一种超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土及其制备方法

摘要

一种超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土及其制备方法，该纤维增强混凝土按以下重量比配制：水泥：水：硅灰：石英粉：石英砂1：石英砂2：石英砂3：石英砂4：减水剂：钢纤维＝850：180‑200:180‑210:200:127:190:222:317:20‑30:150‑250。其制备方法为：先将全部的石英砂、水泥和硅灰依次倒入搅拌机，搅拌；加入水和减水剂，搅拌；加入钢纤维，搅拌，出料。该混凝土在室外养护28天的条件下，抗压强度≥140MPa，与变形钢筋的黏结强度≥60MPa，大幅度地提高混凝土的抗压强度，钢筋与混凝土的黏结强度，可以极大提高钢筋混凝土构件配筋率，减小保护层厚度，提高结构构件的承载能力和耐久性，具有良好的经济效益。

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种室外养护条件下的超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土及其制备方法。

背景技术

自1824年波特兰水泥的发明以来，混凝土就因其易成型、价格便宜等得到了迅速的应用，其用量之大，适用范围之广堪居世界之最。尽管混凝土是一种传统的人造建筑材料，但因其具有不可取代的优越性(原料丰富、生产工艺简单、性价比高等优点)以及混凝土材料科学与技术的不断进步，混凝土已成为土木工程用材的主体，在未来的土木工程和国家建设中也将是不可缺少的主材之一。但是，随着城市规模的不断扩大，人口的不断增多，地价的不断升高，建筑所处环境的严酷化，建筑技术的不断进步，建筑物越来越向空中、地下、水中及海洋中延伸，建筑向着(超)高化、(超)大跨化、地下化、轻量化及重型结构的方向发展，这就对混凝土这种建筑材料的要求也越来越高，传统的混凝土作为建筑材料的固有缺点愈发地表现出来，例如普通混凝土抗压、抗拉强度低，韧性差，耐久性差等缺点都极大地限制了普通混凝土的应用，因此，混凝土的超高强化和超耐久化的研究和实践成为该领域的发展趋势。

我国处在地震断裂带上，属于地震多发国家，近年来我国经历了数次比较大的地震，比如：2008年5月12日汶川发生的8级巨大地震、2010年4月14日青海玉树发生的7.1级地震、2013年4月20日，四川庐山发生的7.0级地震、2014年8月3日，云南鲁甸发生的6.5级地震等，都在一定程度上给国家和人民带来了灾难与损失，很多受灾人民在地震中死去，其中一个主要的原因是由于房屋的倒塌。这就对我国的建筑结构抗震水平提出了更高的要求，传统的混凝土具有抗拉强度低、延性差、易开裂导致混凝土剥落等缺点不利于结构抗震，高性能纤维增强混凝土在一定程度上克服了普通混凝土的这些缺点，是一种较为理想的抗震材料。

近年来建筑结构向高层、超高层，大跨和重型化方向发展，并且很多结构暴露在海边、冻融地区、侵蚀性大气等恶劣环境中，这就对混凝土材料和构件的力学性能、耐久性等提出了更高的要求，传统的混凝土材料强度低、延性和耐久性差，显然已经不能满足要求，于是越来越多的国内外学者着手研究高性能混凝土。高性能混凝土包括高强高性能混凝土和高性能纤维增强混凝土，高强高性能混凝土具有抗压强度高、高抗渗性、良好的耐久性和工作性等优良性能，但是高强高性能混凝土的缺陷是脆性大、抗拉强度低，为了改善它的受拉延性，研究人员在其基体中加入纤维(合成纤维或者钢纤维)，研制出了高性能纤维增强混凝土，高性能纤维增强混凝土不仅抗压、抗拉强度高，黏结强度、韧性和耐久性都得到了极大地提升，并且配制高性能混凝土利用了粉煤灰和硅粉等工业废料，具有可持续发展性，所以高性能纤维增强混凝土具有广阔的应用前景。

国内现有技术制作高性能纤维增强混凝土在室外养护条件下，制备超高强度(抗压强度超过120MPa)的高性能纤维增强混凝土一般都采用P·O 52.5或者P·O 62.5水泥，以标准砂作为骨料，钢纤维掺量为3％制作的活性粉末混凝土，其抗压强度为178.8MPa，但是这种配制技术对原材料要求较高，比如：目前市场上供应的水泥以P·O42.5水泥为主，P·O 52.5或者P·O 62.5水泥由于需求量很少，很难在市场上买到；标准砂属于国家专营专控的战略性物资，任何单位和个人未经允许不得经营，标准砂对原材料的选取、加工工艺都有严格的要求，并且价格昂贵，所以这种配制技术很难大面积推广。其他研究人员配制的混凝土的抗压强度都不超过140MPa，足以说明在室外养护条件下抗压强度超过140MPa的混凝土的配制技术仍然是一个难点，这在一定程度上也限制了我国高性能纤维增强混凝土的发展与应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种原材料采用市场上容易买到的、价格相对便宜，在室外养护条件下强度等级为C140的超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土及其制备方法。

为达到上述目的，本发明的高强度和高黏结性能纤维增强混凝土，按以下重量比配制：

水泥：水：硅灰：石英粉：石英砂1：石英砂2：石英砂3：石英砂4：减水剂：钢纤维＝850：180-200:180-210:200:127:190:222:317:20-30:150-250。

所述水泥选择42.5硅酸盐水泥。

所述硅灰选择灰白色无定形超细非晶体粉末，其比表面积为15-27m²/g，活性指标≥85@28d，需水比≤125，SiO₂≥93％，烧失量≤2.6％。

所述石英粉和石英砂1：石英砂2：石英砂3：石英砂4以质量比计：SiO₂含量为99.72％，TFe₂O₃含量为0.024％，灰粉量≤0.01，莫氏硬度7.2°以上，耐火温度1750°，表观密度为2.66、堆积密度为1.6，产品符合国家DZG2014-05质量认证体系标准。

所述石英砂1、石英砂2、石英砂3和石英砂4的粒径范围分别为70-120目、40-70目、20-40目、10-20目。

所述减水剂采用聚羟酸减水剂，外观为浅黄色液体，PH值为6-8，减水率为20％-40％，比重为1.06±0.02，含固量为20±0.5％，氯离子含量为零。

所述钢纤维选择等效长度为7mm、等效直径为0.18mm、长径比为39的圆柱形直钢纤维，表面镀铜，杂质<0.1％，抗拉强度为2850MPa，弯曲性能及质量符合YB/T151-1999质量标准。

一种超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)先将石英砂1、石英砂2、石英砂3、石英砂4、石英粉、水泥和硅灰，依次加入强制式单卧轴混凝土搅拌机中，干拌混合均匀；

2)在搅拌机转动状态下加入水和减水剂，搅拌均匀；

3)在搅拌机转动状态下加入钢纤维，搅拌均匀；出料，即得到超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土拌合物。

本发明的混凝土应用在建筑结构中，能够大幅度提升结构构件的承载能力。另外，该混凝土能显著提高钢筋混凝土之间的黏结强度，可以显著增加钢筋用量，减小钢筋保护层厚度，使得“超筋构件”的出现成为可能，进一步提高结构构件的承载力；结构的耐久性，延长结构的使用寿命，具有良好的工作性能、高体积稳定性和经济性；而且混凝土的基体中加入大量工业废料填充基体内部的孔隙，增加混凝土的密实度，所以可以显著减少水泥用量，节约能源资源，显著减少CO₂等有害气体的排放，实现绿色可持续发展，同时基体密实度的提高显著改善了混凝土的耐久性，适用于环境条件比较恶劣的地区，如：近海工程、桥梁、隧道工程以及军事工程等。

本发明的有益效果是：

1、本发明生产的混凝土是一种在室外养护条件下强度等级为C140的超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土。该混凝土能确保其所应具备的力学性能(即C140强度和黏结强度)以及具有高耐久性、高工作性、高体积稳定性和经济性；

2、本发明生产的混凝土的原材料采用目前国内市场上比较常见的材料，原材料易得，便于超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土的推广；

3、本发明生产的混凝土使用一般的混凝土搅拌机设备，避免了使用大型特殊设备；

4、本发明生产的混凝土采用室外养护条件，避免了使用高温、高压等在施工现场无法达到的特殊养护条件等，为高性能纤维增强混凝土在我国的大面积推广应用奠定了基础；

5、本发明中使用的减水剂选择聚羧酸系混凝土超塑化剂(减水率应大于30％)，相比其它类型的减水剂，与普通硅酸盐水泥的相容性良好，其不含Na₂SO₄，可进一步提高该混凝土的耐久性。

6、本发明生产的混凝土在室外养护条件下强度等级为C140的一种超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土的原材料中含有大量的硅灰，它是工业废料和废弃物，其消纳可对环境保护做出巨大贡献，符合可持续发展的要求，是一种绿色混凝土，一种环境友好材料。

7、本发明生产的混凝土在室外养护条件下强度等级为C140的一种超高强度高黏结性能纤维增强混凝土的原材料中含有大量的硅灰，它能填充水泥颗粒之间的孔隙，显著改善混凝土的工作性能，大幅减少水泥用量，减少CO₂等温室气体的排放，有利于减轻温室效应，符合国家绿色可持续发展的要求。

8、本发明生产混凝土的制备工艺流程简单且易于操作，适合工程化和工业化，易于大面积推广。

9、本发明生产的混凝土与变形钢筋的黏结强度高，可以减小钢筋混凝土构件中钢筋之间的间距、保护层厚度，提高配筋率等，极大地提高钢筋混凝土构件的抗弯、抗剪承载力。

具体实施方式

本发明所生产的高性能纤维增强混凝土剔除了粗骨料，有效克服粗骨料的存在造成的混凝土内部的不均匀性，并通过改善细骨料颗粒之间的搭配，使获得的混凝土更加密实、均匀，并且在混凝土浇筑时进行有效振动，进一步增加混凝土的密实度，大幅度提高了混凝土的抗压强度和耐久性，同时由于钢纤维的加入，提高了混凝土的抗拉强度和韧性，即使在混凝土受拉开裂以后，能够达到裂而不碎，保持混凝土的完整性，显著提高了结构的抗震性能。同时，高性能纤维增强混凝土的配制要求的水泥用量相对较少，而生产水泥意味着二氧化碳的大量排放，故在一定程度上减轻了对地球造成的温室效应；它要求有足够数量并占胶结材料比重较大的硅灰等优质的活性矿物掺料，意味着工业废料的合理处置利用，将有利于形成良好的生产循环和环境保护，而这些优质的活性矿物掺料正是改善混凝土材料自身性能所需要的。总之，应用高性能纤维增强混凝土可以节约水泥、将工业废料变废为宝、延长结构工程使用年限，并最终保护生态环境和自然资源。综上所述，高性能纤维增强混凝土的研究与开发将为更好地使用混凝土走出了一条可持续发展的道路，它将提升结构工程的综合能力与性能，促进高性能纤维增强混凝土在我国，尤其高烈度地震区的高层、超高层建筑，海上平台或水下结构，地下建筑，大跨、重型结构中推广应用，改善基础设施和人居环境中建筑结构的科技含量，并发挥它具有较大的承载能力和刚度、良好的抗震性能、施工进度快、耐久性好及显著的社会和经济效益等独特优势。因此，高性能纤维增强混凝土具有很高的工程应用价值和广阔的市场前景。

本发明研制的室外养护条件的强度等级为C140的超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土，除了与普通混凝土采用类似的材料—水泥、砂、水外，还加入了其不可缺少的组分：混凝土减水剂和活性矿物掺合料(硅灰)，另外还掺入了钢纤维。高性能纤维增强混凝土与普通混凝土不同，其强度和黏结性能均较普通和高强混凝土有大幅度的提高。高性能纤维增强混凝土的水灰比一般都小于0.20，而普通和高强混凝土的水灰比一般在0.30以上，高性能纤维增强混凝土剔除了粗骨料。上述各项差异导致了高性能纤维增强混凝土与普通和高强混凝土在性能上有着很大的差别，通过加入超细活性矿物惨料，利用超细活性矿物掺料的火山灰反应、填充效应及增塑效应，优化高性能纤维增强混凝土材料中胶凝材料部分的颗粒级配，不仅使高性能纤维增强混凝土中集料与水泥石之间的界面结构以及水泥石的孔结构均得到了大幅改善，提高了水泥石的致密度、抗渗性，同时典型的致密结构能扩展到骨料表面，从而使高性能纤维增强混凝土更加密实坚硬，高性能纤维增强混凝土的力学性能和耐久性能均有很大的提高。同时，混凝土制备工程中采用振动台振实的方法，使其密实度有效提高，对高性能纤维增强混凝土的力学性能和耐久性能的提高均做出了不小的贡献。另外，通过钢纤维的掺加，可使混凝土具有一定的韧性，改善混凝土的脆性性能。

本发明所要解决的关键技术问题是，在保证混凝土工作性的基础上增加混凝土的力学性能、黏结性能和耐久性。本发明考虑混凝土超塑化剂与水泥的相容性，骨料粒径之间的级配对混凝土强度及性能的影响以及活性矿物掺料的火山灰活性等性能因素，选用优质细骨料并控制粒径和级配，在高性能纤维增强混凝土配制材料中掺入适量的混凝土超塑化剂和优质活性矿物超细粉，降低水灰比，立足于当地现有的易得材料，不改变常规生产工艺，利用活性矿物掺合料的火山灰反应、增强效应、填充效应、耐久性改善高性能纤维增强混凝土水化热的温峰消减效应，并充分利用活性矿物掺合料复合掺入及活性矿物掺合料与高效减水剂的复合掺合料所产生的超叠加效应，配制出力学性能好、黏结性能优良、工作性能优异、耐久性能好、成本相对较低的在室外养护条件下的强度等级为C140的超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土。本发明的力学性能试验对比结果如表2所示。

本发明选择原材料时，不仅要求原材料为优质，还要求配制高性能纤维增强混凝土所用的原材料为当地易得。另外，考虑到所配制混凝土的强度很高，根据最大密实度理论对混凝土材料中细骨料的颗粒级配进行优化，使粗细颗粒互相有良好的填充，以减少骨料的空隙率；同时，一般水泥的平均粒径为20～30μm，小于10μm的颗粒并不多，而活性矿物掺合料的颗粒粒径远比水泥颗粒粒径细小，硅灰的平均粒径很小，为0.10～0.26μm，能填充水泥颗粒之间的空隙，故此在所配制的高性能纤维增强混凝土材料中对胶凝材料部分的颗粒级配进行优化也至关重要。而外部劣化因子(如硫酸盐等因子)对混凝土的侵蚀性很大程度上取决于混凝土的空隙构造，而这正是造成混凝土耐久性问题的主要原因。活性矿物掺合料的掺入，降低了水泥颗粒之间和界面的空隙率，使水泥石结构和界面结构更为致密，阻断了可能形成的渗透通路，从而使所配制的高性能纤维增强混凝土的抗渗性大幅度提高，水及其它各种侵蚀介质(Cl^-、SO₄^2—、CO₂等)均难以进入混凝土内部，并可减少碱-硅反应的发生几率和次氯酸钙的生成几率，其强度和耐久性能得到大幅度提高。即当水泥石结构和界面结构中大于0.1μm的大孔含量较低时，将有利于所配制高性能纤维增强混凝土的各项性能的改善,否则，对所配制高性能纤维增强混凝土的强度、抗渗性能、抗腐蚀性能和耐久性能均不利。

以活性矿物掺合料取代部分水泥后，还可以使水泥颗粒空隙中的一部分水分被填充其内的矿物掺合料置换出来，可使水泥净浆的流动度增大。但也并不是所有的矿物掺合料都具有这种显著的增塑效应，主要是由于部分活性矿物掺合料的比表面积太大或者其本身具有多孔结构，虽然其取代水泥后能置换出水泥净浆中的部分水分，但由于其本身吸水或润湿表面需要较多自由水，导致水泥净浆的流动性并不增大。为了保证所研制高性能纤维增强混凝土的高工作性能，本发明采用混凝土超塑化剂和活性矿物掺合料复合掺入的方法，在两者的协同工作下，活性矿物掺料的微细颗粒不仅充分发挥了它们的填充效应，并将填充于空隙之中的水分置换出来，使颗粒之间的间隔水层加厚；另外，活性矿物掺合料的微细颗粒吸附了混凝土超塑化剂分子，其表面形成的双电层电位所产生的静电斥力大于粉体粒子之间的万有引力，促使粉体颗粒分散，并进一步加剧水泥颗粒的分散，使水泥净浆的流动性增加，从而有效地改善了混合料的流动性；同时，超细活性矿物掺合料的掺入降低了水化热，可提高混凝土的体积稳定性。

用于配制高性能纤维增强混凝土的原材料中的骨料应具有较高的固有强度、韧度和稳定性，以能够抵御各种静态和动态应力、冲击及磨蚀作用，而不会导致所配制混凝土性能的下降。水泥浆体中硅灰含量比例不同时的粘结强度相差亦很大，掺硅灰时，水泥浆体与骨料之间的粘结强度比不掺时高得多。普通混凝土在破坏时，水泥浆体与骨料的粘结界面是薄弱环节，裂缝是沿着水泥浆体与骨料的界面出现的，骨料一般不会破坏，且外界侵蚀也往往从此界面开始发展，而高性能纤维增强混凝土中剔除了粗骨料，使得水泥浆体与骨料的粘结界面不再是薄弱环节。本发明的研究中选用的细骨料采用质地坚硬、级配良好、含泥量小的石英砂；同时由于混凝土中粗骨料的存在导致了混凝土内部的不均匀性，并且粗骨料和水泥浆的界面粘结处成为粘结强度的薄弱部位，所以本发明生产的混凝土剔除了粗骨料。这样，混凝土的均匀性又得到了进一步的提升，从而使混凝土更加密实，强度也进一步得到提高。

本发明在制备时采用改进的普通混凝土搅拌工艺，在强制式搅拌机中进行搅拌，这种搅拌流程能够提高材料之间的均匀性，提高混凝土的强度，不易出现离析、泌水等现象，工作性能相对较好。

实施例1：

(一)原材料

1、水泥

选择质量稳定、性能较好的P·O 42.5水泥，使用前与聚羧酸系混凝土超塑化剂进行两者之间的适应性试验，试验方法采用现行建材行业标准《水泥与减水剂相容性试验方法》JC/T 1083-2008中的方法，与聚羧酸系混凝土超塑化剂相容性良好。所选水泥性能指标符合国家现行相关标准的要求，其碱含量少、水化热低、需水性也低。

2、细骨料

石英粉和石英砂1：石英砂2：石英砂3：石英砂4选择以质量比计，SiO₂含量为99.72％，TFe₂O₃含量为0.024％，生产石英砂所用原材料石英矿石是一种质地坚硬、耐磨、化学性质稳定的硅酸盐类纯天然矿物质，且无毒、无味、无放射性、耐腐蚀等特点，石英砂呈白色结晶体、颗粒均匀，不混目、灰粉量≤0.01，莫氏硬度7.2°以上，耐火温度1750℃，表观密度为2.66、堆积密度为1.6，产品符合国家DZG>

3、硅灰

硅灰选择无定形超细(非晶体)粉末，灰白色，比表面积为15-27m²/g，活性指标≥85@28d(国标)，需水比≤125，SiO₂≥93％，烧失量≤2.6％，品质符合国家标准《高强高性能混凝土用矿物外加剂》GB/T>

4.减水剂

该发明所选用的高效减水剂为聚羧酸系混凝土超塑化剂，其品质应不低于现行国家标准《混凝土外加剂》GB 8076-2008等相关标准的规定要求，所选用高效减水剂的减水率应大于30％。所选用高效减水剂的最大饱和掺量不小于全部胶凝材料总量的2.5％，采用同掺法，且使用前需与所选择的水泥品种进行相容性试验。

5.钢纤维

钢纤维选择等效长度为7mm、等效直径为0.18mm、长径比为39圆柱形直钢纤维，钢纤维形状合格率≥98％，表面镀铜，杂质<0.1％，抗拉强度为2850MPa，弯曲性能合格，质量符合YB/T151-1999质量标准。

6.拌合用水

选用自来水为拌合水，其品质符合国家建设部部标准《混凝土拌合用水标准》JGJ63－2006等相关标准的规定要求，且碱含量少于800mg/L。

(二)配合比

本发明对于在室外养护条件下的强度等级为C140的超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土提供的配合比如表1所示。

表1 超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土配合比

材料水泥水硅灰石英粉石英砂1石英砂2石英砂3石英砂4减水剂钢纤维质量/kg85019020020012719022231725200

(三)搅拌工艺

该发明采用改进的普通混凝土搅拌工艺，具体工艺步骤如下：

1)先将石英砂1、石英砂2、石英砂3、石英砂4、石英粉、水和硅灰，依次倒进搅拌强制式单卧轴混凝土搅拌机中，干拌2分钟；

2)在搅拌机低速转动状态下加入水和减水剂，搅拌10分钟；

3)在搅拌机低速转动状态下加入7mm钢纤维，搅拌5分钟至均匀；出料，即得到超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土拌合物；

将装好模的混凝土拌合物放在振动台上振动2分钟，振动频率为50Hz/s；将拆模后的试件放置室外养护至28天后进行力学性能试验其结果见表2。

力学性能试验结果对比

按照上述配合比所配制的在室外养护条件下的强度等级为C140的超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土与一般混凝土和活性粉末混凝土的力学性能对比试验结果如表2所示。

表2 混凝土力学性能对比试验结果

从表2可以看出，与普通混凝土和活性粉末混凝土相比，按该技术制备的强度等级为C140的超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土，实现了能确保其所应具备的力学性能(即抗压强度和黏结强度等指标)以及具有抗压、抗拉强度高、黏结强度高的优势，可带来显著的经济效益，具有较高的工程应用价值和广阔的市场前景。

实施例2：本实施例的超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土配合比如下表，其原料选择、制备方法同实施例1

材料水泥水硅灰石英粉石英砂1石英砂2石英砂3石英砂4减水剂钢纤维质量/kg85018019020012719022231730150

实施例3：本实施例的超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土配合比如下表，其原料选择、制备方法同实施例1

材料水泥水硅灰石英粉石英砂1石英砂2石英砂3石英砂4减水剂钢纤维质量/kg85020018020012719022231720250

实施例4：本实施例的超高强度和高黏结性能纤维增强混凝土配合比如下表，其原料选择、制备方法同实施例1

材料水泥水硅灰石英粉石英砂1石英砂2石英砂3石英砂4减水剂钢纤维质量/kg85018521020012719022231728230