超高性能水泥基抗冲磨材料的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种超高性能水泥基抗冲磨材料，通过对多元胶凝材料的颗粒级配和骨料的颗粒级配进行优化，并通过减水剂等化学外加剂的使用，使材料能够对新建混凝土结构或者受冲磨破坏的旧混凝土结构进行表面涂覆，以材料自身的高抗冲磨性能以及与混凝土基材的良好粘结提高水工结构的抗冲磨性能。所述的材料的技术优势包括：抗冲磨性能显著优于普通混凝土；耐候性、耐久性显著优于有机抗冲磨涂层材料；通过优化胶凝材料颗粒级配和骨料的颗粒级配达到低水胶比下满足施工流动性的要求；在标准养护的条件下，28天龄期达到150MPa以上的高强度；抗渗性能、抗碳化性能、抗氯离子渗透、抗冻融循环等性能优于普通混凝土。
【专利说明】超高性能水泥基抗冲磨材料
【技术领域】
[0001]本发明属混凝土【技术领域】，涉及超高性能水泥基抗冲磨材料。
【背景技术】
[0002]据国内外多项试验研究和实际水利水电工程调查的结果表明，高速含沙水流对水工建筑物的冲击、摩擦及切削等作用，造成水工建筑物表面的磨损破坏是水利水电工程运行中主要病害之一。在高速水流作用下，大粒径的推移质砂石和小粒径的悬移质泥沙对水工建筑物产生冲击、摩擦及切削等破坏作用，导致表层混凝土大面积剥蚀，这不仅需要花费昂贵的修补费用，而且直接影响着工程的正常运行。减轻或防止推移质以及悬移质对水工建筑物的冲磨破坏，可以从两方面着手:一是优化工程布置和工程结构，尽可能使水流顺直；二是在水工建筑物的过流部位采用抗冲耐磨性能优良的材料。本发明涉及的超高性能水泥基抗冲磨材料通过对新建混凝土结构或者受冲磨破坏的旧混凝土结构进行表面涂覆，以材料自身的高抗冲磨性能以及与混凝土基材的良好粘结提高水工结构的抗冲磨性能，同时水泥基材料避免了有机材料耐候耐老化性能差等缺点，具有良好的应用价值。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种超高性能水泥基抗冲磨材料，通过对多元胶凝材料的颗粒级配和骨料的颗粒级配进行优化，并通过减水剂等化学外加剂的使用，使材料能够对新建混凝土结构或者受冲磨破坏的旧混凝土结构进行表面涂覆，以材料自身的高抗冲磨性能以及与混凝土基材的 良好粘结提高水工结构的抗冲磨性能。
[0004]本发明的超高性能水泥基抗冲磨材料，包含胶凝材料、细骨料、外加剂和水,其特征是:所述胶凝材料为水泥和矿物掺合料，所述水泥为强度等级为42.5及以上的P.1、P.II或P.0代号水泥；本发明不排除在特殊情况下，使用其他类型的水泥依照本发明所述的方法进行制备高性能水泥基抗冲磨材料；所述矿物掺合料为硅灰、粉煤灰或矿粉的两种或三种材料组合；细骨料为天然砂、人工砂或多种类型的砂的组合；
[0005]其中，水泥用量占超高性能水泥基抗冲磨材料体积的10~50%，所述矿物掺合料占超高性能水泥基抗冲磨材料体积的10~40% ;所述细骨料占超高性能水泥基抗冲磨材料体积的20~70% ；
[0006]按计算所得配比配制的超高性能水泥基抗冲磨材料拌和后，流动性性能如下:
[0007]稠度JGJ/T70:20 ~145mm
[0008]材料硬化后性能如下:
[0009]抗压强度，标准养护28d:I150MPa ；
[0010]圆环法抗冲磨强度DL/T5150:I1.6h/ (g/cm2)
[0011]钢球法抗冲磨强度DL/T5150:I 80.0h/ (kg/m2)
[0012]所述胶凝材料与细骨料各组分的配比分数通过理想堆积曲线和各材料组分的粒径累计分布曲线进行数值分析计算；[0013]1)所述理想堆积曲线公式为:
[0014]Ps=A I O O A.d/Dm/ ；
[0015]其中，Psd为颗粒通过筛孔的百分比，A为经验常数，d为筛孔直径，Dfflax为颗粒的最大粒径；
[0016]经验常数A的取值根据超高性能水泥基抗冲磨材料的流动度要求通过公式确定:
[0017]A=5.C/，
[0018]C为稠度设计值，C0为试锥的高度145mm ；
[0019]2)各组分的粒径累计分布曲线:
[0020]对胶凝材料中所需的组分水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉以及1#细骨料、2#细骨料、…和n#细骨料，经测试的得到各自累计分布曲线f。(d)、fsf (d)、ffa (d)、fbs (d)、fsl (d)、fs2 (d)、…和 fsn(d), n=l ~5 ;
[0021]3)数值分析计算如下:
[0022]设水泥占胶凝材料和骨料总量的体积分数为X。、硅灰占胶凝材料和骨料总量的体积分数为Xsf、粉煤灰占胶凝材料和骨料总量的体积分数为Xfa、矿粉占胶凝材料和骨料总量的体积分数为xbs，1#细骨料占胶凝材料和骨料总量的体积分数为xsl、2#细骨料占胶凝材料和骨料总量的体积分数为Xs2、...n#细骨料占胶凝材料和骨料总量的体积分数为Xsn,且满足 Xc e [0.111,0.556]、(Xsf+Xfa+Xbs) e [0.111，0.444]、Σ Xsn e [0.222,0.778],Xc+Xsf+Xfa+Xbs+XXsn=I ；
[0023]设定混合后材料的粒径累计分布曲线为:
[0024]P=Xcfc (d) +Xsffsf (d) +Xfaffa (d) +Xbs fbs (d) +Xslfsl (d) +Xs2fs2 (d) +...+Xsn fsn (d)
[0025]对各组分的体积分数Xe、Xsf、Xfa、Xbs、Xsl、Xs2、…和Xsn以0.001~0.01为步长，在各自的取值范围内穷举计算P，比较曲线P和psd，计算相同纵坐标所对应的横坐标粒径d的标准差，取标准差最小的X。、xsf、xfa、Xbs> Xsl> Xs2>…和Xsn值作为胶凝材料的各组分配比分数。当使用两种矿物掺合料时，则需要略去没有使用的掺合料对应的质量分数和分布曲线；细骨料则以实际种类数量进行计算；
[0026]对应无胶凝活性的填料，如石粉，由于其粒径基本落在掺合料的粒径区间，在某些场合需要使用时，可以按照上述矿物掺合料的计算方法进行计算体积分数；
[0027]水的用量与胶凝材料的质量比W/B为0.1~0.4，其中W表示水的用量，B表示胶凝材料质量；
[0028]按计算所得配比配制的超高性能水泥基抗冲磨材料拌和后，流动性性能如下:
[0029]稠度JGJ/T70:20 ~145mm
[0030]材料硬化后性能如下:
[0031]抗压强度，标准养护28d:≥150MPa ；
[0032]圆环法抗冲磨强度DL/T5150:≥ 1.6h/ (g/cm2)
[0033]钢球法抗冲磨强度DL/T5150:≥ 80.0h/ (kg/m2)
[0034]作为优选的技术方案:
[0035]如上所述的超高性能水泥基抗冲磨材料，所述纵坐标依最大值100%等分选取，至少取5个值。
[0036]如上所述的超高性能水泥基抗冲磨材料，所述的W/B为0.12至0.28。[0037]如上所述的超高性能水泥基抗冲磨材料，所述水泥符合国标《通用硅酸盐水泥》GB175 ;所述硅灰符合《砂浆和混凝土用硅灰》GB/T27690 ;所述粉煤灰符合《用于水泥和混凝土的粉煤灰》GB/T1596 ;所述矿粉符合《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》GB/T18046 ;水符合《混凝土用水标准》JGJ63。
[0038]细骨料为天然砂或人工砂，细度模数为1.2~3.5，堆积密度为1.1~2.1 g/cm3 ；表观密度为1.8~3.0g/cm3。
[0039]如上所述的超高性能水泥基抗冲磨材料，所述细骨料的细度模数为2.4~2.8。
[0040]如上所述的超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于，所述细骨料为石英砂或金刚砂。
[0041]如上所述的超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于，所述外加剂为减水剂、消泡剂、增稠剂、早强剂、 缓凝剂、减缩剂和膨胀剂一种或者几种的组合，减水剂选用减水率25%以上的减水剂，掺量为所述胶凝材料质量的0.5%~5%，消泡剂掺量为胶凝材料质量的
0.08%~2%，增稠剂掺量为胶凝材料质量的0.005%~0.5%，早强剂掺量为胶凝材料质量的0.01~5%，缓凝剂掺量为水泥材料质量0.005%~1.5%，减缩剂掺量为胶凝材料质量的
0.1%~5%，膨胀剂掺量为胶凝材料质量的I~10%。
[0042]减水剂主要包括聚羧酸混凝土超塑化剂，也不排除其他能够促进胶凝材料分散的超塑化剂。所述减水剂可包含溶液形式和固体形式。
[0043]消泡剂主要包括聚醚类、高碳醇类、有机硅类、聚醚改性硅等类型的消泡剂。所述消泡剂可包含溶液形式、固体形式或优选树脂形式、油状形式或乳液形式。
[0044]增稠剂主要包括纤维素衍生物，如甲基纤维素、羟甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素；天然高分子及其衍生物，如淀粉、明胶、海藻酸钠、干酪素、瓜尔胶、甲壳胺、阿拉伯树胶、黄原胶；无机增稠剂，如钠基膨润土、硅藻土 ；合成高分子，如聚丙稀铣胺、改性石蜡树脂、聚丙烯酸。可使用以上试剂的混合物。
[0045]早强剂主要包括:钠盐、钙盐以及有机物，如三乙醇胺、尿素。
[0046]缓凝剂主要包括:多羟基化合物、羟基羧酸盐及其衍生物、高糖木质素磺酸盐。
[0047]减缩剂主要包括:低级醇亚烷基环氧化合物、聚醇和聚醚。
[0048]膨胀剂主要包括:明矾石类、硫铝酸钙类、氧化钙类、氧化钙-硫铝酸钙复合类。
[0049]如上所述的超高性能水泥基抗冲磨材料，所述减水剂的减水率为30%以上，掺量为所述胶凝材料质量的0.8%~3%。
[0050]如上所述的超高性能水泥基抗冲磨材料，所述超高性能水泥基抗冲磨材料中还添加纤维，所述纤维为钢纤维或非金属纤维，非金属纤维为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、纤维素纤维、碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维，占所述超高性能水泥基抗冲磨材料体积的0.05%~5% ;所述纤维的直径为15~1000 μ m,纤维长度为I~100mm。
[0051]如上所述的超高性能水泥基抗冲磨材料，对于新浇筑的抗冲磨混凝土结构上施工时，在新浇筑的混凝土完成浇筑后72小时内用高压水枪进行冲毛作业，水枪压强与混凝土表面强度比控制在2.0±0.2。冲毛后根据施工部位的不同将拌制好的抗冲磨材料可通过喷射、镘刀刮涂或者流平浇筑等方法进行施工。
[0052]如上所述的超高性能水泥基抗冲磨材料，在需要修补的原有抗冲磨混凝土结构上施工时，将需要修补的混凝土表面采用风镐凿除一定深度，露出新鲜的混凝土面；将混凝土表面用高压水枪冲洗干净；然后根据施工部位的不同将拌制好的抗冲磨材料通过喷射、镘刀刮涂或者浇筑流平等方法进行施工。
[0053]有益效果:
[0054](1)抗冲磨性能显著优于普通混凝土 ；
[0055](2)无机材料的耐候性、耐久性显著优于有机抗冲磨涂层材料；
[0056](3)通过优化胶凝材料颗粒级配和骨料的颗粒级配达到低水胶比下满足施工流动性的要求；
[0057](4)在标准养护的条件下，28天龄期达到150MPa以上的高强度；
[0058](5)由于最紧密堆积设计，抗渗性能、抗碳化性能、抗氯离子渗透、抗冻融循环等性能优于普通混凝土。
【具体实施方式】
[0059]下面结合【具体实施方式】，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0060]实施例1
[0061]超高性能水泥基抗冲磨材料，包含胶凝材料、细骨料、水和减水剂，所述水泥为强度等级为52.5的P.I水泥，所述矿物掺合料为硅灰和粉煤灰，使用的细骨料为细度模数
1.4的天然特细砂。
[0062]水泥、硅灰、粉煤灰和细骨料的配比分数通过理想堆积曲线和其粒径累计分布曲线进行数值分析计算；
[0063]I)所述理想堆积曲线公式为:
[0064]Psd=IO0./ m/ ;
[0065]其中，Psd为颗粒通过筛孔的百分比，A为经验常数，d为筛孔直径，Dfflax为颗粒的最大粒径；
[0066]经验常数A的取值根据超高性能水泥基抗冲磨材料的稠度要求通过公式确定:
[0067]稠度JGJ/T70:90mm ;坍落度桶的高度C。为145mm ；
[0068]A = 5.C/C=3.103 ；
[0069]材料中特细砂的最大粒径大于其他三种材料，所以Dniax取特细砂的最大粒径1180um ；
[0070]2)胶凝材料及细骨料各组分的粒径累计分布曲线:
[0071]对水泥、硅灰、粉煤灰和特细砂经测试的得到各自累计分布曲线f；(d)、fsf(d)、
ffa (d)和 fsl (d)；
[0072]3)数值分析计算如下:
[0073]设水泥占胶凝材料和细骨料总量的体积分数为X。、硅灰占胶凝材料和细骨料总量的体积分数为Xsf、粉煤灰占胶凝材料和细骨料总量的体积分数为Xfa、特细砂占胶凝材料和细骨料总量的体积分数为Xsl，且满足X。e [0.111，0.556]、(Xsf+Xfa) e [0.111,0.444]、Xsl e [0.222，0.778]，Xc+Xsf+Xfa+Xsl=l ；
[0074]设定混合后材料的粒径累计分布曲线为:
[0075]P=Xcfc (d) +Xsffsf (d) +Xfaffa (d) +Xslfsl (d)；
[0076]对各组分的体积分数X。、Xsf, Xfa和Xsl以0.001为步长，在各自的取值范围内穷举计算P，比较曲线P和Psd，计算相同纵坐标所对应的横坐标粒径d的标准差，经计算比较得到标准差最小的Xc=0.143，Xsf=0.078, Xfa=0.364，Xsl=0.416分别作为水泥、硅灰、粉煤灰和特细砂的配比分数；
[0077]水的用量与胶凝材料的质量比W/B为0.175，其中W表示水的用量，B表示胶凝材
料质量。
[0078]使用聚羧酸减水剂，粉剂，减水率30%，用量为胶凝材料的1.75%。
[0079]超高性能水泥基抗冲磨材料的主要材料用量，体积百分比如下:
[0080]
【权利要求】
1.超高性能水泥基抗冲磨材料，包含胶凝材料、细骨料、外加剂和水，其特征是:所述胶凝材料为水泥和矿物掺合料，所述水泥为强度等级为42.5及以上的Ρ.Ι、Ρ.ΙΙ或Ρ.0代号水泥，所述矿物掺合料为硅灰、粉煤灰或矿粉的两种或三种材料组合；细骨料为天然砂、人工砂或多种类型的砂的组合； 其中，水泥用量占超闻性能水泥基抗冲磨材料体积的10~50%,所述矿物惨合料占超高性能水泥基抗冲磨材料体积的10~40% ;所述细骨料占超高性能水泥基抗冲磨材料体积的20~70% ； 所述胶凝材料与细骨料各 组分的配比分数通过理想堆积曲线和各材料组分的粒径累计分布曲线进行数值分析计算； 1)所述理想堆积曲线公式为:
Psd=IO0./ m/ ； 其中，Psd为颗粒通过筛孔的百分比，A为经验常数，d为筛孔直径，Dfflax为颗粒的最大粒径; 经验常数A的取值根据超高性能水泥基抗冲磨材料的流动度要求通过公式确定:
A=5.C / ; C为稠度设计值，C0为试锥的高度145mm ； 2)各组分的粒径累计分布曲线: 对胶凝材料中所需的组分水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉以及1#细骨料、2#细骨料、…和n#细骨料，经测试的得到各自累计分布曲线f。(d)、fsf (d)、ffa (d)、fbs (d)、fsl (d)、fs2 (d)、…和fsn (d), n=l ~5 ; 3)数值分析计算如下: 设水泥占胶凝材料和骨料总量的体积分数为X。、硅灰占胶凝材料和骨料总量的体积分数为Xsf、粉煤灰占胶凝材料和骨料总量的体积分数为Xfa、矿粉占胶凝材料和骨料总量的体积分数为Xbs，1#细骨料占胶凝材料和骨料总量的体积分数为Xsl、2#细骨料占胶凝材料和骨料总量的体积分数为Xs2、...n#细骨料占胶凝材料和骨料总量的体积分数为Xsn，且满足Xc e [0.111,0.556]、(Xsf+Xfa+Xbs) e [0.111,0.444]、ΣΧ3η e [0.222,0.778],xc+xsf+xfa+xbs+x Xsn=I ； 设定混合后材料的粒径累计分布曲线为:
P=Xcfc (d) +Xsffsf (d) +xfaffa (d) +Xbs fbs (d) +Xslfsl (d) +Xs2fs2 (d) +...+Xsn fsn (d)，对各组分的体积分数xe、xsf、xfa、xbs、xsl、xs2、…和Xsn以0.001~0.01为步长，在各自的取值范围内穷举计算P，比较曲线P和psd，计算相同纵坐标所对应的横坐标粒径d的标准差，取标准差最小的X。、xsf、xfa、xbs、Xsl> Xs2>…和Xsn值作为胶凝材料的各组分配比分数；水的用量与胶凝材料的质量比W/B为0.1~0.4，其中W表示水的用量，B表示胶凝材料质量； 按计算所得配比配制的超高性能水泥基抗冲磨材料拌和后，流动性性能如下:
稠度 JGJ/T70:20 ~145mm ； 材料硬化后性能如下: 抗压强度，标准养护28d:≥150MPa ； 圆环法抗冲磨强度DL/T5150.≥ 1.6h/ (g/cm2)；钢球法抗冲磨强度DL/T5150 80.0h/(kg/m2)。
2.根据权利要求1所述的超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于，所述纵坐标依最大值100%等分选取，至少取5个值。
3.根据权利要求1所述的超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于，所述的W/B为.0.12 至 0.28。
4.根据权利要求1所述的超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于，所述水泥符合国标《通用硅酸盐水泥》GB175 ;所述硅灰符合《砂浆和混凝土用硅灰》GB/T27690 ;所述粉煤灰符合《用于水泥和混凝土的粉煤灰》GB/T1596 ;所述矿粉符合《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》GB/T18046 ;水符合《混凝土用水标准》JGJ63。
5.根据权利要求1所述的超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于，所述细骨料的细度模数为1.2~3.5，堆积密度> 1.1 g/cm3 ;表观密度为> 1.8g/cm3 ;所述细骨料为石英砂或金刚砂，所述细骨料的细度模数为2.4~2.8。
6.根据权利要求1所述的超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于，所述外加剂剂为减水剂、消泡剂、增稠剂、早强剂、缓凝剂或减缩剂一种或者几种的组合，减水剂选用减水率25%以上的减水剂，掺量为所述胶凝材料质量的0.5%~5%，消泡剂掺量为胶凝材料的.0.08%~2%，增稠剂掺量为胶凝材料的0.005%~0.5%,缓凝剂掺量为水泥材料0.005%~ .1.5%，减缩剂掺量为胶凝材料的0.1%~5%。
7.根据权利要求1所述的超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于，所述减水剂的减水率为30%以上，掺量为所述胶凝材料质量的0.5%~3%。
8.根据权利要求1所述的超高性能水泥基抗冲磨材料，其特征在于，所述超高性能水泥基抗冲磨材料中还添加纤维，所述纤维为钢纤维或非金属纤维，非金属纤维为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、纤维素纤维、碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维，占所述超高性能水泥基抗冲磨材料体积的0.05%~5% ;所述纤维的直径为15~1000 μ m,纤维长度为I~100mm。
9.如权利要求1所述的超高性能水泥基抗冲磨材料的施工方法，其特征是:在新浇筑的抗冲磨混凝土结构上施工时，在新浇筑的混凝土完成浇筑后72小时内用高压水枪进行冲毛作业，水枪压强与混凝土表面强度比控制在2.0±0.2 ;冲毛后根据施工部位的不同将拌制好的抗冲磨材料可通过喷射、镘刀刮涂或者流平浇筑等方法进行施工。
10.根据权利要求9所述的超高性能水泥基抗冲磨材料的施工方法，其特征在于，在需要修补的原有抗冲磨混凝土结构上施工时，将需要修补的混凝土表面采用风镐凿除一定深度，露出新鲜的混凝土面；将混凝土表面用高压水枪冲洗干净；然后根据施工部位的不同将拌制好的抗冲磨材料通过喷射、镘刀刮涂或者浇筑流平等方法进行施工。
【文档编号】C04B14/06GK103936347SQ201410100489
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】刘国平, 赵正, 施慧聪, 王俊颜, 刘健, 姚欣 申请人:上海罗洋新材料科技有限公司