用于悬浮隧道管段的超高性能混凝土及其制备方法与流程

1.本发明属于混凝土材料技术领域，具体涉及一种用于悬浮隧道管段的超高性能混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.水中悬浮隧道，作为常用的隧道管段等基础设施中的一种，其通常应用于跨越海峡、海湾、湖泊及其它水道等交通结构中，由于悬浮隧道具有自然环境影响小、建造地点的选择比较自由、通行时间短、环保以及不破坏建造地点的自然景观等优点，相比于沉管隧道和海底深埋隧道，悬浮隧道无论是平面位置的选取或者是竖直深度的选择都有较大的余地，而且不受水底和海底地貌、水文地质条件等影响。因此，水中悬浮隧道正受到越来越多的关注。
3.由于悬浮隧道管段在设计和建造时，除需要考虑承受常规情况下的波浪、海流等流固耦合作用力等一般荷载之外，还要承受外物的突然撞击、台风、海啸等极限环境下的突发荷载、地震引起的动态作用力以及海洋生物附着引起的自重变化和腐蚀等，应具有良好的抗冲击性能和抗疲劳等，而悬浮隧道如需要获得上述性能，需要采用超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，uhpc)进行制备，然而，现有的超高性能混凝土在抗冲击和抗疲劳等性能方面存在不足，难以满足悬浮隧道的建造和使用需求。
4.因此，如何提供一种新型的超高性能混凝土，以提升其抗冲击和耐久性等性能，从而满足悬浮隧道的建造和使用需求，是本发明亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术的缺点或不足，本发明要解决的技术问题是如何提供一种用于悬浮隧道管段的超高性能混凝土及其制备方法，可以提升其抗冲击和耐久性等性能，从而满足悬浮隧道的建造和使用需求。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于悬浮隧道管段的超高性能混凝土，至少包括以下质量份数的组分:
7.超细硅酸盐水泥100～120份；
8.粒化高炉矿渣粉30～60份；
9.粉煤灰微珠15～25份；
10.偏高岭土10～30份；
11.膨胀剂10～15份；
12.橡胶粉20～40份；
13.橡胶颗粒70～100份；
14.橡胶改性剂1～3份；
15.骨料60～100份；
16.纤维40～60份；
17.外加剂2～5份；
18.拌合水20～35份。
19.进一步作为优选地，所述橡胶颗粒至少包括：第一橡胶颗粒；第二橡胶颗粒；其中，所述第一橡胶颗粒和所述第二橡胶颗粒的质量比为1:2～2:1。通过橡胶粉和橡胶颗粒的叠加效应，可使得橡胶粉和橡胶颗粒颗粒替代水泥等胶凝材料，有效提升水泥浆体基体的韧性和冲击性能，并且，采用两种颗粒粒径的橡胶颗粒搭配，替代骨料，以降低骨料的份量，从而可有效同步提升超高性能混凝土的韧性和抗冲击性能。
20.进一步作为优选地，所述第一橡胶颗粒的颗粒粒径为1-3mm；所述第二橡胶颗粒的颗粒粒径为3-5mm；所述橡胶粉的粉体的细度粒径大于等于2000目。
21.进一步作为优选地，所述橡胶改性剂包括第一改性剂和第二改性剂；其中，所述第一改性剂包括：硅烷偶联剂；所述第二改性剂包括：铝酸酯偶联剂；其中，所述第一改性剂和第二改性剂的质量比为1:1。通过采用两种改性剂改善橡胶颗粒与超高性能混凝土中水泥基体、纤维以及基体的界面粘结，充分发挥橡胶颗粒在超高性能混凝土中的作用，其中，第一改性剂可采用偶联剂si69，以利于橡胶粉和橡胶颗粒与水泥、矿粉、粉煤灰微珠和硅灰等中的硅元素结合，提高橡胶粉和橡胶颗粒与基体的粘结。第二改性剂可采用铝酸酯偶联剂dl-411，以利于橡胶粉、橡胶颗粒、纤维与混凝土基体中多种元素的结合，从而形成橡胶粉和橡胶颗粒-偶联剂-水泥基体和纤维的结合层的结构，提高橡胶改性超高性能混凝土的性能。
22.进一步作为优选地，所述超细硅酸盐水泥的强度等级不低于62.5；所述超细硅酸盐水泥的比表面积不小于1200m2/kg；所述粒化高炉矿渣粉包括：超细粒化高炉矿渣粉，且其比表面积不小于1300m2/kg。
23.进一步作为优选地，所述粉煤灰微珠包括：超细粉煤灰；所述超细粉煤灰中球形微珠的含量不小于95％，细度不小于1300目，烧失量小于2％。通过采用上述参数的超细粒化高炉矿渣粉和粉煤灰微珠作为超高性能混凝土中的矿物掺合料，有较好地改善硬化混凝土力学性能，拌合混凝土和易性，以及混凝土的耐久性等。
24.进一步作为优选地，所述偏高岭土为超细偏高岭土，其比表面积不小于25000m2/kg；所述偏高岭土内无水硅酸铝的含量不小于96％。通过偏高岭土替代现有混凝土通常采用的硅灰，然后将偏高岭土与上述其它成分掺杂，可避免现有的混凝土采用硅灰导致的混凝土黏稠性较大等缺陷，因此可节约减水剂用量，从而有利于超高性能混凝土工作性。
25.进一步作为优选地，所述膨胀剂至少包括：氧化钙和氧化镁；其中，所述氧化钙和所述氧化镁的质量比优选为3:7。通过采用氧化钙和氧化镁两种膨胀剂复合的方式，可补偿混凝土收缩，例如通过氧化钙早期反应快补偿超高性混凝土早期收缩，通过氧化镁后期活性补偿超高性混凝土后期收缩，从而控制超高性混凝土的体积稳定性，并通过借助氧化钙和氧化镁的互补效应，保证与超高性混凝土相匹配的同步补偿收缩性能，使得超高性混凝土具有良好的长期体积稳定性，可减少收缩裂缝，提高悬浮隧道管段材料的耐久性。
26.进一步作为优选地，所述骨料至少包括：玄武岩机制砂，其细度50-120目，表观密度不低于2800kg/m3，堆积密度不小于2000kg/m3。
27.进一步作为优选地，所述纤维至少包括：钢纤维和碳纤维；所述钢纤维与所述碳纤维的质量比为7:3～8:2。
28.进一步作为优选地，所述钢纤维为不锈钢端钩型微细钢纤维，其长度为10-15mm，直径为0.15-0.20mm，抗拉强度大于3.0gpa，弹性模量为210-230gpa；所述碳纤维为pan基高强碳纤维，其长度为1.5-2.5mm，直径为6-8μm，抗拉强度大于3.5gpa，弹性模量为240-260gpa，碳含量大于95％。通过采用微细钢纤维和超细碳纤维充分发挥尺寸互补效应，例如通过尺寸较大的微细钢纤维可有效控制较大裂缝的扩展，尺寸微小的碳纤维可有效控制水泥基体微裂缝的扩展，因此，通过两种协同作用可有效提高超高性能混凝土抗拉强度和抗冲击性能。
29.进一步作为优选地，所述外加剂包括：减水剂和消泡剂，且所述减水剂与所述消泡剂的质量比为8:1；所述减水剂的减水率大于35％，含气量不大于4.0％；所述消泡剂的有效物质含量不小于99％，20目筛网保留量不大于3％；所述减水剂包括：聚羧酸减水剂；所述消泡剂包括：水溶性粉体消泡剂。
30.本技术还提供了一种制备方法，用于制备上述所述的用于悬浮隧道管段的超高性能混凝土，其包括以下步骤：
31.将获取的所述橡胶改性剂中的第一改性剂在40～45℃的温度下，按照预设的比例与水混合形成溶解液后，分别加入所述橡胶粉和所述橡胶颗粒并进行30s-40s的搅拌，然后对溶解液进行干燥处理，得到干燥的橡胶粉和橡胶颗粒，其中，第一改性剂与水的比例可优选为4:1；
32.将获取的所述超细水泥、所述粒化高炉矿渣粉、所述粉煤灰微珠、所述偏高岭土、所述膨胀剂、所述骨料、所述膨胀剂和所述干燥的橡胶粉和橡胶颗粒加入拌合水，并均匀搅拌120-150s。
33.将获取的所述纤维和所述橡胶改性剂中的第二改性剂，加入上述拌合物中搅拌90s-120s，以得到所述超高性能混凝土。
34.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
35.本技术提供的一种用于悬浮隧道管段的超高性能混凝土及其制备方法，可以提升其抗冲击和耐久性等性能，从而满足悬浮隧道的建造和使用需求。
附图说明
36.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
37.图1：本发明第一实施例中超高性能混凝土的制备方法的流程图。
具体实施方式
38.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
39.一、本实施例的用于悬浮隧道管段的超高性能混凝土的原材料包括如下：
40.(1)水泥：强度等级62.5ⅰ型的超细硅酸盐水泥，比表面积为1200m2/kg。
41.(2)矿渣粉：s140粒化高炉矿渣粉，比表面积为1300m2/kg。
42.(3)粉煤灰微珠：其细度为1300目，烧失量1％。
43.(4)偏高岭土：超细偏高岭土，其比表面积为25000m2/kg，28天的活性指数为96％。
44.(5)膨胀剂：采用氧化钙与氧化镁复合而成的膨胀剂，其中氧化钙的煅烧温度控制在1100℃，氧化镁的煅烧温度控制在1250℃，氧化钙与氧化镁的质量比为3:7，比表面积为420m2/kg，质量纯度98％。
45.(6)橡胶粉：粉体的细度粒径为2000目。
46.(7)橡胶颗粒：颗粒粒径为1-3mm的第一橡胶颗粒和颗粒粒径为3-5mm的第二橡胶颗粒复合而成，其质量比为1:2。
47.(8)橡胶改性剂：将偶联剂si69作为第一改性剂，将铝酸酯偶联剂dl-411作为第二改性剂复合而成，其质量比为1:1。
48.(9)骨料：玄武岩机制砂，其细度为100目，表观密度2800kg/m3，堆积密度2000kg/m3。
49.(10)纤维：钢纤维和碳纤维混合组成，其中，钢纤维与碳纤维的质量比为8:2，钢纤维长度为12mm，直径为0.16mm，抗拉强度3.0gpa，碳纤维长度为2mm，直径为7μm，抗拉强度3.5gpa。
50.(11)外加剂：聚羧酸减水剂等高性能减水剂，其减水率为40％，以及水溶性粉体消泡剂，其有效物质含量99.5％，20目筛网保留量1％；其中，聚羧酸高性能减水剂与消泡剂的质量比为8:1。
51.(12)拌合水：采用城市自来水。
52.二、本实施例的试验方法
53.(1)工作性
54.按gb/t《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》相关规定进行。
55.(2)抗压强度
56.按gb/t 31387《活性粉末混凝土》、gb/t 50204《普通混凝土力学性能试验方法标准》相关规定进行。
57.(3)体积稳定性、抗疲劳性能和耐久性：参照gb/t 50448《水泥基灌浆材料应用技术规范》和gb/t 50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》相关规定进行。
58.(4)抗弯韧性
59.通过上述超高性能混凝土制备成型规格为100
×
100
×
515mm的小梁，在跨中切口，切口深度为5cm，28天龄期后，分别测试切口梁抗弯全曲线，采用深圳三思纵横科技股份有限公司生产1000kn微机控制电液伺服万能试验机，进行三点抗弯全曲线。
60.(5)抗冲击性能
61.通过上述超高性能混凝土制备成型100
×
100
×
400mm小梁，采用深圳三思纵横科技股份有限公司生产的dtm1000落锤冲击试验机，进行混凝土抗冲击试验。
62.(6)耐久性
63.混凝土电通量试验按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(gb/t50082-2009)的有关规定进行。
64.三、本实施例采用的养护方法：养护温度为18-22℃，养护湿度大于95％。
65.四、本实施例中超高性能混凝土的配比和各项性能试验
66.(1)本实施方式中各实施例中超高性能混凝土配合比，如下表1所示：
67.表1超高性能混凝土配合比(重量份数)
[0068][0069]
由上述表1可知：实施例1、实施例2和实施例3表示基准超高性能混凝土，用于对比例1～3；实施例4和实施例7表示单独掺有橡胶粉的超高性能混凝土，用于作对比例4和对比例7；实施例5和实施例6表示单独掺有橡胶颗粒的超高性能混凝土，用于作对比例5和对比例6；实施例8～10表示同时掺有橡胶粉和橡胶颗粒的超高性能混凝土，即橡胶改性超高性能混凝土，也就是用于悬浮隧道管段的超高性能混凝土。
[0070]
(2)工作性
[0071]
上述各实施例的超高性能混凝土的坍落度、扩展度以及凝结时间测试结果如下表2所示：
[0072]
表2超高性能混凝土工作性的测试结果
[0073]
[0074]
由上述表2的测试结果表明：橡胶改性超高性能混凝土(具体参考实施例8、实施例9和实施例10)的坍落度、扩展度以及凝结时间，与基准超高性能混凝土(具体参考实施例1～3)以及单独掺有橡胶粉的超高性能混凝土(具体参考实施例4和实施例7)，以及单独掺有橡胶颗粒的超高性能混凝土(具体参考实施例5和实施例6)的坍落度、扩展度以及凝结时间相当，因此，可以满足悬浮隧道管段的施工要求。
[0075]
(3)抗压强度和抗折强度性能
[0076]
上述各实施例中超高性能混凝土的抗压强度和抗折强度测试结果如下表3所示，其中，各实施例中的超高性能混凝土的抗压强度和抗折强度的试验龄期分别为3天、7天和28天。
[0077]
表3超高性能混凝土抗压强度和抗折强度的测试结果(mpa)
[0078][0079]
由上述表3的测试结果表明：橡胶改性超高性能混凝土(具体参考实施例8、实施例9和实施例10)28天的抗压强度均大于200mpa，与基准超高性能混凝土相当，而其抗折强度大于40mpa，显著高于基准超高性能混凝土(具体参考实施例1～3)、单独掺有橡胶粉的超高性能混凝土(具体参考实施例4和实施例7)以及单独掺有橡胶颗粒的超高性能混凝土(具体参考实施例5和实施例6)28天的抗折强度，因此具有较低的脆性和良好的抗冲击性，可以满足悬浮隧道的超高强度的使用要求。
[0080]
(4)抗弯性能
[0081]
上述各实施例中超高性能混凝土的抗弯性能测试结果如下表4所示，其中，抗弯性能根据测试的切口梁抗弯全曲线以及按照有关文献记载的方法，分别计算出下表4所示的混凝土断裂能、峰值荷载和延性指数等性能指标。
[0082]
表4超高性能混凝的断裂能、峰值荷载和延性指数测试结果
[0083][0084][0085]
由上述表4的测试结果表明：橡胶改性超高性能混凝土(具体参考实施例8、实施例9和实施例10)的断裂能和延性指数高于基准超高性能混凝土(具体参考实施例1～3)，单独掺有橡胶粉的超高性能混凝土(具体参考实施例4和实施例7)以及单独掺有橡胶颗粒的超高性能混凝土(具体参考实施例5和实施例6)，因此具有超高的断裂能和延性指数，从而具备良好韧性。
[0086]
(5)抗冲击性能
[0087]
上述各实施例中超高性能混凝土的抗冲击能测试结果如下表5所示，其中，抗冲击性能指标采用28天龄期的超高性能混凝土进行试验，其测试指标主要包括：初裂次数和断裂次数。
[0088]
表5超高性能混凝抗冲击性测试结果
[0089]
[0090][0091]
由上述表5的测试结果表明：橡胶改性超高性能混凝土(具体参考实施例8、实施例9和实施例10)的初裂次数和断裂次数明显高于基准超高性能混凝土(具体参考实施例1～3)，单独掺有橡胶粉的超高性能混凝土(具体参考实施例4和实施例7)以及单独掺有橡胶颗粒的超高性能混凝土(具体参考实施例5和实施例6)，因此，具有良好抗冲击性能，可满足悬浮隧道的管段的建造质量要求。
[0092]
(6)耐久性
[0093]
上述各实施例中超高性能混凝土的耐久性测试结果如下表6所示，其测试指标包括：超高性能混凝土的电通量和扩散系数。
[0094]
表6混凝土耐久性测试结果
[0095][0096]
由上述表6的测试结果表明：橡胶改性超高性能混凝土(具体参考实施例8、实施例9和实施例10)的电通量和扩散系数明显低于基准超高性能混凝土(具体参考实施例1～3)，单掺有橡胶粉的超高性能混凝土(具体参考实施例4和实施例7)以及单独掺有橡胶颗粒的超高性能混凝土(具体参考实施例5和实施例6)的电通量和扩散系数，因此，具有良好的耐久性。
[0097]
通过上述各项测试数据表明，与现有技术相比，上述提供的实施例8～10提供的超高性能混凝土相对于现有技术，具有如下效果：其通过采用橡胶粉和橡胶颗粒叠加效应，可替代水泥等胶凝材料，有效提升其制备的水泥浆体基体的各项性能，例如抗压强度和抗折强度性能、抗弯性能和抗冲击性等，并且，采用两种颗粒粒径的橡胶颗粒搭配，并替代骨料，以降低骨料的份量，从而降低由于骨料含量过高而易导致混凝土的抗拉强度而易产生裂缝等造成的不利影响。并且通过该与其他物质，例如超细硅酸盐水泥、粉煤灰微珠、偏高岭土、
膨胀剂和橡胶改性剂等成分的配合，可有效提升超高性能混凝土的上述各项性能。
[0098]
并且，上述实施例8～10提供的超高性能混凝土还具备流动性好、可施工性好、超高强性能、低收缩和高耐久性等优点，尤其适用于制备悬浮隧道管段，具有良好的经济效益和社会效益。
[0099]
另外，值得一提的是，上述实施例8～10中的膨胀剂可至少优选为两种构成，例如氧化钙和氧化镁；其中，氧化钙和氧化镁的质量比优选为3:7。通过采用氧化钙和氧化镁两种膨胀剂复合的方式，可补偿混凝土收缩，例如通过氧化钙早期反应快补偿超高性混凝土早期收缩，通过氧化镁后期活性补偿超高性混凝土后期收缩，从而控制超高性混凝土的体积稳定性，并通过借助氧化钙和氧化镁的互补效应，保证与超高性混凝土相匹配的同步补偿收缩性能，使得超高性混凝土具有良好的长期体积稳定性，可减少收缩裂缝，提高悬浮隧道管段材料的耐久性。
[0100]
另外，值得一提的是，上述各实施例8～10中的橡胶改性剂可至少优选为两种，例如：第一改性剂可采用偶联剂si69，以利于橡胶粉和橡胶颗粒与水泥、矿粉、粉煤灰微珠和硅灰等中的硅元素结合，提高橡胶粉和橡胶颗粒与基体的粘结。第二改性剂可采用铝酸酯偶联剂dl-411，以利于橡胶粉、橡胶颗粒、纤维与混凝土基体中多种元素的结合，从而形成橡胶粉和橡胶颗粒-偶联剂-水泥基体和纤维的结合层的结构，提高橡胶改性超高性能混凝土的性能。
[0101]
另外，值得一提的是，本上述实施例8～10中钢纤维可优选为不锈钢端钩型微细钢纤维，其长度为10-15mm，直径为0.15-0.20mm，抗拉强度大于3.0gpa，弹性模量为210-230gpa；碳纤维为pan基高强碳纤维，其长度为1.5-2.5mm，直径为6-8μm，抗拉强度大于3.5gpa，弹性模量为240-260gpa，碳含量大于95％。通过采用微细钢纤维和超细碳纤维充分发挥尺寸互补效应，例如通过尺寸较大的微细钢纤维可有效控制较大裂缝的扩展，尺寸微小的碳纤维可有效控制水泥基体微裂缝的扩展，因此，通过两种协同作用可有效提高超高性能混凝土抗拉强度和抗冲击性能。
[0102]
六、本实施方式还提供了一种制备方法，用于制备上述实施例8～10中用于悬浮隧道管段的超高性能混凝土，如图1所示，该制备方法包括如下步骤：
[0103]
步骤s1、将获取的橡胶改性剂中的第一改性剂在40～45℃的温度下，按照预设的比例与水混合形成溶解液后，分别加入橡胶粉和橡胶颗粒并进行30s～40s的搅拌，然后对溶解液进行干燥处理，得到干燥的橡胶粉和橡胶颗粒，也就是将溶解液中的水分自然或人工的方式例如蒸发、吸收等干燥处理方式后，得到干燥的橡胶粉和橡胶颗粒。并且，溶解液中的水与橡胶改性剂的比例，能够实现橡胶改性剂的充分溶解即可，例如按照第一改性剂与水的比例为4:1进行配比等，在此不再作具体的赘述。
[0104]
步骤s2、将获取的上述超细水泥、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰微珠、偏高岭土、膨胀剂、骨料、膨胀剂和干燥的橡胶粉和橡胶颗加入拌合水，并均匀搅拌120-150s，以得到拌合物。
[0105]
步骤s3、将获取的纤维和橡胶改性剂中的第二改性剂，加入上述拌合物中搅拌90s-120s，以得到超高性能混凝土。
[0106]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限定，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改
或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围。