一种高抗折强度的超高性能混凝土及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高抗折强度的超高性能混凝土及其制备方法 (Ultrahigh-performance concrete with high breaking strength and preparation method thereof ) 是由 吴玉友 鲁权 陈松 刘长江 于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明属于建筑材料技术领域,公开了一种高抗折强度的超高性能混凝土及其制备方法。该超高性能混凝土,按重量份计,包括氧化石墨烯、金属纤维、胶凝材料1020-1035份、砂1122-1139份；胶凝材料包括水泥613-620份、硅灰152.75-155.5份、粉煤灰204-207份和矿渣粉50.25-52.5份；氧化石墨烯的含量为所述凝胶材料的重量的0.01-0.3％；金属纤维的体积为所述超高性能混凝土的体积的1.2-2.5％。该超高性能混凝土的制备过程中使用出料口高度不超过10mm的装置,改善金属纤维在超高性能混凝土中的定向分布,从而显著提高了超高性能混凝土的抗折强度和抗高温、低温性能,整体上显著提高了超高性能混凝土的机械性能和耐候性。(The invention belongs to the technical field of building materials, and discloses high-breaking-strength ultrahigh-performance concrete and a preparation method thereof. The ultrahigh-performance concrete comprises, by weight, 1035 parts of graphene oxide, metal fibers, 1020-type cementing materials and 1139-type sand; the cementing material comprises 620 parts of cement 613-containing materials, 152.75-155.5 parts of silica fume, 207 parts of fly ash 204-containing materials and 50.25-52.5 parts of slag powder; the content of the graphene oxide is 0.01-0.3% of the weight of the gel material; the volume of the metal fiber is 1.2-2.5% of the volume of the ultra-high performance concrete. In the preparation process of the ultra-high performance concrete, a device with the height of a discharge port not more than 10mm is used, and the directional distribution of metal fibers in the ultra-high performance concrete is improved, so that the breaking strength, the high temperature resistance and the low temperature resistance of the ultra-high performance concrete are obviously improved, and the mechanical property and the weather resistance of the ultra-high performance concrete are integrally and obviously improved.)
技术领域
本发明属于建筑材料
技术领域
，特别涉及一种高抗折强度的超高性能混凝土及其制备方法。背景技术
混凝土是由水泥、砂、石和水等原材料，通过人工搅拌或强制搅拌混合而成的人工建筑材料，在凝结硬化后具有较高的强度和耐久性，被广泛的应用在房屋、道路、桥梁等建筑结构中。近年来，随着经济和基础建设的快速发展，超高层建筑、大跨度桥梁等特殊建筑结构或设施的出现，普通混凝土由于其抗拉强度低、自重大、恶劣环境(例如高温、极寒)条件下耐久性差等缺点，难以满足特殊建筑结构或设施的需要。因此，建筑领域对混凝土提出了更高的力学性能、更好的耐久性的要求，这些要求促使了超高性能混凝土(Ultra-HighPerformance Concrete，UHPC)的出现和发展，目前国际上通常定义UHPC为抗压强度大于150MPa的水泥基材料。
与普通混凝土相比，UHPC的区别在于其抗折强度高，通常7天对应的抗折强度大于20MPa，这主要得益于UHPC中纤维的掺入，在一定范围内，纤维用量增加，UHPC的抗折强度提高。钢纤维由于其非常高的抗拉强度成为提升UHPC性能的首选，而当钢纤维用量过高时，钢纤维在基体中的分布不均导致UHPC的力学性能反而降低，为了解决这个问题，学者们尝试采用控制基体的流变性和控制钢纤维的流动方向等方法，改善纤维在基体中的分布，提高UHPC的力学性能，取得了一定的效果。现有技术也记载了提高UHPC基体的抗折强度能够在一定程度上提高UHPC的抗弯性能。提高UHPC抗折强度的技术措施除了对纤维的种类进行优化选择外，通常的做法为掺入纳米材料、调节UHPC中纤维的分布等技术措施，如掺入纳米SiO2、纳米CaCO3等提高UHPC的抗弯性能，再或者通过磁场控制UHPC中钢纤维的排布方向改变钢纤维在基体中的流向。但现有技术中的UHPC抗折强度一般低于30MPa，特别是冻融循环的动弹性模量下降显著(冻融循环的动弹性模量用于衡量UHPC抗高温、低温的性能)。
因此，提供一种不仅抗折强度高，而且抗高温、低温性能好的超高性能混凝(UHPC)，是十分有必要的。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种高抗折强度的超高性能混凝土(UHPC)及其制备方法，所述超高性能混凝土的7天对应的抗折强度大于31MPa，甚至可超过40MPa，且所述超高性能混凝土抗高温、低温性能良好，冻融循环的动弹性模量损失极少。
本发明的发明构思：本发明所述超高性能混凝土通过各组分(组分中包括氧化石墨烯和金属纤维)用量的合理搭配，以及使用特定装置(装置的出料口高度不超过10mm)，改善金属纤维(例如钢纤维)在超高性能混凝土中的定向分布，从而显著提高了超高性能混凝土的抗折强度和抗高温、低温性能，整体上显著提高了超高性能混凝土的机械性能和耐候性(耐高温、耐低温性能)。
本发明的第一方面提供一种高抗折强度的超高性能混凝土。
具体的，一种高抗折强度的超高性能混凝土，按重量份计，包括氧化石墨烯、金属纤维、胶凝材料1020-1035份、砂1122-1139份；所述胶凝材料包括水泥613-620份、硅灰152.75-155.5份、粉煤灰204-207份和矿渣粉50.25-52.5份；所述氧化石墨烯的含量为所述凝胶材料的重量的0.01-0.3％；所述金属纤维的体积为所述超高性能混凝土的体积的1.2-2.5％。
优选的，一种高抗折强度的超高性能混凝土，按重量份计，包括氧化石墨烯、金属纤维、胶凝材料1025-1030份、砂1127.5-1133份；所述胶凝材料包括水泥615-618份、硅灰153.75-154.5份、粉煤灰205-206份和矿渣粉51.25-51.5份；所述氧化石墨烯的含量为所述凝胶材料的重量的0.01-0.03％；所述金属纤维的体积为所述超高性能混凝土的体积的1.5-2％。
优选的，所述氧化石墨为纳米氧化石墨烯片。
优选的，所述纳米氧化石墨烯片的片层厚度为0.5-2.5nm，主要的片层直径为0.5-12μm；进一步优选的，所述纳米氧化石墨烯片的片层厚度为0.5-2nm，主要的片层直径为0.5-10μm。所述纳米氧化石墨烯片的纯度＞99％，单层率＞91％，表面有大量含氧基团，具有良好的亲水性，不导电。
优选的，所述金属纤维为钢纤维。使用钢纤维，有助于提升超高性能混凝土的抗折强度和耐候性。
优选的，所述钢纤维的长度为11-18mm，直径为0.16-0.28mm；进一步优选的，所述钢纤维的长度为12-16mm，直径为0.18-0.25mm。
进一步优选的，所述钢纤维为镀铜钢纤维，抗拉强度可达到2800MPa。
优选的，所述为硅酸盐水泥，例如牌号为P.O.42.5的普通硅酸盐水泥。采用硅酸盐水泥与聚羧酸系减水剂相容性良好。
优选的，所述硅灰的平均粒径为0.05-0.2nm；进一步优选的，所述硅灰的平均粒径为0.08-0.1nm。
优选的，所述硅灰的比表面积大于15m2/g；进一步优选的，所述硅灰的比表面积大于16m2/g。
优选的，所述硅灰的颜色为灰白色。
优选的，所述粉煤灰为I级粉煤灰。所述粉煤灰的颜色为黑色。
优选的，所述矿渣粉为市售的普通矿渣粉；进一步优选为白色的S95级矿渣粉。
优选的，所述砂为石英砂；进一步优选的，所述砂包括粗颗粒石英砂、中颗粒石英砂和细颗粒石英砂；所述粗颗粒石英砂的粒径为0.85-2mm；所述中颗粒石英砂的粒径为0.425-0.85mm；所述细颗粒石英砂的粒径为0.212-0.425mm。
优选的，所述砂的重量含量与凝胶材料的重量含量比为1.08-1.1：1(也可称为砂胶比)。
优选的，所述超高性能混凝土还包括溶剂、减水剂。
优选的，所述溶剂为水。
优选的，所述减水剂包括聚羧酸系减水剂。
优选的，所述减水剂的含量为凝胶材料重量的0.4-0.6％；进一步优减水剂的含量为凝胶材料重量的0.5％。
优选的，所述水的重量含量与所述凝胶材料的重量含量比为0.16-0.20：1(也可称为水胶比)；进一步优选的，所述水的重量含量与所述凝胶材料的重量含量比为0.17-0.18：1。
本发明的第二方面提供上述高抗折强度的超高性能混凝土的制备方法。
具体的，一种高抗折强度的超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将各组分形成的浆料倒入出料口高度不超过10mm的装置中。
优选的，所述装置的出料口为长方体，长方体的高度不超过10mm，长方体的长度超过高度，例如长度不小于100mm，长方体的宽不小于40mm，例如宽为50mm。
优选的，所述装置的出料口还可为梯形，梯形的高度不超过10mm。
浆料中含有金属纤维，所述装置的出口可显著改善钢纤维在UHPC中的分布状况，进而提高UHPC的抗折强度以及抗高温、低温性能。
优选的，一种高抗折强度的超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)氧化石墨烯分散处理：将所述氧化石墨烯与溶剂混合，制得氧化石墨烯溶液，然后加入减水剂，混合，制得混合溶液；
(2)将胶凝材料、砂进行搅拌混合，然后加入剩余组分，搅拌混合，制得浆料；再将所述浆料倒入出料口高度不超过10mm的装置中，从所述装置中流出的浆料倒入模具中，振实，养护，制得所述超高性能混凝土。
优选的，步骤(1)中，所述氧化石墨烯溶液中，氧化石墨烯的质量含量为0.1-1.2％；进一步优选的，氧化石墨烯的质量含量为0.8-1.1％。
优选的，步骤(1)中，所述氧化石墨烯溶液以转速为2200-3200转/分钟的速度进行分散，进一步优选的，以2500-3000转/分钟的速度进行分散。
优选的，步骤(2)中，所述养护包括覆膜养护和蒸汽养护。
本发明的第三方面提供上述高抗折强度的超高性能混凝土在建筑领域中的应用。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)本发明所述超高性能混凝土通过各组分(组分中包括氧化石墨烯和金属纤维)用量的合理搭配，金属纤维在所述超高性能混凝土中的分布不是随机的，而是具有一定的取向，因此，使得本发明所述超高性能混凝土的7天对应的抗折强度大于31MPa，甚至可超过40MPa，且所述超高性能混凝土抗高温、低温性能良好，冻融循环的动弹性模量损失极少(用相对动弹性模量来衡量，相对动弹性模量越接近1，表示冻融循环后的动弹性模量的损失越小)。
(2)本发明所述超高性能混凝土的制备过程中使用特定装置(装置的出料口高度不超过10mm)，改善金属纤维(例如钢纤维)在超高性能混凝土中的定向分布，从而显著提高了超高性能混凝土的抗折强度和抗高温、低温性能，整体上显著提高了超高性能混凝土的机械性能和耐候性(耐高温、耐低温性能)。
附图说明
图1为本发明超高性能混凝土的制备过程中使用的装置示意图；
图2为本发明制得的超高性能混凝土的抗冻性能图。
具体实施方式
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
以下实施例所用减水剂可由西卡中国公司生产的viscocrete-540P聚羧酸粉体高性能减水剂。
实施例：超高性能混凝土的制备
4种不同超高性能混凝土(UHPC)，编号为1、2、3、4，4种超高性能混凝土具体组分如表1所示(表1中“石英砂(粗)”表示“粗颗粒石英砂”、“石英砂(中)”表示“中颗粒石英砂”、“石英砂(细)”表示“细颗粒石英砂”；粗颗粒石英砂的粒径为0.85-2mm；中颗粒石英砂的粒径为0.425-0.85mm；细颗粒石英砂的粒径为0.212-0.425mm。钢纤维的长度为12-16mm，直径为0.18-0.25mm。表1中，除减水剂、钢纤维和氧化石墨烯外，其余组分按照每立方米含kg计算，例如1号中是每立方米超高性能混凝土中含水泥615kg；氧化石墨烯的含量为凝胶材料的重量的0.00或0.3％；钢纤维的体积为超高性能混凝土的体积的1.5％；减水剂的重量含量为凝胶材料重量的0.5％；砂的重量含量与凝胶材料的重量含量比为1.1：1；水的重量含量与凝胶材料的重量含量比为0.18：1)。
表1
上述1和2号超高性能混凝土按照以下制备方法进行制备：具体包括以下步骤：
(1)氧化石墨烯分散处理：称取氧化石墨烯用量，将氧化石墨烯与水混合，制得氧化石墨烯溶液，氧化石墨烯的质量含量为1.0％，以2500-3000转/分钟的速度进行分散，然后加入减水剂，搅拌混合均匀，制得混合溶液；
(2)称取各组分用量，将胶凝材料、石英砂在混凝土搅拌机中进行搅拌混合3分钟，然后加入水和步骤(1)制得的混合溶液搅拌混合6分钟，再加入钢纤维，搅拌混合5-10分钟，制得浆料，浆料呈良好的流体状态；再将浆料倒入出料口高度为10mm的装置(装置如图1所示)中，从装置中流出的浆料倒入混凝土模具中，在振动台振实60s后覆膜养护，标准养护24小时后拆模，拆模后，立即移入快速升温蒸汽养护箱中，以15℃/h的升温升至90℃保持48h，再以15℃/h降温至室内温度(例如20℃)，最后移入标准养护室中养护至检测龄期，制得超高性能混凝土。
图1为本发明超高性能混凝土的制备过程中使用的装置示意图；其中图1中的“1”表示浆料的进料口，“2”表示浆料的出料口；“a”表示出料口的长度，“b”表示出料口的高度，b的取值为10mm。
上述3-4号超高性能混凝土除了在制备过程中不使用图1所示的装置外，其余制备过程与上述1和2号超高性能混凝土的制备过程相同。
产品效果测试
1.抗折强度测试
在相同条件下，测试上述4中超高性能混凝土(UHPC)7天(7d)和28天(28d)的抗折强度和抗压强度，结果如表2所示(表2中28d折压比＝28d的抗折强度/28d的抗压强度)。
表2
从表2可以看出，2号超高性能混凝土7天和28天的抗折强度最大，2号超高性能混凝土不仅含有氧化石墨烯，而且，制备的过程中使用了图1所示的装置，改善了钢纤维在超高性能混凝土中的定向分布(也可以称为钢纤维在超高性能混凝土中的顺向分布)，从而显著提高了超高性能混凝土的抗折强度和抗压强度。而4号超高性能混凝土制备过程中没有使用图1所示的装置，导致钢纤维在超高性能混凝土中的分布状态为随机状态，因此4号超高性能混凝土的抗折性能比2号超高性能混凝土差。1号和3号超高性能混凝土中不含氧化石墨烯，因此，1号和3号超高性能混凝土的抗折性能比2号超高性能混凝土差。特别是，3号超高性能混凝土不仅不含氧化石墨烯，而且制备过程也没有使用图1所示的装置，导致钢纤维在超高性能混凝土中的分布状态为随机状态，因此，3号超高性能混凝土的抗折性能最差。由此可见，本发明中，通过使用氧化石墨烯和图1所示的装置，制得的超高性能混凝土的抗折性能可得到显著提升。
2.抗冻性能测试
取上述1-4号超高性能混凝土，进行500次的冻融循环，每次冻融循环的总时间为3.5小时，其中，冻的过程保持2小时30分钟，超高性能混凝土中心最低温度为-16℃；融的过程保持1小时，超高性能混凝土中心最高温度为6℃，冻与融之间的转换时间为1分钟；试验过程中每隔25次冻融循环检查试件表面的损伤，并测量试件的质量以及横向基频，测试超高性能混凝土的相对动弹性模量，结果如图2所示。
图2为本发明制得的超高性能混凝土的抗冻性能图；图2中的“1”表示1号超高性能混凝土，“2”表示2号超高性能混凝土，“3”表示3号超高性能混凝土，“4”表示4号超高性能混凝土。从图2中可以看出，2号超高性能混凝土抗冻性能最强，进行500次的冻融循环，2号超高性能混凝土的相对动弹性模量下降极小(损失量不超过2％)。2号超高性能混凝土和4号超高性能混凝土相对1号、3号超高性能混凝土的抗冻性能更佳。
3.抗氯离子渗透性能测试
相对1号超高性能混凝土，不加入钢纤维，其他组分和制备方法与1号超高性能混凝土相同，制得5号超高性能混凝土。
相对2号超高性能混凝土，不加入钢纤维，其他组分和制备方法与2号超高性能混凝土相同，制得6号超高性能混凝土。即5号和6号超高性能混凝土中不含钢纤维。然后按照电通量试验方法测试5号和6号超高性能混凝土的电通量，结果如表3所示。
表3
从表3可以看出，5号和6号超高性能混凝土的电通量非常小，原因由于UHPC本身水胶比非常小，掺入了较多的矿物掺合料，起到了微集料效应，降低了基体的孔隙率，并且矿物掺合料的二次水化反应消耗了Ca(OH)2的含量，增加了C-S-H凝胶的生成量，有助于改善界面过渡区，使得基体更加密实。
同时，比较5号和6号超高性能混凝土，后者的电通量是前者的三分之二，说明氧化石墨烯的加入显著地提高了UHPC的抗氯离子渗透性能(电通量越小，抗氯离子渗透性能越强)。氧化石墨烯能够促进水泥水化，增加水化产物生成量，优化基体的孔结构，进一步改善UHPC基体的密实程度，从而提高了UHPC的抗渗性能。
本发明超高性能混凝土中，钢纤维的定向分布降低了钢纤维的间距，大幅度提高了超高性能混凝土的抗裂强度。氧化石墨烯与钢纤维的取向分布协同作用，提高了超高性能混凝土的抗弯性能。氧化石墨烯能够在一定程度上提高超高性能混凝土的抗氯离子渗透性能和抗冻性能，这主要是由于氧化石墨烯对基体的填充作用，提高了超高性能混凝土的密实程度，其大比表面积有效的限制了基体在严酷环境下微裂缝的形成与扩展，改善了超高性能混凝土的耐久性。
另外，在本发明请求保护的技术方案内，调整各组分的用量比，按照2号超高性能混凝土的制备方法进行制备，制得的超高性能混凝土的抗折性能和抗冻性能与2号超高性能混凝土类似。当各组分含量不在本发明请求保护的技术方案内，则制得的超高性能混凝土的抗折性能和抗冻性能显著降低。
本发明中，砂胶比的增大会导致UHPC的流动度降低，主要的原因是砂的用量增加，胶凝材料的用量减少，基体流动时所需要的浆体相对较少，浆体对骨料的包裹性较差，因而降低了工作性能。硅灰对UHPC的工作性能影响非常大，硅灰的用量越高，流动度降低越严重，硅灰的球形颗粒起到“滚珠”效应，提高工作性能，但硅灰的粒径非常小，在浆体搅拌过程中表面吸附较多的自由水，明显降低浆体的工作性能。粉煤灰的掺入对于UHPC的工作性能具有增强的作用，粉煤灰用量越大，UHPC浆体的流动性越好。矿粉的掺入与粉煤灰类似，能够提高UHPC的流动度。
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