一种基于废弃玻璃集料的抗冲磨廊道超高性能混凝土及其制备方法
阅读说明：本技术 一种基于废弃玻璃集料的抗冲磨廊道超高性能混凝土及其制备方法 (Anti-scouring gallery ultra-high performance concrete based on waste glass aggregate and preparation method thereof ) 是由 童奇峰 张高展 谢红 周志金 王德成 冯童 潘佳 丁庆军 李进辉 于 2021-01-07 设计创作，主要内容包括：本发明属于建筑材料技术领域,尤其涉及一种基于废弃玻璃集料的抗冲磨廊道超高性能混凝土及其制备方法。本发明提供的超高性能混凝土具有极佳的抗冲磨性能、优异的工作性能、超高强度、良好体积稳定性、较好的抗裂能力等特点,提高了混凝土结构的耐久性能,将大大提高建筑物的使用寿命,进而解决大体积混凝土控裂要求高难度大、外观质量要求高、汛期时含砂石水流冲磨破坏等技术难题,具有重要的实际应用价值。制备方法和施工工艺简单,容易操作,具有实际推广价值。(The invention belongs to the technical field of building materials, and particularly relates to anti-abrasion gallery ultra-high performance concrete based on waste glass aggregate and a preparation method thereof. The ultra-high performance concrete provided by the invention has the characteristics of excellent anti-abrasion performance, excellent working performance, ultra-high strength, good volume stability, better anti-cracking capability and the like, improves the durability of a concrete structure, greatly prolongs the service life of a building, further solves the technical problems of high difficulty of crack control requirement of large-volume concrete, high appearance quality requirement, sand-containing water flow abrasion damage in a flood season and the like, and has important practical application value. The preparation method and the construction process are simple, the operation is easy, and the method has practical popularization value.)
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，尤其涉及一种基于废弃玻璃集料的抗冲磨廊道超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
航运枢纽工程大多数构件属于大体积混凝土，控裂要求高、难度大；另外混凝土构件外观质量要求高，需要解决混凝土控裂和外观质量要求高的技术难题。大体积混凝土的防裂问题是无数工程技术人员长期研究的难题，至今尚未很好解决。
航运枢纽工程廊道混凝土由于其特殊变截面结构，使得该部位混凝土容易形成应力集中易开裂，同时汛期还面临含砂石水流冲磨破坏的风险，如何解决泄洪廊道混凝土抗裂和抗冲磨难题是解决问题的关键。
近年来超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)抗冲磨材料因其优异的力学、耐久性能也受到广泛关注，UHPC材料结合了硅粉、粉煤灰混凝土、钢纤维混凝土的优点：剔除粗骨料，优化集料级配，提升致密性；掺加硅灰、粉煤灰等活性粉末掺合料提升力学强度和耐久性能；掺加钢纤维，大幅提高混凝土韧性、抗裂性能及各项力学性能；使用高性能外加剂，降低水胶比，提升混凝土工作性能和力学性能。
研究表明废弃玻璃与天然砂石具有非常相近的密度，且与砂石相比，废弃玻璃具有更高的硬度；当废弃玻璃粒径小于1.5mm时脆性得到了非常大的改善，基本与砂子相同；可以使用废弃玻璃制备混凝土。目前，废弃玻璃可通过回收后破碎用于景观人行道，加入沥青混凝土中替代骨料作为路面材料以及破碎后用于地砖材料。由于其高硬度，并且具有较高的耐腐蚀性，开发一种抗冲磨超高性能混凝土成为可能。此外，对于废弃玻璃的二次利用可以节约资源，保护环境。
UHPC抗冲磨材料具有以下优势：①力学性能高，使其可以广泛应用于各种复杂的水流环境等，且可提升原构筑物耐久性和使用寿命；②优异的断裂韧性，能与部分金属的韧性相似，使材料整体在冲磨环境下具有可靠性；③耐久性好，UHPC几乎是不渗透性的，硫酸盐和氯离子的渗透也几乎为零，且几乎不碳化，这使其具有优异的耐久性能，大大提高水工建筑的服役时间。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于废弃玻璃集料的抗冲磨廊道超高性能混凝土及其制备方法，目的在于解决现有技术中的一部分问题或至少缓解现有技术中的一部分问题。
本发明所提供的超高性能混凝土具有极佳的抗冲磨性能、优异的工作性能、超高强度、良好体积稳定性、较好的抗裂能力等特点，提高了混凝土结构的耐久性能，将大大提高建筑物的使用寿命，进而解决大体积混凝土控裂要求高难度大、外观质量要求高的技术难题。本发明所述制备方法和施工工艺简单，容易操作，具有实际推广价值。本发明利用最大堆积密度理论得出水泥-硅灰-粉煤灰三元体系最大密实度及废弃玻璃集料的最优级配，水泥作为基材、硅灰为增密组分、粉煤灰为改性剂，钢纤维有效提高了混凝土的强度，延缓微裂缝的延生。
本发明是这样实现的，一种基于废弃玻璃集料的抗冲磨廊道超高性能混凝土，包括以下重量份组分：水泥30-35份；硅灰6–8份；粉煤灰沉珠5–6份；钢纤维12-16份；废弃玻璃集料40-45份；减水剂0.5-1.5份；膨胀剂0.1-1份；水胶比为0.16-0.24。
进一步地，所述废弃玻璃集料，粒径为1.5mm以下，表观密度2450kg/m3。
进一步地，所述水泥为P.O 52.5的普通硅酸盐水泥。
进一步地，所述硅灰的比表面积≥18000m2/kg，SiO2含量≥90％。
进一步地，所述粉煤灰沉珠密度为2.5g/cm3，堆积密度0.7kg/m3。
进一步地，所述钢纤维为镀铜钢纤维，直径为0.25mm，长度为13mm，抗压强度≥2850MPa。
进一步地，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，有效减水率40～60％。
进一步地，所述膨胀剂为CaO型膨胀剂。
进一步地，所述胶凝材料为水泥、硅灰、粉煤灰，基于最大堆积密度它们之间质量比为1：0.20～0.28：0.10～0.24。
本发明还提供了基于废弃玻璃集料的抗冲磨廊道超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1：将按照配方重量组分称取的水泥、硅灰、粉煤灰沉珠、1/3的钢纤维、废弃玻璃集料、膨胀剂倒入混凝土搅拌机中干拌30s，使得胶凝材料分布较均匀并得到一种基于废弃玻璃集料的抗冲磨廊道超高性能混凝土干粉料；
S2：称取相应重量的水，倒入超高性能混凝土干粉料中搅拌2-9min；
S3：向步骤S2中得到的混合物中加入减水剂及剩余的2/3重量的钢纤维，搅拌6-16min，得到抗冲磨廊道超高性能混凝土，成型后自然养护。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明公开了一种基于废弃玻璃集料的抗冲磨廊道UHPC及制备技术，通过改变胶凝材料之间的堆积密度并在UHPC中引入合理级配的废弃玻璃集料替代石英砂，解决了廊道混凝土由于其特殊结构，使得该部位混凝土容易形成应力集中易开裂，同时汛期还面临含砂石水流冲磨破坏等问题。
本发明基于最紧密堆积，用数学模型作为理论基础支撑，制备出工作性能优异，低密度、良好体积稳定性的抗冲磨廊道UHPC，从而防止有害介质侵入混凝土基体，进而提高混凝土结构的耐久性能等性能。本发明的混凝土中添加硅灰为增密成分，其在混凝土中发挥自身填充效应、火山灰效应和孔溶液化学效应以降低混凝土的孔隙率，提高涂层的密实度和防水抗渗性能；而作为粉煤灰沉珠可改善新拌混凝土的流动性，且在后期能够发生火山灰效应，从而改善混凝土的孔隙结构，减少混凝土的收缩，提高了抗冲磨廊道UHPC后期强度的发展。本发明运用颗粒级配计算，有效的改善了混凝土的孔隙率，从而提高了抗冲磨廊道UHPC的力学性能。
本发明所述抗冲磨廊道UHPC是在数学模型的基础上，改善胶凝材料的堆积密度以及骨料的级配从而制备出具有优异的工作性能(可泵送)、超高强度(强度等级大于C100)，以及抗冲磨(抗冲磨强度≥150h/(kg/m2)、终裂冲击功≥120kJ)的超高性能混凝土。本发明的目的是提供一种基于废弃玻璃集料的抗冲磨廊道超高性能混凝土及其制备方法，所提供的超高性能混凝土具有极佳的抗冲磨性能、优异的工作性能、超高强度、良好体积稳定性、较好的抗裂能力等特点，提高了混凝土结构的耐久性能，将大大提高建筑物的使用寿命，进而解决大体积混凝土控裂要求高难度大、外观质量要求高的技术难题。本发明所述制备方法和施工工艺简单，容易操作，成本低，具有实际推广应用价值。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，各实施例及试验例中所用的设备和试剂如无特殊说明，均可从商业途径得到。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
根据本申请包含的信息，对于本领域技术人员来说可以轻而易举地对本发明的精确描述进行各种改变，而不会偏离所附权利要求的精神和范围。应该理解，本发明的范围不局限于所限定的过程、性质或组分，因为这些实施方案以及其他的描述仅仅是为了示意性说明本发明的特定方面。实际上，本领域或相关领域的技术人员明显能够对本发明实施方式作出的各种改变都涵盖在所附权利要求的范围内。
为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围，在本申请中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此，除非特别说明，否则在说明书和所附权利要求书中所列出的数字参数都是近似值，其可能会根据试图获得的理想性质的不同而加以改变。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。本发明中，“约”指给定值或范围的10％以内，优选为5％以内。
本发明下述各实施例中所述常温是指四季中自然室温条件，不进行额外的冷却或加热处理，一般常温控制在10～30℃，最好是15～25℃。
本发明披露了一种基于废弃玻璃集料的抗冲磨廊道超高性能混凝土及其制备方法，具体如下实施例所示。
实施例1根据最紧密堆积理论计算胶凝材料配合比
根据最紧密堆积理论，通过Aim-Goff模型计算水泥-硅灰-粉煤灰三元体系最大堆积密实度并确定其相对质量分数，按照Aim-Goff模型计算最大堆积密实度此时，火山灰质材料的最大体积分数Φp *可用(1)计算：
当中Φp<Φp *时，系统的堆积密实度Φ可以用式(2)计算:
②当中Φp>Φp *时，系统的堆积密实度Φ可以用式(3)计算:
式中：dp为火山灰质颗粒的平均粒径；dc为水泥颗粒的平均粒径；Φp火山灰质材料的体积分数；ε0为单一材料时的孔隙率。最终通过模型计算出水泥-硅灰-粉煤灰三元体系的堆积密度最大即水泥：硅灰：粉煤灰之间质量比为1：0.20～0.28：0.10～0.24。添加硅灰为增密成分，其在混凝土中发挥自身填充效应、火山灰效应和孔溶液化学效应以降低混凝土的孔隙率，提高涂层的密实度和防水抗渗性能；而作为粉煤灰沉珠可改善新拌混凝土的流动性，且在后期能够发生火山灰效应，从而改善混凝土的孔隙结构，减少混凝土的收缩，提高了抗冲磨廊道UHPC后期强度的发展。
实施例2
抗冲磨廊道UHPC包括以下重量份组分：水泥32份；硅灰8份；粉煤灰沉珠6份；钢纤维14份，废弃玻璃集料42份，减水剂份0.5份，膨胀剂为0.6份，胶凝材料为水泥、硅灰、粉煤灰，基于最大堆积密度它们之间质量比为1：0.25：0.188；水胶比为0.2。其中，所用水泥为P.O 52.5的普通硅酸盐水泥；所用硅灰的比表面积为18000m2/kg，SiO2含量为90％；所用粉煤灰沉珠密度为2.5g/cm3，堆积密度0.7kg/m3；所用钢纤维为镀铜钢纤维，直径为0.25mm，长度为13mm，抗压强度为2850MPa；所用废弃玻璃集料，粒径为1.5mm以下，表观密度为2450kg/m3。本实施例所用水均符合JGJ63《混凝土拌合用水标准》的要求。
其制备方法如下：
S1：将按照配方所述重量组分称取的水泥、硅灰、粉煤灰沉珠、1/3的钢纤维、废弃玻璃集料、膨胀剂倒入混凝土搅拌机中干拌30s，使得胶凝材料分布较均匀并得到抗冲磨廊道UHPC干粉料。
S2：称取相应重量的水，倒入超高性能混凝土干粉料中搅拌2min。
S3：向步骤S2中得到的混合物中加入减水剂及剩余的2/3重量的钢纤维，搅拌10min，得到抗冲磨廊道UHPC。本实施例中所用减水剂为购买的江苏苏博特聚羧酸高效减水剂，固含量50％，有效减水率50％。
实施例3
抗冲磨廊道UHPC包括以下重量份组分：水泥35份；硅灰7份；粉煤灰沉珠5份；钢纤维15份，废弃玻璃集料45份，减水剂份1份，膨胀剂为0.6份，胶凝材料为水泥、硅灰、粉煤灰，基于最大堆积密度它们之间质量比为1：0.2：0.143；水胶比为0.18。其中，所用水泥为P.O52.5的普通硅酸盐水泥；所用硅灰的比表面积为18000m2/kg，SiO2含量为90％；所用粉煤灰沉珠密度为2.5g/cm3，堆积密度0.7kg/m3；所用钢纤维为镀铜钢纤维，直径为0.25mm，长度为13mm，抗压强度为2850MPa；所用废弃玻璃集料，粒径为1.5mm以下，表观密度为2450kg/m3。本实施例所用水均符合JGJ63《混凝土拌合用水标准》的要求。
其制备方法如下：
S1：将按照配方所述重量组分称取的水泥、硅灰、粉煤灰沉珠、1/3的钢纤维、废弃玻璃集料、膨胀剂倒入混凝土搅拌机中干拌30s，使得胶凝材料分布较均匀并得到抗冲磨廊道UHPC干粉料。
S2：称取相应重量的水，倒入超高性能混凝土干粉料中搅拌6min。
S3：向步骤S2中得到的混合物中加入减水剂及剩余的2/3重量的钢纤维，搅拌6min，得到抗冲磨廊道UHPC。本实施例中所用减水剂为购买的江苏苏博特聚羧酸高效减水剂，固含量50％，有效减水率50％。
实施例4
抗冲磨廊道UHPC包括以下重量份组分：水泥30份；硅灰6份；粉煤灰沉珠5份；钢纤维12份，废弃玻璃集料40份，减水剂份1份，膨胀剂为0.5份，胶凝材料为水泥、硅灰、粉煤灰，基于最大堆积密度它们之间质量比为1：0.2：0.166；水胶比为0.21。其中，所用水泥为P.O52.5的普通硅酸盐水泥；所用硅灰的比表面积为18000m2/kg，SiO2含量为90％；所用粉煤灰沉珠密度为2.5g/cm3，堆积密度0.7kg/m3；所用钢纤维为镀铜钢纤维，直径为0.25mm，长度为13mm，抗压强度为2850MPa；所用废弃玻璃集料，粒径为1.5mm以下，表观密度为2450kg/m3。本实施例所用水均符合JGJ63《混凝土拌合用水标准》的要求。
其制备方法如下：
S1：将按照配方所述重量组分称取的水泥、硅灰、粉煤灰沉珠、1/3的钢纤维、废弃玻璃集料、膨胀剂倒入混凝土搅拌机中干拌30s，使得胶凝材料分布较均匀并得到抗冲磨廊道UHPC干粉料。
S2：称取相应重量的水，倒入超高性能混凝土干粉料中搅拌9min。
S3：向步骤S2中得到的混合物中加入减水剂及剩余的2/3重量的钢纤维，搅拌12min，得到抗冲磨廊道UHPC。本实施例中所用减水剂为购买的江苏苏博特聚羧酸高效减水剂，固含量50％，有效减水率50％。
实施例5
抗冲磨廊道UHPC包括以下重量份组分：水泥32份；硅灰8份；粉煤灰沉珠6份；钢纤维16份，废弃玻璃集料42份，减水剂份1.5份，膨胀剂为0.5份胶凝材料为水泥、硅灰、粉煤灰，基于最大堆积密度它们之间质量比为1：0.25：0.189；水胶比为0.16。其中，所用水泥为P.O 52.5的普通硅酸盐水泥；所用硅灰的比表面积为18000m2/kg，SiO2含量为90％；所用粉煤灰沉珠密度为2.5g/cm3，堆积密度0.7kg/m3；所用钢纤维为镀铜钢纤维，直径为0.25mm，长度为13mm，抗压强度为2850MPa；所用废弃玻璃集料，粒径为1.5mm以下，表观密度为2450kg/m3。本实施例所用水均符合JGJ63《混凝土拌合用水标准》的要求。
其制备方法如下：
S1：将按照配方所述重量组分称取的水泥、硅灰、粉煤灰沉珠、1/3的钢纤维、废弃玻璃集料、膨胀剂倒入混凝土搅拌机中干拌30s，使得胶凝材料分布较均匀并得到抗冲磨廊道UHPC干粉料。
S2：称取相应重量的水，倒入超高性能混凝土干粉料中搅拌9min。
S3：向步骤S2中得到的混合物中加入减水剂及剩余的2/3重量的钢纤维，搅拌15min，得到抗冲磨廊道UHPC。本实施例中所用减水剂为购买的江苏苏博特聚羧酸高效减水剂，固含量50％，有效减水率50％。
实施例6
普通UHPC包括以下重量份组分：水泥32份；硅灰8份；粉煤灰沉珠6份；钢纤维16份，石英砂39份，减水剂份1.5份，膨胀剂为0.5份胶凝材料为水泥、硅灰、粉煤灰，基于最大堆积密度它们之间质量比为1：0.25：0.189；水胶比为0.16。其中，所用水泥为P.O 52.5的普通硅酸盐水泥；所用硅灰的比表面积为18000m2/kg，SiO2含量为90％；所用粉煤灰沉珠密度为2.5g/cm3，堆积密度0.7kg/m3；所用钢纤维为镀铜钢纤维，直径为0.25mm，长度为13mm，抗压强度为2850MPa；所用石英砂，粒径为1.5mm以下，表观密度为2650kg/m3。本实施例所用水均符合JGJ63《混凝土拌合用水标准》的要求。
其制备方法如下：
S1：将按照配方所述重量组分称取的水泥、硅灰、粉煤灰沉珠、1/3的钢纤维、石英砂、膨胀剂倒入混凝土搅拌机中干拌30s，使得胶凝材料分布较均匀并得到UHPC干粉料。
S2：称取相应重量的水，倒入超高性能混凝土干粉料中搅拌9min。
S3：向步骤S2中得到的混合物中加入减水剂及剩余的2/3重量的钢纤维，搅拌15min，得到UHPC。本实施例中所用减水剂为购买的江苏苏博特聚羧酸高效减水剂，固含量50％，有效减水率50％。
检测方法：取各实施例所制备的混凝土进行以下性能检测
相关性能检测分别依据GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》、(GBT 31387-2015)《活性粉末混凝土》、(SL352-2006)《水工混凝土试验规程》、GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行检测，以及美国ACI544推荐的“落锤冲击法”进行抗冲击性能试验。
检测结果如下表所示：
表1抗冲磨廊道UHPC实验结果
表中，Z-2、Z-3、Z-4、Z-5分别为实施例2-5所述方法制备的抗冲磨廊道UHPC检测项目，Z-6为实施例6所述方法制备的普通UHPC检测项目，Z-6为Z-5中同体积替换废弃玻璃集料制备的普通UHPC，由表1可以看出，本发明制备的抗冲磨廊道UHPC坍落度大于200mm、扩展度大于400mm、28天抗压强度大于120MPa、28天抗冲磨强度≥150h/(kg/m2)、28天终裂冲击功≥120kJ、56d收缩≤400μm/mm。本发明制备的抗冲磨廊道UHPC，同时具备具有极佳的抗冲磨性能、优异的工作性能、超高强度、良好体积稳定性。此外，与普通UHPC相比，抗冲磨廊道UHPC具有更高的强度，更好的抗冲磨性能。1.5mm以下的废弃玻璃集料脆性破坏得到极大的改善，使用废弃玻璃集料一方面降低UHPC受持续载荷时的抗压强度，而混凝土抗压强度和抗冲磨强度存在一定的正相关性，进而降低UHPC材料抗冲磨/冲击性能。另一方面，UHPC抗冲磨材料在受到冲磨、冲击和空蚀等外力而发生损伤破坏时，最外层胶凝材料浆体层最先发生破坏，裸露出废弃玻璃集料，吸收冲磨冲击应力，在冲磨冲击外力作用下与纤维“桥接效应”协同作用阻碍UHPC材料内部裂缝和缺陷的发展，提升UHPC材料的抗冲磨冲击性能。钢纤维的掺入改变了混凝土的破坏形式，混凝土由脆性破坏转变为具有一定塑性特征的破坏。因此，所制备的抗冲磨廊道UHPC具备极佳的抗冲磨性能、优异的工作性能、超高强度、良好体积稳定性、较好的抗裂能力等各方面性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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