CN111592299A - 一种高强低弹水工抗冲磨混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强低弹水工抗冲磨混凝土，各组分及其用量为：水泥270～310kg/m3、超细矿粉170～200kg/m3、碎石1100～1300kg/m3、河砂460～500kg/m3、改性橡胶粉50～70kg/m3、高分子聚合物乳液100～120kg/m3、减水剂9～12kg/m3、水70～100kg/m3。本发明通过在水工混凝土中引入超细矿粉、改性橡胶粉和高分子聚合物乳液，在保证力学性能的同时，可兼具优异的抗小角度切削和大角度冲击的性能，实现高强、低弹、耐磨和抗冲击性能的有效统一，有效保障水工混凝土的使用性能和耐久性能；且涉及的制备方法简单、成本较低，适合推广应用。

Description

一种高强低弹水工抗冲磨混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高强低弹水工抗冲磨混凝土及其制备方法。
背景技术
在水工建筑物过流部位，高速水流挟带泥沙、碎石、砾石、冰块等冲磨介质流经建筑物表面会造成表面的冲磨破坏，达到一定程度时将影响建筑物的正常使用。冲磨介质对混凝土材料的冲蚀磨损机制主要表现为沿水平方向的切削作用和沿垂直方向的冲击导致表面脆性断裂。为了提高混凝土的抗冲磨性能，不仅要提高其强度和硬度，以抵抗硬质磨粒的切削作用，还要着眼于提高其抗脆断能力，以抵抗硬质磨粒的冲击作用。
目前，抗冲磨混凝土的强度逐渐提高，弹性模量随之提高，导致脆性问题越发突出，抗冲击性能较差。为解决混凝土脆性问题，掺入的纤维及环氧树脂类材料施工工艺复杂，不适于大规模的使用。因此，进一步探索高强低弹抗冲磨混凝土，具有重要的研究和应用意义。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有水工抗冲磨混凝土存在的不足，提供一种高强低弹水工抗冲磨混凝土，在保证强度等力学性能的同时，可兼具优异的耐切削性能和耐冲击性能，有效保障水工混凝土的使用性能和耐久性能，且涉及的制备方法简单，适合推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高强低弹水工抗冲磨混凝土，各组分及其用量为：水泥270～310kg/m3、超细矿粉170～200kg/m3、碎石1100～1300kg/m3、河砂460～500kg/m3、改性橡胶粉50～70kg/m3、高分子聚合物乳液100～120kg/m3、减水剂9～12kg/m3、水70～100kg/m3。
上述方案中，所述水泥为P.O42.5、P.MH42.5或P.Ⅱ42.5水泥，比表面积≥300m2/kg。
上述方案中，所述超细矿粉的比表面积为700～800m2/kg；其各化学组分及所占质量百分比包括：CaO 35～40％，SiO2 25～30％，Al2O3 15～20％，MgO 5～10％，SO3 2～5％。
上述方案中，所述碎石为5～20mm连续级配的花岗岩、玄武岩或石英岩等，压碎值≤5％。
上述方案中，所述河砂为中粗砂，细度模数为2.3～3.0，含泥量≤0.5wt％。
上述方案中，所述改性橡胶粉为废旧轮胎及其他橡胶废弃物经破碎、碾磨，再依次经NaOH溶液(3～6wt％)浸泡12～24h、KMnO4溶液(3～6wt％)浸泡1～3h、饱和NaHSO3溶液浸泡0.5～1h后得到的粉状颗粒，细度模数为2.3～3.0。
上述方案中，所述高分子聚合物乳液为丁苯胶乳或氯丁胶乳等，固含量为45～55％。
上述方案中，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率≥25％。
上述一种高强低弹水工抗冲磨混凝土的制备方法，包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各组分及其用量为：水泥270～310kg/m3、超细矿粉170～200kg/m3、碎石1100～1300kg/m3、河砂460～500kg/m3、改性橡胶粉50～70kg/m3、高分子聚合物乳液100～120kg/m3、减水剂9～12kg/m3、水70～100kg/m3；
2)将称取的水泥、超细矿粉、碎石、河砂、改性橡胶粉、高分子聚合物乳液搅拌均匀后，加入减水剂和水，充分搅拌，即得所述高强低弹水工抗冲磨混凝土。
根据上述方案所得水工混凝土，其28d抗压强度≥70MPa，28d抗冲磨强度≥1.2h/cm，28d弹性模量≤30GPa；适用于受高速挟沙、石水流冲磨的水工混凝土结构。
本发明的原理为：
本发明以亲水化改性的橡胶粉等体积取代砂，改性后的橡胶粉与水泥浆体具有较强的界面粘结力，能够在保证混凝土力学性能的情况下充分利用橡胶粉的弹性变形性能，大量吸收外界磨粒的冲击功且不易脱落，进而保护周围浆体免受冲蚀磨损；同时进一步引入丁苯胶乳、氯丁胶乳等高分子聚合物乳液，一方面利用聚合物乳液对浆体变形性能的提升作用，提高所得水泥浆体抵抗冲磨作用下裂纹扩展的能力，另一方面可有效提升水泥浆体与橡胶粉间的变形协调性，减少因橡胶粉与浆体间的变形不协调导致的橡胶粉等脱落，保证所得水工混凝土的整体性能和稳定性能；本发明将改性橡胶和高分子聚合物乳液配合使用，可有效兼顾优异的耐切削性能和耐冲击性能，显著降低所得水工混凝土的弹性模量，并显著提升其抗冲磨性能；此外，采用的改性橡胶粉在一定程度上保证所得混凝土强度的前提下，取代部分河砂，有效降低制备成本并改善河砂等资源限制问题；
2)本发明采用超细矿粉-橡胶粉-高分子聚合物乳液改性体系，利用超细矿粉的二次水化作用以及改性橡胶粉的部分增强作用，有效避免因大掺量高分子聚合物乳液的引入而导致的强度损失，且高分子聚合物乳液可同时保证改性橡胶粉与水泥浆体之间的变形协调性，进一步改善所得混凝土的整体性能和稳定性能；所得水工混凝土在保证力学性能和耐磨性能的同时，可显著降低弹性模量，提高混凝土的抗冲击韧性，确保混凝土在小角度切削和大角度冲击作用下均具有优异的抗冲磨性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明通过在水工混凝土中引入超细矿粉、改性橡胶粉和高分子聚合物乳液，在保证力学性能的同时，兼具优异的抗小角度切削和大角度冲击的性能，实现高强、低弹、耐磨和抗冲击性能的协调统一，有效保障水工混凝土的使用性能和耐久性能。
2)本发明涉及的原料来源简单、制备工艺简单方便，适合推广应用。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中，采用的水泥为P.O42.5、P.MH42.5水泥或P.Ⅱ42.5水泥，比表面积分别为332m2/kg、346m2/kg和342m2/kg；采用的超细矿粉的比表面积为779m2/kg，其化学组成中CaO含量为37.24wt％，SiO2含量为28.45wt％，Al2O3含量为17.38wt％，MgO含量为8.74wt％，SO3含量为3.57wt％。
采用的碎石为5～20mm连续级配玄武岩碎石，压碎值均为4％；采用的河砂为中粗砂，细度模数为2.77，含泥量为0.3wt％；采用的改性橡胶粉为由废旧轮胎或他橡胶废弃物经破碎、碾磨，再依次经NaOH溶液(5wt％)浸泡12h、KMnO4溶液(5wt％)浸泡2h以及饱和NaHSO3溶液浸泡1h后得到的粉状颗粒，细度模数为2.83。
采用的高分子聚合物乳液为丁苯胶乳或氯丁胶乳，固含量分别为52％和47％。
采用的聚羧酸高效减水剂，其减水率为25％。
以下实施例中，采用DL/T5150-2017《水工混凝土试验规程》进行抗压强度和弹性模量试验，并采用该规范中的风砂枪法进行抗冲磨强度试验，风压为0.6MPa。
实施例1
一种高强低弹水工抗冲磨混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其用量为：P.O 42.5水泥275kg/m3、超细矿粉190kg/m3、玄武岩碎石1210kg/m3、河砂485kg/m3、改性橡胶粉58kg/m3、丁苯胶乳110kg/m3、聚羧酸高效减水剂9.6kg/m3、水95kg/m3；
2)将称取的P.O42.5水泥、超细矿粉、玄武岩碎石、河砂、改性橡胶粉、丁苯胶乳搅拌均匀后，加入聚羧酸高效减水剂和水，充分搅拌，即得所述高强低弹水工抗冲磨混凝土。
实施例2
一种高强低弹水工抗冲磨混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其用量为：P.MH42.5水泥290kg/m3、超细矿粉175kg/m3、玄武岩碎石1190kg/m3、河砂480kg/m3、改性橡胶粉62kg/m3、氯丁胶乳118kg/m3、聚羧酸高效减水剂9.8kg/m3、水84kg/m3；
2)将称取的P.MH42.5水泥、超细矿粉、玄武岩碎石、河砂、改性橡胶粉、氯丁胶乳搅拌均匀后，加入聚羧酸高效减水剂和水，充分搅拌，即得所述高强低弹水工抗冲磨混凝土。
实施例3
一种高强低弹水工抗冲磨混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其用量为：P.Ⅱ42.5水泥285kg/m3、超细矿粉180kg/m3、玄武岩碎石1110kg/m3、河砂475kg/m3、改性橡胶粉70kg/m3、氯丁胶乳114kg/m3、聚酸酸高效减水剂10.5kg/m3、水82kg/m3。
2)将称取的P.Ⅱ42.5水泥、超细矿粉、玄武岩碎石、河砂、改性橡胶粉、氯丁胶乳搅拌均匀后，加入聚羧酸高效减水剂和水，充分搅拌，即得所述高强低弹水工抗冲磨混凝土。
对比例1
一种水工混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其用量为：P.Ⅱ42.5水泥285kg/m3、超细矿粉180kg/m3、玄武岩碎石1110kg/m3、河砂610kg/m3、聚羧酸高效减水剂10.5kg/m3、水145kg/m3；
2)将称取的P.Ⅱ42.5水泥、超细矿粉、玄武岩碎石、河砂、搅拌均匀后，加入聚羧酸高效减水剂和水，充分搅拌，即得所述水工混凝土。
对比例2
一种水工混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其用量为：P.Ⅱ42.5水泥285kg/m3、超细矿粉180kg/m3、玄武岩碎石1110kg/m3、河砂475kg/m3、改性橡胶粉70kg/m3、聚羧酸高效减水剂10.5kg/m3、水145kg/m3；
2)将称取的P.Ⅱ42.5水泥、超细矿粉、玄武岩碎石、河砂、改性橡胶粉搅拌均匀后，加入聚羧酸高效减水剂和水，充分搅拌，即得所述水工混凝土。
对比例3
一种水工混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其用量为：P.Ⅱ42.5水泥285kg/m3、超细矿粉180kg/m3、玄武岩碎石1110kg/m3、河砂610kg/m3、氯丁胶乳114kg/m3、聚羧酸高效减水剂10.5kg/m3、水82kg/m3；
2)将称取的P.Ⅱ42.5水泥、超细矿粉、玄武岩碎石、河砂、氯丁胶乳搅拌均匀后，加入聚羧酸高效减水剂和水，充分搅拌，即得所述水工混凝土。
将实施例1～3和对比例1～3所得水工混凝土分别进行力学性能、弹性模量、30°和90°冲角下的抗冲磨性能测试，具体测试结果分别见表1。
表1实施例1～3和对比例1～3所得水工混凝土的28d性能测试结果
Figure BDA0002493530690000051
Figure BDA0002493530690000061
上述结果表明：本发明通过在水工混凝体系土中引入超细矿粉、改性橡胶粉和高分子聚合物乳液，在保证力学性能的同时，可兼具优异的抗小角度切削和大角度冲击的性能，所得水工混凝土可有效兼顾优异的力学性能、变形性能和抗冲磨性能，应用前景广阔。
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高强低弹水工抗冲磨混凝土，其特征在于，各组分及其用量为：水泥270～310kg/m3、超细矿粉170～200kg/m3、碎石1100～1300kg/m3、河砂460～500kg/m3、改性橡胶粉50～70kg/m3、高分子聚合物乳液100～120kg/m3、减水剂9～12kg/m3、水70～100kg/m3。
2.根据权利要求1所述的高强低弹水工抗冲磨混凝土，其特征在于，所述改性橡胶粉为橡胶废弃物经破碎、碾磨，再依次经NaOH溶液、KMnO4溶液和NaHSO3溶液浸泡处理后得到的粉状颗粒，细度模数为2.3～3.0。
3.根据权利要求1所述的高强低弹水工抗冲磨混凝土，其特征在于，所述高分子聚合物乳液为丁苯胶乳或氯丁胶乳，固含量为45～55％。
4.根据权利要求1所述的高强低弹水工抗冲磨混凝土，其特征在于，所述水泥为P.O42.5、P.MH42.5或P.Ⅱ42.5水泥，比表面积≥300m2/kg。
5.根据权利要求1所述的高强低弹水工抗冲磨混凝土，其特征在于，所述超细矿粉的比表面积为700～800m2/kg；其各化学组分及所占质量百分比包括：CaO35～40％，SiO2 25～30％，Al2O3 15～20％，MgO 5～10％，SO3 2～5％。
6.根据权利要求1所述的高强低弹水工抗冲磨混凝土，其特征在于，所述碎石为5～20mm连续级配的花岗岩、玄武岩或石英岩，压碎值≤5％。
7.根据权利要求1所述的高强低弹水工抗冲磨混凝土，其特征在于，所述河砂为中粗砂，细度模数为2.3～3.0，含泥量≤0.5wt％。
8.根据权利要求1所述的高强低弹水工抗冲磨混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率≥25％。
9.权利要求1～8任一项所述高强低弹水工抗冲磨混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各组分及其用量为：水泥270～310kg/m3、超细矿粉170～200kg/m3、碎石1100～1300kg/m3、河砂460～500kg/m3、改性橡胶粉50～70kg/m3、高分子聚合物乳液100～120kg/m3、减水剂9～12kg/m3、水70～100kg/m3；
2)将称取的水泥、超细矿粉、碎石、河砂、改性橡胶粉、高分子聚合物乳液搅拌均匀后，加入减水剂和水，充分搅拌，即得所述高强低弹水工抗冲磨混凝土。
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