[发明专利]碱激发、纳米增强的早强型超高性能混凝土及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碱激发、纳米增强的早强型超高性能混凝土的制备方法，其特征在于：生产原料配方包括以下质量份数比例的各组分：硅酸盐水泥650～720份，硅灰95～130份，矿粉165～185份，纳米二氧化硅5～10份，石英砂1050～1075份，平直钢纤维96～128份，扭转型钢纤维24～32份，模数为1.2～1.3的水玻璃13.725～15.54份，减水剂13.75～18.13份，水154.7～202份。其优点是：显著提高了超高性能混凝土的流动性和早期强度。

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，尤其是一种混凝土材料及其制备方法。

背景技术

混凝土是当代应用最为普遍的建筑材料，然而普通混凝土具备自重大、脆性大和强度低等缺点。超高性能混凝土(UHPC)是一种同时具备超高抗压强度、高抗弯拉强度、高韧性的水泥基复合材料，其基于颗粒密实堆积体系(DSP)与纤维增强复合体系，提高组分的细度与活性，使材料内部缺陷减少到最小，以此获得超高强度与超高耐久性。

由于超高性能混凝土的用水量极低，远低于水泥水化所需的用水量，故超高性能混凝土中存在大量的未水化水泥颗粒仅作为体系的填充材料使用。为减少未水化水泥颗粒所造成的资源浪费，需要在胶凝材料体系中引入较大比例的掺合料体系，一方面，掺合料与水泥水化产生的氢氧化钙反应，生成C-S-H凝胶，减少疏松片状氢氧化钙对微结构的负面影响，提升基体密实程度。另一方面，消耗水泥水化产物氢氧化钙，有利于水泥的水化程度的提升。但与水泥相比，普通掺合料需在水泥水化后，与其水化产物氢氧化钙反应后才可形成强度，速度较慢，故当体系引入较高含量的掺合料体系后，体系早期强度会有一定程度的降低。但超高性能混凝土的很多应用场景，如制备预制构件、修补、加固等均需要在早期快速形成强度，而由于需要采取较大掺量的掺合料体系，难以很好满足这些应用场景的需求。

发明内容

为提高超高性能混凝土(UHPC)的早期强度，本发明提供了一种碱激发、纳米增强的早强型超高性能混凝土及其制备方法。

本发明所采用的技术方案是：碱激发、纳米增强的早强型超高性能混凝土的制备方法，生产原料配方包括以下质量份数比例的各组分：硅酸盐水泥650～720份，硅灰95～130份，矿粉165～185份，纳米二氧化硅5～10份，石英砂1050～1075份，平直钢纤维96～128份，扭转型钢纤维24～32份，模数为1.2～1.3的水玻璃13.725～15.54份，减水剂13.75～18.13份，水154.7～202份。

本发明采用模数为1.2～1.3的水玻璃作为碱激发剂，激发胶凝体系中的硅灰、超细矿粉、纳米SiO₂等硅铝质掺合料的火山灰活性，加快其水化进程，同时加入纳米SiO₂，发挥其微晶成核作用，提供水化产物的形核结晶点，降低水化反应壁垒，提升水泥水化速率，两者共同作用，促进超高性能混凝土的早期强度的提升。

实验表明，相较与较高模数的水玻璃，1.2～1.3模数的水玻璃的碱激发特性更强，有利于激发胶凝体系中的硅灰、超细矿粉、纳米SiO₂等硅铝质掺合料，使其硅氧四面体、铝氧四面体裂解，部分硅氧键、铝氧键发生断裂，并在氢氧根等离子作用下，重新聚合为三维网状结构的无机高聚物，在较短的时间内形成较高的强度，提升了超高性能混凝土的早期强度。同时，1.2～1.3模数的水玻璃粘度更低，对超高性能混凝土的流动性影响较低。此外本发明通过控制水玻璃的掺入量，既可发挥其碱激发的作用，又可避免其掺量过高造成浆体流动度丧失的现象。

此外，在超高性能混凝土中掺入1.5～2％体积比例的钢纤维，同时采用96～128份平直钢纤维与24～32份扭转型钢纤维的质量比例进行复合，两者均为直线状造型，在1.5～2％体积比例下，在超高性能混凝土浆体内可较好的分散，对超高性能混凝土的流动性能影响较低。掺入扭转型钢纤维，可发挥扭转型纤维的较高剪切粘结强度和显著的滑移硬化特性，实验表明对UHPC力学性能和变形能力有较好的提升作用。