CN113372082B - 一种耐磨超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨超高性能混凝土及其制备方法，包括如下重量份的原料：专用胶凝材料600～650份；硅灰120～150份；钢渣骨料600～650份；铁尾矿砂300～350份；石英砂240～260份；减水剂15～18份；钢纤维80～100份；水160～180份。专用胶凝材料由如下重量份的原料干混均匀得到：硅酸盐水泥熟料粉65～75份；高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉20～30份；石膏粉5～10份。本发明强度生成快，抗压和抗折强度高，抗冲击能力强，1d抗压强度可达到70MPa，抗折强度达到15MPa，28d抗压强度可达到180MPa以上，抗折强度达到35MPa以上；磨耗值小于4.0cm³，制备成本降低80％左右。

Description

一种耐磨超高性能混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于混凝土技术领域，特别是涉及一种耐磨超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术

抗磨蚀问题一直是困扰水泥工业的一个难题，因磨损而引起的停机时间占总停机时间的50％～55％。在水泥工业中，诸多的设备和管道内部长期受到物料或高浓度含尘气体的冲刷过早损坏，使用寿命大大降低。如何提高这些设备和管道的使用寿命，提高设备运转效率和保持生产系统的稳定运行，对于降低生产成本，节约能源具有非常重要意义。

使用耐磨材料对设备和管道进行有效防护是解决抗磨蚀问题的可靠技术途径，因此市场上对高性能以及高性价比的耐磨材料的追求从没有停止过，不断的技术创新材料的应用刻不容缓。目前，在此领域使用最多的耐磨材料是耐磨陶瓷涂料，耐磨陶瓷涂料是一种非金属胶凝材料，具有较好耐磨性和使用效果，但普遍存在强度不高、和易性较差等问题。

超高性能混凝土(简称UHPC)，是最具创新的水泥基新材料，具有超高的强度(150-200MPa)，高抗腐蚀性及耐久性，高韧性及抗冲刷性能，通过对其耐磨性进一步加强，可制成一种耐磨超高性能混凝土，进一步提高材料的强度和硬度，减少材料耐磨性对陶瓷类骨料的依赖程度，大幅度降低耐磨材料的制备成本，提高性价比。

现有用作耐磨材料的主要是一些耐磨陶瓷涂料产品，中国专利公开号CN101054484A公开了一种耐磨陶瓷涂料及其制备方法，其以硅酸盐水泥或者高铝水泥为胶凝材料，采用刚玉、高铝矾土熟料、碳化硅为骨料，以硅微粉或者铝微粉为填充剂，通过添加高效减水剂和钢纤维而制成。中国专利公开号CN109095860A，针对传统耐磨陶瓷涂料耐磨性无法进一步提高的问题，公开了一种新的耐磨陶瓷涂料，其以高铝水泥为粘合剂，以刚玉或碳化硅为骨料，通过添加节能材料、高效减水剂、钢纤维制成，耐磨陶瓷涂料和易性良好，抗折强度高。

上述有关制备耐磨材料的技术手段，主要是依靠刚玉、碳化硅、高铝矾土熟料等陶瓷类骨料的高耐磨性，但陶瓷类骨料的价格昂贵，造成制备成本偏高。使用的胶凝材料也主要是市场上已有的硅酸盐水泥或者高铝水泥，只起到胶结作用，导致胶凝材料硬化浆体的耐磨性不足。，普通的胶凝材料以及材料体系设计致使材料的强度不高，即使在采用高效减水剂减少材料体系水胶比的情况下，材料的28d强度也较低，只能达到100-130MPa。

发明内容

为解决现有耐磨材料在技术上和经济性方面存在的问题，本发明提供了一种可显著提高材料强度、大幅度降低制备成本，还可提高耐磨性的耐磨超高性能混凝土及其制备方法。本发明主要通过设计最紧密堆积的粉体材料体系，使用专用胶凝材料和高效减水剂降低硬化浆体的孔隙率，大幅度提高材料的强度，提供耐磨性高的硬化浆体；使用钢渣、铁尾矿砂等高耐磨性的工业固废及石英砂作骨料，不使用刚玉、碳化硅和煅烧铝矾土熟料等价格昂贵的陶瓷类骨料，显著降低材料制备成本。

本发明是这样实现的，一种耐磨超高性能混凝土，包括如下重量份的原料：专用胶凝材料600～650份；硅灰120～150份；钢渣骨料600～650份；铁尾矿砂300～350份；石英砂240～260份；减水剂15～18份；钢纤维80～100份；水160～180份。

在上述技术方案中，优选的，所述专用胶凝材料，由如下重量份的原料干混均匀得到：硅酸盐水泥熟料粉65～75份；高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉20～30份；石膏粉5～10份。

在上述技术方案中，进一步优选的，所述高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉，为高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料磨细至比表面积为400～450m²/kg得到。

在上述技术方案中，更进一步优选的，所述高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的配料参数为：碱度系数Cm值为1.2～1.4，fCaO为3～5％，fSO₃为2～3％；所述高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料具有如下重量百分比的矿物组成：C₂S矿物含量为45～50％，C₄A₃S矿物含量为20～26％，C₄AF矿物含量为20～25％，CaSO₄矿物含量为3～5％，fCaO矿物含量为2～4％。

在上述技术方案中，进一步优选的，所述硅酸盐水泥熟料粉，由普通硅酸盐水泥熟料磨细至比表面积为350～380m²/kg而得到。

在上述技术方案中，进一步优选的，所述石膏粉，由天然二水石膏、硬石膏或者脱硫石膏磨细至比表面积为380～400m²/kg而得到，所述石膏粉中SO₃含量大于40％。

在上述技术方案中，进一步优选的，所述硅灰中的SiO₂含量大于95％，比表面积不小于20000m²/kg。

在上述技术方案中，进一步优选的，所述钢渣骨料，是将冶金工业产生的固体废渣-钢渣，经过破碎和筛分得到的，使其粒径达到≥1.0mm且≤3.0mm；

所述铁尾矿砂，是将铁矿石选矿中产生的选矿尾矿-铁尾矿，经过烘干和分选得到的，使其粒径为≥0.5mm且≤1.0mm；

在上述技术方案中，进一步优选的，所述石英砂为粒径≤0.5mm的水洗烘干砂；

所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率大于30％；

所述钢纤维为镀铜钢纤维，镀铜钢纤维的长度为10mm-15mm，直径为0.15mm-0.2mm。

上述耐磨超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1)按照配比分别称取专用胶凝材料、硅灰、钢渣骨料、铁尾矿砂、石英砂、减水剂、水、钢纤维；

2)将称取好的专用胶凝材料、硅灰、钢渣骨料、铁尾矿砂、石英砂倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌2-3分钟使之混合均匀；

3)将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入步骤2)得到的混合物中继续搅拌2-5分钟；

4)向步骤3)得到的混合物中倒入钢纤维继续搅拌2-3分钟，得到耐磨超高性能混凝土。

本发明在制备耐磨UHPC时，关键的技术是采用了一种专用胶凝材料，专用胶凝材料由硅酸盐水泥熟料、高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料和石膏复合而成。高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料中含有大量的铁相矿物，其水化产物的耐磨性是硅酸盐水泥熟料水化产物的1.5倍，可使专用胶凝材料硬化浆体的耐磨性相对硅酸盐水泥硬化浆体提高40％左右，从胶凝材料硬化方面提高UHPC材料的耐磨性；同时高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的掺入，显著改善了胶凝材料的粘接性能，促进耐磨UHPC材料和设备或者管道的牢固粘接；高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料中含有少量的游离氧化钙，赋予专用胶凝材料适量的微膨胀性，可减小耐磨超高性能混凝土在施工和使用过程中的开裂，增加使用的耐久性。

本发明在制备耐磨UHPC时，采用了钢渣和铁尾矿砂等耐磨性高的工业固废骨料，未使用刚玉、碳化硅和煅烧铝矾土熟料等价格昂贵的传统耐磨骨料，大幅度降低了耐磨材料的制备成本。本发明耐磨UHPC采用胶凝材料和骨料的双重耐磨性改善机理，在制备成本大幅度降低的情况下，材料的耐磨性可以达到甚至优于市场上现有的耐磨陶瓷涂料。石英砂的加入使耐磨UHPC的工作性能远远优于耐磨陶瓷涂料，促进了耐磨材料在施工过程中的和易性。

与现有用作耐磨材料的耐磨陶瓷涂料技术相比，本发明的耐磨UHPC具有以下优点：

1)本发明主要从胶凝材料方面提高耐磨材料的耐磨性，提供了一种制备耐磨UHPC的专用胶凝材料，和普通硅酸盐水泥相比，可使硬化浆体的耐磨性提高40％左右。

2)本发明提供的高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料，含有大量的铁相矿物，其水化产物的耐磨性是硅酸盐水泥熟料水化产物的1.5倍，是专用胶凝材料耐磨性能显著提高的主要原因，含有的少量游离氧化钙使胶凝材料具有微膨胀效应，可降低耐磨UHPC材料体系的收缩，减小开裂趋势。

3)本发明耐磨UHPC材料强度生成快，抗压和抗折强度高，抗冲击能力强。1d抗压强度可达到70MPa，抗折强度达到15MPa，28d抗压强度可达到180MPa以上，抗折强度达到35MPa以上。而耐磨陶瓷涂料1d抗压强度只有30-40MPa，28d抗压强度只有100-130MPa。

4)本发明耐磨UHPC用作耐磨材料的耐磨性能优异，可达到或者超过耐磨陶瓷涂料的最优级别，耐磨陶瓷涂料产品的耐磨性一般为磨耗值4.0-8.0cm³(按照GB/T18301-2012标准测定)，本发明耐磨UHPC的磨耗值小于4.0cm³，普通的UHPC材料即使强度高达180MPa，其磨耗值仍高达8.0cm³以上，耐磨性还不及耐磨陶瓷涂料。

5)本发明耐磨UHPC不使用刚玉、碳化硅和煅烧铝矾土熟料等价格昂贵且来源稀缺的耐磨骨料，使用了来源广泛的工业固废骨料，耐磨材料的制备成本降低80％左右，有利于新技术的推广和大规模生产应用。

6)本发明耐磨UHPC粘结强度高，与设备或者管道之间的粘接牢固，收缩小，体积稳定性好，不会由于产生收缩裂缝而进行二次修补，减少耐磨材料对龟甲网施工的依赖，甚至在施工时可不使用龟甲网。

7)本发明耐磨UHPC的和易性和粘聚性等工作性能更好，可方便施工或者提高施工质量。

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。

实施例1高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉的制备

按表1所示的生料重量配比和配料率值，研磨获得细度为0.08mm，筛余小于8％的1.0吨生料，经回转窑1310℃煅烧后，获得0.74吨(生料烧失量为26％)的高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料，经过研磨获得比表面积为400～450m²/kg的高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉。

表1生料配比和配料率值

高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的矿物组成，见表2所示。

表2高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料矿物组成

按照标准GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》、GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》和JC/T421-2004《水泥胶砂耐磨性试验方法》测得的高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的物理性能，见表3所示。

表3高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料物理性能

从表3可以看出，高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料在具有较高的物理强度和较低的需水量的情况下，水泥胶砂耐磨性非常优异，磨损量只有0.12kg/m²左右，只相当于普通硅酸盐水泥的1/5。因此，将高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料掺入到硅酸盐水泥熟料中，形成专用胶凝材料，可显著降低胶凝材料的胶砂磨损量，提高耐磨性。

实施例2专用胶凝材料的制备

按照表4所示重量配比将各组分依次加入干粉混合机中，经过充分均匀混合得到耐磨UHPC专用胶凝材料。

表4专用胶凝材料的重量配比

按标准GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》、GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》，对上述几组专用胶凝材料的物理性能进行了测定，按JC/T421-2004《水泥胶砂耐磨性试验方法》对其胶砂耐磨性进行了测定，结果如表5所示。

表5专用胶凝材料物理性能

从表5可以看出，以硅酸盐水泥熟料，高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料和适量石膏组成的专用胶凝材料，抗折强度明显高于硅酸盐水泥，耐磨性相对硅酸盐水泥显著的提高了40％(28d胶砂磨损值相对下降40％左右)，这为从胶凝材料方面提高耐磨UHPC材料的耐磨性提供可靠技术支撑。

实施例3耐磨UHPC材料的制备

本实施例中，硅灰中的SiO₂含量大于95％，比表面积不小于20000m²/kg。钢渣骨料，是将冶金工业产生的固体废渣-钢渣，经过破碎和筛分，使其粒径达到≥1.0mm且≤3.0mm；铁尾矿砂，是将铁矿石选矿中产生的选矿尾矿-铁尾矿，经过烘干和分选得到的，使其粒径为≥0.5mm且≤1.0mm；石英砂为粒径≤0.5mm的水洗烘干砂；减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率大于30％；镀铜钢纤维的长度为10mm-15mm，直径为0.15mm-0.2mm。

组号1：

按以下重量称取各原料组分：专用胶凝材料650g；硅灰150g；钢渣骨料620g；铁尾矿砂350g；石英砂250g；减水剂15g；镀铜钢纤维80g；水170g。

其制备方法是：将专用胶凝材料、硅灰、钢渣骨料、铁尾矿砂、石英砂，倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌2分钟使之混合均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌3分钟；再向混合物中倒入镀铜钢纤维继续搅拌2分钟，得到耐磨UHPC混合料。

组号2：

按以下重量称取各原料组分：按以下重量称取各原料组分：专用胶凝材料650g；硅灰120g；钢渣骨料600g；铁尾矿砂350g；石英砂260g；减水剂16g；镀铜钢纤维90g；水160g。

其制备方法是：将专用胶凝材料、硅灰、钢渣骨料、铁尾矿砂、石英砂，倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌2分钟使之混合均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌3分钟；再向混合物中倒入镀铜钢纤维继续搅拌2分钟，得到耐磨UHPC混合料。

组号3：

按以下重量称取各原料组分：按以下重量称取各原料组分：专用胶凝材料620g；硅灰140g；钢渣骨料620g；铁尾矿砂340g；石英砂240g；减水剂18g；镀铜钢纤维100g；水180g。

其制备方法是：将专用胶凝材料、硅灰、钢渣骨料、铁尾矿砂、石英砂，倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌2分钟使之混合均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌3分钟；再向混合物中倒入镀铜钢纤维继续搅拌2分钟，得到耐磨UHPC混合料。

组号4：

按以下重量称取各原料组分：按以下重量称取各原料组分：专用胶凝材料600g；硅灰120g；钢渣骨料650g；铁尾矿砂300g；石英砂260g；减水剂17g；镀铜钢纤维90g；水175g。

其制备方法是：将专用胶凝材料、硅灰、钢渣骨料、铁尾矿砂、石英砂，倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌2分钟使之混合均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌3分钟；再向混合物中倒入镀铜钢纤维继续搅拌2分钟，得到耐磨UHPC混合料。

对比1(普通UHPC)：

按以下重量称取各原料组分：硅酸盐水泥800g；硅灰140g；Ⅰ级粉煤灰160g；镀铜钢纤维156g；减水剂16.5g；石英砂990g；水185g。

其制备方法是：将硅酸盐水泥、硅灰、Ⅰ级粉煤灰、石英砂，倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌2分钟使之混合均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌3分钟；再向混合物中倒入镀铜钢纤维继续搅拌2分钟，得到普通UHPC混合料。

对比2(耐磨陶瓷涂料)：

按以下重量称取各原料组分：硅酸盐水泥760g；煅烧铝矾土熟料骨料640g；棕刚玉骨料300g；碳化硅骨料300g；镀铜钢纤维100g；萘系减水剂10g；水220g。

其制备方法是：将硅酸盐水泥、煅烧铝矾土熟料骨料、棕刚玉骨料、碳化硅骨料，倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌2分钟使之混合均匀；将萘系减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入上述混合物中继续搅拌3分钟；再向混合物中倒入镀铜钢纤维继续搅拌2分钟，得到耐磨陶瓷涂料混合料。

对各组号耐磨UHPC以及两种对比样的耐磨性和强度进行测定，结果如表6所示。耐磨性按GB/T18301-2012《耐火材料常温耐磨性试验方法》进行，抗压强度和抗折强度根据标准GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行测试，试块为40mm×40mm×160mm棱柱体。

表6各组号耐磨UHPC的物理性能

从表6可以看出，采用本发明的专用胶凝材料，通过固废骨料的匹配以及粉体材料最紧密堆积设计思路制备的耐磨HUPC，与现有耐磨材料(对比2)相比较，在耐磨性能达到或者稍优的情况下，强度大幅度提高，28d强度可提高50％左右，这对于实际使用过程中耐磨材料的抗冲击性有很大的帮助，因不使用刚玉、碳化硅、煅烧铝矾土熟料等价格昂贵的骨料，耐磨UHPC的制备成本可相对耐磨陶瓷涂料大幅度降低，可降低80％以上；与现有普通UHPC材料(对比1)相比，在强度基本相同的情况下，材料的耐磨性能大幅度提高，磨耗量可降低55％左右。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种耐磨超高性能混凝土，其特征在于：包括如下重量份的原料：专用胶凝材料600～650份；硅灰120～150份；钢渣骨料600～650份；铁尾矿砂300～350份；石英砂240～260份；减水剂15～18份；钢纤维80～100份；水160～180份；

所述专用胶凝材料，由如下重量份的原料干混均匀得到：硅酸盐水泥熟料粉65～75份；高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉20～30份；石膏粉5～10份；

所述高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料粉，为高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料磨细至比表面积为400～450m²/kg得到；

所述高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的配料参数为：碱度系数Cm值为1.2～1.4，fCaO为3～5％，fSO₃为2～3％；所述高铁高贝利特硫铝酸盐水泥熟料具有如下重量百分比的矿物组成：C₂S矿物含量为45～50％，

矿物含量为20～26％，C₄AF矿物含量为20～25％，CaSO₄矿物含量为3～5％，fCaO矿物含量为2～4％。

2.根据权利要求1所述的耐磨超高性能混凝土，其特征在于：所述硅酸盐水泥熟料粉，由普通硅酸盐水泥熟料磨细至比表面积为350～380m²/kg而得到。

3.根据权利要求1所述的耐磨超高性能混凝土，其特征在于：所述石膏粉，由天然二水石膏、硬石膏或者脱硫石膏磨细至比表面积为380～400m²/kg而得到，所述石膏粉中SO₃含量大于40％。

4.根据权利要求1所述的耐磨超高性能混凝土，其特征在于：所述硅灰中的SiO₂含量大于95％，比表面积不小于20000m²/kg。

5.根据权利要求1所述的耐磨超高性能混凝土，其特征在于：所述钢渣骨料，是将冶金工业产生的固体废渣-钢渣，经过破碎和筛分得到的，使其粒径达到≥1.0mm且≤3.0mm；

所述铁尾矿砂，是将铁矿石选矿中产生的选矿尾矿-铁尾矿，经过烘干和分选得到的，使其粒径为≥0.5mm且≤1.0mm；

6.根据权利要求1所述的耐磨超高性能混凝土，其特征在于：所述石英砂为粒径≤0.5mm的水洗烘干砂；

所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率大于30％；

所述钢纤维为镀铜钢纤维，镀铜钢纤维的长度为10mm-15mm，直径为0.15mm-0.2mm。

7.一种如权利要求1所述的耐磨超高性能混凝土的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)按照配比分别称取专用胶凝材料、硅灰、钢渣骨料、铁尾矿砂、石英砂、减水剂、水、钢纤维；

2)将称取好的专用胶凝材料、硅灰、钢渣骨料、铁尾矿砂、石英砂倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌2-3分钟使之混合均匀；

3)将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入步骤2)得到的混合物中继续搅拌2-5分钟；

4)向步骤3)得到的混合物中倒入钢纤维继续搅拌2-3分钟，得到耐磨超高性能混凝土。