CN114477896A - 一种超高性能抗冲耐磨混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高性能抗冲耐磨混凝土及其制备方法，其组分以重量份计，包括胶材40～60份、细骨料0～12份、粗骨料40～60份、外加剂0.45～0.9份、水4～6份，及占胶材、细骨料、粗骨料、外加剂总体积的0.1％～0.3％的纤维混合而成。将上述胶材、细骨料、外加剂干拌均匀，加入纤维后进行干拌使其均匀分布，再加入粗骨料和水搅拌制备而成。本发明解决了普通水工混凝土在高速夹泥、夹砂、夹石水流长期冲刷下易发生过流面磨蚀及空蚀现象，避免了表层混凝土大面积剥蚀，提高了混凝土的力学性能、耐久性能及抗冲耐磨强度，提高了建筑的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于混凝土材料技术领域，具体地涉及一种超高性能抗冲耐磨混凝土及其制备方法。
背景技术
水利水电工程中，高速夹泥、夹砂、夹石水流长期冲刷水工建筑物，造成混凝土建筑物过流面磨蚀加剧及空蚀现象，导致表层混凝土大面积剥蚀，大大缩短了建筑的使用寿命。据资料显示，我国运行中的大坝泄水建筑物有70％存在程度不同的冲磨破坏问题，严重的冲磨破坏还可能危及其它建筑物的安全。而且随着对清洁能源开发需求的提高，大型高水头水电站水电站的泄流流速大，对水工泄水建筑物混凝土抗冲磨材料的综合性能也提出了较高的要求。
近年来水电站泄洪建筑物常用的抗冲耐磨材料主要为硅粉混凝土、纤维混凝土、HF混凝土、抗冲耐磨防护涂层等。硅粉混凝土是目前国内水电工程中使用量比较大的抗冲磨材料，能明显提高混凝土的抗冲耐磨能力，尤其是能够大幅度提高混凝土的抗空蚀能力。但采用硅粉配制的水工抗冲磨高性能混凝土普遍存在着塑性收缩变形和干缩变形较大、发热量较高的不足，在工程中常常出现易开裂的现象，从而影响其抗冲耐磨能力的发挥。且硅粉混凝土施工和易性差，使混凝土不易振捣密实，不易收光抹面，容易出现较多的蜂窝麻面，混凝土表面平整度差。HF高强耐磨粉煤灰混凝土是在混凝土中按一定比例掺入优质粉煤灰与HF抗冲耐磨外加剂，具有较好的粘聚性与保水性，水泥用量低，水化热温升小，不容易产生温度裂缝，但HF混凝土对骨料要求较高，需采用花岗岩类骨料或铁矿石，且施工工作面应采用遮阳、防风措施，避免混凝土表面水份蒸发过快引起表面龟裂。抗冲耐磨防护涂层材料目前多用于泄水建筑物过流面缺陷处理或损伤修复，其中主要的环氧抗冲磨防护材料的缺点是有毒性，线膨胀系数高与混凝土差异大，导致变形协调能力差，而且与混凝土面的连接工艺比较复杂，必须干燥面作业。
随着我国经济建设的快速发展，工程建设的规模越来越大，环境越来越复杂，超高性能混凝土(UHPC)的研究和应用逐渐成为热点，与普通混凝土相比，UHPC抗压强度提升到5倍以上，抗折强度10倍以上、抗拉强度4倍以上。在同等受力条件下，UHPC结构尺寸更小巧、自重大大降低、设计自由度大、绿色环保，符合可持续发展理念。因此，设计一种应用于水工建筑物抗冲磨部位的超高性能抗冲耐磨混凝土材料，对提高水工混凝土的抗冲磨强度，减少带泥沙水流对混凝土的冲刷破坏，降低水工混凝土结构中抗冲磨部位的修补加固频率及难度有重要的应用意义。
发明内容
为了提高水工混凝土的抗冲磨强度，为混凝土材料性能的提升提供保障措施，进而延长混凝土建筑物使用寿命，本发明提供了一种超高性能抗冲耐磨混凝土及制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种超高性能抗冲耐磨混凝土，包括胶材、细骨料、粗骨料、外加剂、纤维和水；所述胶材、细骨料、粗骨料、外加剂和水按照以下重量份进行混合
所述纤维按体积进行混合，其体积占胶材、细骨料、粗骨料、外加剂总体积的0.1％～0.3％。
所述胶材是由水泥、粉煤灰、硅粉、矿粉按一定比例混合而成，其中水泥为28～42份，粉煤灰8～12份，硅粉2～3份、矿粉2～3份。
所述水泥采用P.O 52.5硅酸盐水泥，粉煤灰为Ⅱ级以上粉煤灰，硅粉为纳米级硅粉，矿粉为纳米级矿粉。
所述细骨料为2区天然砂或机制砂。
所述粗骨料为粒径5～10mm的小石。
所述外加剂由减水剂、膨胀剂、消泡剂、保塌剂混合而成，均为粉状外加剂，其中减水剂的用量为0.25～0.5重量份，膨胀剂的用量为0.1～0.2重量份，消泡剂的用量为0.05～0.1重量份，保塌剂的用量为0.05～0.1重量份。
所述减水剂采用的是聚羧酸高性能减水剂；膨胀剂采用的是硫铝酸盐类膨胀剂，消泡剂为水泥砂浆消泡剂，水泥保塌剂是能够保持混凝土坍落度不快速损失的外加剂，可以延缓水泥水化凝结，达到保持坍落度的作用。
所述纤维为采用的是短切PVA纤维。
本发明还提供了超高性能抗冲耐磨混凝土的制备方法，包括如下步骤，
步骤一：制备粉料
称取40～60重量份的胶材、0.45～0.9重量份的外加剂、0～12重量份的细骨料投入搅拌装置中干拌110-130s，后将按体积比备好的纤维搅拌装置中进行干拌110-130s，使纤维均匀的分布；
步骤二：强制搅拌
将40～60重量份的粗骨料投入搅拌装置中，并将称好的4～6重量份的水一次性倒入搅拌装置中，搅拌8～10min出料。
有益效果：
1、本发明的超高性能抗冲耐磨混凝土，解决了普通水工混凝土在高速夹泥、夹砂、夹石水流长期冲刷下易发生过流面磨蚀及空蚀现象，避免了表层混凝土大面积剥蚀，一定程度上提高了建筑的使用寿命。
2、本发明的超高性能抗冲耐磨混凝土，其性质稳定，方法简单且易于掌握，且原材料易获取，便于储运。
3、本发明超高性能抗冲耐磨混凝土，胶凝材料级配良好，混凝土结构密实，有效地提高了混凝土的力学性能及耐久性能。
4、本发明超高性能抗冲耐磨混凝土，可以有效提高水工混凝土的抗冲耐磨强度，减少了水工混凝土过流面由于冲磨破坏、空蚀破坏而进行了修补加固工作，降低了水电站的运行成本。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例进行详细说明。
附图说明
图1为本发明制备流程图；
图2为实例一的抗冲磨试验破坏图；
图3为实例二的抗冲磨试验破坏图；
图4为实例三的抗冲磨试验破坏图；
图5为实例四的抗冲磨试验破坏图；
图6为实例一至实施例四的混凝土抗冲磨强度对比图。
具体实施方式
根据上述技术方案，举较佳的实施例并结合图示进行具体说明。
本发明的超高性能抗冲耐磨混凝土，包括胶材、细骨料、粗骨料、外加剂、纤维和水；所述胶材、细骨料、粗骨料、外加剂和水按照以下重量份进行混合：
纤维按体积进行混合，其体积占胶材、细骨料、粗骨料、外加剂总体积的0.1％～0.3％。
上述胶材是由水泥、粉煤灰、硅粉、矿粉按一定比例混合而成，其中水泥为28～42份，粉煤灰8～12份，硅粉2～3份、矿粉2～3份。
上述水泥采用P.O 52.5硅酸盐水泥，粉煤灰为Ⅱ级以上粉煤灰，硅粉为纳米级硅粉，矿粉为纳米级矿粉。
掺入一定量的粉煤灰主要有以下三方面的优点：一是可以改善混凝土拌和料的流动性、粘聚性和保水性，使混凝土拌和料易于泵送、浇筑成型，并可减少坍落度的经时损失；二是可以减少水泥用量，降低水泥水化放热，可明显减少温度裂缝；三是可提高混凝土的抗渗性和抗硫酸盐腐蚀性和抗镁盐腐蚀性，可以抑制或减少碱集料反应。掺入少量的纳米级硅粉和矿粉可以使胶材的级配连续，使混凝土结构密实，提高混凝土的抗冲耐磨性能。
上述细骨料为2区天然砂或机制砂，粗骨料为粒径5～10mm的小石。2区砂属于中砂，适用于配制混凝土和砂浆，天然砂或机制砂的选用根据采购成本及便捷度可根据实际情况选定，在以下实施例中天然砂或机制砂均以砂子表示。混凝土粗骨料选取粒径5～10mm的小石有利于提高其力学强度及抗冲耐磨强度。
上述外加剂由减水剂、膨胀剂、消泡剂、保塌剂混合而成，均为粉状外加剂，以重量份计，其中减水剂0.25～0.5份，膨胀剂0.1～0.2份，消泡剂0.05～0.1份，保塌剂0.05～0.1份。外加剂的使用可保证混凝土具有合理的流动度、含气量及强度。
减水剂采用聚羧酸高性能减水剂；膨胀剂采用硫铝酸盐类膨胀剂，消泡剂为水泥砂浆消泡剂，水泥保塌剂是能够保持混凝土坍落度不快速损失的外加剂，可以延缓水泥水化凝结，达到保持坍落度的作用。
在实际使用时，聚羧酸高性能减水剂与水泥相容性好，减水率高，可提高砂浆的早期、后期强度，且该减水剂的氯离子含量低、碱含量低，有利于砂浆的耐久性能。膨胀剂可使混凝土在凝结硬化过程中具有一定的膨胀性能，避免由于水分蒸发引起的收缩开裂及表面龟裂。消泡剂可减少水泥浆体在拌和过程中产生的气泡，减少混凝土内部及表面的蜂窝麻面现象，提高混凝土的密实性。水泥保塌剂可以延缓水泥水化凝结，达到保持混凝土坍落度的作用。
纤维为采用短切PVA纤维。PVA纤维直径为100μm～660μm、长度为8mm～16mm。在实际使用时，混凝土中掺入的短切非连续纤维在其内部呈三维分布，形成“纤维支撑网络结构”。这种结构可有效地阻止基体骨料的离析沉降，也可有效缓解基体内部毛细压力，阻止塑性裂缝产生。
本发明超高性能抗冲耐磨混凝土的制备方法，参看图1，包括如下步骤，
步骤一：制备粉料
称取40～60重量份的胶材、0.45～0.9重量份的外加剂、0～12重量份的细骨料投入搅拌装置中干拌110-130s，后将按体积比备好的纤维搅拌装置中进行干拌110-130s，使纤维均匀的分布；
步骤二：强制搅拌
将40～60重量份的粗骨料投入搅拌装置中，并将称好的4～6重量份的水一次性倒入搅拌装置中，搅拌8～10min出料。
下面，以具体实施例进行说明。
实施例一：
本实施例的超高性能抗冲耐磨混凝土，按重量份称取：
水4份；
胶材40份，其中水泥为28份，粉煤灰8份，硅粉2份、矿粉2份；
粗骨料60份；
外加剂0.45份，其中减水剂0.25份，膨胀剂0.1份，消泡剂0.05份，保塌剂0.05份；
PVA纤维掺量体积百分比为0.1％。
上述各组分以下述制备方法进行超高性能抗冲耐磨混凝土的制备：
步骤一：制备粉料
将胶材、外加剂投入搅拌装置中干拌110s，后将按体积百分比备好的PVA纤维加入搅拌装置中进行干拌130s，使纤维均匀的分布；
步骤二：强制搅拌
将粗骨料投入搅拌装置中，并将水一次性倒入搅拌装置中，搅拌8min出料。
根据DL/T 5150-2017《水工混凝土试验规程》中第4.21节进行水下钢球法混凝土抗冲磨试验，试样尺寸为Φ300mm*100mm。试验结果见表1、图2、图6。
实施例二：
本实施例的超高性能抗冲耐磨混凝土，按重量份称取：
水4份；
胶材40份，其中水泥为28份，粉煤灰8份，硅粉2份、矿粉2份；
细骨料12份；
粗骨料48份；
外加剂0.45份，其中减水剂0.25份，膨胀剂0.1份，消泡剂0.05份，保塌剂0.05份；
PVA纤维掺量体积百分比为0.1％。
上述各组分以下述制备方法进行超高性能抗冲耐磨混凝土的制备：
步骤一：制备粉料
将胶材、外加剂投入搅拌装置中干拌130s，后将按体积百分比备好的PVA纤维加入搅拌装置中进行干拌110s，使纤维均匀的分布；
步骤二：强制搅拌
将粗骨料投入搅拌装置中，并将水一次性倒入搅拌装置中，搅拌10min出料。
根据DL/T 5150-2017《水工混凝土试验规程》中第4.21节进行水下钢球法混凝土抗冲磨试验，试样尺寸为Φ300mm*100mm。试验结果见表1、图3、图6。
实施例三：
本实施例的超高性能抗冲耐磨混凝土，按重量份称取：
水5份；
胶材50份，其中水泥为35份，粉煤灰10份，硅粉2.5份、矿粉2.5份；
细骨料7.5份
粗骨料42.5份；
外加剂0.52份，其中减水剂0.3份，膨胀剂0.1份，消泡剂0.06份，保塌剂0.06份；
PVA纤维掺量体积百分比为0.2％。
上述各组分以下述制备方法进行超高性能抗冲耐磨混凝土的制备：
步骤一：制备粉料
将胶材、外加剂投入搅拌装置中干拌120s，后将按体积百分比备好的PVA纤维加入搅拌装置中进行干拌120s，使纤维均匀的分布；
步骤二：强制搅拌
将粗骨料投入搅拌装置中，并将水一次性倒入搅拌装置中，搅拌10min出料。
根据DL/T 5150-2017《水工混凝土试验规程》中第4.21节进行水下钢球法混凝土抗冲磨试验，试样尺寸为Φ300mm*100mm。试验结果见表1、图4、图6。
实施例四：
本实施例的超高性能抗冲耐磨混凝土，按重量份称取：
水6份；
胶材60份，其中水泥为42份，粉煤灰12份，硅粉3份、矿粉3份；
粗骨料40份；
外加剂0.9份，其中减水剂0.5份，膨胀剂0.2份，消泡剂0.1份，保塌剂0.1份；
PVA纤维掺量体积百分比为0.3％。
上述各组分以下述制备方法进行超高性能抗冲耐磨混凝土的制备：
步骤一：制备粉料
将胶材、外加剂投入搅拌装置中干拌130s，后将按体积百分比备好的PVA纤维加入搅拌装置中进行干拌130s，使纤维均匀的分布；
步骤二：强制搅拌
将粗骨料投入搅拌装置中，并将水一次性倒入搅拌装置中，搅拌1min出料。
根据DL/T 5150-2017《水工混凝土试验规程》中第4.21节进行水下钢球法混凝土抗冲磨试验，试样尺寸为Φ300mm*100mm。试验结果见表1、图5、图6。
表1超高性能抗冲耐磨混凝土抗冲磨强度试验结果
普通混凝土28d抗冲耐磨强度为4～6h/(kg/m2)，通过实例证明，本发明的超高性能抗冲耐磨混凝土的28d抗冲耐磨强度为19～31h/(kg/m2)，其抗冲耐磨强度是普通混凝土的5～7倍。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。
Claims (9)
1.一种超高性能抗冲耐磨混凝土，其特征在于，包括胶材、细骨料、粗骨料、外加剂、纤维和水；所述胶材、细骨料、粗骨料、外加剂和水按照以下重量份进行混合：
所述纤维按体积进行混合，其体积占胶材、细骨料、粗骨料、外加剂总体积的0.1％～0.3％。
2.根据权利要求1所述的超高性能抗冲耐磨混凝土，其特征在于，所述胶材由水泥、粉煤灰、硅粉、矿粉按一定比例混合而成，以重量份计，其中水泥为28～42份，粉煤灰8～12份，硅粉2～3份、矿粉2～3份。
3.根据权利要求2所述的超高性能抗冲耐磨混凝土，其特征在于，所述水泥采用P.O52.5硅酸盐水泥，粉煤灰为Ⅱ级以上粉煤灰，硅粉为纳米级硅粉，矿粉为纳米级矿粉。
4.根据权利要求1所述的超高性能抗冲耐磨混凝土，其特征在于，所述细骨料为2区天然砂或机制砂，所述的粗骨料为粒径5～10mm的小石。
5.根据权利要求1所述的超高性能抗冲耐磨混凝土，其特征在于，所述外加剂由减水剂、膨胀剂、消泡剂、保塌剂混合而成，均为粉状外加剂，以重量份计，其中减水剂0.25～0.5份，膨胀剂0.1～0.2份，消泡剂0.05～0.1份，保塌剂0.05～0.1份。
6.根据权利要求5所述的超高性能抗冲耐磨混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂；膨胀剂为硫铝酸盐类膨胀剂，消泡剂为水泥砂浆消泡剂，保塌剂为水泥保塌剂。
7.根据权利要求1所述的超高性能抗冲耐磨混凝土，其特征在于，所述纤维是短切PVA纤维。
8.根据权利要求1至7任一所述的超高性能抗冲耐磨混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一：制备粉料
称取40～60重量份的胶材、0.45～0.9重量份的外加剂、0～12重量份的细骨料投入搅拌装置中干拌，后将按体积比备好的纤维加入搅拌装置中进行干拌，使纤维均匀的分布；
步骤二：强制搅拌
将40～60重量份的粗骨料投入搅拌装置中，并将称好的4～6重量份的水一次性倒入搅拌装置中，搅拌出料。
9.根据权利要求8所述的超高性能抗冲耐磨混凝土的制备方法，其特征在于，步骤一中的搅拌时间110-130s，步骤二中搅拌时间8～10min。
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