CN105801040A - 耐磨、抗爆、防辐射混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨、抗爆、防辐射混凝土及其制备方法，其中每立方米的混凝土由如下原料组成：水泥600-1600kg，细骨料400-1400kg，高强掺合料30-560kg，功能性骨料250-1800kg，高抗拉强度纤维3-500kg，有机纤维0.4-45kg，减水剂(固含量)0.6-43.2kg，消泡剂0.06-43kg，膨胀剂6-129kg，水100-430kg。本发明的混凝土同时具有高耐磨、抗瞬间高温爆裂、高抗爆、高韧性及防辐射性能。

Description

耐磨、抗爆、防辐射混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种耐磨、抗爆、防辐射混凝土及其制备方法。

背景技术

钻地弹在战争中起着决定性的作用，其依靠超高的射速和快速的旋转钻入混凝土层发生爆炸而使混凝土建筑遭到破坏，同时释放出大量放射性沉降物。这就使防御这种钻地弹等侵彻武器进攻的军事国防设施需同时具有耐磨、抗高温爆裂、抗爆、高韧性、防辐射功能，而具有这些性能的防御设施至今仍没有研究。其次，这种多功能混凝土在日常生活中也有相当的市场，道路、各种机器厂房、停车场、仓库等对地面均提出了高耐磨的要求；易爆固体、液体、气体的隐患不容小觑对设施提出抗爆、抗冲击等功能；教育、科研、医疗等设施防辐射性能的高度要求。致密结构的高强、高性能混凝土，在火灾或高温下由于温度梯度、内外约束、水泥浆体同骨料热膨胀的不匹配以及温度敏感性等原因会引起材料热开裂，发生爆裂性破坏现象等等难以克服。现有技术虽然采用各种方法增强耐磨性或抗爆性，但现有技术均只能改善混凝土的单一性能，与实际钻地弹侵彻相符合的高速旋转下耐磨、瞬间高温下抗爆裂、高抗爆、防辐射有所不同，同时集几种性能为一体的超高强混凝土研究尚未开展。面对现在国际高端武器的威胁和日常工业与民用设施的需求，集耐磨、抗高温爆裂、抗爆、高韧性、防辐射于一体的超高强混凝土的研究是一种迫切需要的新型多功能混凝土技术。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种耐磨、抗爆、防辐射混凝土及其制备方法，主要目的是提供一种同时具有高耐磨、抗瞬间高温爆裂、高抗爆、高韧性、防辐射的混凝土。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种耐磨、抗爆、防辐射混凝土，每立方米的混凝土由如下原料组成：

水泥600-1600kg，细骨料400-1400kg，高强掺合料30-560kg，功能性骨料250-1800kg，高抗拉强度纤维3-500kg，有机纤维0.4-45kg，减水剂(固含量)0.6-43.2kg，消泡剂0.06-43kg，膨胀剂6-129kg，水100-430kg。作为优选，所述水泥中C₃S质量百分比为40-75％，C₂S质量百分比为9.5-40.0％；所述水泥45μm筛残余小于8.0％，所述水泥比表面积为250-480m²/kg。所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硫酸盐水泥、高炉水泥和粉煤灰水泥中的一种或至少两种混合。所述水泥优选硅酸盐水泥，其次为普通硅酸盐水泥。

作为优选，所述细骨料的粒径在1mm以下，0.3mm以下的质量百分比为40-85％。所述细骨料为石英砂、河砂、海砂、石灰石骨料、高炉矿渣细骨料、铜矿渣细骨料和电气炉酸化矿渣细骨料中的一种至少两种的混合。所述细骨料优选为石英砂、河砂。

作为优选，所述高强掺合料由如下组分组成：活性SiO₂质量百分比为48-77％，CaO质量百分比为0.1-40％，SO₃质量百分比为0.4-28％，Al₂O₃质量百分比为0.2-7％。所述高强掺合料的平均粒径为0.05-2.0μm，高强掺合料为水泥质量的5-35％。

作为优选，所述功能性骨料的粒径大于0.015mm，细度模数为1.6-3.2。所述功能性骨料为低活化灰岩、硬硼钙石、石灰石、磁铁矿、重晶石、赤铁矿石、蛇纹石等中的一种或至少两种的混合。

作为优选，所述高抗拉强度纤维的抗拉强度为100-10000MPa，密度为1-10g/cm³，直径为0.05-1.2mm，长度3-60mm，长径比为40-250；所述高抗拉强度纤维的体积掺量为混凝土体积的0.3-5.0％。所述高抗拉强度纤维可以为金属纤维、碳素纤维和人造纤维中的至少一种。

作为优选，所述有机纤维的纤度为1.0-20dtex，长度3-30mm，长径比为200-900，密度0.8-1.5g/cm³；所述有机纤维的体积掺量为混凝土体积的0.05-3％。

作为优选，所述减水剂为木质素减水剂、萘系高效减水剂、氨基磺酸盐高效减水剂或聚羧酸高性能减水剂中的一种或至少两种的混合。减水剂(固含量)质量为水泥和高强掺合料质量和的0.1-2.0％。所述减水剂优选聚羧酸高性能减水剂。

作为优选，所述消泡剂为非离子表面活性剂、有机硅消泡剂和聚合物消泡剂中的一种或至少两种的混合；所述消泡剂用量为水泥和高强掺合料质量和的0.01-2％。

作为优选，所述膨胀剂为金属粉末类、硫铝酸钙CSA类及氧化钙类石膏中的一种或至少两种的混合。所述膨胀剂优选硫铝酸钙CSA类膨胀剂。

一方面，本发明实施例提供了一种耐磨、抗爆、防辐射混凝土的制备方法，包括如下步骤：

材料准确称量；

除液体和纤维外的其他原材料混合搅拌均匀；

加入液体继续搅拌至均匀；

再加入纤维，继续搅拌至均匀；

振动成型或浇注成型，搅拌好的料浆做成混凝土预制品，或者直接进行现场浇筑施工；预制品经常温养护后脱模，然后进行水中养护或者自然养护；现场浇筑施工采用在不淋水的情况下覆盖养护24小时后淋水或覆盖湿麻袋养护。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明实施例的耐磨、抗爆、防辐射混凝土。该材料是工业与民用设施、军事国防设施防御用的多功能混凝土。实验证明，该材料不仅保证混凝土的超高抗压、高耐磨、抗瞬间高温爆裂、高抗爆性、高韧性、防辐射，而且还具有高耐久性、长使用寿命、高品质化、自收缩小等特点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

实施列1

耐磨、抗爆、防辐射混凝土，具体组分及配比如下：硅酸盐水泥(冀东盾石52.5R水泥，比表面积448m²/kg，表观密度3.15g/cm³)888kg/m³，高强掺合料(活性SiO₂质量比为68％、CaO质量比为20％、SO₃质量比为7％、Al₂O₃质量比为2％)224kg/m³，细骨料硅砂(表观密度2.87g/cm³)679kg/m³，功能性骨料硬硼钙石(细度模数2.2，含泥量为0.6％)395kg/m³，固含量为22％的聚羧酸高性能减水剂39.48kg/m³，非离子表面活性剂型消泡剂2.5kg/m³，氧化钙类膨胀剂为46kg/m³，钢纤维(平直形镀铜钢纤维，抗拉强度达2850MPa，长径比81，密度7.85g/cm³)体积掺量2.0％，有机纤维(聚丙烯纤维，密度0.91g/cm³，长径比450，束状单丝，断裂伸长率37.8％)体积掺量0.3％，水188kg/m³。

将除液体原料和纤维原料(包括有机纤维和高抗拉强度纤维)外的其他原材料加入搅拌机搅拌均匀；然后加入液体原料继续搅拌10分钟至均匀；再向搅拌机内加纤维原料，继续搅拌3分钟左右至均匀；振动成型成型，自加水搅拌起，24小时脱模，20℃水养。

对比例1

对比例1的组分及含量见下表1。表1为实施例1与对比例1的组分对照表。

表1

对本发明实施例1的耐磨、抗爆、防辐射混凝土及对比例1的相关性能进行测试。按照GB/T17671-1999(ISO679：1989)《水泥胶砂强度检验方法》中的检测方法对强度性能进行检测，冲击性能和弯曲韧性指数按照《纤维混凝土试验方法标准》CECS13-2009进行检测，耐磨性能采用高速旋转耐磨方法，抗爆裂性能采取抗瞬间高温爆裂性能检测方法。检测结果见下

表2

通过表2可以看出，本发明实施例的耐磨、抗高温爆裂、高抗爆、高韧性、防辐射的耐磨、抗爆、防辐射混凝土具有良好的防辐射性能。

实施例2

耐磨、抗爆、防辐射混凝土，具体组分及配比如下：普通硅酸盐水泥(比表面积385m²/kg，表观密度3.14g/cm³)796kg/m³，高强掺合料(活性SiO₂质量比为73％、CaO质量比为10％、SO₃质量比为14％、Al₂O₃质量比为1.6％)281kg/m³，细骨料河砂(表观密度2.72g/cm³)697kg/m³，功能性骨料蛇纹石(细度模数2.5，含泥量为0.4％)677kg/m³，固含量为25％的聚羧酸高性能减水剂32.8kg/m³，聚合物消泡剂4.3kg/m³，硫铝酸钙CSA类膨胀剂为35kg/m³，碳素纤维(抗拉强度达5500MPa，长径比66，密度1.8g/cm³)体积掺量2.5％，有机纤维(聚丙烯纤维，密度0.90g/cm³，长径比655)体积掺量0.5％，水179kg/m³。

制备方法同实施例1。

对比例2

对比例2的组分及含量见下表3。表3为实施例2与对比例2的组分对照表。

表3

对本发明实施例2的耐磨、抗爆、防辐射混凝土及对比例2的相关性能进行测试。按照GB/T17671-1999(ISO679：1989)《水泥胶砂强度检验方法》中的检测方法对强度性能进行检测，冲击性能和弯曲韧性指数按照《纤维混凝土试验方法标准》CECS13-2009进行检测，耐磨性能采用高速旋转耐磨方法，抗爆裂性能采取抗瞬间高温爆裂性能检测方法。检测结果见下表4。

表4

通过表4可以看出，本发明实施例的耐磨、抗高温爆裂、高抗爆、高韧性、防辐射的耐磨、抗爆、防辐射混凝土具有良好的抗高温爆裂性能。

实施例3

耐磨、抗爆、防辐射混凝土，具体组分及配比如下：硅酸盐水泥(比表面积428m²/kg，表观密度3.14g/cm³)1014kg/m³，高强掺合料(活性SiO₂质量比占61％、CaO占15％、SO₃占17％、Al₂O₃占1.3％)161kg/m³，铜矿渣细骨料(表观密度3.06g/cm³)811kg/m³，功能性骨料赤铁矿石(细度模数2.4，含泥量为0.8％)271kg/m³，固含量为20％的氨基磺酸盐高效减水剂58.2kg/m³，有机硅消泡剂10.5kg/m³，硫铝酸钙CSA类膨胀剂为53kg/m³，钢纤维(钢纤维，抗拉强度达3200MPa，长径比87，密度7.6g/cm³)体积掺量1.5％，有机纤维(聚丙烯纤维，密度0.88g/cm³，长径比686)体积掺量0.2％，水208kg/m³。

制备方法同实施例1。

对比例3

对比例3的组分及含量见下表5。表5为实施例3与对比例3的组分对照表。

表5

对本发明实施例3的耐磨、抗爆、防辐射混凝土及对比例3的相关性能进行测试。按照GB/T17671-1999(ISO679：1989)《水泥胶砂强度检验方法》中的检测方法对强度性能进行检测，冲击性能和弯曲韧性指数按照《纤维混凝土试验方法标准》CECS13-2009进行检测，耐磨性能采用高速旋转耐磨方法，抗爆裂性能采取抗瞬间高温爆裂性能检测方法。检测结果见下表6。

表6

通过表6可以看出，本发明实施例的耐磨、抗高温爆裂、高抗爆、高韧性、防辐射的耐磨、抗爆、防辐射混凝土具有良好的抗冲击性能。

本发明实施例的耐磨、抗高温爆裂、高抗爆、高韧性、防辐射的超高强混凝土，是在掺加有高耐磨骨料、细度骨料、高强掺合料、纤维等的基础上的多功能混凝土。采用低水胶比、高强掺合料、细骨料利于混凝土的密实均匀，再加上高耐磨骨料质地坚硬，表面粗糙，利于混凝土的高耐磨和高强度。加入有机纤维高温熔融形成管状空隙，从而使混凝土内部封闭的孔隙相互连通，增大水蒸气的通道，缓解了内部蒸汽压，使孔隙水蒸压力低于混凝土自身强度，阻止试件发生高温爆裂。高抗拉强度纤维掺入对混凝土的约束作用和桥接作用，使得试件在出现裂纹后，仍有一定的承载能力，缓解其脆性，增加抗冲击和抗爆性能。功能性骨料中含有轻元素氢、硼原子，有的含有原子的水，才能对快速中子有吸收作用而不产生二次射线。同时所研发混凝土具有高致密性，能较好的防御α、β、χ、γ，从而有效屏蔽核辐射,同时具有良好的耐磨性能。因此，耐磨、抗爆、防辐射混凝土具有高耐磨、抗瞬间高温爆裂、高抗爆、高韧性、防辐射等优点。

本发明实施例中采用的水泥成分中C₃S质量百分含量应在40％～75％之间，低于40％会导致混凝土后期强度低；C₃S高于75％，会增加水泥烧成难度及成本。水泥成分中C₂S质量百分含量应在9.5％～40％之间，低于9.5％会增加水泥烧成难度，C₂S高于40％不利于前期强度的发展。另外作为优选，水泥中C₃A质量百分含量应不高于2.7％，高于2.7％影响强度，并使耐久性能变差。细骨料的粒径在1mm以下，0.3mm以下的质量百分比为40-85％。细骨料粒径过大，会显著增加骨料与水泥浆之间的缺陷尺寸，不利于强度的发展。高强掺合料的用量应为水泥质量的5％～35％，优选10-25％，低于10％，强度增加的幅度有限；高于35％，水泥水化产物Ca(OH)₂不足以与高强掺合料中活性SiO₂充分反应，导致强度降低。功能性骨料应该同时具有良好的耐磨性能和防辐射性能。高抗拉强度纤维的体积掺量为混凝土体积的0.3-5.0％，优选1-3％。高抗拉强度纤维掺量过低，起不到增韧效果；过高，在混凝土内分散布均匀，不利于强度和韧性的发展。有机纤维的体积掺量为混凝土体积的0.05-3％，优选0.1-1.0％。有机纤维掺量过低，起不到抗高温爆裂性能，耐火性能差；过高，在混凝土内易结团，搅拌不均匀。减水剂(固含量)质量为水泥和高强掺合料质量和(即胶凝材料质量)的0.1-2.0％，优选0.3-1.0％。减水剂掺量过低，在低水胶比下，混凝土难以达到一定的流动性；过高，会引起缓凝作用。消泡剂的用量为胶凝材料(水泥和高强掺合料)质量的0.01-2％，优选0.03-1.0％。。消泡剂掺量过低，起不到消泡的作用；过高，混凝土稠度增加，对流动度不利。膨胀剂的单位用量为6-129kg/m³，最佳掺量为30-80kg/m³，膨胀剂掺量过低，起不到抑制混凝土收缩的作用；过高，造成混凝土后期膨胀。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.耐磨、抗爆、防辐射混凝土，其特征在于，每立方米的混凝土由如下原料组成：

水泥600-1600kg，细骨料400-1400kg，高强掺合料30-560kg，功能性骨料250-1800kg，高抗拉强度纤维3-500kg，有机纤维0.4-45kg，减水剂(固含量)0.6-43.2kg，消泡剂0.06-43kg，膨胀剂6-129kg，水100-430kg。

2.根据权利要求1所述的耐磨、抗爆、防辐射混凝土，其特征在于，所述水泥中C₃S质量百分比为40-75％，C₂S质量百分比为9.5-40.0％；所述水泥45μm筛残余小于8.0％，所述水泥比表面积为250-480m²/kg；所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硫酸盐水泥、高炉水泥和粉煤灰水泥中的一种或至少两种混合；优选硅酸盐水泥，其次为普通硅酸盐水泥。

3.根据权利要求1所述的耐磨、抗爆、防辐射混凝土，其特征在于，所述细骨料的粒径在1mm以下，其中0.3mm以下的质量百分比为40-85％；所述细骨料为石英砂、河砂、海砂、石灰石骨料、高炉矿渣细骨料、铜矿渣细骨料和电气炉酸化矿渣细骨料中的一种至少两种的混合。

4.根据权利要求1所述的耐磨、抗爆、防辐射混凝土，其特征在于，所述高强掺合料由如下组分组成：活性SiO₂质量百分比为48-77％，CaO质量百分比为0.1-40％，SO₃质量百分比为0.4-28％，Al₂O₃质量百分比为0.2-7％；所述高强掺合料的平均粒径为0.05-2.0μm，高强掺合料为水泥质量的5-35％。

5.根据权利要求1所述的耐磨、抗爆、防辐射混凝土，其特征在于，所述功能性骨料的粒径大于0.015mm，细度模数为1.6-3.2；所述功能性骨料为低活化灰岩、硬硼钙石、石灰石、磁铁矿、重晶石、赤铁矿石、蛇纹石等中的一种或至少两种的混合。

6.根据权利要求1所述的耐磨、抗爆、防辐射混凝土，其特征在于，所述高抗拉强度纤维的抗拉强度为100-10000MPa，密度为1-10g/cm³，直径为0.05-1.2mm，长度3-60mm，长径比为40-250；所述高抗拉强度纤维的体积掺量为混凝土体积的0.3-5.0％；所述高抗拉强度纤维可以为金属纤维、碳素纤维和人造纤维中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的耐磨、抗爆、防辐射混凝土，其特征在于，所述有机纤维的纤度为1.0-20dtex，长度3-30mm，长径比为200-900，密度0.8-1.5g/cm³；所述有机纤维的体积掺量为混凝土体积的0.05-3％。

8.根据权利要求1所述的耐磨、抗爆、防辐射混凝土，其特征在于，所述减水剂为木质素减水剂、萘系高效减水剂、氨基磺酸盐高效减水剂或聚羧酸高性能减水剂中的一种或至少两种的混合；所述减水剂固含量质量为水泥和高强掺合料质量和的0.1-2.0％。

9.根据权利要求1所述的耐磨、抗爆、防辐射混凝土，其特征在于，所述消泡剂为非离子表面活性剂、有机硅消泡剂和聚合物消泡剂中的一种或至少两种的混合；所述消泡剂用量为水泥和高强掺合料质量和的0.01-2％。

10.根据权利要求1所述的耐磨、抗爆、防辐射混凝土，其特征在于，所述膨胀剂为金属粉末类、硫铝酸钙CSA类及氧化钙类石膏中的一种或至少两种的混合。

11.权利要求1-10所述的耐磨、抗爆、防辐射混凝土的制备方法，包括如下步骤：

材料准确称量；

除液体和纤维外的其他原材料混合搅拌均匀；

加入液体继续搅拌至均匀；

再加入纤维，继续搅拌至均匀；

振动成型或浇注成型，搅拌好的料浆做成混凝土预制品，或者直接进行现场浇筑施工；预制品经常温养护后脱模，然后进行水中养护或者自然养护；现场浇筑施工采用在不淋水的情况下覆盖养护24小时后淋水或覆盖湿麻袋养护。