一種用于型鋼混凝土組合結構c190強度等級的混凝土的制作方法

一種用于型鋼混凝土組合結構c190強度等級的混凝土的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于型鋼混凝土組合結構C190強度等級的混凝土，混凝土配比為：水泥∶細骨料∶粗骨料∶水∶混凝土超塑化劑∶消泡劑：硅粉∶粉煤灰：激發劑：膨脹劑=466∶842∶1065∶97∶19∶1.1∶75∶119∶7∶38。制備方法為：先將混凝土超塑化劑和激發劑均勻拌入水中得到混合物，按重量比在攪拌機中依次加入細骨料和混合物總量的1/3，攪拌；加入粗骨料和混合物總量1/3，攪拌；加入水泥、膨脹劑、硅灰和粉煤灰，攪拌；加入消泡劑和剩余混合物，攪拌，出料。該混凝土能在自然狀態下顯著改進型鋼與混凝土之間的粘結性能，有效發揮鋼與混凝土各自力學性能與相互協同工作性能，大幅度提升結構構件的承載能力與使用性能和耐久性，具有良好高體積穩定性和經濟性。
【專利說明】—種用于型鋼混凝土組合結構Cl90強度等級的混凝土【技術領域】
[0001]本發明屬于建筑材料【技術領域】，涉及一種用于型鋼混凝土組合結構強度等級為C190的超/特聞強聞性能混凝土。
【背景技術】
[0002]1824年波特蘭水泥的發明使混凝土技術得到了迅速的發展，其用量之大，適用范圍之廣堪居世界之最。盡管混凝土是一種傳統的人造建筑材料，但因其具有不可取代的優越性(原料豐富、生產工藝簡單、性價比高等優點)以及混凝土材料科學與技術的不斷進步，混凝土已成為土木工程用材的主體，在未來的土木工程和國家建設中也將是不可缺少的主材之一。同時，隨著城市規模的不斷擴大，人口的不斷增多，地價的不斷升高，建筑所處環境的嚴酷化，建筑技術的不斷進步及經濟的高速發展，建筑物越來越向空中、地下及水中延伸，即建筑超/特高化、超/特大跨化、地下化、輕量化及重型結構的發展，尤其是型鋼混凝土結構在超/特高化、超/特大跨化、地下化、海上或水下化、輕量化等新奇或巨型建筑工程領域的應用，對混凝土這種建筑材料的要求也越來越高。因此，混凝土的超/特高強化和超/特耐久化的研究和實踐將成為該領域的發展趨勢。
[0003]型鋼混凝土組合結構(簡稱SRC結構)是鋼一混凝土組合結構的一種主要形式，由于其承載能力高、剛度大、延性好、抗震性能優越、防火防腐、便于施工等一系列優點，已被越來越廣泛地應用于大跨、重型結構，地下、水下或海上工程及地震/臺風區的高層和超/特高層建筑。與鋼結構相比，SRC結構可節省大量鋼材，增強截面剛度，克服鋼結構耐火性、耐腐蝕性和耐久性差及易屈曲失穩等缺點，使鋼材的能力得以充分的發揮；與普通鋼筋混凝土結構(簡稱RC結構)相比，型鋼混凝土結構可減小構件的截面尺寸，減小所占的空間，從而增大建筑使用空間；在施工上，型鋼混凝土結構的鋼骨架本身可作為混凝土掛模、滑模的骨架，不僅大大簡化了支模工程，還是承受全部施工荷載(包括掛、滑模與所澆混凝土)的支承體系；另外，由于SRC結構具有整體性強，延性性能好等優點，能大大改善鋼筋混凝土受剪破壞的脆性性質，使結構的抗震性能得到明顯的改善，承載能力及延性均比RC結構有較大的提高。因此，在日本和歐美等`發達國家，具有良好抗震性能的SRC結構已成為一種公認的新型抗震結構體系，且與鋼結構、木結構、鋼筋混凝土結構并稱為四大結構。我國也是一個多地震國家，絕大多數地區為地震區，部分位于高烈度及多遇地震區，在這些地區推廣SRC結構就具有非常重要的現實意義。因此，SRC結構在我國有非常廣闊的應用前景，尤其是隨著我國經濟實力的不斷增強及超/特高強鋼材和超/特高強高性能混凝土 (它們是被公認的21世紀材料)的成功研制與應用，將極大促進這種結構體系的推廣應用和發展進步。已有研究證明，超/特高強高性能混凝土的強度越高，其脆性將會增加，延性也會較差，在高應力或復雜應力狀態下，超/特高強高性能混凝土構件將由脆性控制破壞過程，工作的可靠性降低。但是，將這種新型高技術混凝土應用在在型鋼混凝土組合結構(簡稱SRC結構)中，即型鋼超/特高強高性能混凝土組合結構(簡稱USUPSRC結構)，可以揚長避短，克服超/特高強高性能混凝土脆性大和延性差的弱點，使其優越性能和經濟效益得以充分發揮。
[0004]SRC結構中，型鋼與混凝土之間良好的粘結作用是保證SRC構件中型鋼與混凝土協調工作的基礎，型鋼、鋼筋和混凝土三種材料元件協同工作，以抵抗各種作用效應，才能夠充分發揮其優點。但SRC結構與RC結構的顯著區別之一在于型鋼與混凝土之間的粘結力遠遠小于鋼筋與混凝土之間的粘結力，型鋼與普通混凝土的粘結力大約只相當于光面鋼筋粘結力的45%。國內外諸多試驗研究結果表明，型鋼與混凝土之間存在著粘結滑移現象，且對SRC構件的受力性能乃至承載能力有顯著影響。因此，如何保證型鋼與混凝土有效地協同工作成為SRC結構研究的重點之一。目前，工程設計中對型鋼與混凝土之間粘結滑移問題的處理方法一般有兩種:其一是通過計算在構件表面加設一定數量的剪切連接件，這樣勢必造成施工中的不便并提高造價，且易造成混凝土內部先天性微裂縫等缺陷；其二是不設置或僅設置少量剪切連接件，在承載能力計算中考慮粘結滑移的影響，相應降低構件的承載能力，這樣必然存在不經濟的因素。另一方面，在工程結構設計中普遍存在著重強度而輕耐久性的現象，國內外已出現過諸多混凝土結構在使用過程中的安全性和耐久性方面的問題。一些混凝土結構工程在使用不足設計年限一半即由于堿骨料反應、氯離子侵蝕等原因而完全喪失使用功能乃至承載能力，個別工程甚至出現局部坍塌或整體倒塌，造成人員傷亡或建筑設施破壞。因此，USUPSRC結構中，提高型鋼與超/特高強高性能混凝土之間的自然粘結性能，在型鋼表面不設置或僅按構造要求設置少量剪切連接件就可保證型鋼與超/特高強高性能混凝土有效地協同工作的研究具有重大意義；同時，混凝土結構工程的耐久性也日益引起人們的密切關注和高度重視，并成為筮待解決的問題。
[0005]現有技術用于型鋼混凝土組合結構的混凝土的強度等級有C60、C70、C80、C90及ClOO的高強高性能混凝土和C110、C120、C130、C140及C150的超高強高性能混凝土的制備技術，上述各強度等級混凝土顯著提高了型鋼與(超)高強混凝土之間的粘結性能，并提高了結構的耐久性；但是，還存在不能由此延伸到更高強度的超/特高強高性能混凝土，且將其用于型鋼混凝土組合結構時不能解決型鋼與超/特高強高性能混凝土之間的自然粘結性能差的問題，故不能滿足土木工程建筑向空中、地下及水中延伸，即建筑超/特高化，超/特大跨化，地下化，海上或水`下化，超耐久化和重型、巨型及新奇結構工程等應用和發展這一趨勢的要求。另外，現有技術中也存在部分將混凝土超/特高強化、超/特耐久化的制備技術，但是它們均未涉及或未解決用于SRC結構時型鋼與超/特高強高性能混凝土之間的自然粘結性能差的問題。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是提供一種用于型鋼混凝土組合結構強度等級為C190的超/特高強高性能混凝土。該混凝土應用在型鋼混凝土組合結構中，能在自然狀態(亦即型鋼表面不設置或僅按構造要求設置少量剪切連接件)下顯著改進型鋼與混凝土之間的粘結性能，有效發揮鋼與混凝土兩種材料各自的力學性能與相互協同工作性能，從而大幅度提升結構構件的承載能力與使用性能；另外，該混凝土能提高結構的耐久性，并具有良好的工作性能、高體積穩定性和經濟性。
[0007]為解決上述技術問題，本發明是這樣實現的:一種用于型鋼混凝土組合結構C190強度等級的混凝土，其特征在于，該混凝土的配合比為(單位:kg/m3):[0008]水泥:細骨料:粗骨料:水:混凝土超塑化劑:消泡劑:硅粉:粉煤灰:激發齊 U:膨脹劑=466: 842: 1065: 97: 19: 1.1: 75: 119: 7: 38 ；
[0009]所述的水泥選擇質量穩定、性能較好的625R普通硅酸鹽水泥，使用前需與聚羧酸系混凝土超塑化劑進行兩者之間的適應性試驗，試驗方法采用現行建材行業標準《水泥與減水劑相容性試驗方法》JC/T1083-2008中的方法，并選擇與聚羧酸系混凝土超塑化劑相容性好的水泥品種。所選水泥性能指標(包括細度、SO3含量、MgO含量、初凝時間、終凝時間、3天強度、28天強度)應不低于國家現行相關標準的要求，并選用堿含量少、水化熱低、需水性也低的水泥品種。
[0010]所述的細骨料采用顆粒圓滑、質地堅硬、級配良好的中偏粗河砂和質地精純、級配良好的石英砂。其中，砂的品質應不低于現行建材行業標準《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》JC/T52-2006及國家標準《建筑用砂》GB/T14684 一 2001中規定的優質砂標準。其細度模數為2.8~3.2之間，含泥量和泥塊含量應不大于0.3% (以質量計)，氯離子含量應不大于0.05% (以干砂的質量計)。石英砂中二氧化娃含量應不小于99%,三氧化二鐵含量應不大于0.005%，鉻、鈦等金屬雜質含量應不大于0.01%。
[0011]所述的粗骨料采用質量致密堅硬、強度高、表面粗糙、粒形為近似球形、針片狀含量小、級配良好的以花崗巖、玄武巖為主要成分的人工碎石，碎石的品質應不低于現行建材行業標準《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》JC/T52-2006等相關標準的規定要求。骨料母體巖石的立方體抗壓強度不應低于160MP。最大粒徑應控制在10mm，含泥量應不大于0.2% (以質量計)，泥塊含量應不大于0.1% (以質量計)，針、片狀顆粒含量應不大于0.5%(以質量計)，且不得混入風化顆粒。進行該混凝土配制時，采用連續粒級碎石Φ5~Φ10投料。
[0012]經過大量嘗試性對比試驗及與水泥相容性試驗，該發明所選用的高效減水劑為聚羧酸系混凝土超塑化劑，其品質應不低于現行國家標準《混凝土外加劑》GB8076-2008等相關標準的規定要求，所選用高效減水劑的減水率應大于30%。所選用高效減水劑的最大飽和摻量不小于全部膠凝材料總量的2.5%，采用同摻法，且使用前需與所選擇的水泥品種進行相容性試驗。`
[0013]所述消泡劑選擇AGITAN0P803粉末消泡劑。
[0014]所述的硅粉采用質量比為3:2的30nm納米硅粉和(亞)微硅粉，其品質應不低于國家標準《高強高性能混凝土用礦物外加劑》GB/T18736 — 2002等相關標準的規定要求，同時,30nm納米娃粉和(亞)微娃粉的含水率均應不大于1%,燒失量均應不大于3%,氯離子含量均應不大于0.01%，火山灰活性指數均應大于95%。其中，30nm納米硅粉的比表面積應不小于40000m2/kg,娃含量應不小于99.9% ；(亞)微米娃粉的比表面積應不小于25000m2/kg,二氧化娃含量應不小于95%。
[0015]所述的粉煤灰采用燃煤工藝先進的電廠生產的優質I級特細粉煤灰。其品質應不低于國家標準《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T1596 - 2005等相關標準的規定要求，且其細度(0.045mm方孔篩篩余，％)應不大于10%，燒失量應不大于3%，SO3含量應不大于2%，含水量應不大于1%，需水量比應不大于95%，比表面積應大于700m2/kg。
[0016]所述的激發劑是由發明人所在研究團隊自主研制，是在經過對超細磨粉煤灰水化反應特點的研究并認識到其活性有待進一步激發和利用的基礎上，將55~60%的偏硅酸鈉(Na2StO3.9H20)、38 ~43% 的熟石灰(Ca(OH)2)及 1.5 ~2.5% 的硫酸錳(MnSO4.H2O)按質量百分比配制而成的一種化學激發劑。該激發劑與早強普通硅酸鹽水泥、聚羧酸系混凝土超塑化劑具有良好的相容性。
[0017]所述的膨脹劑選用硫鋁酸鈣類混凝土高效膨脹劑，其品質應不低于國家標準《混凝土膨脹劑》GB23439 — 2009等相關標準的規定要求，且其細度(0.08mm方孔篩篩余，％)應不大于10%，比表面積應大于300m2/kg，限制膨脹率(水中7天)應不小于0.05%, 28d抗壓強度應不小于50MPa，MgO含量應不大于3%，堿含量應不大于0.5%。
[0018]所述的拌合水選用自來水，其品質應不低于國家建設部標準《混凝土用水標準》JGJ63 - 2006等相關標準的規定要求，并要求所選用自來水的堿含量不大于1000mg/L。
[0019]本發明還給出了用于型鋼混凝土組合結構C190強度等級的混凝土的制備方法，該方法采用改進的水泥裹砂石法混凝土攪拌工藝，具體工藝步驟如下:
[0020]I)先將混凝土超塑化劑19kg/m3和激發劑7kg/m3均勻拌入稱量好的水97kg/m3中，得到混合物；
[0021]2)然后按照重量配比在強制式攪拌機中加入757.8kg/m3的河砂、84.2kg/m3的石英砂和步驟I)混合物總量的1/3，均勻攪拌I~2min ；
[0022]3)再加入1065kg/m3的Φ5~Φ 10連續粒級碎石粗骨料和步驟I)混合物總量的1/3，均勻攪拌2~4min ；
[0023]4)接著加入全部膠結材料:、466kg/m3的水泥、38kg/m3的膨脹劑、45kg/m3的納米娃粉、30kg/m3的亞微娃粉 和119kg/m3的粉煤灰,均勻攪拌3~4min ；
[0024]5)最后加入1.lkg/m3的消泡劑和剩余步驟I)混合物，均勻攪拌2~3min,停留3分鐘后再攪拌2~3min至均勻，出料，即得C190強度等級的混凝土拌合物。
[0025]本發明的有益效果是:
[0026]1.本發明生產的混凝土是一種適用于型鋼混凝土組合結構強度等級為C190的超/特高強高性能混凝土。該混凝土在能確保其所應具備的力學性能(即C190強度、塑性等指標)以及具有高耐久性、高工作性、高體積穩定性和經濟性的基礎上，顯著地改進該混凝土與型鋼之間的自然粘結性能，使其應用在型鋼混凝土結構設計中無需(或僅需按構造要求少許地)在型鋼表面加設剪切連接件，即可保證型鋼與該混凝土的有效協同工作，從而減少了施工工序，節約了鋼材，提高了施工效率，并避免了在型鋼表面大量設置剪切連接件且易造成該混凝土內部先天性微裂縫等缺陷，具有顯著的經濟效益和施工質量改進效果，其力學性能對比試驗結果見表2。
[0027]2.本發明中使用的高效減水劑選擇聚羧酸系混凝土超塑化劑(減水率應大于30%)，相比其它類型的減水劑，與早強普通硅酸鹽水泥的相容性良好，其不含Na2SO4,可進一步提聞該混凝土的耐久性。
[0028]3.本發明中使用的消泡劑選擇粉末消泡劑，型號為AGITAN0P803，可對混凝土攪拌過程中形成且振搗密實后仍殘留在混凝土內的大量微泡進行脫泡，使其密實度有效提高，增強了混凝土的耐久性和剪切穩定性。
[0029]4.本發明中使用的激發劑選擇自主研制的堿性激發劑(XJFAA)，能使摻有粉煤灰的混凝土具有一定的微膨脹性，改善混凝土的收縮性能；可以增強粉煤灰水和過程中以鋁硅酸鹽為主要水化組分的三維空間結構玻璃體的腐蝕作用，激發粉煤灰的潛在活性，提高正向水合反應的動力，生成更多的C-S-H凝膠、水化鋁酸鈣及水化硅酸鈣等晶體，對所配制混凝土的強度和耐腐蝕能力有顯著的提高。
[0030]5.本發明中使用的納米硅粉，是一種無毒、無味、無污染、高純度、無雜質的納米材料。納米硅粉的顆粒尺寸小，比表面積大，可以充分發揮其微填充效應；納米硅粉表面存在大量不飽和殘鍵及不同鍵合狀態的氫基，或為因缺氧而偏離穩定狀態的硅氧結構，能消耗和細化Ca(OH)2晶體，促進水化速度和水化程度，使形成的水化硅酸鈣凝膠更加致密；相比于(亞)微硅粉，具有更高的活性(特別是誘增活性)和自由能態，對混凝土微觀結構的改善和力學性能的提高(即C190強度等級、塑性等)均有不小的促進作用。
[0031]6.本發明中使用的膨脹劑，是一種硫鋁酸鈣類混凝土高效膨脹劑。硫鋁酸鈣類混凝土高效膨脹劑與水化合生成鈣礬石膨脹水化物晶體(C3A.3CaS04.32H20),能防止或減少混凝土水化、硬化中化學反應、物理反應和熱力學反應所引起的體積收縮開裂進行補償，并能填充、堵塞各種毛細孔縫使混凝土內部結構更加致密，不僅大大提高了混凝土的抗裂防滲性能和體積穩定性，并可使混凝土的密實性和強度得到進一步的提高。
[0032]7.本發明中使用的石英砂是一種堅硬、耐磨、化學性能穩定的硅酸鹽礦物。其主要礦物成分是二氧化硅，具有一定的抗酸性介質侵蝕能力，并可以彌補河砂是惰性材料的缺點參與水化反應，提高了混凝土的耐久性和強度。
[0033]8.本發明生產的用于型鋼混凝土組合結構強度等級為C190的超/特高強高性能混凝土是在普通混凝土生產工藝條件下，并采用盡量減少水泥顆粒、外加劑顆粒及超細活性礦物顆粒在混凝土攪拌時到處飛揚的水泥裹砂石攪拌工藝的投料方法實現的，制備工藝簡單并易于實現，適合于工程化和產業化，便于大規模推廣應用，具有較好的社會效益。
[0034]9.本發明生產的用于型鋼混凝土組合結構強度等級為C190的超/特高強高性能混凝土的原材料中含有大量的粉煤灰、硅粉，它們是工業廢料和廢棄物，其消納可對環境保護做出巨大貢獻，符合可持續發展的要求，是一種綠色混凝土，一種環境友好材料。
[0035]10.本發明選用的原材料(包括工業廢料)為大量、規模化生產的市場流通、買售產品，原材料易得。
[0036]11.本發明生產的用于型鋼混凝土組合結構強度等級為C190的超/特高強高性能混凝土是通過加入超細活性礦物慘料(超細粉煤灰和超細磨硅粉)，利用活性礦物摻合料的火山灰反應、增強效應、填充效應、耐久性改善效應及超/特高強高性能混凝土水化熱的溫峰消減效應，并充分利用活性礦物摻合料復合摻入及活性礦物摻合料與高效減水劑的復合摻合料所產生的超疊加效應，根據它們與水泥顆粒、粗細骨料粒徑不在同一級的特點優化超/特高強高性能混凝土材料中膠凝材料部分的顆粒級配，不僅使超/特高強高性能混凝土中集料與水泥石之間的界面結構以及水泥石的孔結構均得到了大幅改善，提高了水泥石的致密度、抗滲性，同時典型的致密結構能擴展到骨料表面，從而使超/特高強高性能混凝土更加密實堅硬，超/特高強高性能混凝土的力學性能(尤其是與型鋼之間的粘結性能)、耐久性能和工作性能均有很大的提高。
【具體實施方式】
[0037]本發明是以在自然狀態(亦即型鋼表面不設置或僅按構造要求設置少量剪切連接件)下顯著改進型鋼與混凝土之間的粘結性能，有效發揮鋼與混凝土兩種材料各自的力學與協同工作性能，從而大幅度提升結構構件的承載能力與性能，并提高結構的耐久性為宗旨，來研究用于型鋼混凝土組合結構強度等級為C190的超/特高強高性能混凝土的制備技術。目前，國內外制作超/特高強高性能混凝土所用的普通硅酸鹽水泥的質量和強度越來越高，所用活性礦物摻合料(硅粉、粉煤灰等)的加工技術與質量不斷改進，加之超塑化劑、高效膨脹劑等混凝土外加劑的研究與應用均已取得了較大的進展，且消泡劑和激發劑在混凝土中的研究與應用也正逐步發展，從而為上述研究宗旨的實現鑒定了基礎。同時，超/特高強高性能混凝土的配制要求的水泥用量相對較少，而生產水泥意味著二氧化碳的大量排放，故在一定程度上減輕了對地球造成的溫室效應；它要求有足夠數量并占膠結材料比重較大的粉煤灰、硅粉等優質的活性礦物摻料，意味著工業廢料的合理處置利用，將有利于形成良好的生產循環和環境保護，而這些優質的活性礦物摻料正是改善混凝土材料自身性能所需要的。總之，應用超/特高強高性能混凝土可以節約水泥、將工業廢料變廢為寶、延長結構工程使用年限，并最終保護生態環境和自然資源。綜上所述，用于型鋼混凝土組合結構的超/特高強高性能混凝土的研究與開發將為更好地使用混凝土走出了一條可持續發展的道路，它將提升結構工程的綜合能力與性能，促進鋼-混凝土組合結構在我國，尤其高烈度及多遇地震地區的高層、超/特高層建筑，海上平臺或水下結構，地下建筑，超/特大跨、超/特重型結構中推廣應用，改善基礎設施和人居環境中建筑結構的科技含量，并發揮它具有較大的承載能力和剛度、良好的抗震性能、施工進度快、耐久和耐火性好及顯著的社會和經濟效益等獨特優勢。因此，型鋼超/特高強高性能混凝土組合結構具有很高的工程應用價值和廣闊的市場前景。
[0038]本發明研制的用于型鋼混凝土組合結構強度等級為C190的超/特高強高性能混凝土，除了與普通混凝土采用類似的材料一水泥、砂、碎石、水外，還加入了其不可缺少的組分:混凝土超塑化劑、混凝土高效膨脹劑和活性礦物摻合料(硅粉、粉煤灰)，另外還摻入了粉末消泡劑和激發劑。超/特高強高性能混凝土與普通混凝土不同，其強度和性能均較普通和聞強混凝土有大幅度的提聞。超/特聞強聞性能混凝土的水灰比一般都小于0.24,而普通和高強混凝土的水灰比一般在0.30以上，超/特高強高性能混凝土的粗骨料最大粒徑亦小于普通和高強混凝土的。上述各項差異導致了超/特高強高性能混凝土與普通和高強混凝土在性能上有著很大的`差別，通過加入超細活性礦物慘料，利用超細活性礦物摻料的火山灰反應、(微)填充效應及增塑效應，優化超/特高強高性能混凝土材料中膠凝材料部分的顆粒級配，不僅使超/特高強高性能混凝土中集料與水泥石之間的界面結構以及水泥石的孔結構均得到了大幅改善，提高了水泥石的致密度、抗滲性，同時典型的致密結構能擴展到骨料表面，從而使超/特高強高性能混凝土更加密實堅硬，超/特高強高性能混凝土的力學性能(尤其是與型鋼之間的粘結性能)和耐久性能均有很大的提高。同時，通過粉末消泡劑的摻入，可減少在混凝土攪拌過程中形成且振搗密實后仍殘留在混凝土內水泥漿體中或水泥漿體與骨料之間的界面過度區的大量氣泡進行脫泡，使其密實度有效提高，對超/特高強高性能混凝土的力學性能(包括與型鋼之間的粘結性能)和耐久性能的提高均做出了不小的貢獻。另外，通過激發劑的摻加，可使混凝土具有一定的微膨脹性，改善混凝土的收縮性能；可以增強粉煤灰水和過程中以鋁硅酸鹽為主要水化組分的玻璃體的腐蝕作用，增大粉煤灰的活性，提高正向水合反應的動力，生成更多的C-S-H凝膠、水化鋁酸鈣及水化硅酸鈣等晶體，對所配制混凝土的強度和耐腐蝕能力有顯著的提高。而混凝土高效膨脹劑的摻加，可對混凝土硬化反應所產生的體積收縮開裂進行補償，可以填充、堵塞混凝土中的各種毛細孔縫，提高混凝土的抗裂防滲性能、密實性、強度和體積穩定性。
[0039]和光圓鋼筋與混凝土之間的粘結相似，型鋼與混凝土之間的粘結力也主要由化學膠結力、摩擦阻力和機械咬合力三部分組成。型鋼與混凝土之間的粘結力的每一組成部分都與混凝土的性能密切相關。
[0040]化學膠結力是混凝土中的水泥凝膠體在型鋼表面產生的化學粘著力或吸附力，其(抗剪)極限值取決于水泥的性質和型鋼表面的粗糙程度。澆筑混凝土時，水泥漿體在鋼材表面產生表面張力，在表面張力的作用下，鋼材表面上的水泥漿體將形成自平衡；澆注混凝土一般要進行振搗，振搗力(擾動)能夠加強并加快水泥漿體向鋼材表面氧化層的滲透；在養護過程中水泥漿體結晶，水泥晶體硬化形成化學膠結力。化學膠結力只在型鋼混凝土構件的原始形成狀態下存在，一旦發生連接面上的(局部)粘結滑移，水泥晶體就會被剪斷并擠壓破碎，化學膠結力則喪失。影響化學膠結力的主要因素有混凝土強度、型鋼鋼材表面粗糙程度、試件澆筑方式與振搗程度以及后期的養護和混凝土的收縮情況等。
[0041]化學膠結力喪失后，由于鋼材表面的粗糙不平以及其它原因所引起的鋼材表面狀況變化(鋼材表面凹凸不平)，使其與接觸面上的混凝土晶體顆粒咬合在一起，這樣就形成了機械咬合力。對于工廠生產并經后期處理的軋制工字鋼等型鋼，一旦粘結滑移發展加快，型鋼與混凝土接觸面上的混凝土晶體被壓碎整合，這時機械咬合力也基本上喪失。影響機械咬合力的主要因素為型鋼鋼材表面的粗糙程度與表面狀況(銹蝕程度等)、混凝土骨料級配、混凝土強度以及型鋼混凝土構件的受力方式等。
[0042]型鋼周圍混凝土對型鋼的摩阻力亦是在型鋼與混凝土之間的粘著力破壞后形成，且主要是在機械咬合力基本喪失后才發揮作用。當化學膠結力，尤其是機械咬合力喪失后，由于與型鋼接觸面上的混凝土晶體被剪斷、壓碎且膨脹，加之保護層和箍筋等橫向約束，將在型鋼與混凝土的連接面上產生正壓力，加上連接面上摩擦系數較大，從而形成了摩擦阻力。摩擦阻力在化學膠結力喪失以后一直都存在，是型鋼與混凝土之間后期粘結力的主要部分。影響摩擦阻力的因素有型鋼的配鋼形式及其表面特征、型鋼與混凝土之間粘結面的大小、構件受力方式、混凝土骨料級`配以及影響橫向約束的因素(型鋼的混凝土保護層厚度、配箍率、混凝土收縮)等。
[0043]本發明所要解決的關鍵技術問題是，在確保超/特高強高性能混凝土所應具備的力學性能(即強度和塑性)以及具有高耐久性、高工作性、高體積穩定性和經濟性的基礎上，顯著地改進混凝土與型鋼之間的(自然)粘結性能，使在型鋼混凝土結構設計中無需(或僅需按構造要求少許地)在型鋼表面加設剪切連接件，即可保證型鋼與混凝土之間有可靠的粘結和錨固，使兩者在荷載作用下能協調一致、共同工作。
[0044]本發明從原理和設計原則上，打破“飽羅米”公式的限制，通過正交試驗法及對比實驗法，考慮混凝土超塑化劑、混凝土高效膨脹劑、消泡劑、激發劑四者之間及其與水泥的相容性，粗骨料最大粒徑、粗骨料不同粒徑之間及其與細骨料粒徑之間的級配對混凝土強度及性能的影響以及活性礦物摻料的(微)填充效應、火山灰活性等性能因素，選用優質粗細骨料并控制粒徑和級配，在超/特高強高性能混凝土配制材料中摻入適量的混凝土超塑化劑、混凝土高效膨脹劑和優質活性礦物超細粉，并考慮消泡劑和激發劑的加入，降低水灰t匕，立足于當地現有的易得材料，不改變常規生產工藝，為盡量減少水泥顆粒、外加劑顆粒及超細活性礦物顆粒在混凝土攪拌時到處飛揚采用水泥裹砂石攪拌工藝的投料方法，利用活性礦物摻合料的火山灰反應、增強效應、(微)填充效應、耐久性改善效應及超/特高強高性能混凝土水化熱的溫峰消減效應，并充分利用活性礦物摻合料復合摻入及活性礦物摻合料與混凝土超塑化劑的復合摻合料所產生的超疊加效應及消泡劑的脫泡作用、膨脹劑的補償收縮和填充作用、激發劑的活性激發作用，配制出力學性能(尤其是與型鋼之間的粘結性能)好、工作性能優異、耐久性能好、成本相對較低的適用于在型鋼混凝土結構中可靠應用的強度等級為C190的超/特高強高性能混凝土。本發明的力學性能試驗對比結果如表2所示。
[0045]本發明選擇原材料時，不僅要求原材料為優質，還要求配制超/特高強高性能混凝土所用的原材料為當地易得。另外，考慮到所配制混凝土的強度很高，根據最大密實度理論對混凝土材料中粗細骨料的顆粒級配進行優化，使粗細顆粒互相有良好的填充，以減少骨料的空隙率；同時，一般水泥的平均粒徑為20~30 μ m,小于10 μ m的顆粒并不多，而活性礦物摻合料的顆粒粒徑遠比水泥顆粒粒徑細小，超細粉煤灰的平均粒徑為3~6μπι，能填充水泥顆粒之間的空隙，微硅粉的平均粒徑也很小，為0.10~0.26 μ m,能填充水泥顆粒與超細粉煤灰顆粒之間以及超細粉煤灰粒子之間的空隙，納米微硅粉的平均粒徑更小，為IOnm~0.1 μ m，能填充膠凝顆粒之間及其與界面結構之間的微細縫隙或空隙，故此在所配制的超/特高強高性能混凝土材料中對膠凝材料部分的顆粒級配進行優化也至關重要。而外部劣化因子(如硫酸鹽等因子)對混凝土的侵蝕性很大程度上取決于混凝土的空隙構造，而這正是造成混凝土耐久性問題的主要原因。活性礦物摻合料的摻入，降低了水泥顆粒之間和界面的空隙率，使水泥石結構和界面結構更為致密，阻斷了可能形成的滲透通路，從而使所配制的超/特高強高性能混凝土的抗滲性大幅度提高，水及其它各種侵蝕介質(Cl/、S042\C02等)均難以進入混凝土內部，并可減少堿-硅反應的發生幾率和次氯酸鈣的生成幾率，其強度和耐久性能得到大幅度提高。即當水泥石結構和界面結構中大于0.1ym的大孔含量較低時，將有利于所配制超/特高強高性能混凝土的各項性能的改善，否則，對所配制超/特高強高性能混凝土的強度、抗滲性能、抗腐蝕性能和耐久性能均不利。
[0046]以活性礦物摻合料取代部分水泥后，還可以使水泥顆粒空隙中的一部分水分被填充其內的礦物摻合料置換出來，可使水泥凈漿的流動度增大。但也并不是所有的礦物摻合料都具有這種顯著的增塑效應，主要是由于部分活性礦物摻合料的比表面積太大或者其本身具有多孔結構，雖然其取代水泥后能置換出水泥凈漿中的部分水分，但由于其本身吸水或潤濕表面需要較多自由水，導致水泥凈漿的流動性并不增大。為了保證所研制超/特高強高性能混凝土的高工作性能，本發明采用混凝土超塑化劑和活性礦物摻合料復合摻入的方法，在兩者的協同工作下 ，活性礦物摻料的微細顆粒不僅充分發揮了它們的(微)填充效應，并將填充于空隙之中的水分置換出來，使顆粒之間的間隔水層加厚；另外，活性礦物摻合料的微細顆粒吸附了混凝土超塑化劑分子，其表面形成的雙電層電位所產生的靜電斥力大于粉體粒子之間的萬有引力，促使粉體顆粒分散，并進一步加劇水泥顆粒的分散，使水泥凈漿的流動性增加，從而有效地改善了混合料的流動性；同時，超細活性礦物摻合料的復合摻入降低了水化熱，可提高混凝土的體積穩定性。
[0047]用于配制超/特高強高性能混凝土的原材料中的骨料應具有較高的固有強度、韌度和穩定性，以能夠抵御各種靜態和動態應力、沖擊及磨蝕作用，而不會導致所配制混凝土性能的下降。由于不同骨料的表面狀態不同，導致水泥漿體與骨料之間的粘結強度也不相同，通常情況下碎石較卵石有較高的粘結強度；另一方面，水泥漿體中硅灰含量比例不同時的粘結強度相差亦很大，摻硅粉時，水泥漿體與骨料之間的粘結強度比不摻時高得多。普通混凝土在破壞時，水泥漿體與骨料的粘結界面是薄弱的環節，裂縫是沿著水泥漿體與骨料的界面出現的，骨料一般不會破壞，且外界侵蝕也往往從此界面開始發展，而超/特高強高性能混凝土中的水泥漿體與骨料的粘結界面不再是薄弱環節，它的破壞也不再沿著界面發生，而是由于骨料的破壞而導致的，因此骨料的性能對超/特高強高性能混凝土的性能有較大的影響。本發明的研究中選用的細骨料采用顆粒圓滑、質地堅硬、級配良好、含泥量小的中粗河砂；粗骨料為表面粗糙、質地優良、級配良好的以花崗巖、玄武巖為主要成分的人工碎石，其最大粒徑應控制在10_。這樣，混凝土的均勻性又得到了進一步的提升，從而使混凝土更加密實，強度也能進一步得到提高。
[0048]本發明在制備時采用水泥裹砂石法(又稱改進的SEC法)混凝土攪拌工藝，在強制式攪拌機中進行攪拌，其投料順序為:先將聚羧酸系混凝土超塑化劑和激發劑均勻拌入稱量好的水中，得到混合物；然后加入細骨料和拌有超塑化劑和激發劑混合物總量的1/3 —攪拌均勻(I~2分鐘)一加入粗骨料和拌有超塑化劑和激發劑混合物總量的1/3 —攪拌均勻(2~4分鐘)一加入全部膠結材料(水泥、膨脹劑、娃灰和粉煤灰)一攪拌均勻(3~4分鐘)一加入消泡劑和剩余拌有超塑化劑和激發劑混合物一均勻攪拌(2~3分鐘)一停留3分鐘后再攪拌至均勻(2~3分鐘)一出料。這種工藝能盡量減少水泥顆粒及超細活性礦物顆粒在混凝土攪拌時到處飛揚，并可提高所制備混凝土的強度，且所制備的混凝土不宜出現離析現象，泌水少，工作性能相對較好。
[0049]實施例:
[0050](一)原材料
[0051]1.水泥
[0052]選擇質量穩定、性能較好的秦嶺牌P *062.5R水泥，使用前與聚羧酸系混凝土超塑化劑進行兩者之間的適應性試驗，試驗方法采用現行建材行業標準《水泥與減水劑相容性試驗方法》JC/T1083-2008中的方法，與聚羧酸系混凝土超塑化劑相容性良好。所選水泥性能指標符合國家現行相關標準的要求，其堿含量少、水化熱低、需水性也低。
[0053]2.骨料
[0054]砂采用顆粒圓滑、質地堅硬、級配良好的中偏粗、灞河砂，砂的品質符合現行建材行業標準《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》JC/T52-2006及國家標準《建筑用砂》GB/T14684 一 2001中規定的優質砂標準。其細度模數為3.0，含泥量和泥塊含量均控制在
0.3% (以質量計)以下，氯離子含量控制在0.05% (以干砂的質量計)以下。
[0055]選擇質地精純、級配良好的石英砂。其二氧化硅含量應不小于99%，三氧化二鐵含量應不大于0.005%，鉻、鈦等金屬雜質含量應不大于0.01%。進行該混凝土配制時，采用不同粒徑規格(2-4mm、l-2mm、0.63-lmm、0.315-0.63mm、0.16-0.315mm、〈0.16mm)多級配投料。
[0056]粗骨料采用質量致密堅硬，強度高，表面粗糙，粒形為近似球形，針、片狀含量小，級配良好的人工碎石，其主要成分花崗巖和玄武巖含量(以質量計)不低于90%。碎石的品質符合現行建材行業標準《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》JC/T52-2006等相關標準的規定要求。骨料母體巖石的立方體抗壓強度為180~250MPa。最大粒徑控制在IOmm,含泥量控制在0.2% (以質量計)以下，泥塊含量控制在0.1% (以質量計)以下，針、片狀顆粒含量控制在0.5% (以質量計)以下，且不得混入風化顆粒。進行該混凝土配制時，采用連續粒級碎石Φ5~Φ 10投料。
[0057]3.粉煤灰
[0058]采用燃煤工藝先進的電廠生產的優質I級特細粉煤灰。其品質符合國家標準《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T1596 - 2005等相關標準的規定要求，其細度(0.045mm方孔篩篩余，％)不大于5%，燒失量為2.2%，SO3含量為1.5%，需水量比小于95%，比表面積約為1000m2/kg。
[0059]4.硅粉
[0060]選用的30nm納米娃粉和(亞)微娃粉的品質符合國豕標準《聞強聞性能混凝土用礦物外加劑》GB/T18736 — 2002等相關標準的規定要求，30nm納米硅粉和(亞)微硅粉的含水率均小于1%，燒失量均不大于3%，氯離子含量均不大于0.01%，火山灰活性指數均大于95%。其中，30nm納米硅粉的比表面積約為42000m2/kg，硅含量不小于99.9% ；(亞)微米硅粉的比表面積約為27000m2/kg, 二氧化娃含量不小于99%。
[0061]5.混凝土超塑化劑
[0062]經過大量嘗試性對比試驗及與水泥相容性試驗，該發明所選用的高效減水劑為聚羧酸系混凝土超塑化劑，其品質符合現行國家標準《混凝土外加劑》GB8076-2008等相關標準的規定要求，所選用高效減 水劑的減水率大于30%。所選用高效減水劑的最大摻量為全部膠凝材料總量的2.5%，采用同摻法，使用前與所選擇的水泥品種進行相容性試驗且相容性良好。
[0063]6.激發劑
[0064]選用由發明人所在研究團隊根據超細磨粉煤灰水化反應特點和進一步激發和利用其活性自主研制的粉煤灰潛在活性激發劑(XJFAA)，即將55~60%的偏硅酸鈉(Na2StO3.9Η20)、38 ~43% 的熟石灰(Ca(OH)2)及 1.5 ~2.5% 的硫酸錳(Na2StO3.9Η20)按質量百分比配制而成的一種化學激發劑，詳見表1。該激發劑與早強普通硅酸鹽水泥、聚羧酸系混凝土超塑化劑具有良好的相容性。
[0065]表1 XJFAA激發劑的不同配比
[0066]
【權利要求】
1.一種用于型鋼混凝土組合結構C190強度等級的混凝土，其特征在于，該混凝土按照kg/m3的配合比為: 水泥:細骨料:粗骨料:水:混凝土超塑化劑:消泡劑:硅粉:粉煤灰:激發劑:膨脹劑=466: 842: 1065: 97: 19: 1.1: 75: 119: 7: 38。
2.根據權利要求1所述的一種用于型鋼混凝土組合結構C190強度等級的混凝土，其特征在于，所述細骨料采用質量比為9:1的比例顆粒圓滑、質地堅硬、級配良好的中偏粗河砂和質地精純、級配良好的石英砂；其細度模數為2.8~3.2之間；以質量比計，其含泥量和泥塊含量應不大于0.3% ;以干砂的質量比計，其氯尚子含量應不大于0.05% ;石英砂中二氧化娃含量應不小于99%,三氧化二鐵含量應不大于0.005%,鉻、鈦金屬雜質含量應不大于0.01%。
3.根據權利要求1所述的一種用于型鋼混凝土組合結構C190強度等級的混凝土，其特征在于，所述粗骨料采用質量致密堅硬、強度高、表面粗糙、粒形為近似球形、針片狀含量小、級配良好的以花崗巖、玄武巖為主要成分的人工碎石，按照連續粒級碎石Φ5~Φ10投料；粗骨料其母體巖石的立方體抗壓強度應不低于160MP，最大粒徑應控制在IOmm ;以質量比計，其含泥量應不大于0.2%，泥塊含量應不大于0.1%，針、片狀顆粒含量應不大于0.5%,且不得混入風化顆粒。
4.根據權利要求1所述的一種用于型鋼混凝土組合結構C190強度等級的混凝土，其特征在于，所述混凝土超塑化劑選擇聚羧酸系混凝土超塑化劑，減水率應大于30%，最大飽和摻量應不小于全部膠凝材料總量的2.5%。
5.根據權利要求1所述的一種用于型鋼混凝土組合結構C190強度等級的混凝土，其特征在于，所述消泡劑選擇AGITAN0P803粉末消泡劑。`
6.根據權利要求1所述的用于型鋼混凝土組合結構強度等級為C190的混凝土，其特征在于，所述硅粉采用質量比為3:2的30nm納米硅粉和亞微硅粉，30nm納米硅粉和亞微硅粉的含水率均應不大于1%，燒失量均應不大于3%，氯離子含量均應不大于0.01%，火山灰活性指數均應大于95% ;其中，30nm納米硅粉的比表面積應不小于40000m2/kg，硅含量應不小于99.9% ;亞微米娃粉的比表面積應不小于25000m2/kg, 二氧化娃含量應不小于95%。
7.根據權利要求1所述的用于型鋼混凝土組合結構強度等級為C190的混凝土，其特征在于，所述粉煤灰采用優質I級特細粉煤灰，0.045mm方孔篩篩余應不大于10%，其燒失量應不大于3%，SO3含量應不大于2%，含水量應不大于1%，需水量比應不大于95%，比表面積應大于 700m2/kg。
8.根據權利要求1所述的用于型鋼混凝土組合結構強度等級為C190的混凝土，其特征在于，所述激發劑選擇自制粉煤灰激發劑XJFAJ，由下述質量百分比的原料制備而成: 偏硅酸鈉55~60%，熟石灰38~43%，硫酸錳1.5~2.5%。
9.根據權利要求1所述的用于型鋼混凝土組合結構強度等級為C190的混凝土，其特征在于，所述膨脹劑選用硫鋁酸鈣類混凝土高效膨脹劑，0.08mm方孔篩篩余應不大于10%，其比表面積應大于300m2/kg，水中7天限制膨脹率應不小于0.05%, 28d抗壓強度應不小于50MPa, MgO含量應不大于3%，堿含量應不大于0.5%。
10.用于型鋼混凝土組合結構C190強度等級的混凝土的制備方法，其特征在于，該方法采用改進的水泥裹砂石法混凝土攪拌工藝，具體工藝步驟如下:1)先將混凝土超塑化劑19kg/m3和激發劑7kg/m3均勻拌入稱量好的水97kg/m3中，得到混合物； 2)然后按照重量配比在強制式攪拌機中加入757.8kg/m3的河砂、84.2kg/m3的石英砂和步驟I)混合物總量的1/3，均勻攪拌I~2min ； 3)再加入1065kg/m3的Φ5~Φ10連續粒級碎石粗骨料和步驟I)混合物總量的1/3，均勻攬拌2~4min ； 4)接著加入全部膠結材料:、466 kg/m3的水泥、38kg/m3的膨脹劑、45kg/m3的納米娃粉、30kg/m3的亞微娃粉和119kg/m3的粉煤灰,均勻攪拌3~4min ； 5)最后加入1.lkg/m3的消泡劑和剩余步驟I)混合物，均勻攪拌2~3min,停留3分鐘后再攪拌2~3min至均勻，出料，即得C190強度等級的混凝土拌合物。
【文檔編號】C04B28/00GK103553459SQ201310493380
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月18日 優先權日:2013年10月18日
【發明者】鄭山鎖, 王帆, 王斌, 侯丕吉, 楊威, 孫龍飛, 鄭捷, 秦卿, 蘭昆 申請人:西安建筑科技大學