一种高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土及其制备方法

1.一种高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土，其特征在于：它包括胶结材料、
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粗骨料、细骨料、钢纤维、高效减水剂和水，各组分的配比为：胶结材料600-680 kg/m，粗骨
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料560～664 kg/m，细骨料936～1000 kg/m，水190～210 kg/m，高效减水剂按重量计为胶结材料总重量的1.2～1.5%，钢纤维按体积计为混凝土总体积的1.5～2.0%；
其中：所述胶结材料由普通硅酸盐水泥、无机矿物掺合料及膨胀剂组成，所述无机矿物掺合料为硅灰和粉煤灰； 胶结材料中各组分按重量百分比计：普通硅酸盐水泥70～75%，硅灰7.5-10%，粉煤灰10-15%，膨胀剂7.5-10%；
2
所述的硅灰的比表面积为800-1000m/kg；所述的粉煤灰为一级灰粉煤灰；
所述的膨胀剂为HCSA高性能混凝土膨胀剂，比表面积为300～350㎡/㎏；
所述的粗骨料为连续级配碎石，80wt%的10-20mm碎石、20wt%的5-10 mm碎石；
所述的细骨料为天然河砂，含泥量不大于2wt%，细度模数为2.5～3.0；
所述的普通硅酸盐水泥为52.5级普通硅酸盐水泥。
2.根据权利要求1所述的一种高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土，其特征在于：所述的钢纤维特征为：钢纤维长度为25～50mm，截面直径为0.3～0.8mm，长径比为
55～80。
3.根据权利要求1所述的一种高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土，其特征在于：所述高效减水剂为减水率25%以上的聚羧酸系高效减水剂。
4.一种制备权利要求1所述的一种高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土的方法，其特征在于它包括以下步骤：
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1）按各组分的配比为：胶结材料600-680 kg/m，粗骨料560～664 kg/m，细骨料
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936～1000 kg/m，水190～210 kg/m，高效减水剂按重量计为胶结材料总重量的1.2～
1.5%，钢纤维按体积计为混凝土总体积的1.5～2.0%；
其中：所述胶结材料由普通硅酸盐水泥、无机矿物掺合料及膨胀剂组成，所述无机矿物掺合料为硅灰和粉煤灰； 胶结材料中各组分按重量百分比计：普通硅酸盐水泥70～75%，硅灰7.5-10%，粉煤灰10-15%，膨胀剂7.5-10%；选取原料；
2）将胶结材料、粗骨料和细骨料倒入搅拌机内进行机械搅拌2～3min，加入钢纤维，机械搅拌2～3min，使钢纤维充分分散，然后再加入混合均匀的高效减水剂和水的混合溶液，机械搅拌3～5min，得到高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土。

一种高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土及其制备
方法
技术领域
[0001] 本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种钢管混凝土及其制备方法。
背景技术
[0002] 钢管混凝土属于套箍混凝土，在本质上属于三向应力混凝土，具有非常优异的力学性能。因此，除具有一般套箍混凝土的强度高、塑性好、质量轻、耐疲劳、耐冲击外，钢管既能作为承重骨架，同时也是混凝土的模板，复合在一起的钢管混凝土构件承载力高，具有良好的塑性和韧性，而且易于泵送施工。与普通钢筋混凝土结构相比，在保持用钢量相近、承载力相同的条件下，钢管混凝土构件的横截面积可减小约一半，混凝土的用量及结构自重相应可减少约百分之五十，这对于大跨径结构特别是大跨径桥梁来说，是一种最有效和最经济的结构形式。而高掺量钢纤维对混凝土的抗劈裂性能有大幅的提升，以此再与钢管复合形成的钢管混泥土力学性能更加优秀。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土及其制备方法，该方法制备的混凝土具有较高的工作性能，优秀的抗劈裂性能。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土，其特征在于：它包括胶结材料、粗骨料、细骨料、钢纤维、高效减水剂
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和水，各组分的配比为：胶结材料600-680kg/m，粗骨料560～664kg/m，细骨料936～
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1000kg/m，水190～210kg/m，高效减水剂按重量计为胶结材料总重量的1.2～1.5％，钢纤维按体积计为混凝土总体积的1.5～2.0％；
[0005] 其中：所述胶结材料由普通硅酸盐水泥、无机矿物掺合料及膨胀剂组成，所述无机矿物掺合料为硅灰和粉煤灰；胶结材料中各组分按重量百分比计：普通硅酸盐水泥70～
75％，硅灰7.5-10％，粉煤灰10-15％，膨胀剂7.5-10％。
[0006] 按上述方案，所述的普通硅酸盐水泥为52.5级普通硅酸盐水泥；普通硅酸盐水泥的用量根据所需配制混凝土强度等级要求决定。
[0007] 按上述方案，所述的硅灰的比表面积为800-1000m2/kg；所述的粉煤灰为一级灰粉煤灰。
[0008] 所述的膨胀剂为HCSA高性能混凝土膨胀剂，比表面积为300～350m2/kg。
[0009] 按上述方案，所述的粗骨料为连续级配碎石(80wt％的10-20mm碎石、20wt％的
5-10mm碎石)。
[0010] 按上述方案，所述的细骨料为天然河砂(天然砂)，含泥量不大于2wt％，细度模数为2.5～3.0。
[0011] 按上述方案，所述的钢纤维特征为：钢纤维长度为25～50mm，截面直径为0.3～
0.8mm，长径比为55～80。
[0012] 按上述方案，所述高效减水剂的减水率为25％以上，优选为聚羧酸系高效减水剂。
[0013] 上述一种高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：
[0014] 1)按各组分的配比为：按各组分的配比为：胶结材料600-680kg/m3，粗骨料560～
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664kg/m，细骨料936～1000kg/m，水190～210kg/m，高效减水剂按重量计为胶结材料总重量的1.2～1.5％，钢纤维按体积计为混凝土总体积的1.5～2.0％(精确到小数点后一位数，实施例1为1.494％)；
[0015] 其中：所述胶结材料由普通硅酸盐水泥、无机矿物掺合料及膨胀剂组成，所述无机矿物掺合料为硅灰和粉煤灰；胶结材料中各组分按重量百分比计：普通硅酸盐水泥70～
75％，硅灰7.5-10％，粉煤灰10-15％，膨胀剂7.5-10％；选取原料；
[0016] 2)将胶结材料、粗骨料和细骨料倒入搅拌机内进行机械搅拌2～3min，加入钢纤维，机械搅拌2～3min，使钢纤维充分分散，然后再加入混合均匀的高效减水剂和水的混合溶液，机械搅拌3～5min，得到高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土(混合物浆料，即可施工)。
[0017] 所述的高掺钢纤维是指钢纤维的掺入量高，钢纤维按体积计为混凝土总体积的
1.5～2.0％。
[0018] 所述的超长钢管是指钢管的长度为大于500m。
[0019] 本发明的原理为：
[0020] 本发明中利用高掺量钢纤维对混凝土的抗劈裂性能显著的提高，并以该混凝土作为基体与钢管形成钢管混凝，由于两种材料横向变形性能之间的差异，在外荷载作用下，当混凝土的横向变形超过钢管的横向变形时，由于钢管对混凝土的约束作用，将在钢管和混凝土的界面间产生紧箍力，使混凝土处子三向受压状态，从而显著的提高其力学性能。
[0021] 掺加钢纤维是为当复合材料受力时，载荷一般都是直接加在基体上，然后通过一定方式传递至纤维上，使纤维受力。通常情况下，钢纤维各部分受力是不均匀的，变形也不均匀。从细观上来看，钢纤维的弹性模量比水泥基体的要大。基体与钢纤维是紧密结合在一起的，钢纤维将限制水泥基体产生过大的变形，于是在基体与钢纤维之间的界面部分便产生了剪应力和剪应变，并将所承受的载荷合理分配到钢纤维和水泥基体这两个组成部分上。钢纤维通过界面上沿其轴向的剪应力传递载荷，会受到比基体中更大的拉应力，这就是钢纤维能增强混凝土基体的主要原因。
[0022] 掺加的矿物掺合料可降低混凝土水灰比，减少混凝土收缩率，提高混凝土的密实性和混凝土抗开裂能力，其中：粉煤灰的主要成分是一种微玻璃珠体，其具有良好的形态效应，将其加入到砂浆中一方面能改善其和易性，另一方面还能提高石膏的耐水性，减少水泥水化硬化的放热收缩；掺加的硅灰粉作为一种辅助性胶凝材料能够改善硬化水泥浆体的微结构，主要原因为：首先：硅灰粉具有很高的火山灰活性，即硅灰粉本身基本上与水不发生水化作用，但它能够在水泥水化产物Ca(OH)2及其它一些化合物的激发作用下发生二次水化反应而生成具有胶凝性的产物；其次，硅灰粉具备微集料特性，这不仅使其自身可以填充硬化水泥浆体中的有害孔，而且其二次水化产物也可以填充硬化水泥浆体中的有害孔，从而改善硬化水泥浆体孔隙结构，提高致密性；
[0023] 掺加的膨胀剂主要功能是补偿混凝土硬化过程中的干缩和冷缩。为减免收缩开裂，设计上保证补偿收缩混凝土的配合比保证足够的限制膨胀率，保证钢管内混凝土的三向受力，使套箍作用不因混凝土自身收缩而产生缝隙造成影响。
[0024] 本发明的有益效果：1、本发明的混凝土具有优秀的抗劈裂性能，力学性能和耐久性能，使钢管与混凝土的套箍作用更强。2、该混凝土具有良好的工作性能，同时有超高缓凝时间(初凝时间13h左右)，能够满足超长钢管拱顶升灌注所需的超常施工时间。3、该、混凝土具有早强，高强，3天能够达到80％强度，能够直接承受载荷进行拱上继续施工，大大的缩短工期。
具体实施方式
[0025] 为了更好的理解本发明，下面结合以下实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0026] 实施例1～6：一种高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土(或称钢纤维钢管混凝土)的制备方法，它包括以下步骤：
[0027] 1)以配制1m3钢纤维钢管混凝土为例，根据表1中的配比选取原材料，各原材料具体如下：
[0028] 水泥：选用52.5级普通硅酸盐水泥。
[0029] 无机矿物掺合料：其中粉煤灰为一级灰；硅灰(即硅微粉)的比表面积为
2
800-1000m/kg；
[0030] 粗骨料：连续级配碎石(80wt％的10-20mm碎石、20wt％的5-10mm碎石)。
[0031] 天然砂(细骨料)：为天然河砂，含泥量不大于2wt％，细度模数为2.5～3.0。
[0032] 膨胀剂：为HCSA高性能混凝土膨胀剂，比表面积为300～350m2/kg。
[0033] 高效减水剂：所述的高效减水剂为聚羧酸系高效减水剂，减水率为25％以上；
[0034] 钢纤维：长度为25～50mm，截面直径为0.3～0.8mm；长径比为55～80，密度
3
7830kg/m ；
[0035] 表1：实施例1-6中高掺钢纤维钢管混凝土的原料配方
[0036]
材料组分 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
水(kg) 190 195 200 205 210 210
水泥(kg) 444 458 481 497 504 504
硅灰(kg) 48 50 52 53 54 54
粉煤灰(kg) 60 63 65 67 68 68
膨胀剂(kg) 48 50 52 53 54 54
天然砂(kg) 996 981 960 945 936 1000
粗骨料(kg) 664 654 640 630 624 560
钢纤维(kg) 117 125 132 140 148 156
减水剂(kg) 7.2 8 9.2 9.5 10 10
[0037] 2)将胶结材料(水泥、硅灰、粉煤灰和膨胀剂)、粗骨料和细骨料倒入搅拌机内进行机械搅拌2～3min，加入钢纤维，机械搅拌2～3min，使钢纤维充分分散，然后再加入混合均匀的高效减水剂和水的混合溶液，机械搅拌3～5min，得到高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土(混合物浆料，即可施工)。
[0038] 根据实施例1～6的方法制得的高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土工作性能见表2，力学性能见表3。
[0039] 表2实施例1-6中钢纤维钢管混凝土的工作性能
[0040]
[0041] 由表2看出本高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土具有较高的工作性能，同时有超高缓凝时间(初凝时间13h左右)，能够满足超长钢管拱顶升灌注所需的超常施工时间。
[0042] 表3实施例1-6中钢纤维钢管混凝土力学性能
[0043]
[0044] 表3看出本高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土具有3天达到设计要求强度80％，能够直接于施工的钢管拱上进行下一步施工。抗劈裂性能显著的提高(即具有优秀的抗劈裂性能)。
[0045] 实施例7：
[0046] 一种高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土的制备方法，它包括以下步骤：
[0047] 1)按各组分的配比为：按各组分的配比为：胶结材料600kg/m3，粗骨料664kg/m3，
3 3
细骨料996kg/m，水190kg/m，高效减水剂按重量计为胶结材料总重量的1.2％，钢纤维按体积计为混凝土总体积的1.5％；
[0048] 其中：所述胶结材料由普通硅酸盐水泥、无机矿物掺合料及膨胀剂组成，所述无机矿物掺合料为硅灰和粉煤灰；胶结材料中各组分按重量百分比计：普通硅酸盐水泥70％，硅灰10％，粉煤灰10％，膨胀剂10％；选取原料；
[0049] 所述的普通硅酸盐水泥为52.5级普通硅酸盐水泥；所述的硅灰的比表面积为
2
800-1000m/kg；所述的粉煤灰为一级灰粉煤灰；所述的膨胀剂为HCSA高性能混凝土膨胀
2
剂，比表面积为300～350m/kg；所述的粗骨料为连续级配碎石(80wt％的10-20mm碎石、
20wt％的5-10mm碎石)；所述的细骨料为天然河砂(天然砂)，含泥量不大于2wt％，细度模数为2.5～3.0；所述的钢纤维特征为：钢纤维长度为25～50mm，截面直径为0.3～0.8mm，长径比为55～80；所述高效减水剂的减水率为25％以上，优选为聚羧酸系高效减水剂。
[0050] 2)将胶结材料、粗骨料和细骨料倒入搅拌机内进行机械搅拌2～3min，加入钢纤维，机械搅拌2～3min，使钢纤维充分分散，然后再加入混合均匀的高效减水剂和水的混合溶液，机械搅拌3～5min，得到高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土(混合物浆料，即可施工)。
[0051] 实施例8：
[0052] 一种高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土的制备方法，它包括以下步骤：
[0053] 1)按各组分的配比为：按各组分的配比为：胶结材料680kg/m3，粗骨料560kg/m3，
3 3
细骨料1000kg/m，水210kg/m，高效减水剂按重量计为胶结材料总重量的1.5％，钢纤维按体积计为混凝土总体积的2.0％；
[0054] 其中：所述胶结材料由普通硅酸盐水泥、无机矿物掺合料及膨胀剂组成，所述无机矿物掺合料为硅灰和粉煤灰；胶结材料中各组分按重量百分比计：普通硅酸盐水泥75％，硅灰7.5％，粉煤灰10％，膨胀剂7.5％；选取原料；
[0055] 所述的普通硅酸盐水泥为52.5级普通硅酸盐水泥；所述的硅灰的比表面积为
2
800-1000m/kg；所述的粉煤灰为一级灰粉煤灰；所述的膨胀剂为HCSA高性能混凝土膨胀
2
剂，比表面积为300～350m/kg；所述的粗骨料为连续级配碎石(80wt％的10-20mm碎石、
20wt％的5-10mm碎石)；所述的细骨料为天然河砂(天然砂)，含泥量不大于2wt％，细度模数为2.5～3.0；所述的钢纤维特征为：钢纤维长度为25～50mm，截面直径为0.3～0.8mm，长径比为55～80；所述高效减水剂的减水率为25％以上，优选为聚羧酸系高效减水剂。
[0056] 2)将胶结材料、粗骨料和细骨料倒入搅拌机内进行机械搅拌2～3min，加入钢纤维，机械搅拌2～3min，使钢纤维充分分散，然后再加入混合均匀的高效减水剂和水的混合溶液，机械搅拌3～5min，得到高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土(混合物浆料，即可施工)。
[0057] 实施例9：
[0058] 与实施例8基本相同，不同之处在于：胶结材料中各组分按重量百分比计：普通硅酸盐水泥70％，硅灰7.5％，粉煤灰15％，膨胀剂7.5％。
[0059] 根据实施例7～9的方法制得的高掺钢纤维顶升灌注超长钢管拱高强混凝土工作性能见表4，力学性能见表5。
[0060] 表4实施例7-9中钢纤维钢管混凝土的工作性能