CN115784682A - 一种耐火抗爆超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐火抗爆超高性能混凝土，包括按重量份数计的如下原料成分：水泥1050‑1600份，矿物掺合料220‑650份，石英砂300‑900份，石英粉150‑400份，棕刚玉350‑1200份，氧化铝微粉0‑500份，碳化硅粉0‑450份，钢渣0‑200份，减水剂15‑50份，纤维材料220‑400份，高分子吸水树脂0‑30份。本发明所提供的耐火抗爆超高性能混凝土，经过1050℃的2小时高温后，不仅不发生爆裂，并且在灾后仍有较高的剩余强度。本发明还提供一种耐火抗爆超高性能混凝土的制备方法。

Description

一种耐火抗爆超高性能混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土材料技术领域，具体涉及一种耐火抗爆超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，简称UHPC)是建筑领域内一种具有超高强度、超高韧性、高耐久性的新型水泥基材料。由于UHPC力学性能、耐久性能优异，因此在超高层建筑、大跨桥梁、城市交通、工业厂房等工程项目的建造与加固中发挥了重要作用。然而，在火灾等突发灾害中，由于UHPC超低的水胶比，其内部非常密实，高温作用下UHPC内部的水分无法通过孔隙及时逸出，造成孔隙压力过大，最终引发UHPC爆裂破坏。与普通混凝土构件相比，UHPC构件往往“跨度”更大，保护层厚度更小，一旦混凝土保护层在火灾中发生爆裂剥落，钢筋直接暴露在火场温度下，钢筋性能的迅速劣化会引起构件破坏，最终导致建筑垮塌。因此，UHPC的耐火性能研究具有重要意义。为防止UHPC爆裂引发建筑构件破坏的“二次灾害”，我们提出一种耐火抗爆超高性能混凝土及其制备方法与应用，以提高UHPC结构在火灾中的安全性能。

现有技术中，公开号为CN110563418A、CN104591635A的中国专利申请公开了免蒸汽养护的超高强混凝土，但由于该发明未考虑超高强混凝土的耐火性能，因此该发明在建筑工程、地下工程、特种工业厂房等工程领域的应用严重受限。公开号为CN 113563034 A的中国专利公布了一种常温养护的耐火超高性能混凝土及其制备方法，其实验最高温度仅850℃，且尺寸效应对于UHPC高温性能的影响非常显著，其实验试块截面尺寸偏小，因此试验结果偏不安全。《GB 50016-2014建筑设计防火规范》中所规定的耐火等级一级的梁、板构件在ISO标准升温制度下耐火极限应超过两小时。该实验温度距离ISO标准升温制度下，升温时间2小时所对应的1050℃高温仍有一定差距。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种耐火抗爆超高性能混凝土，该耐火抗爆超高性能混凝土经过1050℃的2小时高温后，不仅不发生爆裂，并且在灾后仍有较高的剩余强度，完全满足现有《GB 50016-2014建筑设计防火规范》中对于耐火等级为一级的梁、板等建筑构件的耐火极限要求，为UHPC结构防火提供了切实可行的方案，可应用于建筑、桥梁、隧道、甚至地下工程等领域。

为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种耐火抗爆超高性能混凝土，包括按重量份数计的如下原料成分：

水泥1050-1600份，矿物掺合料220-650份，石英砂300-900份，石英粉150-400份，棕刚玉350-1200份，氧化铝微粉0-500份，碳化硅粉0-450份，钢渣0-200份，减水剂15-50份，纤维材料220-400份，高分子吸水树脂0-30份。

进一步地，所述水泥包括硅酸盐水泥、铝酸钙水泥中的至少一种，其中硅盐酸水泥为P.O.42.5级或P.O.52.5级。

进一步地，矿物掺合料包括硅灰和粉煤灰，其中，硅灰的SiO₂含量大于92％，比表面积为18500m²/kg；粉煤灰密度2.55g/cm³，烧失量为3.86％。

进一步地，所述石英砂SiO₂含量大于99％，粒径范围为20-40目；所述石英粉SiO₂含量大于99％，粒径为200目。

进一步地，所述棕刚玉Al₂O₃含量为90％以上，其粒径为0-5mm；其采用如下制备方法制备得到：

将高铝矾土熟料、铁屑、无烟煤三种原料混匀后加入电弧炉中，经2250℃的高温煅烧，在高温熔化和杂质还原后，冷却而结晶得到棕褐色熔块，后粉碎得到棕刚玉粉末材料。

进一步地，所述氧化铝微粉中的Al₂O₃含量大于99％，粒径范围0.8～2.8μm；碳化硅粉的SiC含量超过99％，粒径范围为20-40目；所述钢渣的粒径为0-5mm。

进一步地，所述减水剂为含水率小于2.8％，减水率大于25％的聚羧酸粉体减水剂。

进一步地，所述纤维材料为钢纤维、合成纤维中的至少一种，其中钢纤维为镀铜端勾钢纤维，长度为13mm，直径为0.2mm，抗拉强度为2000MPa；合成纤维为聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、尼龙纤维、聚甲醛纤维中至少一种。

进一步地，所述高分子吸水树脂的平均粒径为110-125μm。

本发明还提供一种耐火抗爆超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：

按照所述耐火抗爆超高性能混凝土原料配比，将水泥、矿物掺合料、石英砂、石英粉、棕刚玉、氧化铝微粉、碳化硅粉、钢渣倒入搅拌机中混合均匀，然后加入相应重量份数的减水剂和高分子吸水树脂，以及适量的水，继续搅拌，再加入纤维材料继续搅拌，直到UHPC浆体在搅拌机中搅拌至完全流化，得到耐火抗爆超高性能混凝土浆料；

将耐火抗爆超高性能混凝土浆料装入模具，在室温条件下自然养护2天后拆模，并进行48小时的蒸汽养护，蒸汽养护的温度控制在90℃以上，湿度控制在95％以上。

与现有技术相比，本发明提供的耐火抗爆超高性能混凝土及其制备方法，有益效果在于：

本发明提供的耐火抗爆超高性能混凝土，通过优化UHPC混凝土原料配方，提高了混凝土的耐火抗爆性能。该超高性能混凝土经过1050℃的2小时高温后，不仅不发生爆裂，并且在灾后仍有较高的剩余强度，完全满足现有《GB50016-2014建筑设计防火规范》中对于耐火等级为一级的梁、板等建筑构件的耐火极限要求，为UHPC结构防火提供了切实可行的方案，可应用于建筑、桥梁、隧道、甚至地下工程等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是常规UHPC在400℃高温后的外观形貌；

图2是本发明耐火抗爆UHPC立方体抗压试块高温前、后的外观形貌对比图；

图3是本发明耐火抗爆UHPC高温后剩余抗压破坏形态图；

图4是本发明耐火抗爆UHPC抗折试块高温前、后的外观形貌对比图；

图5是本发明耐火抗爆UHPC狗骨轴拉试块高温前、后的外观形貌对比图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应该被视为在本文中具体公开。

本发明的耐火抗爆超高性能混凝土，包括按重量份数计的如下原料成分：

水泥1050-1600份，矿物掺合料220-650份，石英砂300-900份，石英粉150-400份，棕刚玉350-1200份，氧化铝微粉0-500份，碳化硅粉0-450份，钢渣0-200份，减水剂15-50份，纤维材料220-400份，高分子吸水树脂0-30份。

其中，水泥包括硅酸盐水泥、铝酸钙水泥中的至少一种，且硅盐酸水泥为P.O.42.5级或P.O.52.5级；具体的，水泥的含量可以为1050份、1100份、1200份、1300份、1400份、1500份或1600份，也可以为该范围内的其他值。

矿物掺合料包括硅灰和粉煤灰，其中，硅灰的SiO₂含量大于92％，比表面积为18500m²/kg；粉煤灰密度2.55g/cm³，烧失量为3.86％；具体的，矿物掺合料的含量可以为220份、300份、400份、500份、600份或650份，也可以为该范围内的其他值。

石英砂SiO₂含量大于99％，粒径范围为20-40目；石英粉SiO₂含量大于99％，粒径为200目；具体的，石英砂的含量可以为300份、350份、400份、450份、500份、550份、600份、650份、700份、750份、800份、850份或900份，也可以为该范围内的其他值；石英粉的含量可以为150份、200份、250份、300份、350份或400份，也可以为该范围为内的其他值。

棕刚玉Al₂O₃含量为90％以上，其粒径为0-5mm；其采用如下制备方法制备得到：

将高铝矾土熟料、铁屑、无烟煤三种原料混匀后加入电弧炉中，经2250℃的高温煅烧，在高温熔化和杂质还原后，冷却而结晶得到棕褐色熔块，后粉碎得到棕刚玉粉末材料。

具体的，棕刚玉的含量可以为350份、400份、450份、500份、600份、700份、800份、900份、1000份、1100份或1200份，也可以为该范围内的其他值。

氧化铝微粉中的Al₂O₃含量大于99％，粒径范围0.8-2.8μm；具体的，其含量可以为0份、50份、100份、120份、150份、170份、200份、230份、250份、300份、350份、400份或500份，也可以为该范围内的其他值。

碳化硅粉的SiC含量超过99％，粒径范围为20-40目；具体的，其含量可以为0份、50份、60份、70份、80份、100份、120份、150份、200份、250份、300份、350份、400份或450份，也可以为该范围内的其他值。

钢渣的粒径为0-5mm，具体的，其含量可以为0份、50份、80份、100份、120份、130份、150份、180份或200份，也可以为该范围内的其他值。

减水剂为含水率小于2.8％，减水率大于25％的聚羧酸粉体减水剂；具体的，其含量可以为15份、18份、20份、25份、30份、35份、40份、45份或50份，也可以为该范围内的其他值。

纤维材料为钢纤维、合成纤维中的至少一种，其中钢纤维为镀铜端勾钢纤维，长度为13mm，直径为0.2mm，抗拉强度为2000MPa；合成纤维为聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、尼龙纤维、聚甲醛纤维中至少一种；其中，聚丙烯纤维长度12mm，直径30μm，弹性模量为5GPa，熔点约为165；℃聚乙烯醇纤维长度12mm，直径20μm，弹性模量为16GPa，熔点约为235；℃尼龙纤维长度5mm，直径20μm，弹性模量为8.4GPa，熔点约为215；℃聚甲醛纤维长度12mm，直径200μm，弹性模量为10GPa，熔点约为165℃。

具体的，纤维材料的含量可以为220份、250份、275份、280份、300份、320份、350份或400份，也可以为该范围内的其他值。

高分子吸水树脂(SAP)的平均粒径为110-125μm，其含量可以为0份、5份、8份、10份、15份、20份、25份或30份，也可以为该范围内的其他值。

本发明的耐火抗爆超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：

按上述耐火抗爆超高性能混凝土原料配比，将水泥、矿物掺合料、石英砂、石英粉、棕刚玉、氧化铝微粉、碳化硅粉、钢渣倒入搅拌机中混合均匀，然后加入相应重量份数的减水剂和高分子吸水树脂，以及适量的水，继续搅拌，再加入纤维材料继续搅拌，直到UHPC浆体在搅拌机中搅拌至完全流化，得到耐火抗爆超高性能混凝土浆料；

将耐火抗爆超高性能混凝土浆料装入模具，在室温条件下自然养护2天后拆模，并进行48小时的蒸汽养护，蒸汽养护的温度控制在90℃以上，湿度控制在95％以上。

以下通过具体的实施例对本发明提供的耐火抗爆超高性能混凝土进行详细阐述。

实施例1

一种耐火抗爆超高性能混凝土，包括按重量份数计的如下成分：

水泥1284份，硅灰252份、粉煤灰118份、棕刚玉556份、石英砂786份、石英粉249份、减水剂26份、钢纤维255份、聚丙烯纤维10份。

其中，水泥为P.O.42.5级硅酸盐水泥，其3天和28天实测抗压强度分别为26.7MPa和51.8MPa，3天和28天实测抗折强度为2.3MPa和9.7MPa，比表面积为342m²/kg。

本实施例的一种耐火抗爆超高性能混凝土，制备方法如下：

将水泥、棕刚玉、石英砂、石英粉、硅灰、粉煤灰倒入搅拌机中均匀混合3分钟，然后加入相应重量份数的减水剂和适量的水，继续均匀搅拌10分钟，再加入钢纤维继续均匀搅拌3分钟，最后加入合成纤维搅拌3分钟，直到UHPC浆体在搅拌机中搅拌至完全流化，得到耐火抗爆超高性能混凝土浆料；

将UHPC浆体装入模具，再将其放在小型振动台上振动30秒，以减少试块内部孔隙；UHPC水化过程中释放大量热量，因此在UHPC表面洒水以保持UHPC表面湿润，然后用薄膜覆盖，在室温条件下自然养护2天后拆模；将拆模后的UHPC试块进行48小时的蒸汽养护，蒸汽养护的温度和湿度分别控制在90和℃95％以上。

依据上述方法制备UHPC，将制得的UHPC在马弗炉中升温至1050℃，在1050℃的高温下恒温2小时后，加热程序自动结束，待炉膛自然冷却至室温后，取出试块。

将实施例1经高温后的UHPC进行剩余抗压强度测试、UHPC棱柱体高温后抗折强度测试、UHPC狗骨高温后轴拉强度测试，测试结果如表1：

表1：实施例1高温后的UHPC性能测试结果

需要说明的是，本发明中UHPC立方体高温后抗压强度试验方法如下：

1、检查UHPC立方体试块尺寸、形状；

2、将UHPC立方体试块表面与上、下承压板面擦拭干净；

3、以试件成型时的侧面为承压面，应将试件安放在试验机下压板或垫板上，试件的中心应与试验机下压板中心对准；

4、启动试验机，试件表面与上、下承压板或钢垫板应均匀接触；

5、试验过程中应连续均匀加荷。为保证上承压板与试块承压面完全贴合，应进行预加载。因UHPC高温后剩余强度显著下降，为保证预加载对UHPC不造成初始损伤，预加载以5mm/min的速率加载至2kN，达到目标力值2kN后持载20秒；

6、预加载阶段结束后，进入正式加载阶段。加荷速度按应力控制，取1.0MPa/s。

由于UHPC硬化后，内部仍存在大量水泥、活性掺合料等未水化颗粒，经过200℃、400℃高温后，高温作用促进了UHPC内部水泥、活性掺和料的进一步水化，因此200℃、400℃高温后抗压强度较常温抗压强度有明显的提高。经过一系列试验测试及文献数据统计，正式加载阶段的目标力值应大于该UHPC试块常温抗压强度的1.3倍，但注意试块破坏荷载不能大于压力机全量程，且宜小于压力机全量程的80％。

以实施例1的UHPC为例，UHPC高温后抗压强度随温度的变化如表2。每个温度组的抗压强度为3个试块的抗压强度平均值。

表2：UHPC高温后抗压强度随温度的变化

本发明的UHPC棱柱体高温后抗折强度试验，方法如下：

1、检查UHPC棱柱体尺寸、形状。

2、试件放置在试验装置前，应将试件表面擦拭干净，并在试件侧面画出加荷线位置。

3、试件的承压面应为试件成型时的侧面。支座及承压面与圆柱的接触面应平稳、均匀，否则应垫平。

4、为保证预加载对UHPC不造成初始损伤，预加载以5mm/min的速率加载至2kN，达到目标力值2kN后持载20秒。

5、预加载阶段结束后，进入正式加载阶段。在试验过程中应连续均匀地加荷，加载速度宜取0.05MPa/s。

本发明的UHPC狗骨高温后轴拉强度试验，方法如下：

1、由于高温后的UHPC试块经历了高温损伤，因此内部缺陷更显著，为了保证UHPC狗骨试块完成呈轴拉破坏，UHPC狗骨试块应在直线段破坏，在试块表面粘贴碳纤维布。在变截面处涂抹碳纤维浸渍胶，粘贴碳纤维布，然后在碳纤维布上再次涂抹碳纤维浸渍胶。为避免试块在变截面处破坏，碳纤维布的长度应该大于变截面的弧线段长度。

2、为了在试块直线段观察裂缝发展，在直线段粉刷白色油漆。

3、UHPC狗骨试块的截面尺寸为50×50cm²。预加载阶段先进行力加载，先加载至2kN，然后将荷载卸载至零。将力值、位移值清零，进入正式加载阶段。由于UHPC经历高温后，受拉破坏时脆性特征更为明显，为获得完整的应力-应变曲线，减少由于加载速率过快而产生裂缝，因此正式加载按照位移控制进行加载，以0.05mm/min持续加载，直至狗骨试块达到最大承载力。在应变软化阶段，提高加载速率至0.5mm/min。当控制荷载下降至最大荷载的40％时，停止试验。

请结合参阅图1至图5，其中图1是常规UHPC在400℃高温后的外观形貌；图2是本发明耐火抗爆UHPC高温前、后的外观形貌对比图，其中图2(a)表示常温下UHPC外观形貌，图2(b)表示1050℃后UHPC的外观形貌；图3是本发明耐火抗爆UHPC高温后剩余抗压破坏形态图，其中图3(a)表示测试过程示意图，图3(b)表示测试结果示意图；图4是本发明耐火抗爆UHPC抗折试块高温前、后的外观形貌对比图，其中图4(a)表示抗折试块高温前外观形貌，图4(b)表示抗折试块高温后外观形貌；图5是本发明耐火抗爆UHPC狗骨轴拉试块高温前、后的外观形貌对比图，其中图5(a)表示试块高温前外观形貌，图5(b)表示试块高温后外观形貌。由图1可以看出，常规UHPC在400℃高温后发生了严重的爆裂；由图2、图4、图5可以看出，经1050℃高温后，本发明的UHPC没有爆裂；由图3可以看出，经1050℃高温后的UHPC，仍有较高的剩余强度。

需要说明的是，本发明的高温试验是在1050℃的高温下恒温2小时，混凝土内部温度已经与外部温度非常接近，此时用外部温度表征混凝土内部温度及建立混凝土各方面力学性能和温度的关系是可靠的。若没有设置恒温过程，则混凝土内部温度与其外部温度有明显差异，用外部温度直接替代混凝土的内部温度有较大偏差。而在建筑火灾的灾后评估中，UHPC各方面力学性能及其内部经历温度之间关系的确定是必要的，在此基础上才能进行建筑构件火灾后剩余承载力的评估。

实施例2

一种耐火抗爆超高性能混凝土，包括按重量份数计的如下成分：

水泥1298份，硅灰285份、粉煤灰163份、棕刚玉575份、石英砂773份、石英粉242份、减水剂25份、钢纤维257份、聚丙烯纤维8份，聚乙烯醇纤维5份。

本实施例的耐火抗爆超高性能混凝土，其制备与养护工艺参照实施例1。

将实施例2制备的UHPC，用马弗炉升温至1050℃，在1050℃的高温下恒温2小时后，加热程序自动结束，待炉膛自然冷却至室温后，取出试块。

将实施例2经高温后的UHPC进行剩余抗压强度测试、UHPC棱柱体高温后抗折强度测试、UHPC狗骨高温后轴拉强度测试，测试结果如表3：

表3：实施例:2高温后的UHPC性能测试结果

实施例3

一种耐火抗爆超高性能混凝土，包括按重量份数计的如下成分：

水泥1321份，硅灰256份、粉煤灰132份、棕刚玉763份、石英砂569份、石英粉251份、减水剂33份、钢纤维264份、聚丙烯纤维10份，尼龙纤维5份。

本实施例的耐火抗爆超高性能混凝土，其制备与养护工艺参照实施例1。

将实施例3制备的UHPC，用马弗炉升温至1050℃，在1050℃的高温下恒温2小时后，加热程序自动结束，待炉膛自然冷却至室温后，取出试块。

将实施例3经高温后的UHPC进行剩余抗压强度测试、UHPC棱柱体高温后抗折强度测试、UHPC狗骨高温后轴拉强度测试，测试结果如表4：

表4：实施例3高温后的UHPC性能测试结果

实施例4

一种耐火抗爆超高性能混凝土，包括按重量份数计的如下成分：

水泥1263份，硅灰238份、粉煤灰152份、棕刚玉653份、石英砂669份、石英粉232份、减水剂36份、钢纤维263份、聚丙烯纤维12份、聚乙烯醇纤维3份。

本实施例的耐火抗爆超高性能混凝土，其制备与养护工艺参照实施例1。

将实施例4制备的UHPC，用马弗炉升温至1050℃，在1050℃的高温下恒温2小时后，加热程序自动结束，待炉膛自然冷却至室温后，取出试块。

将实施例4经高温后的UHPC进行剩余抗压强度测试、UHPC棱柱体高温后抗折强度测试、UHPC狗骨高温后轴拉强度测试，测试结果如表5：

表5：实施例4高温后的UHPC性能测试结果

实施例5

一种耐火抗爆超高性能混凝土，包括按重量份数计的如下成分：

水泥1361份，硅灰252份、粉煤灰143份、棕刚玉718份、钢渣136份、石英砂436份、石英粉247份、减水剂25份、钢纤维262份、聚甲醛纤维13份，SAP13份。

本实施例的耐火抗爆超高性能混凝土，其制备与养护工艺参照实施例1。

将实施例5制备的UHPC，用马弗炉升温至1050℃，在1050℃的高温下恒温2小时后，加热程序自动结束，待炉膛自然冷却至室温后，取出试块。

将实施例5经高温后的UHPC进行剩余抗压强度测试、UHPC棱柱体高温后抗折强度测试、UHPC狗骨高温后轴拉强度测试，测试结果如表6：

表6：实施例5高温后的UHPC性能测试结果

实施例6

一种耐火抗爆超高性能混凝土，包括按重量份数计的如下成分：

水泥1255份，硅灰213份、粉煤灰147份、棕刚玉572份、石英砂764份、氧化铝微粉262份、石英粉182份、减水剂31份、钢纤维253份、聚甲醛纤维14份。

本实施例的耐火抗爆超高性能混凝土，其制备与养护工艺参照实施例1。

将实施例6制备的UHPC，用马弗炉升温至1050℃，在1050℃的高温下恒温2小时后，加热程序自动结束，待炉膛自然冷却至室温后，取出试块。

将实施例6经高温后的UHPC进行剩余抗压强度测试、UHPC棱柱体高温后抗折强度测试、UHPC狗骨高温后轴拉强度测试，测试结果如表7：

表7：实施例6高温后的UHPC性能测试结果

实施例7

一种耐火抗爆超高性能混凝土，包括按重量份数计的如下成分：

水泥1316份，硅灰214份、粉煤灰142份、棕刚玉560份、石英砂742份、碳化硅粉268份、石英粉173份、减水剂29份、钢纤维252份、聚丙烯纤维10份，SAP11份。

本实施例的耐火抗爆超高性能混凝土，其制备与养护工艺参照实施例1。

将实施例7制备的UHPC，用马弗炉升温至1050℃，在1050℃的高温下恒温2小时后，加热程序自动结束，待炉膛自然冷却至室温后，取出试块。

将实施例7经高温后的UHPC进行剩余抗压强度测试、UHPC棱柱体高温后抗折强度测试、UHPC狗骨高温后轴拉强度测试，测试结果如表8：

表8：实施例7高温后的UHPC性能测试结果

实施例8

一种耐火抗爆超高性能混凝土，包括按重量份数计的如下成分：

铝酸钙水泥321份，硅酸盐水泥1056份、硅灰273份、粉煤灰172份、棕刚玉1097份、钢渣152份、石英砂324份、氧化铝微粉164份、碳化硅粉67份、石英粉158份、减水剂28份、钢纤维261份、聚丙烯纤维5份、聚甲醛纤维15份、SAP8份。

本实施例的耐火抗爆超高性能混凝土，其制备与养护工艺参照实施例1。

将实施例8制备的UHPC，用马弗炉升温至1050℃，在1050℃的高温下恒温2小时后，加热程序自动结束，待炉膛自然冷却至室温后，取出试块。

将实施例8经高温后的UHPC进行剩余抗压强度测试、UHPC棱柱体高温后抗折强度测试、UHPC狗骨高温后轴拉强度测试，测试结果如表9：

表9：实施例8高温后的UHPC性能测试结果

实施例9

一种耐火抗爆超高性能混凝土，包括按重量份数计的如下成分：

水泥1254份，硅灰223份、粉煤灰189份、棕刚玉652份、石英砂126份、氧化铝微粉468份、碳化硅粉423份、石英粉186份、减水剂38份、钢纤维256份、聚丙烯纤维27份。

本实施例的耐火抗爆超高性能混凝土，其制备与养护工艺参照实施例1。

将实施例7制备的UHPC，用马弗炉升温至1050℃，在1050℃的高温下恒温2小时后，加热程序自动结束，待炉膛自然冷却至室温后，取出试块。

将实施例7经高温后的UHPC进行剩余抗压强度测试、UHPC棱柱体高温后抗折强度测试、UHPC狗骨高温后轴拉强度测试，测试结果如表10：

表10：实施例9高温后的UHPC性能测试结果

由上述实施例可以看出，本发明的耐火抗爆超高性能混凝土，具有较强的耐火抗爆性能，其原理如下：

由于石英砂在573℃左右发生了高温相变，从α相向β相转变的过程中，石英砂发生体积膨胀，在骨料和水泥之间的界面过渡区(ITZ区)发生开裂，石英砂骨料也出现了裂纹。随温度的进一步提高，界面过渡区损伤积累，最终导致局部开裂破坏，增加了UHPC爆裂的风险。而棕刚玉的制备原料——铝矾土本身已经经过二次高温煅烧，高温后的线变化率小，体积变化率小，在经历高温作用后仍能与水泥石保持良好的界面过渡区。因此，与石英砂的高温性能相比，刚玉的热稳定性更优，加入到UHPC中能明显提高UHPC高温后力学性能。

在常规UHPC中，水泥熟料中的C₃S、C₂S和水反应形成C-S-H，C-S-H是混凝土强度的主要来源，其中，石英砂起到了骨架的作用。与石英砂相比，刚玉中最主要的矿物为α-Al₂O₃，其晶体结构为氧离子呈六方最紧密堆积，质点之间的间距小，阴、阳键由离子键向共价键过渡。其共价键特性使其硬度较高，刚玉硬度9，高于石英砂硬度6。因而刚玉的骨架作用更显著。水泥水化过程中产生的Ca(OH)₂在高温后脱水形成分解产物CaO。CaO在高温作用下和刚玉中的Al₂O₃发生如下化学反应：

CaO+α-Al₂O₃→CA

CA+α-Al₂O₃→CA₂

CA和CA₂晶体在高温下能形成更致密的结构，这也是试块经过1050℃高温煅烧后仍能维持一定强度的原因。

氧化铝微粉促进水泥水化的作用显著，氧化铝微粉为水化产物的析出提供了成核位点，促进水泥水化，其粒径越小，为水化产物提供的成核位点越多。在1000℃高温后，氧化铝微粉使基体进一步致密化，CA₂的生成使基体中的微粉颗粒相互结合，结合力提高，因此氧化铝微粉能显著提高UHPC高温后力学性能。

碳化硅热导率高于石英砂，在UHPC中能一定程度地降低截面热应力梯度，减小热应力。另外，碳化硅硬度高，熔点高达2700℃，且化学性质稳定。相比于石英砂在573℃左右发生高温相变，碳化硅热稳定性更优，能更好地填充骨料之间的空隙，使骨架结构更稳定。

与现有技术相比，本发明提供的耐火抗爆超高性能混凝土及其制备方法，有益效果在于：

本发明提供的耐火抗爆超高性能混凝土，通过优化UHPC混凝土原料配方，提高了混凝土的耐火抗爆性能。该超高性能混凝土经过1050℃的2小时高温后，不仅不发生爆裂，并且在灾后仍有较高的剩余强度，完全满足现有《GB50016-2014建筑设计防火规范》中对于耐火等级为一级的梁、板等建筑构件的耐火极限要求，为UHPC结构防火提供了切实可行的方案，可应用于建筑、桥梁、隧道、甚至地下工程等领域。

以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐火抗爆超高性能混凝土，其特征在于，包括按重量份数计的如下原料成分：

水泥1050-1600份，矿物掺合料220-650份，石英砂300-900份，石英粉150-400份，棕刚玉350-1200份，氧化铝微粉0-500份，碳化硅粉0-450份，钢渣0-200份，减水剂15-50份，纤维材料220-400份，高分子吸水树脂0-30份。

2.根据权利要求1所述的耐火抗爆超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥包括硅酸盐水泥、铝酸钙水泥中的至少一种，其中硅盐酸水泥为P.O.42.5级或P.O.52.5级。

3.根据权利要求1所述的耐火抗爆超高性能混凝土，其特征在于，矿物掺合料包括硅灰和粉煤灰，其中，硅灰的SiO₂含量大于92％，比表面积为18500m²/kg；粉煤灰密度2.55g/cm³，烧失量为3.86％。

4.根据权利要求1所述的耐火抗爆超高性能混凝土，其特征在于，所述石英砂SiO₂含量大于99％，粒径范围为20-40目；所述石英粉SiO₂含量大于99％，粒径为200目。

5.根据权利要求1所述的耐火抗爆超高性能混凝土，其特征在于，所述棕刚玉Al₂O₃含量为90％以上，其粒径为0-5mm；其采用如下制备方法制备得到：

将高铝矾土熟料、铁屑、无烟煤三种原料混匀后加入电弧炉中，经2250℃的高温煅烧，在高温熔化和杂质还原后，冷却而结晶得到棕褐色熔块，后粉碎得到棕刚玉粉末材料。

6.根据权利要求1所述的耐火抗爆超高性能混凝土，其特征在于，所述氧化铝微粉中的Al₂O₃含量大于99％，粒径范围0.8-2.8μm；碳化硅粉的SiC含量超过99％，粒径范围为20-40目；所述钢渣的粒径为0-5mm。

7.根据权利要求1所述的耐火抗爆超高性能混凝土，其特征在于，所述减水剂为含水率小于2.8％，减水率大于25％的聚羧酸粉体减水剂。

8.根据权利要求1所述的耐火抗爆超高性能混凝土，其特征在于，所述纤维材料为钢纤维、合成纤维中的至少一种，其中钢纤维为镀铜端勾钢纤维，长度为13mm，直径为0.2mm，抗拉强度为2000MPa；合成纤维为聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、尼龙纤维、聚甲醛纤维中至少一种。

9.根据权利要求1所述的耐火抗爆超高性能混凝土，其特征在于，所述高分子吸水树脂的平均粒径为110-125μm。

10.一种耐火抗爆超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

按照权利要求1所述的耐火抗爆超高性能混凝土原料配比，将水泥、矿物掺合料、石英砂、石英粉、棕刚玉、氧化铝微粉、碳化硅粉、钢渣倒入搅拌机中混合均匀，然后加入相应重量份数的减水剂和高分子吸水树脂，以及适量的水，继续搅拌，再加入纤维材料继续搅拌，直到UHPC浆体在搅拌机中搅拌至完全流化，得到耐火抗爆超高性能混凝土浆料；

将耐火抗爆超高性能混凝土浆料装入模具，在室温条件下自然养护2天后拆模，并进行48小时的蒸汽养护，蒸汽养护的温度控制在90℃以上，湿度控制在95％以上。

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