一种适用于多泥沙河流渗渠取水结构的滤水混凝土及其制备方法与流程

本发明属于水利工程，具体涉及一种适用于多泥沙河流渗渠取水结构的滤水混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、施工供水系统是水利工程最早开工的项目之一，也是制约水利工程造价和运行的关键技术难点，施工供水系统对水质特别是泥沙含量都有严格的规定和限制。然而，多泥沙河流的泥沙含量高、粒径细、杂质较多，因此如何对多泥沙河流进行长期有效的处理是施工取水成功与否的关键。

2、目前，渗渠取水是水利工程中常用的取水方法，而渗渠结构的渗透性是取水的关键。工程上，常采用透水系数较小的混凝土作为渗渠结构的过滤层，以提高对泥沙的过滤效果。然而，一方面，现有技术中混凝土过滤层的透水系数较低，滤水效果差，不能满足施工取水量的要求，即易造成施工供水不足；另一方面，混凝土过滤层易受到泥沙淤积的影响，即孔隙容易被泥沙堵塞，大大降低了渗渠过滤系统的滤水性能和使用年限。

3、如何提高混凝土过滤层的滤水性能，并有效减少泥沙的淤积堵塞，成为多泥沙河流渗渠取水成败的关键。一种采用特定配合比的滤水混凝土被提出。与普通混凝土不同，该混凝土属于“骨架-孔隙”结构，粗骨料的占比高，通常采用单粒径或间断级配粗骨料，细骨料的占比少或没有，因此可视为粗骨料通过表面包裹的浆体相互黏接而形成骨架结构，其余的空间为孔隙结构。

4、目前，透水混凝土多应用于市政工程、道路工程、地下建筑工程以及各种新型体育场地，尚未见诸透水混凝土用于过滤泥沙的先例和研究成果。透水混凝土的孔隙孔径大，其渗滤直径主要是针对0.05mm以上的颗粒，无法满足多泥沙河流0.05mm粒径以下泥沙的过滤要求。资料显示，多泥沙河流中大约有80％需要过滤的泥沙粒径在0.05mm以下。现有透水混凝土无法有效过滤0.05mm粒径以下泥沙颗粒，从而限制了其在多泥沙河流渗渠取水结构中的应用。因此，实现多泥沙河流渗渠取水的关键在于，研究混凝土在什么配合比的情况下，可以有效过滤多泥沙河流中细颗粒泥沙，尤其是0.05mm粒径以下的泥沙。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出一种适用于多泥沙河流渗渠取水结构的滤水混凝土及其制备方法。所制得的滤水混凝土不仅可以使渗渠取水结构满足多泥沙河流过滤效果的要求，并且过滤能力高、取水量大，可满足工程施工取水的要求，还可以使渗渠取水结构具有较好的防堵塞性能，进而提高渗渠取水系统的使用年限。此外，就地取材制备滤水混凝土的骨料，不仅解决了平原地区天然骨料短缺的问题，还拓展了泥沙的资源化利用途径，有助于多泥沙河流流域的生态保护和高质量发展。

2、本发明的适用于多泥沙河流渗渠取水结构的滤水混凝土，1m3滤水混凝土包括以下组分：胶凝材料350-450kg、粗骨料700-950kg、细骨料600-800kg、水95-135kg、减水剂5-7kg、改性材料1-2kg，水胶比＝0.26-0.32。

3、可选地，所述胶凝材料以质量百分比计包括：水泥65％-75％、粉煤灰20％-25％、高岭土5％-10％。水泥为普通硅酸盐水泥(p·o42.5)，粉煤灰为ii级粉煤灰，高岭土为325目煤系偏高岭土；在微观层面上，所述粉煤灰和高岭土的微集料效应，优化了胶凝材料体系的颗粒级配；粉煤灰和高岭土的火山灰效应，使胶凝材料体系的二次水化产物增多，可细化混凝土孔隙的孔径大小，且二者的“超叠加效应”能进一步优化混凝土的孔隙结构。在宏观层面上，掺加粉煤灰和高岭土可提高混凝土的力学性能和抗冲耐磨性；另一方面，还能有效防止混凝土拌合物出现离析下沉堵孔现象，提高混凝土的滤水能力，并延长渗渠取水结构的使用年限。

4、可选地，所述粗骨料和细骨料是采用人工制备的泥沙骨料，粗骨料粒径为5mm-10mm，细骨料是由两种粒径组成：1.25mm-2.5mm和2.5mm-5mm，1.25mm-2.5mm与2.5mm-5mm粒径骨料的质量比为3：2。

5、所述粗骨料在滤水混凝土中起到骨架的作用，在保证混凝土力学性能的同时使其具有较大的孔隙率和透水性。与透水混凝土技术最大的不同是，本发明的滤水混凝土含有大量的细骨料，占骨料总质量的40％-50％，这可大大减少了滤水混凝土中大孔孔隙的数量、细化小孔孔隙的孔径，增强对0.05mm粒径以下泥沙的过滤能力，保证渗渠结构的取水效果。

6、可选地，1m3所述泥沙骨料包括：水泥200kg、矿渣粉100kg、粉煤灰200kg、纤维40kg、减水剂5.5kg、碱激发剂200kg、水125kg、泥沙1350kg。

7、泥沙骨料是以水泥、矿渣粉和粉煤灰为胶结材料，以纤维为加强材，以减水剂、碱激发剂为调节剂，加水与泥沙混合搅拌均匀；采用二次短振动的方式成型，制备成150mm立方体试件，并在养护箱内进行标准养护，养护28d后进行拆模，在破碎机上破碎成1.25mm-10mm粒径的骨料；经过筛分和整形成相应级配的粗骨料和细骨料。

8、本发明提出的上述质量计组分制备的泥沙骨料，其抗压强度与筒压强度更为优异，并且还可有效减少界面问题，从而提高滤水混凝土的力学性能和耐久性能。所述水泥为普通硅酸盐水泥(p·o42.5)，矿渣粉的细度为4000cm2/g，粉煤灰为ii级粉煤灰，纤维为耐碱玻璃短切纤维，减水剂为萘系高效减水剂，碱激发剂为模数1.5-4、固体含量20％-40％的水玻璃，泥沙的中值粒径(d50)不大于200μm，且sio2含量不低于60％。

9、可选地，所述减水剂为萘系高效减水剂，其ph值为8±1，减水率为15％-25％，泌水率比≤40％。萘系高效减水剂加入混凝土体系中，能被吸附在胶凝材料颗粒表面上；当减水剂分子溶解后，在生成的水化产物上会再吸附部分减水剂分子，这将使水化产物由无定形的凝胶态转化为结晶态的过程变慢；随着水化的继续，减水剂分子将使结晶长的更大，从而减小混凝土的总孔隙率和大孔孔隙数量，改善混凝土的孔隙结构。

10、可选地，所述改性材料为表面活性剂和分散剂的复合外加剂。所述改性材料以质量百分比计包括表面活性剂85％-90％、分散剂10％-15％。

11、可选地，所述表面活性剂是由质量比为5：3～5：4的十二烷基硫酸钠与十六烷基磺基甜菜碱组成；所述分散剂是由质量比为2：3～2：5的苯丙乳液与滑石粉改性颗粒组成。所述改性材料中各组分相互配合、协同作用，可有效防止混凝土出现沉降堵孔的现象，优化了混凝土的孔隙结构，提高了混凝土过滤泥沙的能力，并且还可有效防止泥沙粘附在孔隙中，提高了混凝土孔隙的防堵塞性能。

12、所述十六烷基磺基甜菜碱为两性离子表面活性剂，十二烷基硫酸钠为阴离子型表面活性剂，两者的复配体系存在显著的协同增效作用。这种协同增效作用的机理为：十六烷基磺基甜菜碱亲水基所带的正电荷和十二烷基硫酸钠亲水基所带的负电荷间存在静电吸引作用，这种静电吸引作用主要在界面处产生竞争性吸附，既增强了复配体系的表面活性，又促进了复配体系在气液表面形成更加紧密的吸附膜。

13、所述苯丙乳液是以苯乙烯和丙烯酸丁酯为聚合性单体，以小分子有机硅和乙烯基大分子有机硅预聚物乳液为接枝有机硅，采用单体滴加聚合法制备而成的；滑石粉改性颗粒是采用钛酸酯偶联剂对滑石粉进行表面改性处理，这种表面改性处理是通过钛酸酯偶联剂中烷氧基团和无机粉体表面形成化学结合，并在无机物和有机物界面之间形成有机活性单分子层。分散剂采用苯丙乳液与滑石粉改性颗粒混合，其原理为苯丙乳液主要起到均匀分散混凝土浆体的作用，滑石粉改性颗粒通过物理分散、填充在混凝土孔隙之间，防止胶凝材料颗粒聚集，两者配合作用下可达到保证混凝土浆体沉降稳定、分散均匀，优化其孔隙结构的目的。

14、本发明的所述适用于多泥沙河流渗渠取水结构的滤水混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

15、步骤(1)：按照滤水混凝土配合比设计的各原料质量计进行称量；

16、步骤(2)：取5％-10％的水，将减水剂加入水中，在搅拌器中以不超过100r/min的转速，至少搅拌30s；

17、步骤(3)：取10％-20％的水，将表面活性剂中的十二烷基硫酸钠与十六烷基磺基甜菜碱依次加入水中，在搅拌器中以不超过200r/min的转速，至少搅拌60s；

18、步骤(4)：将分散剂中的苯丙乳液与滑石粉改性颗粒依次加入步骤(3)的表面活性剂溶液中，在搅拌器中以不超过150r/min的转速，至少搅拌30s；

19、步骤(5)：将胶凝材料、粗骨料和细骨料依次加入强制式搅拌机中，至少搅拌60s；

20、步骤(6)：将剩余的水加入步骤(5)的混合料中，至少搅拌120s；

21、步骤(7)：将步骤(2)的减水剂溶液和步骤(4)的改性材料溶液依次加入步骤(6)的浆体中，至少搅拌120s，至拌合均匀。

22、以上各步骤均是在常压下进行操作的。本制备方法可提升滤水混凝土浆体在骨料界面区的均匀性，增强骨料与浆体间的粘结强度，从而最大限度地发挥滤水混凝土的力学性能与耐久性能，进而提高渗渠过滤系统的使用年限。

23、本发明的有益效果是，

24、(1)与现有技术中的透水混凝土技术相比，改变了透水混凝土材料中不含或者含有少量细骨料的组成设计，本发明所述滤水混凝土含有大量的细骨料组分，减少了混凝土中大孔孔隙的数量，细化了孔隙孔径，增强了过滤0.05mm粒径以下泥沙的能力，保证了渗渠取水结构的滤水效果。

25、(2)与普通混凝土技术相比，本发明所述滤水混凝土材料中含有改性材料，改性材料中各组分相互配合、协同作用，可有效防止混凝土出现沉降堵孔的现象，优化了混凝土的孔隙结构，还可有效防止泥沙粘附在孔隙中，提高了混凝土孔隙的防堵塞性能，延长了渗渠取水结构的使用年限。

26、(3)本发明的滤水混凝土采用人工制备的泥沙骨料替代天然骨料，将多泥沙河流中的泥沙用于制备骨料，减少天然石材的消耗，不仅解决了平原地区天然骨料短缺的问题，并且为泥沙的资源化利用提供了新途径。

27、(4)本发明所述滤水混凝土的制备方法，不仅可提高滤水混凝土的力学性能和耐久性能，达到在多泥沙河流大流量、长期性取水的目的，而且滤水混凝土的制备过程不需改变原有设备系统、不需要增加新的设备，简单易行。