CN113651583A - 一种高强高韧的抗冲磨混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强高韧的抗冲磨混凝土及其制备方法，高强高韧的抗冲磨混凝土包括水120～140kg/m3、水泥240～350kg/m3、硅粉15～25kg/m3、粉煤灰60～96kg/m3、纤维1.5～5.0kg/m3、砂600～720kg/m3、碎石1220～1290kg/m3、减水剂2.10～3.60kg/m3及引气剂0.012～0.028kg/m3；先将水泥，硅粉，粉煤灰，纤维，砂，碎石按比例加入混合容器中进行搅拌90～120s，然后向上述所得混合物加入水、引气剂和减水剂，充分混合搅拌80～90s，即可得到所述的高强高韧抗冲耐磨混凝土；本发明具有强度高、韧性好、抗冲磨性能好的优点及显著的技术经济效益，同时也会大大降低后期运行和维修的费用。

Description

一种高强高韧的抗冲磨混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于水利水电工程施工技术领域，具体涉及一种高强高韧的抗冲磨混凝土及其制备方法。
背景技术
我国运行中的大坝泄水建筑物有70％存在不同程度的冲磨破坏问题。在高速含沙水流条件下，大批高坝混凝土结构的抗冲磨破坏问题越来越突出，因此，我国每年都需要大量的资金来修复磨蚀损伤。混凝土的抗冲耐磨性能对水利建筑的使用寿命和长期可靠运行有显著影响，如何提高混凝土的抗冲耐磨性已经成为我国水电行业的重点。
混凝土的抗冲耐磨性主要取决于混凝土的抗压强度。选用质地坚硬耐磨的骨料、粗骨料比例尽量较高、或者选择适宜的胶凝材料(包括水泥、矿物掺和料如硅粉)以及化学外加剂(如聚羧酸系减水剂)等原材料优化混凝土配合比，来提高水工混凝土的抗压强度，进而提高水工混凝土的抗冲耐磨性能。
然而，从宏观力学机制上看，与混凝土抗冲磨性能相关的参数主要是材料的硬度与韧性，而这两者又常常是相互矛盾的一对指标，需要在设计冲磨材料时考虑二者的平衡。譬如采用降低水胶比或掺用硅粉等措施，尽管可以有效提高混凝土的抗压强度，但是混凝土的干缩会大大增加，韧性降低，容易导致混凝土开裂，降低混凝土的抗冲耐磨性。几十年的工程实际表明，强度等级高的混凝土裂缝多于强度低的部位，研究开发不裂或少裂的高强高韧抗冲磨混凝土，是解决混凝土冲磨破坏问题的途径，而目前尚未见到很好的解决方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高强高韧的抗冲磨混凝土及其制备方法，能够解决上述背景中出现的冲磨破坏问题，具有强度高、韧性好的优点及显著的技术经济效益，同时也会大大降低后期运行和维修的费用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强高韧的抗冲磨混凝土，包括以下组份的原材料：
水：120～140kg/m3；
水泥：240～350kg/m3；
硅粉：15～25kg/m3；
粉煤灰：60～96kg/m3；
纤维：1.5～5.0kg/m3；
砂：600～720kg/m3；
碎石：1220～1290kg/m3；
减水剂：2.10～3.60kg/m3；
引气剂：0.012～0.024kg/m3。
所述水泥为满足GB175－2007《通用硅酸盐水泥》技术要求的普通硅酸盐水泥。
所述的硅粉满足GB/T 18736-2002《高强高性能混凝土用矿物外加剂》技术要求。
所述的纤维为聚合物类纤维，包括PP聚丙烯纤维、PVA聚乙烯醇纤维或PAN聚丙烯腈纤维；所述的纤维的长度为10～20mm，直径为24～40μm，长径比＞240。
所述粉煤灰为满足DL/T 5055-2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》技术要求的F类I级粉煤灰。
所述的碎石满足DL/T5144－2001《水工混凝土施工规范》的粗骨料技术要求；碎石由中石和小石组成，中石粒径20mm～40mm，小石粒径5mm～20mm，中石和小石的表观密度≥2550kg/m3。
所述的砂满足DL/T5144－2001《水工混凝土施工规范》的技术要求；砂的细度模数为2.4～2.8。
所述的减水剂和引气剂为满足GB 8076-2008《混凝土外加剂》技术要求。
一种高强高韧的抗冲磨混凝土的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，将普通硅酸盐水泥240～350kg/m3，硅粉15～25kg/m3，粉煤灰60～96kg/m3，砂600～720kg/m3，碎石1220～1290kg/m3，以及1.5～5.0kg/m3纤维，依次加入到混合容器中，均匀搅拌90～120s，得到干料混合物；
步骤2，向步骤1所得的干料混合物中依次加入水120～140kg/m3，引气剂0.012～0.028kg/m3和减水剂2.10～3.60kg/m3，充分混合搅拌80～90s，然后搅拌得到拌合物，即可得到所述的高强高韧抗冲耐磨混凝土。
本发明有益效果如下：
1、提高混凝土的强度
本发明通过掺加硅粉来提高混凝土的强度。硅粉是一种高度火山灰材料，在水泥水化的早期阶段，也能显著参与反应。除此之外，硅粉还具有填充效应，可以填充混凝土的孔隙和空隙，可以细化混凝土的孔隙结构并加速水泥的水化作用，有效提高混凝土的强度。
2、提高混凝土的韧性
本发明加入纤维作为增韧材料。混凝土中掺入纤维后，大量的纤维乱向均匀分布在混凝土中，纤维可在混凝土内形成三维有力的空间支撑体系，改善混凝土的内在结构，混凝土早期塑性收缩裂缝产生过程中遇到纤维的阻挡，裂缝的产生和发展受到一定的阻力,减少混凝土的开裂风险。此外，混凝土中掺入纤维后，增强水泥石与骨料之间的界面黏结力，从而有效提高混凝土的韧性。
将本发明的高强高韧的抗冲耐磨混凝土用于水利工程等重要的建筑物中，在确保水利建筑安全的前提下，起到了提高强度、韧性和抗冲耐磨性等的效果，具有显著的技术经济效益，同时也会大大降低后期运行和维修的费用。
具体实施方式
实施例1
一种高强高韧的抗冲磨混凝土，包括以下组份的原材料：
水：128kg/m3；
普通硅酸盐水泥：274kg/m3；
硅粉：18kg/m3；
粉煤灰：73kg/m3；
纤维：1.5kg/m3；
砂：653kg/m3；
碎石：1282kg/m3；
减水剂：2.19kg/m3；
引气剂：0.018kg/m3。
一种高强高韧的抗冲磨混凝土的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，将普通硅酸盐水泥274kg/m3，硅粉18kg/m3，粉煤灰73kg/m3，砂653kg/m3，碎石1282kg/m3，以及1.5kg/m3纤维，依次加入到混合容器中，均匀搅拌90～120s，得到干料混合物；
步骤2，向步骤1所得的干料混合物中依次加入水128kg/m3，引气剂0.018kg/m3和减水剂2.19kg/m3，充分混合搅拌80～90s，然后搅拌得到拌合物，即可得到所述的高强高韧抗冲耐磨混凝土。
表1抗冲耐磨混凝土配合比(kg/m3)
强度等级 水 水泥 硅粉 纤维 粉煤灰 砂 石 减水剂 引气剂
C50 128 274 18 1.5 73 653 1282 2.19 0.018
表2抗冲耐磨混凝土基本性能
Figure BDA0003287100250000051
注*：根据CECS13-2009《纤维混凝土试验方法标准》进行混凝土的弯曲韧性试验。其中δ代表挠度；I10是指跨中挠度为5.5δ的弯曲韧性指数。
实施例2
一种高强高韧的抗冲磨混凝土，包括以下组份的原材料：
水：130kg/m3；
普通硅酸盐水泥：279kg/m3；
硅粉：19kg/m3；
粉煤灰：74kg/m3；
纤维：3.0kg/m3；
砂：630kg/m3；
碎石：1275kg/m3；
减水剂：2.60kg/m3；
引气剂：0.019kg/m3。
一种高强高韧的抗冲磨混凝土的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，将普通硅酸盐水泥279kg/m3，硅粉10kg/m3，粉煤灰74kg/m3，砂630kg/m3，碎石1275kg/m3，以及3.0kg/m3纤维，依次加入到混合容器中，均匀搅拌90～120s，得到干料混合物；
步骤2，向步骤1所得的干料混合物中依次加入水130kg/m3，引气剂0.019kg/m3和减水剂2.60kg/m3，充分混合搅拌80～90s，然后搅拌得到拌合物，即可得到所述的高强高韧抗冲耐磨混凝土。
表3抗冲耐磨混凝土配合比(kg/m3)
强度等级 水 水泥 硅粉 纤维 粉煤灰 砂 石 减水剂 引气剂
C50 130 279 19 3.0 74 650 1275 2.60 0.019
表4抗冲耐磨混凝土基本性能
Figure BDA0003287100250000061
Figure BDA0003287100250000071
实施例3
一种高强高韧的抗冲磨混凝土，包括以下组份的原材料：
水：132kg/m3；
普通硅酸盐水泥：283kg/m3；
硅粉：19kg/m3；
粉煤灰：75kg/m3；
纤维：4.5kg/m3；
砂：646kg/m3；
碎石：1267kg/m3；
减水剂：3.02kg/m3；
引气剂：0.019kg/m3。
一种高强高韧的抗冲磨混凝土的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，将普通硅酸盐水泥283kg/m3，硅粉19kg/m3，粉煤灰75kg/m3，砂646kg/m3，碎石1267kg/m3，以及4.5kg/m3纤维，依次加入到混合容器中，均匀搅拌90～120s，得到干料混合物；
步骤2，向步骤1所得的干料混合物中依次加入水132kg/m3，引气剂0.019kg/m3和减水剂3.02kg/m3，充分混合搅拌80～90s，然后搅拌得到拌合物，即可得到所述的高强高韧抗冲耐磨混凝土。
表5抗冲耐磨混凝土配合比(kg/m3)
强度等级 水 水泥 硅粉 纤维 粉煤灰 砂 石 减水剂 引气剂
C50 132 283 19 4.5 75 646 1267 3.02 0.019
表6抗冲耐磨混凝土基本性能
Figure BDA0003287100250000081
实施例4
一种高强高韧的抗冲磨混凝土，包括以下组份的原材料：
水：129kg/m3；
普通硅酸盐水泥：323kg/m3；
硅粉：22kg/m3；
粉煤灰：86kg/m3；
纤维：1.5kg/m3；
砂：632kg/m3；
碎石：1240kg/m3；
减水剂：3.44kg/m3；
引气剂：0.022kg/m3。
一种高强高韧的抗冲磨混凝土的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，将普通硅酸盐水泥323kg/m3，硅粉22kg/m3，粉煤灰86kg/m3，砂632kg/m3，碎石1240kg/m3，以及1.5kg/m3纤维，依次加入到混合容器中，均匀搅拌90～120s，得到干料混合物；
步骤2，向步骤1所得的干料混合物中依次加入水129kg/m3，引气剂0.022kg/m3和减水剂3.44kg/m3，充分混合搅拌80～90s，然后搅拌得到拌合物，即可得到所述的高强高韧抗冲耐磨混凝土。
表7抗冲耐磨混凝土配合比(kg/m3)
强度等级 水 水泥 硅粉 纤维 粉煤灰 砂 石 减水剂 引气剂
C60 129 323 22 1.5 86 632 1240 3.44 0.022
表8抗冲耐磨混凝土基本性能
Figure BDA0003287100250000091
实施例5
一种高强高韧的抗冲磨混凝土，包括以下组份的原材料：
水：131kg/m3；
普通硅酸盐水泥：328kg/m3；
硅粉：22kg/m3；
粉煤灰：87kg/m3；
纤维：3.0kg/m3；
砂：628kg/m3；
碎石：1232kg/m3；
减水剂：3.49kg/m3；
引气剂：0.022kg/m3。
一种高强高韧的抗冲磨混凝土的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，将普通硅酸盐水泥328kg/m3，硅粉22kg/m3，粉煤灰87kg/m3，砂628kg/m3，碎石1232kg/m3，以及3.0kg/m3纤维，依次加入到混合容器中，均匀搅拌90～120s，得到干料混合物；
步骤2，向步骤1所得的干料混合物中依次加入水131kg/m3，引气剂0.022kg/m3和减水剂3.49kg/m3，充分混合搅拌80～90s，然后搅拌得到拌合物，即可得到所述的高强高韧抗冲耐磨混凝土。
表9抗冲耐磨混凝土配合比(kg/m3)
强度等级 水 水泥 硅粉 纤维 粉煤灰 砂 石 减水剂 引气剂
C60 131 328 22 3.0 87 628 1232 3.49 0.022
表10抗冲耐磨混凝土基本性能
Figure BDA0003287100250000101
实施例6
一种高强高韧的抗冲磨混凝土，包括以下组份的原材料：
水：133kg/m3；
普通硅酸盐水泥：333kg/m3；
硅粉：22kg/m3；
粉煤灰：89kg/m3；
纤维：4.5kg/m3；
砂：624kg/m3；
碎石：1224kg/m3；
减水剂：3.55kg/m3；
引气剂：0.022kg/m3。
一种高强高韧的抗冲磨混凝土的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，将普通硅酸盐水泥333kg/m3，硅粉22kg/m3，粉煤灰89kg/m3，砂624kg/m3，碎石1224kg/m3，以及4.5kg/m3纤维，依次加入到混合容器中，均匀搅拌90～120s，得到干料混合物；
步骤2，向步骤1所得的干料混合物中依次加入水131kg/m3，引气剂0.022kg/m3和减水剂3.55kg/m3，充分混合搅拌80～90s，然后搅拌得到拌合物，即可得到所述的高强高韧抗冲耐磨混凝土。
表11抗冲耐磨混凝土配合比(kg/m3)
强度等级 水 水泥 硅粉 纤维 粉煤灰 砂 石 减水剂 引气剂
C60 133 333 22 4.5 89 624 1224 3.55 0.022
表12抗冲耐磨混凝土基本性能
Figure BDA0003287100250000111
根据DL/T 5150－2001《水工混凝土试验规程》相关规定对所制备的抗冲耐磨混凝土进行抗压强度、劈裂抗拉强度、干燥收缩和抗冲磨(水下钢球法)等试验，；根据CECS13-2009《纤维混凝土试验方法标准》的相关规定对所制备的抗冲耐磨混凝土进行弯曲韧性试验，参见表1至表12。
可以看出，本发明所述的高强高韧的抗裂抗冲磨混凝土，有效提高了混凝土的强度和韧性，进而提高了混凝土的抗冲耐磨性能。本发明所述的抗冲耐磨混凝土优于现有技术中普通硅酸水泥或未掺纤维所制备的混凝土。

Claims (10)

1.一种高强高韧的抗冲磨混凝土，其特征在于：包括以下组份的原材料：
水：120～140kg/m3；
水泥：240～350kg/m3；
硅粉：15～24kg/m3；
粉煤灰：60～96kg/m3；
纤维：1.5～5.0kg/m3；
砂：600～720kg/m3；
碎石：1220～1290kg/m3；
减水剂：2.10～3.60kg/m3；
引气剂：0.012～0.024kg/m3。
2.根据权利要求1所述的一种高强高韧的抗冲磨混凝土，其特征在于：所述水泥为满足GB175－2007《通用硅酸盐水泥》技术要求的普通硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的一种高强高韧的抗冲磨混凝土，其特征在于：所述的硅粉为满足GB/T 18736-2002《高强高性能混凝土用矿物外加剂》技术要求的硅粉。
4.根据权利要求1所述的一种高强高韧的抗冲磨混凝土，其特征在于：所述的纤维为聚合物类纤维，包括PP聚丙烯纤维、PVA聚乙烯醇纤维或PAN聚丙烯腈纤维；所述的纤维的长度为10～20mm，直径为24～40μm，长径比＞240。
5.根据权利要求1所述的一种高强高韧的抗冲磨混凝土，其特征在于：所述粉煤灰为满足DL/T 5055-2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》技术要求的F类I级粉煤灰。
6.所述的碎石满足DL/T5144－2001《水工混凝土施工规范》的粗骨料技术要求。碎石由中石和小石组成中石粒径20mm～40mm，小石粒径5mm～20mm，中石和小石的表观密度≥2550kg/m3。
7.所述的砂满足DL/T5144－2001《水工混凝土施工规范》的技术要求；砂的细度模数为2.4～2.8。
8.根据权利要求1所述的一种高强高韧的抗冲磨混凝土，其特征在于：所述的减水剂和引气剂满足GB 8076-2008《混凝土外加剂》技术要求的减水剂和引气剂。
9.基于权利要求1至8任一权利要求所述的一种高强高韧的抗冲磨混凝土的制备方法，其特征在于：
具体包括如下步骤：
步骤1，将普通硅酸盐水泥240～350kg/m3，硅粉15～25kg/m3，粉煤灰60～96kg/m3，砂600～720kg/m3，碎石1220～1290kg/m3，以及1.5～5.0kg/m3纤维，依次加入到混合容器中，均匀搅拌90～120s，得到干料混合物；
步骤2，向步骤1所得的干料混合物中依次加入水120～140kg/m3，引气剂0.012～0.028kg/m3和减水剂2.10～3.60kg/m3，充分混合搅拌80～90s，然后搅拌得到拌合物，即可得到所述的高强高韧抗冲耐磨混凝土。
10.根据权利要求9所述的一种高强高韧的抗冲磨混凝土的制备方法，其特征在于：
步骤1，将普通硅酸盐水泥274kg/m3，硅粉18kg/m3，粉煤灰73kg/m3，砂653kg/m3，碎石1282kg/m3，以及1.5kg/m3纤维，依次加入到混合容器中，均匀搅拌90～120s，得到干料混合物；
步骤2，向步骤1所得的干料混合物中依次加入水128kg/m3，引气剂0.018kg/m3和减水剂2.19kg/m3，充分混合搅拌80～90s，然后搅拌得到拌合物，即可得到所述的高强高韧抗冲耐磨混凝土。
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