一种抗冻型胶凝砂砾石复合材料

摘要

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种抗冻型胶凝砂砾石复合材料。该复合材料包括以下重量份的原料：水泥60‑100份、粉煤灰10‑30份、水100‑120份、砂600‑650份、20‑40mm卵石850‑900份、5‑20mm小卵石550‑600份和外加剂，其中外加剂占原料总量的1‑3.4%。采用本发明配方制备的复合材料不仅能够用于现场施工，而且具备优良的抗压性和抗冻耐久性。

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种抗冻型胶凝砂砾石复合材料。

背景技术

目前我国现存的大坝中占比较大的分别为国际所通用的土石坝和混凝土坝，其中土石坝相对经济但存在漫顶溃堤风险，而混凝土坝安全性相对较高但其造价高且对基础要求也高。随着水利工程建设的发展，胶结坝作为一种介于土石坝和混凝土坝之间的坝型，其建筑工期短、综合造价低、可靠性高、超载能力强且注重就地取材、对建设环境要求小，通过简单拌和、摊铺、振动碾压或浇筑振捣即可完成。目前的胶结坝常规是利用水泥、砂浆、混凝土等胶结材料将砂砾石、堆石、块石等颗粒材料胶结筑坝，故也称胶结颗粒料坝。但胶凝砂砾石材料中由于水泥用量较少，与常规混凝土相比，材料本身的强度降低、抗渗性能差、易受冻融破坏影响。

为了提高胶凝砂砾石的抗冻性，可以通过水泥品种的选择、控制水灰比、选用颗粒硬度高和缝隙少的集料以及使用外加剂来提高其抗冻性，其中使用减水剂和引气剂作为外加剂是人们常用的一种手段，但是在实际应用中添加一定量的外加剂虽然与未添加外加剂的材料相比抗冻性有所改善，但质量损失率仍较高，抗冻效果不甚良好。

发明内容

针对目前胶凝砂砾石材料存在抗冻效果不甚理想的缺陷和问题，本发明提供一种能够提高抗冻性的抗冻型胶凝砂砾石材料及其制备工艺。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种抗冻型胶凝砂砾石复合材料，包括以下重量份的原料：水泥60-100份、粉煤灰10-30份、水100-120份、砂600-650份、20-40mm卵石850-900份、5-20mm小卵石550-600份和外加剂，其中外加剂占原料总量的1-3.4%。

上述的抗冻型胶凝砂砾石复合材料，所述外加剂包括十二烷基硫酸钠0.004-0.012%、三萜皂苷0.04-0.12%、氧化石墨烯0.02-0.06%、纳米硅粉0.5-2.0%和减水剂0.4-1.2%。

上述的抗冻型胶凝砂砾石复合材料，包括以下重量份的原料：水泥70份、粉煤灰10-30份、水110份、砂630份、20-40mm卵石880份、5-20mm小卵石580份和外加剂，其中外加剂占原料总量的1.04%。

上述的抗冻型胶凝砂砾石复合材料，所述外加剂包括十二烷基硫酸钠0.004%、三萜皂苷0.04%、氧化石墨烯0.06%、纳米硅粉0.5%和减水剂0.4%。

本发明还提供一种抗冻型胶凝砂砾石复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）按份比称取以上原料，按照物料配比将卵石和河砂加入搅拌机，干拌10-20s，再将水泥和粉煤灰加入搅拌机，继续干拌30s；

（2）将外加剂和水混合均匀得到混合液，将混合液加入搅拌机，湿拌3-4min即可得到胶凝砂砾石复合材料。

本发明的有益效果：本发明通过正交试验严格控制水灰比和外加剂添加量，得到最优的各原料物料份比和外加剂成分及含量，制备的胶凝砂砾石材料经冻融试验后的抗冻性能和抗压强度明显较优，这是由于采用的氧化石墨烯表面含有大量的含氧官能团，为水泥水化提供吸附点，能够加速水泥水化，能够提高胶凝砂砾石材料的抗压强度和抗冻耐久性。

附图说明

图1为本发明胶凝砂砾石复合材料28d龄期冻融25次、50次、75次和100次的相对动弹性模量图。

图2为本发明胶凝砂砾石复合材料90d龄期冻融25次、50次、75次和100次的相对动弹性模量图。

图3为本发明胶凝砂砾石复合材料180d龄期冻融25次、50次、75次和100次的相对动弹性模量图。

图4为本发明胶凝砂砾石复合材料28d龄期冻融25次、50次、75次和100次的质量损失率图。

图5为本发明胶凝砂砾石复合材料90d龄期冻融25次、50次、75次和100次的质量损失率图。

图6为本发明胶凝砂砾石复合材料180d龄期冻融25次、50次、75次和100次的质量损失率图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。其中本发明试验时所用材料均为同一批的产品。

实施例1：本实施例提供一种抗冻性胶凝砂砾石复合材料，该复合材料由以下重量份的原料组成，水泥80份、粉煤灰20份、水100份、砂600份、20-40mm卵石860份、5-20mm小卵石580份和外加剂，砂砾石表观密度采用2350kg/m³，砂率29.4%，外加剂添加量占原料总量的1.044%，其中十二烷基硫酸钠0.004%、三萜皂苷掺量为0.08%、氧化石墨烯掺量为0.06%、纳米硅粉掺量为0.50 %、聚羧酸减水剂掺量为0.40%。

制备方法：

（1）按照物料配比将卵石和河砂加入搅拌机，干拌15s，再将水泥和粉煤灰加入搅拌机，继续干拌30s

（2）将外加剂和水混合得到混合液，摇晃混匀将外加剂充分溶解，不存在肉眼可见的颗粒。

（3）将外加剂混合液加入搅拌机，湿拌180s即可得到胶凝砂砾石材料。

实施例2：本实施例提供一种抗冻性胶凝砂砾石复合材料，该复合材料由以下重量份的原料组成，水泥60份、粉煤灰10份、水110份、砂650份、20-40mm卵石850份、5-20mm小卵石550份和外加剂，砂砾石表观密度采用2350kg/m³，砂率31.7%，外加剂添加量占原料总量的1.464%，其中十二烷基硫酸钠0.004%、三萜皂苷掺量为0.12%、氧化石墨烯掺量为0.04%、纳米硅粉掺量为0.5 %、聚羧酸减水剂掺量为0.80%。

实施例3：本实施例提供一种抗冻性胶凝砂砾石复合材料，该复合材料由以下重量份的原料组成，水泥60份、粉煤灰10份、水120份、砂630份、20-40mm卵石880份、5-20mm小卵石600份和外加剂，砂砾石表观密度采用2350kg/m³，砂率29.9%，外加剂添加量占原料总量的2.268%，其中十二烷基硫酸钠0.008%、三萜皂苷掺量为0.04%、氧化石墨烯掺量为0.02%、纳米硅粉掺量为1.0 %、聚羧酸减水剂掺量为1.2%。

实施例4：本实施例提供一种抗冻性胶凝砂砾石复合材料，该复合材料由以下重量份的原料组成，水泥80份、粉煤灰20份、水110份、砂630份、20-40mm卵石880份、5-20mm小卵石580份和外加剂，砂砾石表观密度采用2350kg/m³，砂率30.1%，外加剂添加量占原料总量的3.328%，其中十二烷基硫酸钠0.008%、三萜皂苷掺量为0.08%、氧化石墨烯掺量为0.04%、纳米硅粉掺量为2.0 %、聚羧酸减水剂掺量为1.2%。

实施例5：本实施例的胶凝砂砾石材料由以下重量份的原料组成：水泥70份、粉煤灰20份、稻壳灰20份、蔗渣5份、蔗渣灰10份、硅藻土10份、水110份、砂630份、20-40mm卵石900份、5-20mm小卵石600份和外加剂，砂砾石表观密度采用2350kg/m³，砂率29.6%，外加剂添加量占原料总量的0.96%，其中三萜皂苷掺量为0.04%、氧化石墨烯掺量为0.02%、纳米硅粉掺量为0.50%、聚羧酸减水剂掺量为0.40%。

（1）按照物料配比将卵石和河砂加入搅拌机，干拌15s，再将水泥、粉煤灰、稻壳灰、蔗渣、蔗渣灰和硅藻土加入搅拌机，继续干拌30s。

（2）将外加剂和水混合得到混合液，摇晃混匀将外加剂充分溶解，不存在肉眼可见的颗粒。

（3）将外加剂混合液加入搅拌机，湿拌180s即可得到胶凝砂砾石材料。

实施例6：本实施例的胶凝砂砾石材料由以下重量份的原料组成：水泥70份、粉煤灰20份、稻壳灰10份、蔗渣8份、蔗渣灰10份、硅藻土15份、水110份、砂630份、20-40mm卵石880份、5-20mm小卵石580份和外加剂，砂砾石表观密度采用2350kg/m³，砂率30.1%，外加剂添加量占原料总量的1.52%，其中三萜皂苷掺量为0.08%、氧化石墨烯掺量为0.04%、纳米硅粉掺量为0.50%、聚羧酸减水剂掺量为0.40%。

实施例7：本实施例提供一种抗冻性胶凝砂砾石复合材料，该复合材料由以下重量份的原料组成，水泥70份、粉煤灰30份、水100份、砂600份、20-40mm卵石900份、5-20mm小卵石550份和外加剂，砂砾石表观密度采用2350kg/m³，砂率29.2%，外加剂添加量占原料总量的2.295%，其中十二烷基硫酸钠0.012%、三萜皂苷掺量为0.12%、氧化石墨烯掺量为0.02%、纳米硅粉掺量为2.0%、聚羧酸减水剂掺量为0.4%。

实施例8：本实施例的胶凝砂砾石材料由以下重量份的原料组成：水泥70份、粉煤灰20份、稻壳灰30份、蔗渣10份、蔗渣灰5份、硅藻土10份、水120份、砂650份、20-40mm卵石860份、5-20mm小卵石600份和外加剂，砂砾石表观密度采用2350kg/m³，砂率30.4%，外加剂添加量占原料总量的2.54%，其中三萜皂苷掺量为0.08%、氧化石墨烯掺量为0.06%、纳米硅粉掺量为2.0%、聚羧酸减水剂掺量为0.4%。

实施例9：本实施例提供一种抗冻性胶凝砂砾石复合材料，该复合材料由以下重量份的原料组成，水泥70份、粉煤灰30份、水120份、砂650份、20-40mm卵石850份、5-20mm小卵石600份和外加剂，砂砾石表观密度采用2350kg/m³，砂率31%，外加剂添加量占原料总量的1.892%，其中十二烷基硫酸钠0.012%、三萜皂苷掺量为0.04%、氧化石墨烯掺量为0.04%、纳米硅粉掺量为1.0 %、聚羧酸减水剂掺量为0.8%。

实施例10：本实施例的胶凝砂砾石材料由以下重量份的原料组成：水泥80份、粉煤灰10份、稻壳灰20份、蔗渣10份、蔗渣灰5份、硅藻土10份、水100份、砂630份、20-40mm卵石850份、5-20mm小卵石580份和外加剂，砂砾石表观密度采用2350kg/m³，砂率30.6%，外加剂添加量占原料总量的1.38%，其中三萜皂苷掺量为0.04%、氧化石墨烯掺量为0.04%、纳米硅粉掺量为0.50%、聚羧酸减水剂掺量为0.80%。

对比例1：本对比例的胶凝砂砾石材料由以下重量份的原料组成：水泥70份、粉煤灰20份、水110份、砂630份、20-40mm卵石880份、5-20mm小卵石580份，不掺入外加剂。

按照配比将卵石和河砂加入到搅拌机中干拌15s，再将水泥和粉煤灰加入搅拌机中继续干拌30s，然后将水加入搅拌机中湿拌180s得到胶凝砂砾石材料。

对比例2：本对比例的胶凝砂砾石材料由以下重量份的原料组成：水泥70份、粉煤灰20份、稻壳灰20份、蔗渣5份、蔗渣灰10份、硅藻土10份、水110份、砂630份、20-40mm卵石880份、5-20mm小卵石580份，不掺入外加剂。

按照配比将卵石和河砂加入到搅拌机中干拌15s，再将水泥和粉煤灰、稻壳灰、蔗渣、蔗渣灰和硅藻土加入搅拌机中继续干拌30s，然后将水加入搅拌机中湿拌180s得到胶凝砂砾石材料。

性能测试：

一、将实施例1-10和对比例制备的胶凝砂砾石材料进行快速冻融试验，分别测量上述组别的胶凝砂砾石28d、90d和180d龄期在快速冻融25、50、75、100次后测量各组样品的相对动弹性模量、质量损失率。其中试块成型和养护方法参照《水工碾压混凝土试验规程》（DLT5433-2009）和《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）结果见图1和图2。

由图1可见，实施例1-10胶凝砂砾石材料制备的试件在不同冻融后的相对动弹性模量均高于对比例1和对比例2，说明掺加外加剂后抗冻性明显提升。而实施例5、6、8、10的抗冻性能又明显优于其他实施例，说明添加稻壳灰、蔗渣、蔗渣灰等成分有利于提高胶凝砂砾石的抗冻性能，原因在于本发明采用的纳米硅粉、稻壳灰和蔗渣灰能够与Ca(OH)

二、为了进一步验证本发明胶凝砂砾石复合材料的抗冻性能，以实施例1、实施例3、实施例6、实施例9以及对比例1制备的胶凝砂砾石复合材料为试验对象，依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2009）快速冻融的相关规程，进行快速冻融试验，测量以上几组复合材料90d龄期冻融50次前后的抗压值。结果见表1。

表1 不同组别90d龄期冻融前后抗压值

由表1可以看出，未添加外加剂的试件在冻融50次后试件基本呈冻裂破坏；掺加外加剂后，抗冻性能有所提高，说明添加外加剂能够明显提高试件的抗冻性能；在添加外加剂的同时添加稻壳灰、蔗渣灰等成分冻融后的抗压值与冻融前相差不大，说明添加稻壳灰等成分能够明显提高胶凝砂砾石材料的抗冻性能和抗压强度。