一种桥面铺装用多元胶凝体系STC超高韧性混凝土材料的制作方法

本发明属于混凝土材料技术领域，具体涉及一种桥面铺装用多元胶凝体系STC超高韧性混凝土材料，应用于桥面铺装用混凝土材料。

背景技术

普通混凝土材料脆性高、极限拉应变小、抗拉强度低以及微细裂缝的发展延伸导致结构破坏问题是制约混凝土材料学科发展的一个重要因素，虽然混凝土绝大多数是被设计用于抗压构件，但由于泊松比的影响也会使得构件在使用过程中难免会产生裂缝，影响构件的服役寿命。超高韧性混凝土（STC，Super Toughness Concrete）是一种新型超高强度、高韧性的水泥基复合材料。与普通混凝土相比，其显著特点是强度更高、韧性更大、耐久性更好。利用STC材料的这些特性替代传统混凝土用于建筑结构中，可以提高构件的开裂强度和结构的耐久性；用于道路和桥梁结构中，可以增加结构刚度，提高使用寿命等。

近年来，为缓解交通需求量的爆发式增长，相继涌现一系列大跨径桥梁的修建以及现有桥梁的拓宽改建，同时对桥梁的承载力性能、耐久性能提出更高的要求。钢混组合桥面结构因其具有自重轻、承载力大、施工方便快捷等优点，成为国内外桥梁结构设计中的首选。但由于桥面板的局部刚度不足，钢混组合桥面在设计年限内面临两大病害。其一，桥面混凝土铺装层易损病害，桥面铺装层在通车早期容易产生表面缺陷、表面坑槽、裂缝等结构性问题，严重影响桥面耐久性能及使用寿命；其二，桥面结构疲劳开裂病害，在重载车辆反复作用下，传统混凝土容易出现疲劳开裂，引起结构过早破坏。因此，传统的桥面铺装层在复杂的受力条件和工作环境下极易出现损坏，其设计亟待优化和改进。

目前，高性能混凝土通过掺加大量的钢纤维来追求更高的强度，却使得混凝土的工作性能严重降低，导致施工过程中摊铺不均匀进而引起局部缺陷，降低混凝土与钢桥面板的粘结度，影响桥面组合结构的承载能力和使用寿命。而钢-超高韧性混凝土组合桥面结构作为一种新型组合桥面结构型式，尚没有国家标准和行业标准，仅四川省和湖南省制定了地方标准，且由于STC所需原材料要求苛刻、配制难度高，成本高，性能不稳定，施工技术方案不成熟等，故推进和应用较为困难。因此，随着STC应用量的增大，以及对STC综合性能需求的进一步提高，亟需融入传统材料及改性新材料，科学优化配制技术，以获得更高品质的STC材料。

技术实现要素：

鉴于现有技术的以上缺点，本发明提供一种桥面铺装用多元胶凝体系STC超高韧性混凝土材料，使之具有强度高、韧性大、耐久性良好、工作性好、稳定性高等优点，适合桥面铺装工程及道路工程施工用混凝土。

本发明通过如下技术方案实现的：一种桥面铺装用多元胶凝体系STC超高韧性混凝土材料，所述多元胶凝体系STC超高韧性混凝土材料为水泥-硅灰-微珠-微晶铁铝酸钙多元胶凝体系STC超高韧性混凝土材料，每立方米STC材料中：胶凝材料总量为950～1050kg，胶凝材料与骨料的质量比即胶骨比为1:1.0～1:1.1；水与胶凝材料的质量比即水胶比为0.16～0.18；外加剂减水剂的掺量占STC材料总质量的2.5%～3.0%；钢纤维掺量占STC材料总体积的2.5%～3.5%；

其中：胶凝材料按照重量百分比计为：普通硅酸盐水泥为60%～75%，微珠为10%～20%，硅灰为10%～20%；微晶铁铝酸钙为2%～4%；

骨料为：10-20目石英砂与70-140目石英砂的质量比为55-65:35-45。

所述普通硅酸盐水泥为52.5R强度等级的硅酸盐水泥。

所述硅灰中二氧化硅含量≥95.00%；比表面积为22.00m²/g。

所述微珠为粉煤灰硅铝酸盐精细微珠，呈亚微米完全球状,具有连续的粒径分布，活性二氧化硅含量≥50.00%，比表面积为10.00m²/g。

所述钢纤维为平直型镀铜钢纤维，抗拉强度≥2850MPa，弹性模量为40～60GPa，直径0.2～0.25mm，长度12～15mm。

所述减水剂为TK-PCA高性能聚羧酸减水剂，减水率≥45%。

本发明所述微晶铁铝酸钙采用专利CN201610109264.X中所述方法制备而成。

本发明桥面铺装用水泥-硅灰-微珠-微晶铁铝酸钙多元胶凝体系STC超高韧性混凝土材料，微珠和硅灰作为矿物掺合料由于其本身的结构、颗粒形状和化学成分等特征，在水泥基材料中起到“化学填充效应”、“物理填充效应”以及“滚珠效应”。提高了混凝土内有效水胶比，极大地改善STC工作性的同时兼顾了施工过程中对STC强度的要求，还可以延缓混凝土凝结硬化速率，对后期强度有利。硅灰的加入，由于其具备极高的活性，能够显著提高混凝土早期强度，增大密实度，同时，借助钢纤维较强的界面粘结力、抗拉能力，阻止或阻滞结构内部微裂缝的开展，改善界面性能，延缓早期开裂，进而提高混凝土整体强度以及改善弯曲性能和韧性，在矿物掺合料和钢纤维的协同增强增韧作用下，能够减小水化热，降低温升，减少大型桥面板早期热裂缝的生成，同时抑制较低水胶比和超细活性掺合料带来的收缩变形，提升超高韧性混凝土长期服役性能。

铁铝酸钙在水化过程中会产生凝胶类的水化产物，能聚合成表面积较大的、稳定的凝胶团，其水化产物可为水泥提供一定的刚度和塑性变形能力。以增加复合材料的韧性、抗冲击性能及耐磨性。微珠、硅灰及微晶铁铝酸钙四种材料的平均粒径分别处于四个不同的数量级，优化了微集料的级配，有利于材料的紧密堆积，同时与水泥水化产物氢氧化钙发生二次水化反应生成大量CSH凝胶，使得氢氧化钙相对数量减少，晶体尺寸缩小，分散度提高，形成良好的优势互补效应，得到令人满意的早期和后期强度。

本发明获得了强度更高、韧性更大、耐久性更好的水泥基复合材料。本发明力学性能优异，工作性良好，满足设计及施工要求，特别适合用于需要提高构件开裂强度，提升结构的耐久性能的桥面铺装工程及道路工程中，以增加结构的整体刚度以及疲劳寿命等。

附图说明

图1为本发明实施例3所得材料以及基准工况材料对比图；图中：A为基准工况材料，坍落度240mm，扩展度620mm；B为实施例3所得材料，坍落度275mm，扩展度680mm；

图2为本发明实施例1所述基准工况材料的抗折强度试验图，抗折强度21.0MPa；

图3为本发明实施例1所得材料的抗折强度试验图，抗折强度30.6MPa。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。

一种桥面铺装用多元胶凝体系STC超高韧性混凝土材料，多元胶凝体系STC超高韧性混凝土材料为水泥-硅灰-微珠-微晶铁铝酸钙多元胶凝体系STC超高韧性混凝土材料，每立方米STC材料中：胶凝材料总量为950～1050kg，胶凝材料与骨料的质量比即胶骨比为1:1.0～1:1.1；水与胶凝材料的质量比即水胶比为0.16～0.18；外加剂减水剂的掺量占STC材料总质量的2.5%～3.0%；钢纤维掺量占STC材料总体积的2.5%～3.5%；

其中：胶凝材料按照重量百分比计为：普通硅酸盐水泥为60%～75%，微珠为10%～20%，硅灰为10%～20%；微晶铁铝酸钙为2%～4%；

骨料为：10-20目石英砂与70-140目石英砂的质量比为55-65：35-45。

普通硅酸盐水泥为52.5R强度等级的硅酸盐水泥。硅灰中二氧化硅含量≥95.00%；比表面积为22.00m²/g。微珠为粉煤灰硅铝酸盐精细微珠，为亚微米完全球状颗粒,具有连续的粒径分布，活性二氧化硅含量≥50.00%，比表面积为10.00m²/g。钢纤维为平直型镀铜钢纤维，抗拉强度≥2850MPa，弹性模量为40～60GPa，直径0.2～0.25mm，长度12～15mm。减水剂为TK-PCA高性能聚羧酸减水剂，减水率≥45%。

本发明所述微晶铁铝酸钙采用专利CN201610109264.X中所述方法制备而成。

具体制备方法为：首先将各物料规定比例配制完成干拌混合，依次投入石英砂、水泥、矿物掺合料，干拌2min后停机先加入一半的水，搅拌30s后边搅拌边倒入剩余的水，均匀少量的往搅拌机内加入减水剂进行拌和，待拌合料搅拌均匀、流动稳定后均匀撒入钢纤维，待STC流化之后继续搅拌2 min，确保钢纤维均匀分散，随即开展坍落度和扩展度测试，而后装入100mm×100mm×100mm的三联试模，振捣成型后置于室内温度20℃的自然环境下覆膜静停24h，将拆模后的试件放入养护箱内进行蒸汽养护，试验中蒸养参数设置为升温速率12℃/h，降温速率10℃/h，恒温温度85℃，恒温时间分别为2d、3d、4d，蒸养结束后将试件移至温度20±2℃，湿度≥95%的标准养护室继续养护至7d、14d及28d龄期，开展超高韧性混凝土抗压强度测定试验，并对比分析不同恒温时间及养护龄期对各配合比强度的影响。

实验结果表明：在硅灰、微珠、钢纤维协同作用下表现出的超高强度和超高韧性，能够极好地应对桥面板收缩开裂、与型钢粘结力不足及徐变等问题。本发明可应用于钢-超高韧性混凝土组合桥面工程，抗压强度、抗弯强度提高30%以上，坍落度可达275mm，扩展度可达680mm。

下述实施中原材料使用情况如下：四川峨胜水泥有限公司P.O 52.5R普通硅酸盐水泥；四川成都恒瑞源环保材料有限公司生产的微珠，其二氧化硅含量≥50.00%；成都恒瑞源环保材料有限公司生产的硅灰，其二氧化硅含量≥95.00%；四川铁科新型建材有限公司生产的TK-PCA高性能聚羧酸减水剂，减水率≥45%；四川天宝牌石英砂20-40目和70-140目；四川羽昇新材料有限公司生产的平直型镀铜微丝钢纤维，抗拉强度≥2850MPa，弹性模量为40～60GPa，直径0.2～0.25mm，长度10～15mm,抗拉强度大于1100MPa，密度为7850kg/m³。

实例中采用的坍落度和扩展度测试方法参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T50080-2016；抗压强度和抗弯强度测试方法参照《活性粉末混凝土》GB/T31387-2015、《高韧性混凝土组合桥面结构技术指南》T/CHTS 10036-2021。

实施例1：水泥-硅灰-微珠-微晶铁铝酸钙多元胶凝体系STC超高韧性混凝土配方1：每立方米STC主要原材料应用情况及主要比例参数：胶凝材料总量985kg（71%普通硅酸盐水泥、微珠15%，硅灰10%，微晶铁铝酸钙4%）；石英砂（10-20目650kg、70-140目433kg）；钢纤维275kg；TK-PCA高性能聚羧酸减水剂，掺量3.0%；胶骨比1:1.1；水胶比0.16。具体配合比见表1（单位：kg）

表1

实验结果表明：在微珠、硅灰、钢纤维的协同作用下表现出的超高强度和超高韧性，能够极好地应对桥面板收缩开裂、与型钢粘结力不足及徐变等问题。本发明可应用于钢-超高韧性混凝土组合桥面工程，抗压强度和抗弯强度均可达到STC28。

技术指标测试包括：坍落度、扩展度、抗压强度、抗弯强度。本发明与基准工况对比结果见表2；其中基准工况是指：相同水胶比，胶凝材料仅为普通硅酸盐水泥，减水剂掺量根据本发明坍落度和扩展度测试结果控制。

表2

通过上表可以得出，相较于基准工况，本发明所提供的配合比抗压强度提高了33%，抗弯强度提高了35%，坍落度增加了20mm，扩展度增大55mm。本发明提供的配合比设计的混凝土力学性能和工作性能提升非常明显。

实施例2：水泥-硅灰-微珠-微晶铁铝酸钙多元胶凝体系STC超高韧性混凝土配方2：每立方米STC主要原材料应用情况及主要比例参数：胶凝材料总量998kg（72%普通硅酸盐水泥、微珠15%，硅灰10%，微晶铁铝酸钙3%）；石英砂（10-20目659kg、70-140目438kg）；钢纤维236kg；TK-PCA高性能聚羧酸减水剂，掺量2.5%；胶骨比1:1.1；水胶比0.17。具体配合比见表3（单位：kg）。

表3

技术指标测试包括：坍落度、扩展度、抗压强度、抗弯强度。本发明与基准工况对比结果见表4；其中基准工况是指：相同水胶比，相同砂率，胶凝材料仅为普通硅酸盐水泥，减水剂掺量根据本发明坍落度和扩展度测试结果控制。

表4

通过上表可以得出，本发明所提供的配合比相较于基准工况抗压强度提高了30%，抗弯强度提高了30%，坍落度增加了20mm，扩展度增大55mm。本发明提供的配合比设计的混凝土力学性能和工作性能提升非常明显。

实施例3：水泥-硅灰-微珠-微晶铁铝酸钙多元胶凝体系STC超高韧性混凝土配方3：每立方米STC主要原材料应用情况及主要比例参数：胶凝材料总量1011kg（73%普通硅酸盐水泥、微珠15%，硅灰10%，微晶铁铝酸钙2%）；石英砂（10-20目667kg、70-140目445kg）；钢纤维196kg；TK-PCA高性能聚羧酸减水剂，掺量2.0%；胶骨比1:1.1；水胶比0.18。具体配合比如表5（单位：kg）。

表5

技术指标测试包括：坍落度、扩展度、抗压强度、抗弯强度。本发明与基准工况对比结果见表6其中，基准工况是指：相同水胶比，相同砂率，胶凝材料仅为普通硅酸盐水泥，减水剂掺量根据本发明坍落度和扩展度测试结果控制。

表6

通过上表可以得出，本发明所提供的配合比相较于基准工况抗压强度提高了26%，抗弯强度提高了27%，坍落度增加35mm，扩展度增大60mm。采用本发明的基本方案，物料配比在前述发明内容的变化范围内，都有发明目的所追求的良好效果。

本发明的水泥-硅灰-微珠-微晶铁铝酸钙多元胶凝体系STC超高韧性混凝土，其工作性能、力学性能及耐久性能均能达到桥面铺装混凝土设计指标和施工要求，同时本发明的水泥-硅灰-微珠胶凝体系在钢纤维协同作用下表现出的超高强度和超高韧性，为桥面铺装混凝土相关领域提供了有效的技术途径。

目前尚没有相关的STC混凝土的国家标准和行业标准，且由于STC对原材料要求苛刻、配制难度高，成本高，性能不稳定，施工技术方案不成熟等，故推进和应用较为困难。因此，随着STC应用量的增大，以及对STC综合性能需求的进一步提高，亟需融入传统材料及改性新材料，科学优化配制技术，以获得更高品质的STC材料。

本发明提供的混凝土制备方法通过实验结果可以表明：在微珠、钢纤维协同作用下表现出的超高强度和韧性，其中抗压强度和抗弯强度均可提高30%以上，坍落度最高可达275mm，扩展度最高可达680mm，体现出本发明提供的配比具有优异的力学性能和工作性能，能够极好地应对桥面板收缩开裂、与型钢的粘结力不足及徐变等问题。本发明可应用于钢-超高韧性混凝土组合桥面工程，抗压强度、抗弯强度提高30%以上，坍落度最高可达275mm，扩展度最高可达680mm。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。