[发明专利]用于超高性能混凝土的地质聚合物复合材料

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2010年12月17日提交的美国专利申请第61/457,052号的优先权，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及用于超高性能混凝土的地质聚合物复合粘合剂及其制备和使用方法。

背景技术

下面对本发明的背景进行简单描述以帮助理解本发明，但是申请人并不承认下面的描述是对本发明的现有技术的描述或者下面的描述构成本发明的现有技术。

近十年间，在含有波特兰水泥的高性能混凝土的研发方面取得了相当大的进展，或者，最近，在含有波特兰水泥的超高性能混凝土的研发方面取得了相当大的进展。超高性能混凝土（UHPC）通过达到非常高的强度和非常低的渗透性代表了超过高性能混凝土（HPC）的重大发展阶段。通常，UHPC的抗压强度为约120MPa至400MPa，其抗张强度为约10MPa至30MPa，且其弹性模量为约60GPa至100GPa。

UHPC通过作为“最小缺陷”材料受益，该“最小缺陷”材料为具有最少量的缺陷（例如，微裂纹和连通孔）和最大的堆积密度的材料。使缺陷最小化的一种方法为无宏观缺陷（MDF）法，该方法使用聚合物填充混凝土基体中的孔。对制备MDF混凝土所需的工艺要求非常高，该工艺包括层压和冲压。MDF混凝土易受水的破坏，具有大蠕变量，并且非常易碎。使缺陷最小化的另一方法为小颗粒致密化（Densified with Small Particles，DSP）法，该方法在混凝土混合物中使用大量强塑剂和硅粉。DSP混凝土必须使用极硬的粗骨料或必须完全排除这种极硬的粗骨料以防止所述骨料成为混合物的最弱组分。虽然DSP混凝土不需要MDF混凝土所需的非常严格的制备条件，但是DSP混凝土的抗张强度却低得多。已考虑添加钢纤维以改善DSP混凝土的延展性。

传统UHPC中使用的原理包括通过排除粗骨料改善均一性；通过各级粉末尺寸的广泛分布对颗粒混合物进行优化来提高堆积密度；通过添加诸如硅粉之类的凝硬性外加剂提高基体性能；通过降低水/粘合剂比例改善基体性能；通过夹杂小的钢纤维改善延展性；以及通过后设热处理（90℃至150℃）方法将无定形水合物转化成结晶产物以使微结构（雪硅钙石，硬硅钙石）能够得到改善来提高机械性能。

在不同国家，已由不同制造商开发出若干类型的UHPC。各种类型的UHPC之间的主要差异在于所使用的纤维的类型和数量。UHPC的四种主要类型为Ceracem/BSI、紧密增强复合材料（CRC）、多级水泥复合材料（MSCC）和反应性粉末混凝土（RPC）。RPC为最常用的UHPC并且目前一种这样的产品由Lafarge,Bouygues和Rhodia以商品名销售。

RPC混凝土混合物通常含有细沙（150μm-600μm）、波特兰水泥（<100μm）、硅粉（0.1μm-0.2μm）、碎石英石（5μm-30μm）、短纤维、强塑剂和水。典型的RPC混凝土混合物含有大约38.8%的沙、22.7%的波特兰水泥、10.6%的硅粉、8.1%的碎石英石、2.0%的钢纤维或有机纤维、1.4%的强塑剂和16.5%的水（全部为体积百分数）。

虽然波特兰水泥为传统UHPC中使用的主要粘合剂，但是波特兰水泥在传统UHPC中所占的比例比波特兰水泥在普通混凝土或HPC中所占的比例高得多。含有高比例的铝酸三钙（C₃A）和硅酸三钙（C₃S）且具有较低的布莱恩细度的水泥对于传统UHPC而言是理想的，因为C₃A和C₃S有助于产生高的初期强度，并且较低的布莱恩细度降低了需水量。添加硅粉起到若干种作用，包括颗粒堆积、由于球形本质而导致的流动性增加以及导致产生额外的硅酸钙的凝硬性反应性（与较弱的水合产物氢氧化钙反应）。最大直径为约600μm的石英砂为除钢纤维以外的最大组分。研磨的石英粉（约10μm）和石英砂均有助于优化堆积。通过减少制备流体混合物所需的水量由此降低渗透性，聚羧酸盐强塑剂还有助于提高可加工性和耐用性。最后，添加钢纤维有助于防止微裂纹和宏观裂缝蔓延，由此限制裂纹宽度和渗透性。