一种超高性能混凝土及其制备方法

摘要

本发明提供一种超高性能混凝土及其制备方法，由以下各组分按照相应的重量配比均匀混合而成：胶凝材料，包括：水泥450～600kg/m3，硅灰70～120kg/m3，粉煤灰100～200kg/m3，矿渣粉70～120kg/m3；骨料，包括：细骨料550～650kg/m3，粗骨料800～1000kg/m3；高效减水剂，减水率≥15％，含量为胶凝材料的0.8～1.2wt％；保持胶凝材料、骨料与水形成的拌合物的水胶比为0.14～0.20。本发明将粗骨料作为原材料之一，引入到超高性能混凝土当中，并开拓性地通过干热养护方式来提高混凝土的防高温爆裂性能和常温力学性能，技术途径新颖，减少了成本，提高了火灾高温安全性，且养护方法简单便捷，便于工程推广。

权利要求

1.一种超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S10、拌合物的制备：

先加入细骨料和总用水量20wt％的水，搅拌1～2min，再加入水泥、硅灰、粉煤灰和矿渣粉，搅拌4～5min，旨在使胶凝材料包裹在砂子表面，形成低水胶比的水泥浆薄壳；之后加入粗骨料，搅拌3～4min，充分混合后，加入减水率≥15％的高效减水剂及满足设定拌合物水胶比的剩余用水量，搅拌3～5min；即形成作为初成品的拌合物；测定拌合物的坍落度，使其保持在200±50mm范围内；

S20、干热养护：

初成品拆模后，在温度为100～300℃、恒温时长为1～4d的养护制度下对其进行干热养护，之后再密封保存至养护龄期，养护完成即形成成品混凝土。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤S20中，在干热养护之前，进行泡水预养护。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述泡水预养护的养护制度为：常温泡水养护5～7d。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述泡水预养护的养护制度为：在60～90℃的热水中养护2～4d。

5.根据权利要求1至4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述超高性能混凝土由以下各组分按照相应的重量配比均匀混合而成：胶凝材料，包括：水泥450～600kg/m3，硅灰70～120kg/m3，粉煤灰100～200kg/m3，矿渣粉70～120kg/m3；

骨料，包括：细骨料550～650kg/m3，粗骨料800～1000kg/m3；

高效减水剂，减水率≥15％，含量为胶凝材料的0.8～1.2wt％；

保持胶凝材料、骨料与水形成的拌合物的水胶比为0.14～0.20。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述拌合物由以下各组分按照相应的重量配比均匀混合而成：水泥500～550kg/m3，硅灰80～100kg/m3，粉煤灰150～200kg/m3，矿渣粉80～100kg/m3；

细骨料580～640kg/m3，粗骨料900～950kg/m3。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的水泥为强度等级52.5级或

52.5R级的硅酸盐系列水泥。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述细骨料为机制砂或者天然砂，所述细骨料的细度模数为2.4～3.0。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述粗骨料为玄武岩、花岗岩、石灰岩或者辉绿岩，所述粗骨料由5～10mm和10～16mm两种粒径规格的原材均匀混合而成，两种粒径规格的原材的重量比为3:5～3:8。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述拌合物的抗压强度≥100MPa。

说明书

一种超高性能混凝土及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及土木工程中的建筑材料技术领域，具体涉及一种超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术

[0002] 混凝土作为建筑结构的主导材料已有一百多年的历史。随着大量高层/超高层建筑、大跨桥梁以及港口机场等建筑形式的拔地而起，高抗压强度(大于100MPa)且耐久性、抗疲劳和抗冲击性能极佳的超高性能混凝土(Ultra-High-Performance Concrete，UHPC)应运而生。

[0003] 但是UHPC所特有的极为致密的微观结构在大幅度提高强度的同时，也会不可避免地给结构的火灾安全性带来巨大隐患，如在高温火灾作用下极易发生爆裂，导致结构承载力显著下降，严重威胁生命财产安全。

[0004] 已公开的研究表明，UHPC高温作用下发生爆裂的作用机理主要包括蒸汽压机理和热应力机理，且前者对高温爆裂的发生起主要控制作用。目前针对减小蒸汽压机理来提高UHPC防高温爆裂性能的方法主要集中在如何“泄压”方面，典型方法为：掺加适量的、熔点较低的聚合物纤维，利用纤维高温熔化后形成的通道来增强泄压能力，降低高温引发的UHPC内部蒸汽压，防止UHPC高温爆裂的发生。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明提供一种超高性能混凝土及其制备方法，包含特定的养护制度，旨在从减少UHPC内部游离水数量进而“减压”的角度出发，改善含粗骨料超高性能混凝土(Ultra-High-Performance Concrete with Coarse Aggregate，UHPC(CA))的防高温爆裂性，进而提高火灾高温安全性。

[0006] 本发明采用的技术方案具体为：

[0007] 一种超高性能混凝土，每立方米成品由以下各组分按照相应的重量配比均匀混合而成：

[0008] 胶凝材料，包括：水泥500～600kg/m3，硅灰70～120kg/m3，粉煤灰100～200kg/m3，矿渣粉70～120kg/m3；

[0009] 骨料，包括：细骨料550～650kg/m3，粗骨料800～1000kg/m3；

[0010] 高效减水剂，减水率≥15％，含量为胶凝材料的0.8～1.2wt％；

[0011] 水，保持胶凝材料、骨料与水形成的拌合物的水胶比为0.14～0.20。

[0012] 在上述超高性能混凝土中，所述拌合物由以下各组分按照相应的重量配比均匀混合而成：

[0013] 水泥500～550kg/m3，硅灰80～100kg/m3，粉煤灰150～200kg/m3，矿渣粉80～3
100kg/m；

[0014] 细骨料580～640kg/m3，粗骨料900～950kg/m3。

[0015] 在上述超高性能混凝土中，所述细骨料为机制砂或者天然砂，所述细骨料的细度模数为2.4～3.0。

[0016] 在上述超高性能混凝土中，所述粗骨料为玄武岩、花岗岩、石灰岩或者辉绿岩，所述粗骨料由5～10mm和10～16mm两种粒径规格的原材均匀混合而成，两种粒径规格的原材的重量比为3:5～3:8。

[0017] 在上述超高性能混凝土中，所述拌合物的抗压强度≥100MPa。

[0018] 一种超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：

[0019] S10、拌合物的制备：

[0020] 先加入细骨料和总用水量20wt％的水，搅拌1～2min，再加入水泥、硅灰、粉煤灰和矿渣粉，搅拌4～5min，旨在使胶凝材料包裹在砂子表面，形成低水胶比的水泥浆薄壳；之后加入粗骨料，搅拌3～4min，充分混合后，加入减水率≥15％的高效减水剂及满足设定拌合物水胶比的剩余用水量，搅拌3～5min；即形成作为初成品的拌合物；测定拌合物的坍落度，使其保持在200±50mm的范围内；

[0021] S20、养护：

[0022] 初成品拆模后，在温度为100～300℃、恒温时长为1～4d的养护制度下对其进行干热养护，之后再密封保存至养护龄期，养护完成即形成成品混凝土。

[0023] 在上述超高性能混凝土的制备方法中，在步骤S20中，在干热养护之前，进行泡水预养护。

[0024] 在上述超高性能混凝土的制备方法中，所述泡水预养护的养护制度为：常温泡水5～7d。

[0025] 在上述超高性能混凝土的制备方法中，所述泡水预养护的养护制度为：在60～90℃的热水中养护2～4d。

[0026] 本发明产生的有益效果是：

[0027] 本发明通过特定的养护制度，减小了混凝土自身内部的游离水，降低了湿含量，进而降低了在火灾高温作用下UHPC内部形成的蒸汽压力，具有很好的“减压”效果，明显改善了UHPC的防高温爆裂性能，提高了火灾高温安全性。

[0028] 此外，本发明中的干热养护还可以促进胶凝材料(水泥及活性掺合料)的水化，在一定程度上改善粗骨料与砂浆界面的缺陷，提高含粗骨料超高性能混凝土的常温力学性能，进一步提高通过简单便捷的养护方法改善UHPC整体性能的可行性，这将更加有利于其在实际工程中的推广及应用。

附图说明

[0029] 当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0030] 图1为本发明一种超高性能混凝土的对比例及各实施例经800℃高温爆裂试验后形貌图；

[0031] 图1-a为本发明一种超高性能混凝土的对比例经800℃高温爆裂试验后形貌图；

[0032] 图1-b为本发明一种超高性能混凝土的实施例1经800℃高温爆裂试验后形貌图；

[0033] 图1-c为本发明一种超高性能混凝土的实施例2经800℃高温爆裂试验后形貌图；

[0034] 图1-d为本发明一种超高性能混凝土的实施例3经800℃高温爆裂试验后形貌图；

[0035] 图2-a为本发明一种超高性能混凝土的对比例的高温爆裂试验过程的升温曲线；

[0036] 图2-b为本发明一种超高性能混凝土的实施例1的高温爆裂试验过程的升温曲线；

[0037] 图2-c为本发明一种超高性能混凝土的实施例2的高温爆裂试验过程的升温曲线；

[0038] 图2-d为本发明一种超高性能混凝土的实施例3的高温爆裂试验过程的升温曲线；

[0039] 图3为本发明一种超高性能混凝土的对比例以及各实施例的常温抗压强度对比图；

[0040] 图4为本发明一种超高性能混凝土的对比例以及各实施例的常温劈裂抗拉强度对比图。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

[0042] 本发明的超高性能混凝土中，每立方米成品由以下各组分按照重量配比均匀混合而成：

[0043] 胶凝材料，包括：

[0044] 水泥450～600kg/m3，硅灰70～120kg/m3，粉煤灰100～200kg/m3，矿渣粉70～120kg/m3；

[0045] 骨料，包括：

[0046] 细骨料，为机制砂或者天然砂，配比为550～650kg/m3；

[0047] 粗骨料，为玄武岩、花岗岩、石灰岩或者辉绿岩，配比为800～1000kg/m3；

[0048] 高效减水剂(减水率≥15％)，用量为胶凝材料的0.8～1.2wt％；

[0049] 水，保持胶凝材料、骨料与水形成的拌合物的水胶比为0.14～0.20。

[0050] 优选地，各组分的配比为：

[0051] 水泥500～550kg/m3，硅灰80～100kg/m3，粉煤灰150～200kg/m3，矿渣粉80～100kg/m3，机制砂或者天然砂580～640kg/m3，粗骨料900～950kg/m3。

[0052] 上述各组分中：

[0053] 水泥为强度等级52.5级或者52.5R级的硅酸盐系列水泥；

[0054] 细骨料的细度模数为2.4～3.0；

[0055] 粗骨料由5～10mm和10～16mm两种粒径的前述石子均匀混合而成，且两种粒径规格的重量比为3:5～3:8，优选为3:7。

[0056] 将组分按照上述配比，先加入细骨料和总用水量20wt％的水，搅拌1～2min；再加入水泥、硅灰、粉煤灰和矿渣粉，搅拌4～5min，旨在使胶凝材料包裹在砂子表面，形成低水胶比的水泥浆薄壳；之后加入粗骨料，搅拌3～4min，充分混合后，加入减水率≥15％的高效减水剂及满足设定拌合物水胶比的剩余用水量，搅拌3～5min；即形成作为初成品的拌合物；测定拌合物的坍落度，使其保持在200±50mm的范围内。

[0057] 较之于剔除粗骨料，采用紧密堆积密度原理制备的活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)，本发明通过在UHPC中加入粗骨料，在降低成本的同时，骨料还具有一定的骨架作用，在性能可以得到保证的前提下，显然更易于UHPC的推广。

[0058] 本发明在拆模后对初成品进一步进行干热养护，可以明显提高超高性能混凝土的防高温爆裂性能，即上述养护制度明显减少了混凝土内部的游离水，降低了湿含量，进而降低了高温火灾作用下UHPC内部形成的蒸汽压力，有效地防止了高温爆裂现象的发生。同时，还可以改善粗骨料与砂浆的界面缺陷，提高混凝土力学性能。

[0059] 作为一种优选，本发明中干热养护的养护温度为100～300℃，养护时长(恒温期)为1～4d，之后再密封保存至28d(养护龄期)。

[0060] 在拆模后，可以直接对初成品进行干热养护，但是由于干热养护的起始时间也是影响UHPC力学性能的重要因素，过早的干热养护会使得水化程度有所下降，给其水化效果和强度带来不利的影响。因此，优选对其进行泡水预养护，如可以为：

[0061] 常温泡水5～7d；或者在60～90℃的热水中养护2～4d，经养护后混凝土的抗压强度可达100MPa以上。

[0062] 较之于以往的从“泄压”角度改善UHPC防高温爆裂性能的方法，本发明开拓性地从“减压”的角度出发，采用干热养护的方法使混凝土内部的游离水较无干热养护方式时明显减小，湿含量显著降低，进而大大提高了超高性能混凝土的防高温爆裂性能。此外，该种干热养护方式简单便捷，有利于工程应用中的进一步推广，尤其是预制构件。

[0063] 为了对比分析实施例的防高温爆裂性能和常温力学性能，对实施例及经过常温泡水养护的超高性能混凝土进行了高温爆裂试验和常温抗压、劈裂抗拉试验。

[0064] 下面以NWC28、200HA2-D、HW6-200HA2-D和HW2-200HA2-D四种混凝土(组分及其配比为：水泥540kg/m3，硅灰90kg/m3，粉煤灰180kg/m3，矿渣粉90kg/m3，机制砂620kg/m3，玄武岩粗骨料930kg/m3)为例，通过比较分析，进一步说明本发明的技术方案所能带来的效果。其中：

[0065] 作为基准组的对比例为无干热养护制备的超高性能混凝土NWC28，具体的配比见表1，其养护方式为常温水养28d(养护龄期)。

[0066] 实施例1为防高温爆裂的超高性能混凝土200HA2-D，具体的配比见表1，养护方式为：拆模后直接200℃干热养护2d+密封保存至28d。

[0067] 实施例2为防高温爆裂的超高性能混凝土NW6-200HA2-D，具体的配比见表1，养护方式为：拆模后常温泡水6d+200℃干热养护2d+密封保存至28d。

[0068] 实施例3为防高温爆裂的超高性能混凝土HW2-200HA2-D，具体的配比见表1，养护方式为：拆模后90℃热水养护2d+200℃干热养护2d+密封保存至28d。

[0069] 表1对比例及各实施例的混凝土配比(kg/m3)及其相应的养护工序

[0070]

[0071] 上述对比例及各实施例的每组试验例均为三个相同的试块，实验结果分析时以取其共性，

[0072] 试验条件为：试件尺寸均为100mm×100mm×100mm，爆裂试验设定温度为800℃，升温速率为10℃/min。

[0073] 试验结果为：经800℃高温爆裂试验后的形貌分别如图1-a～1-d所示；爆裂试验过程中的升温曲线参照图2-a～2-d。

[0074] 试验结果对比分析如下：

[0075] 可以看出，对比例经800℃高温爆裂试验后三个试块均爆裂为细小的碎块(图1-a)，爆裂温度范围为373.8～569.2℃，持续时间达32min(图2-a)，高温爆裂现象非常严重。

[0076] 与对比例相比，实施例1～3的高温爆裂现象明显减轻或者被抑制；具体地：

[0077] 实施例1中，对于直接200℃干热养护2d+密封养护的试块(200HA2-D)而言，只有一个试块(左一)的局部发生了爆裂，爆裂发生突然且短促，爆裂温度范围在578.6～584.9℃之间，持续时间仅为4min左右；

[0078] 实施例2和3中，对于常温泡水6d+200℃干热养护2d+密封养护的试块(NW6-200HA2-D)，抑或90℃热水养护2d+200℃干热养护2d+密封养护的试块(HW2-200HA2-D)而言，三个试块均未见爆裂现象发生。可以看出，使用本发明的养护方法可以显著提高超高性能混凝土的防高温爆裂性能。而且进一步根据试验结果对比可知，当养护方法采用干热养护前设有预养护阶段的养护制度时，UHPC的防高温爆裂效果最佳。

[0079] 对比例及各实施例的常温状态下的抗压强度和劈裂抗拉强度对比图分别参照图3和图4，可以看出，使用本发明的养护方法所制备出的超高性能混凝土，其常温状态下的抗压和劈裂抗拉强度得以明显提高。此外，干热养护的起始时间是影响UHPC力学性能的重要因素，过早的干热养护会给其强度带来不利的影响，因此本发明中设定一定时期的预养护，而且进一步根据试验结果对比可知，采用“90℃热水养护2d+200℃干热养护2d+密封养护”的组合养护方法时，UHPC的常温抗压和劈裂抗拉性能最佳。

[0080] 综合以上结果可知，经过干热养护后的超高性能混凝土，其防高温爆裂性能显著提高；而且伴随地，该种养护方式极大地改善了粗骨料与砂浆的界面结合，减少了以往常见的粗骨料与砂浆界面的缺陷，进而消除了界面缺陷对UHPC性能造成的负面效应，使得UHPC的常温力学性能得以大幅度提高。

[0081] 以上结合附图对本发明的实施例进行了详细地说明，此处的附图是用来提供对本发明的进一步理解。显然，以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何对本领域的技术人员来说是可轻易想到的、实质上没有脱离本发明的变化或替换，也均包含在本发明的保护范围之内。