一种超高性能混凝土及其制备方法与流程
一种超高性能混凝土及其制备方法与流程
超高性能混凝土的背景与挑战
随着现代建筑技术的不断发展，建筑工程对混凝土材料的性能要求日益提高。传统的混凝土材料虽然具有一定的强度和耐久性，但在面对一些特殊工程需求时，往往表现出诸多局限。例如，在高层建筑、桥梁、隧道、核电站等工程中，传统混凝土在承载力、抗裂性、耐久性等方面难以满足要求。这种情况下，研发具有更高强度、更好耐久性和更优异物理性能的混凝土材料，显得尤为重要。
超高性能混凝土（UHPC）作为一种新型建筑材料，逐渐受到广泛关注。与传统混凝土相比，UHPC具有更高的抗压强度和抗拉强度，通常可达到120MPa以上，甚至更高。此外，UHPC在微观结构上的致密性显著提高，因而具有极佳的抗渗性、抗冻性和耐化学腐蚀性。这些特性使得UHPC在极端环境下的应用潜力巨大，如高寒地区、海洋工程以及核电站等特殊领域。
然而，UHPC在配方设计上使用了较高比例的超细材料和较低水胶比，使得混合物具有较高的粘度。高粘度的UHPC混合物流动性较差，难以通过传统的振捣手段使其均匀填充模板，尤其是在复杂的结构中更为明显，混凝土容易出现分层、空洞等质量问题，直接影响到最终结构的强度和耐久性。其次，UHPC的高粘度也对泵送性能提出了更高的要求，常规的泵送设备和工艺往往难以满足其输送需求，进一步限制了UHPC在大体积和复杂结构中的应用。
技术实现思路
为了解决超高强度混凝土流动性差的问题，本技术提供一种超高性能混凝土及其制备方法。
混凝土配方设计
一种超高性能混凝土，其组分按重量计包括硅酸盐水泥45-55份、硅灰12-18份、细骨料12-18份、减水剂0.5-2份、水10-15份和增强纤维2-6份，所述细骨料选用粒径分布在0.2-2mm之间的石英砂。
通过采用上述技术方案，本技术通过对各组分的合理配比，整体上优化了混凝土的流动性、密实度、强度以及抗裂性能。通过控制减水剂和水的添加量相配合，混凝土的流动性得到了显著改善。减水剂降低了拌合物中的水需求，而适量的水分使得混凝土既保持了流动性，又避免了流动性过大导致的泌水现象，实现了混凝土中合理的水灰比，确保了混凝土具有良好的强度、密实度和耐久性。硅酸盐水泥和硅灰的搭配，结合适量的细骨料，使得混凝土的基体密实度显著提高。硅灰和石英砂的共同作用，填充了水泥基体中的微细孔隙，增强了混凝土的强度和耐久性。增强纤维在保证混凝土流动性和强度的同时，显著提高了混凝土的抗裂性能。纤维的分布有助于阻止裂缝的发展，使混凝土具备更高的抗拉强度和韧性。确保了混凝土具有良好的强度、密实度和耐久性。
减水剂配方设计
可选的，所述减水剂组分按重量份计包括甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯50-60份、氧化石墨烯5-10份、聚谷氨酸5-15份、氟化硅酸钠3-9份、气相二氧化硅5-10份。
通过采用上述技术方案，甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯是主要的减水剂成分，能够通过其长链分子结构和侧链的官能团，与水泥颗粒表面发生吸附作用，形成稳定的水化层。同时，它能够在水泥颗粒表面产生空间位阻效应，防止颗粒之间的团聚，使水泥浆体更均匀，流动性更强。氧化石墨烯具有二维片状结构，能够在混凝土中分散，形成均匀的纳米网络结构。这种结构有助于减少拌合物中的摩擦阻力，增强水泥浆体的流动性。氧化石墨烯的加入不仅提升了混凝土的流动性，还由于其强大的分散能力，进一步优化了水泥颗粒的分散效果，从而降低了混凝土的粘度，提高了施工性能。聚谷氨酸的高吸水性使其能够锁住拌合物中的自由水，形成均匀的水分分布，确保了在施工过程中混凝土具有良好的流动性，特别是在长时间运输或高温条件下，它能有效防止混凝土的快速失水，保持流动性稳定。气相二氧化硅减少颗粒间的空隙和摩擦，进一步改善了混凝土的流动性。这一减水剂配方通过科学合理的组分组合，大幅提升了混凝土的流动性，使得混凝土在低水灰比条件下仍能保持优异的施工性能，满足高流动性、高强度的工程需求。
可选的，所述减水剂中还包括羧酸-磺酸共聚物4-6份。
通过采用上述技术方案，羧酸-磺酸共聚物是一种具有双亲性的分子结构，它结合了羧酸和磺酸基团的优点。羧酸部分提供了与水泥颗粒表面的强吸附能力，形成稳定的吸附层；磺酸基团则提供了额外的电荷，使得水泥颗粒表面带有更多负电荷，进一步增强了颗粒之间的静电排斥作用。羧酸-磺酸共聚物通过其双重作用机制，使得水泥颗粒的分散性进一步增强。这种增强的分散效果能够进一步降低混凝土的需水量，在保持良好流动性的同时，确保混凝土的强度和密实度。由于磺酸基团的加入，水泥颗粒之间的静电排斥力增加，使得颗粒之间的团聚现象减少，混凝土浆体的粘度降低，从而显著提高了混凝土的流动性。特别是在低水灰比条件下，这一效果尤为明显。羧酸-磺酸共聚物还具有良好的保水能力，这使得混凝土在长时间施工过程中流动性保持更好，减少泌水和离析现象，提高了施工操作性和最终成品的表面质量。
增强纤维设计
可选的，所述增强纤维选用钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维中的一种。
通过采用上述技术方案，钢纤维具有极高的强度和弹性模量，能有效提高混凝土的抗拉强度和韧性，抵抗微裂缝的扩展，从而增强混凝土的断裂韧性。这使得UHPC在受力较大的结构构件中表现出色，能够更好地承受荷载。玻璃纤维可以提升混凝土的抗拉强度和韧性，尤其是在需要高耐久性的结构中，玻璃纤维的抗腐蚀性也使得混凝土更适合应用于苛刻环境下。聚丙烯纤维能够有效抑制由于塑性收缩和干缩而产生的早期裂缝，从而提高混凝土的整体耐久性。增强纤维的加入可以形成一个多向分布的微观网络结构，在混凝土受拉时能够更有效地分散应力，阻止裂缝的形成和扩展。
可选的，所述增强纤维长度为5-12mm，所述增强纤维直径为0.2-0.3mm，所述增强纤维表面粗糙度Ra为1.5-3.0μm。
通过采用上述技术方案，对于增强纤维长度、直接和表面粗糙度的选择，使得其加入超高强度混凝土中能够保证纤维在混凝土基体中能够均匀分散、结合力良好，提高混凝土的抗拉强度和韧性，并且混凝土的流动性不会受到显著影响，能够在保证混凝土的强度的同时保证其流动性。
细骨料设计
可选的，所述石英砂中按质量百分比计的颗粒级配如下：0.2-0.6mm细颗粒占比40％-50％、0.6-1.2mm中颗粒占比30％-40％、1.2-2.0mm粗颗粒占比10％-30％。
通过采用上述技术方案，细颗粒填充中、粗颗粒之间的空隙，从而提高混凝土的密实度。这种级配优化了颗粒间的排列，减少了孔隙率，提高了混凝土的强度和耐久性。较高比例的细颗粒和中颗粒能够提供足够的润滑效果，减少粗颗粒之间的摩擦，从而提升混凝土在施工中的可操作性。这种优化的颗粒级配能够在不显著增加水灰比的情况下，保持混凝土的良好流动性。此外，由于这种石英砂级配使混凝土更加密实，减少了水泥浆中的空隙，从而降低了水分蒸发引起的干缩现象。这有助于减少混凝土的开裂风险，提高了其耐久性，特别是在早期收缩阶段，优化的颗粒级配能够有效抑制塑性收缩裂缝的产生。
硅灰设计
可选的，所述硅灰粒径分布在0.1-0.3μm，所述硅灰比表面积为15-30m2/g，所述硅灰颗粒形状为球形颗粒。
通过采用上述技术方案，硅灰粒径在0.1-0.3μm的超细颗粒能够很好地填充混凝土中较大的孔隙，尤其是水泥颗粒之间的间隙。这种细微填充作用使混凝土的密实度显著增加，从而提高了混凝土的抗压强度和抗渗透性能。硅灰的比表面积为15-30m2/g，意味着它具有较大的表面积，能够与水泥中的氢氧化钙快速反应，生成更多的硅酸钙水合物。这种火山灰反应不仅增强了混凝土的早期强度，还大幅提升了其长期耐久性。并且硅灰颗粒呈球形，相比较于常规的不规则或片状结构的硅灰，这种颗粒形状有助于改善混凝土的流动性和可操作性。
制备方法
第二方面，本技术提供一种超高性能混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：一种超高性能混凝土的制备方法，以下步骤：
将硅酸盐水泥、硅灰、细骨料混合并搅拌，在搅拌中加入减水剂和水，以150-300r/min的速度搅拌5-10min，得到混凝土拌合物，向混凝土拌合物中加入增强纤维并搅拌均匀；将混凝土拌合物浇筑在模具中，静置24h后将混凝土在温度40-50℃、湿度90-100％下蒸汽养护30-40h，完成后脱模，再自然养护15-20天。
通过采用上述技术方案，在制备过程中，将硅酸盐水泥、硅灰、细骨料混合搅拌，并通过减水剂优化混凝土的流动性和工作性。搅拌速度控制在150-300r/min，并持续5-10分钟，确保所有组分充分混合，避免局部不均匀性。这种处理方式使混凝土拌合物具有更高的均匀性，增强了最终材料的力学性能和稳定性。浇筑后的静置24小时为混凝土提供了初步凝结时间，随后在40-50℃、湿度90-100％条件下进行蒸汽养护30-40h，能够加速水泥水化反应。蒸汽养护在高温高湿条件下，有助于生成更多的水化产物，特别是硅酸钙水合物(C-S-H)，从而提高混凝土的早期强度和密实度。蒸汽养护不仅促进早期强度发展，还减少了混凝土中的毛细孔，降低了孔隙率，进而增强了混凝土的抗渗透性、抗化学腐蚀性和抗冻融性能。同时，通过蒸汽养护，能够有效减少收缩裂缝的形成，提高了超高性能混凝土的整体抗裂性能。在蒸汽养护后，进行15-20天的自然养护，进一步稳定混凝土的微观结构，确保水化反应充分进行，避免内部应力的过度积累。自然养护提供了更长时间的湿养护条件，有利于混凝土强度的持续增长以及微裂纹的修复，从而保证混凝土在使用过程中的长期稳定性。
总结
本技术通过精细配比硅酸盐水泥、硅灰、细骨料、减水剂、水和增强纤维，显著优化了超高性能混凝土的流动性、密实度、强度和抗裂性能。减水剂的使用减少了水需求，维持了良好的流动性并避免泌水现象，确保了混凝土的高强度与耐久性。硅灰和石英砂的搭配填充了基体中的微孔隙，增强了密实度与强度，增强纤维则提升了混凝土的抗裂性和韧性，使其具备优异的抗拉强度和耐久性。
本技术中减水剂配方优选通过甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、氧化石墨烯、聚谷氨酸、氟化硅酸钠和气相二氧化硅的组合，显著提升了混凝土的流动性和施工性能。甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯作为主要成分，通过长链分子结构和空间位阻效应改善水泥浆体的均匀性和流动性；氧化石墨烯和气相二氧化硅增加了浆体的填充度和流动性；聚谷氨酸确保混凝土在长时间运输或高温条件下保持水分和流动性稳定。总体而言，该配方在低水灰比条件下满足了混凝土的高流动性和高强度需求。
本技术的方法，先通过干料混合，再使用减水剂优化其流动性和工作性。控制搅拌速度在150-300r/min，搅拌5-10分钟确保均匀性，提升力学性能。浇筑后，静置24小时让混凝土初步凝结，再在40-50℃、湿度90-100％下进行10-14天的蒸汽养护，加速水化反应，增强早期强度、密实度及抗渗性。蒸汽养护减少裂缝形成，提升抗裂性能，随后进行10-15天自然养护，确保微观结构稳定，进一步提高混凝土的强度和耐久性。
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