CN109265096A - 一种超高性能水泥基抗冲磨材料 - Google Patents

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Abstract

一种超高性能水泥基抗冲磨材料，其由以下重量份的组分制成：硅酸盐水泥100份，微硅粉15‑25份，矿渣超细粉10‑20份，微珠10‑20份，膨胀剂5‑10份，石英砂160‑200份，钢纤维15‑25份，复合外加剂3‑4.5份，水30‑40份，所述的复合外加剂由可再分散胶粉、聚羧酸减水剂、消泡剂、粘度调节剂按重量份数比30：20：（1‑2）：（0.5‑2）组成。具有低孔隙率、高密实度的结构特点，其力学强度优异；与普通砼粘结牢靠，其热膨胀系数与普通砼接近；施工性好，流动度大在100 mm～270mm内可调节，可批刮施工，也可自流自密实，施工简易，施工效率约为环氧树脂基抗冲磨材料的2倍。

Description

一种超高性能水泥基抗冲磨材料
技术领域
本发明涉及一种抗冲磨材料，更具体地说涉及一种超高性能水泥基抗冲磨材料，属于水工建筑材料技术领域。
背景技术
在水利水电工程中，冲磨破坏是水工泄水建筑物常见的病害之一，也是影响水工混凝土耐久性的重要因素。其主要发生于大坝的溢洪道、泄洪洞、通航建筑物的闸室底板、输水廊道以及电站底部的排沙孔等部位；特别是当水流流速较高并挟带沙石等磨损介质时，这种破坏现象更为严重。而使用抗冲磨材料防护是解决水工泄水建筑物冲磨破坏的有效途径之一。
目前，在我国水利水电工程中普遍应用的硅粉抗冲耐磨混凝土、改性环氧树脂砂浆和防护涂料均具有一定的抗冲耐磨能力。但由于选用原材料、组成配合比和技术路线的限制，使该三种材料在工程施工和应用中也暴露出自身难以克服的种种弱点，如：硅粉抗冲磨混凝土早期强度发展过快，中后期强度增长微小，水化热集中释放，干缩和自干燥收缩大，极易发生裂缝；改性环氧类抗冲耐磨砂浆和防护涂料仍含有较多易挥发性溶剂组分，在潮湿和有水环境中的施工性能下降，长期耐老化性能不足，且该类材料另一突出弱点是其热膨胀系数为30×10-6/℃，与水工混凝土的性能相差较大，在多次冷热循环后，改性环氧类抗冲耐磨砂浆和防护涂料与基层混凝土易脱粘、开裂。
专利申请号201510468837.3、名称为《用于水工泄水建筑物修补的高延性水泥基材料及制备方法》的中国发明专利公开了一种用于水工泄水建筑物修补的高延性水泥基材料及制备方法，该材料按照质量份数由以下组分组成：水泥100份，水25～150份，棕刚玉50～250份，微珠20～450份，纳米CaCO30.5～20份，减水剂0.1～5份，PVA纤维0.95～15份，超细钢纤维2～20份。该发明专利提供的高延性水泥基材料抗冲耐磨强度高、延性高，热膨胀系数与混凝土的接近，但存在下面的问题：1、材料中的胶凝材料用量大于骨料用量，材料自收缩很大，同时材料采用PVC纤维，可一定程度上抑制混凝土早期干缩，但材料后期干缩会增加；2、材料采用棕刚玉作为骨料，材料成本高，难以应用于大面积修复工程；3、PVA的使用使得浆液难以搅拌均匀，制浆困难且效率低，批刮施工时无法收光，提高修补面粗糙度，使得磨损率升高。
综上可知，目前用于水工泄水建筑物冲磨破坏修复的抗冲磨材料，虽具有比水工混凝土较高的抗冲磨强度，在工程应用中取到一定实效；但仍存在着与基层混凝土相容性差，体积不稳定、收缩大、施工性差、抗冲磨强度不足，应用成本高等弊端，不能满足使用需求。
发明内容
本发明针对现有的抗冲磨材料存在的不稳定、收缩大、抗冲磨强度不足、应用成本高等问题，提供一种超高性能水泥基抗冲磨材料。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种超高性能水泥基抗冲磨材料，其由以下重量份的组分制成：硅酸盐水泥100份，微硅粉15-25份，矿渣超细粉10-20份，微珠10-20份，膨胀剂5-10份，石英砂160-200份，钢纤维15-25份，复合外加剂3-4.5份，水30-40份，所述的复合外加剂由可再分散胶粉、聚羧酸减水剂、消泡剂、粘度调节剂按重量份数比30：20：(1-2)：(0.5-2)组成。
所述聚羧酸减水剂为低引气率的粉状醚类聚羧酸系减水剂，其减水率≥30％；所述粘度调节剂为羟丙基甲基纤维素醚或温轮胶的一种；所述消泡剂为聚硅氧烷类干粉砂浆专用消泡剂。
所述硅酸盐水泥为强度等级为42.5Mpa的普通硅酸盐水泥。
所述的微硅粉中二氧化硅含量不低于92％、28d活性指数不低于105％、平均粒径≤0.3μm、比表面积≥15㎡/g。
所述的矿渣超细粉为28d活性指数不低于105％、平均粒径≤10μm、比表面积≥1.2m2/g的粒化高炉矿渣。
所述的微珠为28d活性指数不低于105％、平均粒径≤2μm、比表面积≥3.0m2/g的火山灰矿物超细粉体微集料。
所述的膨胀剂为7d水中限制膨胀率≥0.025％的混凝土膨胀剂。
所述的石英砂中二氧化硅含量≥90％、含泥量≤0.5％，其粒级分布为1.18mm～0.60mm占50％，0.60mm～0.315mm占30％，0.315mm～0.18mm占20％。
所述的钢纤维为直径≤0.15mm、长度为60mm～80mm或12mm～14mm的镀铜钢纤维，或钢纤维为由直径≤0.15mm、长度为60mm～80mm和12mm～14mm的两种镀铜钢纤维组成。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
1、本发明采用与待修复混凝土相同相似的胶凝体系(水泥、硅灰、矿渣超细粉等)和集料组分(石英砂)，使本材料与混凝土基层具有较为相近热膨胀系数(8～10×10-6/℃)，提其与基层在相同外部环境及相同载荷下，变形相同改善二者相容性。
2、本发明含有多种超细矿物掺和料，如硅灰、矿渣微粉、微珠等成分，大幅减少材料硬化体的宏观缺陷的数量，改善内部结构，减少力学强度弱的Ca(OH)2的生成量，强化混凝土材料内部薄弱的过渡界面区，实现本材料致密结构，赋予本材料良好的机械强度、抗渗性、抗冻融破环能力及抗冲磨能力。
3、本发明中高效聚羧酸系减水剂的应用，使本超高性能水泥基抗冲磨材料的拌合用水量大幅减小，其硬化体的内部有害气孔相应减少，进一步强化本材料的物理性能和耐久性。
4、本发明含有超细钢纤维，材料的抗拉强度和抗冲击强度显著提高，避免超细矿物掺和料易造成的早期收缩和干缩，这种材料增韧增强防裂方式，使其抗冲磨性能大大改善。
5、本发明中可再分散胶粉、粘度调节剂的引入使本超高性能水泥基抗冲磨材料的施工性获得弹性调节空间，有利于提升施工效率，同时增加材料内聚力和改善材料施工性。
6、现有的环氧树脂基抗冲磨材料原料价格昂贵，材料成本高；修复施工时，对混凝土基面要求必须干燥无水，需要基面烘干过程，同时环氧树脂基抗冲磨材料拌合物内聚力大，批刮、压实困难，均造成施工效率低下(约10-15m2/(人·d))施工成本高。而本发明采用价格较为低廉的水泥、矿物掺和料和常见石英砂，且施工性好，施工效率高(约20-25m2/(人·d))，具有成本优势。
7、现有的抗冲磨材料采用PVA纤维，PVA纤维由于通过常规搅拌难分散于水泥基浆液，制浆困难且效率低下，同时批刮含有大量PVA纤维的砂浆时，无法将PVA纤维压平收光，使得修复面修粗糙度提升，表面过水时气蚀加剧，材料自身磨损率升高。而本发明采用刚性的钢纤维，避免采用PVA纤维，可轻易将外露纤维压入浆体内部，易于收光找平，施工简易方便。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
一种超高性能水泥基抗冲磨材料，其用于水工泄水建筑物的修复，具体由以下重量份的组分制成：硅酸盐水泥100份，微硅粉15-25份，矿渣超细粉10-20份，微珠10-20份，膨胀剂5-10份，石英砂160-200份，钢纤维15-25份，复合外加剂3-4.5份，水30-40份；其中所述的复合外加剂由可再分散胶粉、聚羧酸减水剂、消泡剂、粘度调节剂按重量份数比30：20：(1-2)：(0.5-2)组成。
优选的，所述聚羧酸减水剂为低引气率的粉状醚类聚羧酸系减水剂，其减水率≥30％；所述粘度调节剂为羟丙基甲基纤维素醚或温轮胶的一种；所述消泡剂为聚硅氧烷类干粉砂浆专用消泡剂。
优选的，所述硅酸盐水泥为强度等级为42.5Mpa的普通硅酸盐水泥。
优选的，所述的微硅粉中二氧化硅含量不低于92％、28d活性指数不低于105％、平均粒径≤0.3μm、比表面积≥15㎡/g。
优选的，所述的矿渣超细粉为28d活性指数不低于105％、平均粒径≤10μm、比表面积≥1.2m2/g的粒化高炉矿渣。
优选的，所述的微珠为28d活性指数不低于105％、平均粒径≤2μm、比表面积≥3.0m2/g的火山灰矿物超细粉体微集料。
优选的，所述的膨胀剂为7d水中限制膨胀率≥0.025％的混凝土膨胀剂。
优选的，所述的石英砂中二氧化硅含量≥90％、含泥量≤0.5％，其粒级分布为1.18mm～0.60mm占50％，0.60mm～0.315mm占30％，0.315mm～0.18mm占20％。
优选的，所述的钢纤维为直径≤0.15mm、长度为60mm～80mm或12mm～14mm的镀铜钢纤维，或钢纤维为由直径≤0.15mm、长度为60mm～80mm和12mm～14mm的两种镀铜钢纤维组成。
经多次试验可知，本超高性能水泥基抗冲磨材料新拌浆料的截锥圆模流动度大幅可调节，为100mm～270mm，新拌浆料流动度的大幅可调以适应工地不同施工工艺对材料的稠度需求，使得材料既可适应于构件的立面批刮施工(流动度≤180mm时)，也可适应于水平面的自流平自密实浇筑施工(流动度≥200mm时)；其硬化后性能如下：标准养护28d后，材料抗拉强度≥7Mpa，抗压强度≥150MPa，抗折强度≥25MPa，抗冲磨强度(水下钢球法)≥80h/(Kg/m2)，与混凝土正拉粘结强度≥2.5MPa(破坏形式为基层混凝土破坏)，热膨胀系数为8～10×10-6/℃，下表1为本发明材料与现有抗冲磨材料性能的比较表。
表1：本发明材料与现有抗冲磨材料性能的比较表
因此，本超高性能水泥基抗冲磨材料力学强度包括，抗冲磨性能(强度)显著优于普通混凝土、硅灰混凝土6～8倍，(现有普通混凝土、硅灰混凝土的抗冲磨强度约为10～15h/(Kg/m2))；本发明材料抗冲击韧性好，(断裂能≥1200N/m，抗拉强度≥7MPa，高于硅灰混凝土2～3倍)，标准养护28天条件下，本发明材料抗压强度≥150MPa和抗折强度≥25MPa，约为硅灰混凝土3倍，强度超高，使本发明材料能够承受更高等级的冲击破坏；本发明材料与待修复混凝土的粘结强度、破坏形式表明，本发明材料与混凝土基层粘结牢靠；由于本发明材料的热膨胀系数与混凝土相近，为8～10×10-6/℃，因此，其与基层混凝土具有良好相容性；基于最紧密堆积设计及极小水料比，材料致密，内部宏观缺陷有限，抗氯离子渗透系数低(＜20×10-14m2/s)、抗冻融循环破环次数多(＞F300)等性能俱佳，耐久性突出；且施工性好，可批刮施工，也可自流自密实，施工简易，工效约为20-25m2/(人·d)，约为环氧树脂基抗冲磨材料的2倍。
实施例一：
一种超高性能水泥基抗冲磨材料，其由以下重量份的组分制成：普通硅酸盐水泥100份，微硅粉25份，矿渣超细粉15份，微珠15份，膨胀剂10份，石英砂170份，钢纤维20份，复合外加剂4.5份，水33份。其中复合外加剂由可再分散胶粉、聚羧酸减水剂、消泡剂、粘度调节剂按重量份数比30：20：1：1组成。
其中普通硅酸盐水泥为P·O42.5水泥；微硅粉中二氧化硅含量为95％、28d活性指数为108％、平均粒径为0.2μm、比表面积为15㎡/g；矿渣超细粉为28d活性指数为105％、平均粒径为9μm、比表面积为1.4㎡/g的粒化高炉矿渣；微珠为28d活性指数为106％、平均粒径为1.8μm、比表面积为3.2㎡/g的火山灰矿物超细粉体微集料；膨胀剂为7d水中限制膨胀率≥0.025％的AEA混凝土膨胀剂；石英砂中二氧化硅含量为92％、含泥量0.5％，其粒级分布为1.18mm～0.60mm占50％、0.60mm～0.315mm占30％、0.315mm～0.18mm占20％；钢纤维为直径0.15mm、长度为13mm镀铜钢纤维；聚羧酸减水剂为低引气率的粉状醚类聚羧酸系减水剂，减水率为35％；所述粘度调节剂为粘度为400mPa·S的羟丙基甲基纤维素醚；所用消泡剂为聚硅氧烷类干粉砂浆专用消泡剂。
该超高性能水泥基抗冲磨材料新拌浆料截锥圆模流动度为270mm，可自流密实。其硬化后性能如下：标准养护28d，抗拉强度：7.8MPa；抗压强度：160MPa，抗折强度：28MPa；抗冲磨强度(水下钢球法)：88h/(Kg/m2)；与混凝土正拉粘结强度：2.8MPa，热膨胀系数：9×10-6/℃。
实施例二：
一种超高性能水泥基抗冲磨材料，其由以下重量份的组分制成：普通硅酸盐水泥100份，微硅粉15份，矿渣超细粉20份，微珠20份，膨胀剂8份，石英砂160份，钢纤维25份，复合外加剂4份，水35份。其中复合外加剂由可再分散胶粉、聚羧酸减水剂、消泡剂、粘度调节剂按重量份数比30：20：2：0.5组成。
其中普通硅酸盐水泥为P·O42.5水泥；微硅粉中二氧化硅含量为99％、28d活性指数为110％、平均粒径为0.19μm、比表面积为18㎡/g；矿渣超细粉为28d活性指数为105％、平均粒径为10μm、比表面积为1.3㎡/g的粒化高炉矿渣；微珠为28d活性指数为108％、平均粒径为1.5μm、比表面积为3.3㎡/g的火山灰矿物超细粉体微集料；膨胀剂为7d水中限制膨胀率≥0.025％的AEA混凝土膨胀剂；石英砂中二氧化硅含量为92％、含泥量为0.5％，其粒级分布为1.18mm～0.60mm占50％、0.60mm～0.315mm占30％、0.315mm～0.18mm占20％；钢纤维为直径0.15mm、长度为13mm镀铜钢纤维；聚羧酸减水剂为低引气率的粉状醚类聚羧酸系减水剂，减水率为35％；粘度调节剂为粘度为温轮胶；消泡剂为聚硅氧烷类干粉砂浆专用消泡剂。
该超高性能水泥基抗冲磨材料新拌浆料截锥圆模流动度为260mm，可自流密实。其硬化后性能如下：标准养护28d，抗拉强度：8.0MPa；抗压强度：162MPa，抗折强度：29.4MPa；抗冲磨强度(水下钢球法)：89.5h/(Kg/m2)；与混凝土正拉粘结强度：2.9MPa，热膨胀系数：8.8×10-6/℃。
实施例三：
一种超高性能水泥基抗冲磨材料，其由以下重量份的组分制成：普通硅酸盐水泥100份，微硅粉18份，矿渣超细粉12份，微珠10份，膨胀剂6份，石英砂200份，钢纤维15份，复合外加剂3.5份，水40份。其中复合外加剂由可再分散胶粉、聚羧酸减水剂、消泡剂、粘度调节剂按重量份数比30：20：1：2组成。
其中
普通硅酸盐水泥为P·O42.5水泥；微硅粉中二氧化硅含量为92％、28d活性指数为105％、平均粒径为0.3μm、比表面积为15㎡/g；矿渣超细粉为28d活性指数为105％、平均粒径为10μm、比表面积为1.2㎡/g的粒化高炉矿渣；微珠为28d活性指数为105％、平均粒径为2.0μm、比表面积为3.0㎡/g的火山灰矿物超细粉体微集料；膨胀剂为7d水中限制膨胀率≥0.025％的AEA混凝土膨胀剂；石英砂中二氧化硅含量为92％、含泥量为0.5％，其粒级分布为1.18mm～0.60mm占50％、0.60mm～0.315mm占30％、0.315mm～0.18mm占20％；钢纤维均为直径0.15mm、长度分别为13mm和70mm镀铜钢纤维按照2：1重量比组成的混合物；聚羧酸减水剂为低引气率的粉状醚类聚羧酸系减水剂，减水率为30％；粘度调节剂为粘度为75000mPa·S的羟丙基甲基纤维素醚；消泡剂为聚硅氧烷类干粉砂浆专用消泡剂。
该超高性能水泥基抗冲磨材料新拌浆料截锥圆模流动度为100mm，可用镘刀批抹施工。其硬化后性能如下：标准养护28d，抗拉强度：7.0MPa；抗压强度：156MPa，抗折强度：25MPa；抗冲磨强度(水下钢球法)：81h/(Kg/m2)；与混凝土正拉粘结强度：2.7MPa，热膨胀系数：9.5×10-6/℃。
综上可知，本超高性能水泥基抗冲磨材料抗冲磨强度高，性能与基层混凝土匹配，与原有结构粘结牢靠，相容性好，耐久性优。且热膨胀系数与混凝土相近，与基层粘结强度强，体积稳定，能够有效避免现有环氧树脂基抗冲磨材料因热膨胀系数与混凝土差异过大(20～30×10-6/℃)而造成二者收缩不一致，修复层脱壳失效的问题。实际工程应用中，本抗冲磨材料通过对遭受高速水流冲刷的既有混凝土结构表面进行涂覆，以自身高抗冲磨性能及与混凝土基材的良好粘结，提高水工结构的抗冲磨性能，解决了现有的抗冲磨材料存在的与基层混凝土相容性差，体积不稳定、收缩大，抗冲磨强度不足，应用成本高等问题，因此具有良好的工程应用价值。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于，其由以下重量份的组分制成：硅酸盐水泥100份，微硅粉15-25份，矿渣超细粉10-20份，微珠10-20份，膨胀剂5-10份，石英砂160-200份，钢纤维15-25份，复合外加剂3-4.5份，水30-40份，所述的复合外加剂由可再分散胶粉、聚羧酸减水剂、消泡剂、粘度调节剂按重量份数比30：20：(1-2)：(0.5-2)组成。
2.根据权利要求1所述的一种超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于：所述聚羧酸减水剂为低引气率的粉状醚类聚羧酸系减水剂，其减水率≥30％；所述粘度调节剂为羟丙基甲基纤维素醚或温轮胶的一种；所述消泡剂为聚硅氧烷类干粉砂浆专用消泡剂。
3.根据权利要求1所述的一种超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于：所述硅酸盐水泥为强度等级为42.5Mpa的普通硅酸盐水泥。
4.根据权利要求1所述的一种超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于：所述的微硅粉中二氧化硅含量不低于92％、28d活性指数不低于105％、平均粒径≤0.3μm、比表面积≥15㎡/g。
5.根据权利要求1所述的一种超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于：所述的矿渣超细粉为28d活性指数不低于105％、平均粒径≤10μm、比表面积≥1.2m2/g的粒化高炉矿渣。
6.根据权利要求1所述的一种超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于：所述的微珠为28d活性指数不低于105％、平均粒径≤2μm、比表面积≥3.0m2/g的火山灰矿物超细粉体微集料。
7.根据权利要求1所述的一种超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于：所述的膨胀剂为7d水中限制膨胀率≥0.025％的混凝土膨胀剂。
8.根据权利要求1所述的一种超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于：所述的石英砂中二氧化硅含量≥90％、含泥量≤0.5％，其粒级分布为1.18mm～0.60mm占50％，0.60mm～0.315mm占30％，0.315mm～0.18mm占20％。
9.根据权利要求1所述的一种超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于：所述的钢纤维为直径≤0.15mm、长度为60mm～80mm或12mm～14mm的镀铜钢纤维，或钢纤维为由直径≤0.15mm、长度为60mm～80mm和12mm～14mm的两种镀铜钢纤维组成。
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