一种超高性能混凝土及其制备方法与流程

本发明涉及建筑材料，特别涉及一种超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、超高性能混凝土(uhpc)具有超高强度、超高韧性及优异的耐久性等优势，其主要由水泥、硅灰、石英砂、钢纤维、减水剂及减缩剂等材料组成。但原材料的高用量，再加上强度发展阶段需要高温蒸汽养护，需要额外安装蒸汽设备，导致uhpc产品的生产制作及应用成本很高，极大限制了其广泛应用。

2、超高性能混凝土(uhpc)主要由水泥、硅灰、粉煤灰、减水剂、石英砂及钢纤维等材料组成。依照最大密实度原理：材料颗粒之间的空隙由更小粒径的材料填充，从而使材料空隙率尽可能的将至最低；这也使其具有超高强度及优异的耐久性。uhpc中分散的钢纤维可大大减缓材料内部微裂缝的扩展，从而使uhpc具有超高的韧性。uhpc抗压强度大于120mpa、抗折强度大于20mpa，其水胶比一般在0.20左右，最低可达0.13。

3、硅酸盐水泥作为uhpc材料体系中主要的胶凝材料，其含量大约是传统混凝土相应值的3～4倍。然而，一方面，较高的水泥使用量对uhpc成本控制及行业的可持续性会产生较为不利的影响；另一方面，uhpc中水泥用量远高于理论值，在超低水胶比条件下仅有少部分水泥颗粒发生水化反应，大部分水泥颗粒仅作为填充材料存在于基体内，并没有参与水化反应，从而发挥其潜在价值。

4、目前uhpc主要的养护方式为热养护，其一般包括蒸汽养护、蒸压养护、干热养护等。其中蒸汽养护和蒸压养护温度一般控制在90℃，干热养护的温度则是一般在200～250℃。养护温度和时间控制在一定范围之内会促进uhpc的水化并且有利于力学性能的提高，但超过一定范围则对uhpc内部微观结构造成一定程度的破坏而影响热养护效果，甚至会导致uhpc的后期强度会出现倒缩现象。

5、uhpc材料的成本约为普通混凝土的10倍，且其对原材料以及养护条件的较高要求限制了其在大型建筑工程领域中的推广应用。因此，有必要从原材料以及养护条件方面入手，开展兼具高性能和低成本的新型绿色uhpc材料的研究。

6、与此同时，随着社会经济快速发展，我国每年会产生大量的玻璃制品及其废弃物，玻璃在自然状态下无法分解，难以运用其他垃圾处理方法进行处理，且其原材料来源、使用途径以及生产机制的不同，使得其回收利用率较低，从而往往导致环境污染与破坏。传统超高性能混凝土掺入硅灰，硅灰价格昂贵造成整体成本高。作为耗能大项，水泥生产对环境污染极大，因此适当地节约水泥具有显著的社会与经济效益。因此，考虑回收利用主要成分为硅酸盐成分的玻璃废弃物，不仅能减少环境污染，而且可以降低碳排放。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种超高性能混凝土，该超高性能混凝土以废弃玻璃粉和碳酸钙粉为原料，制备成本低性能高的超高性能混凝土产品，实现了玻璃废弃物及碳酸钙粉的资源化利用。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种超高性能混凝土，该超高性能混凝土重量份的组成是：

4、水泥1重量份，

5、改性微粉0.4～0.7重量份，

6、硅灰0.2～0.5重量份，

7、石英砂1.2～1.7重量份，

8、水0.27～0.35重量份，

9、减水剂粉剂0.015～0.03重量份，

10、减缩剂0.006～0.01重量份，

11、石墨烯增强剂，其中，以水泥、改性微粉和硅灰总粉体质量为100％计，所述石墨烯增强剂的质量掺量为0.3％～0.7％，

12、钢纤维，其中，以所述超高性能混凝土的体积计为100％计，所述钢纤维掺量为1～3％；

13、改性微粉是由以下方法制得：(1)将具有一下重量百分比的原料混合制成混合原料：碳酸钙粉20～45％，预磨和酸洗后的废玻璃粉10～30％，s95矿渣粉20～30％，fii级粉煤灰20～30％，碳酸锂0.5～3％的混合原料，(2)以混合原料重量为100％计，外掺醇胺类助磨剂0.02～0.05％和高分子助磨剂0.03～0.05％，通过滚筒球磨60～90min的方式物理改性，得到比表面积850～1000m2/kg，7d活性指数大于100，28d活性指数大于110的改性微粉。

14、作为优选，以水泥、硅灰和改性微粉总粉体质量为100％计，石墨烯增强剂掺量为0.3～0.7％。

15、作为优选，石墨烯增强剂是石墨烯分散液，是由以下质量百分比的组分混合后超声分散6h～8h制得：

16、石墨烯1～5％、三聚氰胺粉剂10～15％、非离子型表面活性剂5～10％、阴离子表面活性剂5～10％、硅氧烷基消泡剂5～10％、聚醚类消泡剂1～5％，余量为水。

17、作为优选，非离子型表面活性剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇或聚氧化乙烯中的一种或几种，阴离子表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠或甘油脂肪酸酯中的一种或几种。非离子型表面活性剂一般选择聚乙烯醇类分散剂，阴离子型表面活性剂一般选择磺酸钠类分散剂。

18、复掺改性微粉和石墨烯后，混凝土性能大幅改善。

19、本发明人通过大量研究表明一定量的玻璃粉掺入混凝土中可以改善混凝土性能。发明人研究发现，废玻璃粉预磨细一次后，再进行酸浸，再与其他胶凝材料进行二次磨细；通过酸洗处理，可使玻璃粉表面形成一层厚度很薄，但质地坚硬、致密而光滑的硅酸盐层。这种硅酸盐层可以增强玻璃粉的抗压强度，使其更加耐磨、耐腐蚀。

20、发明人在研究中发现纳米级碳酸钙材料的加入可以使水化产物中形成更多的c-s-h凝胶，且可以增加ca(oh)2的生成并降低未反应的c3s含量，从而改善微观结构，提高强度及耐久性；纳米碳酸钙对超细孔隙的填充也可以有效提升混凝土抗渗性。实现玻璃废弃物及碳酸钙粉的资源化利用，对固废物再利用、二氧化碳排放降低以及超高性能混凝土性能改善均具有重要价值。

21、石墨烯具有独特的准二维层状结构，层间距达纳米级别，在团队已发表的《水泥浆体中石墨烯团聚的xct解析研究》研究基础上，通过复掺水性分散剂+三聚氰胺减水剂分散后，分散剂中含有大量的极性含氧基团如羟基、羧基、环氧基等吸附在石墨烯表面，基团之间通过静电斥力作用，避免石墨烯团聚，使之均匀分散在混凝土中，这使得其具有活性且易与许多聚合物基质相容，替代了通过化学方式合成的氧化石墨烯，因此成为提高水泥基材料密实度的理想材料。

22、本发明用改性微粉和性能优异的石墨烯增强剂制作uhpc，替代了传统的粉煤灰和矿渣粉，极大地改善了超高性能混凝土性能，并利用现有的标准养护条件养护试件就能满足强度要求，降低了制作uhpc的条件限制，可满足普通工地的现场生产施工，并具有良好的安全及耐久性。

23、作为优选，改性微粉是由重量百分比的碳酸钙粉33～35％，预磨和酸洗后的废玻璃粉8～10％，s95矿渣粉28～32％，fii级粉煤灰22～25％和碳酸锂2～3％组成的混合原料，外掺以混合原料重量计为100％的醇胺类助磨剂0.04～0.05％和高分子助磨剂0.04～0.05％，通过滚筒球磨60～90min的方式物理改性，得到比表面积850～1000m2/kg，7d活性指数大于100，28d活性指数大于110的改性微粉。

24、作为优选，所述钢纤维直径0.2～0.22mm，长度13～20mm。

25、一种本发明所述的超高性能混凝土的制备方法，该方法包括以下步骤：

26、s1、将原料水泥、改性微粉、硅灰、石英砂和减水剂粉剂干混合料搅拌4～10min进行第一次混合，再加入水搅拌至少5～10min，再投入减缩剂搅拌2～10min，然后加入石墨烯增强剂搅拌4min，搅拌均匀后得到具有流动性的混合物；

27、s2、向s1得到的混合物中加入配方量的钢纤维进行混合；

28、s3、将s2得到的混合物依次进行浇筑成型处理和养护处理，得到超高性能混凝土。

29、本发明的有益效果是：

30、1、本发明中采用改性微粉部分代替传统超高性能混凝土中价格昂贵的硅灰，大大降低了制作成本。本发明采用玻璃废弃物回收，玻璃粉形式复配碳酸钙粉、传统矿渣粉、粉煤灰、碳酸锂粉，并复掺助磨剂制得改性微粉，替代相对昂贵胶材应用，提高混凝土密实度，低碳环保；

31、2、本发明掺入经直接超声分散的石墨烯增强剂，增加混凝土内部结构密实性，提高混凝土抗压强度和抗弯强度。石墨烯增强剂改善微观结构，其不仅可覆盖掺入玻璃粉所带来的负面影响，并提供一定程度性能提高，将固废重新利用，绿色环保；

32、3、超高性能混凝土相较于普通混凝土因其胶凝材料用量大、活性掺合料掺量高、骨料用量少，水灰比较低等特点，总体收缩相对于普通混凝土更大，早期开裂风险较高。本发明掺入减缩剂，可一定程度减少uhpc早期收缩(试验证明：2天收缩较空白组降低34.1％，7天收缩较空白组降低36.4％)，减少裂缝出现的几率，所制备的uhpc具有更好的耐久性能；

33、4、uhpc主要的养护方式为热养护，包括蒸汽养护、蒸压养护、干热养护等。养护温度和时间控制在早期一定范围之内会促进uhpc的水化并且有利于力学性能的发展，但超过一定范围则对uhpc内部微观结构造成一定程度的破坏而影响热养护效果，甚至会导致uhpc的后期会出现强度倒缩现象；且采用热养护需额外安装蒸汽设备，一定程度增加uhpc的制备及应用成本。本发明可利用现有的标准养护条件养护，无需购买额外设备，所制备的uhpc试件可满足强度及使用要求。