的摩尔比，进而控制其水化产物，从水化机理本身配制可满足不同功能需求并适用于不同使用工况的超高性能混凝土；
20.3、通过研究硅酸盐胶凝材料、硫铝酸盐等复合胶凝材料用量对超高性能混凝土性能的影响，对超高性能混凝土的水化反应影响机制和其他相关性质进行了系统性的研究，
为基于复合胶凝材料体系下的超高性能混凝土材料提供了设计依据，对其推广应用具有重要意义。
附图说明
21.图1为本发明超高性能混凝土的组成成分示意图；
22.图2为本发明超高性能混凝土的制作流程图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明作进一步说明。
24.一种基于复合胶凝材料体系的超高性能混凝土，采用复合凝胶材料、石英砂、瓜米石、钢纤维、减水剂和水制备而成；所述复合凝胶材料由水泥、粉煤灰微珠、硅灰、矿粉复配而成，且复合凝胶材料中化学成分的摩尔比如下：sio2：al2o3为6.4～8.3；sio2：na2o为121.4～203.8；sio2：cao为0.9～1.1；sio2：so3为82.2～281.7。
25.具体制备时，通过x射线荧光光谱分析技术测试与计算确定复合胶凝材料的化学成分摩尔比值，从水化机理本身考虑，使用化学成分摩尔比值设计复合胶凝材料，可拓宽原材料的来源，并有利于精准化设计，从而增强本发明的实际应用意义。
26.所述水泥包括52.5强度等级的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥以及42.5强度等级的硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥。
27.所述粉煤灰微珠的烧失量不大于5％，需水量比不大于90％，球形颗粒体积率不小于95％。
28.所述硅灰的sio2质量含量不小于98％，比表面积不小于15500m2/kg，28d活性指数不小于100％。
29.所述矿粉为s140级别，比表面积不小于500m2/kg，7d活性指数不小于95％，28d活性指数不小于105％。
30.所述石英砂为包含粗砂粒径、中砂粒径和细砂粒径的级配石英砂，粗砂粒径为20-40目，中砂粒径为40-80目，细砂粒径为80-120目，且粗砂颗粒、中砂颗粒、细砂颗粒的质量比例为3：4：2。
31.所述瓜米石为公称粒径小于10mm的骨料。
32.所述钢纤维为镀铜短纤维，公称长度为10～16mm，断裂强度不小于3000mpa，弹性模量为200～250gpa。
33.所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率25～30％。
34.所述水为普通自来水。
35.实施例1：
36.请参阅图1所示，按照下列清单选择原材料：p
·ⅱ52.5硅酸盐水泥、42.5硫铝酸盐水泥、粉煤灰微珠(活性材料)、硅灰(活性材料)、矿粉(活性材料)、石英砂、镀铜短纤维、聚羧酸高效减水剂、水。
37.其中，p
·ⅱ52.5硅酸盐水泥、42.5硫铝酸盐水泥、粉煤灰微珠、硅灰、矿粉为复合胶凝材料体系的组分，按sio2：al2o3的摩尔比为7.6、sio2：na2o的摩尔比为132.5、sio2：cao
的摩尔比为1.1、sio2：so3的摩尔比为169.9，称取材料并制备胶凝材料。
38.按水灰比0.18称取水，石英砂按占胶凝材料质量的90％称取，其中细砂：中砂：粗砂的质量比为2：4：3，镀铜短纤维按每1100g胶凝材料称取120g，聚羧酸高效减水剂按每198g水称取35g。
39.请参阅图2所示，超高性能混凝土的制备方法如下：
40.s1称料：按一定量称取各原料，预先制备胶凝材料；
41.s2干拌：将胶凝材料、石英砂取其半于搅拌锅中，搅拌2分钟至目测均匀；
42.s3湿拌：将减水剂溶于水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入搅拌锅中搅拌3分钟，再加入剩余的胶凝材料、石英砂于搅拌锅中搅拌3分钟，最后均匀撒布加入钢纤维，搅拌2分钟。
43.s4装模养护：装模、振捣、薄膜养护后拆模，最后进行标准养护至规定龄期，即得超高性能混凝土。
44.本实施例所制得超高性能混凝土的相关宏观性能测试方法如下：
45.(1)流动度：将新拌的超高性能混凝土缓慢倒入截锥圆模中，所述截锥圆模的尺寸为：上口直径为36mm，下口直径为60mm，高度为60mm；
46.(2)凝结时间：将新拌的超高性能混凝土倒入试模中，所述试模的尺寸为：内径为140mm，深度为75mm，进行凝结时间的测定；
47.(3)抗折强度：将边长为40
×
40
×
160mm的棱柱体超高性能混凝土试块，置于温度为20
±
2℃，相对湿度为95％以上的环境中养护后脱模，测量不同龄期的抗折强度；
48.(4)抗压强度：将测试抗折强度后被折断的40
×
40
×
160mm的两块超高性能混凝土试块，测量其抗压强度。
49.按照上述测试方法测试出本实例所制得的超高性能混凝土的主要性能指标为：初凝时间为200min，终凝时间为240min，流动度为144.5mm，6h无抗压强度与抗折强度，12h抗压强度为19.05mpa，12h抗折强度为4.2mpa，1d抗压强度为26.97mpa，1d抗折强度为6.4mpa，3d抗压强度为90.77mpa，3d抗折强度为17.87mpa，28d抗压强度为136.82mpa，28d抗折强度为27.8mpa。
50.实施例2：
51.请参阅图1所示，按照下列清单选择原材料：p
·ⅱ52.5硅酸盐水泥、42.5硫铝酸盐水泥、粉煤灰微珠(活性材料)、硅灰(活性材料)、矿粉(活性材料)、石英砂、镀铜短纤维、聚羧酸高效减水剂、水。
52.其中，p
·ⅱ52.5硅酸盐水泥、42.5硫铝酸盐水泥、粉煤灰微珠、硅灰、矿粉为复合胶凝材料体系的组分，按sio2：al2o3的摩尔比为6.4，sio2：na2o的摩尔比为121.4，sio2：cao的摩尔比为1.1，sio2：so3的摩尔比为82.2，称取材料并制备胶凝材料。
53.按水灰比0.18称取水，石英砂按占胶凝材料的90％质量称取，其中细砂：中砂：粗砂质量比为2：4：3，镀铜短纤维按每1100g胶凝材料称取120g，聚羧酸高效减水剂按每198g水称取35g。
54.参照实施例1的制备方法制备超高性能混凝土。
55.参照实施例1中的测试方法测试出本实施例所制得超高性能混凝土的主要性能指标为：初凝时间为60min，终凝时间为90min，流动度为162.5mm，6h抗压强度为20.91mpa，6h
抗折强度为6.5mpa，12h抗压强度为25.12mpa，12h抗折强度为5.27mpa，1d抗压强度为30.6mpa，1d抗折强度为6.6mpa，3d抗压强度为60.69mpa，3d抗折强度为12.27mpa，28d抗压强度为139.8mpa，28d抗折强度为25.63mpa。
56.对比例1：
57.请参阅图1所示，按照下列清单选择原材料：p
·ⅱ52.5硅酸盐水泥、42.5硫铝酸盐水泥、粉煤灰微珠(活性材料)、硅灰(活性材料)、矿粉(活性材料)、石英砂、镀铜短纤维、聚羧酸高效减水剂、水。
58.其中，p
·ⅱ52.5硅酸盐水泥、42.5硫铝酸盐水泥、粉煤灰微珠、硅灰、矿粉为复合胶凝材料体系的组分，按sio2：al2o3的摩尔比为9.1、sio2：na2o的摩尔比为145、sio2：cao的摩尔比为1.1，称取材料并制备胶凝材料。
59.按水灰比0.18称取水，石英砂按占胶凝材料的90％质量称取，其中细砂：中砂：粗砂质量比为2：4：3，镀铜短纤维按每1100g胶凝材料称取120g，聚羧酸高效减水剂按每198g水称取35g。
60.参照实施例1的制备方法制备超高性能混凝土。
61.参照实施例1中的测试方法测试出本对比例所制得超高性能混凝土的主要性能指标为：初凝时间为1350min，终凝时间为1440min，流动度为120mm，6h、12h与1d均无抗压抗折强度，3d抗压强度为73.6mpa，3d抗折强度为15.55mpa，28d抗压强度为145.1mpa，28d抗折强度为28.32mpa。
62.对比例2：
63.请参阅图1所示，按照下列清单选择原材料：p
·ⅱ52.5硅酸盐水泥、42.5硫铝酸盐水泥、粉煤灰微珠(活性材料)、硅灰(活性材料)、矿粉(活性材料)、石英砂、镀铜短纤维、聚羧酸高效减水剂、水。
64.其中，p
·ⅱ52.5硅酸盐水泥、42.5硫铝酸盐水泥、粉煤灰微珠、硅灰、矿粉为复合胶凝材料体系的组分，按sio2：al2o3的摩尔比为2.4、sio2：na2o的摩尔比为62.4、sio2：cao的摩尔比为0.9、sio2：so3的摩尔比为12.1，称取材料并制备胶凝材料。
65.按水灰比0.18称取水，石英砂按占胶凝材料的90％质量称取，其中细砂：中砂：粗砂质量比为2：4：3，镀铜短纤维按每1100g胶凝材料称取120g，聚羧酸高效减水剂按每198g水称取35g。
66.参照实施例1的制备方法制备超高性能混凝土。
67.参照实施例1中的测试方法测试出本对比例所制得超高性能混凝土的主要性能指标为：初凝时间为60min，终凝时间为108min，流动度为138.5mm，6h抗压强度为8.25mpa，6h抗折强度为2.52mpa，12h抗压强度为16.22mpa，12h抗折强度为3.63mpa，1d抗压强度为13.7mpa，1d抗折强度为5.5mpa，3d抗压强度为78.31mpa，3d抗折强度为16.3mpa，28d抗压强度为125.4mpa，28d抗折强度为21.66mpa。
68.实施例1、实施例2、对比例1、对比例2中超高性能混凝土的工作性能对比参见表1：
69.性能指标初凝时间终凝时间流动度实施例1200min240min144.5mm实施例260min90min162.5mm对比例11350min1440min120mm
对比例260min108min138.5mm
70.实施例1、实施例2、对比例1、对比例2中超高性能混凝土的力学性能对比参见表2：
71.(a)超高性能混凝土的抗压性能
[0072][0073]
(b)超高性能混凝土的抗折性能
[0074][0075]
从表1、表2可得出，各实施例的凝结时间、流动度、抗压强度、抗折强度的综合性能是优于各对比例。作为一种基于复合胶凝材料体系的超高性能混凝土，实施例1、2通过调整复合胶凝材料中化学成分的摩尔比值，实现不同功能需求的满足，从而适用于桥梁伸缩缝过渡区及桥梁一般混凝土构件。如实施例2，凝结时间短，流动性好，早强快，后期强度储备充足，适用于桥梁伸缩缝过渡区及桥梁快速修补。
[0076]
实施例3：
[0077]
请参阅图1所示，按照下列清单选择原材料：按p
·ⅱ52.5硅酸盐水泥、42.5硫铝酸盐水泥、粉煤灰微珠(活性材料)、硅灰(活性材料)、矿粉(活性材料)、石英砂、瓜米石、镀铜短纤维、聚羧酸高效减水剂、水。
[0078]
其中，p
·ⅱ52.5硅酸盐水泥、42.5硫铝酸盐水泥、粉煤灰微珠、硅灰、矿粉为复合胶凝材料体系的组分，按sio2：al2o3的摩尔比为8.3、sio2：na2o的摩尔比为203.8、sio2：cao的摩尔比为0.9、sio2：so3的摩尔比为281.7称取材料并制备胶凝材料。
[0079]
按水灰比0.19称取水，石英砂按占胶凝材料的78％质量称取，其中细砂:中砂:粗砂质量比为2：4：3，瓜米石占胶凝材料的95％质量称取，镀铜短纤维按每790g胶凝材料称取50g，聚羧酸高效减水剂按每150g水称取25g。
[0080]
参照实施例1的制备方法制备超高性能混凝土。
[0081]
本实施例所制得超高性能混凝土的相关宏观性能测试方法如下：
[0082]
(1)凝结时间：将新拌的超高性能混凝土倒入试模中，所述试模的尺寸为：内径为140mm，深度为75mm，进行凝结时间的测定；
[0083]
(2)抗压强度：将边长为100
×
100
×
100mm的立方体超高性能混凝土试块，置于温度为20
±
2℃，相对湿度为95％以上的环境中养护后脱模，测量不同龄期的抗压强度。
[0084]
按照上述测试方法测试出本实例所制得的超高性能混凝土的主要性能指标为：初凝时间为初凝时间为70min，终凝时间为95min，12h抗压强度为32.4mpa，1d抗压强度为
49.07mpa，3d抗压强度为78mpa，28d抗压强度为132.3mpa。
[0085]
实施例4：
[0086]
请参阅图1所示，按照下列清单选择原材料：p
·ⅱ52.5硅酸盐水泥、42.5硫铝酸盐水泥、粉煤灰微珠(活性材料)、硅灰(活性材料)、矿粉(活性材料)、石英砂、瓜米石、镀铜短纤维、聚羧酸高效减水剂、水。
[0087]
其中，p
·ⅱ52.5硅酸盐水泥、42.5硫铝酸盐水泥、粉煤灰微珠、硅灰、矿粉为复合胶凝材料体系的组分，按sio2：al2o3的摩尔比为7.4、sio2：na2o的摩尔比为189.8、sio2：cao的摩尔比为0.9、sio2：so3的摩尔比为138.1称取材料并制备胶凝材料。
[0088]
按水灰比0.19称取水，石英砂按占胶凝材料的78％质量称取，其中细砂：中砂：粗砂质量比为2：4：3，瓜米石占胶凝材料的95％质量称取，镀铜短纤维按每790g胶凝材料称取50g，聚羧酸高效减水剂按每150g水称取25g。
[0089]
参照实施例1的制备方法制备超高性能混凝土。
[0090]
参照实施例3中的测试方法测试出本对比例所制得超高性能混凝土的主要性能指标为：初凝时间为40min，终凝时间为60min，12h抗压强度为48.5mpa，1d抗压强度为64.1mpa，3d抗压强度为71.3mpa，28d抗压强度为136.8mpa。
[0091]
对比例3：
[0092]
请参阅图1所示，按照下列清单选择原材料：p
·ⅱ52.5硅酸盐水泥、42.5硫铝酸盐水泥、粉煤灰微珠(活性材料)、硅灰(活性材料)、矿粉(活性材料)、石英砂、瓜米石、镀铜短纤维、聚羧酸高效减水剂、水。
[0093]
其中，p
·ⅱ52.5硅酸盐水泥、42.5硫铝酸盐水泥、粉煤灰微珠、硅灰、矿粉为复合胶凝材料体系的组分，按sio2：al2o3的摩尔比为9.3，sio2：na2o的摩尔比为219.2，sio2：cao的摩尔比为0.9称取材料并制备胶凝材料。
[0094]
按水灰比0.19称取水，石英砂按占胶凝材料的78％质量称取，其中细砂：中砂：粗砂质量比为2:4:3，瓜米石占胶凝材料的95％质量称取，镀铜短纤维按每790g胶凝材料称取50g，聚羧酸高效减水剂按每150g水称取25g。
[0095]
参照实施例1的制备方法制备超高性能混凝土。
[0096]
参照实施例3中的测试方法测试出本对比例所制得超高性能混凝土的主要性能指标为：初凝时间为100min，终凝时间为135min，12h无抗压强度，
[0097]
1d抗压强度为44mpa，3d抗压强度为76mpa，28d抗压强度为124.5mpa。
[0098]
实施例3、实施4、对比例3中超高性能混凝土的性能对比参见表3：
[0099][0100]
从表3可得出，各实施例的凝结时间、流动形态、抗压强度、的综合性能是优于对比
例的。作为一种基于复合胶凝材料体系的超高性能混凝土，实施例3、4通过调整复合胶凝材料化学成分摩尔比值，实现不同功能需求的满足，从而适用于桥梁伸缩缝过渡区及桥梁一般混凝土构件。如实施例3，凝结时间较对比例3进一步缩短，节省施工时间成本，流动状态可达自流平，强度储备充足，适用于桥梁伸缩缝过渡区及桥梁一般混凝土构件。
[0101]
总的来说，本发明建立了复合胶凝材料体系中化学成分摩尔比值与超高性能混凝土相关性能的联系，因此在施工中可以通过调控相应化学成分摩尔比来控制超高性能混凝土的相关性能，从而适用于桥梁伸缩缝过渡区及桥梁一般混凝土构件。且本发明优化其制备方法，实现材料实际应用的简便性，大大提高了实际应用价值。
[0102]
当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的使用范围，故，凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。