CN116396035B - 一种排水管用混凝土及排水管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种排水管用混凝土，其特征在于，包括以下质量份的原料：硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、水、细砂、中砂、石子、磨细粉煤灰、高炉矿渣、转炉钢渣、偏高岭土、硅灰、玻璃纤维、硅酸铝纤维、复合碱性激发剂、改性凹凸棒、负载三氯化铁的分子筛、氧化镁颗粒、聚羧酸减水剂和硅氟化物；所述改性凹凸棒是凹凸棒经过碱处理后，再经过巯基硅烷偶联剂和含氟酸改性处理，最终经过冷冻干燥制备得到。本发明同步改善混凝土力学性能、防水抗渗性能和耐腐蚀性能，综合性能优异。
Description
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，具体涉及一种用于排水管的混凝土和排水管。
背景技术
超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)具有高强度，高韧性，高耐久性和优异的施工性能，是一种新型水泥基结构工程材料。主要成分包括水泥、硅灰、石英砂、高效减水剂、矿物掺合料以及助剂。目前超高性能混凝土已经广泛应用于各个领域建设，但是还较少涉及排水管。排水管一般在潮湿阴暗地方设置，其混凝土不仅需要常规混凝土的性能，还需要优异的抗渗性能和抗水流冲刷性能。部分领域，钢筋混凝土排水管还需要一定的抗腐蚀能力，比如工厂废水中可能含有一些腐蚀性物质(酸性物质或者碱性物质)。长久在一定腐蚀性排水负荷下，普通混凝土材料力学性能会下降造成排水管的破损甚至坍塌造成严重事故。因此，需要开发一类适用于排水管的超高性能混凝土，特别是面对排放具有一定腐蚀性的水的排水管。
CN107606331A公开了一种钢筋混凝土排水管，其中混凝土材料包括水泥、水滑石粉、海泡石、陶瓷颗粒、绢云母、杏鲍菇废菌料，偏高岭土、煅烧硅藻土、再生粗骨料、再生细骨料。其具有耐酸和耐碱性能，以及高的破坏载荷。但是制备工艺繁复，需要多层材料。
CN110304867A公开了一种干硬性混凝土，包括以下质量份组分：160-170份水，380-400份水泥，660-675份砂，665-680分石，65-75份粉煤灰，6-10份聚乙烯纤维，5-8份玻璃纤维，5-8份碳纤维，8-12份无水硅酸铝，4-6份磷酸盐。磷酸盐一直减轻有害物质侵入混凝土，无水硅酸铝填充在水泥颗粒之间，具有较高的防腐性能。
现有技术为了增强排水管用混凝土的防水和防腐蚀性能，需要加入大量外加剂，一方面外加剂价格昂贵，另一方面外加剂的加入会影响钢筋混凝土的其他性能，特别是抗弯强度容易收到影响。
CN113800856A公开了一种抗渗性能好的混凝土排水管，其中使用了抗渗剂和抗渗协效剂一起配合使用，取得了很好的混凝土抗渗效果。但是抗渗协效剂的制备步骤繁多，工艺复杂，并不利于工业化的生产。
CN115536306A公开了一种防腐混凝土添加剂，其中使用了碳纳米管，价格昂贵，成本高，同样不适合工业化的生产。
现有技术中为了改善混凝土的抗渗能力和防水能力，多采用各类尺寸较小的物料，提高混凝土紧密度，但是这样会使混凝土流动性变差，和易性变劣。
因此，亟需开发一类力学强度、抗渗能力，防水能力综合性能优异的用于排水管的高性能混凝土，并且需要混凝土配方物质价廉易得，工艺简单。
发明内容
为解决排水管用混凝土综合性能还不够优异，制备工艺繁复的缺点，本发明提出了一种排水管用混凝土，通过对混凝土配方进行合理配伍和优化，同步改善混凝土力学性能、防水抗渗性能和耐腐蚀性能。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题。
第一方面，本发明提供了一种排水管用混凝土，包括以下质量份的原料：160-220份硅酸盐水泥，50-80份铝酸盐水泥，130-160份水，70-110份细砂，240-300份中砂，450-520份石子，60-80份磨细粉煤灰，45-65份高炉矿渣，30-45份转炉钢渣，30-50份偏高岭土，20-30份硅灰，10-20份玻璃纤维，10-20份硅酸铝纤维，8-11份复合碱性激发剂，20-30份改性凹凸棒，20-30份负载三氯化铁的分子筛，6-10份氧化镁颗粒，3-8份聚羧酸减水剂，2-4份硅氟化物；所述改性凹凸棒是凹凸棒经过碱处理后，再经过巯基硅烷偶联剂和含氟酸改性处理，最终经过冷冻干燥制备得到。
铝酸盐水泥抗酸性能比较好，本发明将硅酸盐水泥和铝酸盐水泥联合使用，整体上提高了混凝土的抗酸性能。
凹凸棒凭借其尺寸效应，高的比表面能，以及相对低廉的价格，已经在水泥基材领域得到了应用和研究。改变水泥材料的微观结构，进而改善水泥基材料的力学性能、触变性能和保水性能。但是凹凸棒在水泥基中的分散不佳，不够均匀。发明人将凹凸棒进行硅烷偶联剂和含氟酸的共同改性，提高分散均匀性，改善混凝土和易性，发明人还预料不到发现，本发明改性凹凸棒的加入，混凝土的抗渗性能也得到改善。
进一步地，所述改性凹凸棒通过包括以下步骤制备方法制得：将凹凸棒在超声条件下用碱液浸泡，之后干燥，研磨，所得粉状物质投入到醇溶剂中，加入巯基硅烷偶联剂和含氟酸，在40-60℃条件下搅拌3-5h，过滤，洗涤，固相进行冷冻干燥，研磨过筛，即得改性凹凸棒。
进一步地，巯基硅烷偶联剂选自3-巯丙基三乙氧基硅烷、3-巯丙基三甲氧基硅烷中的至少一种；含氟酸选自六氟戊二酸、四氟丁二酸中的至少一种，凹凸棒、巯基硅烷偶联剂和含氟酸的质量比为100：7-12：3-5。
进一步地，所述碱液是NaOH和/或KOH溶液，pH为11-12，超声条件是在50-100 KHz下，浸泡时间1-2h。干燥没有特别的限定，比如采用真空干燥，在本发明一个具体实施方式中，真空干燥是在0.01-0.1MPa，60-80℃进行干燥。
进一步，冷冻干燥条件是样品在零下10℃至零下5℃预冻0.5-1h，之后抽真空至10-100Pa，降温至零下30至零下25℃冷冻6-10h，之后升温回复至室温，维持3-5h，完成冷冻干燥。现有技术中一般改性凹凸棒最终经过煅烧热处理，去除其中沸石水，达到增大孔径和比表面积的目的。但是需要严格控制温度，否则还除去了结晶水，破坏晶体结构，对混凝土力性能提升有限。本发明另辟蹊径，采用冷冻干燥方式，所得改性凹凸棒对混凝土性能提升显著。
进一步地，磨细粉煤灰SiO2含量在40-55wt%，平均粒径＜100μm，优选为40-75μm。发明人发现，混凝土原料采用磨细粉煤灰具有比粉煤灰原状灰(粒径＞150μm)更优异的耐腐蚀性能。粉煤灰不仅能填充混凝土孔隙，增加密实度，而且粉煤灰成分可以和硅酸盐水泥中CaO/Ca(OH)2反应为晶格能更大的钙盐类物质。普通硅酸盐水泥中Ca(OH)2占比较高，在酸性介质中是最快最容易被侵蚀的成分，本发明采用磨细粉煤灰，与硅灰一同配合，能够和硅酸盐水泥中Ca(OH)2反应转化为晶格能更高的物质，比如水化硅酸钙，增加混凝土耐酸腐蚀性。
进一步地，转炉钢渣中的SiO2含量为20-26 wt%，Al2O3含量为5-8 wt%，MgO含量为7-10 wt%，CaO含量38-45wt%；高炉矿渣SiO2含量为35-45 wt%，Al2O3含量为14-19 wt%，MgO含量为9-12 wt%，CaO含量30-40wt%。
进一步地，细砂的细度模数为0.8-1.3，中砂的细度模数为2.3-2.8，石子的粒径为5-20mm，氧化镁颗粒粒径为3-5mm。
进一步地，所述复合碱性激发剂为NaOH，醇胺和生石灰按照质量比1：4-6：3-4的混合物；更进一步地，所述醇胺选自二乙醇胺，三异丙醇胺中的至少一种。
进一步地，负载三氯化铁的分子筛通过包括以下步骤的制备方法制得：分子筛和三氯化铁加入到醇水溶液中，在40-60℃条件下搅拌，缓慢加入羧甲基纤维素钠，继续搅拌，至体系成为糊状，真空干燥，研磨，过筛得到负载三氯化铁的分子筛。更进一步地，所述分子筛选自HZSM-5，SAPO-11中的至少一种，醇水溶液中醇体积占85-95%，醇选自甲醇、乙醇、异丙醇中的至少一种，醇溶剂用量是分子筛质量的5-8倍，分子筛，三氯化铁和羧甲基纤维素钠的质量比为100：20-30：7-11。
三氯化铁可以产生絮凝，但是混凝土配方中直接加入三氯化铁会降低混凝土力学强度。本发明将三氯化铁负载在分子筛载体上，同时配合羧甲基纤维素钠，负载三氯化铁的分子筛均匀稳定分散在混凝土中，在不降低混凝土力学强度情况下改善混凝土耐腐蚀性和抗渗性能。
所述硅氟化物为硅氟化钠和/或硅氟化钾。发明人发现，混凝土中加入一定量配比的硅氟化物，配合负载三氯化铁的分子筛能够同步提高高混凝土的抗腐蚀性能和抗渗性能。
第二方面，本发明提供了一种混凝土排水管，采用上述排水管用混凝土和钢筋骨架制备得到。
本发明对混凝土配方进行合理配伍和优化，特别是采用了改性凹凸棒，三氯化铁负载的分子筛，和其他成分配合，同步改善混凝土力学性能、防水抗渗性能和耐腐蚀性能，综合性能优异。
具体实施方式
本发明以以下具体实施例对本发明进行详细说明。
硅酸盐水泥采购自海螺水泥，强度42.5；铝酸盐水泥采购自海螺水泥，牌号CA60，Al2O3含量约63%。
凹凸棒采购自河北恒越矿产品有限公司，粒径200目，密度0.95 g/cm3。
粉煤灰细度8.7%，SiO2含量52.7wt%。
转炉钢渣SiO2含量为22.4 wt%，Al2O3含量为6.2 wt%，MgO含量为8.4 wt%，CaO含量41.8wt%。
高炉矿渣SiO2含量为42.1 wt%，Al2O3含量为16.3 wt%，MgO含量为11.4 wt%，CaO含量36.4wt%。
玻璃纤维采购自武汉天汇纤维材料有限公司，直径15-20μm，长度10-15mm。
硅酸铝纤维采购自河北科旭建材有限公司，直径7-9μm，长度3-5mm。
硅灰采购自艾肯公司，925#硅灰，SiO2含量≥92wt%。
聚羧酸减水剂采购自兴邦建材有限公司，牌号PC-1050，白色粉末，减水率34%。
制备例1
粉煤灰研磨后过300目筛，得磨细粉煤灰300#。
制备例2
粉煤灰研磨后过200目筛，得磨细粉煤灰200#。
制备例3
粉煤灰研磨后过100目筛，得磨细粉煤灰100#。
制备例4
100质量份分子筛HZSM-5和20质量份三氯化铁加入到体积浓度95% 乙醇水溶液中，在50℃条件下搅拌，在0.5h内缓慢加入7份羧甲基纤维素钠，继续搅拌至体系成为糊状，在60℃，0.01MPa下真空干燥，研磨，过200目筛，得到负载三氯化铁分子筛，称之为分子筛20#。
制备例5
100质量份分子筛SAPO-11和30质量份三氯化铁加入到体积浓度95% 乙醇水溶液中，在50℃条件下搅拌，在0.5h内缓慢加入11份羧甲基纤维素钠，继续搅拌至体系成为糊状，在60℃，0.01MPa下真空干燥，研磨，过200目筛，得到负载三氯化铁分子筛，称之为分子筛30#。
制备例6
100质量份凹凸棒加入到pH为11的NaOH碱液中，在50KHz超声条件下浸泡1h，去除，洗涤至中性，真空干燥，研磨过200目筛；所得粉状物质投入到无水乙醇中，加入7份3-巯丙基三甲氧基硅烷和3份四氟丁二酸，在氮气氛围下，60℃搅拌反应5h，过滤，乙醇和丙酮洗涤，抽滤，所得固相置于冷冻干燥机中，在零下10℃预冻1h，抽真空至100Pa，降温至零下30℃冷冻6h，换门升温回复至室温，并且同时缓慢回复至常压，整个过程5h，所得粉末为改性凹凸棒，称之为改性凹凸棒1#。
制备例7
100质量份凹凸棒加入到pH为11的NaOH碱液中，在50KHz超声条件下浸泡1h，去除，洗涤至中性，真空干燥，研磨过200目筛；所得粉状物质投入到无水乙醇中，加入12份3-巯丙基三乙氧基硅烷和5份六氟戊二酸，在氮气氛围下，60℃搅拌反应5h，过滤，乙醇和丙酮洗涤，抽滤，所得固相置于冷冻干燥机中，在零下10℃预冻1h，降温至零下30℃冷冻6h，升温回复至室温，维持室温5h，所得粉末为改性凹凸棒，称之为改性凹凸棒2#。
对比制备例1
其他条件，操作和制备例4相同，区别在于不加入三氯化铁，所得分子筛称之为分子筛0#。
对比制备例2
其他条件，操作和制备例6相同，区别在于不加入3-巯丙基三甲氧基硅烷，得到改性凹凸棒3#。
对比制备例3
其他条件，操作和制备例6相同，区别在于不加入四氟丁二酸，得到改性凹凸棒4#。
对比制备例4
其他条件，操作和制备例6相同，区别在于洗涤，抽滤，所得固相在0.01MPa，70℃下真空干燥，得到改性凹凸棒5#。
实施例
按照下述方法制备混凝土：将硅酸盐水泥，铝酸盐水泥，细砂，中砂，石子，磨细粉煤灰，高炉矿渣，转炉钢渣，偏高岭土，改性凹凸棒，氧化镁颗粒，分子筛加入到混料机中，混合均匀，再加入硅灰，玻璃纤维，硅酸铝纤维，碱性激发剂，硅氟化物和聚羧酸减水剂，混合均匀，加入水，震荡排出空气，得到混凝土浆料，在标准条件下将进行养护和测试。
实施例和对比例所用混凝土配方如下表1所示，所有组分按照质量份。
表1 混凝土配方
；
续表1 混凝土配方
；
续表1 混凝土配方
。
效果例
对实施例和对比例所得混凝土进行以下性能测试，测试结果如下表2所示。
1.扩展度和扩展度经时损失参照GB/T50080-2016进行测试。测试混凝土扩散持续时间达到90s时的扩展度以及1h扩展度经时损失。
2.28d抗压强度参照GB/T50081-2019进行测试。测试样品为100mm×100mm×100mm。
3.酸性耐蚀系数，以硫酸，盐酸和硝酸按照摩尔比3:2:0.6的混酸，用水稀释至pH=5作为耐酸性侵蚀介质，取养护时间28d的试件在侵蚀介质中浸泡，侵蚀时间30d，其抗压强度为K1；另取养护时间28d试件在清水中浸泡30d，抗压强度为K2，按照抗压强度耐蚀系数=K1/K2×100%计算抗压强度耐蚀系数。
4.氯离子扩散系数是采用RCM法，参照GB/T50082-2019进行测试。
5.抗硫酸盐性能测试参照GB/T 50476-2008进行测试。
表2 混凝土性能测试
。
通过表2数据可以看出，本发明提供的用于排水管的混凝土综合性能优异，同时具备高的力学强度，和易性，耐酸腐蚀性和抗渗性能，特别适用于含有腐蚀性成分的水路排水管建材使用。本发明采用负载三氯化铁的分子筛，以及巯基硅烷偶联剂和含氟酸改性的凹凸棒，在不影响混凝土其他性能同时，显著改善了混凝土的耐腐蚀性和抗渗性，甚至力学性能还有一定程度改善。
Claims (10)
1.一种排水管用混凝土，其特征在于，包括以下质量份的原料：160-220份硅酸盐水泥，50-80份铝酸盐水泥，130-160份水，70-110份细砂，240-300份中砂，450-520份石子，60-80份磨细粉煤灰，45-65份高炉矿渣，30-45份转炉钢渣，30-50份偏高岭土，20-30份硅灰，10-20份玻璃纤维，10-20份硅酸铝纤维，8-11份复合碱性激发剂，20-30份改性凹凸棒，20-30份负载三氯化铁的分子筛，6-10份氧化镁颗粒，3-8份聚羧酸减水剂，2-4份硅氟化物；所述改性凹凸棒是凹凸棒经过碱处理后，再经过巯基硅烷偶联剂和含氟酸改性处理，最终经过冷冻干燥制备得到；含氟酸选自六氟戊二酸、四氟丁二酸中的至少一种；凹凸棒、巯基硅烷偶联剂和含氟酸的质量比为100：7-12：3-5。
2.根据权利要求1所述的排水管用混凝土，其特征在于，所述改性凹凸棒通过包括以下步骤制备方法制得：将凹凸棒在超声条件下用碱液浸泡，之后干燥，研磨，所得粉状物质投入到醇溶剂中，加入巯基硅烷偶联剂和含氟酸，在40-60℃条件下搅拌3-5h，过滤，洗涤，固相进行冷冻干燥，研磨过筛，即得改性凹凸棒。
3.根据权利要求2所述的排水管用混凝土，其特征在于，巯基硅烷偶联剂选自3-巯丙基三乙氧基硅烷、3-巯丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的排水管用混凝土，其特征在于，所述碱液是NaOH和/或KOH溶液，pH为11-12，超声条件是在50-100 KHz下，浸泡时间1-2h；冷冻干燥条件是样品在零下10℃至零下5℃预冻0.5-1h，之后抽真空至10-100Pa，降温至零下30至零下25℃冷冻6-10h，之后升温回复至室温，维持3-5h，完成冷冻干燥。
5.根据权利要求1所述的排水管用混凝土，其特征在于，磨细粉煤灰SiO2含量在40-55wt%，平均粒径40-75μm。
6.根据权利要求1所述的排水管用混凝土，其特征在于，所述复合碱性激发剂为NaOH，醇胺和生石灰按照质量比1：4-6：3-4的混合物；所述醇胺选自二乙醇胺，三异丙醇胺中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的排水管用混凝土，其特征在于，负载三氯化铁的分子筛通过包括以下步骤的制备方法制得：分子筛和三氯化铁加入到醇水溶液中，在40-60℃条件下搅拌，缓慢加入羧甲基纤维素钠，继续搅拌，至体系成为糊状，真空干燥，研磨，过筛得到负载三氯化铁的分子筛。
8.根据权利要求7所述的排水管用混凝土，其特征在于，所述分子筛选自HZSM-5，SAPO-11中的至少一种，醇水溶液中醇体积占85-95%，醇选自甲醇、乙醇、异丙醇中的至少一种，醇溶剂用量是分子筛质量的5-8倍，分子筛，三氯化铁和羧甲基纤维素钠的质量比为100：20-30：7-11。
9.根据权利要求1所述的排水管用混凝土，其特征在于，转炉钢渣中的SiO2含量为20-26wt%，Al2O3含量为5-8 wt%，MgO含量为7-10 wt%，CaO含量38-45wt%；和/或
高炉矿渣SiO2含量为35-45 wt%，Al2O3含量为14-19 wt%，MgO含量为9-12 wt%，CaO含量30-40wt%；和/或
细砂的细度模数为0.8-1.3，中砂的细度模数为2.3-2.8，石子的粒径为5-20mm，氧化镁颗粒粒径为3-5mm；和/或
所述硅氟化物为硅氟化钠和/或硅氟化钾。
10.一种混凝土排水管，采用权利要求1-9任一项所述排水管用混凝土，钢筋骨架制备得到。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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