CN110330294B - 一种高韧性抗冲耐磨修补材料 - Google Patents

一种高韧性抗冲耐磨修补材料 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种高韧性抗冲耐磨修补材料，主要由硅酸盐水泥26.0～36.0％、超细粉体5.0～7.5％、铁矿砂52.0‑61.0％、纤维1.5～4.0％、偶联剂0.01～0.03％、橡胶粉0.1～0.3％、体积稳定剂0.8～1.2％、聚羧酸系减水剂0.1～0.2％、消泡剂0.01～0.03％等原料混合而成。本发明提出的高韧性抗冲耐磨修补材料具有价格低廉、施工方便，抗冲击韧性高、抗冲磨强度高、粘结强度高，低收缩、高抗裂，线膨胀系数与混凝土接近，不会从基材上脱落等优点，可替代环氧树脂砂浆等有机材料。

Description

一种高韧性抗冲耐磨修补材料
技术领域
本发明涉及一种水泥基修补材料，特别是一种适合于水流冲刷面等耐久性要求高的部位修补的高韧性抗冲耐磨修补材料。
背景技术
高速含沙水流对水工混凝土建筑物过流面的冲刷磨损、空蚀作用会导致表层混凝土大面积剥蚀，严重的则引发灾难性事故发生，因此历来备受重视。我国从20世纪60年代就开始进行抗冲磨材料的应用研究，主体思路是通过提高抗压强度来提高过流面混凝土的抗冲磨性能，同时加强对过流面混凝土的防护并及时对薄层冲磨破坏进行修补。随着材料科学的发展和进步，抗冲磨混凝土的抗压强度逐渐提高到C50～C70，以硅粉混凝土或改性的硅粉混凝土为主的抗冲磨混凝土得到普遍应用。但传统硅粉抗冲磨混凝土由于高掺量硅粉的掺入，混凝土粘度变大，带来施工的困难及影响混凝土外观，且由于混凝土早期强度发展过快，水化热集中释放，干缩和自干燥收缩大，极易发生开裂。
通过多年的研究及应用实践，目前对过流面混凝土的防护及薄层修补主要有环氧砂浆、聚脲弹性体材料和无机高性能抗冲磨材料等。环氧砂浆强度高、抗冲磨强度高，但其自身断裂韧性和抗裂性有待提高，同时在方便快速易于施工、适应有水潮湿混凝土表面并具有高粘接强度等方面，尚有待进一步改善。喷涂聚脲弹性体具有优异的综合力学性能，但对操作技术要求高，且产品价格高，修复成本也高。另外应用实践表明，树脂砂浆一般线膨胀系数较普通水泥混凝土大，在温差变化较大的环境中应用时，修补层容易开裂，与基底混凝土脱落而破坏。
发明内容
本发明的目的是：为有抗冲磨要求的水工混凝土的修补工程提供一种新型的高韧性抗冲耐磨修补材料，该修补材料具有价格低廉、施工方便，抗冲磨强度高、粘结强度高，低收缩、高抗裂，线胀系数与混凝土接近，不会从基材上脱落等优点，可替代环氧树脂砂浆等有机材料。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高韧性抗冲耐磨修补材料是由下述质量百分比的原料制成：
Figure BDA0002126819860000021
所述硅酸盐水泥为P·O或P·Ⅱ水泥，强度等级为42.5级或52.5级。
所述超细粉体为硅粉、磨细矿渣和纳米石墨烯的混合物；其中硅粉的SiO2含量不低于95％，比表面积为16～24m2/g；磨细矿渣为S95级；纳米石墨烯的厚度为5～8nm，比表面积为180～250m2/g；三种超细粉体的质量比为硅粉:磨细矿渣:纳米石墨烯＝1:(5.5～7.0):(0.3～0.5)。
所述铁矿砂表观密度为3900～4100kg/m3，细度模数为2.1～2.5。
所述纤维为钢纤维、塑钢纤维和玄武岩纤维三种纤维掺杂的混合纤维，钢纤维采用镀铜波浪型，长度13～22mm，等效直径0.2mm；塑钢纤维长度20～32mm，抗拉强度500～600MPa；玄武岩纤维长度12～18mm，抗拉强度3800～4850MPa；三种混合纤维的质量比为玄武岩纤维:塑钢纤维:钢纤维＝1:(3.5～4.0):(15～20)。
所述偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)或γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)中的一种或两种以上。
所述橡胶粉为废旧轮胎粉碎而成，粒径为12～40目，使用前先用权利要求6所述的偶联剂进行预处理。
所述体积稳定剂为塑性膨胀剂、UEA膨胀剂和氧化镁膨胀剂三种的混合物，三者的质量比为塑性膨胀剂:UEA膨胀剂:氧化镁膨胀剂＝1:(6～9):(3～5)。
所述聚羧酸系减水剂为白色粉末，减水率大于30％。
所述消泡剂为聚醚型消泡剂或有机硅消泡剂中的一种。
有益效果：
(1)通过具有梯度粒径的超细粉体颗粒提高水泥基材料的密实性，改善界面过渡区性能，进而提高修补材料的抗冲耐磨性能；
(2)通过引入高强度铁矿砂，骨料本身的高坚固性及低吸水率，能够提高水泥基材料的密实度和强度，从而提高抗冲耐磨性能；
(3)通过掺入不同材质、长度及抗拉强度的掺杂纤维的乱向分布能够有效地阻碍砂浆内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，及其自身具有的较好延性，能够显著提高水泥基修补材料抗拉强度、抗裂性、延性、韧性、抗冲击及抗剪性能；
(4)通过掺入在水泥水化不同阶段产生补偿收缩的体积稳定剂，可以减小水泥基材料收缩变形，提高抗裂性，进而提高修补材料的抗冲耐磨性能；
(5)通过掺入废旧橡胶粉，力学强度虽然略有降低，但水泥基材料的韧性会得到显著改善，破坏形式由脆性断裂变为韧性破坏，弯曲变形量和极限拉伸值明显增大，另外由于橡胶粉颗粒的弹模明显要小，对含砂水流的冲击有很强的能量吸收作用，使水泥石黏结破坏的历程得以显著延长，因而表现出较高的抗冲磨强度；
(6)通过掺入消泡剂，消除了水泥基材料中的有害气泡缺陷，从而改善抗冲耐磨性能。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明技术方案进一步详细说明。
实施例1
一种高韧性抗冲耐磨修补材料，包含以下质量分的原料：P·Ⅱ52.5水泥310份、硅粉8.0份、磨细矿渣53.0份、纳米石墨烯4.0份、铁矿砂587份、钢纤维19.0份、塑钢纤维4.3份、玄武岩纤维1.1份、KH560硅烷偶联剂0.1份、橡胶粉(细度24目)1.6份、塑性膨胀剂0.8份、UEA膨胀剂6.0份、氧化镁膨胀剂3.2份、聚羧酸系减水剂1.7份、聚醚型消泡剂0.2份。
实施例2
一种高韧性抗冲耐磨修补材料，包含以下质量分的原料：P·Ⅱ52.5水泥320份、硅粉8.0份、磨细矿渣54.3份、纳米石墨烯3.3份、铁矿砂573份、钢纤维20.4份、塑钢纤维4.6份、玄武岩纤维1.3份、KH550硅烷偶联剂0.1份、橡胶粉(细度24目)1.8份、塑性膨胀剂0.9份、UEA膨胀剂7.2份、氧化镁膨胀剂3.0份、聚羧酸系减水剂1.8份、有机硅消泡剂0.3份。
实施例3
一种高韧性抗冲耐磨修补材料，包含以下质量分的原料：P·O42.5水泥335份、硅粉7.2份、磨细矿渣49.0份、纳米石墨烯2.8份、铁矿砂557份、钢纤维26.5份、塑钢纤维5.4份、玄武岩纤维1.5份、KH560硅烷偶联剂0.2份、橡胶粉(细度40目)2.5份、塑性膨胀剂0.7份、UEA膨胀剂7.0份、氧化镁膨胀剂3.1份、聚羧酸系减水剂1.9份、聚醚型消泡剂0.2份。
实施例4
一种高韧性抗冲耐磨修补材料，包含以下质量分的原料：P·Ⅱ52.5水泥318份、硅粉11.0份、磨细矿渣60.5份、纳米石墨烯3.3份、铁矿砂564份、钢纤维21.0份、塑钢纤维4.2份、玄武岩纤维1.1份、KH570硅烷偶联剂0.2份、橡胶粉(细度40目)2.8份、塑性膨胀剂1.1份、UEA膨胀剂7.5份、氧化镁膨胀剂3.3份、聚羧酸系减水剂1.9份、聚醚型消泡剂0.1份。
实施例5
一种高韧性抗冲耐磨修补材料，包含以下质量分的原料：P·O42.5水泥350份、硅粉8.5份、磨细矿渣51.0份、纳米石墨烯3.5份、铁矿砂541份、钢纤维25.3份、塑钢纤维5.3份、玄武岩纤维1.4份、KH560硅烷偶联剂0.2份、橡胶粉(细度32目)2.0份、塑性膨胀剂0.9份、UEA膨胀剂6.0份、氧化镁膨胀剂3.0份、聚羧酸系减水剂1.7份、聚醚型消泡剂0.2份。
实施例6
一种高韧性抗冲耐磨修补材料，包含以下质量分的原料：P·Ⅱ52.5水泥285份、硅粉7.6份、磨细矿渣52.2份、纳米石墨烯3.6份、铁矿砂598份、钢纤维30.9份、塑钢纤维7.0份、玄武岩纤维1.8份、KH550硅烷偶联剂0.1份、橡胶粉(细度12目)1.5份、塑性膨胀剂0.8份、UEA膨胀剂5.8份、氧化镁膨胀剂3.6份、聚羧酸系减水剂1.9份、聚醚型消泡剂0.2份。
对比例1
一种高韧性抗冲耐磨修补材料，包含以下质量分的原料：P·Ⅱ52.5水泥310份、硅粉9.5份、磨细矿渣53.0份、纳米石墨烯4.7份、铁矿砂587份、钢纤维19.0份、塑钢纤维4.3份、玄武岩纤维1.1份、塑性膨胀剂0.8份、UEA膨胀剂6.0份、氧化镁膨胀剂3.2份、聚羧酸系减水剂1.3份、聚醚型消泡剂0.1份。
对比例2
一种高韧性抗冲耐磨修补材料，包含以下质量分的原料：P·Ⅱ52.5水泥334份、硅粉8.0份、磨细矿渣54.0份、纳米石墨烯4.0份、铁矿砂587份、KH560硅烷偶联剂0.1份、橡胶粉(细度24目)1.6份、塑性膨胀剂0.8份、UEA膨胀剂6.0份、氧化镁膨胀剂3.2份、聚羧酸系减水剂1.1份、聚醚型消泡剂0.2份。
对比例3
一种高韧性抗冲耐磨修补材料，包含以下质量分的原料：P·Ⅱ52.5水泥320份、硅粉8.0份、磨细矿渣53.0份、纳米石墨烯4.0份、铁矿砂587份、钢纤维19.0份、塑钢纤维4.3份、玄武岩纤维1.1份、KH560硅烷偶联剂0.1份、橡胶粉(细度24目)1.6份、聚羧酸系减水剂1.7份、聚醚型消泡剂0.2份。
对比例4
一种高韧性抗冲耐磨修补材料，包含以下质量分的原料：P·Ⅱ52.5水泥360份、铁矿砂589份、钢纤维28.5份、塑钢纤维5.8份、玄武岩纤维1.5份、KH560硅烷偶联剂0.1份、橡胶粉(细度24目)1.6份、塑性膨胀剂0.8份、UEA膨胀剂7.2份、氧化镁膨胀剂4.0份、聚羧酸系减水剂1.4份、聚醚型消泡剂0.1份。
对比例5
一种抗冲耐磨修补材料，以普通河砂等质量代替铁矿砂，其余组分与实施例1相同。
对比例6
一种抗冲耐磨修补材料，包含以下质量分的原料：P·Ⅱ52.5水泥412份、普通河砂587份、聚羧酸系减水剂1.0份。
应用实施例1
抗压强度按SL352-2006《水工混凝土实验规程》中8.5条水泥砂浆抗压强度试验进行；抗拉强度按SL352-2006《水工混凝土实验规程》中8.8条水泥砂浆轴向抗拉强度试验进行。
抗冲磨性能按照SL352-2006《水工混凝土实验规程》中4.20条混凝土抗冲磨试验(水下钢球法)进行。
抗冲击韧性试验参考美国ACI544委员会提出的落锤试验法，采用
Figure BDA0002126819860000062
Figure BDA0002126819860000063
的圆饼形试件，冲击锤质量为4.5kg，冲击球直径为63mm，冲击架高度保证冲击锤质心与冲击球表面距离为500mm。抗冲击试验步骤：①冲击锤自由落下，冲击放置于试件顶部中央的冲击球，每完成一次冲击为一次循环；②当试件顶面或底面出现第一条裂缝时对应的冲击循环次数即初裂冲击次数N1；③继续冲击循环，直至试件膨胀开裂，与冲击架4块挡板中的任意3块相接触时对应的冲击循环次数为终裂冲击次数N2。
将实施例1～6及对比例1～6得到的高韧性抗冲耐磨修补材料(干粉)和自来水按照8:1的比例拌合并成型相应的试验进行抗压强度、抗拉强度、抗冲磨强度及抗冲击韧性对比试验，结果如表1所示。
表1不同修补材料力学性能
Figure BDA0002126819860000061
Figure BDA0002126819860000071
从表1中可以看出：与实施例1相比，对比例1中缺少偶联剂处理过的橡胶粉，材料的抗压强度略有提高，抗冲磨强度及抗拉强度变化不大，而抗冲击韧性明显降低；对比例2中缺少混杂纤维，抗压强度、抗拉强度及抗冲磨强度均有不同程度的下降；抗冲击韧性变化不大；对比例3中缺少体积稳定剂成分，抗冲磨强度略有提高，其余各项性能变化不大；对比例4中缺少超细粉体，抗冲击韧性变化略有下降，其余各项性能均明显下降；对比例5中普通河砂代替铁矿砂后，抗冲击韧性基本不变，其余各项性能均明显下降；对比例6为普通水泥砂浆，各项性能明显下降，完全不能作为抗冲耐磨修补砂浆。
而实施例1～6中本发明的高韧性抗冲耐磨修补材料在抗压强度、抗拉强度、抗冲磨强度及抗冲击韧性方面与对比例相比，综合性能都有很大的优势，并且根据工程实际应用情况，可以调整质量组成来调节材料性能，突出抗冲磨性能、抗冲击韧性或强度等。
虽然本发明通过实施例进行了描述，但实施例并非用来限定本发明。本领域技术人员可在本发明的精神的范围内，做出各种变形和改进，例如成分比例或时间范围的调整，这种调整后的效果是可预测的，所以其同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求相同或等同的技术特征所界定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种高韧性抗冲耐磨修补材料，其特征在于：其原料组分及组分占原料总量的质量百分比分别为：
Figure FDA0003462380560000011
以上各组分之和满足100％；
所述偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)或γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)中的一种或两种以上；
所述橡胶粉为废旧轮胎粉碎而成，粒径为12～40目，使用前先用所述的偶联剂进行预处理；
所述超细粉体为硅粉、磨细矿渣和纳米石墨烯的混合物；其中硅粉的SiO2含量不低于95％，比表面积为16～24m2/g；磨细矿渣为S95级；纳米石墨烯的厚度为5～8nm，比表面积为180～250m2/g；三种超细粉体的质量比为硅粉:磨细矿渣:纳米石墨烯＝1:(5.5～7.0):(0.3～0.5)；
所述铁矿砂表观密度为3900～4100kg/m3 ，细度模数为2.1～2.5；
所述纤维为钢纤维、塑钢纤维和玄武岩纤维三种纤维掺杂的混合纤维，钢纤维采用镀铜波浪型，长度13～22mm，等效直径0.2mm；塑钢纤维长度20～32mm，抗拉强度500～600MPa；玄武岩纤维长度12～18mm，抗拉强度3800～4850MPa；三种混合纤维的质量比为玄武岩纤维:塑钢纤维:钢纤维＝1:(3.5～4.0):(15～20)；
所述体积稳定剂为塑性膨胀剂、UEA膨胀剂和氧化镁膨胀剂三种的混合物，三者的质量比为塑性膨胀剂:UEA膨胀剂:氧化镁膨胀剂＝1:(6～9):(3～5)。
2.根据权利要求1所述的一种高韧性抗冲耐磨修补材料，其特征在于：所述硅酸盐水泥为P·O或P·Ⅱ水泥，强度等级为42.5级或52.5级。
3.根据权利要求1所述的一种高韧性抗冲耐磨修补材料，其特征在于：所述聚羧酸系减水剂为白色粉末，减水率大于30％。
4.根据权利要求1所述的一种高韧性抗冲耐磨修补材料，其特征在于：所述消泡剂为聚醚型消泡剂或有机硅消泡剂中的一种。
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