一种用于水工泄水建筑物修补的高延性水泥基材料及制备方法

摘要

本发明公开了一种用于水工泄水建筑物修补的高延性水泥基材料及其制备方法，该材料按照质量份数，由以下组分组成：水泥100份，水25～150份，棕刚玉50～250份，微珠20～450份，纳米CaCO30.5～20份，减水剂0.1～5份，PVA纤维0.95～15份，超细钢纤维2～20份。本发明提供的用于水工泄水建筑物修补的高延性水泥基材料抗冲耐磨强度高、与基体粘结强度高、延性高，修补材料的热膨胀系数与混凝土的接近，与基体混凝土的变形协调一致，其施工工艺简单、方便，原材料来源广泛。

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种水工泄水建筑物修补的高延性 水泥基材料及其制备方法。

背景技术

含推移质和悬移质的高速水流造成泄水建筑物混凝土表面的磨蚀破坏 是水利水电工程建设和运营中的常见病害。导流洞、溢流坝、溢洪道、泄 洪洞、泄水闸底板、护坦、消力墩、水垫塘、二道坝、排水底孔的底板及 边墙等水工泄水建筑物经常在高速含砂水流冲刷磨损及推移质冲击作用下 产生冲磨破坏。紫坪铺水库的导流洞底板及边墙自2002年导流运行以来， 由于推移质的冲磨，表面磨损比较普遍，局部出现冲蚀深坑，总面积达 25000m^2[1]。李家峡电站导流隧洞在导流过水5年多后，检查发现闸门后底 板钢衬与混凝土接缝处被冲刷形成深1.7～2m、平均宽10m、长8m的深坑， 底护板下部混凝土被水流淘空；从导流洞转弯的凹面起，距边墙1m处，底 板被冲刷形成深0.7～1.2m、宽1～1.5m、沿洞轴向长约600m的深槽^[2]。我 国一批大型高水头电站，如松塔、锦屏、白鹤滩、溪洛渡、向家坝、乌东 德等，其泄水建筑物的水流流速可高达40～50m/s，使得水工泄水建筑物的 冲磨破坏问题更为突出。

泄水建筑物遭受冲磨破坏后必须及时采取修补措施。比较常见的是采用 硅粉高强混凝土或环氧砂浆或喷涂聚脲^[3-7]。高强混凝土抗磨性能较强，但 是高强混凝土易开裂，裂缝在水压及推移质冲击作用下，逐渐扩展，修补 层往往从裂缝处破坏。采用环氧砂浆或喷涂聚脲等高强度有机材料修补时， 材料本身的粘接性及抗冲磨性能都很优异，但是，由于环氧及聚脲的热膨 胀系数是基底混凝土的热膨胀系数2～3倍，导致修补层与基底的温度变形 不协调，在经历数个寒暑交替以后，修补层开始局部起鼓、脱粘，最终导 致修补层整体被掀开而失效；同时，环氧及聚脲等有机物中挥发性物质对 施工工人的健康也会产生不利影响。

因此，需要开发一种高抗冲磨性能、高粘接性及高延性的水泥基修补材 料，提高修补层的抗冲耐磨性能及服役周期，减少修补频率，提高工程运 行的安全性。

参考文献

[1]张涛，郭双，黄俊玮.紫坪铺工程泄洪排沙洞抗高速水流冲磨蚀修补 及震后修复[J].水利科技与经济，2011，(10)：85-88.

[2]谷建国.导流隧洞底板冲刷浅析[J].西北水电，1999，(3):13-14.

[3]马宇，孙志恒，张昕.高弹性修补砂浆的试验研究[J].大坝与安全， 2013，(2):44-47.

[4]刘双宏，王亚飞.白水峪电站消能池磨损修补技术[J].水电与新能 源，2015，(5):63-64，70.

[5]贺成立，崔颖林.从三门峡底孔的修补看水工建筑物抗冲磨层材料的 选择和施工[J].混凝土，2004，(6):74-75.

[7]王亚飞.NE型环氧抗冲磨砂浆在白水峪水电站消力池磨损修补工 程中的应用[J].中国水运(下半月)，2015，(2):171-172.

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于水工泄水建 筑物修补的高延性水泥基材料，以提高水工泄水建筑物修补层的抗冲耐磨 性能、界面粘接性能及延性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于水工泄水建筑物修补的高延性水泥基材料，按照质量份数，由 以下组分组成：水泥100份，水25～150份，棕刚玉50～250份，微珠20～ 450份，纳米CaCO₃0.5～20份，减水剂0.1～5份，PVA纤维0.95～15份， 超细钢纤维2～20份。

优选的，所述水泥为P·O42.5水泥。

优选的，所述水泥的强度等级≥42.5。

优选的，所述棕刚玉的最大粒径为1.5mm；所述微珠的体积平均径 D(4,3)≤100nm；所述纳米CaCO₃的体积平均径D(4,3)≤25nm。

优选的，所述减水剂的减水率≥25％。

优选的，所述PVA纤维为当量直径为40μm、抗拉强度大于1500MPa、 弹性模量大于35GPa的短切PVA纤维。

优选的，所述超细钢纤维的当量直径为0.10mm～0.20mm，长径比50～ 65。

该用于水工泄水建筑物修补的高延性水泥基材料28d抗冲磨强度≥30h/ (kg/m²)，与基体混凝土的劈拉粘结强度≥5.0MPa，极限拉伸值1％～3％。

本发明的另一个目的是提供一种上述用于水工泄水建筑物修补的高延 性水泥基材料的制备方法，其技术方案为：

一种用于水工泄水建筑物修补的高延性水泥基材料的制备方法，包括以 下步骤：

(1)先将水泥、微珠、纳米CaCO₃、棕刚玉倒入搅拌机中，搅拌3min；

(2)将减水剂和水加入上述混合物，搅拌3min，得到均匀流动的浆体， 测试浆体的粘度；

(3)得到均匀流动的浆体后，加入PVA纤维，搅拌3min；

(4)加入超细钢纤维，搅拌3min；

(5)修补砂浆出机，入模浇筑成型。

步骤(2)中，要求浆体的粘度满足1Pa·s～30Pa·s，方可进行步骤(3)。

本发明的有益效果是：

本发明提供的用于水工泄水建筑物修补的高延性水泥基材料抗冲耐磨强 度高、与基体粘结强度高、延性高，修补材料的热膨胀系数与混凝土的接 近，与基体混凝土的变形协调一致，其施工工艺简单、方便，原材料材料 来源广泛。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例1

材料的组成比例如表1所示：

表1水工泄水建筑物修补材料配合比例(质量份数)

所用原材料为：

水泥为P·O42.5水泥，棕刚玉最大粒径为0.5mm，微珠体积平均径D(4,3) 为95nm；纳米CaCO₃的体积平均径D(4,3)为24.5nm，聚羧酸高性能减水 剂，减水率30％，短切PVA纤维当量直径为40μm，抗拉强度1550MPa、

弹性模量39GPa；超细钢纤维当量直径为0.16mm，长径比50。

水工泄水建筑物修补材料搅拌工艺如下：

(1)先将水泥、微珠、纳米CaCO₃、棕刚玉倒入搅拌机中，搅拌3min。

(2)将减水剂和水加入，搅拌3min，得到均匀流动的浆体，测试浆体的 粘度。

(3)得到均匀流动的浆体后，缓慢加入PVA纤维，搅拌3min。

(4)加入钢纤维，搅拌3min。

(5)修补砂浆出机，入模浇筑成型。

水工泄水建筑物修补材料的性能：

步骤(2)中，浆体粘度：15Pa·s。

28d时，水下钢球法测试抗冲磨强度：31.5h/(kg/m²)，与基体混凝土的 劈拉粘结强度：5.5MPa，极限拉伸值：2.8％。

实施例2

材料的组成比例如表2所示：

表2水工泄水建筑物修补材料配合比例(质量份数)

所用原材料为：

水泥为P·O52.5水泥，棕刚玉最大粒径为1.25mm，微珠体积平均径D(4,3) 为100nm；纳米CaCO₃的体积平均径D(4,3)为24.5nm，聚羧酸高性能减水 剂，减水率25％，短切PVA纤维当量直径为40μm，抗拉强度1550MPa、 弹性模量39GPa；超细钢纤维当量直径为0.10mm，长径比60。

水工泄水建筑物修补材料搅拌工艺如下：

(1)先将水泥、微珠、纳米CaCO₃、棕刚玉倒入搅拌机中，搅拌3min。

(2)将减水剂和水加入，搅拌3min，得到均匀流动的浆体，测试浆体的 粘度。

(3)得到均匀流动的浆体后，缓慢加入PVA纤维，搅拌3min。

(4)加入钢纤维，搅拌3min。

(5)修补砂浆出机，入模浇筑成型。

水工泄水建筑物修补材料的性能：

步骤(2)中，浆体粘度：1Pa·s。

28d时，水下钢球法测试抗冲磨强度：30h/(kg/m²)，与基体混凝土的劈 拉粘结强度：5.5MPa，极限拉伸值：3％。

实施例3

材料的组成比例如表3所示：

表3水工泄水建筑物修补材料配合比例(质量份数)

所用原材料为：

水泥为P·O42.5水泥，棕刚玉最大粒径为1.5mm，微珠体积平均径D(4,3) 为90nm；纳米CaCO₃的体积平均径D(4,3)为25nm，聚羧酸高性能减水剂， 减水率40％，短切PVA纤维当量直径为40μm，抗拉强度1550MPa、弹性 模量39GPa；超细钢纤维当量直径为0.20mm，长径比65。

水工泄水建筑物修补材料搅拌工艺如下：

(1)先将水泥、微珠、纳米CaCO₃、棕刚玉倒入搅拌机中，搅拌3min。

(2)将减水剂和水加入，搅拌3min，得到均匀流动的浆体，测试浆体的 粘度。

(3)得到均匀流动的浆体后，缓慢加入PVA纤维，搅拌3min。

(4)加入钢纤维，搅拌3min。

(5)修补砂浆出机，入模浇筑成型。

水工泄水建筑物修补材料的性能：

步骤(2)中，浆体粘度：30Pa·s。

28d时，水下钢球法测试抗冲磨强度：32h/(kg/m²)，与基体混凝土的劈 拉粘结强度：5MPa，极限拉伸值：1％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进 和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。