一种超高韧性混凝土及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种混凝土，具体涉及一种超高韧性混凝土及其制备方法。
【背景技术】
[0002]作为当今世界上应用最为广泛的建筑材料，混凝土存在抗弯强度较低和脆性高的缺点，导致混凝土在使用中易产生裂缝甚至断裂，从而严重影响建筑的整体安全和使用寿命。现代建筑中大量存在的一些建筑结构和部位，如高铁高架桥、大跨度跨海和跨江大桥的桥面、以及地铁等各类型隧道拱墙，由于其应力环境复杂苛刻，必须采用抗弯强度尽可能高的高韧性混凝土材料。为提高混凝土的韧性，钢筋被较早采用并大量使用至今。之后，力学性能和增韧效果更好的各类纤维材料，如碳纤维、玻璃纤维、福塔纤维、钢丝/钢丝网纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维、杜拉纤维等先后被采用，并开发出相应的混凝土产品。
[0003]目前，制备的桥梁混凝土方案主要是掺加粉煤灰、矿粉、硅粉等矿物掺合料和高效减水剂，矿物掺合料提高了混凝土密实性，进而提高抗氯离子渗透能力；然而，加入矿粉、粉煤灰等掺合料制备的混凝土其韧性依然得不到很好的改善。另外，发明专利ZL201010266982.0采用直径为13 μm、长度为1mm的短切玄武岩纤维作为增韧材料，制备得到一种高韧性混凝土，其抗弯强度(28d)为4.3-6.5MPa。发明专利ZL201210566338.4采用聚丙烯腈纤维和钢纤维作为增韧材料，制备得到一种高韧性混凝土，其最优抗弯强度(28d)为8.6MPa。发明专利CN201110323697.2公开了一种混凝土及其制备方法。该混凝土包括胶凝材料、河沙、超塑化剂、水、钢纤维及聚丙烯纤维。其抗折强度为17.1-18.6MPa。上述专利所公开的混凝土的抗折强度虽然有一定程度的提高，但是在某些特定的工程领域，如钢桥面铺装，因其疲劳变形大，现有的混凝土很难满足要求，因此，急需研宄一种更高韧性的混凝土材料。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种超高韧性混凝土，它具有抗压强度高、韧性高，又具有良好的施工性能，可泵送现浇的特点。
[0005]本发明的第二个目的是为了提供一种超高韧性混凝土的制备方法。
[0006]实现本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0007]一种超高韧性混凝土，其特征在于，其主要成分包括水泥、硅灰、矿渣、粉煤灰、石英粉、石英砂、钢纤维、纳米碳酸钙、水、减水剂；
[0008]硅灰与水泥的重量比为10-20:100，
[0009]矿渣与水泥的重量比为1-20:100，
[0010]粉煤灰与水泥的重量比为5-20:100，
[0011]石英粉与水泥的重量比为30-38:100 ；
[0012]石英砂与水泥的重量比为80-150:100，
[0013]钢纤维的体积掺量为混凝土总体积的2.0 % -4 % ;
[0014]纳米碳酸钙与水泥的重量比为0.1-5:100 ；
[0015]水胶比为0.15-0.22 ;
[0016]减水剂与水泥的重量比为0.5-4:1OOo
[0017]水胶比是指每立方米混凝土用水量与所有胶凝材料用量的比值，胶凝材料重量=水泥重量+掺合料重量；在本发明中，掺合料包括硅灰、矿渣、粉煤灰。
[0018]作为优选，所述的水泥的铝酸三钙(C3A)含量不大于8%。因为C3A的收缩率高，水化热大，C3A含量较大的水泥容易因早期的温度收缩、自收缩和干燥收缩而开裂，且与混凝土外加剂的适应性变差，容易使混凝土出现假凝和塑性收缩。如含量大于8%，则塌落度经时损失大，容易出现早期收缩开裂的问题，强度仍够。
[0019]作为优选，所述的硅灰为球形颗粒，粒径在0.1 μm-0.2 μπι之间。本发明控制硅灰粒径为0.1-0.2 μ m，是高活性掺合料，与水泥、粉煤灰形成良好级配，并且参与水泥水化，提高强度。硅灰粒径过大，则活性差，抗压抗折强度均会有影响。如不是球形颗粒，则塌落度会偏小。
[0020]作为优选，所述的粉煤灰为一级粉煤灰，粒径小于45 μ m的颗粒占90%以上。这样设计能够保证混凝土的强度与和易性。
[0021]作为优选，所述的石英粉的二氧化硅含量> 95%，平均粒径为45 μπι的类球形颗粒。
[0022]作为优选，所述的石英砂的二氧化娃含量> 95%，粒径在0.4mm-1.3mm之间。这样设计能够保证混凝土的强度与和易性。
[0023]作为优选，钢纤维分为第一钢纤维和第二钢纤维两种，第一钢纤维的直径为0.12mm-0.16mm，长为6mm-8mm，体积掺量为混凝土总体积的0.5% -1.5% ;第二钢纤维的直径为0.18mm-0.22mm，长为12mm-14mm，体积掺量为混凝土总体积的1.5% -2.5%。这样设计能够提高混凝土的抗折强度并改善和易性。
[0024]作为优选，所述的钢纤维为镀铜高强纤维，抗拉强度大于2000MPa。
[0025]作为优选，纳米碳酸妈的粒径在5_80nm之间。这样设计能够提高抗折强度。
[0026]作为优选，所述减水剂为低引气高性能减水剂，减水率大于35%，含气量小于
[0027]作为优选，所述水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣的总重量与石英砂的重量比为0.8-1.5。
[0028]作为优选，所述的超高韧性混凝土的抗压强度120_180MPa，抗折强度20_40MPa，具有良好的施工性能，塌落度多180mm，可泵送现浇。
[0029]本发明的配方设计原理如下:
[0030]本发明配方中，掺入较大量的高效减水剂，控制石英砂的粒径，与水泥颗粒、粉煤灰颗粒、硅灰颗粒等形成一种良好的颗粒级配，再通过控制粉体材料与石英砂的重量比，最后，且最重要的是把钢纤维分成2种粗细不同的掺入，可大大减少因为钢纤维互相交叉成团造成的混凝土和易性的降低。另外，硅灰与水泥的重量比低于10:100时，强度很难达到150MPa，高于20:100时，需水量太大，混凝土和易性差很多。矿渣与水泥的重量比1_20，掺量太高则影响强度。粉煤灰与水泥的重量比低于5:100时，形成不了颗粒级配，混凝土流动性差；高于20:100则影响强度。
[0031]实现本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0032]一种超高韧性混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0033]I)按照配方配比准备好原料；
[0034]2)先分别将配方量的水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣、石英粉、石英砂、纳米碳酸钙、减水剂、钢纤维加入搅拌装置中进行搅拌，搅拌均匀后，再加入配方量的水进行搅拌流化，控制搅拌速度在20-48r/min，搅拌时间4_8min，即可得到超高韧性混凝土。
[0035]本发明的有益效果在于:
[0036]本发明通过掺入矿物掺合料、使用高效减水剂降低水灰比提高强度，通过掺入大量钢纤维提高其韧性，另外通过控制石英粉、石英砂及掺合料的颗粒级配、掺入纳米碳酸钙来保证混合物的流动性能，具有抗压强度高、韧性高，又具有良好的施工性能，可泵送现浇，是用于地下结构、粧、桥梁、桥面等承重结构物的良好材料。
[0037]本发明所述的超高韧性混凝土，按照普通混凝土力学性能试验标准GB/T50081—2002进行检测，其抗压强度120-180MPa，抗折强度20_40MPa，具有良好的施工性能，塌落度^ 180mm，可泵送现饶。
【具体实施方式】
[0038]下面，结合【具体实施方式】，对本发明做进一步描述:
[0039]实施例1:
[0040]一种超高韧性混凝土的制备方法，包括如下步骤:
[0041]I)按照配方配比准备好原料:水泥I份、硅灰0.1份、矿渣0.05份、粉煤灰0.05份、石英粉0.3份、石英砂I份、体积掺量占混凝土总体积的1.5%的第一钢纤维，体积掺量占混凝土总体积的2%的第二钢纤维，纳米碳酸钙0.03份，水0.22份，减水剂0.01份；
[0042]2)先分别将配方量的水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣、石英粉、石英砂、纳米碳酸钙、减水剂、第一钢纤维、第二钢纤维加入搅拌装置中进行搅拌，搅拌均匀后，再加入配方量的水进行搅拌流化，控制搅拌速度20-48r/min，搅拌时间4_8min，即可得到超高韧性混凝土。
[0043]本实施例中，水泥的铝酸三钙(