一种掺杂有束状绞联玄武岩纤维的混凝土及其制法

1.本发明涉及一种掺杂有束状绞联玄武岩纤维的混凝土，还涉及上述混凝土的制备方法。


背景技术：

2.1994年，larrard等人首次提出了超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，简称uhpc)的概念。uhpc的概念虽然被提出没多久，但是在众多学者不断探索普通混凝土如何达到更优的性能的过程中，uhpc的研究其实早就开始了。uhpc的微观结构主要由石英砂、水泥熟料中未水化颗粒和水化产物即水化硅酸钙(c-s-h)凝胶等组成。在现有uhpc中会使用大量的普通硅酸盐水泥来制备，既不利于保护环境，还会造成uhpc硬化过程收缩过大的问题。此外，为了改善混凝土的脆性，增强韧性，同时提高强度，uhpc中还需要加入适当适量的纤维。随着纤维增强uhpc不断地快速发展，现在已经出现了各种各样的纤维用于增强uhpc，目前最常使用的用于增强uhpc的是钢纤维，然而，钢纤维加入uhpc最主要的缺点是钢纤维在混凝土中易成团，其密度大易下沉，最终导致纤维分散性较差，而且钢纤维存在潜在的高腐蚀可能性。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种具有低收缩性、良好耐久性以及强度高的掺杂束状绞联玄武岩纤维的混凝土；还提供了上述混凝土的制备方法。
4.技术方案：本发明所述的掺杂有束状绞联玄武岩纤维的混凝土，由如下质量比的组分混制而成：胶凝材料，骨料，外加剂，束状绞联玄武岩纤维和水的质量比为：1:0.56-1.22:0.01-0.017:0.009-0.04:0.16-0.2。
5.优选的，所述胶凝材料由如下质量比的组分组成：水泥900-1100：硅灰100-200：粉煤灰50-100：矿渣粉50-100：偏高岭土50-100：纳米so
2 50-100：漂珠30-100。
6.所述骨料为细骨料；所述细骨料包括40-70目石英砂和70-140目石英砂，所述40-70目石英砂与70-140目石英砂质量比:1:0.9-1.1。
7.所述外加剂包括减水剂、消泡剂、引气剂；所述减水剂:消泡剂:引气剂添加量按质量比为480-510:1:50。
8.所述束状绞联玄武岩纤维长度为12mm。纤维的长度选定为适中的12mm，这是因为纤维长度过长，容易出现团聚现象；长度过短，虽易于分散，但是在同样体积掺量下，单位体积所含纤维的根数太多，纤维与基体之间的粘结面积增大，基体与基体的接触面积减少，造成强度降低。
9.优选的，所述水泥为p
·
o52.5级的普通硅酸盐水泥，比表面积大于300m2/kg。
10.所述硅灰粒径为0.1-0.3μm，堆积密度为200-350kg/m3。
11.所述粉煤灰为i级粉煤灰，需水量比小于105％，含水量小于0.1％，强度活性指数大于80％。
12.所述矿渣粉为s95级，比表面积大于400m2/kg，活性指数大于95％，含水量小于1％。
13.所述偏高岭土密度为2.58g/cm3，比表面积为930m2/kg；
14.所述纳米so2粒径为5-15nm，摇实密度小于0.2g/cm3；
15.所述漂珠粒径为0.5-4μm。
16.优选的，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率大于30％。
17.本发明所述的束状绞联玄武岩纤维复合混凝土制备方法，包括以下步骤：
18.(1)将胶凝材料和骨料混合搅拌，进行慢速干拌1-2分钟；
19.(2)慢速干拌后，在拌合状态下缓慢加入总量50％的水和外加剂，继续搅拌1-2分钟后加入剩余50％的水；
20.(3)继续搅拌至浆体处于大块团聚状，再干拌4-6分钟；然后切换为快速搅拌2-3分钟；
21.(4)快速搅拌结束后切换为慢速干拌，并缓慢均匀地加入纤维，慢速干拌2-3分钟后，切换为快速搅拌1-2分钟，浇筑成型。
22.优选的，所述慢速干拌，搅拌机自转转速为140
±
5r/min，所述快速搅拌，搅拌机自转转速为285
±
10r/min。
23.为了改善uhpc微观结构和收缩过大的现象，本发明通过加入多种矿物掺合料，既减少了水泥材料的用量，还为uhpc的整体性能提供改善。本发明通过在矿物掺合料中加入漂珠改善了由于低水胶比uhpc带来的较差工作性，流动度过低的现象，且由于漂珠极细的形态结构在加入基体后，可以起到让基体更加密实的作用，对uhpc强度具有一定的提升作用。多种矿物掺合料和水化生成的ca(oh)2之间的火山灰效应可以增加水化硅酸钙的生成含量，从而改善混凝土的性能，因此合理适量地加入矿物掺合料对uhpc十分重要。本发明所使用的束状绞联玄武岩纤维具备特有的异形形态，其表面独特的绞联形态为其提供了优异的机械摩擦力。加入到uhpc中后，束状绞联玄武岩纤维为纤维在uhpc中的粘结性能带来了改善，优异的粘结性能为束状绞联玄武岩纤维uhpc带来了超高的抗压强度和优异耐久性。本发明混凝土利用束状绞联玄武岩纤维特有的表面异形，增强了纤维与基体之间的机械咬合力；通过加入表面异形的束状绞联玄武岩纤维，并利用均匀加入纤维及多步变速搅拌，实现了束状绞联玄武岩纤维在混凝土中的均匀分散，所得到的混凝土具有良好的低收缩性，耐久性好，强度高，韧性优异。纤维按照适宜掺量掺入，过低的掺量达不到对uhpc良好的增强作用；过高的掺量容易使得纤维在uhpc中出现交叉、缠绕现象，反而对uhpc的性能有不利作用。
24.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
25.(1)本发明混凝土，具有低收缩性，良好的耐久性，强度高，韧性优异；掺杂有束状绞联玄武岩纤维的uhpc试件28d抗压强度可以达到138mpa，相比未加纤维、掺杂钢纤维及掺杂短切玄武岩纤维的uhpc 28d抗压强度分别提高了17％、13％、15％；
26.(2)本发明的制备方法，利用分次投料及多步变速搅拌，实现将束状绞联玄武岩纤维均匀分散在混凝土中，增强了纤维与混凝土基体的粘结性能，从而达到对uhpc物理力学性能乃至整体性能的增强效果；得到的混凝土密实度高，原料分散性好，综合性能优异。
附图说明
27.图1为本发明所述束状绞联玄武岩纤维复合混凝土的制备流程图；
28.图2为实施例1-4与对比例1-4的流动度对照图；
29.图3为束状绞联玄武岩纤维uhpc力学性能试验破坏后形态，图a为抗折试验破坏后形态；图b为抗压试验破坏后形态；
30.图4为实施例1-4及对比例1-4的力学性能强度对照图，图a为实施例及对比例抗折强度；图b为实施例及对比例抗压强度；
31.图5为不同束状绞联玄武岩纤维掺量uhpc的sem图像；图a为纤维掺量为0的sem图像；图b为纤维掺量为1％的sem图像。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
33.实施例1
34.本发明掺杂有束状绞联玄武岩纤维的混凝土，由如下质量的胶凝材料、骨料、外加剂、纤维和水组成；其中，胶凝材料为：水泥940g，硅灰100g，粉煤灰80g，矿渣粉65g，偏高岭土70g，纳米so250g以及漂珠55g；骨料由40-70目的石英砂600g和70-140目的石英砂600g组成；外加剂由减水剂13g、引气剂1.3g和消泡剂0.026g组成；纤维为12.7g束状绞联玄武岩纤维；水的添加量为224g(扣除了外加剂中所含水)。
35.上述掺杂有束状绞联玄武岩纤维的混凝土的制备方法，包括如下步骤：
36.(1)将胶凝材料和骨料混合搅拌，140r/min下干拌2分钟；
37.(2)慢速干拌后，在拌合状态下往混合物料中缓慢加入112g水和外加剂，140r/min下继续搅拌1分钟后加入剩余的水；
38.(3)在140r/min下继续搅拌至浆体处于大块团聚状，再干拌5分钟；然后切换为285r/min快速搅拌3分钟；
39.(4)快速搅拌结束后再次切换为140r/min下慢速干拌，并缓慢均匀加入纤维，140r/min下慢速干拌3分钟后，再切换为285r/min快速搅拌1分钟，进行流动度试验，浇筑成型，在常温下养护24h拆模后，放置于标养室中水养进行28d后的抗压强度以及抗折强度试验，其试验结果如表1所示。
40.实施例2
41.本发明提供了一种束状绞联玄武岩纤维复合混凝土，包括：胶凝材料，骨料，外加剂，纤维和水；
42.其中，胶凝材料包括：水泥960g，硅灰120g，粉煤灰60g，矿渣粉50g，偏高岭土50g，纳米so270g，漂珠30g；
43.所述骨料包括：40-70目石英砂595.5，70-140目石英砂595.5g；所述外加剂包括：减水剂15g、引气剂1.5g、消泡剂0.03g；所述纤维为束状绞联玄武岩纤维25g；所述水的添加量为240g(扣除了外加剂中所含水)。
44.束状绞联玄武岩纤维复合混凝土的制备：
45.(1)将胶凝材料和骨料混合搅拌，进行140r/min慢速干拌2分钟；
46.(2)慢速干拌后，在拌合状态下缓慢加入120g水和外加剂，继续搅拌1分钟后加入
剩余的水；
47.(3)继续搅拌至浆体处于大块团聚状，再干拌4分钟；然后切换为295r/min快速搅拌3分钟；
48.(4)快速搅拌结束后切换为慢速干拌，并缓慢均匀地加入纤维，140r/min慢速干拌3分钟后，切换为快速搅拌1分钟，进行流动度试验，浇筑成型，在常温下养护24h拆模后，放置于标养室中水养进行28d后的抗压强度以及抗折强度试验，其试验结果如表1所示。
49.实施例3
50.本发明提供了一种束状绞联玄武岩纤维复合混凝土，包括：胶凝材料，骨料，外加剂，纤维和水；
51.其中，胶凝材料包括：水泥1000g，硅灰150g，粉煤灰60g，矿渣粉50g，偏高岭土50g，纳米so
2 50g，漂珠40g；
52.所述骨料包括：40-70目石英砂560g，70-140目石英砂560g；所述外加剂包括：减水剂18g、引气剂1.8g、消泡剂0.036g；所述纤维为束状绞联玄武岩纤维38.1g；所述水的添加量为257g(扣除了外加剂中所含水)。
53.束状绞联玄武岩纤维复合混凝土的制备：
54.(1)将胶凝材料和骨料混合搅拌，进行145r/min慢速干拌2分钟；
55.(2)慢速干拌后，在拌合状态下缓慢加入129g水和外加剂，继续搅拌1分钟后加入剩余的水；
56.(3)继续搅拌至浆体处于大块团聚状，再干拌5分钟；然后切换为275r/min快速搅拌3分钟；
57.(4)快速搅拌结束后切换为慢速干拌，并缓慢均匀地加入纤维，145r/min慢速干拌3分钟后，切换为快速搅拌2分钟，进行流动度试验，浇筑成型，在常温下养护24h拆模后，放置于标养室中水养进行28d后的抗压强度以及抗折强度试验，其试验结果如表1所示。
58.实施例4
59.本发明提供了一种束状绞联玄武岩纤维复合混凝土，包括：胶凝材料，骨料，外加剂，纤维和水；
60.其中，胶凝材料包括：水泥1100g，硅灰200g，粉煤灰50g，矿渣粉50g，偏高岭土50g，纳米so
2 50g，漂珠75g；
61.所述骨料包括：40-70目石英砂472.5g，70-140目石英砂472.5g；所述外加剂包括：减水剂23.6g、引气剂2.36g、消泡剂0.047g；所述纤维为束状绞联玄武岩纤维50.7g；所述水的添加量为256g(扣除了外加剂中所含水)。
62.束状绞联玄武岩纤维复合混凝土的制备：
63.(1)将胶凝材料和骨料混合搅拌，进行145r/min慢速干拌2分钟；
64.(2)慢速干拌后，在拌合状态下缓慢加入128g水和外加剂，继续搅拌1分钟后加入剩余的水；
65.(3)继续搅拌至浆体处于大块团聚状，再干拌5分钟；然后切换为285r/min快速搅拌3分钟；
66.(4)快速搅拌结束后切换为慢速干拌，并缓慢均匀地加入纤维，145r/min慢速干拌3分钟后，切换为快速搅拌1分钟，进行流动度试验，浇筑成型，在常温下养护24h拆模后，放
置于标养室中水养进行28d后的抗压强度以及抗折强度试验，其试验结果如表1所示。
67.对比例1
68.一种素超高性能混凝土，包括：胶凝材料，骨料，外加剂和水；
69.其中，胶凝材料包括：水泥1000g，硅灰150g，粉煤灰60g，矿渣粉50g，偏高岭土50g，纳米so2 50g，漂珠40g；
70.所述骨料包括：40-70目石英砂560g，70-140目石英砂560g；所述外加剂包括：减水剂18g、引气剂1.8g、消泡剂0.036g；所述水的添加量为257g(扣除了外加剂中所含水)。
71.首先将胶凝材料、细骨料进行145r/min干拌2分钟，然后在拌合状态下加入129g水，搅拌1分钟后再加入剩余的水，继续285r/min搅拌4分钟待浆体呈大块团聚状，均匀慢速分散地加入纤维继续搅拌3分钟后，浇筑成型，在常温下养护24h拆模后，放置于标养室水养进行28d后的抗压强度以及抗折强度试验，其试验结果如表1所示。
72.对比例2
73.一种短切玄武岩纤维复合混凝土，包括：胶凝材料，骨料，外加剂，纤维和水；
74.其中，胶凝材料包括：水泥1000g，硅灰150g，粉煤灰60g，矿渣粉50g，偏高岭土50g，纳米so
2 50g，漂珠40g；
75.所述骨料包括：40-70目石英砂560g，70-140目石英砂560g；所述外加剂包括：减水剂18g、引气剂1.8g、消泡剂0.036g；所述纤维为短切玄武岩纤维38.1g；所述水的添加量为257g(扣除了外加剂中所含水)。
76.首先将胶凝材料、细骨料进行145r/min干拌2分钟，然后在拌合状态下加入129g水，搅拌1分钟后再加入剩余的水，继续285r/min搅拌4分钟待浆体呈大块团聚状，均匀慢速分散地加入纤维继续搅拌3分钟后，进行流动度试验，浇筑成型，在常温下养护24h拆模后，放置于标养室水养进行28d后的抗压强度以及抗折强度试验，其试验结果如表1所示。
77.对比例3
78.一种钢纤维复合混凝土，包括：胶凝材料，骨料，外加剂，纤维和水；
79.其中，胶凝材料包括：水泥1000g，硅灰150g，粉煤灰60g，矿渣粉50g，偏高岭土50g，纳米so2 50g，漂珠40g；
80.所述骨料包括：40-70目石英砂560g，70-140目石英砂560g；所述外加剂包括：减水剂18g、引气剂1.8g、消泡剂0.036g；所述纤维为钢纤维38.1g；所述水的添加量为257g(扣除了外加剂中所含水)。
81.首先将胶凝材料、细骨料进行140r/min干拌2分钟，然后在拌合状态下加入129g水，搅拌1分钟后再加入剩余的水，继续285r/min搅拌4分钟待浆体呈大块团聚状，均匀慢速分散地加入纤维继续搅拌3分钟后，进行流动度试验，浇筑成型，在常温下养护24h拆模后，放置于标养室水养进行28d后的抗压强度以及抗折强度试验，其试验结果如表1所示。
82.对比例4
83.一种玄武岩纤维复合混凝土，包括：胶凝材料，骨料，外加剂，纤维和水；与实施例1相比，去除了漂珠的添加。
84.其中，胶凝材料包括：水泥940g，硅灰100g，粉煤灰80g，矿渣粉65g，偏高岭土70g，纳米so250g；
85.所述骨料包括：40-70目石英砂600g，70-140目石英砂600g；所述外加剂包括：减水
剂13g、引气剂1.3g、消泡剂0.026g；所述纤维为束状绞联玄武岩纤维12.7g；所述水的添加量为224g(扣除了外加剂中所含水)。
86.玄武岩纤维复合混凝土的制备：
87.首先将胶凝材料和骨料混合搅拌，进行140r/min慢速干拌2分钟；在拌合状态下缓慢加入112g水和外加剂，继续搅拌1分钟后加入剩余的水；继续搅拌至浆体处于大块团聚状，再干拌5分钟；然后切换为285r/min快速搅拌3分钟；快速搅拌结束后切换为慢速干拌，并缓慢均匀地加入纤维，140r/min慢速干拌3分钟后，切换为快速搅拌1分钟，进行流动度试验，浇筑成型，在常温下养护24h拆模后，放置于标养室中水养进行28d后的抗压强度以及抗折强度试验，其试验结果如表1所示。
88.表1、本发明实施例和对比例的流动度、抗压强度和抗折强度的对比
[0089][0090][0091]
不同试验组的uhpc流动度对比见表1及图2。从表1及图2可以看出，如图2所示为实施例1-4与对比例1-4的流动度对照图，实施例1-4在掺入了束状绞联玄武岩纤维后，uhpc的流动度在200mm-270mm之间，在成型环节基本可以做到自流平。对比例1作为未掺加纤维的对照组，其流动度为285mm，流动性较佳。实施例1-4及对比例2-4由于加入了纤维，浆体在加入纤维后，在搅拌的过程中，纤维吸附了部分水，此外纤维的加入导致了浆体内部摩擦阻力增大，因此流动性降低。实施例1与对比例4相比由于加入了漂珠，漂珠所带来的“滚珠效应”使得新拌uhpc流动性更佳。
[0092]
如图3为束状绞联玄武岩纤维uhpc力学性能试验破坏后形态。在试件进行抗折试验过程中，由于加入了束状绞联玄武岩纤维，试件在此过程中，其首先产生微小裂缝，随着荷载的增加，试件能够持续承载，峰值强度较开裂强度有着较大的提高，试件折断时无强烈的脆性破坏产生的崩裂声。在试件进行抗压试验过程中，试件在破坏前存在明显征兆，试件首先产生裂缝，束状绞联玄武岩纤维在裂缝处产生物理桥接作用，抑制了裂缝的发展，随着荷载的不断增大，裂缝不断增加，由于束状绞联玄武岩纤维与uhpc粘结性强，纤维难以因荷载作用发生拔出现象，在试件的抗压试验整个过程中全程参与了分担荷载的作用，使得试件在破坏后基本保持其完整性，试验过程中无明显的碎块崩出。
[0093]
如图4所示为实施例1-4及对比例1-4的力学性能强度对照图。适当的纤维在加入
到uhpc后，可以帮助uhpc基体混凝土分担荷载，当基体开裂退出工作后，纤维承受了基体转移的应力，使得uhpc可以继续承担荷载，因此加入合适的纤维后，uhpc的抗折强度和抗压强度都有所提高，在图4中则表现为实施例1～4及对比例2-4的强度都大于对比例1中未加入纤维的强度。
[0094]
根据图4(a)可知，加入了束状绞联玄武岩纤维的uhpc试件的抗折、抗压强度都高于对比例中未掺纤维、掺短切玄武岩纤维及掺钢纤维组。例如实施例4的抗折强度28mpa，分别高于对比例1、2、3、4达到27.3％、3.7％、21.7％、16.7％；实施例4的抗压强度为135mpa，分别高于对比例1、2、3、4达到12.5％、10.7％、14.4％、13.4％。掺入钢纤维的试件由于钢纤维自身密度大，其在uhpc中易下沉，在制备过程中，钢纤维容易在uhpc中团聚，导致其分散性较差；短切玄武岩纤维相比束状绞联玄武岩纤维而言，束状绞联玄武岩纤维由于其为绞联结构，纤维表面所产生的机械摩擦力更强，增大了纤维与uhpc的粘结性能，粘结性能的增大使得纤维与混凝土结合地更紧密，从而可以更好地发挥纤维分担荷载、增大强度的特性。
[0095]
材料的宏观性能往往与它的微结构特征密不可分，本发明专利通过采用扫描电镜(sem)表征纤维-基体界面区微观形貌，从微观角度辅助解释束状绞联玄武岩纤维是如何增强超高性能混凝土。如图5为束状绞联玄武岩纤维超高性能混凝土的sem图像(放大倍数为20k)：
[0096]
如图5所示，当加入1％掺量的束状绞联玄武岩纤维后，uhpc微观结构致密性更好，强度显著增加；如表1中所示，不加入纤维的试件抗折强度为22mpa，抗压强度为120mpa；加入纤维的抗压强度和抗折强度分别比不加入束状绞联玄武岩纤维的高12.5％和27.3％。当束状绞联玄武岩纤维掺量为0时，uhpc中存在明显的微孔洞和裂缝，微孔洞和裂缝周围分布有ca(oh)2晶体和少量c-s-h凝胶，样品中aft晶体含量低，微孔和裂纹不能有效填充；当束状绞联玄武岩纤维用量为体积掺量的1％时，纤维在基体中可以很好地分散，导致纤维与基体连接紧密，aft晶体和c-s-h凝胶在玄武岩纤维周围生长，导致uhpc中的空间结构致密。束状绞联玄武岩纤维特有的优异粘结性能使得纤维与基体粘结地更加紧密，由图5(b)可知，纤维脱粘后的纤维压痕处相比无纤维的图a更加平整、紧密，微孔洞和裂缝的数量更少。