一种水工混凝土低温熔融耐磨修补防护层及其施工方法与流程

本发明属于水工混凝土材料领域，涉及水工抗冲磨混凝土的一种耐磨修补防护层制备方法。

背景技术：

1、抗冲磨性能是水工混凝土建筑物的重要性能之一。水工混凝土结构在使用过程当中承受水流泥沙的冲磨、空蚀作用，严重影响水工建筑物的耐久性，甚至会影响建筑物的服役安全。

2、我国研究混凝土抗冲磨性能主要集中通过改善混凝土自身性能，包括提高混凝土强度、在混凝土中掺入粉煤灰、硅粉、柔性颗粒以及特殊外加剂等以提高其抗冲磨性能。在混凝土自身抗冲磨性能提高受到限制时，通过在其表面增加耐磨防护层来提高水工混凝土建筑物整体抗冲磨能力是很有必要的。防护层主要包括不锈钢板、铸石板、条石板以及在混凝土表面涂刷有机高分子抗冲磨材料所形成的防护涂层(例如环氧树脂基抗冲磨材料、聚脲弹性体等)，用以提高水工建筑物的抗冲磨性能。这些材料各有优缺点，目前主要的缺陷表现在：1)耐磨能力有限，天然材料的耐磨能力比高强度混凝土提高的幅度有限；2)与基底混凝土结合能力弱，一些树脂、聚脲等材料，自身耐磨性较好，但是难以与混凝土协调，容易被整块掀掉；3)整体性难保持，石板、钢板等材料难以保持整体性，存在接缝，容易在高速水流压力下冲掉。

3、现有技术中，发明公布cn 116947407a提供了一种抗冲磨砂浆，其所述砂浆制备，主要由水泥、水、细骨料等原材料混合而成，通过水泥基胶凝材料的水化反应形成具有耐氯离子侵蚀、抗冲磨性能的砂浆。该发明中主要采用砂浆的形式提供抗冲磨强度，其耐冲磨性能较低，且现有研究表明，抗冲磨砂浆对抗冲磨混凝土修补能力，一方面取决于材料性能，另一方面取决于砂浆与混凝土的结合性能。

4、现有发明专利cn 116854409a提供了一种基于纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土的提高抗冲磨性能的制备方法，其所述原材料包括胶凝材料、骨料、碱激发剂、增强材料和水，但是纳米材料和纤维在混凝土中的分散效果在实际工程应用中较差，工艺无法得到保证。

5、现有发明专利cn 116813268a提供了一种耐磨抗冲高强橡胶混凝土及其制备方法，其所述的高强橡胶混凝土主要由水泥、硅灰、超细水泥、粉煤灰、粗细骨料、橡胶、外加剂及水混合而成。其发明主要根据材料堆积密度得到其最紧密堆积比例，性能优于普通橡胶混凝土，但其更适用于新建混凝土工程。

6、现有发明专利cn 116770776a提供了一种基于亲水性低粘度聚氨酯改性界面胶tg和高触变性流变改性剂tv的长寿命抗冲磨修复技术，其特征在于先涂刷亲水性低粘度聚氨酯改性界面胶tg，后在其上浇筑应变强化型无机金属抗冲磨材料。该发明中分别有两个界面关键位置，其一是聚氨酯界面胶与混凝土基体之间，其二是聚氨酯洁面胶与浇筑的应变强化型无机金属抗冲磨材料，其提升的界面粘结强度在4mpa左右，较本发明低约20％，同时无机非金属材料在实际应用工程中造价较高，不利于大型的修补工程。

7、现有发明专利cn 116477894a提供了一种抗冲磨超高性能混凝土及其制备方法，其所述的混凝土材料主要包括高铁相硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、砂、钢纤维、改性橡胶颗粒、改性氧化石墨烯、膨胀剂、减水剂、水。根据实际工程研究，在大型水利工程项目中，粗骨料因其强度高是抵抗推移质磨蚀的重要部分，橡胶材料的改性，使整体工艺试验复杂化，同时橡胶颗粒与钢纤维不易分散均匀。

8、现有发明专利cn 110015869a提供了一种基于地聚物的抗冲磨水工护面块体的制备方法，其所述地聚物与混凝土之间设有粘合层，地聚物作为涂层的形式通过粘合剂粘合在混凝土块体表面，由于粘合层强度直接决定护面是否易脱落破坏，并且，作为一种预制构件，施工技术和运输有一定的限制。

9、现有发明cn 101759427a中提供了一种无机高抗冲磨混凝土修补材料，主要由硅酸盐类矿物、火山灰质混合料、二氧化硅粉粒、硫铝酸盐矿物、脂肪醇聚氧乙烯醚类高分子量的聚合物、纤维素醚、聚丙烯纤维、二氧化硅固体颗粒等原料混合而成，通过化学反应形成具有一定强度的耐磨层。该发明中所包含组分较多，且组分中的纤维不易分散均匀。

10、现有发明cn 114686148a提供了一种以环氧树脂为胶结材料、石英石、石英砂为原材料的建筑物国六面修补用抗冲耐磨材料及制备方法，最大限度的添加了最大粒径的石英石，提高了材料的抗冲磨性能。现有发明cn 113736402a提供了一种高分子的环保抗冲磨防劣化环氧树脂胶泥制备方法，主要有环氧树脂、表面活性助剂、环氧环已基-笼形聚倍半硅氧烷、硅烷偶联剂、气相二氧化硅、不饱和聚酯树脂、不饱和聚酯树脂、溴化纳米轻钙、固化剂、dmp-30促进剂、紫外线吸收剂、芳纶纤维粉、阻燃剂、氧化石墨烯纳米片等混合反应制成，所制备的环氧胶泥具有较高的强度、韧性及抗冲磨性能。现有发明cn 115611554a提供了一种改性环氧树脂抗冲磨修补砂浆及其制备方法，主要有环氧树脂、活性稀释剂、固化剂、天冬聚脲预聚体，主要由环氧树脂中的环氧基团与天冬聚脲预聚体中的仲胺基团的化学反应，使环氧砂浆的韧性和抗冲磨性能进一步提高。现有发明cn 112961570a提供的一种环保型水下增韧环氧树脂胶及其制备方法，同样是采用环氧树脂为主要原料，为涂膜提供抗冲磨性能。现有发明cn 104261765a提供了一种环氧树脂聚合物砂浆及生产工艺，主要由环氧树脂浆料、活性稀释剂、固化混合物以及基料混合形成，能够提高混凝土的抗冲磨性能。现有发明cn 101607806a提供了一种混凝土过水面的抗冲磨蚀与防渗材料，主要使用环氧树脂作为主要材料。现有发明cn 105366994a提供了一种抗冲磨环氧树脂砂浆及制备方法，主要使用环氧树脂配制抗冲磨砂浆，为混凝土提供抗冲磨能力。现有发明cn107083149b提供了一种输水隧洞混凝土表面防护及防贝类涂层，主要利用第一组分环氧树脂、增韧改性剂、活性稀释剂、触变剂及纳米混合材料以及第二组分苯甲醇稀释剂、纳米混合填料以及聚酰胺固化剂、酚醛胺固化剂和改性脂肪固化剂中的一种。以上发明使用的环氧树脂材料是通过高分子聚合反应形成耐磨层，有以下几个缺点：(1)环氧树脂价格较贵；(2)在不加其他改性剂的情况下环氧材料粘度大而导致施工不便，且固化物较脆；(3)环氧树脂对于极性小的材料粘结力较小，需要对这些材料进行预处理，使得施工工艺复杂化；(4)环氧树脂耐候性差，低温下凝固硬化缓慢，凝固后其中的芳香醚键受到阳光照射易断裂，该断裂作用与冲磨作用可能会产生耦合效应加速耐磨防护层劣化；(5)环氧树脂的改性剂如活性稀释剂、固化剂等有不同程度的毒性和刺激性，不适用于与生态直接相关的工程中。

11、现有发明cn 109369151a提供了一种水工建筑用耐冲磨的无机复合材料及其制备方法，采用氮化铝陶瓷粉、聚四氟乙烯、凹凸棒土、丙烯酸胶粉、羟丙基甲基纤维素、玻璃微珠、矿渣和玄武岩纤维制备而成一种整体的无机复合材料成品。该发明使用的是常温反应，与本发明提出的低温熔融制备过程相比，力学性能、耐磨性能、整体性能都有显著差别。

12、现有发明cn 107445545 a提供了一种水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料，所述复合材料按照质量份数由以下组分组成：水泥20～60份、粉煤灰0～80份、磨细矿渣0～80份、轻质钙粉5～10份、纳米sio2 1～5份、细集料25～40份、水20～40份、减水剂0.1～1份、聚乙烯醇纤维0.5～2.5份。这种方法形成的仍是一种水泥基的材料，与本发明制备的陶瓷质耐磨防护层有显著区别，抗冲磨性能较本发明弱。

13、现有发明cn 104790349 a提供了一种以陶瓷板作为防护层的水工混凝土结构，包括水工混凝土结构主体，所述水工混凝土结构主体上设置有若干膨胀螺栓，水工混凝土结构主体的外部设置有若干陶瓷板，所述陶瓷板的上下端均通过连接件与膨胀螺栓相连，陶瓷板与水工混凝土结构主体之间通过粘结砂浆粘结为一体。该发明利用粘结砂浆将陶瓷板与混凝土结构粘结，其性能受粘结砂浆影响较大。

14、现有发明cn 104387114 a提供了一种水免疫纳米聚脲水工混凝土修补料及其制备方法，该修补料主要还是通过高分子聚合物反应形成，与本发明提出低温熔融过程差异显著，本发明具有较高的抗冲磨强度及较高的硬度。

15、现有发明cn 109749409a提供了一种水工建筑专用耐老化、抗冲磨陶瓷复合材料：先合成聚氨酯型环氧树脂，后将高强度纤维与级配超硬颗粒填料复合，制成纤维/级配超硬颗粒复合材料，之后将聚氨酯型环氧树脂与未改性环氧树脂按比例混合，加入纤维/级配超硬颗粒复合材料、活性稀释剂、消泡剂搅拌后再加入适量固化剂制得耐老化抗冲磨聚氨酯型环氧树脂/陶瓷复合材料，是通过常温反应的方法制备的修补材料，力学性能、耐磨性能均较低。

16、现有发明cn 103420642 a提供了一种高弹性抗冲磨砂浆修补材料及施工工艺，其主要特征在于选用单组份聚脲和特种砂料。与本发明提出的采用低温熔融方法制备陶瓷质防护层有明显差异，采用本发明所述制备方法制得的防护层与混凝土基材具有较强的粘结性能，且具有更高的抗冲磨、耐腐蚀性能。

17、现有发明cn 108753100 a提供了一种水性环氧混凝土修补界面剂及其制备方法。该界面剂包括a组分和b组分，a组分按质量百分比包括纳米二氧化硅乳液5％～30％、硅烷偶联剂50％～65％、水性环氧树脂5％～45％；b组分按质量百分比包括柔性聚醚胺30％～50％、二乙基甲苯二胺50％～70％。该发明采用的修补材料均为有机高分子材料，与本发明相比，本发明具有更高的抗冲磨强度，且具有更好的耐腐蚀性能。

技术实现思路

1、为了提高新建水工混凝土建筑物的抗冲耐磨耐腐蚀性能，以及提高水工混凝土建筑物的修补防护性能，降低混凝土结构多次维修的经济代价，本发明提供了一种水工混凝土低温熔融耐磨修补防护层的制备方法及其修补防护材料。

2、作为一种水工混凝土耐磨修补防护层，针对水工混凝土材料本身抗冲磨性能达到极限或受到破坏时，从外部抗冲磨的角度，在受到冲磨损伤的水工混凝土结构外部或新成型水工混凝土表面提供一种抗冲耐磨耐腐蚀防护涂层，并且通过熔融施工方法将防护层与混凝土结合为一个整体，使其具有良好的整体性能，提高水工混凝土表面的抗冲耐磨防腐蚀性能。

3、在其他领域中，陶瓷材料是耐磨性和耐腐蚀性极好的一种材料，强度高、耐高温、耐水浸，变形能力与混凝土接近，如果能在混凝土表面做一层陶瓷类的防护层，则可以大幅度提高混凝土的耐磨能力，本发明的耐磨修补防护层可以在混凝土表面与其形成一个整体层，不易剥落。本发明即是在此思想的指导下提出的创造性的技术方案。

4、本发明的技术方案是：本发明提供了一种提高水工混凝土耐磨修补防护层的制备方法及应用措施，所述水工混凝土抗冲磨防护方法包括防护层材料组分、防护层材料组合配比、防护层制备过程以及具体施工应用方法。

5、一种水工混凝土低温熔融耐磨修补防护材料，所述修补防护材料为包括水、氧化钾、二氧化硅、氧化铝的混合物，将其均匀覆盖在混凝土表面，然后采用低温熔融技术，烧结在混凝土表面，将混凝土和修补防护材料形成一个整体；所述混合物中各组份按如下质量份比例混合：水10～25份，氧化钾1.30～1.63份，二氧化硅4.0～4.5份，氧化铝1～1.2份。

6、为了减小反应混合物材料的孔隙率，在混合物中可以加入3～6份矿物填料。

7、所述矿物填料为100目～200目的白云母或堇青石。

8、优选地，混合物中各组份按如下质量份比例混合：

9、水10～25份，氧化钾1.30～1.63份，二氧化硅4.0～4.5份，氧化铝1～1.2份，5份100～200目白云母。

10、不同组分得出抗冲耐磨效果不同，主要取决于组分中硅、钾、铝组分生成的聚硅铝酸盐—硅氧体的含量，以及混合物中的填料组成。

11、优选地，混合物中，各物质的重量份数比例关系为：氧化钾/二氧化硅＝0.28～0.41，二氧化硅/氧化铝＝3.33～4.50，水/氧化铝＝10～25，氧化钾/氧化铝＝1.08～1.63。

12、所述耐磨修补防护材料在水工混凝土建筑物的修补中的应用。

13、所述耐磨修补防护材料在制备抗冲耐磨耐腐蚀性能水工混凝土建筑物中的应用。在需要修补或者防护的水工混凝土表面覆盖修补防护材料，利用低温熔融技术，制备成抗冲磨防腐蚀防护层，防护层与混凝土粘结性能良好。

14、一种抗冲磨防护施工方法，在需要修补或者防护的水工混凝土表面覆盖修补防护材料，利用低温熔融技术，制备成抗冲磨防腐蚀防护层，防护层与混凝土粘结性能良好，形成一体，提高水工混凝土抗冲磨性能。

15、所述低温熔融技术为采用火焰喷枪对防护材料进行低温熔融，喷射距离保持50cm～70cm，温度保持在85℃～120℃，时间为10min～30min。

16、所述抗冲磨防腐蚀防护层厚度控制在1mm～5mm。

17、在需要修补或者防护的水工混凝土表面覆盖修补防护材料的厚度为5mm～8mm。

18、本发明提供一种耐磨修补防护材料，进一步优选地，所述防护材料采用水13.5份，氧化钾1.63份，二氧化硅4.46份，氧化铝1.081份，5份100～200目白云母，混合得到反应性混合物。

19、将反应性混合物作为修补防护材料混合物均匀覆盖在混凝土材料结构表面5mm～8mm，利用低温熔融技术，将防护材料浆体直接烧结在混凝土表面形成一种致密的陶瓷质结构，修补混凝土损伤，并提高混凝土的抗冲磨性能。

20、本发明提供的一种抗冲磨防护施工方法具体步骤如下：

21、步骤1：制备水工混凝土试件；

22、步骤2：制备地聚合物耐磨修补防护层材料；

23、步骤3：在混凝土表面均匀覆盖步骤2配制材料5mm～8mm；

24、步骤4：将材料均匀烧结在混凝土表面，与混凝土试件形成一个整体。

25、所述步骤1：制备混凝土试件作为防护材料的防护基体材料，此处混凝土配合比除满足混凝土设计规范外没有额外要求。

26、所述步骤2：制备耐磨修补防护材料，采用水13.5份，氧化钾1.63份，二氧化硅4.46份，氧化铝1.081份，5份100～200目白云母，混合得到反应性混合物。

27、所述步骤3：将混凝土养护28d后，在混凝土表面均匀覆盖步骤2所述混合物浆体，确保材料覆盖的均匀性。

28、所述步骤4：采用火焰喷枪，火焰喷射距离保持50～70cm，温度保持在85～120℃，烧结时间为0.5h～1.5h。确保烧结温度的恒定和烧结时间的一致性，快速将混凝土和表面防护材料形成一个整体，具有良好的界面结合性能。

29、发明原理：本发明利用地聚合物材料的共聚特性，通过熔融的方式，制作成具有高抗冲磨性能的混凝土耐磨修补防护层。在低温熔融的操作下，步骤2所述混合物可以加快形成地聚合反应生成物，本发明中熔融结构为聚硅铝酸盐—硅氧体，形成耐磨修补防护层。通过外部防护的形式在水工混凝土表面形成一种高效抗冲磨防腐蚀防护面层，不仅适用于新建抗冲磨混凝土结构的防护层，还可适用于现有抗冲磨混凝土结构的修补与防护施工。

30、与专利cn 110015869a相比，本发明所提供的混凝土修补防护涂层，可以随时在具备条件的现场施工，本发明的防护方法与混凝土结构为一个整体，具有优异的结合性能，通过化学方式结合在混凝土结构面上，能更好地提高混凝土的抗冲磨和防腐蚀性能。

31、与cn 101759427a相比，本发明组分相对较少，相对易分散均匀，通过低温熔融使防护层材料形成类似陶瓷的一种高耐磨层，在耐磨性、整体性上，具有显著的技术提升。

32、与cn 104790349 a相比，本发明的防护层直接在水工混凝土表面成型，并且通过低温熔融技术形成陶瓷质的反应产物，具有更好的粘结能力和整体性。

33、与cn 109749409a相比，本发明施工工艺更为简单，而且cn 109749409a是通过常温反应的方法制备的修补材料，与本发明提出的85～120℃下低温熔融制备的陶瓷质材料相比，力学性能、耐磨性能均较低，且反应过程完全不同。

34、与现有技术中高性能、高强度抗冲磨混凝土材料相比，本发明是通过外部作用二次提高水工混凝土材料的抗冲磨、防空蚀性能。同时。作为修补材料，低温熔融技术在制备防护层时与混凝土之间的界面粘结强度会优于普通混凝土与旧混凝土之间的粘结性能，且防护层的性能优于水泥基胶凝材料。

35、与现有技术中主要采用环氧树脂配制抗冲磨砂浆，为混凝土提供抗冲磨能力的方案相比，本发明采用低温熔融形成陶瓷质抗冲耐磨防护层性的机理存在明显差异，本发明所使用的材料具有更强的抗冲磨和耐腐蚀性能，且在施工全过程绿色无毒。

36、本发明的原理：在常温环境中，无机矿物树脂可以聚合反应形成聚合物。其中，本发明采用的氧化钾、二氧化硅、氧化铝的反应经验公式为：

37、kn[(-si-o2)z-al-o2-]n·ωh2o

38、式中，z为1,2或3；k为钾一价阳离子；n为缩聚合度；ω为2。聚硅铝酸盐的分子式为：

39、

40、各种聚硅铝酸盐的水化物中，所存在的水量等于溶剂水加上反应物中的键合水。此原理反应的混合物是稳定的，在长期储存后还具备反应活性。

41、有益效果：

42、本发明与现有水工混凝土抗冲磨技术相比，具有以下优点：

43、(1)本发明提供的一种水工混凝土耐磨修补防护层制备方法，可以显著提高混凝土的抗冲耐磨防腐蚀性能，属于提高混凝土外部抗冲磨能力，能够有效对冲磨损伤的混凝土结构进行修补，能够在混凝土自身抗冲磨性能提高后的基础上进一步提高其抗冲磨的能力；

44、(2)本发明提供的抗冲磨性能的防护方法，能够显著增强混凝土的抗冲磨性能，能够有效减少水流对混凝土结构的侵蚀；

45、(3)本发明提供的抗冲磨性能的防护方法，所用材料与其他外部防护方法相比，具有更好的抗冲磨和防腐蚀能力；

46、(4)本发明中的施工方法简单，可以在有条件的现场直接操作，与混凝土直接结合为一个整体，整体性较强，可以更好的保护混凝土本体；

47、(5)本发明是利用材料直接高温烧结与混凝土形成一个整体，与新混凝土结构和修补旧混凝土结构，都具有优异的结合性能。