一种骨料强韧化修饰超高性能混凝土及其制备方法

本发明涉及一种超高性能混凝土，具体涉及一种骨料强韧化修饰超高性能混凝土及其制备方法，涉及土木工程材料。

背景技术：

1、超高性能混凝土(uhpc)是20世纪90年代开发的最具创新性的水泥基材料，具有超高的力学强度和致密的微观结构，其在具有特殊要求的应用工程中显示出巨大的潜力，如防护工程、大跨度桥梁、港口码头等。

2、随着混凝土力学强度的不断提高，高/超高性能混凝土基体发生脆性破坏的概率越来越大，更明显的是，超高强度等级的混凝土基本处于爆裂的脆性破坏模式，这给混凝土结构服役带来了很大的安全隐患。

3、针对上述问题，现代超高性能混凝土的增韧减脆就显得格外重要，也引发了广大研究者的关注，目前有研究掺入橡胶等柔性颗粒来提高水泥基材料的形变能力，但是发现橡胶颗粒的掺入会较大程度的降低混凝土的强度。由此，为了平衡强度与韧性(或变形能力)之间的矛盾，目前迫切需要在未较大程度降低超高性能混凝土强度的前提下，有效提高超高性能混凝土的形变能力与韧性，从而来更加有效开发出超高性能混凝土在特种工程中的应用潜力。

技术实现思路

1、针对现有技术的问题，本发明的第一个目的提供了一种骨料强韧化修饰超高性能混凝土，该混凝土基于骨料表面修饰剂与碳纳米管对骨料表面的协同改性作用，在保证混凝土力学强度的基础上，大幅提高混凝土的吸能效果和弯曲韧性，有效解决了超高性能混凝土基体形变能力不足的问题，拓宽了超高性能混凝土的应用范围。

2、本发明的第二个目的提供了一种骨料强韧化修饰超高性能混凝土的制备方法，该方法将骨料表面修饰剂与碳纳米管在骨料表面进行聚合改性，然后与其他干料混合均匀，得到干料混合物，再与剩余原料混合形成浆料，经装模、振捣、抹面和养护即得；该方法工艺简单，便于实施，无需额外的设备投资，适合大规模工业化生产。

3、为了实现上述技术目的，本发明提供了一种骨料强韧化修饰超高性能混凝土，包括以下质量份数组分：硅酸盐水泥600～800份，硅灰150～250份，钼渣粉50～200份，骨料1050～1150份，骨料表面修饰剂20～35份，纳米改性剂0.1～0.6份，钢纤维117～234份，减水剂8～15份，消泡剂1～2份和水150～180份。

4、作为一项优选的方案，所述硅酸盐水泥为p·ii 42.5、p·ii 52.5、p·ii 42.5r和p·ii 52.5r中的至少一种。

5、作为一项优选的方案，所述硅灰的sio2含量≥93wt％，其比表面积≥16000m2/kg。

6、作为一项优选的方案，所述钼渣粉的d50粒径≤20μm，比表面积≥500m2/kg。

7、作为一项优选的方案，所述骨料为石英砂和/或河砂。

8、作为一项优选的方案，所述骨料由0.60～1.18mm石英砂、1.18～2.36mm河砂i和2.36～4.75mm河砂ii组成，三者的质量比为0.25～0.30：0.30～0.35:0.35～0.40。骨料中各组分的比例由紧密堆积模型计算得到，其目的在于通过调整骨料中各组分的比例来调整骨料颗粒初始堆积密度，结合消泡剂可有效解决超高性能混凝土粘度过大、难以振捣的问题，从而大幅提高材料微观结构的密实性，改善混凝土的后期力学强度与韧性。

9、作为一项优选的方案，所述骨料表面修饰剂为环氧树脂乳液、丁苯胶乳液和聚丙烯酸酯乳液中的至少一种。

10、作为一项优选的方案，所述骨料表面修饰剂中各乳液的固含量为40～60％。

11、本发明所采用骨料表面修饰剂为聚合物乳液，聚合物乳液一方面具有一定的流动性，可充分的裹覆于骨料颗粒表面，形成质地均匀的薄柔性层，另一方面，聚合物乳液中含有大量的接枝位点，便于对骨料进行后续的改性。

12、作为一项优选的方案，所述纳米改性剂为高纯度羧基化多壁碳纳米管，其纯度＞98％，内径为5～10nm，外径为10～20nm，长度为10～30μm，羧基含量为1.5～3wt％，比表面积＞200000m2/kg。本发明采用羧基化多壁碳纳米管作为纳米改性剂，其可通过羧基与骨料表面修饰剂所形成的薄柔性层产生接枝反应，在纳米层面上进一步修饰改性骨料表面，在强化混凝土韧性的同时，通过改变混凝土中骨料的界面效应，有效抑制了受应力时所产生的细微裂纹的扩散，解决了超高性能混凝土因脆性过大而产生的爆裂性脆性破坏的技术问题。

13、作为一项优选的方案，所述钢纤维为平直镀铜微细钢纤维，其直径0.18～0.20mm，长度为8～13mm。

14、作为一项优选的方案，所述减水剂为粉末型聚羧酸超塑化剂。

15、作为一项优选的方案，所述消泡剂为聚醚类高性能粉末消泡剂。

16、本发明还提供了一种骨料强韧化修饰超高性能混凝土的制备方法，将骨料表面修饰剂和纳米改性剂通过高速搅拌在骨料表面聚合成膜，得改性骨料；将改性骨料、硅酸盐水泥、硅灰、钼渣粉充分混匀后加入钢纤维，得干料混合物；将干料混合物与所述减水剂、消泡剂和水混合形成浆料，然后依次经过装模、振捣、抹面和养护，即得。

17、作为一项优选的方案，所述高速搅拌的条件为：搅拌叶片转速为120～300r/min，时间为3～10min。

18、相对于现有技术，本发明技术方案的有益技术效果为：

19、1)本发明所提供的超高性能混凝土利用骨料表面修饰剂与碳纳米管对骨料表面的协同改性作用，在保证混凝土力学强度的基础上，大幅提高混凝土的吸能效果和韧性，有效解决了超高性能混凝土基体形变能力不足的问题，拓宽了超高性能混凝土的应用范围。

20、2)本发明所提供的制备方法中，将骨料表面修饰剂与碳纳米管在骨料表面进行聚合改性，然后与其他干料混合均匀，得到干料混合物，再与剩余原料混合形成浆料，经装模、振捣、抹面和养护即得；该方法工艺简单，便于实施，无需额外的设备投资，适合大规模工业化生产。

21、3)本发明所提供的技术方案中，通过添加硅灰和钼渣等固废材料，不仅提高了对固废材料的消纳能力，实现了对固废材料的资源化处理，还可以大幅减少硅酸盐水泥的用量，实现碳减排的目的。此外，通过本发明技术方案所制备的混凝土材料相较于传统超高性能混凝土，其形变能力提升了30～50％，弯曲吸能能力与弯曲韧性指数均提高了15～25％。

技术特征：

1.一种骨料强韧化修饰超高性能混凝土，其特征在于：包括以下质量份数组分：硅酸盐水泥600～800份，硅灰150～250份，钼渣粉50～200份，骨料1050～1150份，骨料表面修饰剂20～35份，纳米改性剂0.1～0.6份，钢纤维117～234份，减水剂8～15份，消泡剂1～2份和水150～180份。

2.根据要求1所述的一种骨料强韧化修饰超高性能混凝土，其特征在于：所述硅酸盐水泥为p·ii 42.5、p·ii 52.5、p·ii 42.5r和p·ii 52.5r中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种骨料强韧化修饰超高性能混凝土，其特征在于：所述硅灰的sio2含量≥93wt％，其比表面积≥16000m2/kg。

4.根据权利要求1所述的一种骨料强韧化修饰超高性能混凝土，其特征在于：所述钼渣粉的d50粒径≤20μm，比表面积≥500m2/kg；所述骨料为石英砂和/或河砂。

5.根据权利要求1或4所述的一种骨料强韧化修饰超高性能混凝土，其特征在于：所述骨料由0.60～1.18mm石英砂、1.18～2.36mm河砂i和2.36～4.75mm河砂ii组成，三者的质量比为0.25～0.30：0.30～0.35:0.35～0.40。

6.根据权利要求1所述的一种骨料强韧化修饰超高性能混凝土，其特征在于：所述骨料表面修饰剂为环氧树脂乳液、丁苯胶乳液和聚丙烯酸酯乳液中的至少一种；所述骨料表面修饰剂中各乳液的固含量为40～60％。

7.根据权利要求1所述的一种骨料强韧化修饰超高性能混凝土，其特征在于：所述纳米改性剂为高纯度羧基化多壁碳纳米管，其纯度＞98％，内径为5～10nm，外径为10～20nm，长度为10～30μm，羧基含量为1.5～3wt％，比表面积＞200000m2/kg。

8.根据权利要求1所述的一种骨料强韧化修饰超高性能混凝土，其特征在于：所述钢纤维为平直镀铜微细钢纤维，其直径0.18～0.20mm，长度为8～13mm；所述减水剂为粉末型聚羧酸超塑化剂；所述消泡剂为聚醚类高性能粉末消泡剂。

9.权利要求1～8任意一项所述的一种骨料强韧化修饰超高性能混凝土的制备方法，其特征在于：将骨料表面修饰剂和纳米改性剂通过高速搅拌在骨料表面聚合成膜，得改性骨料；将改性骨料、硅酸盐水泥、硅灰、钼渣粉充分混匀后加入钢纤维，得干料混合物；将干料混合物与所述减水剂、消泡剂和水混合形成浆料，然后依次经过装模、振捣、抹面和养护，即得。

10.根据权利要求9所述的一种骨料强韧化修饰超高性能混凝土的制备方法，其特征在于：所述高速搅拌的条件为：搅拌叶片转速为120～300r/min，时间为3～10min。

技术总结本发明公开了一种骨料强韧化修饰超高性能混凝土及其制备方法。该混凝土包括以下质量份数组分：硅酸盐水泥600～800份，硅灰150～250份，钼渣粉50～200份，骨料1050～1150份，骨料表面修饰剂20～35份，纳米改性剂0.1～0.6份，钢纤维117～234份，减水剂8～15份，消泡剂1～2份和水150～180份。该混凝土的制备过程为：将骨料表面修饰剂与碳纳米管在骨料表面进行聚合改性，然后与其他干料混合均匀，再与剩余原料混合形成浆料，经装模、振捣、抹面和养护即得。该混凝土基于骨料表面修饰剂与碳纳米管对骨料表面的协同改性作用，在保证混凝土力学强度的基础上，大幅提高混凝土的吸能效果与韧性，有效解决了超高性能混凝土基体形变能力不足的问题，拓宽了超高性能混凝土的应用范围。技术研发人员：杨恺,龙广成,唐卓,曾晓辉,孙成名,马昆林,谢友均受保护的技术使用者：中南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13