本发明属于水泥混凝土领域，具体涉及一种高容重和高弹性模量的uhpc材料及其制备方法。
背景技术：
1、uhpc作为最为先进的水泥基复合材料，具有高强和高耐久的优异特性，同时克服了传统混凝土固有的脆性问题，因此具有极为广泛的应用前景。与此同时，混凝土中容重和弹性模量是混凝土结构设计所需的重要参数，可以反映材料抵抗变形的能力。在材料满足设计强度时，较低弹性模量和容重会导致混凝土构件刚度偏低，最终因变形过大导致构件不能正常使用。一般来说，混凝土弹性模量通常随着抗压强度增大而增大，以超高强度、超高韧性和超高耐久性为主要特征的uhpc材料，抗压强度超过120mpa，是普通混凝土1.2倍以上，但其容重和弹性模量最大值分别为2.5g/cm3和47gpa，仅仅比普通混凝土提升20%左右，增长强度明显小于抗压强度增长幅度，也给uhpc在实际工程中的应用带来诸多困难。因此，在保证uhpc材料具有优异的抗压强度和工作性能同时，进一步提升uhpc弹性模量和容重，对进一步推广uhpc材料的应用范围具有重要意义。
2、针对上述问题，目前还未有提升uhpc材料容重和弹性模量的相关文献，更未有实际相关应用的典型范例。究其原因，一方面，传统uhpc配合比中砂石骨料最大粒径为2mm，不含粗骨料导致uhpc容重和弹性模量接近混凝土砂浆水平，难以大幅提升；另一方面，uhpc材料作为最新一代水泥基复合材料，其原材料种类相对局限，缺乏多源创新发展导致其容重和弹性模量提升幅度偏低。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种高容重和高弹性模量的uhpc材料，以解决如何提高uhpc材料的容重和弹性模量的问题。
2、本发明的另一目的是提供一种高容重和高弹性模量的uhpc材料的制备方法。
3、本发明的技术方案是：一种高容重和高弹性模量的uhpc材料，其特征在于包含以下重量份的组分：水泥29-31份，粉煤灰微珠9.5-10.5份，硅灰9.5-10.5份，铝矾土2.4-2.6份，刚玉颗粒45-50份，氧化铝0.24-0.26份，钢纤维10.5-11.5份，聚羧酸减水剂0.4-0.6份，水9.5-10.5份。
4、作为本发明的进一步改进，水泥为pi型725水泥；水泥物相组成中c2s含量不小于45%，c3s含量不小于35%，c3a含量不大于5%，c4af含量不高于2%，二水石膏含量不大于5%；水泥化学组成中cao含量不小于60%，al2o3和so3含量均不大于4%；水泥颗粒粒径分布范围为0.017-13.3μm，颗粒球形度不小于0.9；水泥标准稠度需水量范围为157-159g，初凝时间不小于130min，终凝时间不大于250min，3d胶砂强度不小于50mpa，比表面积不小于480m2/kg，45μm细度筛余量不大于1.0%，表观密度不小于3.0g/cm3。
5、作为本发明的进一步改进，粉煤灰微珠为粉煤灰超细研磨后球形玻璃体的筛选产物，粉煤灰微珠物相组成中玻璃体含量不小于98%，石英和莫来石物相含量不大于2%；粉煤灰微珠化学组成中cao含量不大于5%，al2o3含量不小于60%；粉煤灰微珠粒径分布范围为1.3-52.3μm，球形度不小于0.95；粉煤灰微珠28d强度活性指数不小于120%，需水量比不大于80%，比表面积不小于450 m2/kg，表观密度不小于2.2g/cm3。
6、作为本发明的进一步改进，硅灰为经过二次超细研磨的硅灰，硅灰物相组成中玻璃体含量不小于95%，化学组成中sio2含量不小于98%；硅灰颗粒粒径分布范围为0.01-13.3μm，硅灰粒径小于1μm的颗粒不小于65%，球形度为0.95-1；硅灰活性指数不小于150%，需水量比不大于120%，比表面积不小于700 m2/kg，表观密度不小于2.2g/cm3。
7、作为本发明的进一步改进，铝矾土为经过研磨、整形和筛分的铝矾土，铝矾土物相组成中α刚玉相不小于55%，石英相不大于22%；铝矾土化学组成中，al2o3含量不小于55%，sio2含量不大于22%，fe2o3含量不大于1%，so3含量不大于0.1%（铝矾土主要组成为α刚玉和石英，刚玉和石英化学组成分别为al2o3和sio2，刚玉硬度高、密度大、吸水率低，适用于制备高容重和弹模uhpc，因此需要择优选择al2o3含量高的铝矾土原材料，一般优质铝矾土中al/si比大于2.5）；铝矾土粒径分布范围为1.6-248.9μm，球形度不小于0.85；铝矾土密度不小于3.5g/cm3，吸水率不大于1.0%，压碎值不大于2%。
8、作为本发明的进一步改进，刚玉颗粒为经过研磨、整形和筛分的刚玉颗粒，刚玉颗粒物相组成中α刚玉相不小于98%，化学组成中al2o3含量不小于99%，sio2含量不大于0.5%；刚玉颗粒粒径分布范围为2.3-2000μm，球形度不小于0.85；刚玉颗粒密度不小于3.7g/cm3，吸水率不大于0.5%，压碎值不大于1%；
9、刚玉颗粒的处理过程如下：
10、a、颗粒破碎：将原始刚玉颗粒充分破碎，至颗粒粒径均能通过5000μm圆孔筛；
11、b、颗粒研磨：将破碎完成的刚玉颗粒进行充分研磨，至颗粒均能通过2000μm圆孔筛，球形度不小于0.85；
12、c、颗粒筛分：将充分研磨的刚玉颗粒再次通过2000μm圆孔筛，即得到满足要求的刚玉颗粒。
13、作为本发明的进一步改进，氧化铝为成品纳米氧化铝粉体，氧化铝化学组成中al2o3含量不小于99%，粒径颗粒不大于50nm。
14、作为本发明的进一步改进，钢纤维为直径为0.19-0.21mm、长度为12-14mm的平直型镀铜钢纤维；钢纤维拉伸强度不小于2850mpa，长度和直径合格率均不小于99.0%，表观密度不小于7.85g/cm3。
15、作为本发明的进一步改进，聚羧酸减水剂为成品聚羧酸减水剂，固含量不小于98%，相对分子质量不大于45000，分布指数不大于1.5，减水率不小于60%。
16、一种高容重和高弹性模量的uhpc材料的制备方法，包括以下步骤：
17、a、净浆拌合：在搅拌机中分别加入配方量的水泥、粉煤灰微珠、硅灰、氧化铝，采用震动式搅拌机，调整搅拌机转速为80-100r/min，搅拌至少8min；继续向搅拌机中加入配方量的聚羧酸减水剂和水，调整搅拌机转速为100-120r/min，搅拌至少4min，得到净浆；
18、b、砂浆拌合：在制得的净浆中加入配方量的铝矾土和刚玉颗粒，调整搅拌机转速为100-120r/min，搅拌至少6min；
19、c、纤维分散：调整搅拌模式为震动模式，震动频率为1100-1300次/min，采用筛孔直径为钢纤维长度0.4-0.6倍的钢筛将配方量的钢纤维筛分加入，钢纤维加入完毕后持续震动拌合5-7min，即得高容重和高弹性模量的uhpc材料。
20、本发明构思说明如下：
21、（一）高性能水泥材料限定：
22、水泥作为uhpc胶凝材料中最主要的组成，对uhpc强度、流变、耐久等性能有重要影响。《通用硅酸盐水泥》（gb175）中规定水泥最高标号为62.5级，水泥比表面积范围为300-400m2/kg，水泥细度为45μm筛余量不低于5%。相对而言，现有标准中对水泥材料的规定较为宽泛，不适用于超高强度和超高耐久性能的uhpc材料，本发明精细化规定了应用于uhpc材料的水泥性能指标，以进一步提升uhpc材料强度、流变和耐久性能，具体机理如下：
23、（1）基于物相组成和化学组成提出了水泥的原材料组成要求：为保证uhpc材料性能稳定性，需要对水泥中矿物掺合料含量进行严格限制。一般而言，掺入水泥的矿物掺合料表现为非晶相、石英相和莫来石相，因此需要对水泥中非晶相、石英相和莫来石相进行严格限制，本发明中上述物相含量为0；此外，本发明选用水泥为纯水泥熟料+二水石膏组合形式，其中进一步限定了决定水泥强度的c3s和c2s物相含量下限值，以保证水泥具有较高的初始强度（以下反应式和）；还限定了影响外加剂适配性和早期水化反应的c3a和c4af物相含量上限值，以保证水泥具有良好的外加剂适配性（以下反应式和）；二水石膏作为传统水泥水化缓凝剂，与c3a和c4af物相含量息息相关，本发明由于限定了c3a和c4af物相含量，因此二水石膏含量也进一步降低，进一步保证水泥原材料的纯度（以下反应式）。
24、相关反应式如下：
25、
26、（2）进一步提升了水泥原材料指标要求：本发明采用超细颗粒水泥为原材料，在限定粒度分布范围为0.017-13.3μm基础上进一步规定了颗粒球形度不小于0.9、比表面积不小于480 m2/kg、45μm细度筛余量小于1.0%的要求，在整体提升了水泥原材料水化反应活性的基础上进一步提升颗粒体系密实程度。同时，超细水泥颗粒具有更高的早期水化反应程度，保证水泥具有良好的早期强度；高球形度水泥颗粒能够为uhpc浆料流动提供支撑点位，保证其具有良好的流变性能。
27、（二）高容重骨料限定：
28、常规uhpc材料选用砂石骨料为石英砂或机制砂，最大颗粒粒径为2mm，表观密度为2.6g/cm3，吸水率为4%，压碎值为10%-20%；较低密度、较高吸水率和较低压碎值是导致常规uhpc材料容重和弹性模量无法进一步提升的关键原因，本发明精细化规定了应用于uhpc材料的砂石骨料性能指标和优化方法，以进一步提升uhpc材料容重和弹性模量，具体机理如下：
29、（1）优化uhpc材料中砂石骨料种类以提升容重和弹性模量：分别选用铝矾土和刚玉颗粒替代传统uhpc中石英粉和石英砂，铝矾土表观密度不小于3.5g/cm3，吸水率不大于1%，压碎值不大于2%；刚玉颗粒表观密度不小于3.7g/cm3，吸水率不大于0.5%，压碎值不大于1%；相较于石英粉和石英砂，铝矾土和刚玉颗粒具有高密度、低吸水率和低压碎值的特性；高密度能够进一步提升uhpc材料容重，低吸水率可进一步降低骨料对拌合物流变性能影响，低压碎值可进一步提升uhpc材料弹性模量。
30、（2）提出了高强骨料性能优化和制备方法：铝矾土和刚玉颗粒因较低压碎值导致难以破碎且颗粒球形度偏低，因而影响uhpc拌合物的流变性能和最终强度。因此，本发明对铝矾土的颗粒粒径分布和球形度提出要求，并提出了刚玉颗粒的制备方法。对于刚玉颗粒，采用破碎+筛分+研磨的工艺进行破碎，且采用圆孔筛进行筛分以保证刚玉颗粒球形度。
31、（三）uhpc配合比设计方法：
32、uhpc材料设计原则是优化颗粒级配以提升堆积密实程度，并掺入钢纤维增强其韧性。因此，科学合理设计 uhpc配合比以形成颗粒最紧密堆积是保证uhpc具有优越性能的关键，uhpc配合比设计机理如下：
33、（1）颗粒最紧密堆积设计原理：在uhpc最紧密堆积的试验设计中，maa模型设计如公式如下：
34、p(d)=(dq-dminq)/(dmaxq-dminq )
35、式中，p(d)是总固体中小于粒径 d 的分数；d是粒径(μm)；dmax是体系中的最大粒径；dmin是最小粒径；q是分布模量，其大小取决于体系中粗骨料和细骨料的比值，且粗颗粒含量越高分布模量越大，一般取0.23。利用 matlab 软件对maa模型的公式进行建模，采用最小二乘法（lsm），调整混凝土混合物中每种材料的质量比例，计算不同原材料质量比例下混合物累计分布曲线与目标曲线之间的偏差，并用残差平方和（rss）进行表征。当混合物累计分布曲线与目标曲线之间的残差平方和最小时，说明此时混合物最接近颗粒最紧密堆积。残差平方和计算如公式如下：
36、rss=σi=1n(pmix (dii+1) -ptra (dii+1) )2
37、式中，rss为残差平方和，pmix及ptar分别为目标级配曲线和实际堆积曲线。
38、（2）高容重高弹性模量uhpc设计方法：本发明采用颗粒最紧密堆积原理设计配合比，其中，水泥颗粒粒径分布范围为0.017-13.3μm，粉煤灰微珠粒径分布范围为1.3-52.3μm，硅灰颗粒粒径分布范围为0.01-13.3μm，铝矾土粒径分布范围为1.6-248.9μm，刚玉颗粒粒径分布范围为2.3-2000μm；以最大颗粒尺寸（dmax）为2000μm，最小颗粒尺寸（dmin）为0.017μm，分布模量（q）为0.23建立maa模型的目标级配曲线，如图1所示。
39、分别考察骨料（铝矾土和刚玉颗粒）级配、胶凝材料（水泥和掺合料）与骨料比值（即胶砂比）、水泥掺量、掺合料（粉煤灰微珠和硅灰）掺量等因素对堆积密实程度的影响，选取12组配合比计算残差平方和（rss）进行分析，具体配合比如表1所示，计算结果如图2所示。
40、表1
41、
42、rss为根据公式计算的目标曲线和不同配合比的实际曲线的接近程度，rss越小，表明实际曲线越接近目标曲线，即颗粒堆积密实程度越高。其中，1至3组主要考察骨料级配对堆积密实都影响，试验设计中固定水泥、粉煤灰微珠、硅灰等胶凝材料比值，调整铝矾土和刚玉颗粒比值；4至6组主要考察胶凝材料与骨料比值（即胶砂比）对堆积密实都影响，试验设计中固定水泥、粉煤灰微珠、硅灰等胶凝材料相对比值，固定铝矾土和刚玉颗粒的相对比值，调整胶凝材料与骨料颗粒比例；7至9组主要考察水泥对堆积密实都影响，试验设计中固定粉煤灰微珠、铝矾土和刚玉颗粒比值，调整水泥和硅灰比值；10至12组主要考察掺合料对堆积密实都影响，试验设计中固定粉水泥、铝矾土和刚玉颗粒比值，调整粉煤灰微珠和硅灰比值。通过残差平方和（rss）分析，结合水泥掺量对uhpc强度影响、硅灰掺量对uhpc拌合物影响等因素，最终确定选择配合比为水泥30%，粉煤灰微珠10%，硅灰10%，铝矾土2.5%，刚玉颗粒47.5%，此时rss接近配合比最小值（4977），且满足水泥水化对强度和拌合物工作性能要求。
43、（四）高性能骨料和纤维协同增强作用：
44、普通混凝土中弹性模量和抗压强度随着骨料含量增加而不断提升，但压缩应变会随着骨料含量提升而降低。在uhpc中刚玉、铝矾土骨料和胶凝材料形成连续的整体，且达到最紧密堆积，结合钢纤维作用可进一步提升uhpc性能，具体机理如下：
45、（1）骨料-纤维协同作用提升弹性模量：如图3左图所示，当uhpc体系无较粗的刚玉颗粒时，铝矾土和钢纤维呈现均匀分布，在压缩荷载下，主要以纤维和基体的粘结作用抵抗压缩的应力和应变；如图3中图所示，当uhpc体系含有一定量的刚玉颗粒时，刚玉颗粒可在uhpc中建立一个基本刚性骨架，在压缩荷载下，刚玉颗粒尖端处可产生内聚力减少应力集中提升uhpc应力和应变；如图3右图所示，当uhpc体系含有达到最紧密堆积的刚玉颗粒时，颗粒体系达到最紧密堆积且钢纤维在刚性骨架中均匀分布，在压缩荷载下，纤维和基体粘结作用、刚玉颗粒尖端内聚力同时抵抗应力和应变，并在刚玉颗粒边缘产生初始裂纹，裂纹沿刚玉颗粒边缘扩展，最大程度上提升抵抗压缩的应力和应变。
46、（2）刚玉颗粒表观增强itz界面性能：如图4所示，刚玉颗粒表观存在较多不连续孔隙，表观较为粗糙；石英砂颗粒表观无孔隙结构，表观较为平滑；当使用刚玉颗粒和石英砂制备形成uhpc时，刚玉颗粒表观气孔会进一步与胶凝材料结合，增强胶凝材料与骨料的界面（itz）粘结强度。因此，相较于石英砂颗粒，刚玉颗粒制备的uhpc材料具有更高的强度和弹性模量。
47、本发明的有益效果是：
48、1. 本发明采用高性能骨料铝矾土和刚玉颗粒替代传统的石英粉和石英砂成功制备了具有超高容重和弹性模量的uhpc材料，一定程度上解决了uhpc容重和弹性模量难以大幅提升的关键问题，避免了传统的uhpc材料较低的弹性模量和容重导致混凝土构件刚度偏低的问题。
49、2. 本发明引入了新型725水泥作为胶凝材料主要组成部分，新型水泥具有超纯的物相组成，避免了水泥中掺合料品质对uhpc性能影响；新型水泥具有低c3a和c4af物相含量，可进一步提升对减水剂的适配性；新型水泥具有超细的颗粒粒径分布，有利于进一步提升uhpc堆积密实程度和早强性能。
50、3. 本发明提出了颗粒最紧密堆积的配合比设计方法，以原材料颗粒粒径分布分析为基础，依据maa模型建立了颗粒最紧密堆积曲线，并采用最小二乘法计算不同配合比实际堆积曲线与最紧密堆积曲线残差平方和（rss），以此表征堆积密实程度，最终确定了满足强度、工作性能的最紧密堆积配合比。
51、4. 本发明提出了刚玉颗粒和钢纤维协同作用提升uhpc性能的机理，颗粒体系达到最紧密堆积且钢纤维在刚性骨架中均匀分布，在压缩荷载下，钢纤维和基体粘结作用、刚玉颗粒尖端内聚力同时抵抗应力和应变，并在刚玉颗粒边缘产生初始裂纹，裂纹沿刚玉颗粒边缘扩展，最大程度上提升抵抗压缩的应力和应变。
1.一种高容重和高弹性模量的uhpc材料，其特征在于包含以下重量份的组分：水泥29-31份，粉煤灰微珠9.5-10.5份，硅灰9.5-10.5份，铝矾土2.4-2.6份，刚玉颗粒45-50份，氧化铝0.24-0.26份，钢纤维10.5-11.5份，聚羧酸减水剂0.4-0.6份，水9.5-10.5份。
2.根据权利要求1所述的一种高容重和高弹性模量的uhpc材料，其特征在于：所述水泥为pi型725水泥；水泥物相组成中c2s含量不小于45%，c3s含量不小于35%，c3a含量不大于5%，c4af含量不高于2%，二水石膏含量不大于5%；水泥化学组成中cao含量不小于60%，al2o3和so3含量均不大于4%；水泥颗粒粒径分布范围为0.017-13.3μm，颗粒球形度不小于0.9；水泥标准稠度需水量范围为157-159g，初凝时间不小于130min，终凝时间不大于250min，3d胶砂强度不小于50mpa，比表面积不小于480m2/kg，45μm细度筛余量不大于1.0%，表观密度不小于3.0g/cm3。
3. 根据权利要求1所述的一种高容重和高弹性模量的uhpc材料，其特征在于：所述粉煤灰微珠为粉煤灰超细研磨后球形玻璃体的筛选产物，粉煤灰微珠物相组成中玻璃体含量不小于98%，石英和莫来石物相含量不大于2%；粉煤灰微珠化学组成中cao含量不大于5%，al2o3含量不小于60%；粉煤灰微珠粒径分布范围为1.3-52.3μm，球形度不小于0.95；粉煤灰微珠28d强度活性指数不小于120%，需水量比不大于80%，比表面积不小于450 m2/kg，表观密度不小于2.2g/cm3。
4. 根据权利要求1所述的一种高容重和高弹性模量的uhpc材料，其特征在于：所述硅灰为经过二次超细研磨的硅灰，硅灰物相组成中玻璃体含量不小于95%，化学组成中sio2含量不小于98%；硅灰颗粒粒径分布范围为0.01-13.3μm，硅灰粒径小于1μm的颗粒不小于65%，球形度为0.95-1；硅灰活性指数不小于150%，需水量比不大于120%，比表面积不小于700m2/kg，表观密度不小于2.2g/cm3。
5.根据权利要求1所述的一种高容重和高弹性模量的uhpc材料，其特征在于：所述铝矾土为经过研磨、整形和筛分的铝矾土，铝矾土物相组成中α刚玉相不小于55%，石英相不大于22%；铝矾土化学组成中，al2o3含量不小于55%，sio2含量不大于22%，fe2o3含量不大于1%，so3含量不大于0.1%；铝矾土粒径分布范围为1.6-248.9μm，球形度不小于0.85；铝矾土密度不小于3.5g/cm3，吸水率不大于1.0%，压碎值不大于2%。
6.根据权利要求1所述的一种高容重和高弹性模量的uhpc材料，其特征在于：所述刚玉颗粒为经过研磨、整形和筛分的刚玉颗粒，刚玉颗粒物相组成中α刚玉相不小于98%，化学组成中al2o3含量不小于99%，sio2含量不大于0.5%；刚玉颗粒粒径分布范围为2.3-2000μm，球形度不小于0.85；刚玉颗粒密度不小于3.7g/cm3，吸水率不大于0.5%，压碎值不大于1%；
7.根据权利要求1所述的一种高容重和高弹性模量的uhpc材料，其特征在于：所述氧化铝为纳米氧化铝粉体，氧化铝化学组成中al2o3含量不小于99%，粒径颗粒不大于50nm。
8.根据权利要求1所述的一种高容重和高弹性模量的uhpc材料，其特征在于：所述钢纤维为直径为0.19-0.21mm、长度为12-14mm的平直型镀铜钢纤维；钢纤维拉伸强度不小于2850mpa，长度和直径合格率均不小于99.0%，表观密度不小于7.85g/cm3。
9.根据权利要求1所述的一种高容重和高弹性模量的uhpc材料，其特征在于：所述聚羧酸减水剂固含量不小于98%，相对分子质量不大于45000，分布指数不大于1.5，减水率不小于60%。
10.一种根据权利要求1-9中任一项所述的高容重和高弹性模量的uhpc材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
