一种高强、高韧、高抗冲击、高耐磨水泥基复合材料及其浇筑方法

摘要

本发明涉及一种高强、高韧、高抗冲击、高耐磨水泥基复合材料，按质量百分比计包括如下物质：水泥22.1~26.5%，多元复合矿物掺合料15.2~23.1%，刚玉44.5~55.1%，减水剂0.72~0.78%，钢纤维1.1~2.5%，水7.5~10.2%。采用本发明提供的水泥基复合材料浇筑成型的建筑构件，具有高强度、高韧性、高抗冲击和耐磨的特点，适用于如水利工程泄水建筑物等高压和冲磨同时兼具的严酷工程环境。本发明所使用的原材料为普通混凝土制备所用的常规建筑材料，原材料易得，并且价格低廉。本发明的制备方法简单易行，综合利用了大量工业废渣，还具有绿色环保的特点。

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高强、高韧、高抗冲击、高耐磨水泥基复合材料及其浇筑方法，主要用于如水利工程泄水建筑物、大型机床车间、机场跑道系统、车库停车场地坪等承受着冲击与摩擦同时作用的严酷荷载工程中。

背景技术

随着我国社会的发展，对能源的需求呈爆炸式增长。其中水电资源是一种绿色环保、洁净高效的能源，因此我国也越来越重视水电资源的开发。根据《中国可再生能源中长期发展规划》，到2020年，全国水电装机容量将达到3亿千瓦，占中国电力系统装机容量的比例约为23%。泄洪建筑物是水利水电工程中的重要部分，由于高水头电站水流速度非常高，可达40~50m/s，并且水流中夹带着悬移质或推移质颗粒，因此泄洪建筑物常遭受到高速水流及颗粒物的冲击、磨蚀。此外，重型货车或叉车辗轮频繁的大型机床车间、机器设备重压车间、机场跑道系统、车库停车场地坪等建筑也同样承受着冲击与摩擦同时作用的严酷荷载。这些严酷荷载条件下的建筑物对建筑材料提出了非常高的要求。已有研究表明，材料的抗冲击、磨蚀能力与其强度、韧性、抗冲磨能力密切相关。因此，研发具有高强、高韧、高抗冲击、高耐磨的新型建筑材料具有重要意义，目前市面上还没有同时具备这几种性能的水泥基复合材料。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，在于提供一种高强、高韧、高抗冲击、高耐磨水泥基复合材料，采用该水泥基复合材料浇筑成型的建筑构件具有良好的耐冲刷摩擦性能，并且具有超高的强度和韧性，适用于高压冲磨的严酷工程环境中。

本发明的具体技术方案如下：

一种高强、高韧、高抗冲击、高耐磨水泥基复合材料，按质量百分比计包括如下物质：

水泥                      22.1~26.5%

多元复合矿物掺合料        15.2~23.1%

刚玉                      44.5~55.1%

减水剂                    0.72~0.78%

钢纤维                     1.1~2.5%

水                        7.5~10.2%；

所述刚玉要求其粒径为连续级配、最大粒径不超过12mm，含泥量≤1%，针片状含量≤5%，压碎值≤5%；刚玉质地坚硬，抗压强度高，采用上述范围内的刚玉掺加到混凝土中可以显著提高其强度和耐冲磨能力。

所述水泥采用强度等级不小于42.5的硅酸盐水泥。

所述多元复合矿物掺合料选自硅灰、粉煤灰、磨细矿渣中的两种或两种以上任意比例混合。其中，硅灰是硅合金厂工业副产品，要求SiO₂含量≥90%，比表面积≥15000m²/kg；粉煤灰要求烧失量≤5%，比表面积≥600m²/kg；磨细矿渣要求比表面积≥600m²/kg。矿物掺合料的多元复合，可以激发其各自的潜在化学活性和发挥其物理填充效应，极大地提高混凝土的密度，减小内部孔隙，增强基体与集料间的过渡区，最终提高混凝土的强度。

所述减水剂采用减水率达45%的高效减水剂，优选的采用减水率达45%的聚羧酸减水剂，其含固量≥40%；高效减水剂的使用，可以在不降低混凝土流动性的同时，显著地减水用水量，实现混凝土的高强度与高密实度。

    所述钢纤维采用直径d≤0.3mm、长度l≤25mm 的平直型钢纤维，上述钢纤维的加入，在混凝土内部呈三维随机乱向分布，在混凝土内部起到“桥接作用“，对裂缝的生成和扩展起到明显的抑制作用，提高混凝土的冲击韧性。

采用上述水泥基复合材料的浇筑方法，包括如下步骤：

（1）称取水泥、多元复合矿物掺合料、刚玉，将其混合形成均匀的干料混合物；

（2）然后称取减水剂和水，混合均匀形成水剂；

（3）将水剂加入到干料混合料中，搅拌均匀，然后将钢纤维均匀散入，搅拌均匀后形成水泥基复合材料浆体；

（4）将水泥基复合材料浆体浇入钢模，振动密实成型，形成建筑构件；

（（5）室温条件下24小时后拆模，然后对建筑构件在温度为20℃，相对湿度≥90%的情况下进行标准养护或者自然养护。

本发明首先加入高强耐磨粗集料刚玉，显著提高混凝土的强度和抗摩擦能力；其次利用高效减水剂，大幅度降低水胶比，减少混凝土用水量，提高混凝土的密度；在此基础上，通过多种矿物掺合料的相互激发，充分发挥了其内在化学潜能，并利用粒径紧密堆积、空隙分级填充，以及弹性模量等物理特性多元互补，实现了掺合料的组合叠加增强，从而制备出高致密、高强度的水泥基体；最后，加入高强钢纤维，阻止裂缝的生成及发展，显著提高韧性，提高抗冲击能力。 

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

（1）采用本发明提供的水泥基复合材料浇筑成型的建筑构件抗压强度170-200MPa，抗折强度45-60MPa、冲击韧性达183~201kN.m、抗冲击磨强度68.5~76.7h/(kg/m²)；具有高强度、高韧性、高抗冲击和耐磨擦的特点，适用于如水利工程泄水建筑物等高压和冲磨同时兼具的严酷工程环境；

（2）本发明所使用的原材料为普通混凝土制备所用的常规建筑材料，原材料易得，并且价格低廉；

（3）本发明的制备方法简单易行，综合利用了大量工业废渣，还具有绿色环保的特点。

具体实施方式

 本发明所述抗压强度、抗折强度试验方法参考JGJ/T281-2012《高强混凝土应用技术规程》进行试验。

冲击韧性试验方法：由于混凝土还没有系统的冲击韧性方法，所以按照ACI（美国混凝土协会）544委员会推荐的方法进行冲击韧性试验，试验装置包括：（1）试样尺寸为直径150mm和高60mm的圆柱体；（2）冲击锤重4.50kg，下落高度h=457mm。钢球直径为64mm，测试挡板和试样间距为5mm；（3）要求冲击锤、钢球和试样均要同心，冲击锤自由落下，测试试样初裂和破坏时的冲击次数N。

该试验方法通过以下方法定义冲击韧性：试样承受冲击后将出现第一条裂缝，进而试样体积发生膨胀，当试样与试验仪中四块挡板的任意三块接触时的冲击次数（破坏时的冲击次数）为N，冲击韧性W即为试样在N次冲击破坏过程吸收的全部冲击能量，计算式如下:

式中：W—试样达规定破坏时所吸收的全部冲击能量(N.m)；m－落锤的质量4.50(kg)；h—冲击锤下落的高度(m)；g—重力加速度，9.8m/s².

抗冲磨试验方法：采用风砂枪冲磨法（参照水工混凝土试验规程DL-T5150-2001），混凝土试件为15cm×15cm×15cm立方体，每个配合比制作三个试件，按上述方法成型后，在标准条件下进行养护至28后开始冲磨试验。

以下结合实施例进一步说明本发明。

本发明所述的标准养护或者自然养护均采用本领域内的常规标准养护或者自然养护，所以在此不做详述。

实施例中所使用的“刚玉”要求其料径为连续级配、最大粒径不超过12mm，含泥量≤1%，针片状含量≤5%，压碎值≤5%；

所使用的“硅灰”是硅合金厂工业副产品，要求SiO₂含量≥90%，比表面积≥15000m²/kg；“粉煤灰”要求烧失量≤5%，比表面积≥600m²/kg；“磨细矿渣”要求比表面积≥600m²/kg。

所使用的“聚羧酸减水剂”的减水率达45%，含固量≥40%。

所使用的“钢纤维”采用直径d≤0.3mm、长度l≤25mm 的平直型钢纤维。

实施例1

一种高强、高韧、高抗冲击、高耐磨水泥基复合材料，按质量百分比计由如下物质组成：

水泥（P.O 52.5）            22.5%

硅灰                       7%

粉煤灰                    10%

刚玉                      51.08%

聚羧酸减水剂              0.72%

钢纤维                    1.2%

水                       7.5%。

上述水泥基复合材料的浇筑方法，包括如下步骤：

（1）称取水泥、硅灰、粉煤灰、刚玉，将其干拌1分钟，形成均匀的干料混合物；

（2）然后称取聚羧酸减水剂和水，混合均匀形成水剂；

（3）将水剂加入到干料混合料中，搅拌3分钟，然后将钢纤维均匀散入，搅拌1分钟，形成流动性良好的水泥基复合材料浆体；

（4）将水泥基复合材料浆体浇入钢模，振动密实成型，形成建筑构件；

（5）在室温条件下24小时后拆模，对建筑构件进行标准养护（温度为20℃，相对湿度≥90%）。

上述建筑构件28天抗压强度173MPa，抗折强度48MPa，冲击韧性183kN.m，抗冲击磨强度68.5h/(kg/m²)。

实施例2

一种高强、高韧、高抗冲击、高耐磨水泥基复合材料，按质量百分比计由如下物质组成：

水泥（P.O 52.5）           25.5%

粉煤灰                     8%

磨细矿渣                  7.5%

刚玉                      47.25%

聚羧酸减水剂              0.75%

钢纤维                    2.0%

水                       9%。

上述水泥基复合材料的浇筑方法，包括如下步骤：

（1）称取水泥、磨细矿渣、粉煤灰、刚玉，将其干拌1分钟，形成均匀的干料混合物；

（2）然后称取聚羧酸减水剂和水，混合均匀形成水剂；

（3）将水剂加入到干料混合料中，搅拌3分钟，然后将钢纤维均匀散入，搅拌1分钟，形成流动性良好的水泥基复合材料浆体；

（4）将水泥基复合材料浆体浇入钢模，振动密实成型，形成建筑构件；

（5）在室温条件下24小时后拆模，对建筑构件进行自然养护。

上述建筑构件28天抗压强度191MPa，抗折强度53MPa，冲击韧性198kN.m，抗冲击磨强度74.4h/(kg/m²)。

实施例3

一种高强、高韧、高抗冲击、高耐磨水泥基复合材料，按质量百分比计由如下物质组成：

水泥（P.O 52.5）            22.1%

硅灰                       10%

粉煤灰                     6%

磨细矿渣                   6.37%

刚玉                      44.5%

聚羧酸减水剂              0.73%

钢纤维                     2.3%

水                         8%。

上述水泥基复合材料的浇筑方法，包括如下步骤：

（1）称取水泥、硅灰、粉煤灰、磨细矿渣、刚玉，将其干拌1分钟，形成均匀的干料混合物；

（2）然后称取聚羧酸减水剂和水，混合均匀形成水剂；

（3）将水剂加入到干料混合料中，搅拌3分钟，然后将钢纤维均匀散入，搅拌1分钟，形成流动性良好的水泥基复合材料浆体；

（4）将水泥基复合材料浆体浇入钢模，振动密实成型，形成建筑构件；

（5）在室温条件下24小时后拆模，对建筑构件进行标准养护（温度为20℃，相对湿度≥90%）。

上述建筑构件28天抗压强度191MPa，抗折强度53MPa，冲击韧性198kN.m，抗冲击磨强度74.4h/(kg/m²)。