[发明专利]一种全尺度纤维增韧超高性能混凝土及其制备方法

说明书

本发明公开一种全尺度纤维增韧超高性能混凝土及其制备方法，将超高性能混凝土中所用纤维分为全尺度范围内的毫米尺度、微米尺度以及纳米尺度三种尺度的纤维，进行超高性能混凝土的增韧；并通过超高性能混凝土的受力特点搭配三种不同尺度的纤维，从而满足不同需求的力学性能要求，包括以下重量份的组分：全尺度纤维90～250份、水泥600～900份、矿粉100～300份、硅灰100～200份、细骨料900～1200份、外加剂8～15份、水160～190份。本发明通过全尺度的纤维方式，从毫米、微米和纳米三个层面上进行超高性能混凝土的增韧，从而实现超高性能混凝土在受力情况下，对不同尺度的裂缝进行约束和控制的效果。

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种全尺度纤维增韧超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术

超高性能混凝土是一种以超高强度、超高韧性和超高耐久性为特征的新型水泥基材料。超高性能混凝土材料与结构的设计、制备、微观结构、性能和施工已然成为建筑工程领域最先进、前沿的研究方向。超高性能混凝土的这些优势使其在交通路桥、能源工程等领域的基础设施建设中留有非常大的发展空间和非常大的应用优势。

超高性能混凝土的设计理论主要依托于最紧密堆积理论(DSP)，最紧密堆积材料由70％～80％水泥、20％～30％平均粒径比水泥小1～2个数量级的超细材料、高效减水剂和水组成，应用颗粒学原理，按照紧密堆积理论模型，通过合理的颗粒堆积使材料达到最紧密堆积状态，颗粒之间通过化学反应结合而得到均匀密实的高密实材料。最大堆积密度理论是优化从微观到宏观的全系列颗粒粒径分布，提高密实度或降低空隙率，因此适用于各种混凝土所有固体颗粒(从骨料到硅灰)的粒径分布优化。此外，再加入钢纤维，在最紧密堆积的前提下，能够显著的提升超高性能混凝土的韧性。

目前，超高性能混凝土的韧性改善主要是以加入钢纤维来提高其抗折强度和抗拉强度，钢纤维的掺量按体积掺量一般为1.0％～5.0％，钢纤维掺量超过3.0％后普通搅拌机将很难成型。其次，则是选择不同形貌的钢纤维来改善超高性能混凝土的韧性，例如端钩钢纤维、波纹钢纤维、压痕钢纤维等。钢纤维的增韧仅仅是从宏观层面进行，对于微观裂缝的控制往往不足，特别是在初始破坏阶段内部引起的微细裂缝。因此，本发明提出全尺度的纤维增韧超高性能混凝土，选取不同尺度的纤维从毫米、微米和纳米三个层面同时提升超高性能混凝土的韧性，进一步的降低超高性能混凝土收缩，更大的扩展超高性能混凝土在超长跨度结构中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高了超高性能混凝土的强度和体积稳定性的全尺度纤维增韧超高性能混凝土及其制备方法。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种全尺度纤维增韧超高性能混凝土，包括以下重量份的组分：全尺度纤维90～250份、水泥600～900份、矿粉100～300份、硅灰100～200份、细骨料900～1200份、外加剂8～15份、水160～190份，所述全尺度纤维包括毫米尺度纤维、微米尺度纤维、纳米尺度纤维，所述毫米尺度纤维为钢纤维，所述微米尺度纤维为玄武岩纤维，所述纳米尺度纤维为碳酸钙晶须、碳纳米管、多种纳米尺度纤维复合中的一种。

本发明中，水泥、矿粉和硅灰组成了超高性能混凝土的胶凝材料体系，本发明中各胶凝材料组分的比例按照最紧密堆积理论进行设计，采用最小用水量试验方法确定各胶凝材料组分比例，从而达到最紧密堆积状态。

进一步的技术方案是，所述毫米尺度纤维、微米尺度纤维、纳米尺度纤维的重量比为80～200：5～20：5～30。

进一步的技术方案是，所述毫米尺度纤维的直径大于等于100μm，微米尺度纤维的直径为10～100μm，纳米尺度纤维的直径小于10μm。

进一步的技术方案是，所述水泥为52.5R级普通硅酸盐水泥或42.5R级普通硅酸盐水泥。

进一步的技术方案是，所述矿粉为S95级矿粉，其比表面积大于等于350m²/kg。