适于振动环境中使用的超高性能混凝土及其应用的制作方法

1.本发明涉及超高性能混凝土技术领域，尤其涉及一种适于振动环境中使用的超高性能混凝土及其应用。


背景技术：

2.超高性能混凝土(uhpc)作为一种新兴的建筑结构材料，近十年已成为科学研究和工程应用领域的热点。与普通混凝土相比，超高性能混凝土具有卓越的力学性能和耐久性，能够很好地满足桥面铺装对混凝土材料力学性能的要求，其与正交异性板结合形成的uhpc-钢组合桥面结构能够有效解决传统正交异形板钢桥面疲劳开裂和铺装层破损的技术难题。因此，超高性能混凝土在桥面铺装中的应用逐渐受到人们的重视。
3.目前，应用于桥面铺装的超高性能混凝土无论是材料的组成设计、施工浇筑亦或是服役性能评价均是基于静态环境下的理论计算或实验推断。然而，在实际应用中，为了减小桥面铺装施工对交通的影响，常存在半幅桥面封闭施工，半幅桥面正常运营的情况。此时，车辆荷载会引起桥面的振动，且该振动过程会对新拌超高性能混凝土的组成分布和微观结构的形成产生影响，进而对其宏观力学性能和耐久性造成不利影响。


技术实现要素：

4.针对现有技术中基于静态环境设计的超高性能混凝土难以满足实际桥面铺装施工过程的应用需求的缺陷，本发明提供一种适于振动环境中使用的超高性能混凝土，通过制备具有特定粘度的超高性能混凝土浆体，保证钢纤维在振动环境中能够保持稳定均匀地分布在超高性能混凝土浆体中，该超高性能混凝土浆体在振动环境中凝结硬化后得到的试块具有较低的孔隙率、较优的孔结构和较好的力学性能，可满足桥面铺装领域的实际应用需求。
5.本发明提供的技术方案如下：
6.第一方面，本发明提供一种适于振动环境条件下使用的超高性能混凝土，振动环境的振动频率为1～10hz，上下振幅为3～10mm；超高性能混凝土按重量份计，包括如下组分：100份硅酸盐水泥、25～35份粉煤灰、15～25份(i)硅灰或(ii)硅灰与偏高岭土的混合物、120～140份河砂、20～30份水、3.5～5份减水剂和15～35份钢纤维。
7.以上技术方案选择硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、偏高岭土、河砂、水、减水剂和钢纤维作为原料，并通过对各物质的用量进行调控，实现颗粒的最紧密堆积、制备的超高性能混凝土浆体处于特定的粘度区间，最终获得在振动频率为1～10hz、上下振幅为3～10mm的振动环境中凝结硬化后钢纤维仍能保持分布均匀的超高性能混凝土。养护28天后，该超高性能混凝土的孔隙率为4.6％～7.9％、28d抗压强度为147.2～164.5mpa，28d抗折强度为29.5～40.2mpa，且超高性能混凝土中钢纤维的离散值为1.0～3.3，适用于需要在动态条件下施工的桥面铺装领域，具有较高的实际应用价值。
8.作为上述技术方案的优选，硅灰与偏高岭土的混合物中偏高岭土占0～60wt％；减
水剂占硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰和偏高岭土总重量的2wt％～3wt％。在以上技术方案的基础上，本发明通过对减水剂及偏高岭土的用量进行调整，能够简便有效地对超高性能混凝土浆体的粘度进行调控，以获得所需粘度的浆体。
9.作为上述技术方案的优选，河砂的粒径为0～1.5mm。
10.作为上述技术方案的优选，减水剂为聚羧酸减水剂。
11.第二方面，本发明提供一种通车中桥梁的桥面铺装方法，通车中桥梁的振动频率为1～10hz，振幅为3～10mm；该施工方法包括如下步骤：
12.右侧半幅桥面通车，在左侧半幅桥面铺装粘度为35～55pa
·
s的超高性能混凝土浆体，硬化后标准条件下养护至少7天；
13.左侧半幅桥面通车，在右侧半幅桥面铺装粘度为35～55pa
·
s的超高性能混凝土浆体，硬化后标准条件下养护至少7天，即成。
14.该施工方法将特定粘度区间的超高性能混凝土浆体直接铺装在通车中桥梁上，浆体在桥梁振动条件下凝结硬化过程中钢纤维不会沉降，从而保证了桥面铺装的质量。
15.作为上述技术方案的优选，超高性能混凝土浆体按重量份计，包括如下组分：100份硅酸盐水泥、25～35份粉煤灰、15～25份硅灰、120～140份河砂、20～30份水、3.5～5份减水剂和15～35份钢纤维。该技术方案对采用的原料及其用量进行调控，实现颗粒的最紧密堆积，以提高超高性能混凝土钢纤维的分散均匀度、降低超高性能混凝土的孔隙率，从而提高其抗压强度和抗折强度。
16.第三方面，本发明提供一种提高超高性能混凝土密实度的方法，包括以下步骤：将超高性能混凝土浆体的粘度调节至35～55pa
·
s，然后置于振动频率为1～10hz、上下振幅为3～10mm的振动台上振动6～12h，拆模后置于标准条件下进行养护，即成。
17.与现有技术中将浆体短时间振动密实后再置于静态条件下进行硬化的方式相比，该技术方案通过将特定粘度的浆体在长时间的持续振动下凝结硬化，利用特定粘度的浆体与长时间振动处理之间的协同作用，一方面充分发挥振动条件的优势，促进浆体中气泡(尤其是有害大气泡)的排出和水泥的水化，有效降低超高性能混凝土的孔隙率，同时优化其孔结构，并提高其力学性能；另一方面通过粘度控制有效消除长时间振动带来的钢纤维沉降、混凝土结构损伤等负面影响，钢纤维稳定、均匀分布在超高性能混凝土构件中，制备的超高性能混凝土构件无明显结构损伤。
18.作为上述技术方案的优选，超高性能混凝土浆体按重量份计包括如下组分：100份硅酸盐水泥、25～35份粉煤灰、15～25份硅灰、120～140份河砂、20～30份水、15～35份钢纤维，通过添加3.5～5份减水剂将浆体粘度调节至35～55pa
·
s。该技术方案通过原料和配比的优化实现颗粒的最紧密堆积，进一步降低超高性能混凝土的孔隙率，提高其密实度，以获得较好的力学性能。
19.在上述技术方案的基础上，通过调整减水剂的掺量为硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰和偏高岭土总重量的2wt％～3wt％来调节浆体的粘度，以提高钢纤维的分布均匀性，降低孔隙率。
20.此外，本发明可通过控制各原料的添加顺序及搅拌方式保证各原料混合均匀，进一步改善超高性能混凝土的力学性能和工作性能：从称取的水中取70％，与称取的减水剂配制成混合液；然后将称取的硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、河砂混合，慢速搅拌80～100s，并
在慢速搅拌的过程中加入混合液；再加入剩余的水快速搅拌2～3min，然后在慢速搅拌的状态下加入称取的钢纤维，并在钢纤维全部加入后继续慢速搅拌1～2min，得到超高性能混凝土浆体；慢速搅拌的搅拌速率为57～67r/min，快速搅拌的搅拌速率为115～135r/min。
附图说明
21.图1为实施例1制备的超高性能混凝土的横截面照片。
22.图2为实施例1制备的超高性能混凝土的28d孔结构分析图。
23.图3为对比例1制备的超高性能混凝土的横截面照片。
24.图4为对比例1制备的超高性能混凝土的28d孔结构分析图。
25.图5为对比例2制备的超高性能混凝土的横截面照片。
26.图6为对比例2制备的超高性能混凝土的28d孔结构分析图。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
28.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
29.另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
30.下面结合具体的实施例对本发明的技术方案进行说明。
31.实施例1
32.s1、浆体制备
33.按照重量份计算，称取100份硅酸盐水泥、30份粉煤灰、20份硅灰、132份河砂、25份水、4.5份聚羧酸减水剂和22份钢纤维，其中，未添加偏高岭土用于取代硅灰(即偏高岭土的取代率为0)，添加的聚羧酸减水剂的用量占硅酸盐水泥、粉煤灰和硅灰总质量的3％。
34.将称取的硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、河砂倒入搅拌锅中，慢速搅拌90s，在慢速搅拌的过程中，经称取的水的70％与全部减水剂形成的混合液缓慢倒入搅拌锅中，直至搅拌锅内的拌合物搅拌成面团状；然后加入剩余的水，继续快速搅拌2min，使胶凝材料与减水剂充分分散并混合均匀；最后在慢速搅拌的状态下缓慢加入称取的钢纤维，待钢纤维全部加入后，继续慢速搅拌1min，得到超高性能混凝土浆体。其中，慢速搅拌的搅拌速率为57～67r/min，快速搅拌的搅拌速率为115～135r/min。
35.s2、浇筑成型与动态硬化
36.将步骤s1得到的超高性能混凝土浆体倒入模具中浇筑成型，在充分插捣后将其表面刮平，覆盖上塑料薄膜后将其整体固定于振动台上，持续振动10h至超高性能混凝土浆体完全硬化，然后停止振动，得到硬化的超高性能混凝土。其中，振动频率设置为5hz，振幅为3mm。
37.s3、拆模养护
38.在1天龄期时，对步骤s2得到的硬化的超高性能混凝土进行拆模，然后置于标准条件下养护28d，得到超高性能混凝土试件。
39.经测试，步骤s1得到的超高性能混凝土浆体的粘度为41.6pa
·
s，步骤s3得到的超高性能混凝土试件的28d抗压强度为155.4mpa，28d抗折强度为36.5mpa。
40.为了进一步分析步骤s3得到的超高性能混凝土试件的孔结构和钢纤维分布情况，对超高性能混凝土试件进行切割，获得其横截面照片，如图1所示。采用压汞法对孔结构进行测试，得到其孔隙率为5.3％，其孔结构分布如图2所示。
41.在图1中，灰色部分为超高性能混凝土基体，白色部分为钢纤维。通过对图1进行图像分析，可以得到钢纤维分布的离散值为2.5，表明在该振动条件下制备出的超高性能混凝土试件中钢纤维分布地较为均匀。
42.由图2可以看出，超高性能混凝土试件的孔隙率较低，且大于20nm的有害孔含量较低，具有较好的孔结构。
43.实施例2～5及对比例1
44.实施例2～5与实施例1相比，不同之处在于改变了步骤s2中振动台的振动条件，各实施例对应的具体振动条件如表1所示，其余步骤及参数均与实施例1一致，在此不再赘述。
45.表1实施例2～5的振动条件
[0046][0047]
对比例1与实施例1相比，不同之处在于：未进行步骤s2中的振动处理，仅将步骤s1制得的混凝土浆体振捣后则将其静置硬化，再按照步骤s3进行拆模与养护。
[0048]
对实施例2～5及对比例1制备的超高性能混凝土试件的性能进行测试后，结果如表2所示。
[0049]
表2实施例2～5及对比例1制备的超高性能混凝土试件的性能
[0050]
[0051][0052]
由表2可以看出，不同振动时间条件下制备的超高性能混凝土试件的性能差异较小，这主要是超高性能混凝土的终凝时间低于6h，而超高性能混凝土终凝之后，振动对其性能的影响很小。同时，随着振幅和频率的增加，超高性能混凝土的稳定性有所降低，钢纤维的离散值增大，最终的超高性能混凝土试件抗压强度和抗折强度差异不明显。
[0053]
然而，对比例1未经长时间持续振动得到的超高性能混凝土试件28d抗压强度、抗折强度均显著低于实施例2～5，同时孔隙率显著增加，离散值则有一定的降低。对比例1制备的超高性能混凝土试件的横截面照片如图3所示，其28d孔结构分布如图4所示。结合图3和图4可以看出，对比例1制备的超高性能混凝土试件中钢纤维分布的较为均匀，但是其表面有大量可见气孔。同时，该超高性能混凝土试件的孔隙率更高，且大于20nm的有害孔的含量增加，其密实度降低，导致其28d抗压强度和28d抗折强度明显降低。
[0054]
实施例6～9及对比例2
[0055]
实施例6～9与实施例1相比，不同之处在于改变了步骤s1中减水剂的用量(即减水剂占硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰和偏高岭土总重量的质量分数)及偏高岭土的取代率，从而得到不同粘度的超高性能混凝土浆体，各实施例对应的具体减水剂用量、偏高岭土取代率及制得的浆体的粘度如表3所示，其余步骤及参数均与实施例1一致，在此不再赘述。
[0056]
表3实施例6～9中减水剂的用量、偏高岭土的取代率及浆体粘度
[0057][0058]
对比例2与实施例1相比，不同之处在于将步骤s1中减水剂的用量调整为3.5wt％，制得的超高性能混凝土浆体的粘度为28.4pa
·
s。
[0059]
对实施例6～9及对比例2制备的超高性能混凝土试件的性能进行测试后，结果如表4所示。
[0060]
表4实施例6～12及对比例2制备的超高性能混凝土的性能
[0061][0062]
由表4可以看出，减水剂的含量较低时，其浆体的粘度较大，钢纤维的稳定性也就更高，振动条件下的离散值较小；同时其内部气泡的排出受阻，孔隙率也会更高，导致超高性能混凝土试件的28d抗压强度和28d抗折强度降低。掺入偏高岭土后，超高性能混凝土浆体的粘度增加，使钢纤维的稳定性随之增加；同时，偏高岭土的活性更高，制备的超高性能混凝土试件的28d抗压强度和28d抗折强度也会增加。
[0063]
然而，对比例2减水剂用量为3.5wt％制备的超高性能混凝土浆体的粘度进一步降低，长时间振动条件下密实效果也会更好，导致孔隙率进一步降低。但是粘度过低会导致钢纤维在振动条件下的稳定性难以保证，从而出现沉降，钢纤维的离散值显著增加，导致超高性能混凝土试件上层钢纤维含量过低，在抗压条件状态下首先被破坏，表现出的28d抗压强度也会显著降低。对比例2制备的超高性能混凝土试件的横截面照片如图5所示，28d的孔结构分布如图6所示。从图5和图6可以看出，虽然对比例2制得的超高性能混凝土试件的孔结构较好，但是其钢纤维的分布均匀性显著降低，上层钢纤维的数量明显低于下层，导致其28d抗压强度显著降低。
[0064]
因此，本发明通过制备特定粘度的超高性能混凝土浆体，并使该浆体在振动条件下凝结硬化，能够有效地利用长时间振动对其性能发展的有益效果，同时抑制长时间振动的负面影响，使钢纤维均匀分布，达到较高的稳定性，从而制备出振动条件下具有良好力学性能的高稳态超高性能混凝土。
[0065]
需要说明的是，本领域技术人员应当理解，在按照本发明提供的方法制备适于振动环境中使用的超高性能混凝土时，称取的各原料的重量可以在实施例1的基础上进行适当调整，各原料的重量满足100份硅酸盐水泥、25～35份粉煤灰、15～25份硅灰、120～140份河砂、20～30份水、3.5～5份减水剂和15～35份钢纤维的比例即可，对最终制得的超高性能混凝土试件的性能影响不大，均属于本发明的保护范围。
[0066]
综上所述，本发明通过将预定量的硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、河砂、水、减水剂和钢纤维充分混匀成粘度为35～55pa
·
s的超高性能混凝土浆体，再将其浇筑成型后固定于振动台上，持续振动至浆体完全硬化后，经拆模养护，制备了适用于桥面铺装领域的动态条件下高稳态超高性能混凝土。通过上述方式，本发明能够利用特定粘度的浆体与长时间振动处理之间的协同作用，使制备的超高性能混凝土同时具有较低的孔隙率、较优的孔结构和较好的力学性能，并使钢纤维在动态条件下能够保持稳定的均匀分布，达到较高的稳定
性，以满足桥面铺装领域的实际应用需求。
[0067]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管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者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。