一种低触变超高性能混凝土及制备方法与流程

1.本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种超高性能混凝土，具体涉及一种低触变超高性能混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，uhpc）具有超高强、高韧性和优异耐久性能，能很好满足土木工程结构轻量化、高层化、大跨化和高耐久的需求。uhpc具有高胶凝材料用量、高超细粉体含量、极低水胶比等特点，导致混凝土中颗粒间距极小、颗粒间作用力强，絮凝结构形成速度极快，混凝土具有极高的触变性。优异的流变性能是保障uhpc顺利浇筑，发挥其性能优势的关键。不同的浇筑方式对uhpc流变特性的需求存在显著的差异。采用泵送施工时，高触变性可改善高流态uhpc骨料、纤维沉降问题，降低堵泵风险。然而，采用常规的料斗运输浇筑时，高触变性导致uhpc的静态工作性能损失显著，可施工时间较短，浇筑过程中气泡难以排出，密实性差，严重影响了施工性能和工程质量。南京五桥等工程为了保证uhpc桥面板的施工质量，采用插捣工艺解决高触变性引起的uhpc密实性问题，导致施工效率明显降低，且施工成本大幅度增加。因此，uhpc触变性的调控对于施工和质量保障至关重要。
3.专利cn2017102107384公开了一种易于泵送的装饰用超高性能混凝土，采用白水泥、硅灰以及偏高岭土、石英砂、颜色、减水剂、硅酸镁铝、纤维素醚以及纤维等制备超高性能混凝土。该专利技术通过硅酸镁铝提高超高性能混凝土的触变性。
4.cn 201810359730 .9公开一种混凝土触变剂，以季铵盐聚合物、超细粉体以及纤维为主要组分的混凝土触变剂溶液，增加混凝土的触变性，改善无自密实混凝土的施工与使用性能。
5.cn201610894393 .4公开了一种聚羧酸减水剂用触变剂，以白炭黑、碱金属碳酸盐、硫酸盐为主要原材料，增强预制构件新拌混凝土的触变性。
6.然而，上述混凝土触变性调控技术主要用于增强混凝土的触变性，与uhpc常规浇筑时的低触变性需求相矛盾。目前，用于降低混凝土触变性的技术鲜有报导。专利cn201610110268 .x公开了一种低触变自消光涂料及其制备方法，以硅改性丙烯酸树脂、丙烯酸化丙烯酸树脂、丙烯酸异辛脂、甲基丙烯酸羟乙酯、光引发剂、分散剂、流平剂、消光粉、表面活性剂、消泡剂等制备低触变自消光涂料，主要通过含硅的中等固含助剂（表面活性剂）和大分子分散剂降低涂料的触变性。但该技术措施主要应用于油性涂料中来改善涂料的分散状态，由于技术原理的差异以及相容性问题，无法有效应用于混凝土领域。


技术实现要素：

7.针对常规超高性能混凝土触变性大、静置损失严重、施工时间短，严重影响施工进度以及浇筑的密实性这一难题，本发明提出一种低触变超高性能混凝土，改善了超高性能混凝土的流变特性，减小颗粒间相互作用，降低絮凝结构重建速率以
及结构强度，实现超高性能混凝土早期触变性能显著降低，实现超高性能混凝土在静置状态或是低剪切速率状态下仍保持较高的流动性，延长超高性能混凝土施工时间，确保了超高性能混凝土浇筑过程中具有较高的密实性。此外，本发明所述的低触变超高性能混凝土不仅具有低触变性，还具有低粘度、低收缩、超高强、超高韧以及较高的弹性模量和超高的耐久性能。
8.本发明所述低触变超高性能混凝土，由以下组分按质量份组成：水泥
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400~800份，硅灰
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50~300份，功能掺合料
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100~500份，砂
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400~1000份，纤维
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5~240份，功能助剂
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5~20 份减水剂
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10~40份水
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120~180份；所述水泥为强度等级42.5及以上的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，平均粒径为10~20μm；所述硅灰中sio2含量90%以上，硅灰的平均粒径为0.2μm~5μm；所述功能掺合料为刚玉粉与锆质微硅粉、超细粉煤灰、玻璃粉中的任意一种或两种以上混合；其中所述锆质微硅粉的平均粒径为5~10μm，sio2含量60%以上；所述超细粉煤灰的平均粒径为5~20μm；所述玻璃粉平均粒径为20~200μm；所述刚玉粉为球形颗粒，平均粒径为200~800μm；且所述功能掺合料中至少含有30wt%以上的刚玉粉。
9.所述砂为粒径0.075~4.75mm 连续级配砂；所述纤维为合成纤维和/或金属纤维；其中所述合成纤维为聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维以及聚甲醛纤维的任意一种，长度3~20mm，直径40~200μm；所述金属纤维为钢纤维，长度3~30mm，直径0.1~0.3mm；所述功能助剂为硫酸钠、硫酸钙或十二烷基磺酸钠与3-甲基-1,5-戊二醇、甲酸钠、次磷酸钙、三聚磷酸钠、乙二胺四甲基膦酸钠、2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸四钠中的任意两种或三种以上混合；且所述功能助剂中硫酸钠、硫酸钙或十二烷基磺酸钠的用量不低于15%，不高于35%。
10.所述减水剂由羧酸基高性能减水剂、膦酸基高性能减水剂、木质素磺酸盐、丙烯酸盐、聚醚改性有机硅型消泡剂以（30-90）：（5-60）：（2-60）：（1.5-5）：（0.5-1）的比例混合。
11.作为改进，所述低触变超高性能混凝土还添加了碎石，所述碎石的用量不超过800份；所述碎石为石灰岩、花岗岩、辉绿岩、玄武岩中的任意一种，颗粒粒径为4.75~19mm连续级配。
12.作为进一步的改进，所述功能掺合料中锆质微硅粉的质量占功能掺合料总质量的30-50wt%。
13.作为进一步的改进，所述功能助剂中同时添加有次磷酸钙和/或三聚磷酸钠与乙二胺四甲基膦酸钠或2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸四钠的无机磷酸盐和有机膦酸盐的组合，
无机磷酸盐和有机膦酸盐的用量范围为（1-2）：（2-1）。
14.本发明所述的低触变超高性能混凝土的制备方法包括如下步骤：首先将水泥、硅灰、功能掺合料、砂以及碎石混合0.5~2min，再加入功能助剂和已提前混合的水、减水剂搅拌5~10min，最后加入纤维搅拌2~4min，制得所述一种低触变超高性能混凝土。
15.本发明所述的有益效果为：（1）通过锆质微硅粉、超细粉煤灰、玻璃粉以及球形刚玉粉，提高水泥、硅灰颗粒的分散性，降低水泥颗粒、硅灰颗粒相互接触几率，降低混凝土中絮凝结构形成速率，降低触变性；此外，不同粒径的粉体可以优化总体粉体粒径分布，提高颗粒堆积密实度，有效降低了超高性能混凝土粘度。
16.（2）通过硫酸钠、十二烷基磺酸钠、3-甲基-1,5-戊二醇、甲酸钠、次磷酸钙、三聚磷酸钠、乙二胺四甲基膦酸钠、2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸四钠降低早期c3a水化速率，减小早期钙矾石的形成，降低钙矾石在水泥、硅灰表面的桥接作用，降低颗粒间作用力，进而降低超高性能混凝土触变性。
17.（3）采用复配的高性能减水剂，基于粉体的选择性吸特性，通过羧酸基高性能减水剂、膦酸基高性能减水剂、木质素磺酸盐、丙烯酸盐等提高粉体表面减水剂的吸附行为，实现减水剂在所有粉体表面的均匀吸附，实现极低水胶比的超高性能混凝土中各种粉体的均匀快速分散大，减少了浆体中超细粉体由于超强的颗粒间作用力导致的团聚问题，减低了絮凝结构形成速率，降低超高性能混凝土的触变性，实现了静置状态下或是低剪切速率下混凝土具有较高的流动性。
18.（4）通过掺入硅灰、纤维以及低水胶比实现超高性能混凝土的超高强、超高韧；通过引入消泡剂消除了由于大掺量纤维、减水剂引起的含气量增加问题，确保超高性能混凝土的密实性。
19.通过上述技术措施，制备的超高性能混凝土具有较低的触变性，在静置状态或是低剪切速率状态下仍保持较高的流动性；此外还具有低粘度、超高强、低收缩、较高的弹性模量以及超高的耐久性能。
具体实施方式
20.为了更充分的解释本发明的实施，提供下述低触变超高性能混凝土的制备实施例。这些实施实例仅仅是解释，而不是限制本发明的范围。
21.实施例中的“水泥”为p
•ⅱ
52.5硅酸盐水泥。
22.实施例中的“硅灰”为埃肯97级硅灰，sio2含量97%，平均粒径0.5μm；实施例中的“功能掺合料”中的“锆质微硅粉”平均粒径5.7μm，sio2含量78%以上；“超细粉煤灰”平均粒径10μm；玻璃粉平均粒径60μm；球形刚玉粉平均粒径150μm；实施例中的“砂”为粒径0.075~4.75mm 连续级河砂；实施例中“碎石”为粒径4.75~19mm连续级配的玄武岩碎石；实施例中“纤维”中的合成纤维为聚甲醛纤维，长度6mm、直径100μm；金属纤维为平直钢纤维，长度13mm、直径0.2mm。
23.表1 各实施例中的超高性能水泥基修补材料各组分含量
实施例1中功能掺合料为锆质微硅粉、玻璃粉、刚玉粉按质量30：25：35比例混合；纤维为平直钢纤维；功能助剂为硫酸钠、3-甲基-1,5-戊二醇、甲酸钠、次磷酸钙、乙二胺四甲基膦酸钠按质量20：25：10：30：15比例混合；减水剂为羧酸基高性能减水剂：膦酸基高性能减水剂、木质素磺酸盐、丙烯酸盐、聚醚改性有机硅型消泡剂按质量60：35：3：1.5：0.5比例混合。
24.实施例2中功能掺合料为锆质微硅粉、磨细粉煤灰、刚玉粉按50：20：30质量比例混合；纤维为钢纤维；功能助剂为硫酸钠、3-甲基-1,5-戊二醇、次磷酸钙、甲酸钠、三聚磷酸钠按质量10：25：15：25：25比例混合；减水剂为羧酸基高性能减水剂、膦酸基高性能减水剂、木质素磺酸盐、丙烯酸盐、聚醚改性有机硅型消泡剂按质量76：20：2：1.5：0.5比例混合。
25.实施例3中功能掺合料为锆质微硅粉、刚玉粉按30：70质量比例混合；纤维为平直纤维；功能助剂为硫酸钙、次磷酸钙、2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸四钠按质量20：30：60比例混合；减水剂为羧酸基高性能减水剂、膦酸基高性能减水剂、木质素磺酸盐、丙烯酸盐、聚醚改性有机硅型消泡剂按质量49.5：45：:3：2：0.5比例混合。
26.实施例4中功能掺合料为锆质微硅粉、超细粉煤灰、玻璃粉、刚玉粉按质量30：15：15：40比例混合；纤维为聚甲醛纤维和平直钢纤维按质量比5：95比例混合；功能助剂为十二烷基磺酸钠、3-甲基-1,5-戊二醇、三聚磷酸钠、乙二胺四甲基膦酸钠按质量35：20：15：30比例混合；减水剂为羧酸基高性能减水剂、膦酸基高性能减水剂、木质素磺酸盐、丙烯酸盐、聚醚改性有机硅型消泡剂按质量80：15：2.5：2：0.5比例混合。
27.实施例5中功能掺合料为锆质微硅粉、超细粉煤灰、刚玉粉按质量35：20：45比例混合；纤维为平直钢纤维；功能助剂为硫酸钠、十二烷基磺酸钠、3-甲基-1,5-戊二醇、次磷酸钙、三聚磷酸钠按质量20：15：35：15：15比例混合；减水剂为羧酸基高性能减水剂、膦酸基高性能减水剂、木质素磺酸盐、丙烯酸盐、聚醚改性有机硅型消泡剂按质量54：40：3.5：1.5：1比例混合。
28.实施例6中功能掺合料为锆质微硅粉、超细粉煤灰、刚玉粉按质量50：15：35比例混合；纤维为平直钢纤维；功能助剂为硫酸钙、次磷酸钙、甲酸钠按质量25：35：40比例混合；减水剂为羧酸基高性能减水剂、膦酸基高性能减水剂、木质素磺酸盐、丙烯酸盐、聚醚改性有机硅型消泡剂按质量30：60：4：5：1比例混合。
29.实施例7中功能掺合料为超细粉煤灰、玻璃粉、刚玉粉按质量40：30：30比例混合；纤维为平直钢纤维；功能助剂为十二烷基磺酸钠、3-甲基-1,5-戊二醇、甲酸钠按质量20：50：30比例混合；减水剂为羧酸基高性能减水剂、膦酸基高性能减水剂、木质素磺酸盐、丙烯酸盐、聚醚改性有机硅型消泡剂按质量:80：15：3：1.5：0.5比例混合。
30.实施例8中功能掺合料为玻璃粉、刚玉粉按质量50：50比例混合；纤维为聚甲醛纤维；功能助剂为硫酸钠、3-甲基-1,5-戊二醇、甲酸钠、次磷酸钙、三聚磷酸钠按质量15：35：15：25：10比例混合；减水剂为羧酸基高性能减水剂、膦酸基高性能减水剂、木质素磺酸盐、丙烯酸盐、聚醚改性有机硅型消泡剂按质量:55：40：2.5：2：0.5比例混合。
31.实施例9中功能掺合料为锆质微硅粉、超细粉煤灰、玻璃粉、刚玉粉按质量30：15：25：40比例混合；纤维为聚甲醛纤维和平直钢纤维按质量比5：95比例混合；功能助剂为硫酸钠、3-甲基-1,5-戊二醇、次磷酸钙、三聚磷酸钠按质量25：30：30：15比例混合；减水剂为羧酸基高性能减水剂、膦酸基高性能减水剂、木质素磺酸盐、丙烯酸盐、聚醚改性有机硅型消泡剂按质量90：5：1.5：3：0.5比例混合。
32.对比例表2 各对比例中的超高性能水泥基修补材料各组分含量对比例1：功能掺合料为磨细石英粉，其它组分与实施例1相同。
33.对比例2：缺少功能助剂，其它组分与实施例1相同。
34.对比例3：减水剂为普通羧基类高性能减水剂，其它组分与实施例1相同。
35.对比例4：常规超高性能混凝土配合比，功能掺合料为磨细石英粉，减水剂为普通羧基类高性能减水剂，缺少功能助剂，其他组分材料同实施例1。
36.上述实施例1-9中的低触变超高性能混凝土和对比例1-4中的超高性能混凝土在制备时将水泥、硅灰、功能掺合料、砂以及碎石混合1min，再加入功能助剂和已提前混合的水、减水剂搅拌6min，最后加入纤维搅拌3min。
37.应用实施例用实施例1-9和对比例1-4中的超高性能混凝土进行坍落扩展度、粘度、凝结时间以及抗压强度对比试验。
38.超高性能混凝土扩展度依据gb50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中规定方法测试；静置扩展度测试时将混凝土将入坍落度测试桶内，静置30min后，在依据标准提起坍落度筒，进行扩展度测试。触变性通过静置后混凝土坍落度的损失来反映，静置后扩展度损失越小，说明混凝土触变性越小。
39.混凝土凝结时间依据gb50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中的规定方法测试。
40.超高性能混凝土粘度通过t
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时间来反映，依据cecs203
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2006《自密实混凝土应用技术规程》中规定方法进行测试，时间越长说明混凝土粘度越大。
41.超高性能混凝土抗压强度依据gbt31387-2015《活性粉末混凝土》进行测试。
42.试验结果如下：表3实施例中低粘易泵送超高性能混凝土性能表4对比例中超高性能混凝土性能
从试验结果可以看出，采用本发明的功能掺合料、功能助剂、复配的高性能减水剂并通过调整纤维用量、砂、石以及用水量制备的超高性能混凝土具有较高的流动性、较小的触变性，凝结时间与普通超高性能混凝土无明显差异。此外，混凝土抗压强度较高，标准养护28d后混凝土抗压强度可达160mpa以上。
43.此外，对比实施例2和实施例8以及实施例6和实施例7可以发现，尽管初始流动度略低或是相同，但同时添加刚玉粉和锆质硅灰的功能掺合料更有利于减小静置流动度损失，即降低超高性能混凝土的触变性；同样，当功能助剂中添加了次磷酸钙和/或三聚磷酸钠与乙二胺四甲基膦酸钠或2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸四钠的无机磷酸盐和有机膦酸盐的组合时（实施例1、3、4），超高性能混凝土静置流动度损失最小，即具有更低的触变性。对比例1中采用磨细石英粉代替功能掺合料，其它组分与实施例1相同，性能数据显示：采用磨细石英粉，超高性能混凝土初始流动度、触变性、粘度以及抗压强度均明显差于实施例1。功能掺合料可以降低混凝土中絮凝结构形成速率，改善触变性；提高颗粒堆积密实度，有效降低了超高性能混凝土粘度，以及增加混凝土密实性，提高混凝土抗压强度。
44.对比例2中缺少功能助剂，其它组分与实施例1相同，性能数据显示：缺少功能助剂后，混凝土触变性明显高于实施例1。功能助剂降低早期c3a水化速率，减小早期钙矾石的形成，降低钙矾石在水泥、硅灰表面的桥接作用，降低颗粒间作用力，进而降低超高性能混凝土触变性。
45.对比例3中采用普通羧基类高性能减水剂，其它组分与实施例1相同，性能数据显示：采用普通羧基高性能减水剂，混凝土初始流动度、触变性、粘度均明显差于实施例1。基于粉体的选择性吸特性，采用复配的高性能减水剂，可实现减水剂在所有粉体表面的均匀吸附，实现极低水胶比的超高性能混凝土中各种粉体的均匀快速分散大，减低了絮凝结构形成速率，增加超高性能混凝土的流动性，降低粘度以及触变性。
46.对比例4为常规超高性能混凝土配合比，功能掺合料为磨细石英粉，减水剂为普通羧酸高性能减水剂，缺少功能助剂，其他组分材料同实施例1，性能数据显示：本发明的低触变超高性能混凝土不仅初始流动性显著优于普通超高性能，而且触变性和粘度显著降低，凝结时间无明显差异。此外，本发明的低触变超高性能混凝土的抗压强度也优于常规的超高性能混凝土。