一种耐高温急冷高性能混凝土及其制备方法与流程

本发明属于建筑材料，具体涉及一种耐高温急冷高性能混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，混凝土结构建筑物的火灾时有发生，特别是在人口密集的城市建筑物。火灾一旦发生，会造成巨额的生命财产损失。火灾发生过程中，热量通过热辐射、热对流和热传导输入结构内部，结构热力耦合效应使混凝土的微观结构发生显著变化，直接导致其力学及耐久性能大幅度下降。在现实中，消防部门通常会在火灾发生后对建筑进行及时抢救，一般会采用喷水冷却的方式对混凝土结构进行灭火和快速降温。因此，与其他土木工程结构受到高温工况作用后的自然冷却相比，快速冷却更符合城市建筑发生火灾后的实际工况。

2、相较于单一高温工况、高温后自然冷却工况，高温后喷水快速冷却工况更加恶劣，对混凝土造成的主要危害包括以下2个方面：（1）温度梯度大、热应力高：混凝土经历高温后，内部温度急剧上升，材料膨胀，此时遇到喷水冷却，外部温度迅速下降，导致混凝土表面收缩，而内部仍保持高温，两者之间产生较大的温度梯度，从而引起较大的温度应力，直接导致混凝土表面及内部产生裂缝和整体结构损坏；（2）材料强度的加速降低：高温使得混凝土中水化产物及凝胶加速分解，孔隙率上升，结构变得疏松，喷水快速速冷却过程中产生的微观裂缝和剥落现象会进一步大幅加剧这一过程，致使材料强度显著降低。因此，如何减少混凝土内外部温度梯度同时提高强度及抗裂性能，是降低工程结构在高温及快速水冷耦合工况下性能劣化的重点所在。

3、现有技术中，大多仅是针对混凝土的耐高温性能进行设计，少有考虑混凝土经受高温和喷水快速冷却的耦合作用下的应用工况，也无针对混凝土在高温下快速水冷却带来的进一步损害的解决措施。如中国专利cn 117886568 a和cn 115124291a均公开了一种耐高温混凝土及其制备方法：专利cn 117886568a通过使用镁渣、镁橄榄石晶须、硅灰石纤维等耐火材料，实现混凝土在1000℃及以下时均无裂痕和结构性破坏；专利cn 115124291a利用钢渣、铬铁渣、微硅粉等固废防火材料，配合纤维、碳化钛硅粉，使制备得到的混凝土常温下具有较高抗压强度和抗折强度，且耐高温性能稳定。这两项专利技术共同特点是，通过添加多种防火材料来提高混凝土的强度和高温性能，未考虑耦合工况下的混凝土可能遇到内外部温度梯度大、热应力高等技术问题。此外多种防火材料的叠加设计方案，在混凝土实际搅拌站生产时不易同时获取，且存在添加的量精准的问题和搅拌均匀性问题，混凝土工作性能必受影响。中国专利cn 117819909 a中使用将多孔网状轻骨料和改性碳纤维进行混合制备出耐高温高强混凝土，但多孔网状轻骨料表面粗糙，易影响混凝土施工可泵性能，且多孔结构的骨料易导致浆体不均匀渗入，骨料-水泥浆界面过渡区薄弱，混凝土力学性能降低。

4、因此，研究有效减少混凝土在高温及快速水冷耦合工况下，大温度梯度、收缩开裂及结构疏松等因素对结构强度和耐久性能造成的影响，实现混凝土结构在经历火灾和喷水灭火后依然保留较好的综合性能，对延长建筑的使用周期寿命具有重要意义。

技术实现思路

1、针对以上现有技术的不足，本发明的目的是提供一种耐高温急冷高性能混凝土及其制备方法，通过在混凝土中引入温度梯度复合骨料、碳化硅、纤维等材料，使得混凝土在高温急冷工况下，内外部温度梯度大幅度减小，且混凝土仍保持优异的抗裂性能和密实度，有效解决混凝土因温度应力大导致的开裂以及强度加速降低的问题。

2、为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

3、一种耐高温急冷高性能混凝土，其原料按重量份数计包括：水泥240~300份、粉煤灰60~80份、粒化高炉矿渣60~70份、砂700~780份、圆苞车前子壳胶0.8~1.3份、玄武岩纤维1.5~2.5份、减水剂5~8份、水155~170份、温度梯度复合骨料1020~1100份、碳化硅8~10份、聚乙二醇0.5~1.5份；其中，所述温度梯度复合骨料的制备方法包括以下步骤：

4、（1）制备内层基体：将煤矸石65~75份、膨胀珍珠岩粉15~20份、空心玻璃微珠8~10份和硅酸钠溶液3~5份混合均匀，静置陈化16~20h后，造粒，烧结，得到粒径4.75~16.0mm的颗粒。

5、（2）制备中间吸温缓冲层：将步骤（1）所得颗粒与加热至熔化状态的聚乙烯蜡混合，真空浸渍，然后加入工业废玻璃粉末，机械震荡混合均匀后取出，静置干燥，得到粒径5~20mm的复合颗粒；所述步骤（1）所得颗粒、聚乙烯蜡、工业废玻璃粉末的重量比为1：（0.3~0.4）：（0.4~0.5）。

6、（3）制备外部导热及强度包裹层：将铝污泥灰65~75份、矿渣粉15~25份、硅酸钠溶液8~12份混合搅拌均匀，形成碱激发浆料。

7、（4）将步骤（2）所得颗粒浸入步骤（3）所得浆料中，混合均匀以完全裹覆后，利用制丸机进行骨料成型，得到粒径为10~26.5mm的温度梯度复合骨料。

8、优选地，所述温度梯度复合骨料成型后，需在室内环境下放置2d，置于20℃常温水中养护10d，取出后在空气中静置干燥即可使用。

9、优选的，所述烧结是将颗粒先在300~400℃下预烧结30~40min，之后在700~800℃下烧结100~140min。

10、优选的，所述硅酸钠溶液的质量浓度为20~30%。

11、优选的，所述聚乙烯蜡的平均分子量为4000~7000。

12、优选的，所述工业废玻璃粉末的粒径为5~20μm。

13、优选的，所述铝污泥灰是由污水处理厂排放的铝污泥，经340~360℃温度下煅烧2~3h后，过75μm筛得到。

14、煤矸石含碳量高，且吸水率大，以煤矸石作为复合骨料内核基体材料，可有效解决煤矸石直接作为骨料制备的混凝土强度低的问题，同时提高复合骨料经济性；高温烧结不仅可去除煤矸石表面及内部碳质，提高强度，还可激发表面活性；煤矸石中的硅、铝活性成分可与硅酸钠溶液反应，形成硅酸钠-铝酸盐凝胶，在颗粒表面形成致密层，增强了颗粒的强度和稳定性。空心玻璃微珠具有低密度、高强度和良好隔热性能，充当轻质填料，不仅填充了煤矸石的多孔结构，且有效提高隔热性能。膨胀珍珠岩具有较好的耐高温性能和隔热性能。硅酸钠溶液作为无机粘结剂，在烧结过程中会形成硅酸盐玻璃相，起到粘结和增强作用；在高温烧结过程中，硅酸钠中na+离子与膨胀珍珠岩中sio2生成硅酸盐凝胶，在高温下逐渐形成坚固的固体网络结构，同时硅酸钠会与玻璃微珠表面形成强键合，提高材料的整体强度和致密度。

15、内层的膨胀珍珠岩可同时作为中间缓冲层中聚乙烯蜡相变材料的吸附载体，工业废玻璃粉末物理化学性能稳定，且导热系数低，通过裹覆，既为多孔膨胀珍珠岩封装填料，同时形成隔热层，减轻热应力和温度梯度。聚乙烯蜡在高温时吸收大量热量，通过相变储热，降低混凝土中起主要强度骨架作用的骨料的内部温度上升速度，缓解混凝土受到的热应力。当遇到冷却作用后，储存的热量可散发，通过形成一个宽的温度平台，减少混凝土内外部温度差。此外，骨料高温后表面会留下微裂痕，聚乙烯蜡高温下会熔化可填充裂缝和孔隙，喷水后快速冷却过程会使其迅速固化，结合聚乙烯蜡较高疏水特性，起到防水分渗入和和积聚以及一定的修补裂缝作用。

16、煅烧后的铝污泥灰主要成分为氧化铝、二氧化硅、以及氧化铁等氧化物。骨料在混凝土中相互接触连接，铝污泥灰富含的氧化铝等金属氧化物，协同添加到混凝土中的碳化硅，可提高骨料最外层和混凝土表层的导热性能，避免温度应力集中。同时，基于铝污泥灰制备的碱激发浆料包裹骨料，可有效提升骨料强度，在复合骨料掺入到混凝土中后，其表面的碱性溶液、未完全水化的矿渣粉与水泥浆接触，可使骨料-水泥浆界面过渡区生成更多品质优的c-s-h凝胶，提升混凝土常规工况和高温工况后的抗压强度。

17、优选的，所述圆苞车前子壳胶是由圆苞车前子壳与蒸馏水混合而成；所述圆苞车前子壳的质量份数为2%~3%。

18、圆苞车前子壳胶具有亲水胶体特性，同时其中还含有超30%的不溶性纤维，其加入到混凝土中，不溶性纤维可大量分布，在高温下不溶性纤维可分解，可在混凝土中形成微小孔道通气网络结构，有助于释放高温温度应力和高压蒸汽，急速冷却时存在收缩空间，减少因大温度梯度带来的热应力，提升混凝土抗裂性能。利用其增稠、吸水和凝胶亲水胶体特性，可在混凝土中形成网状凝胶填充，减小孔隙，同时其较高保水能力，可减少混凝土中的水分蒸发，起到内养护的效果，综合提升混凝土的密实度和强度；增稠特性能增加水泥基浆料粘度，有助于改善混凝土工作性能，减少离析和泌水。

19、优选的，所述玄武岩纤维的直径为10~15μm，长度为12~18mm，断裂强度≥3000mpa。

20、优选的，所述碳化硅的粒度为10~20 μm；所述碳化硅的sic质量分数＞97%，fe2o3质量分数＜0.05%。

21、优选的，所述聚乙二醇的平均分子量为800~1000。

22、优选的，所述水泥为普通硅酸盐水泥p·o 52.5、p·ii 52.5中的一种。

23、优选的，所述粉煤灰为f类ii级粉煤灰，细度20～25μm，需水量比95～105%。

24、优选的，优选的，所述砂为ii级粗砂，细度模数3.3~3.7，含泥量不大于4%。

25、玄武岩纤维具有较高的强度和模量、优异的防火耐高温性能，在高温工况下具有高阻裂增韧作用。圆苞车前子壳胶可改善玄武岩纤维与水泥基体之间的界面粘结性能，且其多糖网络结构可起到增强纤维的作用，圆苞车前子壳胶中大量的不溶性纤维与防火增韧纤维在混凝土可形成错综复杂的三维网状结构，起到桥接、连接、增韧作用，有效减少混凝土裂缝的形成和扩展。

26、碳化硅颗粒可填充混凝土内部孔隙及界面缺陷、加速水化物生成，使硬化浆体结构和胶结面更为致密，提高混凝土强度；碳化硅在高温下经过长时间氧化会使sic分子消耗并形成sio2分子，再经过喷水冷却后，sio2与水、氢氧化钙、碱激发剂反应可生成额外的c-s-h凝胶，提高混凝土强度；碳化硅的导热系数可达到490 w/(m·k)，其加入到混凝土中可提高混凝土表面的导热系数，避免热应力集中，提高热交换效率，且相比于石墨烯、钢纤维等导热材料具有成本低的优点。碳化硅的缺点是在混凝土中分散性相对较差，影响混凝土的工作性能，本发明引入的聚乙二醇和圆苞车前子壳胶，可提高碳化硅在混凝土中的分散性。

27、聚乙二醇具有润滑作用，可降低混凝土内部颗粒间的摩擦力，提高混凝土的工作性和流动性，协同圆苞车前子壳胶，可使内养护作用叠加，进一步提高混凝土保水效果，减少塑性收缩和干燥收缩，降低混凝土出现裂缝的风险。

28、本发明还提供所述耐高温急冷高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：

29、s1. 按重量份数称取各组分；

30、s2. 将圆苞车前子壳胶与温度梯度复合骨料混合，搅拌20~30s，静置60~90s；

31、s3. 再加入玄武岩纤维、水泥、粉煤灰、粒化高炉矿渣、砂、2/3的减水剂和2/3的水，混合40~60s至均匀状态，得到浆体；

32、s4. 加入碳化硅、聚乙二醇、剩余的1/3的减水剂和1/3的水，搅拌90s~120s，得到耐高温急冷高性能混凝土浆体。

33、步骤中，2/3的减水剂是指占减水剂总量的2/3，1/3的减水剂是指占减水剂总量的1/3；2/3的水是指占水的总量的2/3，1/3的水是指占水的总量的1/3。

34、将圆苞车前子壳胶先与温度梯度复合骨料充分混合，可先在骨料表面形成凝胶水膜，有效减少后期混凝土拌合过程中骨料的吸水率，并提升混凝土的内养护效果。

35、与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

36、（1）在混凝土中引入占主要体积的温度梯度复合骨料，其采用多层结构设计制备，导热系数逐层降低；当混凝土遇到火灾受热时，骨料外层具有热传导性和较高的强度，能传导热量避免热应力集中；中间层在热冲击下能够吸收部分热量，起到缓冲作用；内层材料则具有较低的热传导性、高隔热性，以减缓内部温度上升，混凝土具有较高的耐高温特性。当遇结构遇喷水急冷时，外层开始快速冷却同时内层温度逐步降低，混凝土内外部温度梯度大幅度减小，从而解决因温度应力导致的开裂和强度降低问题。

37、（2）以煤矸石为复合骨料基体材料，可降低骨料成本、绿色环保，且解决煤矸石骨料混凝土强度低的问题。利用高温烧结，去除煤矸石中碳质和激发表面活性，协同硅酸钠溶液，增强骨料强度和稳定性。空心玻璃微珠充当轻质填料，填充煤矸石多孔结构，协同膨胀珍珠岩，提高骨料内层隔热及耐高温性能。硅酸钠与膨胀珍珠岩在高温下形成固体网络结构，硅酸钠与玻璃微珠表面形成强键合，提高骨料整体强度。膨胀珍珠岩同时为中间层相变材料的吸附载体，工业废玻璃粉末既为相变材料封装填料，同时形成隔热效果。铝污泥灰协同碳化硅，提高混凝土表面导热性能，减弱热应力集中。铝污泥灰与碱激发溶液形成浆料包裹骨料提升强度，同时促进骨料-水泥浆界面过渡区生成更多品质优的c-s-h凝胶，提升混凝土常规和高温工况下的抗压强度。

38、（3）本发明中引入圆苞车前子壳胶、玄武岩纤维、碳化硅颗粒、聚乙二醇，与温度梯度复合骨料协同作用，提高了混凝土的耐高温性能、抗裂性能和力学性能，并保证了混凝土的和易性，配合温度梯度复合骨料，可大幅度弱化高温及快速水冷耦合工况下大温度梯度、收缩开裂及强度低等因素对混凝土结构强度和耐久性能的劣化，实现结构在经历火灾和喷水灭火后依然保留较好的完整性和残余力学性能，延长建筑使用寿命。