CN103570271B

CN103570271B - 一种改性水泥基抗冲耐磨材料及其制备和应用方法

Info

Publication number: CN103570271B
Application number: CN201310566443.2A
Authority: CN
Inventors: 何真; 杨华山; 苏祖平; 蔡新华; 陈卫红; 李洋
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2033-11-13
Also published as: CN103570271A

Abstract

本发明公开了一种改性水泥基抗冲耐磨材料及其制备和应用方法。改性水泥基抗冲耐磨材料包含有如下质量百分比的组分：聚氧乙烯醚5～10%，阴离子型活性剂20～30%，载体30～40%，纳米极性硅改性材料30～40%。通过将聚氧乙烯醚和阴离子型活性剂复合在载体上，然后在上述复合物中加入纳米极性硅改性材料均化得到改性水泥基抗冲耐磨材料。通过将经计量的砂和石骨料混合均匀，投入水泥、粉煤灰和改性水泥基抗冲耐磨材料，搅拌均匀后，再投入拌合水和减水剂搅拌均匀得到混凝土。本发明抗冲耐磨性能好、制备方法简单、条件温和、工艺参数易控制、产率高、生产成本低。

Description

一种改性水泥基抗冲耐磨材料及其制备和应用方法

技术领域

本发明属于混凝土外加剂技术领域，涉及一种改性水泥基抗冲耐磨材料及其制备和应用方法。

背景技术

抗冲耐磨性能是混凝土在一种特殊环境下的耐久性能，主要发生在水利水电工程中高水头泄水建筑物表面、交通工程中路面、桥面等与车辆直接接触部位。近年来在很多连岛工程、跨海大桥、跨江大桥的开工建设与运行中，也发现了携沙水流对桥墩、桥梁承台等关键部位的冲刷作用，这些造成了混凝土的严重冲磨破坏，可以认为混凝土的抗冲耐磨性能决定了这些建筑物的安全使用寿命及运行维护成本。在抗冲耐磨混凝土性能的提高途径上，研究者主要从骨料、胶凝材料、化学外加剂、纤维等方面对其进行改性，考虑到耐磨骨料，如铁钢砂，但其价格比较高，往往运输距离远，提高了混凝土单位生产成本；胶凝材料，如硅粉的早期高收缩性及纤维的高成本和不易在混凝土中均匀分散影响混凝土的性能及和易性等缺陷，因而研制高效的抗冲耐磨化学外加剂成为了提高混凝土耐磨性能的一种有效途径。以往的耐磨剂大多掺入了大量有机耐磨成分，如橡胶粉、纤维及尼龙等，基于对混凝土抗冲耐磨混凝土的破坏机理研究，导致混凝土抗冲耐磨性能的最直接原因是其基体本身的抗冲耐磨性低，而有机成分并不能与水泥基材料产生良好的胶合力，从本质上说其并不能提高水泥基体自身的耐磨性，由“短板效应”可知，有机耐磨成分改善混凝土耐磨性的能力有限。本发明在不增加胶凝材料总量的前提下，优化混凝土孔结构和界面结构，改善主要水化产物相C-S-H的生成环境，在相同龄期可获得高密度的C-S-H，大大提升了胶凝材料本身的耐磨性能，解决抗冲磨混凝土的短板问题，从而可显著提高了混凝土的抗冲耐磨强度。

纳米极性硅改性材料可显著降低水泥水化结晶的核化势垒，并提供水泥中矿物相的原位成核点，有效促进水泥中C₂S和C₃S的水化结晶，并促进高密度C-S-H的生成；聚氧乙烯醚及阴离子型活性剂产生协同效应使水泥的分散程度提高，有效促进水泥水化程度提高，并增加拌合水的粘度，改善混凝土保水性能，降低混凝土干缩，并在一定程度上提高本发明各组份间的均匀性和稳定性；载体主要承载聚氧乙烯醚和阴离子型活性剂分子，使其更易在混凝土中均化，在拌合水加入后能同时释放聚氧乙烯醚和阴离子型活性剂分子及在渗透压作用下吸收一定量的水分子，在后期起到一定的内养护作用，改善水泥石孔径分布及水泥基与骨料界面的密实度和粘结力，使混凝土孔隙率下降，密实程度提高，进一步提高混凝土耐磨性能。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种抗冲耐磨性能好的改性水泥基抗冲耐磨材料及其制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种利用该改性水泥基抗冲耐磨材料制备混凝土的方法。

本发明改性水泥基抗冲耐磨材料按质量百分比由下列组分组成：

所述的聚氧乙烯醚，其质均分子量为3500～4500。

所述的阴离子型活性剂为烷基聚氧乙烯醚羧酸钠、十二烷基苯磺酸钠或萘磺酸甲醛缩聚物。

所述的载体为细度为230～280目的丝光沸石或斜发沸石。

所述的纳米极性硅改性材料为纳米级二氧化硅改性材料，其比表面积S≥600m²/g。

一种所述的改性水泥基抗冲耐磨材料的制备方法，包括如下步骤：将所述质量百分比的聚氧乙烯醚、阴离子型活性剂倒入装有蒸馏水的反应釜中，加热至80℃后，将载体倒入，搅拌均匀，冷却至30℃～40℃，干燥后加入所述质量百分比的纳米极性硅改性材料均化30min，得到所述的改性水泥基抗冲耐磨材料。

一种利用所述的改性水泥基抗冲耐磨材料制备混凝土的方法，包括如下步骤：将经计量的砂和石骨料混合均匀，投入水泥、粉煤灰（GB/T1596-2005所规定的Ⅱ级粉煤灰）和改性水泥基抗冲耐磨材料，搅拌均匀后，再投入拌合水和减水剂搅拌均匀。

所述的改性水泥基抗冲耐磨材料占水泥和粉煤灰总量的0.8%～1.5%。

所述的减水剂为聚羧酸减水剂。

改性水泥基抗冲耐磨材料在包括水利、交通、桥梁工程施工领域中的应用。

本发明的改性水泥基抗冲耐磨材料主要在不增加混凝土总量的条件下，通过物理化学双重增强效应调控混凝土微结构及主要水化产物相C-S-H的水化化学环境，达到提高混凝土强度及抗冲磨功能的效果。

本发明相对于现有技术具有如下优点和效果：

（1）本发明的改性水泥基抗冲耐磨材料以纳米极性硅改性材料及阴离子型活性剂为主要组分，兼具增强、增粘和耐磨等特点，以粉体形式存在易于运输和保存。

（2）本发明的改性水泥基抗冲耐磨材料通过晶核效应、密实堆聚效应、协同效应以及内养护增强等作用机制，调控混凝土内部水化化学环境，直接作用于混凝土基本单元：C-S-H纳米簇，使其生成具有高耐磨性能的HD C-S-H（高密度水化硅酸钙），在混凝土微/纳米尺度上调控混凝土内部微结构从本质上增加混凝土的密实程度，提高了混凝土的抗冲耐磨性能；其与其他外加剂相容性较好。

（3）本发明的改性水泥基抗冲耐磨材料广泛适用于具有抗冲耐磨性能要求的水利、交通、桥梁工程混凝土结构部位，表现为C35混凝土的抗冲磨强度可与C50混凝土的抗冲磨强度媲美，实现了绿色高性能化的混凝土耐久性设计目标。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

除非另有说明，本发明中所采用的百分数均为质量百分比。

实施例1

改性水泥基抗冲耐磨材料是由下列组分制成的：聚氧乙烯醚10%，阴离子型活性剂25%，载体35%，纳米极性硅改性材料30%。其中，聚氧乙烯醚质均分子量3500，阴离子性活性剂物质为十二烷基苯磺酸钠，载体为230目的丝光沸石，纳米极性硅改性材料为纳米级二氧化硅改性材料（比表面积S≥600m²/g）。

将所述质量百分比的聚氧乙烯醚和阴离子型活性剂倒入装有蒸馏水的反应釜中，加热至80℃后，将载体倒入，搅拌10min，冷却至30℃～40℃，干燥后加入所述质量百分比的纳米极性硅改性材料均化30min，得到改性水泥基抗冲耐磨材料。

实施例2

改性水泥基抗冲耐磨材料是由下列组分制成的：聚氧乙烯醚8%，阴离子型活性剂27%，载体30%，纳米极性硅改性材料35%。其中，聚氧乙烯醚质均分子量4000，阴离子型活性剂物质为烷基聚氧乙烯醚羧酸钠，载体为250目的斜发沸石，纳米极性硅改性材料为纳米级二氧化硅改性材料（比表面积S≥600m²/g），。

实施例3

改性水泥基抗冲耐磨材料是由下列组分制成的：聚氧乙烯醚5%，阴离子型活性剂25%，载体30%，纳米极性硅改性材料40%。其中，聚氧乙烯醚质均分子量4500，阴离子性活性剂物质为萘磺酸甲醛缩聚物，载体为280目的丝光沸石，纳米极性硅改性材料为纳米级二氧化硅改性材料（比表面积S≥600m²/g）。

实施例4～6

将实施例1～3制备的改性水泥基抗冲耐磨材料用于下述实施例中混凝土的制备，其中：将实施例1制备的改性水泥基抗冲耐磨材料用于实施例4中混凝土的制备，改性水泥基抗冲耐磨材料占水泥和粉煤灰总量的1.5%；将实施例2制备的改性水泥基抗冲耐磨材料用于实施例5中混凝土的制备，改性水泥基抗冲耐磨材料占水泥和粉煤灰总量的1.0%；将实施例3制备的改性水泥基抗冲耐磨材料用于实施例6中混凝土的制备，改性水泥基抗冲耐磨材料占水泥和粉煤灰总量的0.8%。

混凝土具体成型过程为：投入经计量的砂、石骨料，搅拌30s后投入水泥、粉煤灰（GB/T1596-2005所规定的Ⅱ级粉煤灰）和改性水泥基抗冲耐磨材料，一同搅拌55s（未掺改性水泥基抗冲耐磨材料的基准混凝土搅拌30s），然后投入拌合水和聚羧酸减水剂共同搅拌90s。

测定混凝土拌合物塌落度后，将其装模并测定对应龄期混凝土抗压强度、抗渗及抗冲磨性能，性能检测方法参考DL/T5150-2001《水工混凝土实验规程》，其中抗冲磨性能方法为风砂枪法，冲角为90°。试验混凝土具体配合比见表1，试验混凝土技术指标见表2。

表1试验混凝土配合比

表2试验混凝土技术指标

以上结果说明，与基准混凝土对比，28d龄期的掺改性水泥基抗冲耐磨材料混凝土28d抗冲磨能力提高了51～77%。掺改性水泥基抗冲耐磨材料能有效改善混凝土的工作性能，与基准混凝土对比，塌落度增加率为7～15%。对强度而言，掺改性水泥基抗冲耐磨材料有效提高了混凝土7d、28d的抗压强度，提高率分别为11～21%、11～16%。对抗渗性能而言，基准混凝土的抗渗等级为W10，而掺有改性水泥基抗冲耐磨材料的混凝土抗渗等级均达W16。

以上结果均表明改性水泥基抗冲耐磨材料能提高混凝土的抗冲磨性能，同时兼具改善混凝粘聚性能、抗压强度及抗渗性能的特征，能显著提高混凝土的耐久性，延长其在冲磨环境中的服役时间，提高混凝土在水利、交通、桥梁工程建筑的安全性、降低维护成本。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种改性水泥基抗冲耐磨材料，其特征在于：包含有如下质量百分比的组分：聚氧乙烯醚5～10％，阴离子型活性剂20～30％，载体30～40％，纳米极性硅改性材料30～40％；所述的改性水泥基抗冲耐磨材料，其制备方法包括如下步骤：将所述质量百分比的聚氧乙烯醚、阴离子型活性剂倒入装有蒸馏水的反应釜中，加热至80℃后，将所述质量百分比的载体倒入，搅拌均匀，冷却至30℃～40℃，干燥后加入所述质量百分比的纳米极性硅改性材料均化30min，得到改性水泥基抗冲耐磨材料。

2.根据权利要求1所述的改性水泥基抗冲耐磨材料，其特征在于：所述的聚氧乙烯醚，其质均分子量为3500～4500；所述的阴离子型活性剂为烷基聚氧乙烯醚羧酸钠、十二烷基苯磺酸钠或萘磺酸甲醛缩聚物；所述的载体为细度230～280目的丝光沸石或斜发沸石；所述的纳米极性硅改性材料为纳米级二氧化硅改性材料，其比表面积S≥600m²/g。

3.一种利用权利要求1或2所述的改性水泥基抗冲耐磨材料制备混凝土的方法，其特征在于：将经计量的砂和石骨料混合均匀，投入水泥、粉煤灰和改性水泥基抗冲耐磨材料，搅拌均匀后，再投入拌合水和减水剂搅拌均匀。

4.根据权利要求3所述的制备混凝土的方法，其特征在于：所述的改性水泥基抗冲耐磨材料占水泥和粉煤灰总量的0.8％～1.5％。

5.根据权利要求3所述的制备混凝土的方法，其特征在于：所述的减水剂为聚羧酸减水剂。

6.权利要求1或2所述的改性水泥基抗冲耐磨材料在包括水利、交通、桥梁工程施工领域中的应用。