一种具有耐火性和防爆裂性的高强混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑工程材料领域，具体涉及一种具有耐火性和防爆裂性的高强混凝 土及其制备方法。

背景技术

高强混凝土与普通混凝土相比，结构更为密实，渗透性低，脆性更大，因而造成其 抗火性能差。尤其是火灾发生时，高强混凝土频频在高温状态下发生爆裂现象，限制了其使 用范围。从目前混掺纤维混凝土己取得的成果来看，纤维混杂混凝土的研究虽刚起步，但已 初步表明混掺纤维对混凝土的性能有明显的改善作用，极具发展前景。然而混掺纤维中纤 维的用量并非多多益善，纤维用量过多会影响混凝土的强度。此外，骨料的改变对混凝土耐 火性和防爆裂性能的研究还处于探索阶段，目前主要使用耐火骨料来改善混凝土的耐火 性，但其对混凝土的耐火性提升有限，对防爆裂性能提升也比较小。因此，现有技术对高强 混凝土的耐火性和防爆裂性的改善效果较差。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种具有耐火性和防爆裂性的高强混凝土 及其制备方法。

因此，本发明的一个目的是提供一种具有耐火性和防爆裂性的高强混凝土。

本发明的另一个目的是提供制备上述高强混凝土的方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种具有耐火性和防爆裂性的高强混凝土，该混凝土由如下 重量份数的原料制成：

优选地，上述混凝土中，以重量份计，所述钢纤维为1-2份，更优选为1.46份。

优选地，上述混凝土由如下重量份数的原料制成：

更优选地，上述混凝土由如下重量份数的原料制成：

优选地，上述混凝土中，所述水泥选自普通硅酸盐水泥；更优选地，所述水泥选自 P.O42.5普通硅酸盐水泥；进一步优选地，所述水泥选自无石灰岩类混合料的P.O42.5普 通硅酸盐水泥。

优选地，上述混凝土中，所述玻璃骨料选自破碎废弃玻璃骨料；更优选地，所述玻 璃骨料选自分级破碎废弃玻璃骨料；进一步优选地，所述玻璃骨料选自与天然中砂细度模 数相同的分级破碎废弃玻璃骨料。

优选地，上述混凝土中，所述聚丙烯纤维选自纤维长度为8-16mm，直径为18μm的聚 丙烯纤维；更优选地，所述聚丙烯纤维选自纤维长度为12mm，直径为18μm的聚丙烯纤维。

优选地，上述混凝土中，所述钢纤维选自长度为30-40mm，等效直径为0.55mm的端 勾型钢纤维；更优选地，所述钢纤维选自长度为35mm，等效直径为0.55mm的端勾型钢纤维。

另一方面，本发明提供一种上述混凝土的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)将天然中砂、玻璃骨料、天然石子和水泥按配方比例加入混凝土搅拌机，例如 HJW-60型混凝土搅拌机中，搅拌10-30秒；

2)向步骤1)得到的产品中加入钢纤维配方量的40-60％(质量分数)和配方量的聚 丙烯纤维，然后搅拌10-30秒；

3)向步骤2)得到的产品加入配方量的水，然后搅拌50-70秒；

4)向步骤3)得到的产品中加入剩余的钢纤维，然后搅拌50-70秒；

5)将步骤4)得到的产品浇注后于20℃下养护24小时后拆模，然后常温养护28天， 即得。

优选地，步骤1)中搅拌的时间为15-25秒；更优选地，步骤1)中搅拌的时间为20秒。

优选地，步骤2)中加入钢纤维配方量的45-55％(质量分数)；更优选地，步骤2)中 加入钢纤维配方量的50％(质量分数)。

优选地，步骤2)中搅拌的时间为15-25秒；更优选地，步骤2)中搅拌的时间为20秒。

优选地，步骤3)中搅拌的时间为55-65秒；更优选地，步骤3)中搅拌的时间为60秒。

优选地，步骤4)中搅拌的时间为55-65秒；更优选地，步骤4)中搅拌的时间为60秒。

在一个具体实施方案中，所述混凝土的制备方法如下：

1)将4kg天然中砂、3kg玻璃骨料、9.78kg天然石子和5.18kg水泥加入混凝土搅拌 机中，搅拌20秒；

2)向步骤1)得到的产品中加入9.6g聚丙烯纤维和175g钢纤维，然后搅拌20秒；

3)向步骤2)得到的产品中加入1.75kg水，然后搅拌60秒；

4)向步骤3)得到的产品中加入175g钢纤维，然后搅拌60秒；

5)将步骤4)得到的产品浇注后于20℃下养护24小时后拆模，然后常温养护28天， 即得。

本发明的混凝土不仅提高了高强混凝土的耐火性，也提高了其防爆裂性能，对高 强混凝土工作性能的提升和适用范围的扩大有重要的意义。

纤维掺量不仅对混凝土的耐火性和防爆裂性有影响，也会影响高强混凝土本身的 强度。本发明确定了聚丙烯纤维和钢纤维的最佳掺量范围，在提高高强混凝土耐火性和防 爆裂性的前提下，降低了纤维使用量和生产成本、减少了对高强混凝土强度的影响。

本发明使用了玻璃骨料，对降低混凝土成本、提高固体废弃物利用率和资源再利 用有积极作用。本发明采用的混凝土制备方法，可以提高聚丙烯纤维以及钢纤维的分散效 果，降低纤维团聚对混凝土性能的影响。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐 明本发明，而不是为了限制本发明的范围。

除非另行定义，以下实施例中所使用的水泥均为无石灰岩类混合料的P.O42.5普 通硅酸盐水泥；所使用的玻璃骨料均为与天然中砂细度模数相同的分级破碎废弃玻璃骨 料；所使用的聚丙烯纤维均为纤维长度为12mm，直径为18μm的聚丙烯纤维；所使用的钢纤维 均为长度为35mm，等效直径为0.55mm的端勾型钢纤维。

实施例1本发明的混凝土

一种具有耐火性和防爆裂性的高强混凝土，该混凝土由如下配方的原料制成：

上述混凝土的制备方法如下：

1)将4kg天然中砂、3kg玻璃骨料、9.78kg天然石子和5.18kg水泥加入混凝土搅拌 机中，搅拌20秒；

2)向步骤1)得到的产品中加入9.6g聚丙烯纤维和175g钢纤维，然后搅拌20秒；

3)向步骤2)得到的产品加入1.75kg水，然后搅拌60秒；

4)向步骤3)得到的产品中加入剩余的钢纤维，然后搅拌60秒；

5)将步骤4)得到的产品浇注后于20℃下养护24小时后拆模，然后常温养护28天， 即得。

实施例2本发明的混凝土

一种具有耐火性和防爆裂性的高强混凝土，该混凝土由如下配方的原料制成：

上述混凝土的制备方法如下：

1)将4.1kg天然中砂、2.89kg玻璃骨料、9.64kg天然石子和5.3kg水泥加入混凝土 搅拌机中，搅拌25秒；

2)向步骤1)得到的产品中加入9.5g聚丙烯纤维和175g钢纤维，然后搅拌15秒；

3)向步骤2)得到的产品加入1.75kg水，然后搅拌60秒；

4)向步骤3)得到的产品中加入剩余的钢纤维，然后搅拌60秒；

5)将步骤4)得到的产品浇注后于20℃下养护24小时后拆模，然后常温养护28天， 即得。

实施例3本发明的混凝土

一种具有耐火性和防爆裂性的高强混凝土，该混凝土由如下配方的原料制成：

上述混凝土的制备方法如下：

1)将4.2kg天然中砂、2.9kg玻璃骨料、10.1kg天然石子和4.8kg水泥加入混凝土搅 拌机中，搅拌20秒；

2)向步骤1)得到的产品中加入9.5g聚丙烯纤维和115g钢纤维，然后搅拌30秒；

3)向步骤2)得到的产品加入1.73kg水，然后搅拌50秒；

4)向步骤3)得到的产品中加入剩余的钢纤维，然后搅拌60秒；

5)将步骤4)得到的产品浇注后于20℃下养护24小时后拆模，然后常温养护28天， 即得。

实施例4本发明的混凝土

一种具有耐火性和防爆裂性的高强混凝土，该混凝土由如下配方的原料制成：

上述混凝土的制备方法如下：

1)将3.6kg天然中砂、3.1kg玻璃骨料、9.6kg天然石子和5.5kg水泥加入混凝土搅 拌机中，搅拌10秒；

2)向步骤1)得到的产品中加入9.5g聚丙烯纤维和175g钢纤维，然后搅拌20秒；

3)向步骤2)得到的产品加入1.8kg水，然后搅拌70秒；

4)向步骤3)得到的产品中加入剩余的钢纤维，然后搅拌60秒；

5)将步骤4)得到的产品浇注后于20℃下养护24小时后拆模，然后常温养护28天， 即得。

实施例5强度测试试验

按照下述方法分别测定实施例1、2、3、4所制备的混凝土试块的抗压强度和过火强 度，并将测得的数据列于表1。

抗压强度的测定方法：采用NYL-60型混凝土强度试验机，混凝土试块从养护地点 取出后，将试块表面与上下承压板面擦干净。将试块安放在混凝土强度试验机的下压板或 垫板上，试块的承压面与成型时的顶面垂直。试件的中心与试验机下压板中心对准，开动试 验机，当上压板与试件或钢垫板接近时，调整球座，使接触均衡。在试验过程中应连续均匀 地加荷，每秒钟0.8MPa。

过火强度的测定方法：将制备得到的混凝土试块在600℃的马弗炉中放置60min， 取出，自然冷却后按照上述抗压强度的测定方法测定过火强度。

表1

筛选实验1

一种具有耐火性和防爆裂性的高强混凝土，该混凝土由如下配方的原料制成：

上述混凝土中，所述聚丙烯纤维的纤维长度分别为8mm、10mm、12mm、14mm、16mm，直 径为18μm，对应混凝土试块的编号为S1、S2、S3、S4、S5。

上述混凝土的制备方法如下：

1)将4kg天然中砂、3kg玻璃骨料、9.78kg天然石子和5.18kg水泥加入混凝土搅拌 机中，搅拌20秒；

2)向步骤1)得到的产品中加入9.6g聚丙烯纤维和175g钢纤维，然后搅拌20秒；

3)向步骤2)得到的产品加入1.75kg水，然后搅拌60秒；

4)向步骤3)得到的产品中加入剩余的钢纤维，然后搅拌60秒；

5)将步骤4)得到的产品浇注后于20℃下养护24小时后拆模，然后常温养护28天， 即得。

按照实施例5所述的方法分别测定混凝土试块S1、S2、S3、S4、S5的抗压强度和过火 强度，并将测得数据列于表2。

表2

从表2中可以看出，S3混凝土试块28d抗压强度仅小于S4混凝土试块；然而，将混凝 土试块在600摄氏度下维持60min，S3混凝土试块的强度下降比例小于S4混凝土试块的强度 下降比例。因此纤维长度为12mm时，混凝土强度和过火强度最佳。

筛选实验2

一种具有耐火性和防爆裂性的高强混凝土，该混凝土由如下配方的原料制成：

上述混凝土中，所述钢纤维的长度分别为30mm、35mm、40mm，等效直径为0.55mm的 端勾型钢纤维，对应混凝土试块编号为S1、S2、S3。

上述混凝土的制备方法如下：

1)将4kg天然中砂、3kg玻璃骨料、9.78kg天然石子和5.18kg水泥加入混凝土搅拌 机中，搅拌20秒；

2)向步骤1)得到的产品中加入9.6g聚丙烯纤维和175g钢纤维，然后搅拌20秒；

3)向步骤2)得到的产品加入1.75kg水，然后搅拌60秒；

4)向步骤3)得到的产品中加入剩余的钢纤维，然后搅拌60秒；

5)将步骤4)得到的产品浇注后于20℃下养护24小时后拆模，然后常温养护28天， 即得。

采用实施例5所述的方法，分别测定本筛选实验制备的混凝土试块S1、S2、S3的抗 压强度和过火强度，并将测得数据列于表3。

表3

从表3中可以看出，S2混凝土试块28d抗压强度最大；将混凝土试块在600摄氏度下 维持60min，S2混凝土过火强度下降比例小于其它混凝土试块。因此钢纤维长度为35mm时， 混凝土强度和过火强度最佳。

筛选实验3

混凝土中的钢纤维重量，分别为120g、240g、350g、480g、600g，试样编号分别为G1、 G2、G3、G4、G5，不加钢纤维的混凝土试样编号为G0。

混凝土其它原料组成如下：

上述混凝土的制备方法如下：

1)将4kg天然中砂、3kg玻璃骨料、9.78kg天然石子和5.18kg水泥加入搅拌机中，搅 拌25秒；

2)向步骤1)得到的产品中加入9.6g聚丙烯纤维和50％(质量分数)配方量的钢纤 维，然后搅拌15秒；

3)向步骤2)得到的产品加入1.75kg水，然后搅拌60秒；

4)向步骤3)得到的产品中加入剩余的钢纤维，然后搅拌60秒；

5)将步骤4)得到的产品浇注后于20℃下养护24小时后拆模，然后常温养护28天， 即得。

采用实施例5所述的方法，分别测定本实施例制备的混凝土试块G0、G1、G2、G3、G4、 G5的抗压强度和过火强度，并将测得数据列于表4。

表4

从表4中可以看出，随着钢纤维掺量的增大，混凝土28d强度先升后降。G1混凝土强 度较小，G4强度开始下降，G5混凝土迅速下降较大。

将上述混凝土试块在600摄氏度下维持60min，G1、G5混凝土试块过火强度明显低 于G2、G3、G4混凝土试块，其中G3混凝土试块过火强度最高。

条件摸索实验1

一种具有耐火性和防爆裂性的高强混凝土，该混凝土由如下配方的原料制成：

上述混凝土的制备方法如下：

1)将4.1kg天然中砂、2.89kg玻璃骨料、9.64kg天然石子和5.3kg水泥加入混凝土 搅拌机中，搅拌20秒；

2)向步骤1)得到的产品中加入9.5g聚丙烯纤维和350g钢纤维，然后搅拌20秒；

3)向步骤2)得到的产品加入1.75kg水，然后搅拌120秒；

4)将步骤3)得到的产品浇注后于20℃下养护24小时后拆模，然后常温养护28天， 即得。

与实施例2相比，钢纤维在步骤2)中一次性全部加入。混凝土试块28d强度相比实 施例2下降8.7％。，过火强度下降7.1％

对比实验1

按如下配方的原料制成混凝土：

其制备方法为：1)将7.5kg河砂、0.1kg聚羧酸高性能减水剂、20.3kg玄武岩碎石和 5kg硅酸盐水泥加入混凝土搅拌机中，搅拌25秒；

2)向步骤1)得到的产品中加入0.25kg聚丙烯纤维和0.15kg钢纤维，然后搅拌15 秒；

3)向步骤2)得到的产品加入2kg水，然后搅拌120秒；

4)将步骤4)得到的产品浇注后于20℃下养护24小时后拆模，然后常温养护28天， 即得。

对比实验2

按如下配方的原料制成混凝土：

其制备方法为：1)将7.5kg河砂、0.5kg聚羧酸高性能减水剂、15kg玄武岩碎石和 5kg硅酸盐水泥加入混凝土搅拌机中，搅拌25秒；

2)向步骤1)得到的产品中加入1kg聚丙烯纤维和0.5kg钢纤维，然后搅拌15秒；

3)向步骤2)得到的产品加入2kg水，然后搅拌60秒；

4)向步骤3)得到的产品中加入剩余的钢纤维，然后搅拌60秒

5)将步骤4)得到的产品浇注后于20℃下养护24小时后拆模，然后常温养护28天， 即得。

对比实验3

按如下配方的原料制成混凝土：

将上述组分在搅拌机内搅拌120秒至充分混合，浇注后于20℃下养护24小时后拆 模，然后常温养护28天，即得。

对比实验4

按如下配方的原料制成混凝土：

将上述组分在搅拌机内搅拌120秒至充分混合，浇注后于20℃下养护24小时后拆 模，然后常温养护28天，即得。

采用实施例5所述的方法，分别测定对比实验1、对比实验2、对比实验3和对比实验 4所制备的混凝土的抗压强度和过火强度，并将测得数据列于表5。

表5

从表5中可以看出，对比实验1的混凝土，混凝土28d抗压强度为32MPa，600摄氏度 下维持60min，过火强度下降16.5％。对比实验2中，纤维比例提高，抗压强度和过火强度均 有所提高。对比实验3和4未采用本发明的成型方法，抗压强度和过火强度均较差。

由于高强度混凝土的耐火性和防爆裂性天然地比低强度混凝土差，而本发明中的 高强度混凝土过火强度下降相比现有技术较小，充分证明了本发明的有效性。

本发明相比现有技术，提高了高强度混凝土的耐火性和防爆裂性，并采用部分玻 璃骨料取代天然砂，降低生产成本，有利于固体废弃物的再利用。