输水钢管水泥砂浆内衬材料

摘要

本发明涉及一种具有防溶蚀功能的输水钢管水泥砂浆内衬材料，该内衬材料包括重量百分比计的以下组分：胶凝材料28%~38%、砂38%~54%、聚合物3.0%~8.0%、外加剂0.2%~1.2%、纤维0~0.06%和水12%~16%。本发明材料减少了输水钢管水泥砂浆内衬在流动水作用下的接触溶蚀，还大大减少了水泥砂浆的收缩，提高了水泥砂浆内衬与钢管的界面粘结能力、内衬与钢管的整体性，延长了水泥砂浆的耐久性，从而提高水泥砂浆内衬整体寿命，更好地保护输水钢管。

说明书

技术领域

本发明涉及一种输水钢管水泥砂浆内衬材料，具体的说，涉及一种具有防溶蚀功能的输水钢管水泥砂浆内衬材料。

背景技术

为了延长输水钢管的使用寿命、保护水质、保持或提高管道输水能力，输水钢管内壁常施工一层水泥砂浆作为内衬。但普通水泥砂浆内衬在应用过程中存在如下技术问题：（1）在输水钢管中流动性软水的长期作用下，容易导致水泥砂浆发生溶蚀，使得水泥的水化产物Ca(OH)₂（占水泥水化产物的10%~15%）不断溶解，随着Ca(OH)₂不断溶解，致使高碱性的水化硅酸钙、水化铝酸盐等其它水泥水化产物稳定性下降，不断分解为低碱性的水化产物，大大降低了结构强度；以目前的技术水平而言，还无法修补因溶蚀引起的破坏；（2）在水泥水化期，水泥砂浆会产生化学收缩、自干收缩、塑性收缩、干燥收缩、温度收缩，在钢管的约束下，水泥砂浆易产生开裂；一旦水泥砂浆内衬开裂，水泥砂浆和钢管的整体性遭到破坏，在开裂部位的溶蚀也将更为严重；（3）钢管内壁光滑，水泥砂浆内衬与钢管的界面上的粘结强度较低，施工时易脱落，且会产生空鼓、剥落等现象，致使水泥砂浆内衬和钢管的整体性降低。

中国发明专利CN92111569.5公开了一种聚合物水泥砂浆作水管衬里及方法，该聚合物水泥砂浆由丙烯酸酯共聚乳液、水泥、石英砂和水配制，该水泥砂浆内衬能够在一定程度上提高机械力学安全可靠性，提高抗渗能力，延缓污水、盐溶液的化学侵蚀，但仍不能有效避免水泥砂浆收缩和溶蚀，且其所用原料之一的丙烯酸酯共聚乳液市场价格较高。

“水工混凝土溶蚀特性研究进展与评述”（李新宇，第七届全国混凝土耐久性学术交流会论文集，2008：70-76）综述了国内外有关水工混凝土溶蚀研究成果，相关研究结果表明，粉煤灰、矿渣、硅灰、石灰石粉对改善混凝土的渗透性溶蚀具有较好效果，但该文献也介绍了李新宇、阮燕的关于粉煤灰对混凝土接触溶蚀（溶蚀的一种，在溶蚀过程中不受水压力或水压力很小可忽略不计）的研究成果，其研究表明粉煤灰对混凝土的接触溶蚀反而有加速作用，致使粉煤灰砂浆表面更加粗糙、疏松，溶蚀量加大，这一结论也在广州抽水蓄能电站二期输水洞工程中得到验证。而输水钢管的水泥砂浆内衬表面长期接触水流，会产生接触溶蚀，已有的技术方案能否改善输水钢管水泥砂浆内衬的接触溶蚀还不确定。

发明内容

为减少输水钢管水泥砂浆内衬在流动水作用下的接触溶蚀，本发明提出了一种具有防溶蚀功能的输水钢管水泥砂浆内衬材料，该材料还能大大减少水泥砂浆收缩，提高水泥砂浆内衬与钢管的界面粘结能力、内衬与钢管的整体性，延长水泥砂浆的耐久性，从而提高水泥砂浆内衬整体寿命，更好地保护输水钢管。

为解决输水钢管的普通水泥砂浆内衬存在的技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

设计一种输水钢管水泥砂浆内衬材料，包括重量百分比计的以下组分：胶凝材料28%~38%、砂38%~54%、聚合物3.0%~8.0%、外加剂0.2%~1.2%、纤维0~0.06%和水12%~16%。

对于上述的输水钢管水泥砂浆内衬材料，所述胶凝材料由以下重量百分比的原料组成：水泥70%~95%、沸石粉5%~15%和偏高岭土0~15%。

对于上述的输水钢管水泥砂浆内衬材料，所述水泥为硅酸盐水泥；所述沸石粉为磨细天然沸石粉，比表面积≥700m²/kg；所述偏高岭土为高岭土在500~900℃煅烧1~4h制得。

对于上述的输水钢管水泥砂浆内衬材料，所述砂由以下重量百分比的原料组成：浮石砂0~30%、天然河砂或机制砂70%~100%。

对于上述的输水钢管水泥砂浆内衬材料，所述砂料全部通过14目筛孔。

对于上述的输水钢管水泥砂浆内衬材料，所述聚合物由以下重量百分比的原料组成：丙烯酸酯共聚乳液50%~100%和901胶水0%~50%。

对于上述的输水钢管水泥砂浆内衬材料，所述丙烯酸酯共聚乳液的固含量为39~41wt%，所述901胶水的固含量为10%~15wt%；901胶水为水溶性聚乙烯醇建筑胶粘剂的一种，是常见的建筑用胶黏剂。

对于上述的输水钢管水泥砂浆内衬材料，所述纤维为有机合成纤维或硅酸盐类无机纤维；有机合成纤维长度3.0~8.0mm，硅酸盐类无机纤维长度为0.3~3.2mm。

对于上述的输水钢管水泥砂浆内衬材料，所述外加剂由以下重量百分比的原料组成：聚羧酸系高性能减水剂10%~30%、二元醇类化合物70%~90%和引气剂0~0.1%。

对于上述的输水钢管水泥砂浆内衬材料，所述二元醇类化合物为亚烷基二醇、聚氧化烯二醇、聚丙撑二醇中的至少一种；所述引气剂为三萜皂苷、十二烷基硫酸钠、AE-200引气剂中的至少一种。

本发明输水钢管水泥砂浆内衬材料的制备方法为：按照上述组分比例备料，先将胶凝材料、砂和纤维混合搅拌均匀，然后再加入聚合物、外加剂和水混合搅拌至少3min，使之均匀，即得。

本发明各原料组分协同作用，能够克服普通水泥砂浆内衬存在的技术问题，其主要作用机理简述如下：

1. 砂浆抗裂性能提高

聚合物组分产生的聚合物膜弹性模量较小，它使水泥砂浆内部的应力状态得到改善，韧性得到提高，可以承受较大变形，水泥砂浆内衬产生裂缝的可能性也减少。纤维加入水泥砂浆后，在水泥砂浆内乱向分布，纤维能使微裂纹发生弯曲和偏转，干扰应力场，导致砂浆的应力集中系数降低，阻碍裂纹的扩展。外加剂中的二元醇类化合物可大大降低水泥石毛细孔中水的表面张力，从而使得水泥砂浆宏观收缩值降低，早期可减少干缩和自干收缩80%以上，28d龄期可减少干缩和自干收缩40%以上。同时，与其他减水剂相比，聚羧酸系高性能减水剂能够降低水泥砂浆的干缩。在二元醇类化合物和聚羧酸系高性能减水剂作用下，水泥砂浆的收缩将大为减少，水泥砂浆内衬开裂的风险将大大降低。沸石粉具有独特的格架状结构，内部孔隙具有巨大的内表面能；浮石是一种多孔的火成喷出岩，气孔体积占岩石的50%以上，沸石粉和浮石砂在浆体中起到蓄水作用，在水泥后期水化过程中需要较多水的供应，这时被沸石粉和浮石砂吸附的水又能逐渐释放出来，对水泥砂浆起到内养护作用，可以有效降低自干收缩，提高水泥砂浆的抗裂性能。

本发明各组分协同作用，大大降低水泥砂浆收缩值，大幅度提高水泥砂浆韧性，从而避免水泥砂浆内衬产生开裂。

2. 抵抗溶蚀作用

天然沸石粉中的沸石在微观结构上均是由硅氧四面体和铝氧四面体组成，部分硅氧四面体的硅在被铝取代后，产生电荷不平衡，为了保持整个体系的电中性，必须由Na⁺、K⁺等碱金属及碱土金属阳离子来补偿，这些阳离子与沸石的铝硅酸盐骨架结合较弱，可以被其他阳离子交换代替。因此，沸石具有较强的离子交换性能。沸石中的碱金属离子可以与水泥砂浆孔隙溶液中的Ca²⁺发生阳离子交换，从而在保持水泥砂浆内部碱度不变的情况下，降低了孔隙溶液中自由Ca²⁺浓度，使得可以发生溶蚀作用的Ca²⁺减少，从而使得溶蚀作用降低。

磨细天然沸石粉和偏高岭土中含有大量的活性SiO₂和Al₂O₃，能与水泥水化的Ca(OH)₂发生火山灰反应，生成更加稳定的低钙硅比的C-S-H凝胶，该水化产物稳定存在的CaO极限浓度降低，因此即使发生CaO溶出，该水化产物也比普通水泥砂浆中高钙硅比的C-S-H凝胶更稳定，使得水泥砂浆内衬抵抗溶蚀效果显著增强。

聚合物组分能够在水泥砂浆内部形成聚合物膜，截断毛细孔，使得水泥砂浆的抗渗性和密实性大大提高。聚羧酸系高性能减水剂本身具有较高的减水作用，可降大幅度低水胶比，使得砂浆中有害孔隙大大降低，因此水泥砂浆变得更为密实。磨细天然沸石粉和偏高岭土的火山灰反应生产的低钙硅比的C-S-H凝胶填充在孔隙中，使得砂浆密实度大大提高；另外，火山灰反应消耗了氢氧化钙，减少了粗大的氢氧化钙晶体数量，减少了氢氧化钙晶体取向程度，使得骨料与水泥石界面过渡区优化，变得更为密实，大大降低水泥砂浆的渗透性。引气剂能够在水泥砂浆内衬中引入大量封闭微小气泡，起到截断毛细孔、提高密实性的作用。本发明水泥砂浆密实性越高，CaO在水泥砂浆内部渗透、扩散将变得更为困难，砂浆内部的CaO就难以溶出，水泥砂浆内衬的表面溶蚀速度大大降低。

前述砂浆抗裂性能提高机理使得水泥砂浆表面和内部的有害裂缝减少，减少了流动水和砂浆的接触面积，从而降低表面接触溶蚀的程度。

3. 整体性提高

聚合物组分在砂浆内部形成的聚合物膜弹性模量较小，使得水泥砂浆的弹性模量降低，变形能力增强；聚合物组分加入水泥砂浆中能显著提高与钢管内壁的粘接力。纤维加入水泥砂浆内部，将提高水泥砂浆韧性，提高水泥砂浆的抗拉变形能力。因此，聚合物组分和纤维改善了钢管和水泥砂浆内衬界面上的变形一致性，避免发生脱空、剥落现象，确保水泥砂浆内衬层与钢管整体一致性。

4. 耐久性提高

磨细天然沸石粉和偏高岭土的火山灰反应使得水泥砂浆更为密实，产物更为稳定，对耐久性不利的氢氧化钙减少，使得水泥砂浆抵抗硫酸盐、氯离子等化学侵蚀性能大幅度提高。另外聚羧酸系高性能减水剂和引气剂可大幅度降低水灰比，提高密实性，提高抗渗透性，提高水泥砂浆的抗冻性和抗化学侵蚀性。

聚合物组分能够在水泥砂浆内部形成聚合物膜，使得水泥砂浆的密实性大大提高，使得水泥砂浆的抗渗性、抗硫酸盐侵蚀、抗酸碱盐侵蚀能力大大增强。

本发明具有积极有益的效果：

针对输水钢管水泥砂浆内衬存在的易溶蚀、薄层开裂、整体性较差等技术问题，本发明水泥砂浆内衬材料可以提高水泥水化产物的化学稳定性，提高水泥砂浆的密实性，降低孔隙溶液自由Ca²⁺浓度，大幅度降低CaO溶出量，降低水泥砂浆在流动水作用下的表面溶蚀，并降低水泥砂浆收缩、弹性模量，提高水泥砂浆韧性，显著提高水泥砂浆的抗开裂能力，水泥砂浆内衬与钢管界面上的粘结强度也大幅度提高，避免发生脱空、剥落现象，保证水泥砂浆内衬层与钢管整体一致性，且能够大幅度提高水泥砂浆耐久性。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明作进一步的详细说明。下述实施例中的试验方法，如无特别说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试验材料及试剂，如无特别说明，均为市购。

实施例1

本实施例输水钢管水泥砂浆内衬材料包括重量百分比计的以下组分：胶凝材料32%、砂48.14%、聚合物4.8%、外加剂1.0%、聚丙烯纤维0.06%和水14%。

其中，胶凝材料由以下重量百分比的原料组成：42.5级硅酸盐水泥85%、沸石粉10%和偏高岭土5%；砂由以下重量百分比的原料组成：过14目筛孔的浮石砂10%和天然河砂90%；聚合物由以下重量百分比的原料组成：丙烯酸酯共聚乳液50%和901胶50%；外加剂由以下重量百分比的原料制成：聚羧酸系高性能减水剂15%、亚烷基二醇84.9%和三萜皂苷引气剂0.1%。

所述沸石粉为磨细天然沸石粉，比表面积≥700m²/kg；所述偏高岭土为高岭土在500~900℃煅烧1~4h制得，也可市购。所述丙烯酸酯共聚乳液的固含量为39~41wt%，所述901胶水的固含量为10%~15wt%。所用聚丙烯纤维长度3.0~8.0mm。

本实施例水泥砂浆内衬材料的性能如下：28d抗压强度为45.0MPa；标准养护3d后28d测得的收缩率为276×10^-6，为同水灰比、灰砂比的普通水泥砂浆收缩率的30.1%；与钢板的粘结强度为1.8MPa，比普通水泥砂浆提高2.2倍；2d水泥砂浆的吸水率比普通水泥砂浆降低75%；抗渗性能比普通水泥砂浆提高1.4倍；在同样试验条件下，水泥砂浆的在表面溶蚀70d后，单位胶凝材料中CaO累计溶出量为21mg/g，比普通水泥砂浆的45mg/g降低53.3%；抗冻等级大于F300；氯离子有效扩散系数为1.1×10^-12m²/s，抗氯离子侵蚀性能比普通水泥砂浆提高8.2倍。

实施例2

本实施例输水钢管水泥砂浆内衬材料包括重量百分比计的以下组分：胶凝材料38%、砂38%、聚合物6.74%、外加剂1.2%、聚乙烯醇纤维0.06%和水16%。

其中，胶凝材料由以下重量百分比的原料组成：水泥70%、沸石粉15%和偏高岭土15%；砂由以下重量百分比的原料组成：过14目筛孔的浮石砂30%和机制砂70%；聚合物由以下重量百分比的原料组成：丙烯酸酯共聚乳液80%和901胶20%；外加剂由以下重量百分比的原料组成：聚羧酸系高性能减水剂30%、聚氧化烯二醇69.9%、十二烷基硫酸钠0.1%。

所述沸石粉为磨细天然沸石粉，比表面积≥700m²/kg；所述偏高岭土为高岭土在500~900℃煅烧1~4h制得，也可市购。所述丙烯酸酯共聚乳液的固含量为39~41wt%，所述901胶水的固含量为10%~15wt%。所用聚乙烯醇纤维长度3.0~8.0mm。

本实施例水泥砂浆内衬材料的性能如下：28d抗压强度为48.2MPa；标准养护3d后28d测得的收缩率为265×10^-6，为同水灰比、灰砂比的普通水泥砂浆收缩率的28.9%；与钢板的粘结强度为1.9MPa，比普通水泥砂浆提高2.4倍；2d水泥砂浆的吸水率比普通水泥砂浆降低81%；抗渗性能比普通水泥砂浆提高1.8倍；在同样试验条件下，水泥砂浆的在表面溶蚀70d后，单位胶凝材料中CaO累计溶出量为18mg/g，比普通水泥砂浆的45mg/g降低60.0%。氯离子有效扩散系数为0.9×10^-12 m²/s，抗氯离子侵蚀性能比普通水泥砂浆提高10.2倍。

实施例3

本实施例输水钢管水泥砂浆内衬材料包括重量百分比计的以下组分：胶凝材料28%、砂53.04%、聚合物6.0%、外加剂0.9%、奥米抗裂砂浆专用硅酸盐类纤维0.06%和水12%。

其中，胶凝材料由以下重量百分比的原料组成：水泥85%和沸石粉15%；砂为天然河砂；聚合物由以下重量百分比的原料组成：丙烯酸酯共聚乳液70%和901胶30%；外加剂由以下重量百分比的原料组成：聚羧酸系高性能减水剂10%、聚丙撑二醇89.9%、AE-200引气剂0.1%。

所述沸石粉为磨细天然沸石粉，比表面积≥700m²/kg；所述丙烯酸酯共聚乳液的固含量为39~41wt%，所述901胶水的固含量为10%~15wt%；所用奥米抗裂砂浆专用硅酸盐类纤维长度0.3~3.2mm。

本实施例水泥砂浆内衬材料的性能如下：28d抗压强度为41.7MPa；标准养护3d后28d测得的收缩率为301×10^-6，为同水灰比、灰砂比的普通水泥砂浆收缩率的32.8%；与钢板的粘结强度为1.7MPa，比普通水泥砂浆提高2.0倍；2d水泥砂浆的吸水率比普通水泥砂浆降低68%；抗渗性能比普通水泥砂浆提高1.2倍；在同样试验条件下，水泥砂浆的在表面溶蚀70d后，单位胶凝材料中CaO累计溶出量为22mg/g，比普通水泥砂浆的45mg/g降低51.1%。氯离子有效扩散系数为1.2×10^-12 m²/s，抗氯离子侵蚀性能比普通水泥砂浆提高7.4倍。

实施例4

本实施例输水钢管水泥砂浆内衬材料包括重量百分比计的以下组分：胶凝材料38%、砂45%、聚合物3%、外加剂0.2%和水13.8%。

其中，胶凝材料由以下重量百分比的原料组成：水泥95%、沸石粉5%和偏高岭土0%；砂由以下重量百分比的原料组成：过14目筛孔的浮石砂0%和机制砂100%；聚合物由以下重量百分比的原料组成：丙烯酸酯共聚乳液100%和901胶0%；外加剂由以下重量百分比的原料组成：聚羧酸系高性能减水剂30%、亚烷基二醇70%。

本实施例水泥砂浆内衬材料的性能如下：28d抗压强度为55.4MPa；标准养护3d后28d测得的收缩率为312×10^-6，为同水灰比、灰砂比的普通水泥砂浆收缩率的34.0%；与钢板的粘结强度为1.7MPa，比普通水泥砂浆提高2.0倍；2d水泥砂浆的吸水率比普通水泥砂浆降低71%；抗渗性能比普通水泥砂浆提高1.3倍；在同样试验条件下，水泥砂浆的在表面溶蚀70d后，单位胶凝材料中CaO累计溶出量为20mg/g，比普通水泥砂浆的45mg/g降低55.6%。氯离子有效扩散系数为1.0×10^-12 m²/s，抗氯离子侵蚀性能比普通水泥砂浆提高9.1倍。

本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。