一种低减水剂用量的超高强水泥基材料的制备方法

摘要

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种用于确定低减水剂用量超高强水泥基材料配方的设计方法。所述方法为：确定基体组成并测试不同固体组分的粒径分布；建立基体的紧密堆积模型，确定紧密堆积时基体中各固体组分的体积比；确定水胶比；确定基体的减水剂饱和掺量；以基体的减水剂饱和掺量为指导，围绕减水剂饱和掺量对减水剂实际掺量进行试验，在保证水泥基材料的超高强性能的前提下，选择减水剂掺量最小时各组分配比为超高强水泥基材料的配方。本发明避免了用试错法确定减水剂的种类和掺量，通过基体粉体材料与减水剂之间的相互作用来确定减水剂的合理掺量范围，在确保水泥基材料性能的同时，降低减水剂掺量，提升超高强水泥基材料的流动性。

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种用于确定低减水剂用量超高强水泥基材料配方的设计方法。

背景技术

超高强水泥基材料是一类超高强、耐久性优异的新型水泥基建筑材料，能够大幅度提高水泥基结构的使用寿命、减少结构后期的维修费用，适应于恶劣环境下的各类工程和具有复杂构件工程的需要。我国正处于大规模工程建设时期，具有优异性能的超高强水泥基材料将广泛应用于实际工程中。超高强水泥基材料在我国的第一次应用是2005年沈阳用超高强水泥基材料(C140)预制的工业产房梁板，在京石客运专线中超高性能水泥基材料用于制备盖板，广州珠江新城西塔(楼高441m)应用了C100的超高性能水泥基材料，2016年在长沙建成我国第一座超高强高韧水泥基桥梁，主跨达36.8米，重量较原普通水泥基材料方案减轻近1/3，承载和长期性能更是大幅提升。超高强水泥基材料的性能优点决定了其在节约材料用量、降低建筑成本和能耗上的独特优势。随着对节能减排、可持续发展的要求越来越高，超高强水泥基材料高强度、优异的耐久性使水泥基材料结构能够满足超高层、超大跨径建筑的性能要求，已成为水泥基复合材料发展的重要方向。

众所周知，原材料颗粒之间的堆积优化是制备性能优异的水泥基材料的关键一步，然而目前对于超高强水泥基材料的设计理论的研究并不多。大多研究者都是直接给出超高强水泥基材料配合比，而没有对其进行进一步的解释或者理论支撑，其配合比设计还是以试验、经验为主，这样可能导致在超高强水泥基材料体系中有大量的胶材或其他颗粒没有得到高效的利用，造成原材料的浪费。另外，超高强水泥基材料水胶比低，浆体的粘稠度大表现出流动性差，严重影响超高强水泥基材料的可泵送性能。而且，超高强水泥基材料粉体组成较复杂，在制备过程中对减水剂的用量比较大，减水剂不仅能吸附在水泥颗粒表面，还能在静电的作用下吸附在粉煤灰、石灰粉、硅粉等矿物掺和料颗粒的表面。如果不能合理的控制减水剂的掺量将增加超高强水泥基材料的生产成本甚至对超高强水泥基材料的性能造成负面影响，如减水剂摻量过高，减水剂包裹在水泥等胶凝材料颗粒的表面，造成浆体中自由水含量过多，从而造成拌合物的离析和泌水，或者导致水泥水化过程长，浆体的初凝和终凝时间增加；减水剂掺量过多还会引起引气效果加强导致硬化后的水泥基材料孔隙率增加，影响材料的长期性能。

综上所述，超高强水泥基材料设计方法的不完善以及减水剂用量偏高，是其走向绿色生态型水泥基材料需要克服的两个重要问题，也深刻的影响超高强水泥基材料的推广应用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种用于确定低减水剂用量超高强水泥基材料配方的设计方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于确定低减水剂用量超高强水泥基材料配方的设计方法，包括如下步骤：

(1)确定基体的固体粉体组成，并测试不同固体粉体组分的粒径分布；

(2)根据修正后的Andreasen和Andersen紧密堆积模型得到的Dinger-Funk方程建立基体的紧密堆积模型，确定紧密堆积时基体中各粉体组分的体积比；

(3)通过各粉体组分的密度以及步骤(2)所得各粉体组分的体积比确定每立方混凝土中各粉体组分质量；

(4)确定超高强水泥基材料的水胶比；

(5)在基体中掺入减水剂，测定基体在不同减水剂掺量下的流动度，确定基体的减水剂饱和掺量；

(6)以步骤(5)所得基体的减水剂饱和掺量为指导，围绕减水剂饱和掺量对减水剂实际掺量进行试验，在保证超高强水泥基材料的性能要求的前提下，选择减水剂掺量最小时各组分配比为超高强水泥基材料的配方。

上述方案中，步骤(1)所述粉体包括水泥、矿物掺和料、细集料。

上述方案中，所述矿物掺和料为硅灰、粉煤灰、矿粉和偏高岭土中的一种或几种。

上述方案中，所述细集料为粒径范围在0～0.6mm、0.6～1.25m连续级配的河砂，所述河砂的含泥量不大于1.5％。

上述方案中，步骤(2)所述紧密堆积模型的方程表达式如下：

其中，P(D)为累积筛下颗粒百分含量；D为当前粒径，μm；D_min为最小粒径，μm；D_max为最大粒径；μm；q为分布系数，取值范围为0.22～0.25。

上述方案中，步骤(4)所述水胶比为0.15～0.35。

上述方案中，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。

上述方案中，步骤(3)中，若所述矿物掺和料的粒径和水泥粒径接近时，可选用矿物掺和料部分取代0～30％的水泥用量。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供了用于确定低减水剂掺量高流动度的超高强水泥基材料配方的设计方法，避免了用试错法确定减水剂的种类和掺量，本发明利用超高强水泥基材料基体颗粒的分布和组成、通过基体粉体材料与减水剂之间的相互作用来确定减水剂的合理掺量范围，在确保水泥基材料性能的同时，降低减水剂掺量，提高减水效率，提升超高强水泥基材料的流动性；

(2)本发明所述方法操作简单，可以准确快速地确定水泥基材料所需减水剂的合理掺量范围，为超高强水泥基材料减水剂掺量的设计提供依据；

(3)本发明设计方法还能减少胶材中水泥的用量，消纳一定量的固体废弃物，制备的超高强水泥基材料性能(抗压性能、流动性性能)优异，利于水泥基材料的可持续发展，同时对能耗的降低较明显。

附图说明

图1为本发明实施例中各配合比中不同减水剂掺量时的强度数据，其中Ref为配合比1，FA为配合比2，GGBS为配合比3。

图2为本发明实施例各配合比中不同减水剂掺量时的流动度数据，其中Ref为配合比1，FA为配合比2，GGBS为配合比3。

图3为本发明实施例配合比1的基体固体粉体组分的紧密堆积模型曲线图。

图4为本发明实施例配合比2的基体固体粉体组分的紧密堆积模型曲线图。

图5为本发明实施例配合比3的基体固体粉体组分的紧密堆积模型曲线图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种超高强水泥基材料的配方设计方法，包括如下步骤：

(1)分别选取水泥、硅灰、河沙，水泥、硅灰、粉煤灰、河沙，以及矿粉、水泥、硅灰、河沙作为三种不同的基体粉体组成，并测试各粉体的粒径分布；

(2)建立最紧密堆积模型，结果分别如图3、图4和图5所示，根据最紧密堆积模型计算的各固体粉体组分的体积比如下表1：

表1三组基体各固体粉体组分的体积比

(3)通过各固体粉体组分的密度以及体积比确定每立方混凝土的固体粉体组分质量，三组基体配合比如下表2：

表2三组基体配合比(kg/m³)

(4)确定超高强水泥基材料的水胶比为0.18；

(5)测定各基体不同聚羧酸高效减水剂掺量下的流动度，并结合《水泥与减水剂相容性试验方法》(JC/T1083-2008)确定基体减水剂饱和掺量，配合比1的减水剂饱和掺量为2.7％、配合比2的减水剂饱和掺量为2.4％、配合比3的减水剂饱和掺量为2.4％；

(6)基于超高强水泥基材料的性能要求(本实施例是流动性和强度的性能要求)，以基体的减水剂饱和掺量作为实际减水剂用量的参考点，测定超高强水泥基材料基体在不同减水剂掺量时的流动性和抗压强度要求，最终选择确定超高强水泥基材料的各组分配比。

例如，将实施例制备得到的超高强水泥基材料在温度20℃、湿度98％的标准养护箱中养护，并根据《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T17671-1999)进行28天抗压实验，各基体的实验，结果如上图1，图1是三种不同组成的超高强水泥基材料基体在不同减水剂掺量时的28天抗压强度，结果表明配合比2在减水剂掺量为2.5％时强度比平均值强度要高。图2是三种不同组成的超高强水泥基材料基体在不同减水剂掺量时的流动度，配合比2减水剂饱和掺量点流动性优于配合比1和配合比3的减水剂饱和掺量点流动性。因此，基于超高强水泥基材料的流动性和强度要求确定配合比2为基体的优选配合比，超高强水泥基材料各固体组成为：水泥：硅灰：粉煤灰：砂1(0-0.6mm)：砂2(0.6-1.25mm)＝0.3：0.035：0.13：0.37：0.165。确定减水剂掺量为胶材质量的2.5％，水胶比为0.18。将本实施例的实验结果与文献中的实验数据对比如下表3：

表3实验结果的减水剂掺量与强度对比

对照组别减水剂掺量/％强度/Mpaa3.3115b₁5.1105b₂5.1120b₃5.1118c2.6125本发明实施例2.5123

其中a：(T Oertel等，2013)，b_1-3：(R.Yu等，2014)，c：(E>

一般而言，当减水剂掺量在饱和点附近时硬化浆体的强度达到最大值，掺量超过饱和点以后，强度会略有下降，另外，随着减水剂掺量的增大，水泥砂浆的干燥收缩随之增大。所以对减水剂掺量的合理控制意义重大，很明显在强度接近的情况下，本发明的减水剂掺量较对照组要低。本发明可以在较低减水剂掺量下制备超高强水泥基材料，实现减水剂的高效合理利用。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。