一种抗冲磨超高性能混凝土及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种抗冲磨超高性能混凝土及其制备方法，属于建筑材料技术领域。所述抗冲磨超高性能混凝土包括以下重量份数的各组分：高铁相硅酸盐水泥750～850份、粉煤灰150～250份、硅灰100～200份、玄武岩机制砂1000～1300份、钢纤维40～100份、改性橡胶颗粒135～405份、改性氧化石墨烯0.5～1.2份、膨胀剂50～95份、减水剂17～45份，水170～270份；所述改性橡胶颗粒的制备方法包括以下步骤：S1.橡胶颗粒的表面改性处理；S2.造壳处理。本发明专利技术的超高性能混凝土28d抗压强度≥137MPa，28d抗冲磨强度≥163h/(kg/m2)，终裂冲击功≥146kJ，56d收缩≤510

【技术实现步骤摘要】
一种抗冲磨超高性能混凝土及其制备方法


[0001]本专利技术属于建筑材料
，具体涉及一种抗冲磨超高性能混凝土及其制备方法。

技术介绍

[0002]水工建筑物构件处于最恶劣的海洋环境中，常年受到浪、潮汐、干湿循环、盐、高温、冻融等复杂多场耦合作用，易产生过早劣化，严重影响其使用。而使用传统硅酸盐水泥的构件存在早期强度不足、抗浪抗冲磨能力差的问题，为其工业生产和海洋环境下的服役性能带来严峻挑战。因此，研究开发适用于海洋环境的高抗蚀硅酸盐水泥基材料以及提高其在海洋环境下的耐久性和服役寿命是当前亟需解决的重大问题。
[0003]桥梁作为连接交通的重要载体，被大规模的建造，其中作为支撑桥梁重要的部位桥墩是保证桥梁安全的重要前提。在我国西部山区，泥石流、洪水等自然灾害频发，泥石流、洪水中掺杂大量泥沙和石块，且流速快、流量大，高速挟沙和石块水流或泥石流对混凝土的冲刷与冲击效应，使混凝土表面薄弱的水泥石逐层磨蚀、集料暴露；与此同时，水流中的推移质(石块等较大体积的坚硬物)从各个角度高速冲击被磨蚀的刚性混凝土表面，使混凝土发生脆性破坏，进而出现严重剥落；此外，部分水中还含有大量SO
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、Cl
‑
和Mg
2+
等有害侵蚀性离子，同时该地区干燥、昼夜温差大；桥梁墩柱底部服役位置常年处于水下，内部湿度高，水面以上位置湿度逐渐降低，由于湿度梯度的存在，服役环境周边的水分、盐类物质等富含侵蚀离子的介质不断向上传输，造成混凝土内部出现膨胀开裂、钢筋锈蚀等问题，严重影响桥梁的使用寿命，并带来巨大安全隐患和较高的维修与维护成本。
[0004]桥梁墩柱防护材料事关我国桥梁工程的安全性、耐久性和经济性，是现代交通可持续发展的重大技术保障。因此，亟需开发一种耐磨、抗冲击和耐久性优良的墩柱结构防护层材料，以应对复杂、严酷的服役环境。
[0005]超高性能混凝土是一种具有极高力学性能和耐久性能的水泥基复合材料，其超高的力学强度和耐久性能使其在国内外建筑、桥梁、道路等工程上得以应用，并有应用在水工建筑物抗冲耐磨材料的潜力，但目前国内外对其该方面性能的研究很少。

技术实现思路

[0006]针对以上现有技术的不足，本专利技术的目的之一是提供一种抗冲磨超高性能混凝土，该混凝土的抗压强度和抗冲磨强度高，抗冲击性能优良，磨损率低，收缩小，可用于墩柱结构。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的具体技术方案如下：
[0008]一种抗冲磨超高性能混凝土，包括以下重量份数的各组分：高铁相硅酸盐水泥750～850份、粉煤灰150～250份、硅灰100～200份、玄武岩机制砂1000～1300份、钢纤维40～100份、改性橡胶颗粒135～405份、改性氧化石墨烯0.5～1.2份、膨胀剂50～95份、减水剂17～45份，水170～270份；
[0009]所述改性橡胶颗粒的制备方法包括以下步骤：
[0010]S1.橡胶颗粒的表面改性处理：采用氢氧化钙溶液对橡胶颗粒进行浸泡，清洗后将橡胶颗粒加入高锰酸钾溶液中，滴加盐酸调节溶液的pH值至2～3，然后在55～65℃下进行氧化；再将氧化后的橡胶颗粒依次加入碳酸氢铵溶液和饱和苯磺酸钠溶液中浸泡，取出后烘干；
[0011]S2.造壳处理：将硅烷偶联剂、非离子表面活性剂、乙醇和水混合得到混合溶液，然后将混合溶液与步骤S1表面改性后的橡胶颗粒、水泥、漂珠、水混合后搅拌固化，烘干后得到所述改性橡胶颗粒。
[0012]高铁相硅酸盐水泥与粉煤灰、硅灰水化形成Al掺杂量高的C
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A
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S
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H凝胶，使胶凝浆体与玄武岩机制砂之间形成强界面粘结，从而提升混凝土的抗冲磨性能；同时本专利技术利用改性氧化石墨烯增韧胶凝浆体、改性橡胶颗粒变形吸能、钢纤维阻裂，三方面协同提高混凝土的抗冲击性能。
[0013]本专利技术的改性橡胶颗粒的制备方法中，首先利用氢氧化钙浸泡和清水冲洗去除橡胶颗粒表面覆盖的憎水性物质，增加橡胶颗粒表面的活化位点，然后在酸性环境下加入高锰酸钾进行氧化，再利用碳酸氢铵和苯磺酸钠对橡胶颗粒的表面进行改性，提高橡胶颗粒的亲水性，进而提高造壳过程中橡胶颗粒在水中的分散性，避免造壳时橡胶颗粒发生团聚。随后利用硅烷偶联剂和胶凝材料在橡胶颗粒的表面进行造壳，增加橡胶颗粒表面的粗糙度，进而增加橡胶颗粒与玄武岩机制砂的界面粘结强度，提升混凝土的力学性能和抗冲磨性能。硅烷偶联剂在橡胶颗粒和水泥两相之间充当“桥梁”作用，硅烷偶联剂中的硅羟基与水泥基材料发生缩合反应，通过Si
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O
‑
Si化学键形成紧密连接；当混凝土受荷时，硅烷偶联剂从一定程度上将脆性水泥基材料中的应力传递至具有优异变形能力的橡胶颗粒上，从而改善了混凝土的强度。
[0014]优选的，步骤S2中，硅烷偶联剂、非离子表面活性剂、乙醇和水的质量比为(4～8):(5～10):(15～22):(1～3)；所述混合溶液、步骤S1表面改性后的橡胶颗粒、水泥、漂珠、水的质量比为(4～10):(3～8):(6～12):(1～3)。
[0015]优选的，所述改性氧化石墨烯的制备方法如下：将氧化石墨超声分散于乙醇水溶液中，再加入硅烷偶联剂KH570和聚乙烯吡咯烷酮，在80～90℃下反应3～4h，干燥后得到所述改性氧化石墨烯。
[0016]由于氧化石墨烯比表面积大，极易团聚，纳米颗粒的团聚不仅会降低其在水泥基材料中的增强效果，严重时还可能损害基体性能；本专利技术采用硅烷偶联剂KH570对氧化石墨烯进行改性，硅烷偶联剂KH570与氧化石墨烯的表面发生键合，利用硅烷偶联剂KH570的空间位阻效应和库伦力防止氧化石墨烯团聚，采用聚乙烯吡咯烷酮进一步增强氧化石墨烯的分散效果。
[0017]优选的，所述氧化石墨的制备方法如下：将石墨、过硫酸钾、KMnO4和H3PO4混合后在15～20℃下反应1.5～2.5h，然后在30～40℃下反应10～15h，得到紫绿色反应物，再继续升温至85～100℃反应25～30min；然后加入双氧水直至反应物变成金黄色；最后经超声分散后取上层液进行干燥，即得到所述氧化石墨。
[0018]优选的，所述高铁相硅酸盐水泥的熟料中，C3S的含量为52wt％，C2S的含量为23wt％，C4AF的含量为17wt％。其中C4AF的含量为17wt％，明显高于P
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I 52.5水泥，且不含
C3A，C3S相较于P
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I 52.5水泥降低了约11.9％；在高铁相硅酸盐水泥的C4AF
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C3S水化反应体系中，C4AF水化速率较慢、且C4AF中Al溶出速率与C3S水化反应速率同步，可形成大量Al掺杂量高的C
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A
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S
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H凝胶。高铁相硅酸盐水泥水化形成的C
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A
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S
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H凝胶聚合度以及Al/Si均高于P
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗冲磨超高性能混凝土，其特征在于，包括以下重量份数的各组分：高铁相硅酸盐水泥750～850份、粉煤灰150～250份、硅灰100～200份、玄武岩机制砂1000～1300份、钢纤维40～100份、改性橡胶颗粒135～405份、改性氧化石墨烯0.5～1.2份、膨胀剂50～95份、减水剂17～45份，水170～270份；所述改性橡胶颗粒的制备方法包括以下步骤：S1.橡胶颗粒的表面改性处理：采用氢氧化钙溶液对橡胶颗粒进行浸泡，清洗后再将橡胶颗粒加入高锰酸钾溶液中，滴加盐酸调节溶液的pH值至2～3，然后在55～65℃下进行氧化；最后将氧化后的橡胶颗粒依次加入碳酸氢铵溶液和饱和苯磺酸钠溶液中浸泡，取出后烘干；S2.造壳处理：将硅烷偶联剂、非离子表面活性剂、乙醇和水进行混合得到混合溶液，然后将混合溶液与步骤S1表面改性后的橡胶颗粒、水泥、漂珠、水混合后搅拌固化，烘干后得到所述改性橡胶颗粒。2.根据权利要求1所述的一种抗冲磨超高性能混凝土，其特征在于，所述改性氧化石墨烯的制备方法如下：将氧化石墨超声分散于乙醇水溶液中，再加入硅烷偶联剂KH570和聚乙烯吡咯烷酮，在80～90℃下反应3～4h，干燥后得到所述改性氧化石墨烯。3.根据权利要求2所述的一种抗冲磨超高性能混凝土，其特征在于，所述氧化石墨的制备方法如下：将石墨、过硫酸钾、KMnO4和H3PO4混合后在15～20℃下反应1.5～2.5h，继续升温至30～40℃反应10～15h，得到紫绿色反应物，再继续升温至85～100℃反应25～30min；然后加入双氧水直...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾瑞，丁超，王韶辉，万瑞，刘凯，费壮，王润，
申请(专利权)人：江苏中建商品混凝土有限公司，
类型：发明
国别省市：