一种用于制备低收缩超高性能混凝土的专用复合胶凝材料
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，特别是涉及一种用于制备低收缩超高性能混凝土的专用复合胶凝材料。
背景技术
超高性能混凝土(简称UHPC)，是近年来混凝土材料领域最具创新性的技术。具有超高强度(120MPa以上)、高抗腐蚀及耐久性，可减小结构尺寸、减轻结构自重、节约空间、降低能耗、降低结构维修费和重建费等优点。目前，UHPC在建筑装饰与结构一体化、大跨度桥梁结构、装配式建筑构件的湿接缝连接、抗冲磨水利工程、海上采油平台工程，以及一些重大工程的维修加固和修补中得到了应用，体现了突出的性能优势。
UHPC因其胶凝材料用量大、水胶比低，通常还会掺入硅灰这种超细掺合料，使得其收缩，特别是早期收缩较大。UHPC的早期收缩开裂比一般混凝土更加严重，导致构件早期应力集中，从而在后期容易产生裂缝，还会导致一些轻薄构件下弯曲变形，影响UHPC产品的正常使用。UHPC收缩大的缺点极大地制约了UHPC的发展应用。因此，减小UHPC的收缩，特别是早期收缩，具有非常重要的意义。
在降低HUPC收缩的现有技术中，中国专利公开号CN109369118A，公开了一种采用高吸水树脂(SAP)外加剂，改善UHPC内部材料的吸水和保水功能，增强内养护条件有效抑制混凝土自收缩的低收缩UHPC制备方法，着重强调了高吸水树脂的添加方式和均匀分散的重要性。中国专利公开号CN109721306A，公开了一种在粉体材料中采用重钙粉作为掺合料，代替硅灰降低UHPC体系自收缩值的制备方法，同时采用玻璃微珠能够有效提升UHPC组合物的流动性，实现自流平。中国专利公开号CN110407529A，公开了一种采用硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂对胶凝材料收缩进行膨胀补偿的低收缩UHPC制备技术。
上述有关降低UHPC材料的技术手段，主要通过内养护化学外加剂(SAP)的添加、矿物类膨胀剂的使用、或者矿物掺合料品种的改变等方面来进行改进和优化，然而最主要的胶凝材料都使用硅酸盐水泥，没有任何变化。使得这些现有的技术手段各自都还存在一定问题，比如使用内养护化学外加剂(SAP)会显著降低UHPC的抗压强度，使用硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂会造成UHPC材料体积的稳定性变差，且也会降低强度。
发明内容
本发明针对现有降低UHPC收缩的制备技术及存在的问题，提供了一种用于制备低收缩超高性能混凝土的专用复合胶凝材料。专用复合胶凝材料即可降低UHPC收缩值，还可提高其强度和稳定性，UHPC材料要使用大量的水泥和胶凝材料，水泥和胶凝材料的收缩性能、凝结硬化特性以及强度发展规律，对UHPC的性能起决定作用。通过对水泥和胶凝材料性能的优化改进，制成一种具有收缩低和强度高性能特点的UHPC专用复合胶凝材料，显著降低其收缩性能和与矿物掺合料的适应性，使得既可直接降低UHPC的收缩性，还可以通过减小UHPC中硅灰等超细掺合料的用量间接降低收缩值，简化UHPC制备过程，促进UHPC制备成本的降低。
本发明是这样实现的，一种用于制备低收缩超高性能混凝土的专用复合胶凝材料，由如下重量份的原料干混均匀得到：硅酸盐水泥熟料粉75～85份；膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉10～20份；硬石膏粉5～10份。
在上述技术方案中，优选的，所述膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉，为膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料磨细至比表面积为400～500m2/kg得到。
在上述技术方案中，进一步优选的，所述膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的配料参数为：碱度系数Cm值为1.4～1.6，fCaO为5～8％，fSO3为7～10％；所述膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料具有如下重量百分比的矿物组成：C2S矿物含量为40～50％，C4A3S矿物含量为25～35％，C12A7矿物含量为4～5％，CaSO4矿物含量为10～15％，fCaO矿物含量为4～8％，C4AF矿物含量为1～2％。
在上述技术方案中，优选的，所述硅酸盐水泥熟料粉，由普通硅酸盐水泥熟料磨细至比表面积为350～380m2/kg而得到。
在上述技术方案中，优选的，所述硬石膏粉，由天然硬石膏磨细至比表面积为380～400m2/kg而得到，所述硬石膏粉中SO3含量大于50％。
在制备UHPC时，采用本发明专用复合胶凝材料，替换单独的硅酸盐水泥，用作UHPC的胶凝材料。本发明提供的专用复合胶凝材料，以硅酸盐水泥为主体，通过添加1d自由膨胀率为0.25％左右的适量膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料和硬石膏，对硅酸盐水泥进行改性而得到。专用复合胶凝材料具有收缩低和强度高的性能特点，净浆3d自收缩值只有350-380ppm，仅为硅酸盐水泥的1/3，各龄期抗压强度相对硅酸盐水泥提高了2-4MPa。以专用复合胶凝材料为基材，并按总体材料紧密堆积和密实填充的要求对其它辅助材料进行优化设计，达到制备具有低收缩、高早强，并具有优异的力学性能和耐久性的UHPC的技术目的。
专用复合胶凝材料能够降低UHPC的收缩性能，并使UHPC具有优异力学性能和耐久性能的机理在于：专用复合胶凝材料以硅酸盐水泥为基础，引入适量膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥和石膏对其进行了改性。膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥和石膏的双重微膨胀效应对硅酸盐水泥的收缩进行有效补偿，使得专用复合胶凝材料体系和传统硅酸盐水泥相比具有更低的水化体积收缩，从根本上降低了UHPC的收缩。同时膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥和石膏对硅酸盐水泥的改性还体现在，促进了凝结硬化过程、提高了强度和长期强度增长率，这使得和硅酸盐水泥UHPC相比，在相同水泥(胶凝材料)用量的情况下，采用本发明专用复合胶凝材料的UHPC，可减少硅灰这种昂贵的超细矿物掺合料用量，从而间接地降低UHPC收缩和制备成本。
本发明具有的优点和积极效果是：
1)本发明提供的用于制备低收缩UHPC的专用复合胶凝材料，和普通硅酸盐水泥相比，净浆3d自收缩为350-380ppm，是硅酸盐水泥的1/3左右，各龄期抗压强度提高了2-4Mpa，比表面积为380-400m2/kg时，强度可达52.5等级。
2)本发明将配料率值和矿物组成进行特殊设定煅烧的膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料，具有显著的早期膨胀性能，1d自由膨胀率为0.25％左右，同时具有很高的各龄期强度，凝结硬化速度快，和普通硅酸盐水泥的适应性大幅度增强，使其可掺入量增加，掺入后可在补偿以硅酸盐水泥为主体的胶凝材料收缩的同时，提高强度。
3)采用本发明的专用复合胶凝材料制备的UHPC自收缩值小，7d自收缩值为300～350ppm，远低于部分市售的自收缩值为1100～1300ppm%20UHPC产品，可明显降低UHPC材料的后期开裂风险和减小构件的变形。
4)采用本发明的专用复合胶凝材料制备的UHPC材料体系密实度高，具备超高的强度和耐久性，1d抗压强度可达60-70MPa，28d抗压强度可达160-180MPa，28d抗折强度可达30～40MPa。
5)采用本发明的专用复合胶凝材料制备的UHPC的流动性好，可自流平，流动度达260-270mm，在构型复杂的模具中可有效填充，只需轻微振动即可。
6)采用本发明的专用复合胶凝材料制备的UHPC中的硅灰掺量，相比目前市场部分产品，降低70％以上，使得HUPC的制备成本降低10％左右。
7)采用本发明的专用复合胶凝材料制备的UHPC，具有较高的性价比和市场竞争力，可用于建筑装饰与结构一体化、大跨度桥梁结构、装配式建筑构件的湿接缝连接、抗冲磨水利工程、海上采油平台工程，以及一些重大工程的维修加固和修补中等，用途广泛。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉的制备
按表1所示的生料重量配比和配料率值，研磨获得细度为0.08mm，筛余小于6％的1.0吨生料，经回转窑1300℃煅烧后，获得0.70吨(生料烧失量为30％)的膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料，经过研磨获得比表面积为400～500m2/kg的膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉。
表1生料配比和配料率值
膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的矿物组成，见表2所示。
表2膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料矿物组成
按照标准GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》、GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》和TC/T313-2009《膨胀水泥膨胀率试验方法》测得的膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的物理性能，见表3所示。
表3膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料物理性能
从表3可以看出，通过对膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的配料率值和矿物组成进行设定而烧成的熟料，使其本身具有显著的早期膨胀性能，1d自由膨胀率为0.25％左右，同时具有很高的各龄期强度，凝结硬化速度快，使得和普通硅酸盐水泥的适应性大幅度增强，掺入后可在补偿以硅酸盐水泥为主体的胶凝材料收缩的同时，提高强度。
而按照普通配料技术煅烧的高贝利特硫铝酸盐水泥熟料，和硅酸盐水泥的相容性差，可掺入量低(不超过10％)，易造成专用复合胶凝材料体系的强度大幅下降，且对硅酸盐水泥的收缩不能够有效补偿。
实施例2专用复合胶凝材料的制备
按照表4所示重量配比将各组分依次加入干粉混合机中，经过充分均匀混合得到低收缩UHPC专用复合胶凝材料。
表4专用复合胶凝材料的重量配比
利用标准GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》、GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》，对上述几组专用复合胶凝材料的物理性能进行了测定，参照ASTM C1698标准，采用波纹管法对胶凝材料净浆试体(水胶比0.3)的3d自收缩值进行测定，结果如表5所示。
表5专用复合胶凝材料物理性能
从表5可以看出，以硅酸盐水泥为主体，通过添加1d自由膨胀率为0.25％左右的适量膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料和硬石膏，对硅酸盐水泥进行改性而得到的专用复合胶凝材料，净浆3d自收缩值只有350-380ppm，仅为硅酸盐水泥的1/3，各龄期抗压强度相对硅酸盐水泥提高了2-4MPa左右。
实施例3低收缩UHPC的的制备
本实施例中，石英砂为最大粒径≤1.5mm的水洗烘干砂；硅灰中的SiO2含量大于95％，比表面积不小于20000m2/kg；Ⅰ级粉煤灰的需水量比不大于90％，比表面积为450-500m2/kg；减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率大于30％；镀铜钢纤维的长度为10mm-15mm，直径为0.15mm-0.2mm。
组号1：
按以下重量称取各原料组分：专用复合胶凝材料800g；硅灰80g；Ⅰ级粉煤灰200g；镀铜钢纤维140g；减水剂15g；石英砂1100g；水180g。
其制备方法是：将专用复合胶凝材料、硅灰、Ⅰ级粉煤灰、石英砂，倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌3分钟使之均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌3分钟；再向混合物中倒入镀铜钢纤维继续搅拌2分钟，得到UHPC混合料。
组号2：
按以下重量称取各原料组分：专用复合胶凝材料850g；硅灰65g；Ⅰ级粉煤灰220g；镀铜钢纤维145g；减水剂17g；石英砂1050g；水175g。
其制备方法是：将专用复合胶凝材料、硅灰、Ⅰ级粉煤灰、石英砂，倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌3分钟使之均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌3分钟；再向混合物中倒入镀铜钢纤维继续搅拌2分钟，得到UHPC混合料。
组号3：
按以下重量称取各原料组分：专用复合胶凝材料850g；硅灰70g；Ⅰ级粉煤灰230g；镀铜钢纤维150g；减水剂16g；石英砂1030g；水165g。
其制备方法是：将专用复合胶凝材料、硅灰、Ⅰ级粉煤灰、石英砂，倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌3分钟使之均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌3分钟；再向混合物中倒入镀铜钢纤维继续搅拌2分钟，得到UHPC混合料。
组号4：
按以下重量称取各原料组分：专用复合胶凝材料900g；硅灰50g；Ⅰ级粉煤灰250g；镀铜钢纤维160g；减水剂20g；石英砂1000g；水160g。
其制备方法是：将专用复合胶凝材料、硅灰、Ⅰ级粉煤灰、石英砂，倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌3分钟使之均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌3分钟；再向混合物中倒入镀铜钢纤维继续搅拌2分钟，得到UHPC混合料。
组号5：
按以下重量称取各原料组分：专用复合胶凝材料820g；硅灰60g；Ⅰ级粉煤灰210g；镀铜钢纤维150g；减水剂20g；石英砂1100g；水170g。
其制备方法是：将专用复合胶凝材料、硅灰、Ⅰ级粉煤灰、石英砂，倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌3分钟使之均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌3分钟；再向混合物中倒入镀铜钢纤维继续搅拌2分钟，得到UHPC混合料。
对比1：
按以下重量称取各原料组分：硅酸盐水泥900g；硅灰150g；Ⅰ级粉煤灰50g；镀铜钢纤维160g；减水剂21.5g；石英砂1005g；水175g。
其制备方法是：将硅酸盐水泥、硅灰、Ⅰ级粉煤灰、石英砂，倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌3分钟使之均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌3分钟；再向混合物中倒入镀铜钢纤维继续搅拌2分钟，得到UHPC混合料。
对比2：
按以下重量称取各原料组分：硅酸盐水泥850g；硅灰250g；Ⅰ级粉煤灰50g；镀铜钢纤维156g；减水剂21.5g；石英砂1005g；水181.5g。
其制备方法是：将硅酸盐水泥、硅灰、Ⅰ级粉煤灰、石英砂，倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌3分钟使之均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌3分钟；再向混合物中倒入镀铜钢纤维继续搅拌2分钟，得到UHPC混合料。
参照ASTM C1698标准，采用波纹管法(corrugated tube method)对UHPC自收缩值进行测试；流动度的测定按采用静态胶砂流动度法，将搅拌后的UHPC混合料一次性装入水泥胶砂流动度截锥圆模(高度60±0.5mm，上口内径70±0.5mm，下口内径100±0.5mm，下口外径120mm，GB/T2419-2016水泥胶砂流动度测定方法指定用仪器)，刮平后，将试模提起，取混合料纵向及横向直径的平均值作为流动度值。抗压强度和抗折强度根据标准GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行测试，试块为40mm×40mm×160mm棱柱体。对组号1-5、对比1-2的超高性能混凝土的各项性能进行了测定，结果如表6所示。
表6各组号低收缩UHPC的物理性能
从表6可以看出，采用本发明的专用复合胶凝材料制备的HUPC和现有技术的产品(对比1和对比2)相比较，具有显著的低收缩性能，7d自收缩值仅为300～350ppm，7d自收缩值可降低70％左右，在流动基本相同的情况下，具备超高的强度和耐久性，1d抗压强度可达60MPa以上，1d抗压强度提高了50％左右，28d抗压强度可达170MPa以上，28d抗压强度提高了10％左右，28d抗折强度可达30～40Mpa，性能更优。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
