一種混凝土用高效抗衝耐磨劑及其製備方法與流程

2023-04-25 03:59:36 2

本發明屬於建築材料混凝土外加劑
技術領域：
，具體涉及一種水泥混凝土工程使用的抗衝耐磨劑及其製備方法。
背景技術：
：含沙高速水流對水工建築物過流面混凝土的衝刷磨損和空蝕破壞，是水工洩流建築物如溢流壩、洩洪洞(槽)、洩水閘等常見的病害。尤其是當前流速較高且水流中又夾帶著懸移質或推移質時，建築物遭受的衝磨、空蝕就更為嚴重。據調查，大型混凝土壩在運行過程中有近70％的工程存在此類病害，尤其是黃河幹流上的幾個大型水電站和西南地區的水利水電工程，由於泥沙和推移質含量大，水流速度高，因此洩水建築物的衝磨和空蝕問題已經成為一些水電站運行中的主要病害之一，有的甚至危及工程安全，急需修復。目前，提高混凝土抗衝耐磨的解決方案有矽粉系列抗衝耐磨混凝土、改性環氧類抗衝磨砂漿、防護塗料等。以上解決的方案主要採用增加混凝土抗壓強度，達到提高混凝土抗衝耐磨性。但是帶來了種種難以克服的缺點，如混凝土抗裂性能差、幹縮變形大、有機類易揮發、柔韌性不足、施工困難等缺點，一直是困擾工程界的難題。迄今為止，有關混凝土抗衝磨劑及其製備方法的專利文獻很多，如：中國專利cn101077830a公開了一種混凝土抗衝磨劑組合物及其製備方法。基於100重量份的混凝土抗衝磨劑組合物，其中包含35-80重量份的塑化劑、2.0-6.0重量份的三乙醇胺和1.0-6.0重量份的氯化物。此抗衝耐磨劑具有緻密、增強，提高混凝土抗衝耐磨能力，但存在大量的氯鹽化物易引起抗衝磨混凝土內部鋼筋鏽蝕，產生鋼筋鏽蝕膨脹，導致表層混凝土脫落剝離。中國專利cn102659341a公開了一種主要用於水電建設工程，也可用於道路、機場跑道等工程的水工混凝土用抗衝耐磨劑。此種混凝土抗衝耐磨劑主要由納米材料、纖維、減水劑和礦渣組成。所述纖維為聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、礦物纖維中的一種或兩種以上的混凝土。一旦硬化混凝土開裂，此種纖維難以滿足對混凝土橫跨裂縫的約束限制。中國專利cn104446082a公開了一種混凝土用抗衝磨劑。以重量份計，包括：6-12份的煤矸石、8-14份地開石粉、6-13粉的石膏粉。此抗衝磨劑利用煤矸石、地開石和石膏粉內部反應產生鈣礬石相，從而固相體積增加，產生微膨脹，使混凝土更密實，提高混凝土的耐衝磨性能。但地開石、石膏生成鈣礬石主要集中的混凝土澆築成型後3-5d內，不能補償抗衝磨、大體積混凝土的溫降收縮變形，一旦開裂將嚴重影響混凝土抗衝耐磨性能；煤矸石是碳質、泥質和砂質頁巖的混合物，易吸附混凝土減水劑，影響混凝土工作性能。中國專利cn103896532a公開了一種高強、高韌、高抗衝擊、高耐磨水泥基複合材料及其澆築方法。按質量百分比計，包括如下物質：水泥22.1-26.5％，多元複合礦物摻合料15.2-23.1％，剛玉44.5-55.1％，減水劑0.72-0.78％，鋼纖維1.1-2.5％，水7.5-10.2％。此種水泥基複合材料澆築成型的建築構件，具有高強度、高抗衝擊和耐磨特點。但其自身的收縮變形僅靠鋼纖維的約束，無法抑制其早期的自收縮和塑性收縮開裂。中國專利cn103570271a公開了一種改性水泥基材料抗衝磨材料及其製備和應用方法。改性水泥基材料抗衝耐磨材料包含：聚氧乙烯醚5-10％，陰離子型活性劑20-30％，載體30-40％，納米極性矽改性材料30-40％。此種抗衝磨材料具有增強、耐磨等特點；但摻納米級二氧化矽的混凝土收縮較大，通過聚氧乙烯醚降低水泥間內部表面張力，無法完全抑制抗衝耐磨混凝土的收縮開裂；雖其摻量僅佔膠材的0.8-1.5％，但含有價格較高的聚氧乙烯醚、陰離子型活性劑等，因此生產成本較高。在上述的技術中，涉及混凝土抗衝耐磨劑的部分都是增加基體的強度，從而達到抗衝耐磨的效果。摻入此類抗衝耐磨材料的混凝土，裂縫尤其是早期收縮開裂問題相比傳統混凝土反而更加突出。因此，亟需對上述問題進行解決，優化其抗衝耐磨性能和抗裂性能。技術實現要素：本發明要解決的技術問題是提供一種解決混凝土抗衝耐磨工程中所存在的技術難題，不僅能保證混凝土抗衝耐磨性能，而且能有效抑制抗衝耐磨混凝土的收縮開裂，延長使用壽命，降低生產成本和維修費用。本發明提供一種抗衝耐磨、抑制收縮性能好的混凝土抗衝耐磨劑及其製備方法。本發明的目的是提供一種高抗裂效能、提升混凝土抗衝耐磨性能的高效抗衝耐磨劑。為實現上述目的，本發明的具體技術方案如下：一種混凝土用高效抗衝耐磨劑，其包含以下組分，各組分所佔質量百分比為：所述改性氧化鈣包括氧化鈣粉體及其表面包裹的一層硬脂酸鈣，所述硬脂酸鈣包裹量為氧化鈣粉體質量的0.3wt％～0.8wt％；所述改性氧化鎂包括輕燒氧化鎂粉體及其表面包裹的一層硬脂酸鈣，所述硬脂酸鈣包裹量為輕燒氧化鎂粉體質量的0.3～0.8wt％；所述剛玉、莫來石均由礬土在950～1200℃下煅燒30～120min煅燒製備而得；所述超細二氧化矽為比表面積400-500m2/kg的二氧化矽粉體。本發明所述混凝土用高效抗衝耐磨劑由白雲石、礬土低溫煅燒所得的鈣質、鎂質複合膨脹材料和剛玉、莫來石，加入硬脂酸鈣後再與超細二氧化矽複合製備而成。本發明所述混凝土用高效抗衝耐磨劑的製備方法，包括如下步驟：(1)將白雲石、礬土混合粉磨成比表面積為150～400m2/kg的生料；(2)將步驟(1)製得的生料置於950～1200℃下煅燒30～120min，煅燒後形成的熟料在空氣中淬冷，獲得鈣質、鎂質複合膨脹材料和硬質材料剛玉、莫來石；(3)將步驟(2)製得的膨脹材料和硬質材料，粉磨至比表面積為400～500m2/kg的熟料粉體，粉磨過程中，加入佔熟料粉體總質量0.30-0.80wt％的硬脂酸鈣；(4)將步驟(3)中粉磨過並加入硬脂酸鈣的熟料粉體與超細二氧化矽均勻混合，即得所述混凝土用高效抗衝耐磨劑；步驟(1)中所述生料按質量比組成：白雲石：26～58wt％，礬土：42～74wt％。所述白雲石優選camg(co3)2含量大於90wt％；所述礬土優選al2o3含量大於60wt％。本發明對低溫煅燒製備的裝置及生料所處的狀態無特別限制。步驟(2)中所述熟料可以在立窯、隧道窯、輥道窯或迴轉窯中煅燒製得。作為優選方案，所述熟料採用迴轉窯製得。作為優選方案，步驟(2)中所述生料的煅燒溫度為1050～1200℃，煅燒時間為60min。本發明所述高效抗衝耐磨劑適用於：水電工程的導流洞、洩洪道、衝刷閘、公路路面、機場跑道、工具機及大型設備基礎的廠房混凝土面層的易受衝刷、磨損的混凝土工程。本發明所述混凝土用高效抗衝耐磨劑，在c30-c60混凝土摻入量佔膠材總量的0.5％-3.0wt％。與現有技術相比，本發明的有益效果是：(1)本發明所述混凝土用高效抗衝耐磨劑利用白雲石低溫煅燒製備鈣質、鎂質複合膨脹材料，達到分階段、全過程補償抗衝耐磨混凝土的收縮；通過對鈣質、鎂質複合膨脹材料進行表層處理，抑制鈣質、鎂質膨脹材料在塑性階段的水化，提升硬化階段的補償收縮效能；礬土煅燒製備的剛玉粉、莫來石粉可提升混凝土的耐衝磨能力；超細二氧化矽粉體具有密實孔隙結構的作用。通過物理化學雙重增強效應，本發明所述混凝土用高效抗衝耐磨劑，達到了分階段、全過程的抗裂，提升混凝土強度和抗衝磨性能的效果。(2)本發明所述混凝土用高效抗衝耐磨劑，在c30-c60抗衝磨混凝土中的量佔膠材總量的0.5％-3.0wt％，大幅度降低了抗衝耐磨材料的用量；對降低抗衝耐磨混凝土的成本具有重要意義。(3)本發明提供了利用白雲石、礬土低溫煅燒所得的鈣質、鎂質複合膨脹材料和剛玉、莫來石，再與超細二氧化矽複合的製備方法，具有原材料採用方便、易於獲取的特點；製備工藝簡單易行，便於推廣應用。附圖說明圖1為實施例1所製得的抗衝耐磨劑、市售矽灰系抗衝耐磨劑和市售具有補償收縮功能的抗衝耐磨劑在20℃水中養護、10％摻量，w/c＝0.4時的砂漿限制膨脹率；1-0號樣為市售矽灰系抗衝耐磨劑，1-1號樣為市售具有補償收縮功能的抗衝耐磨劑，1-2號樣為實施例1所製得的抗衝耐磨劑。圖2為實施例2所製得的3種抗衝耐磨劑在20℃水中養護、10％摻量，w/c＝0.4時的砂漿限制膨脹率；2-1號樣為含5wt％超細二氧化矽的抗衝耐磨劑，2-2號樣為含10wt％超細二氧化矽的抗衝耐磨劑，2-3號樣為含15wt％超細二氧化矽的抗衝耐磨劑。具體實施方式下面結合具體實施例對本發明所述混凝土用高效抗衝耐磨劑及其製備方法的技術特徵進一步闡述，但不限於實施例；在本發明中，除有特別說明，所有百分含量均為質量百分數。實施例1(一)一種混凝土用高效抗衝耐磨劑的製備將質量比58：42的白雲石和礬土破碎混合，經磨機共同粉磨至細度為150m2/kg的生料粉。將粉磨後的生料粉在950℃下煅燒，並在該溫度下煅燒120min，煅燒結束後立即取出燒成樣品在空氣中淬冷，粉磨製得比表面積為400m2/kg的熟料粉體。粉磨過程中，加入佔熟料粉體總質量0.3wt％的硬脂酸鈣。將質量比95：5的加入硬脂酸鈣的熟料粉體與超細二氧化矽均勻混合，形成一種混凝土用高效抗衝耐磨劑。表1原材料白雲石、礬土和超細二氧化矽的化學成分(wt.％)名稱mgocaosio2al2o3其他燒損率白雲石22.0129.511.030.210.5446.70礬土0.080.353.8384.917.223.61超細二氧化矽0.970.5494.480.271.831.91(二)混凝土用高效抗衝耐磨劑的膨脹性能測試依據標準《混凝土膨脹劑》gb23439-2009實驗方法，對上述製備的抗衝耐磨劑、市售矽灰系抗衝耐磨劑和市售具有補償收縮功能的抗衝耐磨劑進行水養條件下砂漿限制膨脹率測試(見圖1)。圖1表明，在水養條件下，摻入上述製備的抗衝耐磨劑的砂漿試件在14d齡期內持續膨脹，14d齡期後膨脹趨於穩定。與市售矽灰系抗衝耐磨劑和市售具有補償收縮功能的抗衝磨劑相比，上述製備的抗衝耐磨劑具有較大的膨脹效能。(三)摻混凝土用高效抗衝耐磨劑的c35混凝土的性能測試混凝土用高效抗衝耐磨劑佔水泥和粉煤灰總量的0.5％、1.5％和3.0％。抗衝磨混凝土的配合比如表2所示。表2內摻0％、1.5％和3.0％上述抗衝耐磨劑的c35混凝土的配合比(kg/m3)測定混凝土拌合物的坍落度，將其裝模並測定對於齡期混凝土的抗壓強度、抗滲及抗衝磨性能，性能檢測方法參照dl/5150-2001《水工混凝土實驗規程》，其中抗衝磨性能方法為風砂槍法，衝角為90°。試驗混凝土測試指標見表3。表3試驗混凝土測試指標表3表明，摻入本發明所製備的抗衝耐磨劑0.5％、1.5％和3.0％，隨著抗衝耐磨劑的摻量增加，c35混凝土的坍落度增大，表明製備的抗衝耐磨劑具有一定的減水效果。對抗壓強度而言，隨著抗衝耐磨劑的摻量增加，c35混凝土的抗壓強度增大，摻入3.0％抗衝耐磨劑後混凝土28d的抗壓強度達到c45混凝土的標準。摻入此種抗衝耐磨劑後，c35混凝土的抗衝耐磨性能提升2-3倍。實施例2(一)一種混凝土用高效抗衝耐磨劑的製備將質量比50：50的白雲石和礬土破碎混合，經磨機共同粉磨至細度為400m2/kg的生料粉。將粉磨後的生料粉在1200℃下煅燒，並在該溫度下煅燒30min，煅燒結束後立即取出燒成樣品在空氣中淬冷，粉磨製得比表面積為500m2/kg的熟料粉體。粉磨過程中，加入佔熟料粉體總質量0.8wt％的硬脂酸鈣。表4原材料白雲石、礬土和超細二氧化矽的化學成分(wt.％)名稱mgocaosio2al2o3其他燒損率白雲石22.0129.511.030.210.5446.70礬土0.080.353.8384.917.223.61超細二氧化矽0.970.5494.480.271.831.91將上述加入硬脂酸鈣的熟料粉體與超細二氧化矽混合，形成混凝土用高效抗衝耐磨劑。表5加入硬脂酸鈣的熟料粉體與超細二氧化矽不同配比複合形成的抗衝耐磨劑(二)混凝土用高效抗衝耐磨劑的膨脹性能測試依據標準《混凝土膨脹劑》gb23439-2009實驗方法，對上述製備的抗衝耐磨劑、市售矽灰系抗衝耐磨劑和市售具有補償收縮功能的抗衝耐磨劑進行水養條件下砂漿限制膨脹率測試(見圖2)。圖2表明，在水養條件下，上述製備的抗衝耐磨劑的砂漿試件在14d齡期內持續膨脹，14d齡期後膨脹趨於穩定；7d砂漿限制膨脹率達到了標準ⅱ型品要求。(三)摻混凝土用高效抗衝耐磨劑的c35混凝土的性能測試混凝土用高效抗衝耐磨劑佔水泥和粉煤灰總量的1.5％。抗衝磨混凝土的配合比如表2所示。表6內摻1.5％上述三種抗衝耐磨劑的c35混凝土的配合比(kg/m3)註：2-1-1.5表示內摻1.5％上述編號2-1的混凝土高效抗衝耐磨劑；2-2-1.5表示內摻1.5％上述編號2-2的混凝土高效抗衝耐磨劑；2-3-1.5表示內摻1.5％上述編號2-3的混凝土高效抗衝耐磨劑。測定混凝土拌合物的坍落度，將其裝模並測定對於齡期混凝土的抗壓強度、抗滲及抗衝磨性能，性能檢測方法參照dl/5150-2001《水工混凝土實驗規程》，其中抗衝磨性能方法為風砂槍法，衝角為90°。試驗混凝土測試指標見表7。表7試驗混凝土測試指標表7表明，摻入上述製備的3種混凝土用高效抗衝耐磨劑1.5％後，c35混凝土的28d抗衝磨強度明顯提升；摻入1.5％上述製備的混凝土用高效抗衝耐磨劑的c35混凝土的28d的抗壓強度達到49.5mpa。實施例3(一)一種混凝土用高效抗衝耐磨劑的製備將質量比26：74的白雲石和礬土破碎混合，經磨機共同粉磨至細度為400m2/kg的生料粉。將粉磨後的生料粉在1050℃下煅燒，並在該溫度下煅燒30min，煅燒結束後立即取出燒成樣品在空氣中淬冷，粉磨製得比表面積為500m2/kg的熟料粉體。粉磨過程中，加入佔熟料粉體總質量0.5wt％的硬脂酸鈣。表8原材料白雲石、礬土和超細二氧化矽的化學成分(wt.％)名稱mgocaosio2al2o3其他燒損率白雲石22.0129.511.030.210.5446.70礬土0.080.353.8384.917.223.61超細二氧化矽0.970.5494.480.271.831.91將上述加入硬脂酸鈣的熟料粉體與超細二氧化矽混合，形成混凝土用高效抗衝耐磨劑。表9加入硬脂酸鈣的熟料粉體與超細二氧化矽不同配比複合形成的抗衝耐磨劑(二)摻混凝土用高效抗衝耐磨劑的c35混凝土的性能測試混凝土用高效抗衝耐磨劑佔水泥和粉煤灰總量的3.0％。抗衝磨混凝土的配合比如表10所示。表10為內摻1.5％上述三種抗衝耐磨劑的c35混凝土的配合比(kg/m3)註：3-1-3表示內摻3％上述編號3-1的混凝土高效抗衝耐磨劑；3-2-3表示內摻3％上述編號3-2的混凝土高效抗衝耐磨劑；3-3-3表示內摻3％上述編號3-3的混凝土高效抗衝耐磨劑。測定混凝土拌合物的坍落度，將其裝模並測定對於齡期混凝土的抗壓強度、抗滲及抗衝磨性能，性能檢測方法參照dl/5150-2001《水工混凝土實驗規程》，其中抗衝磨性能方法為風砂槍法，衝角為90°。試驗混凝土測試指標見表7。表11試驗混凝土測試指標表11表明，摻入上述製備的3種混凝土用高效抗衝耐磨劑3.0％後，c35混凝土的28d抗衝磨強度明顯提升；摻入3.0％上述製備的混凝土用高效抗衝耐磨劑的c35混凝土的28d的抗壓強度達到51.0mpa。當前第1頁12