用于钢桥桥面的超高性能混凝土及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及超高性能混凝土制造技术领域，特别涉及用于钢桥桥面的超高性能混凝土及其制备方法和应用。


背景技术：

2.当前用于stc钢桥桥面铺装的超高性能混凝土(uhpc)普遍采用rpc 120-140等级的uhpc材料。随着当前桥梁设计建造行业的发展，为了设计新型的轻型化、薄壁化结构，就需要使用性能更好的超高性能混凝土(uhpc)，力学性能要求达到rpc 160。在此基础上，由于施工现场条件往往达不到实验室标准条件，因此需要为施工预留强度，这就要求uhpc材料强度超过rpc 160，达到rpc 170左右。
3.uhpc由于已经使用了超低水胶比的胶凝材料，自收缩程度大，因而容易对uhpc体积稳定性产生影响，进而影响桥梁正常使用，威胁结构安全。为了使强度达到rpc180级别，uhpc的原料如果采取增大总用量，降低水胶比，或增加钢纤维用量等措施，则必然会导致uhpc桥面板收缩量的增加，增大收缩开裂风险。所以，为了对uhpc的收缩徐变进行有效控制，uhpc的胶凝材料配比，水胶比，钢纤维等材料用量，或是其它工鞥性粉体材料的选择，都还需要更深度的优化和改进。


技术实现要素：

4.针对以上现有技术的不足，本发明提供了超高性能混凝土用于钢桥桥面的超高性能混凝土及其制备方法，具体通过以下技术实现。
5.用于钢桥桥面的超高性能混凝土，其原料按质量份数包括普通硅酸盐水泥590-630份、活性掺合料360-380份、细集料1140-1180份、钢纤维和高性能聚羧酸减水剂；所述钢纤维、高性能聚羧酸减水剂的质量分别为胶凝材料总重量的2.5-2.8％和4％，所述活性掺合料由质量比(0.9-1):1的硅灰和改性粉煤灰微珠组成；
6.所述改性粉煤灰微珠的制备方法是：取相变温度在40-80℃的相变材料加热熔化至液态，将粉煤灰空心微珠加入其中，在500-1500pa的真空度下搅拌0.5-1h，然后加压至0.15-0.25mpa搅拌10-20min；冷却至室温后取出，得到颗粒状的改性粉煤灰微珠；所述相变材料与粉煤灰空心微珠的质量比为(0.5-0.75):1。
7.本发明提供的超高性能混凝土，是通过针对普通硅酸盐水泥、活性掺合料、细集料、钢纤维和高性能聚羧酸减水剂的用量比例，进行了大量的对比实验后获得。更重要的是，本发明提供的活性掺合料使用了硅灰和经过改性处理的粉煤灰微珠，相比于现有的超高性能混凝土材料，进一步优化了其工作性能，有效控制了混凝土养护成型过程中的水化热不利影响，从而进一步提升了混凝土整体的抗压强度、抗折强度和抗拉强度，rpc等级达到170以上；弹性模量也有所提升。
8.活性掺合料中，硅灰在本发明中能够填充水泥颗粒间的空隙，使得材料的颗粒级配更加合理，从而增大混凝土的密实度；硅灰还可以增大混凝土的界面结构，减少过渡区的
薄弱环节，从而提高混凝土整体强度。改性粉煤灰选用粉煤灰空心微珠为原料，并在其内部空腔中通过特殊处理“填充”了具有特定相变温度的相变材料，粉煤灰空心微珠本身具有较高的流动性，在混凝土中产生“滚珠效应”，保证了超高性能混凝土的良好工作性能；并且在超高性能混凝土养护成型过程中，随着水化反应的进行和混凝土内部温度的不断升高，相变材料吸热后缓慢转变成液态，延缓了混凝土内部的温升，减少了混凝土内部的开裂；部分粉煤灰空心微珠还能在振捣和养护成型过程中破裂，相变材料受热熔化的体积改变也能使部分粉煤灰空心微珠破裂，形成尖利的边缘形状，能够一定程度抑制混凝土的含气量和内部气泡数量(或气泡面积占比)，促进空气排出，保证了混凝土的密实度和强度。
9.优选地，所述改性粉煤灰微珠的制备方法中，加入粉煤灰空心微珠后先在1000pa的真空度下搅拌0.5h，然后加压至0.20mpa搅拌15min。
10.优选地，所述相变材料为硬脂酸、软脂酸、肉豆蔻酸、石蜡、月桂酸中的至少一种。
11.更优选地，所述相变材料为硬脂酸或石蜡，硬脂酸/石蜡与粉煤灰空心微珠的质量比为0.7:1。
12.优选地，其原料按质量份数包括普通硅酸盐水泥605份、活性掺合料370份、细集料1150份、钢纤维和高性能聚羧酸减水剂，所述钢纤维的质量为胶凝材料总重量的2.5％。
13.优选地，所述细集料为石英砂、石英粉、河砂中的至少一种。
14.更优选地，所述细集料为16-26目、26-40目、40-70目和200目四个级配的石英砂，且四个级配的用量比例为(35-40):8:(35-40):15。
15.优选地，所述钢纤维的直径为0.2-0.4mm，长度为18-20mm，且长径比为45-100。
16.本发明所提供的超高性能混凝土，其制备方法是将按比例称量好的所述普通硅酸盐水泥、细集料、钢纤维和高性能聚羧酸减水剂混合均匀，然后加入所述活性掺合料混合均匀，最后按照水胶比0.15加入水，混合均匀得到所述超高性能混凝土。
17.本发明还提供了一种用于钢桥桥面铺装的桥面板，采用本发明提供的超高性能混凝土制备而成。
18.与现有技术相比，本发明的有益之处在于：采用本发明提供的超高性能混凝土，其实际工作性能(扩展度)均能达到665-720mm；抗折强度最高超过41mpa；抗拉强度最高接近14mpa；弹性模量最高超过48mpa；抗压强度最高接近177mpa，大部分情况在170-175mpa，实际使用时已经满足rpc 170的等级要求。
具体实施方式
19.下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
20.以下实施例和对比例中，所用的水泥为广东清新海螺水泥有限公司生产的p
·
ii 52.5r硅酸盐水泥，参考《通用硅酸盐水泥》(gb175-2007)中对p
·
ii 52.5r硅酸盐水泥关键技术指标的测试方法测试该公司生产的p
·
ii 52.5r硅酸盐水泥的细度、比表面积和需水量比，各项指标测试结果均满足规范要求。
21.所用的硅灰为甘肃省裕洋新材料有限公司生产的硅灰，比表面积19500m2/kg，sio2含量96.34％，按《砂浆混凝土用硅灰》(gb/t 27690-2011)规定的检测方法检测了硅灰的技
术要求指标，其检测结果符合要求。
22.所用的粉煤灰空心微珠为石家庄炬材矿产品有限公司生产的粉煤灰空心微珠，一级，密度1.7g/cm3，粒径40μm；
23.所用的细集料为石英砂，由东川佗城隆源石英砂厂提供，二氧化硅含量≥96％，所述细集料为16-26目、26-40目、40-70目和200目四个级配的石英砂，且四个级配的用量比例为39:8:39:15。
24.所用的钢纤维由上海真强纤维有限公司提供，直径0.2mm，长度20mm，长径比为100。
25.高性能聚羧酸减水剂由上海三瑞高分子材料股份有限公司提供，按《混凝土外加剂》(gb 8076-2008)规定的检测方法，检测结果显示合格。
26.以下实施例和对比例中所使用的改性粉煤灰微珠，如果未作特殊说明，则均采用以下方法制备而成：取相变材料加热熔化至液态，将粉煤灰空心微珠加入其中，在约1000pa的真空度下搅拌0.5h，然后加压至0.20mpa保持15min；冷却至室温后取出，得到颗粒状的改性粉煤灰微珠；所使用的相变材料种类，以及相变材料与粉煤灰空心微珠的用量比例视情况而定。
27.以下实施例和对比例中提供的超高性能混凝土，如果未作特殊说明，则均采用以下方法制备而成：将按比例称量好的所述普通硅酸盐水泥、细集料、钢纤维和高性能聚羧酸减水剂混合均匀，然后加入所述活性掺合料混合均匀，最后按照水胶比0.15加入纯净水，混合均匀得到所述超高性能混凝土。
28.实施例1
29.本实施例提供的超高性能混凝土，其原料按质量份数包括普通硅酸盐水泥605份、活性掺合料370份、细集料1150份、钢纤维和高性能聚羧酸减水剂；钢纤维、高性能聚羧酸减水剂的质量分别为胶凝材料总重量的2.5％和4％；活性掺合料由质量比0.9:1的硅灰和改性粉煤灰微珠组成。
30.改性粉煤灰微珠的制备方法中，所使用的相变材料为硬脂酸，相变温度为54.0-56.0℃，硬脂酸与粉煤灰空心微珠的质量比为0.7:1。
31.实施例2
32.本实施例提供的超高性能混凝土，其原料和用量与上述1相同；只是将改性粉煤灰微珠的制备方法中所使用的相变材料替换为石蜡，相变温度为56.0-58.0℃，且石蜡与粉煤灰空心微珠的质量比为0.7:1。
33.实施例3
34.本实施例提供的超高性能混凝土，其原料和用量与上述1相同；只是改性粉煤灰微珠的制备方法有所修改，具体为：取相变材料硬脂酸加热熔化至液态，将粉煤灰空心微珠加入其中，在约500pa的真空度下搅拌1h，然后加压至0.15mpa保持20min；冷却至室温后取出，得到颗粒状的改性粉煤灰微珠；硬脂酸与粉煤灰空心微珠的质量比为0.7:1。
35.实施例4
36.本实施例提供的超高性能混凝土，其原料和用量与上述1相同；只是改性粉煤灰微珠的制备方法有所修改，具体为：取相变材料石蜡加热熔化至液态，将粉煤灰空心微珠加入其中，在约1500pa的真空度下搅拌0.5h，然后加压至0.25mpa保持10min；冷却至室温后取
出，得到颗粒状的改性粉煤灰微珠；石蜡与粉煤灰空心微珠的质量比为0.65:1。
37.实施例5
38.本实施例提供的超高性能混凝土，其原料和用量与上述1相同；改性粉煤灰微珠的制备方法也与实施例1基本相同，只是硬脂酸与粉煤灰空心微珠的质量比为0.75:1。
39.实施例6
40.本实施例提供的超高性能混凝土，其原料和用量与上述1相同；改性粉煤灰微珠的制备方法也与实施例1基本相同，只是硬脂酸与粉煤灰空心微珠的质量比为0.5:1。
41.实施例7
42.本实施例提供的超高性能混凝土，其原料按质量份数包括普通硅酸盐水泥590份、活性掺合料380份、细集料1180份、钢纤维和高性能聚羧酸减水剂；钢纤维、高性能聚羧酸减水剂的用量与实施例1保持相同；所使用的活性掺合料也与实施例1相同。
43.实施例8
44.本实施例提供的超高性能混凝土，其原料按质量份数包括普通硅酸盐水泥630份、活性掺合料360份、细集料1140份、钢纤维和高性能聚羧酸减水剂；钢纤维、高性能聚羧酸减水剂的用量与实施例1保持相同；所使用的活性掺合料也与实施例1相同。
45.对比例1
46.本对比例提供的混凝土，其原料与实施例1相同，即按质量份数包括普通硅酸盐水泥605份、活性掺合料370份、细集料1150份、钢纤维和高性能聚羧酸减水剂；钢纤维、高性能聚羧酸减水剂的质量分别为胶凝材料总重量的2.5％和4％；活性掺合料由质量比0.9:1的硅灰和粉煤灰微珠(天津筑成新材料科技有限公司提供，sio2含量56.5％，堆积密度0.65g/cm3，比表面积2000m2/kg，呈完全球形，平均直径约1.5μm)组成。即本对比例提供的超高性能混凝土使用的是普通的粉煤灰微珠，且未使用任何相变材料。
47.对比例2
48.本对比例提供的混凝土，其原料与实施例1相同，只是相变材料硬脂酸与粉煤灰空心微珠的质量比为1:1。
49.对比例3
50.本对比例提供的混凝土，其原料与实施例1相同，只是相变材料硬脂酸与粉煤灰空心微珠的质量比为0.2:1。
51.对比例4
52.本对比例提供的混凝土，其原料与实施例1相同，只是未使用任何相变材料，即活性掺合料是由硅灰与粉煤灰空心微珠按质量比0.9:1组成。
53.试验例：混凝土的工作性能、含气量和力学性能测定
54.将上述实施例和对比例制备的混凝土浆料采用常规方法浇筑成型、硬化，制成40mm
×
40mm
×
40mm的抗压强度试件、100mm
×
100mm
×
400mm抗弯折试件和φ100
×
200mm的弹性模量试件，拆模盖膜进行80℃高温蒸汽养护72
±
1h至终凝。
55.采用常规检测方法分别测试混凝土的工作性能、含气量和力学性能：参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(gb/t 50080-2016)中的坍落/扩展度相关方法评价uhpc拌合物工作性能，含气量相关方法评价含气量，根据《活性粉末混凝土》(gb/t 31387-2015)和《普通混凝土力学性能试验方法标准》(gb/t50081-2002)进行力学性能(抗压强度、抗折强
度、弹性模量)测试。具体测试结果如下表1所示。
56.表1混凝土的工作性能、含气量和力学性能测试结果
[0057][0058][0059]
由上表的测试结果可以看到，当采用本发明的技术方案制备的超高性能混凝土，抗压强度最高能够达到176mpa，接近177mpa，抗拉强度、抗折强度和弹性模量也有显著提升；同时还具有比较好的工作性能，含气量也较少。
[0060]
当活性掺合料中使用普通粉煤灰微珠且未使用相变材料时，虽然工作性能依然很好，由于缺少了相变材料的参与，缺少对混凝土内部的早期和中期水化热调控，影响了最终的力学性能；并且由于普通的粉煤灰微珠不容易破碎，对降低混凝土内部的空气含量没有过多帮助。
[0061]
当调节活性掺合料中相变材料和粉煤灰空心微珠的用量比例时，如果相变材料用量过多，虽然能够调控水化热，但可能会由于粉煤灰空心微珠减少而不利于混凝土整体工作性能，还会一定程度增加混凝土内部的含气量，还会影响了活性掺合料原有的提升密实强度的作用，反而会影响混凝土的力学性能。
[0062]
当活性掺合料中使用粉煤灰空心微珠且未使用相变材料时，虽然混凝土的工作性能很好，含气量也较低，但缺少了相变材料的作用，不能最大限度提升混凝土的力学性能。
[0063]
以上具体实施方式详细描述了本发明的实施，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节。在本发明的权利要求书和技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单改型和改变，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.用于钢桥桥面的超高性能混凝土，其特征在于，其原料按质量份数包括普通硅酸盐水泥590-630份、活性掺合料360-380份、细集料1140-1180份、钢纤维和高性能聚羧酸减水剂；所述钢纤维、高性能聚羧酸减水剂的质量分别为胶凝材料总重量的2.5-2.8％和4％，所述活性掺合料由质量比(0.9-1):1的硅灰和改性粉煤灰微珠组成；所述改性粉煤灰微珠的制备方法是：取相变温度在40-80℃的相变材料加热熔化至液态，将粉煤灰空心微珠加入其中，在500-1500pa的真空度下搅拌0.5-1h，然后加压至0.15-0.25mpa搅拌10-20min；冷却至室温后取出，得到颗粒状的改性粉煤灰微珠；所述相变材料与粉煤灰空心微珠的质量比为(0.5-0.75):1。2.根据权利要求1所述的用于钢桥桥面的超高性能混凝土，其特征在于，所述改性粉煤灰微珠的制备方法中，加入粉煤灰空心微珠后先在1000pa的真空度下搅拌0.5h，然后加压至0.20mpa保持20min。3.根据权利要求1所述的用于钢桥桥面的超高性能混凝土，其特征在于，所述相变材料为硬脂酸、软脂酸、肉豆蔻酸、石蜡、月桂酸中的至少一种。4.根据权利要求3所述的用于钢桥桥面的超高性能混凝土，其特征在于，所述相变材料为硬脂酸或石蜡，硬脂酸/石蜡与粉煤灰空心微珠的质量比为0.7:1。5.根据权利要求1-4任一项所述的用于钢桥桥面的超高性能混凝土，其特征在于，其原料按质量份数包括普通硅酸盐水泥605份、活性掺合料370份、细集料1150份、钢纤维和高性能聚羧酸减水剂，所述钢纤维的质量为胶凝材料总重量的2.5％。6.根据权利要求1-4任一项所述的用于钢桥桥面的超高性能混凝土，其特征在于，所述细集料为石英砂、石英粉、河砂中的至少一种。7.根据权利要求6所述的用于钢桥桥面的超高性能混凝土，其特征在于，所述细集料为16-26目、26-40目、40-70目和200目四个级配的石英砂，且四个级配的用量比例为(35-40):8:(35-40):15。8.根据权利要求1-4任一项所述的用于钢桥桥面的超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维的直径为0.2-0.4mm，长度为18-20mm，且长径比为45-100。9.一种权利要求1所述的用于钢桥桥面的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，将按比例称量好的所述普通硅酸盐水泥、细集料、钢纤维和高性能聚羧酸减水剂混合均匀，然后加入所述活性掺合料混合均匀，最后按照水胶比0.15加入纯净水，混合均匀得到所述超高性能混凝土。10.一种用于钢桥桥面铺装的桥面板，其特征在于，采用权利要求1-4、7任一项所述的超高性能混凝土制备而成。

技术总结
本发明公开了一种用于钢桥桥面的超高性能混凝土及其制备方法，涉及超高性能混凝土制造技术领域，其原料按质量份数包括普通硅酸盐水泥590-630份、活性掺合料360-380份、细集料1140-1180份、钢纤维和高性能聚羧酸减水剂；活性掺合料由质量比(0.9-1):1的硅灰和改性粉煤灰微珠组成；改性粉煤灰微珠是将相变材料加热熔化后通过真空搅拌和加压搅拌处理，使相变材料包埋在粉煤灰空心微珠的内部空腔内制成的颗粒材料。采用本发明提供的超高性能混凝土，扩展度能达到665-720mm；抗折强度最高超过41MPa；抗拉强度最高接近14MPa；弹性模量最高超过48MPa；抗压强度最高接近177MPa，满足RPC170的要求。RPC170的要求。


技术研发人员：汤敏 刘望奇 唐辉 魏伟 伍辉 陈旭 郑子宏 李刘双 熊青鹏
受保护的技术使用者：广东省水利水电第三工程局有限公司
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/7/7