CN107298539A

CN107298539A - 一种混凝土用高效抗冲耐磨剂及其制备方法

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Publication number: CN107298539A
Application number: CN201611254168.0A
Authority: CN
Inventors: 陆安群; 周华新; 张倩倩; 王育江; 田倩
Original assignee: Sobute New Materials Co Ltd
Current assignee: Sobute New Materials Co Ltd
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2017-10-27
Anticipated expiration: 2036-12-30
Also published as: CN107298539B

Abstract

本发明公开了一种混凝土用高效抗冲耐磨剂及其制备方法。本发明所述抗冲耐磨剂包含以下组分，各组分质量百分比为：改性氧化钙：14.5~29.0wt%，改性氧化镁：10.5~21.0wt%，刚玉：30.0‑69.0wt%，莫来石：1.0~5.0wt%，超细二氧化硅：5.0‑15.0wt%；所述混凝土用高效抗冲耐磨剂的制备方法为：白云石、矾土低温煅烧所得的钙质、镁质复合膨胀材料和刚玉、莫来石，加入硬脂酸钙后再与超细二氧化硅复合制备而成。本发明所述的混凝土用高效抗冲耐磨剂，达到了分阶段、全过程的抗裂，显著提升混凝土强度和抗冲磨性能的效果，延长了使用寿命。

Description

一种混凝土用高效抗冲耐磨剂及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料混凝土外加剂技术领域，具体涉及一种水泥混凝土工程使用的抗冲耐磨剂及其制备方法。

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。尤其是当前流速较高且水流中又夹带着悬移质或推移质时，建筑物遭受的冲磨、空蚀就更为严重。据调查，大型混凝土坝在运行过程中有近70％的工程存在此类病害，尤其是黄河干流上的几个大型水电站和西南地区的水利水电工程，由于泥沙和推移质含量大，水流速度高，因此泄水建筑物的冲磨和空蚀问题已经成为一些水电站运行中的主要病害之一，有的甚至危及工程安全，急需修复。

目前，提高混凝土抗冲耐磨的解决方案有硅粉系列抗冲耐磨混凝土、改性环氧类抗冲磨砂浆、防护涂料等。以上解决的方案主要采用增加混凝土抗压强度，达到提高混凝土抗冲耐磨性。但是带来了种种难以克服的缺点，如混凝土抗裂性能差、干缩变形大、有机类易挥发、柔韧性不足、施工困难等缺点，一直是困扰工程界的难题。迄今为止，有关混凝土抗冲磨剂及其制备方法的专利文献很多，如：

中国专利CN101077830A公开了一种混凝土抗冲磨剂组合物及其制备方法。基于100重量份的混凝土抗冲磨剂组合物，其中包含35-80重量份的塑化剂、2.0-6.0重量份的三乙醇胺和1.0-6.0重量份的氯化物。此抗冲耐磨剂具有致密、增强，提高混凝土抗冲耐磨能力，但存在大量的氯盐化物易引起抗冲磨混凝土内部钢筋锈蚀，产生钢筋锈蚀膨胀，导致表层混凝土脱落剥离。

中国专利CN102659341A公开了一种主要用于水电建设工程，也可用于道路、机场跑道等工程的水工混凝土用抗冲耐磨剂。此种混凝土抗冲耐磨剂主要由纳米材料、纤维、减水剂和矿渣组成。所述纤维为聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、矿物纤维中的一种或两种以上的混凝土。一旦硬化混凝土开裂，此种纤维难以满足对混凝土横跨裂缝的约束限制。

中国专利CN104446082A公开了一种混凝土用抗冲磨剂。以重量份计，包括：6-12份的煤矸石、8-14份地开石粉、6-13粉的石膏粉。此抗冲磨剂利用煤矸石、地开石和石膏粉内部反应产生钙矾石相，从而固相体积增加，产生微膨胀，使混凝土更密实，提高混凝土的耐冲磨性能。但地开石、石膏生成钙矾石主要集中的混凝土浇筑成型后3-5d内，不能补偿抗冲磨、大体积混凝土的温降收缩变形，一旦开裂将严重影响混凝土抗冲耐磨性能；煤矸石是碳质、泥质和砂质页岩的混合物，易吸附混凝土减水剂，影响混凝土工作性能。

中国专利CN103896532A公开了一种高强、高韧、高抗冲击、高耐磨水泥基复合材料及其浇筑方法。按质量百分比计，包括如下物质：水泥22.1-26.5％，多元复合矿物掺合料15.2-23.1％，刚玉44.5-55.1％，减水剂0.72-0.78％，钢纤维1.1-2.5％，水7.5-10.2％。此种水泥基复合材料浇筑成型的建筑构件，具有高强度、高抗冲击和耐磨特点。但其自身的收缩变形仅靠钢纤维的约束，无法抑制其早期的自收缩和塑性收缩开裂。

中国专利CN103570271A公开了一种改性水泥基材料抗冲磨材料及其制备和应用方法。改性水泥基材料抗冲耐磨材料包含：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％。此种抗冲磨材料具有增强、耐磨等特点；但掺纳米级二氧化硅的混凝土收缩较大，通过聚氧乙烯醚降低水泥间内部表面张力，无法完全抑制抗冲耐磨混凝土的收缩开裂；虽其掺量仅占胶材的0.8-1.5％，但含有价格较高的聚氧乙烯醚、阴离子型活性剂等，因此生产成本较高。

在上述的技术中，涉及混凝土抗冲耐磨剂的部分都是增加基体的强度，从而达到抗冲耐磨的效果。掺入此类抗冲耐磨材料的混凝土，裂缝尤其是早期收缩开裂问题相比传统混凝土反而更加突出。因此，亟需对上述问题进行解决，优化其抗冲耐磨性能和抗裂性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种解决混凝土抗冲耐磨工程中所存在的技术难题，不仅能保证混凝土抗冲耐磨性能，而且能有效抑制抗冲耐磨混凝土的收缩开裂，延长使用寿命，降低生产成本和维修费用。本发明提供一种抗冲耐磨、抑制收缩性能好的混凝土抗冲耐磨剂及其制备方法。本发明的目的是提供一种高抗裂效能、提升混凝土抗冲耐磨性能的高效抗冲耐磨剂。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种混凝土用高效抗冲耐磨剂，其包含以下组分，各组分所占质量百分比为：

所述改性氧化钙包括氧化钙粉体及其表面包裹的一层硬脂酸钙，所述硬脂酸钙包裹量为氧化钙粉体质量的0.3wt％～0.8wt％；

所述改性氧化镁包括轻烧氧化镁粉体及其表面包裹的一层硬脂酸钙，所述硬脂酸钙包裹量为轻烧氧化镁粉体质量的0.3～0.8wt％；

所述刚玉、莫来石均由矾土在950～1200℃下煅烧30～120min煅烧制备而得；

所述超细二氧化硅为比表面积400-500m²/kg的二氧化硅粉体。

本发明所述混凝土用高效抗冲耐磨剂由白云石、矾土低温煅烧所得的钙质、镁质复合膨胀材料和刚玉、莫来石，加入硬脂酸钙后再与超细二氧化硅复合制备而成。

本发明所述混凝土用高效抗冲耐磨剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将白云石、矾土混合粉磨成比表面积为150～400m²/kg的生料；

(2)将步骤(1)制得的生料置于950～1200℃下煅烧30～120min，煅烧后形成的熟料在空气中淬冷，获得钙质、镁质复合膨胀材料和硬质材料刚玉、莫来石；

(3)将步骤(2)制得的膨胀材料和硬质材料，粉磨至比表面积为400～500m²/kg的熟料粉体，粉磨过程中，加入占熟料粉体总质量0.30-0.80wt％的硬脂酸钙；

(4)将步骤(3)中粉磨过并加入硬脂酸钙的熟料粉体与超细二氧化硅均匀混合，即得所述混凝土用高效抗冲耐磨剂；

步骤(1)中所述生料按质量比组成：白云石：26～58wt％，矾土：42～74wt％。

所述白云石优选CaMg(CO₃)₂含量大于90wt％；所述矾土优选Al₂O₃含量大于60wt％。

本发明对低温煅烧制备的装置及生料所处的状态无特别限制。

步骤(2)中所述熟料可以在立窑、隧道窑、辊道窑或回转窑中煅烧制得。作为优选方案，所述熟料采用回转窑制得。

作为优选方案，步骤(2)中所述生料的煅烧温度为1050～1200℃，煅烧时间为60min。

本发明所述高效抗冲耐磨剂适用于：水电工程的导流洞、泄洪道、冲刷闸、公路路面、机场跑道、机床及大型设备基础的厂房混凝土面层的易受冲刷、磨损的混凝土工程。

本发明所述混凝土用高效抗冲耐磨剂，在C30-C60混凝土掺入量占胶材总量的0.5％-3.0wt％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明所述混凝土用高效抗冲耐磨剂利用白云石低温煅烧制备钙质、镁质复合膨胀材料，达到分阶段、全过程补偿抗冲耐磨混凝土的收缩；通过对钙质、镁质复合膨胀材料进行表层处理，抑制钙质、镁质膨胀材料在塑性阶段的水化，提升硬化阶段的补偿收缩效能；矾土煅烧制备的刚玉粉、莫来石粉可提升混凝土的耐冲磨能力；超细二氧化硅粉体具有密实孔隙结构的作用。通过物理化学双重增强效应，本发明所述混凝土用高效抗冲耐磨剂，达到了分阶段、全过程的抗裂，提升混凝土强度和抗冲磨性能的效果。

(2)本发明所述混凝土用高效抗冲耐磨剂，在C30-C60抗冲磨混凝土中的量占胶材总量的0.5％-3.0wt％，大幅度降低了抗冲耐磨材料的用量；对降低抗冲耐磨混凝土的成本具有重要意义。

(3)本发明提供了利用白云石、矾土低温煅烧所得的钙质、镁质复合膨胀材料和刚玉、莫来石，再与超细二氧化硅复合的制备方法，具有原材料采用方便、易于获取的特点；制备工艺简单易行，便于推广应用。

附图说明

图1为实施例1所制得的抗冲耐磨剂、市售硅灰系抗冲耐磨剂和市售具有补偿收缩功能的抗冲耐磨剂在20℃水中养护、10％掺量，W/C＝0.4时的砂浆限制膨胀率；1-0号样为市售硅灰系抗冲耐磨剂，1-1号样为市售具有补偿收缩功能的抗冲耐磨剂，1-2号样为实施例1所制得的抗冲耐磨剂。

图2为实施例2所制得的3种抗冲耐磨剂在20℃水中养护、10％掺量，W/C＝0.4时的砂浆限制膨胀率；2-1号样为含5wt％超细二氧化硅的抗冲耐磨剂，2-2号样为含10wt％超细二氧化硅的抗冲耐磨剂，2-3号样为含15wt％超细二氧化硅的抗冲耐磨剂。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明所述混凝土用高效抗冲耐磨剂及其制备方法的技术特征进一步阐述，但不限于实施例；在本发明中，除有特别说明，所有百分含量均为质量百分数。

实施例1

(一)一种混凝土用高效抗冲耐磨剂的制备

将质量比58：42的白云石和矾土破碎混合，经磨机共同粉磨至细度为150m²/kg的生料粉。将粉磨后的生料粉在950℃下煅烧，并在该温度下煅烧120min，煅烧结束后立即取出烧成样品在空气中淬冷，粉磨制得比表面积为400m²/kg的熟料粉体。粉磨过程中，加入占熟料粉体总质量0.3wt％的硬脂酸钙。将质量比95：5的加入硬脂酸钙的熟料粉体与超细二氧化硅均匀混合，形成一种混凝土用高效抗冲耐磨剂。

表1原材料白云石、矾土和超细二氧化硅的化学成分(wt.％)

名称	MgO	CaO	SiO₂	Al₂O₃	其他	烧损率
							白云石	22.01	29.51	1.03	0.21	0.54	46.70
矾土	0.08	0.35	3.83	84.91	7.22	3.61
							超细二氧化硅	0.97	0.54	94.48	0.27	1.83	1.91

(二)混凝土用高效抗冲耐磨剂的膨胀性能测试

依据标准《混凝土膨胀剂》GB23439-2009实验方法，对上述制备的抗冲耐磨剂、市售硅灰系抗冲耐磨剂和市售具有补偿收缩功能的抗冲耐磨剂进行水养条件下砂浆限制膨胀率测试(见图1)。

图1表明，在水养条件下，掺入上述制备的抗冲耐磨剂的砂浆试件在14d龄期内持续膨胀，14d龄期后膨胀趋于稳定。与市售硅灰系抗冲耐磨剂和市售具有补偿收缩功能的抗冲磨剂相比，上述制备的抗冲耐磨剂具有较大的膨胀效能。

(三)掺混凝土用高效抗冲耐磨剂的C35混凝土的性能测试

混凝土用高效抗冲耐磨剂占水泥和粉煤灰总量的0.5％、1.5％和3.0％。抗冲磨混凝土的配合比如表2所示。

表2内掺0％、1.5％和3.0％上述抗冲耐磨剂的C35混凝土的配合比(kg/m³)

测定混凝土拌合物的坍落度，将其装模并测定对于龄期混凝土的抗压强度、抗渗及抗冲磨性能，性能检测方法参照DL/5150-2001《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°。试验混凝土测试指标见表3。

表3试验混凝土测试指标

表3表明，掺入本发明所制备的抗冲耐磨剂0.5％、1.5％和3.0％，随着抗冲耐磨剂的掺量增加，C35混凝土的坍落度增大，表明制备的抗冲耐磨剂具有一定的减水效果。对抗压强度而言，随着抗冲耐磨剂的掺量增加，C35混凝土的抗压强度增大，掺入3.0％抗冲耐磨剂后混凝土28d的抗压强度达到C45混凝土的标准。掺入此种抗冲耐磨剂后，C35混凝土的抗冲耐磨性能提升2-3倍。

实施例2

(一)一种混凝土用高效抗冲耐磨剂的制备

将质量比50：50的白云石和矾土破碎混合，经磨机共同粉磨至细度为400m²/kg的生料粉。将粉磨后的生料粉在1200℃下煅烧，并在该温度下煅烧30min，煅烧结束后立即取出烧成样品在空气中淬冷，粉磨制得比表面积为500m²/kg的熟料粉体。粉磨过程中，加入占熟料粉体总质量0.8wt％的硬脂酸钙。

表4原材料白云石、矾土和超细二氧化硅的化学成分(wt.％)

将上述加入硬脂酸钙的熟料粉体与超细二氧化硅混合，形成混凝土用高效抗冲耐磨剂。

表5加入硬脂酸钙的熟料粉体与超细二氧化硅不同配比复合形成的抗冲耐磨剂

(二)混凝土用高效抗冲耐磨剂的膨胀性能测试

依据标准《混凝土膨胀剂》GB23439-2009实验方法，对上述制备的抗冲耐磨剂、市售硅灰系抗冲耐磨剂和市售具有补偿收缩功能的抗冲耐磨剂进行水养条件下砂浆限制膨胀率测试(见图2)。

图2表明，在水养条件下，上述制备的抗冲耐磨剂的砂浆试件在14d龄期内持续膨胀，14d龄期后膨胀趋于稳定；7d砂浆限制膨胀率达到了标准Ⅱ型品要求。

(三)掺混凝土用高效抗冲耐磨剂的C35混凝土的性能测试

混凝土用高效抗冲耐磨剂占水泥和粉煤灰总量的1.5％。抗冲磨混凝土的配合比如表2所示。

表6内掺1.5％上述三种抗冲耐磨剂的C35混凝土的配合比(kg/m³)

注：2-1-1.5表示内掺1.5％上述编号2-1的混凝土高效抗冲耐磨剂；2-2-1.5表示内掺1.5％上述编号2-2的混凝土高效抗冲耐磨剂；2-3-1.5表示内掺1.5％上述编号2-3的混凝土高效抗冲耐磨剂。

测定混凝土拌合物的坍落度，将其装模并测定对于龄期混凝土的抗压强度、抗渗及抗冲磨性能，性能检测方法参照DL/5150-2001《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°。试验混凝土测试指标见表7。

表7试验混凝土测试指标

表7表明，掺入上述制备的3种混凝土用高效抗冲耐磨剂1.5％后，C35混凝土的28d抗冲磨强度明显提升；掺入1.5％上述制备的混凝土用高效抗冲耐磨剂的C35混凝土的28d的抗压强度达到49.5MPa。

实施例3

(一)一种混凝土用高效抗冲耐磨剂的制备

将质量比26：74的白云石和矾土破碎混合，经磨机共同粉磨至细度为400m²/kg的生料粉。将粉磨后的生料粉在1050℃下煅烧，并在该温度下煅烧30min，煅烧结束后立即取出烧成样品在空气中淬冷，粉磨制得比表面积为500m²/kg的熟料粉体。粉磨过程中，加入占熟料粉体总质量0.5wt％的硬脂酸钙。

表8原材料白云石、矾土和超细二氧化硅的化学成分(wt.％)

表9加入硬脂酸钙的熟料粉体与超细二氧化硅不同配比复合形成的抗冲耐磨剂

(二)掺混凝土用高效抗冲耐磨剂的C35混凝土的性能测试

混凝土用高效抗冲耐磨剂占水泥和粉煤灰总量的3.0％。抗冲磨混凝土的配合比如表10所示。

表10为内掺1.5％上述三种抗冲耐磨剂的C35混凝土的配合比(kg/m³)

注：3-1-3表示内掺3％上述编号3-1的混凝土高效抗冲耐磨剂；3-2-3表示内掺3％上述编号3-2的混凝土高效抗冲耐磨剂；3-3-3表示内掺3％上述编号3-3的混凝土高效抗冲耐磨剂。

表11试验混凝土测试指标

表11表明，掺入上述制备的3种混凝土用高效抗冲耐磨剂3.0％后，C35混凝土的28d抗冲磨强度明显提升；掺入3.0％上述制备的混凝土用高效抗冲耐磨剂的C35混凝土的28d的抗压强度达到51.0MPa。

Claims

1.一种混凝土用高效抗冲耐磨剂，其特征在于，包含以下组分，各组分所占质量百分比为：

改性氧化钙： 14.5~29.0%，

改性氧化镁： 10.5~21.0%，

刚玉： 30.0~69.0%，

莫来石： 1.0~5.0%，

超细二氧化硅： 5.0~15.0%；

所述改性氧化钙包括氧化钙粉体及其表面包裹的一层硬脂酸钙，所述硬脂酸钙包裹量为氧化钙粉体质量的0.3wt%~0.8wt%；

所述改性氧化镁包括轻烧氧化镁粉体及其表面包裹的一层硬脂酸钙，所述硬脂酸钙包裹量为轻烧氧化镁粉体质量的0.3~0.8wt%；

所述刚玉、莫来石均由矾土在950~1200℃下煅烧30~120min煅烧制备而得；

所述超细二氧化硅为比表面积400-500 m²/kg的二氧化硅粉体。

2.权利要求1所述的一种混凝土用高效抗冲耐磨剂的制备方法，其特征在于：由白云石、矾土低温煅烧所得的钙质、镁质复合膨胀材料和刚玉、莫来石，加入硬脂酸钙后再与超细二氧化硅进行复合制备，即得所述混凝土用高效抗冲耐磨剂。

3.根据权利要求2所述的一种混凝土用高效抗冲耐磨剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将白云石、矾土混合粉磨成比表面积为150~400 m²/kg的生料；

（2）将步骤（1）制得的生料置于950~1200℃下煅烧30~120min，煅烧后形成的熟料在空气中淬冷，获得钙质、镁质复合膨胀材料和硬质材料刚玉、莫来石；

（3）将步骤（2）制得的膨胀材料和硬质材料，粉磨至比表面积为400~500m²/kg的熟料粉体，粉磨过程中，加入占熟料粉体总质量0.30-0.80wt%的硬脂酸钙；

（4）将步骤（3）中粉磨过并加入硬脂酸钙的熟料粉体与超细二氧化硅均匀混合，即得所述混凝土用高效抗冲耐磨剂；

步骤（1）中所述生料按质量比组成：白云石：26~58wt%，矾土：42~74wt%。

4.根据权利要求3所述的一种混凝土用高效抗冲耐磨剂的制备方法，其特征在于，所述白云石中CaMg(CO₃)₂含量大于90wt%；所述矾土中Al₂O₃含量大于60wt%。

5.根据权利要求3所述的一种混凝土用高效抗冲耐磨剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述熟料可以在立窑、隧道窑、辊道窑或回转窑中煅烧制得。

6.根据权利要求5所述的一种混凝土用高效抗冲耐磨剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述熟料在回转窑中制得。

7.根据权利要求3所述的一种混凝土用高效抗冲耐磨剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述生料的煅烧温度为1050~1200℃，煅烧时间为60min。

8.权利要求1所述的一种高效抗冲耐磨剂的应用方法，其特征在于：所述混凝土用高效抗冲耐磨剂在C30-C60混凝土中掺入量占胶材总量的0.5%-3.0wt%。