本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，具体涉及一种超高性能抗冲磨混凝土及其应用。
背景技术：
综合国内外研究现状，目前对抗冲磨材料的研究和应用主要分为以下3类：1)薄层修复材料，主要以聚脲抗冲耐磨涂料、树脂类砂浆、聚合物胶结混凝土、呋喃混凝土等为代表；2)表面防护材料，主要以钢板、条石、铸石板等为代表；3)高性能抗冲磨混凝土，主要以硅粉系列混凝土、纤维增强混凝土、hf混凝土、粉煤灰混凝土等为代表。但聚脲和树脂类砂浆等抗冲磨材料，主要是针对解决悬移质较多的含沙水流冲磨破坏的薄层修复问题，其大面积应用于解决推移质破坏较为严重的混凝土病害问题还具有很大的局限性；同时这些材料成本较高，施工复杂，有的还具有一定的毒性。表面防护材料，如钢板，虽然具有良好的抗冲击韧性，但很难与基底混凝土牢固地粘结在一起，钢板作为防护材料通常未被冲磨破坏，而是被水流整体掀起冲走，起不到钢材的本质作用，而且造价较高；花岗岩等条石、虽然质地比较坚硬，抗磨蚀性能较好，但是其抗冲击韧性较差，开采、加工、运输困难，施工麻烦，耗时耗力；铸石板能够抵抗含悬移质泥沙高速水流的冲磨破坏，但材料脆性较大，抗冲击强度小，极易被击碎，应用范围较窄。
随着对抗冲磨混凝土的深入研究，我们发现混凝土要想具有良好的抗冲磨能力，不仅要具有较高的强度，还必须要有较好的抗裂性、抗冲击性、韧性等其他性能，同时还必须保证其具有良好的施工性能。为了保证混凝土具有优良的抗冲磨性能，可以参考以下3点来配制混凝土：1)使用高效减水剂等外加剂，降低水胶比，改善混凝土的结构，提高混凝土强度；2)添加掺和料(如超细矿物掺和料、聚合物、纤维等)，优化胶凝材料颗粒分布，提高胶凝材料性能，改善混凝土内部结构；3)选用高强度骨料，通过提高骨料的性能来提高混凝土的抗冲磨性能
超高性能混凝土是一种特殊的水泥基材料，是建立在活性粉末混凝土(rpc)的基础上研发的。由于rpc是一种专利产品，为了避免知识产权的纠纷，欧洲目前不再使用这个名词，而改称“超高性能混凝土”(ultra-highperformanceconcreteuhpc)。uhpc是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高强水泥基材料。它的基本配制原理是：通过提高组分的细度与活性，不使用粗骨料，使材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)减到最少，以获得超高强度与高耐久性。uhpc具有优良的性能，强度极高，其韧性可与金属相媲美，通过特殊手段可制作出强度高达800mpa的uhpc。
当前有大量在建和拟建水利工程，这些工程依然存在着推移质磨损混凝土的问题。常规的抗冲磨混凝土抵抗不了大粒径的推移质问题，会出现常年在修复的死循环当中，针对此项问题，采用剔除粗骨料、低水胶比、超高强度的超高性能抗冲磨混凝土进行修建及修复具有抗冲磨性能要求的部位。
技术实现要素：
为解决现有技术中抗冲磨材料和超高性能混凝土不能应用于水利工程，尤其是无法施工或修复处于流水腐蚀环境(简称流蚀环境)下的水下工程的技术问题，本发明以水泥、微珠、硅灰为胶凝材料，添加骨料和超细骨料完善颗粒级配，并添加纳米超细二氧化硅、纤维、减水剂、消泡剂、调节剂、促凝剂和缓凝剂作为功能助剂，通过调整各原料用量，制备一种新产品，并命名为超高性能抗冲磨混凝土(ultrahighperformanceanti-wearconcrete，简称uhpac)，可对水工建筑中具有冲磨破坏的部位进行修建或修复，亦可使用在具有结构冲击破坏需进行修复的工程部位，现场施工具有半小时的良好施工性能，6个小时即可具有强度，具有施工性能好，早期强度高，可适用于抢工期的工程部位，并且28天养护后的抗压强度在120兆帕以上。
具体的，本发明超高性能抗冲磨混凝土，由如下重量份原料组成：
水泥：800-1000份；
微珠：90-120份；
硅灰：90-120份；
纳米超细二氧化硅：1-4份；
纤维：150-170份；
骨料：900-1000份；
超细骨料：50-100份；
减水剂：8-12份；
消泡剂：0.5-2份；
调节剂：2-6份；
促凝剂：0.05-0.5份；
缓凝剂：2-8份。
优选的，所述水泥为po52.5普通硅酸盐水泥、pⅰ52.5硅酸盐水泥的一种，优选的，po52.5普通硅酸盐水泥的化学成分及其重量百分含量为：sio2：22.03、al2o3：4.65、fe2o3：3.28、cao：66.93、mgo：1.67、f-cao：0.89，烧失量≤2.5％。比表面积360m2/kg。
优选的，所述硅灰的化学成分及其重量百分含量为：sio2：95.30％、al2o3：0.17％、fe2o3：0.73％、cao：0.54％、mgo：1.07％，其余为烧失量。比表面积≥23000m2/kg。
优选的，微珠的化学成分及其重量百分含量为：sio2：52％、al2o3：22％、fe2o3：4％、cao：12％、游离cao＜0.1％、烧失量小于1％。球体密度2.5kg/cm3,细度d50≤3μm。
优选的，所述纤维为钢纤维、pva合成纤维的一种或几种，钢纤维可为波浪型钢纤维、端部弯折型钢纤维、微镀铜波浪型钢纤维、微镀铜端部弯折型钢纤维、微镀铜直线型钢纤维至少一种。
优选的，所述骨料为石英砂、金刚砂的一种或几种，砂的最大粒径小于等于2.5mm。
优选的，所述超细骨料为300目石英粉、400重钙粉的至少一种。
优选的，所述缓凝剂为柠檬酸、硼酸、硼砂的一种或几种。
优选的，所述促凝剂为碳酸锂、硫酸铝、硫酸锂的一种或几种。
优选的，纳米超细二氧化硅的sio2含量≥99％、粉体细度：1000目、ph值：6.5-7.5、比表面积：220-230m2/g。
优选的，所述调节剂为膨胀剂和降粘剂，质量比为2:3；更优选的，所述膨胀剂为硫铝酸盐熟料、石膏、氧化钙质量比2.8:0.5:1的混合物；降粘剂为聚羧酸类降粘剂和聚丙烯酰胺质量比为3:1的混合物。
本发明还涉及超高性能抗冲磨混凝土的制备方法，包括按重量份称取各原料，将各原料混合均匀，包装即可。使用时按需加水即可。
本发明还涉及超高性能抗冲磨混凝土的应用，具体应用于水利混凝土施工、修复加固，尤其适用于处于流蚀环境下的水下工程的施工和修复，也可应用于需要结构修复的其他场合。
本发明具有以下优点：
1.本发明利用紧密堆积密度原理，合理优化细骨料的颗粒级配，达到骨料的紧密堆积，在胶凝材料上也采取紧密堆积的原理进行优化设计，填充大量的微珠、硅灰等超细矿物掺合料，从骨料到胶凝材料，颗粒级配达到最紧密堆积的状态，各组分之间能够得到充分填充，保证了材料的内部密实度，从而达到超高强度。
2.材料当中使用了微珠，而微珠属于粉煤灰的精细化产品，本身具有“火山灰效应”能够在潮湿环境中与氢氧化钙等碱性物质发生化学反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质，起到强度增强和阻塞毛细孔道的作用，从而提高抗侵蚀能力。并且微珠对于材料中的细集料进行填充，极细小的微珠相当于活泼的纳米材料，能明显的改善结构强度，提高材料的匀质性和致密性。由于微珠是一种圆球形状表面致密光滑的颗粒，能够对水泥颗粒起到一定的分散作用，增加了材料的润滑性，降低了材料的粘度，减少拌合物中的用水量，达到物理减水的效果，能够很好地降低水胶比并且使uhpac具有极高的流动性，从而达到自密实的优异效果。微珠和硅灰属于高活性掺合料，但初始水化速度仍不能满足流蚀环境下的固化和力学性能要求，混凝土在形成有效强度前极易被水流冲散，对混凝土施工和工程加固造成阻碍，通过添加纳米超细二氧化硅，其极易溶于水形成粘稠胶液并释放热量，形成抗流蚀粘滞力，同时有效促进水泥、微珠和硅灰加速水化，从而在流蚀环境中不被水流冲散磨蚀。
3.uhpac胶材使用量大，加之纳米超细二氧化硅对胶凝材料水化的极速促进，导致uhpac在早期极易出现收缩造成混凝土开裂，在uhpac中使用了膨胀剂能够在uhpac硬化前产生塑性膨胀，在塑性阶段下不会产生收缩，并且会产生微膨胀保持到硬化阶段，尤其是当采用硫铝酸盐熟料、石膏、氧化钙质量比2.8:0.5:1混合物作为膨胀剂，纳米超细二氧化硅同样可促使膨胀性钙矾石提前形成，保证uhpac不会收缩而产生裂缝。同样由于uhpac的胶材用量大，纳米超细二氧化硅新城粘稠胶液，并且使用极低的水胶比，导致uhpac拌合物粘度极高，虽然提高抗水流冲散磨蚀性，但对拌合物流动性产生影响，采用化学调节剂降粘剂能够改善胶体的表面张力，降低无机胶体在有限自由水中的屈服应力，能够使uhpac具有良好的和易性，保持粘聚性和流动性的平衡。
4.产品为粉体袋装成品，到施工现场可直接加水使用，极大的提高了现场施工的进度。在搅拌过程中均匀添加各原料即可。搅拌后的材料具有极高的流动性，现场浇筑可达到自密实，在施工的全过程可按照普通混凝土施工方式进行施工，采用常规的混凝土搅拌设备即可，无需增加任何特殊设备进行搅拌，仅需根据uhpac的液化程度控制搅拌时间即可，浇筑完成后无需进行特殊养护，但由于uhpc为各向异性材料，易受纤维分布和取向影响，有尺寸效应，所以在抗冲磨底板修复或施工期间，uhpc的浇筑方向应顺着底板水流方向进行浇筑，为防止钢纤维乱向分布，不易被水流冲击带出。
5.具有超长的可施工性，一小时扩展度在600mm以上，并且6h即可达到20兆帕以上，可用于紧急的工程修补部位，简单的施工方式及养护方式得到优良的施工效果，是uhpac在水利方面具有巨大的应用前景，但不仅限于应用在水利抗冲磨方面，其他需要修复加固的工程均可使用uhpac进行修复。
具体实施方式
uhpac采用预混料的方式进行混合，每袋料重20kg，水料比按照1:0.17的比例进行搅拌，采用卧式强制式搅拌机搅拌五分钟，依据sl352-2006《水工混凝土试验规程》的相关规定进行uhpac流动度测试，按照《水工混凝土试验规程》(sl352-2006)的相关规定进行抗压强度试验，试验采用尺寸为100mm×100mm×100mm的混凝土试件进行抗压强度试验。依据sl352-2006《水工混凝土试验规程》和dl/t5150-2001《水工混凝土试验规程》的相关规定进行水下钢球法抗冲磨试验。
实施例1
uhpac各原料组成为水泥：1000份；微珠：110份；硅灰：90份；纳米超细二氧化硅：4份；纤维：160份；骨料：950份；超细骨料：80份；减水剂：11份；消泡剂：0.5份；调节剂：5份；促凝剂：0.5份；缓凝剂：7份，水泥为po52.5普通硅酸盐水泥，纤维为微镀铜波浪型钢纤维，骨料为石英砂，超细骨料为300目石英粉，缓凝剂为硼酸，促凝剂为硫酸锂，调节剂为膨胀剂和降粘剂，质量比为2:3，膨胀剂为硫铝酸盐熟料、石膏、氧化钙质量比2.8:0.5:1的混合物；降粘剂为聚羧酸类降粘剂和聚丙烯酰胺质量比为3:1的混合物。测得数据如下：初始扩展度720mm，一小时扩展度660mm，6h抗压强度25mpa，1d抗压强度90mpa，7d抗压强度109mpa，28d抗压强度134mpa，28d抗折强度20.9mpa，28d抗冲磨强度52.16h/(kg/m2)，外观无裂纹。
实施例2
uhpac各原料组成为水泥：800份；微珠：110份；硅灰：90份；纳米超细二氧化硅：2份；纤维：165份；骨料：900份；超细骨料：100份；减水剂：9份；消泡剂：1份；调节剂：4份；促凝剂：0.3份；缓凝剂：3份，水泥为pⅰ52.5硅酸盐水泥的一种，纤维为微镀铜波浪型钢纤维，骨料为金刚砂，超细骨料为400重钙粉，缓凝剂为柠檬酸，促凝剂为硫酸铝，调节剂为膨胀剂和降粘剂，质量比为2:3，膨胀剂为硫铝酸盐熟料、石膏、氧化钙质量比2.8:0.5:1的混合物；降粘剂为聚羧酸类降粘剂和聚丙烯酰胺质量比为3:1的混合物。测得数据如下：初始扩展度700mm，一小时扩展度630mm，6h抗压强度24mpa，1d抗压强度87mpa，7d抗压强度108mpa，28d抗压强度125mpa。28d抗折强度19.1mpa，28d抗冲磨强度49.83h/(kg/m2)，外观无裂纹。
实施例3
uhpac各原料组成为水泥：900份；微珠：100份；硅灰：100份；纳米超细二氧化硅：4份；纤维：160份；骨料：950份；超细骨料：85份；减水剂：12份；消泡剂：0.5份；调节剂：4份；促凝剂：0.5份；缓凝剂：6份，水泥为po52.5普通硅酸盐水泥，纤维为微镀铜波浪型钢纤维，骨料为石英砂，超细骨料为300目石英粉，缓凝剂为硼酸，促凝剂为硫酸锂，调节剂为膨胀剂和降粘剂，质量比为2:3，膨胀剂为亚硝基类塑性膨胀剂；降粘剂为聚羧酸类降粘剂。测得数据如下：初始扩展度6600mm，一小时扩展度600mm，6h抗压强度20mpa，1d抗压强度80mpa，7d抗压强度98mpa，28d抗压强度121mpa，28d抗折强度18.6mpa，28d抗冲磨强度44.21h/(kg/m2)。
对比例1
uhpac各原料组成为水泥：1000份；微珠：110份；硅灰：90份；纤维：160份；骨料：950份；超细骨料：80份；减水剂：11份；消泡剂：0.5份；调节剂：5份；促凝剂：0.5份；缓凝剂：7份，水泥为po52.5普通硅酸盐水泥，纤维为微镀铜波浪型钢纤维，骨料为石英砂，超细骨料为300目石英粉，缓凝剂为硼酸，促凝剂为硫酸锂，调节剂为膨胀剂和降粘剂，质量比为2:3，膨胀剂为硫铝酸盐熟料、石膏、氧化钙质量比2.8:0.5:1的混合物；降粘剂为聚羧酸类降粘剂和聚丙烯酰胺质量比为3:1的混合物。测得数据如下：初始扩展度620mm，一小时扩展度400mm，6h抗压强度11mpa，1d抗压强度40mpa，7d抗压强度56mpa，28d抗压强度62mpa，28d抗折强度6.5mpa，开裂，水下施工离析，不能水下施工。
对比例2
uhpac各原料组成为水泥：1000份；粉煤灰：110份；矿粉：90份；纳米超细二氧化硅：4份；纤维：160份；骨料：950份；超细骨料：80份；减水剂：11份；消泡剂：0.5份；调节剂：5份；促凝剂：0.5份；缓凝剂：7份，水泥为po52.5普通硅酸盐水泥，纤维为微镀铜波浪型钢纤维，骨料为石英砂，超细骨料为300目石英粉，缓凝剂为硼酸，促凝剂为硫酸锂，调节剂为膨胀剂和降粘剂，质量比为2:3，膨胀剂为硫铝酸盐熟料、石膏、氧化钙质量比2.8:0.5:1的混合物；降粘剂为聚羧酸类降粘剂和聚丙烯酰胺质量比为3:1的混合物。测得数据如下：初始扩展度680mm，一小时扩展度500mm，6h抗压强度无，1d抗压强度52mpa，7d抗压强度67mpa，28d抗压强度71mpa，28d抗折强度6.2mpa，开裂，水下施工被流水冲散表面，施工效果差。
对比例3
uhpac各原料组成为水泥：1000份；微珠：110份；硅灰：90份；纳米超细二氧化硅：4份；纤维：160份；骨料：950份；超细骨料：80份；减水剂：11份；消泡剂：0.5份；促凝剂：0.5份；缓凝剂：7份，水泥为po52.5普通硅酸盐水泥，纤维为微镀铜波浪型钢纤维，骨料为石英砂，超细骨料为300目石英粉，缓凝剂为硼酸，促凝剂为硫酸锂，测得数据如下：初始扩展度520mm，一小时扩展度480mm，6h抗压强度6mpa，1d抗压强度30mpa，7d抗压强度44mpa，28d抗压强度52mpa，28d抗折强度8.9mpa，水下施工流动性差，施工效果差。
对比例4
uhpac各原料组成为水泥：1000份；微珠：110份；硅灰：90份；纳米超细二氧化硅：4份；纤维：160份；骨料：950份；超细骨料：80份；减水剂：11份；消泡剂：0.5份；调节剂：5份；水泥为po52.5普通硅酸盐水泥，纤维为微镀铜波浪型钢纤维，骨料为石英砂，超细骨料为300目石英粉，缓凝剂为硼酸，促凝剂为硫酸锂，调节剂为膨胀剂和降粘剂，质量比为2:3，膨胀剂为硫铝酸盐熟料、石膏、氧化钙质量比2.8:0.5:1的混合物；降粘剂为聚羧酸类降粘剂和聚丙烯酰胺质量比为3:1的混合物。测得数据如下：初始扩展度670mm，一小时扩展度410，6h未凝固，28d抗压强度96mpa，水下施工凝结时间长，开裂。
对比例5
uhpac各原料组成为水泥：1000份；微珠：110份；硅灰：90份；纳米超细二氧化硅：0.5份；纤维：130份；骨料：1150份；超细骨料：120份；减水剂：13份；消泡剂：3份；调节剂：1份；促凝剂：0.6份；缓凝剂：6份，水泥为po52.5普通硅酸盐水泥，纤维为微镀铜波浪型钢纤维，骨料为石英砂，超细骨料为300目石英粉，缓凝剂为硼酸，促凝剂为硫酸锂，调节剂为膨胀剂和降粘剂，质量比为2:1，膨胀剂为硫铝酸盐熟料、石膏、氧化钙质量比3:1:1的混合物；降粘剂为聚羧酸类降粘剂和聚丙烯酰胺质量比为3:1的混合物。测得数据如下：初始扩展度750mm，泌水，一小时扩展度570mm，流动度损失较大，6h抗压强度15mpa，1d抗压强度76mpa，7d抗压强度86mpa，28d抗压强度95mpa，28d抗折强度14.6mpa，28d抗冲磨强度25.89h/(kg/m2)，混凝土凝聚性差，水下施工被流水冲散表面，施工效果差。
由实施例结果可以看出，本申请采用水泥、微珠、硅灰作为胶凝材料，添加骨料和超细骨料完善颗粒级配，并添加纳米超细二氧化硅、纤维、减水剂、消泡剂、调节剂、促凝剂和缓凝剂作为功能助剂，通过调整各原料配比，制备超高性能抗冲磨混凝土可对水工建筑中具有冲磨破坏的部位进行修建或修复，其中以膨胀剂为硫铝酸盐熟料、石膏、氧化钙质量比2.8:0.5:1的混合物，降粘剂为聚羧酸类降粘剂和聚丙烯酰胺质量比为3:1的混合物质量最佳。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
1.一种超高性能抗冲磨混凝土，其特征在于，由如下重量份原料组成：
水泥：800-1000份；
微珠：90-120份；
硅灰：90-120份；
纳米超细二氧化硅：1-4份；
纤维：150-170份；
骨料：900-1000份；
超细骨料：50-100份；
减水剂：8-12份；
消泡剂：0.5-2份；
调节剂：2-6份；
促凝剂：0.05-0.5份；
缓凝剂：2-8份。
2.根据权利要求1所述的超高性能抗冲磨混凝土，其特征在于，所述水泥为po52.5普通硅酸盐水泥、pⅰ525硅酸盐水泥的一种。
3.根据权利要求1所述的超高性能抗冲磨混凝土，其特征在于，所述纤维为钢纤维、pva合成纤维的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的超高性能抗冲磨混凝土，其特征在于，所述骨料为石英砂、金刚砂的一种或几种，砂的最大粒径小于等于2.5mm。
5.根据权利要求1所述的超高性能抗冲磨混凝土，其特征在于，所述超细骨料为300目石英粉、400重钙粉的至少一种。
6.根据权利要求1所述的超高性能抗冲磨混凝土，其特征在于，所述缓凝剂为柠檬酸、硼酸、硼砂的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的超高性能抗冲磨混凝土，其特征在于，所述促凝剂为碳酸锂、硫酸铝、硫酸锂的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的超高性能抗冲磨混凝土，其特征在于，纳米超细二氧化硅的sio2含量≥99％、粉体细度：1000目、ph值：6.5-7.5、比表面积：220-230m2/g。
9.根据权利要求1所述的超高性能抗冲磨混凝土，其特征在于，所述调节剂为膨胀剂和降粘剂。
10.权利要求1-9任一所述超高性能抗冲磨混凝土的应用，其特征在于，具体应用于水利混凝土施工、修复加固。
技术总结