一种高性能混凝土及其制备方法与流程

1.本技术涉及混凝土技术领域，更具体而言涉及一种高性能混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.普通混凝土是由胶凝材料和骨料胶结合而成的复合材料的统称，常用于桥梁修建、房屋建设、道路施工等，一般水泥作为胶凝材料，砂石作为骨料，必要时掺入化学外加剂和矿物掺合料，按照一定的配比，经过搅拌、密实成型以及养护硬化得到成品。
3.随着我国建筑经济的发展，大量的建筑设施兴起，随着而来的需要使用混凝土，而大部分工程存在任务重，工期紧张等情况，许多工程需要在冬季继续施工建设。然而，传统的混凝土在低温环境下，混凝土内容易出现凝结冰，进而影响混凝土的密实性，降低混凝土的抗渗性。
4.因此，仍然需要一种密实性大、抗渗性高的高强度混凝土。


技术实现要素：

5.为了改善混凝土的密实性低、抗渗性低的问题，本技术的第一个目的在于提供一种高性能混凝土。
6.本发明的第二个目的在于提供一种高性能混凝土的制备方法，其具有操作简单、高密实性、抗渗性能高的优点。
7.为实现上述的第一个目的，本发明提供了如下技术方案：一种高性能混凝土，包括以下重量份的组分：水泥390-450份、碎石120-160份、粉煤灰120-150份、石英粉60-120份、聚羧酸减水剂15-30份、钢纤维20-55份、吸水树脂6-13份、稻壳灰30-80份、碳纳米管8-30份、水160-280份。
8.通过采用上述技术方案，水泥、碎石和水混合后产生胶凝作用，水泥包裹碎石使碎石相互粘结，从而形成具有连续空隙的透水结构。在混凝土中加入石英粉，可以提高混凝土的耐腐蚀性且早期强度高。粉煤灰的加入，提高混凝土的强度。因此，粉煤灰、石英粉和稻壳灰加入混凝土中增加混凝土的密实性、干缩性、抗裂性和抗渗性，进而能够调节混凝土的强度等级。同时碎石还起到减少收缩的作用，水泥浆收缩很大，碎石起到抑制收缩，稳定混凝土体积的作用。
9.钢纤维的加入有助于进一步提高混凝土的抗裂性能，减小混凝土开裂的机率，在低温环境下，钢纤维、稻壳灰和石英粉配合进一步提高混凝土的抗开裂性、抗渗性和密实性。吸水树脂具有很强的吸水性能，失水后在混凝土中形成孔隙，粉煤灰、石英粉和碳纳米管用于填充孔隙，提高混凝土的抗冻融性和混凝土自修复的功能，钢纤维有助于使混凝土体系中的各组分相互粘结，进而提高混凝土的密实性和抗渗性，有助于保持低温下混凝土的稳定性。
10.碳纳米管在混凝土中不但可以起到微集料效应，填充混凝土的孔隙，还能发挥纳米材料的火山灰活性，与水泥水化产物 ca(oh) 2 反应，生成水化硅酸钙凝胶（c-s-h 凝
胶），改善了混凝土的微观结构，配合钢纤维、稻壳灰提高混凝土的密实性、抗开裂性和抗渗性，使得混凝土在低温下的各项性能得到优化和提高。
11.优选的，所述碎石、粉煤灰和钢纤维的重量比为3-6:3-6.5:1。
12.通过采用上述技术方案，碎石在混凝土中起到骨架作用，减小混凝土的收缩作用，稳定混凝土的体系，粉煤灰在混凝土中能够起到活性的作用，使水泥和碎石之间的缝隙变得更小，起到填充作用，能够提高混凝土结构的密实性，钢纤维呈现三维乱向分布的结构，加入混凝土中能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，进而显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，具有较好的延性，进一步提高了混凝土在低温下的各项性能，且碎石、粉煤灰和钢纤维的比值在特定的范围内，进一步有助于提高混凝土的各项性能。
13.优选的，所述水泥与碳纳米管的重量比为15-30:1。
14.通过采用上述技术方案，水泥是混凝土的胶结材料，水泥遇水后水化为混凝土提供强度，与粉煤灰、石英粉配合，进一步提高混凝土的密实性和抗渗性能，碳纳米管的加入，可以有效改善混凝土的微观结构，同时配合钢纤维和粉煤灰，增加了粉煤灰与钢纤维之间的粘结性，进而提高混凝土的密实性，进一步改善混凝土的抗裂性能和抗渗性能，且水泥与碳纳米管的比值在特定的范围内，进一步有助于提高混凝土的各项性能。
15.优选的，所述稻壳灰的制备方法，包括如下步骤：（1）预处理：将稻壳加入至硫酸中浸泡60-90min，过滤，将过滤后的稻壳加入硝酸中，在80-100℃温度下加热45-90min，洗涤至中性，干燥后得到预处理后的稻壳；（2）烧制：将预处理后的稻壳先在300-500℃温度下烧制60-120min，然后在800-1000℃温度下继续烧制90-240min，冷却，得到稻壳灰；（3）研磨：将稻壳灰进行球磨，转速为600-900r/min，时间为30-60min，得到稻壳灰粉末。
16.通过采用上述技术方案，稻壳置于硫酸中浸泡处理，可以有效降低稻壳灰中的杂质含量，将其中大部分的金属杂质转变为可溶性无机物而除去，同时显著提高稻壳灰的火山灰活性，显著提升稻壳中二氧化硅的含量，通过高温对稻壳进行硝酸处理，进一步降低稻壳对于燃烧条件的结晶敏感性，提高稻壳成品的质量。
17.通过对稻壳进行高温煅烧处理，可明显降低晶体二氧化硅的含量，促进无定型二氧化硅的生成，提高化学活性，同时降低残余碳；后续对稻壳进行二次升温煅烧，进一步提高稻壳的化学活性，能够使稻壳中的晶体二氧化硅完全转变为无定型二氧化硅；最后球磨，使减小稻壳灰的颗粒尺寸，使稻壳灰体系均匀稳定。
18.优选的，所述稻壳和硝酸的重量比为1:9-15。
19.通过采用上述技术方案，硝酸腐蚀稻壳中的木质素和纤维素，使稻壳表面的空穴增大，稻壳内部产生空穴，在焙烧中便于氧气渗透和扩散，这样其焙烧生成物既增大了活性，有助于后续提高混凝土的各种性能，且稻壳和硝酸的比值在特定的范围内，进一步有助于提高稻壳灰的高活化度，有助于后续改善混凝土的密实性、抗渗性和抗裂性。
20.优选的，所述粉煤灰为i级粉煤灰，需水量比≤95％，烧失量≤5％，比表面积≥400m2/kg。
21.通过采用上述技术方案，粉煤灰可以降低混凝土的水化热，从而减少水化放热量，
因此施工时混凝土的温度降低，减小混凝土内部由于温度应力造成的裂缝，适合低温适应，同时有助于改善混凝土的和易性、粘结性和保水性，进一步提高混凝土的耐久性和后期强度。
22.优选的，所述聚羧酸减水剂为nrf-h101型减水剂。
23.通过采用上述技术方案，减水剂的加入能够提高混凝土的和易性，基于电荷斥力分散机理和空间位阻效应，加入聚羧酸减水剂后能使高性能混凝土在极低水胶比（w/b≤0.20）的情况下，使混凝土的浆体具有较好的流动性能；同时聚羧酸减水剂具有低掺量、分散作用强、坍落度损失小、早期强度增强和耐久性好等特性，且具有与水泥和外加剂适应性好的特点，进一步提高混凝土在低温下的应用稳定性。
24.为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：一种高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：s1、按照配比，将碎石、粉煤灰和钢纤维进行混合均匀，以300-800r/min的转速搅拌20-35min，得到混合物a；s2、将步骤s1得到的混合物a与剩余的组分混合，在温度为80-120℃搅拌，搅拌速率900-1500r/min，搅拌时间为30-50min，得到高强混凝土。
25.综上所述，本技术具有以下有益效果：1、本技术的水泥、碎石和水混合后产生胶凝作用，水泥包裹碎石使碎石相互粘结，从而形成具有连续空隙的透水结构。在混凝土中加入石英粉，可以提高混凝土的耐腐蚀性且早期强度高。粉煤灰的加入，提高混凝土的强度。因此，粉煤灰、石英粉和稻壳灰加入混凝土中增加混凝土的密实性、干缩性、抗裂性和抗渗性，进而能够调节混凝土的强度等级。同时碎石还起到减少收缩的作用，水泥浆收缩很大，碎石起到抑制收缩，稳定混凝土体积的作用。
26.2、本技术中的碳纳米管在混凝土中不但可以起到微集料效应，填充混凝土的孔隙，还能发挥纳米材料的火山灰活性，与水泥水化产物 ca(oh) 2 反应，生成水化硅酸钙凝胶（c-s-h 凝胶），改善了混凝土的微观结构，配合钢纤维、稻壳灰提高混凝土的密实性、抗开裂性和抗渗性，使得混凝土在低温下的各项性能得到优化和提高。
27.3、本技术的粉煤灰在的加入使水泥和碎石之间的缝隙变得更小，起到填充作用，能够提高混凝土结构的密实性，钢纤维呈现三维乱向分布的结构，加入混凝土中能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，进而显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，进一步提高了混凝土在低温下的各项性能。
具体实施方式
28.以下结合实施例对本技术作进一步详细说明。
29.实施例中所使用的原料均可通过市售获得，其中，粉煤灰为i级粉煤灰，需水量比≤95％，烧失量≤5％，比表面积≥400m2/kg；聚羧酸减水剂为nrf-h101型减水剂。
30.稻壳灰的制备方法制备例1（1）预处理：将100重量份的稻壳加入至硫酸中浸泡75min，过滤，将过滤后的稻壳加入硝酸中，在90℃温度下加热60min，洗涤至中性，干燥后得到预处理后的稻壳；稻壳和硝
酸的重量比为1:12；（2）烧制：将预处理后的稻壳先在400℃温度下烧制80min，然后在900℃温度下继续烧制180min，冷却，得到稻壳灰；（3）研磨：将稻壳灰进行球磨，转速为700r/min，时间为45min，得到稻壳灰粉末。
31.制备例2（1）预处理：将100重量份的稻壳加入至硫酸中浸泡60min，过滤，将过滤后的稻壳加入硝酸中，在80℃温度下加热45min，洗涤至中性，干燥后得到预处理后的稻壳；稻壳和硝酸的重量比为1:9；（2）烧制：将预处理后的稻壳先在500℃温度下烧制60min，然后在800℃温度下继续烧制240min，冷却，得到稻壳灰；（3）研磨：将稻壳灰进行球磨，转速为600r/min，时间为30min，得到稻壳灰粉末。
32.制备例3（1）预处理：将100重量份的稻壳加入至硫酸中浸泡90min，过滤，将过滤后的稻壳加入硝酸中，在100℃温度下加热90min，洗涤至中性，干燥后得到预处理后的稻壳；稻壳和硝酸的重量比为1:15；（2）烧制：将预处理后的稻壳先在300℃温度下烧制120min，然后在1000℃温度下继续烧制90min，冷却，得到稻壳灰；（3）研磨：将稻壳灰进行球磨，转速为900r/min，时间为60min，得到稻壳灰粉末。
33.制备例4与制备例1的区别在于，预处理：将100重量份的稻壳加入硝酸中，在90℃温度下加热60min，洗涤至中性，干燥后得到预处理后的稻壳；稻壳和硝酸的重量比为1:12。
34.制备例5与制备例1的区别在于，稻壳灰的制备方法中不包括步骤（3）研磨。
35.制备例6与制备例1的区别在于，烧制：将预处理后的稻壳在900℃温度下烧制1800min，冷却，得到稻壳灰。
实施例
36.实施例1一种高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：s1、按照配比，将碎石、粉煤灰和钢纤维进行混合均匀，以600r/min的转速搅拌30min，得到混合物a；s2、将步骤s1得到的混合物a与剩余的组分混合，在温度为100℃搅拌，搅拌速率1200r/min，搅拌时间为45min，得到高强混凝土。
37.上述高强混凝土，包括以下重量份的组分：水泥420份、碎石140份、粉煤灰135份、石英粉100份、聚羧酸减水剂25份、钢纤维35份、吸水树脂10份、稻壳灰45份、碳纳米管20份、水220份；碎石、粉煤灰和钢纤维的重量比为4:4.5:1；水泥与碳纳米管的重量比为25:1；稻壳灰选自稻壳灰的制备方法的制备例1。
38.实施例2一种高性能混凝土，与实施例1的区别在于，稻壳灰选自稻壳灰的制备方法的制备例2。
39.实施例3一种高性能混凝土，与实施例1的区别在于，稻壳灰选自稻壳灰的制备方法的制备例3。
40.实施例4一种高性能混凝土，与实施例1的区别在于，稻壳灰选自稻壳灰的制备方法的制备例4。
41.实施例5一种高性能混凝土，与实施例1的区别在于，稻壳灰选自稻壳灰的制备方法的制备例5。
42.实施例6一种高性能混凝土，与实施例1的区别在于，稻壳灰选自稻壳灰的制备方法的制备例6。
43.实施例7一种高性能混凝土，与实施例1的区别在于，高强混凝土包括以下重量份的组分：水泥390份、碎石160份、粉煤灰120份、石英粉120份、聚羧酸减水剂15份、钢纤维55份、吸水树脂6份、稻壳灰80份、碳纳米管8份、水280份。
44.实施例8一种高性能混凝土，与实施例1的区别在于，一种高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：s1、按照配比，将碎石、粉煤灰和钢纤维进行混合均匀，以800r/min的转速搅拌20min，得到混合物a；s2、将步骤s1得到的混合物a与剩余的组分混合，在温度为120℃搅拌，搅拌速率900r/min，搅拌时间为50min，得到高强混凝土。
45.实施例9一种高性能混凝土，与实施例1的区别在于，碎石、粉煤灰和钢纤维的重量比为3:3:1。
46.实施例10一种高性能混凝土，与实施例1的区别在于，碎石、粉煤灰和钢纤维的重量比为6:6.5:1。
47.实施例11一种高性能混凝土，与实施例1的区别在于，水泥与碳纳米管的重量比为30:1。
48.实施例12一种高性能混凝土，与实施例1的区别在于，水泥与碳纳米管的重量比为15:1。
49.对比例对比例1一种高性能混凝土，与实施例1的区别在于，包括以下重量份的组分：水泥480份、
碎石100份、粉煤灰160份、石英粉150份、聚羧酸减水剂10份、钢纤维65份、吸水树脂4份、稻壳灰20份、碳纳米管6份、水300份。
50.对比例2一种高性能混凝土，与实施例1的区别在于，高强混凝土组分中用等量的钢纤维替换碳纳米管。
51.对比例3一种高性能混凝土，与实施例1的区别在于，高强混凝土组分中用等量的粉煤灰替换稻壳灰。
52.性能检测试验将实施例1-12和对比例1-3得到的高强混凝土进行早期抗裂性能测试，参照gb/t 50081-2016 《普通混凝士力学性能试验方法标准》进行，并计算混凝土浇注24h后测量得到单位面积的裂缝数目以及单位面积上的总开裂面积；对实施例1-12和对比例1-3制备的混凝土试件（100mm
×
100mm
×
100mm）负温养护 7d 后再正温养护 28d，混凝土试件的抗压强度；按照gb/t 50082-2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中记载的方法，对各实施例1-12以及对比例1-3的混凝土的抗渗性能进行测试，得到未出现渗水时的最大水压力，结果如下表1所示。
53.表1 实施例1-12和对比例1-3得到的高强混凝土的性能测试结果
由表1数据可知，实施例1-12制备高强混凝土具有较高的抗压强度和抗渗压力，同时具有较好的早期抗裂性能，适合低温使用；实施例2-3中稻壳灰制备方法中各参数的变化
影响高强混凝土的性能；实施例4中，稻壳灰的预处理中没有采用硫酸浸泡，制备的混凝土的早期抗裂性能、28d的抗压强度和抗渗压力相较于实施例1略差，表明硫酸浸泡稻壳灰影响稻壳灰后期的处理，进而影响混凝土的性能；实施例5中，稻壳灰的制备方法中没有研磨，对后续制备的混凝土的早期抗裂性能、28d的抗压强度和抗渗压力相较于实施例1略差，表明研磨影响稻壳灰的颗粒尺寸，进而影响混凝土的性能；实施例6中，稻壳灰的烧制中直接恒温处理，并没有采用分阶段二次烧制，制备的混凝土的早期抗裂性能、28d的抗压强度和抗渗压力相较于实施例1略差，表明分阶段烧制稻壳灰影响稻壳灰后期的处理，进而影响混凝土的性能；实施例7-8改变混凝土的组分含量或制备方法中的各参数，从表1数据看出，组分含量的变化或参数的变化影响混凝土的各项性能；实施例9-12是混凝土中部分参数的比例变化，从表1数据看出，碎石、粉煤灰和钢纤维的比值变化或水泥与碳纳米管的比值变化均影响混凝土的各项性能，表明碎石、粉煤灰和钢纤维之间存在协同作用，水泥与碳纳米管之间同样存在协同作用，进而影响混凝土的性能。
54.对比例1因调整高强混凝土中的组分含量，可见对比例1的早期抗裂性能、28d的抗压强度和抗渗压力远差于实施例1的各项性能，说明高强混凝土的各组分含量变化影响高强混凝土的早期抗裂性能、28d的抗压强度和抗渗压力；可见组分含量的变化影响高强混凝土的综合性能。
55.对比例2中用等量的钢纤维替换碳纳米管，由表1数据可知，高强混凝土的早期抗裂性能、28d的抗压强度和抗渗压力均变差，可见，本技术将碳纳米管添加至混凝土中的性能比不添加的性能要好；表明碳纳米管的影响混凝土的各项性能，碳纳米管不仅能够填充混凝土的孔隙，而且能够改善混凝土的微观结构，进而改善混凝土的密实性、抗开裂性和抗渗性，使得混凝土在低温下的各项性能得到优化和提高。
56.对比例3中用等量的粉煤灰替换稻壳灰，由表1数据可知，高强混凝土的早期抗裂性能、28d的抗压强度和抗渗压力均变差，可见，本技术制备的稻壳灰影响高强混凝土的各项性能，表明稻壳灰加入混凝土中能够改善混凝土的各项性能，同时能够增强混凝土的密实性、抗裂性能和抗渗性能。
57.本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。