CN105884306B - 一种用于海水浸泡环境的水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于海水浸泡环境的水泥基复合材料及其制备方法，由火山灰基料、铝酸盐水泥、增强粉、环氧树脂、环氧树脂固化剂、速凝剂和添加剂组成，火山灰基料由单质硅粉、氧化铝微粉、石英砂、骨粉、金属粉、钠长石烧结后与火山灰混合粉磨而成，增强粉由煅烧高岭土、黏土、煤矸石、铝灰、赤泥、钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉烧结后粉磨而成，添加剂由淀粉、碳酸钠和羧甲基纤维素组成。在使用时，将该复合材料与砂石、水拌合形成混凝土进行施工，与现有的普通水泥混凝土相比，具有很高的强度和耐海水冲刷侵蚀性，能够大幅度提高堤坝的使用寿命。

Description

一种用于海水浸泡环境的水泥基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及到建筑材料领域的水泥混凝土，具体的说是一种用于海水浸泡环境的水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术
由于海水中含有大量的盐及携带泥沙，在自然条件下冲刷海岸线会对海岸线造成巨大的侵蚀作用。为了避免海浪对海岸线的侵蚀作用，需要在海岸线上浇筑防止海浪冲刷的堤坝。由于水泥混凝土具有高强度、耐冲刷侵蚀以及原料来源广泛等优点，这些堤坝往往采用普通的水泥与砂石混合形成混凝土砌筑而成，但是，由于海水本身的侵蚀作用非常大，会导致筑造堤坝的水泥混凝土耐候性能大幅度降低，随着时间的推移，混凝土堤坝的表面会产生凹坑、裂缝等缺陷，而且这些缺陷很难修复，海水会随着裂缝进入到混凝土堤坝内，随着自然条件的变化（主要是低温），会造成这些缺陷的扩大化，进而影响到整段堤坝的寿命。
发明内容
为解决现有的混凝土堤坝在海浪侵蚀下产生的凹坑、裂缝等缺陷会影响整段堤坝寿命的问题，本发明提供了一种用于海水浸泡环境的水泥基复合材料及其制备方法，在使用时，将该复合材料与砂石、水拌合形成混凝土进行施工，与现有的普通水泥混凝土相比，具有很高的强度和耐海水冲刷侵蚀性，能够大幅度提高堤坝的使用寿命。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于海水浸泡环境的水泥基复合材料，按照重量比，由30-40%的火山灰基料、45-50%的铝酸盐水泥、10-15%的增强粉、2-3%的环氧树脂、0.6-0.8%的环氧树脂固化剂、0.4-0.6%的速凝剂和1-1.6%的添加剂制成，按照重量比，所述火山灰基料由7-8份的单质硅粉、8-10份的氧化铝微粉、20-24份的石英砂、3-5份的骨粉、4-5份的金属粉、7-9份的钠长石烧结后与14-18份的火山灰混合粉磨而成，所述增强粉由15-17份的煅烧高岭土、4-6份的黏土、7-9份的煤矸石、8-10份的铝灰、3-5份的赤泥、0.8-1份的钼铁粉、0.8-1份的镍铁粉和0.8-1份的硅铁粉烧结后粉磨而成，所述添加剂由15-17份的淀粉、1-2份的碳酸钠和6-8份的羧甲基纤维素组成。
所述金属粉为铝粉、镍粉和铁粉按照重量比2:0.8:3的比例混合而成。
所述火山灰基料和增强粉的粒径不超过150微米。
上述用于海水浸泡环境的水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述的比例称取各物料，备用；
2）选取步骤1）称量好的淀粉、碳酸钠和羧甲基纤维素混合均匀后配制成添加剂，并将其与市售的环氧树脂固化剂、速凝剂分别装袋储存；
3）选取步骤1）称量好的单质硅粉、氧化铝微粉、石英砂、骨粉、金属粉和钠长石，首先将单质硅粉按照重量比分成1:3的两部分，然后将金属粉、石英砂和重量多的那部分单质硅粉混合均匀后置于1800℃的烧结炉内，待其完全熔融后将氧化铝微粉加入到其中并保持该温度2-3h，而后向烧结炉内鼓入二氧化碳气体降温，待炉内温度降低至1600℃时，将骨粉、钠长石和剩余的单质硅粉加入到熔融物中，在保持烧结炉内二氧化碳氛围的条件下将炉温升高到1800℃，并保持该温度1-2h，而后冷却、粉磨得到混合粉末，将该混合粉末与火山灰混合均匀，即得到火山灰基料；
4）选取步骤1）称量好的煅烧高岭土、黏土、煤矸石、铝灰和赤泥混合均匀送入烧结炉内，在1600℃的条件下烧结2-3h，然后向其中加入钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉，继续升温至1900℃，而后保持该温度3-5h，冷却后粉磨即得到增强粉；
5）将步骤3）得到的火山灰基料与步骤4）得到的增强粉混合，而后送入烧结炉，在1800℃的温度下烧结4-5h后降温冷却，然后将其与铝酸盐水泥和环氧树脂混合、粉磨后装袋，最后再将其与装有添加剂、市售的环氧树脂固化剂和速凝剂的袋子包装在一起即制得产品。
所述步骤5）中的降温冷却是指：先以0.5℃/min的降温速率降温至1700℃，而后再以100-200℃/min的降温速率急速冷却至室温。
所述步骤4）中的冷却是指以100-200℃/min的降温速率急速冷却至室温。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1）本发明的火山灰基料中含有的氧化铝、石英砂、钠长石和铝粉、镍粉、铁粉组成的金属粉，在1800℃高温下进行初次烧结，其中的钠长石分解产生的氧化铝以及原本加入的氧化铝、金属粉氧化产生的氧化铁、氧化镍与氧化硅产生SiO2- Fe2O3及类似SiO2与Fe2O3结合的玻璃相，从而大幅度提高了强度和密实度，增强了基料的抗热震性能和耐酸碱腐蚀性；之后，加入的单质硅粉在二氧化碳环境中烧结，仍保留单质形态，并在高温下与骨粉形成粘塑性相，弥散分布在材料中，提高材料的韧性，改善浇注料的抗热震性；最后，氧化铝与氧化硅反应生成针、柱状的莫来石晶体，从而进一步改善基料的强度；
2）本发明将火山灰基料与增强粉混合后再次进行烧结，未参与反应的氧化硅和石英砂熔融条件下，能改善熔融态体系中颗粒的紧密堆积，氧化铝微粉活性大，作为填充料粒度易于分散，大大提高其填充率，三种物料实现复合火山灰效应，对提高材料的抗压强度和抗侵蚀性能具有很强的作用；
3）本发明的增强粉中含有的煅烧高岭土、黏土、煤矸石、铝灰和赤泥在1600℃烧结，使得含有的氧化铁（赤泥中含有）、氧化铝（铝灰中含有）和氧化硅（煤矸石）反应，形成SiO2- Fe2O3及针、柱状的莫来石晶体，大幅度提高增强粉的强度和抗热震性能；而后，通过在其中加入钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉，由于烧结温度和烧结时间的原因，少部分钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉会弥散于还未彻底成型的SiO2- Fe2O3及针、柱状的莫来石结构中，从而进一步提高了强度，绝大部分的钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉仍保持其形态和性能融合于增强粉中，形成类似于金属陶瓷的结构和性能，大幅度提高其耐侵蚀性和强度；
4）本发明将火山灰基料与增强粉混合后再次进行烧结，可以使得以上两种不同的增强相有机结合，进一步提高上述增强相的含量，同时，采用烧结后急速冷却的方式，可以使物料中的增强相之间产生裂隙缺陷，从而在不破坏增强相的前提下易于粉碎；
5）环氧树脂及环氧树脂固化剂与水泥基非金属材料混合使用，增强了材料的防水性能，并保证很高的交联密度，可在室温和潮湿环境条件下固化，优于其他水聚合物；环氧树脂对金属和非金属表面具有优异的粘接强度，耐腐性、抗冻融性和抗渗透性好。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的阐述，各实施例中所用的物料组分，均为本领域常规原料。
实施例1
一种用于海水浸泡环境的水泥基复合材料，按照重量比，由30%的火山灰基料、50%的铝酸盐水泥、15%的增强粉、2%的环氧树脂、0.8%的环氧树脂固化剂、0.6%的速凝剂和1.6%的添加剂制成，按照重量比，所述火山灰基料由7份的单质硅粉、8份的氧化铝微粉、20份的石英砂、3份的骨粉、4份的金属粉、7份的钠长石烧结后与14份的火山灰混合粉磨而成，所述增强粉由15份的煅烧高岭土、4份的黏土、7份的煤矸石、8份的铝灰、3份的赤泥、0.8份的钼铁粉、1份的镍铁粉和0.9份的硅铁粉烧结后粉磨而成，所述添加剂由15份的淀粉、1份的碳酸钠和6份的羧甲基纤维素组成；所述金属粉为铝粉、镍粉和铁粉按照重量比2:0.8:3的比例混合而成。
上述用于海水浸泡环境的水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述的比例称取各物料，备用；
2）选取步骤1）称量好的淀粉、碳酸钠和羧甲基纤维素混合均匀后配制成添加剂，并将其与市售的环氧树脂固化剂、速凝剂分别装袋储存；
3）选取步骤1）称量好的单质硅粉、氧化铝微粉、石英砂、骨粉、金属粉和钠长石，首先将单质硅粉按照重量比分成1:3的两部分，然后将金属粉、石英砂和重量多的那部分单质硅粉混合均匀后置于1800℃的烧结炉内，待其完全熔融后将氧化铝微粉加入到其中并保持该温度2h，而后向烧结炉内鼓入二氧化碳气体降温，待炉内温度降低至1600℃时，将骨粉、钠长石和剩余的单质硅粉加入到熔融物中，在保持烧结炉内二氧化碳氛围的条件下将炉温升高到1800℃，并保持该温度1h，而后冷却、粉磨得到混合粉末，将该混合粉末与火山灰混合均匀，即得到火山灰基料；
4）选取步骤1）称量好的煅烧高岭土、黏土、煤矸石、铝灰和赤泥混合均匀送入烧结炉内，在1600℃的条件下烧结2h，然后向其中加入钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉，继续升温至1900℃，而后保持该温度3h，冷却后粉磨即得到增强粉；
5）将步骤3）得到的火山灰基料与步骤4）得到的增强粉混合，而后送入烧结炉，在1800℃的温度下烧结4h后降温冷却，然后将其与铝酸盐水泥和环氧树脂混合、粉磨后装袋，然后将其与装有添加剂、市售的环氧树脂固化剂和速凝剂的袋子包装在一起即制得产品。
以上为本实施例的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的限定：
如，所述火山灰基料和增强粉的粒径不超过150微米；
又如，所述步骤5）中的降温冷却是指：先以0.5℃/min的降温速率降温至1700℃，而后再以100℃/min的降温速率急速冷却至室温；
再如，所述步骤4）中的冷却是指以100℃/min的降温速率急速冷却至室温。
实施例2
一种用于海水浸泡环境的水泥基复合材料，按照重量比，由40%的火山灰基料、45%的铝酸盐水泥、10%的增强粉、3%的环氧树脂、0.6%的环氧树脂固化剂、0.4%的速凝剂和1%的添加剂制成，按照重量比，所述火山灰基料由8份的单质硅粉、10份的氧化铝微粉、24份的石英砂、5份的骨粉、5份的金属粉、9份的钠长石烧结后与18份的火山灰混合粉磨而成，所述增强粉由17份的煅烧高岭土、6份的黏土、9份的煤矸石、10份的铝灰、5份的赤泥、0.9份的钼铁粉、0.8份的镍铁粉和1份的硅铁粉烧结后粉磨而成，所述添加剂由17份的淀粉、2份的碳酸钠和8份的羧甲基纤维素组成；所述金属粉为铝粉、镍粉和铁粉按照重量比2:0.8:3的比例混合而成。
上述用于海水浸泡环境的水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述的比例称取各物料，备用；
2）选取步骤1）称量好的淀粉、碳酸钠和羧甲基纤维素混合均匀后配制成添加剂，并将其与市售的环氧树脂固化剂、速凝剂分别装袋储存；
3）选取步骤1）称量好的单质硅粉、氧化铝微粉、石英砂、骨粉、金属粉和钠长石，首先将单质硅粉按照重量比分成1:3的两部分，然后将金属粉、石英砂和重量多的那部分单质硅粉混合均匀后置于1800℃的烧结炉内，待其完全熔融后将氧化铝微粉加入到其中并保持该温度3h，而后向烧结炉内鼓入二氧化碳气体降温，待炉内温度降低至1600℃时，将骨粉、钠长石和剩余的单质硅粉加入到熔融物中，在保持烧结炉内二氧化碳氛围的条件下将炉温升高到1800℃，并保持该温度2h，而后冷却、粉磨得到混合粉末，将该混合粉末与火山灰混合均匀，即得到火山灰基料；
4）选取步骤1）称量好的煅烧高岭土、黏土、煤矸石、铝灰和赤泥混合均匀送入烧结炉内，在1600℃的条件下烧结3h，然后向其中加入钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉，继续升温至1900℃，而后保持该温度5h，冷却后粉磨即得到增强粉；
5）将步骤3）得到的火山灰基料与步骤4）得到的增强粉混合，而后送入烧结炉，在1800℃的温度下烧结5h后降温冷却，然后将其与铝酸盐水泥和环氧树脂混合、粉磨后装袋，然后将其与装有添加剂、市售的环氧树脂固化剂和速凝剂的袋子包装在一起即制得产品。
以上为本实施例的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的限定：
如，所述火山灰基料和增强粉的粒径不超过150微米；
又如，所述步骤5）中的降温冷却是指：先以0.5℃/min的降温速率降温至1700℃，而后再以200℃/min的降温速率急速冷却至室温；
再如，所述步骤4）中的冷却是指以200℃/min的降温速率急速冷却至室温。
实施例3
一种用于海水浸泡环境的水泥基复合材料，按照重量比，由35%的火山灰基料、47.5%的铝酸盐水泥、12.5%的增强粉、2.5%的环氧树脂、0.7%的环氧树脂固化剂、0.5%的速凝剂和1.3%的添加剂制成，按照重量比，所述火山灰基料由7.5份的单质硅粉、9份的氧化铝微粉、22份的石英砂、4份的骨粉、4.5份的金属粉、8份的钠长石烧结后与16份的火山灰混合粉磨而成，所述增强粉由16份的煅烧高岭土、5份的黏土、8份的煤矸石、9份的铝灰、4份的赤泥、1份的钼铁粉、0.9份的镍铁粉和0.8份的硅铁粉烧结后粉磨而成，所述添加剂由16份的淀粉、1.5份的碳酸钠和7份的羧甲基纤维素组成；所述金属粉为铝粉、镍粉和铁粉按照重量比2:0.8:3的比例混合而成。
上述用于海水浸泡环境的水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述的比例称取各物料，备用；
2）选取步骤1）称量好的淀粉、碳酸钠和羧甲基纤维素混合均匀后配制成添加剂，并将其与市售的环氧树脂固化剂、速凝剂分别装袋储存；
3）选取步骤1）称量好的单质硅粉、氧化铝微粉、石英砂、骨粉、金属粉和钠长石，首先将单质硅粉按照重量比分成1:3的两部分，然后将金属粉、石英砂和重量多的那部分单质硅粉混合均匀后置于1800℃的烧结炉内，待其完全熔融后将氧化铝微粉加入到其中并保持该温度2.5h，而后向烧结炉内鼓入二氧化碳气体降温，待炉内温度降低至1600℃时，将骨粉、钠长石和剩余的单质硅粉加入到熔融物中，在保持烧结炉内二氧化碳氛围的条件下将炉温升高到1800℃，并保持该温度1.5h，而后冷却、粉磨得到混合粉末，将该混合粉末与火山灰混合均匀，即得到火山灰基料；
4）选取步骤1）称量好的煅烧高岭土、黏土、煤矸石、铝灰和赤泥混合均匀送入烧结炉内，在1600℃的条件下烧结2.5h，然后向其中加入钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉，继续升温至1900℃，而后保持该温度4h，冷却后粉磨即得到增强粉；
5）将步骤3）得到的火山灰基料与步骤4）得到的增强粉混合，而后送入烧结炉，在1800℃的温度下烧结4.5h后降温冷却，然后将其与铝酸盐水泥和环氧树脂混合、粉磨后装袋，然后将其与装有添加剂、市售的环氧树脂固化剂和速凝剂的袋子包装在一起即制得产品。
以上为本实施例的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的限定：
如，所述火山灰基料和增强粉的粒径不超过150微米；
又如，所述步骤5）中的降温冷却是指：先以0.5℃/min的降温速率降温至1700℃，而后再以150℃/min的降温速率急速冷却至室温；
再如，所述步骤4）中的冷却是指以150℃/min的降温速率急速冷却至室温。
对比实验
将本发明的水泥基复合材料与市售的普通水泥材料分别在相同的条件下与砂石拌合形成混凝土1和混凝土2，然后分别浇筑成厚度2cm的混凝土薄片组装到两个旋流器内形成内衬，向旋流器内通入相同条件的含有一定量泥沙的水，以模拟海水对混凝土的冲刷，通过观察两个旋流器内混凝土薄片组成内衬的使用情况，来判定两者的抗冲刷和侵蚀性能。
实验结果：
第2天，两者均无任何损坏情况，实验人员加快水流速度，第4天发现，普通水泥材料制成的混凝土内衬表面开始出现明显的冲刷痕迹，第7天即出现非常明显的凹坑；而用本发明的材料制成的混凝土内衬表面直至第6天才开始出现划痕，而直到第11天才出现大面积的凹坑；
以上结果表明，本发明的水泥基复合材料具有远高于现有水泥基材料的强度和耐冲刷性能，从而能够很好地满足海水的冲刷侵蚀环境，可以大幅度提高所修筑建筑物的使用寿命。
除了以上方案之外，为了进一步增强本发明的水泥基复合材料的性能，可以在添加剂中额外再加入18-20份的聚丙烯晴纤维或芳纶纤维，聚丙烯晴纤维或芳纶纤维具有高强度、高模量、耐光、耐高温、耐磨、耐酸碱腐蚀、抗疲劳、抗蠕变的优异性能，其强度是钢纤维的5-6倍，模量是钢纤维的2-3倍，韧性是钢纤维的2倍，聚丙烯晴纤维或芳纶纤维大大的减少了材料中毛细孔的尺度和连通毛细孔的数量，有效地提高了材料的耐久性、抗渗性和抗冻融性。
当然，除此之外，也可以在添加剂中再加入1-2份的熟石膏、1-2份的膨润土和3-4份的蛇纹石细粉，蛇纹石细粉的粒径不超过0.074mm；
更进一步的，添加剂中还可以再加入4-5份的铁矿废渣、2-3份的铬铁矿粉和3-4份的钛铁矿粉，从而更进一步提高本发明水泥基复合材料的强度和耐候性，且铁矿废渣、铬铁矿粉和钛铁矿粉的细度不超过0.074mm。

Claims (5)

1.一种用于海水浸泡环境的水泥基复合材料，其特征在于：按照重量比，由30-40%的火山灰基料、45-50%的铝酸盐水泥、10-15%的增强粉、2-3%的环氧树脂、0.6-0.8%的环氧树脂固化剂、0.4-0.6%的速凝剂和1-1.6%的添加剂制成，按照重量比，所述火山灰基料由7-8份的单质硅粉、8-10份的氧化铝微粉、20-24份的石英砂、3-5份的骨粉、4-5份的金属粉、7-9份的钠长石烧结后与14-18份的火山灰混合粉磨而成，所述增强粉由15-17份的煅烧高岭土、4-6份的黏土、7-9份的煤矸石、8-10份的铝灰、3-5份的赤泥、0.8-1份的钼铁粉、0.8-1份的镍铁粉和0.8-1份的硅铁粉烧结后粉磨而成，所述添加剂由15-17份的淀粉、1-2份的碳酸钠和6-8份的羧甲基纤维素组成；
上述用于海水浸泡环境的水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述的比例称取各物料，备用；
2）选取步骤1）称量好的淀粉、碳酸钠和羧甲基纤维素混合均匀后配制成添加剂，并将其与市售的环氧树脂固化剂、速凝剂分别装袋储存；
3）选取步骤1）称量好的单质硅粉、氧化铝微粉、石英砂、骨粉、金属粉和钠长石，首先将单质硅粉按照重量比分成1:3的两部分，然后将金属粉、石英砂和重量多的那部分单质硅粉混合均匀后置于1800℃的烧结炉内，待其完全熔融后将氧化铝微粉加入到其中并保持该温度2-3h，而后向烧结炉内鼓入二氧化碳气体降温，待炉内温度降低至1600℃时，将骨粉、钠长石和剩余的单质硅粉加入到熔融物中，在保持烧结炉内二氧化碳氛围的条件下将炉温升高到1800℃，并保持该温度1-2h，而后冷却、粉磨得到混合粉末，将该混合粉末与火山灰混合均匀，即得到火山灰基料；
4）选取步骤1）称量好的煅烧高岭土、黏土、煤矸石、铝灰和赤泥混合均匀送入烧结炉内，在1600℃的条件下烧结2-3h，然后向其中加入钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉，继续升温至1900℃，而后保持该温度3-5h，冷却后粉磨即得到增强粉；
5）将步骤3）得到的火山灰基料与步骤4）得到的增强粉混合，而后送入烧结炉，在1800℃的温度下烧结4-5h后降温冷却，然后将其与铝酸盐水泥和环氧树脂混合、粉磨后装袋，最后再将其与装有添加剂、市售的环氧树脂固化剂和速凝剂的袋子包装在一起即制得产品。
2.根据权利要求1所述的一种用于海水浸泡环境的水泥基复合材料，其特征在于：所述金属粉为铝粉、镍粉和铁粉按照重量比2:0.8:3的比例混合而成。
3.根据权利要求1所述的一种用于海水浸泡环境的水泥基复合材料，其特征在于：所述火山灰基料和增强粉的粒径不超过150微米。
4.根据权利要求1所述的一种用于海水浸泡环境的水泥基复合材料，其特征在于：所述步骤5）中的降温冷却是指：先以0.5℃/min的降温速率降温至1700℃，而后再以100-200℃/min的降温速率急速冷却至室温。
5.根据权利要求1所述的一种用于海水浸泡环境的水泥基复合材料，其特征在于：所述步骤4）中的冷却是指以100-200℃/min的降温速率急速冷却至室温。
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