CN106186965A - 一种水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水工建筑耐冲磨的无机高性能复合材料，包括如下重量份原料：胶凝粉料450～1000份；掺和料200～400份；复合细骨料1000～1500份；减水剂20～40份；橡胶轮胎粉：20～50份；自养护剂4～8份；水125～170份；无机纤维15～60份；金属纤维60～200份。本发明具有超高强度与韧性，超高的耐磨性能、抗冲击冲刷性能、耐久性好，耐酸碱盐腐蚀、全寿命周期长，流动性能好，易于泵送及浇注，适合水工大坝工程中建设用结构材料。

Description

一种水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料。

背景技术

含沙高速水流对水工建筑物过流面混凝土的冲刷磨损和空蚀破坏，是水工泄流建筑物如溢流坝、泄洪洞(槽)、泄水闸等常见的病害。尤其是当流速较高且水流中又夹带着悬移质和推移质时，建筑物遭受的冲磨腐蚀就更为严重。

我国是个多沙河流的国家，在众多河流中，年平均输沙量在1000万t以上的河流有42条，年最大输沙量超过1000万t的河流有60余条。黄河更是世界上罕见的多沙河流，多年平均年输沙量大16.4亿t。据调查，我国已建大型水电站发现有磨蚀破坏的约占68％，尤其是黄河干流上的几座大型水电站和西南地区水电工程的泄水建筑物，或由于水流中泥沙和推移质含量大，或由于水流速度高，其磨蚀问题更为突出，有的甚至危及工程安全。因此，如何进一步提高大坝的抗磨蚀性能，是一个急需解决的问题。

一般水工大坝采用抗冲磨材料按胶凝材料主要分为有机胶凝类和无机胶凝类。有机胶凝类主要有高分子聚合物的聚合物胶结混凝土、呋喃混凝土、环氧树脂混凝土等。无机胶凝类主要有纤维混凝土、粉煤灰混凝土等，也有使用铸石板、条石、钢板等。

环氧树脂等有机胶凝类混凝土虽然有很高的抗冲磨能力，但材料成本高，固化剂有一定的毒性，同时与基底混凝土的线膨胀系数不一致，在自然条件下会逐渐老化、开裂、脱空。如申请号为201210453370.1专利名称《一种大坝混凝土表面抗泄水冲磨涂料及其涂刷方法》提供一种大坝混凝土表面抗冲磨涂料及其涂刷方法，所述涂料由混凝土表面向外由底层、中层和面层三层涂料组成，其中所述底层涂料为1～3mm的环氧胶泥，所述中层涂料为0.1～0.5mm的低粘度环氧树脂胶粘剂，所述面层涂料为0.3～0.5mm的纳米材料改性的聚天门冬氨酸酯聚脲；所述低粘度环氧树脂胶粘剂粘度为50～200mPa.s。该专利采用环氧树脂，能够一定程度上起到抗冲磨的作用，但是成本高、有毒性，且持久性弱。

而其他抗冲磨材料钢材具有良好的抗冲击韧性，但很难牢固地锚固于混凝土中，而且造价较高，耐久性不好，抗腐蚀能力低；铸石板或花岗岩抗高速悬移质泥沙冲磨能力较好，但材料脆性，抗冲击强度低，极易被击碎、折断，只是韧性差，开采加工难，施工费时费力，消耗资源大。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，该材料有极高的力学性能和耐久性，具有优异的抗冻性、抗渗性、抗腐蚀性、抗氯离子侵蚀性和抗冲击。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，包括如下重量份原料：

胶凝粉料450～1000份；

掺和料200～400份；

复合细骨料1000～1500份；

橡胶轮胎粉20～50份；

减水剂20～40份；

自养护剂4～8份；

水125～170份；

无机纤维15～60份；

金属纤维60～200份。

本发明通过不同组分的胶凝材料和掺和料通过提高组分的细度与活性，减少界面破坏效应，骨料不使用粗骨料，调配不同种类细骨料形成主体耐冲刷磨耗性能，通过纤维组合提高结构材料的韧性及耐冲击性能，整体结构颗粒级配的堆积及低水胶比状态，使材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)减到最少，提高高耐久性及耐酸碱盐等性能。整体配方中掺合料中硅粉、硅微粉及陶瓷微粉是核心贡献，耐磨性能指标，金属纤维解决结构受水利或外力抗冲击性能，无机纤维为过渡结构，解决抗抗冲、磨两方面性能，骨料中颗粒主要是铝矾土和石英砂作为抗磨耗最好性能，金刚砂也可以提高耐冲磨性能。

优选地，所述水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，包括如下重量份原料：

胶凝粉料650～800份；

掺和料250～350份；

复合细骨料1200～1300份；

橡胶轮胎粉30～40份；

减水剂25～35份；

自养护剂5～7份；

水145～150份；

无机纤维25～50份；

金属纤维100～160份。

更优选地，所述水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，包括如下重量份原料：

胶凝粉料725份；

掺和料300份；

复合细骨料1250份；

减水剂30份；

自养护剂6份；

水150份；

无机纤维38份；

金属纤维130份。

进一步地，所述胶凝粉料为普通硅酸盐水泥，强度等级不低于42.5兆帕。

所述掺合料组成成份由以下一种或几种成分组成：

85等级硅粉30～90％；

95等级矿粉0～50％；

二级及以上粉煤灰0～30％；

800目以上的硅微粉0～30％；

500～1200目的陶瓷微粉10～30％；

更进一步地，所述掺合料的活性指数大于80％，细度大于500目，二氧化硅含量大于70％。

所述复合细骨料由如下其中的两种及以上材料组成：

4.75mm以下河沙；2.35mm以下石英砂；4.75mm以下铝矾土及1.63以下金刚砂，所述组成比例为河沙：石英砂：铝矾土：金刚砂＝10～60％：10～50％：10～50％：0～20％。

所述橡胶轮胎粉颗粒直径为0.16～1mm直径橡胶颗粒粉；所述自养护剂为吸水树脂中的一种或两种制成；所述无机纤维为玄武岩纤维、碳纤维中一种或两种混合纤维；所述金属纤维为直径为0.1～0.30毫米、长径比范围为60～150的钢纤维；所述减水剂的减水率不低于20％；所述水为一般工业用自来水。

所述水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，包括如下制备步骤：

S1：按配比将复合细骨料与金属纤维进行混合搅拌1～2分钟，加1/4左右用水再次进行搅拌1～2分钟；

S2：再次将胶凝材料、掺合料加入混合2～5分钟搅拌至均匀；

S3：按配比向步骤S2中的混合物中加入减水剂、自养护剂和总量2/4用水，搅拌至均匀；

S4：按配比向步骤S3中的混合物中加入无机纤维和轮胎橡胶粉及余下1/4水，搅拌得均匀浆体，所述均匀浆体即为耐冲磨无机高性能纤维复合材料；

S5：按配比向步骤S4中得到均与浆体现场浇筑与制作成预制件件后进行覆膜保湿养护3天即可，后续无需再保养淋水。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

与传统混凝土相比，本发明表现出明显致密的微观结构，也因此有极高的力学性能和耐久性。该材料具有优异的抗冻性、抗渗性、抗腐蚀性、抗氯离子侵蚀性和抗冲击，其突出的抗冲磨能力，能够适用于更广泛的水工建筑物建造要求。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作出进一步地详细阐述，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。

实施例1

一种水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，包括如下重量份原料：

强度等级不低于42.5兆的帕普通硅酸盐水泥450份；

掺和料200份；

复合细骨料1000份；

橡胶轮胎粉20份；

减水剂20份；

自养护剂4份；

水120份；

无机纤维15份；

金属纤维60份。

所述掺合料组成成份由以下一种或几种成分组成：

85等级硅粉30％；

95等级矿粉20％；

二级及以上粉煤灰20％；

800目以上的硅微粉20％；

500～1200目的陶瓷微粉10％；

进一步地，所述掺合料的活性指数大于80％，细度大于500目，二氧化硅含量大于70％。

所述复合细骨料由如下材料组成：4.75mm以下河沙：2.35mm以下石英砂：4.75mm以下铝矾土：1.63以下金刚砂＝10～60％：10～50％：10～50％：0～20％。

所述橡胶轮胎粉颗粒直径为0.16～1mm直径橡胶颗粒粉；所述自养护剂为吸水树脂制成；所述无机纤维为玄武岩纤维；所述金属纤维为直径为0.1～0.30毫米、长径比范围为60～150的钢纤维；所述减水剂的减水率不低于20％；所述水为一般工业用自来水。

所述水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，包括如下制备步骤：

S1：按配比将复合细骨料与金属纤维进行混合搅拌1分钟，加1/4左右用水再次进行搅拌1分钟；

S2：再次将胶凝材料、掺合料加入混合2分钟搅拌至均匀；

S3：按配比向步骤S2中的混合物中加入减水剂、自养护剂和总量2/4用水，搅拌至均匀；

S4：按配比向步骤S3中的混合物中加入无机纤维和轮胎橡胶粉及余下1/4水，搅拌得均匀浆体，所述均匀浆体即为耐冲磨无机高性能纤维复合材料；

S5：按配比向步骤S4中得到均与浆体现场浇筑与制作成预制件件后进行覆膜保湿养护3天即可，后续无需再保养淋水。

实施例2

一种水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，包括如下重量份原料：

强度等级不低于42.5兆的帕普通硅酸盐水泥1000份；

掺和料400份；

复合细骨料1500份；

橡胶轮胎粉50份；

减水剂40份；

自养护剂8份；

水170份；

无机纤维60份；

金属纤维200份。

所述掺合料组成成份由以下一种或几种成分组成：

85等级硅粉90％；

500～1200目的陶瓷微粉10％；

进一步地，所述掺合料的活性指数大于80％，细度大于500目，二氧化硅含量大于70％。

所述复合细骨料由如下材料组成：4.75mm以下河沙：2.35mm以下石英砂：4.75mm以下铝矾土：1.63以下金刚砂＝10～60％：10～50％：10～50％：0～20％。

轮胎橡胶粉颗粒直径范围0.1～1.0毫米

所述自养护剂为吸水树脂制成；所述无机纤维为玄武岩纤维；所述金属纤维为直径为0.1～0.30毫米、长径比范围为60～150的钢纤维；所述减水剂的减水率不低于20％；所述水为一般工业用自来水。

所述水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，包括如下制备步骤：

S1：按配比将复合细骨料与金属纤维进行混合搅拌1～2分钟，加1/4左右用水再次进行搅拌1～2分钟；

S2：再次将胶凝材料、掺合料加入混合2～5分钟搅拌至均匀；

S3：按配比向步骤S2中的混合物中加入减水剂、自养护剂和总量2/4用水，搅拌至均匀；

S4：按配比向步骤S3中的混合物中加入无机纤维和轮胎橡胶粉及余下1/4水，搅拌得均匀浆体，所述均匀浆体即为耐冲磨无机高性能纤维复合材料；

S5：按配比向步骤S4中得到均与浆体现场浇筑与制作成预制件件后进行覆膜保湿养护3天即可，后续无需再保养淋水。

实施例3

除了水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料各重量份原料和掺合料的组成不同外，其他同实施例1；

所述水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，包括如下重量份原料：

强度等级不低于42.5兆的帕普通硅酸盐水泥650份；

掺和料250份；

复合细骨料1200份；

橡胶轮胎粉30份；

减水剂25份；

自养护剂5份；

水145份；

无机纤维25份；

金属纤维100份。

所述掺合料组成成份由以下一种或几种成分组成：

85等级硅粉30％；

95等级矿粉50％；

二级及以上粉煤灰5％；

800目以上的硅微粉5％；

500～1200目的陶瓷微粉10％；

实施例4

除了水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料各重量份原料和掺合料组分不同外，其他同实施例1；

所述水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，包括如下重量份原料：

强度等级不低于42.5兆的帕普通硅酸盐水泥800份；

掺和料350份；

复合细骨料1300份；

橡胶轮胎粉40份；

减水剂35份；

自养护剂7份；

水150份；

无机纤维50份；

金属纤维160份。

所述掺合料组成成份由以下一种或几种成分组成：

85等级硅粉30％；

二级及以上粉煤灰30％；

800目以上的硅微粉30％；

500～1200目的陶瓷微粉10％；

实施例5

除了水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料各重量份原料和掺合料组分不同外，其他同实施例1；

所述水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，包括如下重量份原料：

强度等级不低于42.5兆的帕普通硅酸盐水泥725份；

掺和料300份；

复合细骨料1250份；

橡胶轮胎粉35份；

减水剂30份；

自养护剂6份；

水150份；

无机纤维38份；

金属纤维130份。

所述掺合料组成成份由以下一种或几种成分组成：

85等级硅粉60％；

95等级矿粉3％；

二级及以上粉煤灰2％；

800目以上的硅微粉15％；

500～1200目的陶瓷微粉20％；

对比例1

除了水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料各重量份原料不同外，其他同实施例1；

所述水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，包括如下重量份原料：

强度等级不低于42.5兆的帕普通硅酸盐水泥400份；

掺和料150份；

复合细骨料500份；

橡胶轮胎粉10份；

减水剂10份；

自养护剂2份；

水100份；

无机纤维10份；

金属纤维40份。

对比例2

除了水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料各重量份原料不同外，其他同实施例2；

所述水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，包括如下重量份原料：

强度等级不低于42.5兆的帕普通硅酸盐水泥1200份；

掺和料500份；

复合细骨料2000份；

橡胶轮胎粉60份；

减水剂50份；

自养护剂10份；

水200份；

无机纤维70份；

金属纤维250份。

对比例3

除了各重量份的掺合料组分不同外，其他同实施例3；

所述掺合料组成成份由以下一种或几种成分组成：

95等级矿粉55％；

二级及以上粉煤灰45％。

对比例4

除了各重量份的掺合料组分不同外，其他同实施例1；

所述掺合料组成成份由以下一种或几种成分组成：

85等级硅粉20％；

95等级矿粉5％；

二级及以上粉煤灰35％；

800目以上的硅微粉35％；

500～1200目的陶瓷微粉5％；

对比例5

除了各重量份的掺合料组分不同外，其他同实施例2；

所述掺合料组成成份由以下一种或几种成分组成：

85等级硅粉95％；

500～1200目的陶瓷微粉5％。

对实施例1～5和对比例1～5进行性能测试，结果如下：

普通混凝土C50抗冲磨强度在15～30h/(Kg.m²)

从上表可以看到，对比例1、2不论是抗冲磨强度、抗冻性，还是抗渗性、抗氯离子侵蚀性，均不如实施例1、2，本发明旨在提高抗冲磨强度、抗冻性、抗渗性和抗氯离子侵蚀性，所以通过多次试验确定在本发明的配方重量份范围内为最优。而掺合料中硅粉、硅微粉及陶瓷微粉是掺合料性能的主要贡献，对比例3省去这3个成分，对比例5省去矿粉、粉煤灰和硅微粉，而硅粉占到95％，对比例3的其他成分和实施例3一样，对比例5的其他成分和实施例2一样，可见，对比之下，性能差别大，可见硅粉、硅微粉及陶瓷微粉对掺合料性能的贡献。对比例4与实施例1～5对比，抗冲磨强度、抗冻性和抗渗性均不如实施例，可见，掺合料各组分在本发明的范围内为最佳。

Claims (10)

1.一种水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，其特征在于，包括如下重量份原料：

胶凝粉料 450～1000份；

掺和料 200～400份；

复合细骨料 1000～1500份；

橡胶轮胎粉 20～50份；

减水剂 20～40份；

自养护剂 4～8份；

水 125～170份；

无机纤维 15～60份；

金属纤维 60～200份。

2.根据权利要求1所述水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，其特征在于，包括如下重量份原料：

胶凝粉料 650～800份；

掺和料 250～350份；

复合细骨料 1200～1300份；

橡胶轮胎粉 30～40份

减水剂 25～35份；

自养护剂 5～7份；

水 145～150份；

无机纤维 25～50份；

金属纤维 100～160份。

3.根据权利要求1所述水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，其特征在于，包括如下重量份原料：

胶凝粉料 725份；

掺和料 300份；

复合细骨料 1250份；

橡胶轮胎粉 35份

减水剂 30份；

自养护剂 6份；

水 150份；

无机纤维 38份；

金属纤维 130份。

4.根据权利要求1或2或3所述基水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，其特征在于，所述胶凝粉料为普通硅酸盐水泥，强度等级不低于42.5兆帕。

5.根据权利要求1或2或3所述水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，其特征在于，所述掺合料组成成份由以下一种或几种成分组成：

85等级硅粉 30～90％；

95等级矿粉 0～50％；

二级及以上粉煤灰 0～30％；

800目以上的硅微粉 0～30％；

500～1200目的陶瓷微粉 10～30％。

6.根据权利要求5所述水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，其特征在于，所述掺合料的活性指数大于80％，细度大于500目，二氧化硅含量大于70％。

7.根据权利要求1或2或3所述水工建筑耐冲磨的无机高性能复合材料，其特征在于，所述复合细骨料由如下其中的两种及以上材料组成：

4.75mm以下河沙，2.35mm以下石英砂，4.75mm以下铝矾土及1.63以下金刚砂，所述组成比例为河沙：石英砂：铝矾土：金刚砂＝10～60％：10～50％：10～50％：0～20％。

8.根据权利要求1或2或3所述水工建筑耐冲磨的无机高性能复合材料，其特征在于，橡胶轮胎粉颗粒直径为0.16～1mm直径橡胶颗粒粉。

9.根据权利要求1或2或3所述水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，其特征在于，所述自养护剂为吸水树脂中的一种或两种制成；所述无机纤维为玄武岩纤维、碳纤维中一种或两种混合纤维；所述金属纤维为直径为0.1～0.30毫米、长径比范围为60～150的钢纤维。

10.根据权利要求1所述水工建筑用耐冲磨的无机高性能复合材料，其特征在于，包括如下制备步骤：

S1：按配比将复合细骨料与金属纤维进行混合搅拌1～2分钟，加1/4左右用水再次进行搅拌1～2分钟；

S2：再次将胶凝材料、掺合料加入混合2～5分钟搅拌至均匀；

S3：按配比向步骤S2中的混合物中加入减水剂、自养护剂和总量2/4用水，搅拌至均匀；

S4：按配比向步骤S3中的混合物中加入无机纤维和轮胎橡胶粉及余下1/4水，搅拌得均匀浆体，所述均匀浆体即为耐冲磨无机高性能纤维复合材料；

S5：按配比向步骤S4中得到均与浆体现场浇筑与制作成预制件件后进行覆膜保湿养护3天即可，后续无需再保养淋水。