CN113912310B - 一种污水管道用高耐蚀磷酸镁水泥混凝土及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种污水管道用高耐蚀磷酸镁水泥混凝土，该混凝土是以改性磷酸镁水泥作为胶凝材料，石英岩或玄武岩作为集料，自来水为拌合水；其中，改性磷酸镁水泥包括以下重量份原料：氧化镁30～45份、磷酸盐12～15份、缓凝组分2～8份、铝硅质掺合料20～30份、改性组分12～20份。本发明所提出的高耐蚀磷酸镁水泥混凝土可直接用于浇筑成型污水管道，也可作为普通硅酸盐水泥混凝土主管道的内衬砌。本发明的高耐蚀长寿命磷酸镁水泥混凝土污水管道，在污水环境下的抗腐蚀性明显优于以传统硅酸盐水泥混凝土污水管道，且具有制备工艺简单，流变性能可控、早期强度发展快、干燥收缩小甚至无收缩等优异性能。

Description

一种污水管道用高耐蚀磷酸镁水泥混凝土及制备方法
技术领域
本发明属于水泥及混凝土技术领域，具体涉及一种高耐蚀磷酸镁水泥混凝土及其应用。
背景技术
城市污水管道是市政重要的基础设施，对城市生态、人居环境、人与自然和谐发展有着重要的作用。近年来，随着人民生活水平提升、经济社会飞速发展，藏污纳垢的城市生活污水管道也经历着一系列变化，总体趋势是污水成分更加复杂、侵蚀离子种类多变、腐蚀风险明显加剧。目前市政污水管道施工多采用硅酸盐水泥混凝土作为管道胶结材料，而水泥混凝土典型特点是碱性环境下水化硬化，当受到酸性腐蚀因子反复冲刷时，碱性组分会发生一定的溶蚀作用，这是普通硅酸盐水泥混凝土管道性能劣化的主要原因。处于地下环境的污水管道还受到微生物、细菌等的腐蚀作用，会加速混凝土污水管道的腐蚀开裂破坏，造成污水污泥的渗漏，对水源和土壤环境带来严重危害。
目前污水中对混凝土管道腐蚀最为严重的是H2S，同时微生物如硫氧化细菌的作用下转化成硫酸，这一转化使得酸性增强，是导致混凝土管道性能劣化的化学因素。如何开发一种水泥，能将上述腐蚀因子进行化学固化，或者一种新型水泥混凝土能在酸性环境甚至酸性水拌合下水化硬化并获得足够的强度，将是混凝土污水管道需要寻找的理想材料。
综上，传统硅酸盐水泥混凝土作为污水管道材料面临腐蚀风险，需要提出切实可行的提高硅酸盐水泥混凝土管道耐蚀性的技术措施，寻找新型耐蚀水泥基材料能实现腐蚀因子的原位化学固化，或者该水泥基材料能在酸性环境下水化硬化，降低污水管道维修更换次数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高耐蚀磷酸镁水泥混凝土及其作为污水管道材料的应用，借助磷酸镁水泥酸碱反应对腐蚀因子的化学固化及其超强的耐腐蚀性能，提高污水管道的抗腐蚀性能，减少污水管道维修或更换的次数。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高耐蚀磷酸镁水泥混凝土污水管道，其制备原料包括以下组分：改性磷酸镁水泥作为胶凝材料，石英岩或玄武岩作为集料，自来水为拌合水；所述改性磷酸镁水泥包括以下重量份原料：氧化镁30～45份、磷酸盐12～15份、缓凝组分2～8份、铝硅质掺合料20～30份、改性组分12～20份。
其中所述磷酸盐为磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠中至少一种或两种、三种的复合磷酸盐。所述氧化镁为重烧氧化镁。所述铝硅质掺合料为高铝粉煤灰、偏高岭土、低钙循环流化床固硫灰和煅烧黏土中至少一种。所述改性材料为γ-Al2O3、C4A3S、C4AF、C7A5M矿相中至少一种，以上含铝质矿相采用高温烧结的方式获得的制备，其中C是CaO的缩写，A代表的是Al2O3，M代表MgO， F代表的是Fe2O3，S代表的是SO3。上述改性材料均是高活性的铝酸盐矿物，与水拌合在中性环境下即可发生化学反应，引入磷酸镁水泥体系与其他组分相互作用，形成新型水化产物。因此，高活性铝酸盐矿物的引入可以改变传统磷酸镁水泥单一以鸟粪石为主的水化产物组成，形成新型水化产物，赋予磷酸镁水泥良好的水化硬化性能同时显著提升磷酸镁水泥的耐水性能，满足污水管道长期腐蚀因子和大量水源的持续冲刷对管道用混凝土高耐腐蚀的要求。
上述改性材料除γ-Al2O3可通过市售途径购买外，C4A3S、C4AF、C7A5M矿相均需要将原材料按照一定比例混合并经高温烧成获得。具体制备方法如下：
S1、以碳酸钙、氧化铝、石膏、白云石、菱镁矿作为原材料，C4A3S、C4AF、C7A5M矿相烧成所需要的原材料进行选择，按照各自矿相的化学比例称取原材料并混合粉磨均匀。
S2、将混合均匀的生料，在1200~1400℃范围内煅烧，得到对应的矿相。传统的工业窑炉、实验室高温炉及其他提供上述温度范围的加热装置均可用于上述矿相的制备。
S3、将上述烧成物料投入球磨机粉磨至规定细度，通常粒径不大于75μm。
一种高耐蚀磷酸镁水泥混凝土污水管道，制备方法包括如下生产步骤：
S1、胶凝材料的准备，将以下重量份原料准确称量：氧化镁30～45份、磷酸盐12～15份、缓凝组分2～8份、铝硅质掺合料20～30份、改性组分12～20份；
S2、混凝土的配制，混凝土各组分的相应参数为：水胶重量比为0.12～0.18、胶凝材料与集料的重量比为1:0.8～1:1.2，细集料与粗集料的重量比为1:1～1:1.5。将磷酸镁胶凝材料与自来水拌合向拌合好的净浆中逐步加入细集料、粗集料，采用强制式混凝土搅拌机搅拌，整个过程控制在4分钟以内，得到大流态磷酸镁混凝土。
S3、混凝土成型与养护，将拌合结束的磷酸镁混凝土浇筑到布置的污水混凝土模板中，无需特殊的养护方式，养护至少7d后接触水源环境。
所述胶凝材料、集料与淡水混合并搅拌均匀，直接用于浇筑成型污水混凝土管道。
磷酸镁水泥还具有优异的粘接性能，尤其是在环形约束状态下，磷酸镁水泥与基体的粘接强度是硅酸盐水泥的2倍左右。在综合考虑建造成本的前提下，可以采用磷酸镁与硅酸盐水泥混凝土的组合结构，构成一套硅酸盐混凝土作为外环形支撑，磷酸镁水泥混凝土作为内衬砌，以充分利用磷酸镁混凝土的高耐腐蚀和高粘结强度。
所述磷酸镁与硅酸盐水泥混凝土的组合结构，将新型磷酸镁水泥材料、集料与淡水按照混凝土配合比设计混合并搅拌均匀，采用整体浇筑作为普通硅酸盐水泥混凝土主管道的内衬砌。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明充分利用磷酸镁水泥本身高耐腐蚀、及对腐蚀因子H2S的化学固化，实现污水管道的耐腐蚀性能显著提升。本发明还针对传统磷酸镁水泥耐水性差的问题，创新性提出在磷酸镁水泥混凝土中引入高活性铝酸盐矿物，形成新型水化产物，改变磷酸镁水泥单一的水化产物组成，这对磷酸镁水泥性能提升，尤其是解决磷酸镁水泥耐水性能差的问题，满足磷酸镁水泥混凝土污水管道耐腐蚀和耐水冲刷的要求。
相比普通硅酸盐水泥混凝土污水管道，磷酸镁水泥基材料还有优异的耐磨性能，其耐磨性指数通常比普通硅酸盐水泥混凝土高2倍以上，这意味着作为污水管道用磷酸镁混凝土将能抵抗水泥的冲刷，提高污水管道的使用寿命。
本发明提供的磷酸镁水泥或改性磷酸镁水泥作为污水管道混凝土的胶凝材料，其自身还有良好的耐钢筋锈蚀性能。
本发明提供的磷酸镁水泥混凝土的收缩变形显著低于硅酸盐水泥混凝土，甚至可以配制无收缩微膨胀特性的磷酸镁混凝土，这对污水管道的本征防腐是有利的。磷酸镁水泥混凝土自身还有非常好的粘结性能，在综合考量材料成本情况下，采用磷酸镁水泥混凝土作为硅酸盐混凝土污水管道的内衬砌也是可行的。在磷酸镁-硅酸盐水泥混凝土的内衬砌界面，会发生两种水泥体系的水化产物的渗透、形成新型的水化产物，使得组合混凝结构更加密实，抑制混凝土自身干缩的作用大于自收缩效应，混凝土耐久性能良好。
附图说明
图1为实施例1和对比例1中立方体混凝土试块的质量损失随暴露时间延长的变化关系。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
本发明实施例所用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
本发明实施例所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
一种高耐蚀磷酸镁水泥混凝土污水管道用磷酸镁胶凝材料，包括以下生产步骤：
（1）磷酸镁胶凝材料准备，所述磷酸镁胶凝材料组分比例为：40份氧化镁、18份磷酸二氢铵、8份硼砂、20份偏高岭土、12份改性组分C4AF。
（2）磷酸镁混凝土的配制，水胶比为0.16、胶凝材料与集料比值为1:1，细集料与粗集料比值为1:1、首先搅拌磷酸镁水泥净浆，将称量好磷酸镁水泥先慢速搅拌1分钟，然后快速搅拌1分钟后，依次投入细集料和粗集料，快速搅拌2分钟，得到磷酸镁水泥混凝土。
（3）混凝土浇筑与养护，将磷酸镁混凝土浇筑到组装的混凝土模板中，配筋率与传统硅酸盐混凝土一致，于常温环境下养护至少7d。养护期间无需特殊的养护方式，主要不要接触水源，遇到下雨天时注意塑料薄膜覆盖。
实施例2
一种高耐蚀磷酸镁水泥混凝土污水管道用磷酸镁胶凝材料，磷酸镁水泥的组分比例为：40份氧化镁、18份磷酸二氢铵、7份硼砂、15份超细粉煤灰、20份改性组分C4A3S；混凝土配制的组分比例为：水胶比0.14、胶集比为1:0.8、粗集料与细集料比例为1:1，其中粗集料的最大粒径2cm。
磷酸镁混凝土的配制主要包括以下步骤：
（1）磷酸镁胶凝材料准备，按照上述组分比例准确称量原材料。
（2）磷酸镁混凝土的配制，首先搅拌磷酸镁水泥净浆，将称量好磷酸镁水泥先慢速搅拌1分钟，然后快速搅拌1分钟后，依次投入细集料和粗集料，快速搅拌2分钟，得到磷酸镁水泥混凝土。
（3）混凝土浇筑与养护，将磷酸镁混凝土浇筑到组装的混凝土模板中，配筋率与传统硅酸盐混凝土一致，于常温环境下养护至少7d。养护期间无需特殊的养护方式，主要不要接触水源，遇到下雨天时注意塑料薄膜覆盖。
实施例3
本实施例充分利用磷酸镁水泥混凝土的粘结强度高的特性，将磷酸镁混凝土整体浇筑作为普通硅酸盐水泥混凝土主管道的内衬砌，提供一种复合磷酸镁-硅酸盐水泥混凝土污水管道，包括如下生产步骤：
（1）硅酸盐水泥混凝土的制备，所述混凝土配合比为 ：硅酸盐水泥230kg/m3、粉煤灰120kg/m3、矿渣粉90kg/m3、用水量155kg/m3、细集料597kg/m3、粗集料1126kg/m3；混凝土成型与养护按照传统方法进行，养护至28d后浇筑磷酸镁混凝土内衬砌。
（2）磷酸镁胶凝材料准备，所述磷酸镁胶凝材料组分比例为：38份氧化镁、18份磷酸二氢铵、4份硼砂、20份超细粉煤灰、20份改性组分C4AF。
（3）磷酸镁混凝土的配制，水胶比为0.14、胶凝材料与集料比值为1:0.8，细集料与粗集料比值为1:1、首先搅拌磷酸镁水泥净浆，将称量好磷酸镁水泥先慢速搅拌1分钟，然后快速搅拌1分钟后，依次投入细集料和粗集料，快速搅拌2分钟，得到磷酸镁水泥混凝土。
（4）混凝土浇筑与养护，将磷酸镁混凝土浇筑到硅酸盐混凝土的内衬砌中，形成一种磷酸镁-硅酸盐混凝土的复合结构。于室温环境下养护至14 d，养护期间无需特殊的养护方式，注意不要接触水源，遇到下雨天时注意塑料薄膜覆盖。
对比例1
一种硅酸盐水泥混凝土污水管道，包括以下重量份原料：硅酸盐水泥230kg/m3、超细粉煤灰120kg/m3、矿渣粉105kg/m3、用水量165kg/m3、细集料588kg/m3、粗集料1126kg/m3、聚羧酸减水剂8.2 kg/m3。先将胶凝材料与水拌合，然后依次投入细集料和粗集料，将拌合好的混凝土浇筑到混凝土模板内，采用薄膜覆盖并洒水养护至28 d。
性能检测
按照实施例1～3和对比例的方法步骤成型相应的混凝土试块，并参照建材行业相关测试标准，测定了混凝土立方体试块的抗压强度如下表所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
由上表结果可知，实施例1～3提出的污水管道用磷酸镁混凝土具有较好的力学性能和流变性能，表明本发明提出的磷酸镁混凝土原材料配比科学。
还测试了实施例1和对比例1在模拟污水环境下的质量损失变化，结果见图1。一般而言质量损失越大，表面混凝土抵御污水腐蚀的能力越差，由图1可知磷酸镁混凝土质量损失明显低于硅酸盐混凝土的质量损失，表面本发明提出的改性磷酸镁水泥混凝土材料具有显著的耐污水侵蚀的性能，可以作为污水管道用混凝土的原材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种污水管道用磷酸镁水泥混凝土，其特征在于：改性磷酸镁水泥作为胶凝材料，石英岩或玄武岩作为集料，自来水为拌合水；所述的改性磷酸镁水泥包括以下重量份原料：氧化镁30～45份、磷酸盐12～15份、缓凝组分2～8份、铝硅质掺合料20～30份、改性组分12～20份；所述的改性组分为γ-Al2O3、C4A3S、C4AF、C7A5M矿相中至少一种；所述的磷酸镁水泥混凝土直接用于浇筑成型污水管道或作为普通硅酸盐水泥混凝土主管道的内衬砌。
2.根据权利要求1所述的污水管道用磷酸镁水泥混凝土，其特征在于：所述的磷酸盐为磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠中的一种或多种；所述的铝硅质掺合料为高铝粉煤灰、偏高岭土、低钙循环流化床固硫灰、煅烧黏土中至少一种。
3.一种制备如权利要求1所述的污水管道用磷酸镁水泥混凝土的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、胶凝材料的准备：将以下重量份原料准确称量：氧化镁30～45份、磷酸盐12～15份、缓凝组分2～8份、铝硅质掺合料20～30份、改性组分12～20份；
S2、混凝土的配制：混凝土配合比参数为：水胶重量比为0.12～0.18、胶凝材料与集料的重量比为1:0.8～1:1.2，细集料与粗集料的重量比为1:1～1:1.5；将胶凝材料与自来水拌合均匀，逐步加入细集料和粗集料，整个过程控制在4分钟以内，得到大流态磷酸镁水泥混凝土；
S3、混凝土成型与养护：将大流态磷酸镁水泥混凝土浇筑到模板中，养护至少7d后接触水。
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