一种大流动性超高强水泥基材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种大流动性超高强水泥基材料及其制备方法，属于建筑材料领域。
背景技术
我国重大基础工程规模空前，高速公路、铁路、大型桥梁、隧道、大型水利水电工程、高层建筑、地下工程的数量均居世界首位，大规模的基础设施建设和现代土木结构技术的发展，促进了水泥基复合材料向高性能与超高性能方向发展。
超高性能混凝土材料具有轻质高强、设计自由度大、高韧性、高耐久性及符合可持续性发展等特点。目前超高性能混凝土材料已在许多高层建筑中得到应用，超高性能混凝土材料已成功应用于多座桥梁主体结构，且超高性能混凝土材料还可被用于预制板的铰缝、桥面板等桥梁局部结构或构造之中；此外超高性能混凝土材料在建筑、石油、核电、市政、军事、道路、海洋等工程中也都有着广阔的应用前景。但是，由于水胶比很低、超细颗粒用量高、超塑化剂掺量大，超高性能混凝土表现出粘性大和坍落度损失大的缺点，不利于超高性能混凝土的浇筑。这些问题制约了超高性能混凝土的进一步推广与应用。
发明内容
技术问题：为解决上述问题，本发明公开了一种大流动性超高强水泥基材料及其制备方法，采用硅酸盐水泥作为胶凝材料体系、添加多种矿物掺合料、细集料、减水剂等多种技术手段，将各类原材料的优异性能高效整合，使得制备出的超高性能水泥基材料具备高流动性，流动度参考水泥胶砂流动度测定方法(规范GBT2419—2005《水泥胶砂流动度测试方法》)，扩展度可达200mm以上，而且利用了大量的工业废弃物，对社会的发展有重要的意义。
技术方案：本发明提供了一种大流动性超高强水泥基材料，该水泥基材料按照质量份包括以下组分：
其中：
所述的水泥基材料还包括硅灰，其含量按照质量份不大于5份。
所述的水泥为P II型的硅酸盐水泥，强度等级在52.5级以上。
所述的微珠是利用粉煤灰经加工分选而成的亚微米、正球型粉体产品，粒径分布范围为0.718μm～4.56μm，且连续分布。
所述微珠为一种超细且具有连续粒径分布的亚微米，完美的正球状粉体产品，具有活性高、低水化热、质轻、流动性好的优异功能。
所述矿渣为S95级矿渣，粒径分布范围为2.05μm～31.93μm，且连续分布；采用X射线衍射仪对改矿渣矿物成分进行分析，2-Theta在25°～35°的范围内存在较大的“山丘状”衍射峰，表明矿渣主要以玻璃相存在。根据GB/T18046-2008的方法对所用矿渣的玻璃体含量进行计算，得到其含量为98.2％，玻璃态的矿渣能与Ca(OH)2发生“二次水化反应”生成C-S-H凝胶，降低水泥浆体孔隙率。
所述细集料为细度模数在3.7～1.6之间的砂子，在干燥情况下用砂筛分析法测试砂粗细程度和颗粒级配。
所述减水剂为减水率大于40％的聚羧酸高性能减水剂。
所述硅灰为冶炼硅铁合金或者工业硅时产生的SiO2和Si气体与空气中的氧气迅速氧化而形成的一种超细硅质粉体材料，硅灰的平均粒径在0.1μm～0.3μm，主要成分为无定型的SiO2。硅灰能有效填充颗粒之间的细小空隙，并且其很高的火山灰反应活性，能生产凝胶产物。
本发明还提供了一种上述大流动性超高强水泥基材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)按比例称取胶凝材料、细集料并混合搅拌均匀得粉料；
2)按比例称取减水剂，并与水充分搅拌均匀得水剂；
3)将水剂缓慢加入粉料中，充分搅拌均匀后填充满模具，最后振动成型；
4)在标准养护条件下养护得到所述的大流动性超高强水泥基材料。
其中：
步骤2)所述的水与减水剂的质量分比为16～20:1.5～2.5。
步骤4)所述的标准养护条件下养护是指在温度为20±2℃，湿度为95％以上的条件下养护28d以上。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
(1)在胶凝体系内掺入微珠，利用正球型颗粒提供滚珠效应，有助于提高流动性；且微珠颗粒小、活性高，有助于提高复合材料的强度；
(2)采用多种手段复合，将各类原材料的优异性能高效整合，使得制备出的超高强水泥基材料具有高流动度的特性；
(3)本发明制备的超高强水泥基材料的新拌性能好，具有大流动性，同时不离析不泌水；参考水泥胶砂流动度测定方法，其流动度大于200mm；参考建筑砂浆基本性能试验方法，标准养护28d的抗压强度达到100MPa以上，抗折强度达到12MPa以上。
附图说明
图1为实施例所使用的微珠的粒径分布；
图2为实施例所使用的微珠的SEM图；
图3为实施例所使用的矿渣的XRD图谱。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
以下实施例中所用的水泥为P II型硅酸盐水泥，强度等级在52.5级以上
所用微珠是利用粉煤灰经加工分选而成的亚微米、正球型粉体产品，其粒径连续分布，且D50为1.73μm，制备的微珠为一种超细且具有连续粒径分布的亚微米、完美的正球型粉体产品，利用激光粒度分析仪(S3500 Microtrac)测得微珠的粒度分布见下图1，采用SEM观察粉煤灰的微观形貌，见下图2；
所述矿渣为S95级矿渣，粒径分布连续，其D50为15.55mm，采用X射线衍射仪对矿渣矿物成分进行分析，图3所示为矿渣的XRD图谱，2-Theta在25°～35°的范围内存在较大的“山丘状”衍射峰，表明矿渣主要以玻璃相存在。根据GB/T18046-2008的方法对所用矿渣的玻璃体含量进行计算，得到其含量为98.2％，玻璃态的矿渣能与Ca(OH)2发生“二次水化反应”生成C-S-H凝胶，降低水泥浆体孔隙率。
所述硅灰为冶炼硅铁合金或者工业硅时产生的SiO2和Si气体与空气中的氧气迅速氧化而形成的一种超细硅质粉体材料。硅灰的平均粒径在0.1μm～0.3μm，主要成分为无定型的SiO2。硅灰能有效填充颗粒之间的细小空隙，并且其很高的火山灰反应活性，能生产凝胶产物；
细集料为天然河砂，在干燥情况下用砂筛分析法测试砂粗细程度和颗粒级配。标准筛孔径分别为9.50mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.60mm、0.30mm和0.15mm，结果如下表1所示，其细度模数为2.01的砂子，位于天然砂的III区，属于细砂的水洗河砂。
表1砂累计筛余与分计筛余
根据《建筑用砂》规定，普通混凝土用砂的细度模数范围一般为3.7～1.6，上述砂细度模数为2.01，位于天然砂的III区，且属于细砂(Mx＝2.2～1.6)。
减水剂是减水率大于40％的聚羧酸高性能减水剂。
基于GB/T 1956-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》测试微珠强度活性指数，微珠强度活性试验胶砂配比及测试结果如表2-6所示。微珠7d活性系数达82％、28d活性系数达94％
表2微珠强度活性试验胶砂配比(wt％)及测试结果
质轻：采用李氏瓶测得微珠粉体密度为2.34g/cm3流动性好：由于微珠为完美的正球型粉体，可利用“滚珠效应”较好的改善新拌水泥基材料的流动性。
实施例1-10
按比例称取原料(各原料用量见表3)，通过以下步骤制备水泥基材料：
(1)称取胶凝材料、细集料混合并搅拌均匀得粉料；
(2)称取所需的水和减水剂充分搅拌均匀得水剂；
(3)将步骤(2)得到的水剂缓慢加入步骤(1)的粉料中，充分搅拌后填充满模具，最后振动成型；
(4)在标准条件下养护28d得到超高强水泥基材料。
对实施例1～10制备的水泥基材料参考《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T70-2009进行性能验证，参考GBT2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行流动性检测，检测结果见表3。
表3
通过表3数据可以得出，掺入一定质量分数的微珠，新拌水泥基材料扩展度大幅改善，其抗压强度和抗折强度增加；且在矿渣掺量不变的情况下，增加微珠掺量，新拌水泥基材料扩展度增加，其抗压强度和抗折强度增加，这是因为微珠形貌为完整的正球型，具有良好的滚珠效应，能够改善水泥浆体的流动度，且微珠粒径，能够较好的填充于水泥浆体体系，提高体系密实度，从而提高其强度；
微珠掺量不变的情况下，增加矿渣掺量，新拌水泥基材料扩展度有改善，其抗压强度和抗折强度均有增加，这是因为矿渣早期水化反应速度以及对高效减水剂的吸附都比较低，因此掺入矿渣能够提高水泥基材料的流动性；且矿渣中玻璃体含量较多，结晶态物质少，活性越大，能够与Ca(OH)2发生“二次水化反应”生成C-S-H凝胶，降低水泥浆体孔隙率，提高强度。
在复掺体系中再掺入5％硅灰，水泥基材料的流动度降低，其抗压强度和抗折强度均增加，这是因为硅灰硅灰的比表面积巨大，导致体系总表面积显著增大，润湿所需要的水量增加，从而使浆体的流动阻力增加，浆体扩展度降低；同时，硅灰粒径较小，在水泥浆体体系中有较好的填充作用，且硅灰中SiO2含量较高，具有很高的火山灰反应活性，能生产凝胶产物，提高体系密实度，从而强度提高。
对比实施例1～6以及实施例9数据可以得出，胶凝材料中各组分的添加量的多少均在一定程度上影响着所制备水泥基材料的扩展度、抗压强度以及抗折强度，通过合理的调整各组分的用量，使将各类原材料的优异性能高效整合，可以使制备出的超高强水泥基材料具有高扩展度、高抗压强度以及高抗折强度。
对比实例8～9数据可以得出，砂胶比增加，水泥基材料流动度降低，这是因为砂胶比增大，相同质量的拌合物内，胶凝材料浆体含量及水含量均有不同程度降低，流动性下降。
对比实例9～10数据可以得出，减水剂的掺量减少，水泥基材料流动度降低，因为聚羧酸类减水剂可通过空间位阻效应来分散体系中胶凝材料颗粒，减水剂掺量增加，其分散作用效果越佳，改善水泥基材料流动性。
对比实例7～9数据可以得出，水胶比的降低，水泥基材料流动度降低，这是因为对于新拌水泥基材料而言，其流动性主要是依靠集料和水泥颗粒表面吸附一层水膜，使颗粒间润滑；水胶比降低，用水量减少，则水膜较薄，润滑效果较差，水泥基材料的流动性较差。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
