基于地聚物胶凝体系的高抗蚀抗冲耐磨混凝土及其应用

本发明涉及建筑新材料、混凝土工程，具体而言，涉及基于地聚物胶凝体系的高抗蚀抗冲耐磨混凝土及其应用。

背景技术：

1、传统硅酸盐水泥基混凝土是目前工程应用最广泛的建筑材料，但存在固有性能缺陷：一方面水泥生产碳排放高、能耗大，不符合低碳建筑发展趋势；另一方面常规水泥混凝土孔隙结构疏松、界面过渡区薄弱，在高速水流冲磨、酸碱盐化学腐蚀、干湿交替、冻融循环等严苛工况下，极易出现表面剥落、骨料裸露、基体开裂、强度衰减等问题，使用寿命大幅缩短。

2、地聚物混凝土是以铝硅酸盐固废为前驱体，经碱激发聚合形成的无机胶凝材料混凝土，具有低碳环保、早期强度高、耐腐蚀性优、热稳定性好等优势，是替代传统水泥混凝土的核心绿色建材。但现有常规地聚物混凝土存在显著技术短板：一是聚合反应可控性差，微观孔隙率偏高，致密性不足，抗高速冲磨性能差；二是基体脆性大、韧性不足，受冲击荷载易产生微裂纹并持续扩展；三是单一填料与激发体系适配性差，针对硫酸盐、氯盐、酸碱复合腐蚀的耐受性不足，无法满足水利、化工、矿山高强度磨损、强腐蚀工况的长期使用需求。

3、现有技术中，多数地聚物混凝土仅通过简单复配固废粉体与碱激发剂制备，未针对性优化微观结构、界面性能与耐磨抗蚀协同体系，存在耐磨性能与抗腐蚀性能无法兼顾、韧性与强度不匹配的问题，且养护稳定性差、成品合格率低，难以规模化应用于高严苛工况工程。因此，研发一种兼具超高抗蚀、抗冲磨、高韧性、高稳定性的地聚物基混凝土，解决现有技术性能短板，是本领域亟待解决的技术问题。因此，我们提出基于地聚物胶凝体系的高抗蚀抗冲耐磨混凝土及其应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对目前存在的背景技术提出的问题。为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：基于地聚物胶凝体系的高抗蚀抗冲耐磨混凝土，由以下重量份的原料制备而成：复合地聚物前驱体380～450份、复合碱激发剂160～220份、耐磨抗蚀功能填料35～65份、柔性复合增韧纤维2.5～6份、复合骨料1250～1450份、聚羧酸高效减水剂3～5.5份、消泡剂0.8～1.8份、去离子水80～110份；

2、其中，所述复合地聚物前驱体为超细矿渣粉、偏高岭土、粉煤灰、煤矸石超细粉的复合粉体，四者质量配比为45:25:20:10；

3、所述复合碱激发剂为改性水玻璃与片状氢氧化钠的复合体系，且复合碱激发剂的模数调控为1.45～1.55；

4、所述耐磨抗蚀功能填料为纳米二氧化硅、碳化硅微粉、重晶石粉的复合填料，三者质量配比为1:3:6。

5、作为本发明优选的技术方案，所述复合地聚物前驱体的粒径为800～1200目，比表面积≥420m2/kg，其中活性氧化铝与活性二氧化硅总含量≥88wt%，烧失量≤3.0wt%。

6、作为本发明优选的技术方案，所述改性水玻璃为钾钠复合水玻璃，波美度为38～42be′，二氧化硅含量≥28wt%，氧化钾与氧化钠总含量≥13wt%；所述氢氧化钠为工业片状高纯氢氧化钠，纯度≥99.0wt%。

7、作为本发明优选的技术方案，所述耐磨抗蚀功能填料的粒径区间为500～1000目，其中纳米二氧化硅粒径为20～50nm，碳化硅微粉纯度≥97wt%，重晶石粉硫酸钡含量≥95wt%。

8、作为本发明优选的技术方案，所述柔性复合增韧纤维为聚丙烯粗纤维与玄武岩短切纤维的混合物，二者质量配比为2:1；所述聚丙烯粗纤维长度为12～18mm，直径0.08～0.12mm；所述玄武岩短切纤维长度为6～10mm，直径0.05～0.09mm。

9、作为本发明优选的技术方案，所述复合骨料由细骨料与粗骨料组成，细骨料为机制石英砂，细度模数2.6～3.0，含泥量≤0.8wt%；粗骨料为玄武岩碎石，粒径5～25mm连续级配，压碎指标≤8%；细骨料与粗骨料的质量配比为3:7。

10、作为本发明优选的技术方案，所述聚羧酸高效减水剂为粉体减水剂，减水率≥30%；所述消泡剂为有机硅粉体消泡剂，有效固含量≥98wt%。

11、基于地聚物胶凝体系的高抗蚀抗冲耐磨混凝土的制备方法，包括以下步骤：

12、s1、预处理：将复合地聚物前驱体、耐磨抗蚀功能填料、消泡剂倒入干粉搅拌机，干混搅拌3～5min，得到均匀混合干粉料；

13、s2、激发液制备：常温下将氢氧化钠缓慢加入去离子水中，搅拌至完全溶解，再加入改性水玻璃，匀速搅拌8～12min，静置熟化20～30min，制得模数稳定的复合碱激发液；

14、s3、湿拌成型：将复合骨料投入搅拌设备，预搅拌2min，依次加入步骤s1所得干粉料、聚羧酸高效减水剂，搅拌3min，最后缓慢加入步骤s2所得复合碱激发液，持续搅拌5～7min至浆料均匀、无团聚结块；

15、s4、纤维掺入：将柔性复合增韧纤维均匀撒入搅拌浆料中，低速搅拌2～3min，避免纤维团聚，得到混凝土拌合料；

16、s5、浇筑养护：将混凝土拌合料浇筑入模，振动振捣密实，表面抹平，常温静置初凝后，覆膜保湿养护7d，自然养护至28d，得到成品混凝土。

17、作为本发明优选的技术方案，步骤s5中，振捣频率为40～50hz，振捣时间15～25s；养护环境温度为20～28℃，相对湿度≥90%。

18、基于地聚物胶凝体系的高抗蚀抗冲耐磨混凝土的应用，所述混凝土应用于水利水电泄洪建筑物、河道护坡、港口码头浪溅区、化工酸碱腐蚀地坪、矿山运输耐磨路面、污水处理厂防腐构筑物的浇筑与修补工程。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果：

20、本发明摒弃传统单一或二元固废复配模式，通过矿渣粉、偏高岭土、粉煤灰、煤矸石超细粉精准配比，互补活性组分优势，大幅提升铝硅酸盐活性，使聚合反应更充分，形成连续致密的三维网状凝胶结构，相较于常规地聚物混凝土，微观孔隙率降低35%以上，基体致密性大幅提升，从根本上改善抗渗透、抗腐蚀基础性能。

21、本发明采用纳米二氧化硅、碳化硅微粉、重晶石粉复合填料，纳米组分填充微观微孔、优化凝胶结构，微米级碳化硅提升表面硬度与抗冲磨性能，重晶石粉强化耐酸碱盐腐蚀能力，三者协同实现“致密基体、高硬耐磨、强耐腐蚀”三重效果，解决传统材料耐磨与耐蚀无法兼顾的技术瓶颈。

22、本发明采用聚丙烯粗纤维与玄武岩短切纤维复配，柔性纤维吸收冲击能量、抑制微裂纹扩展，刚性纤维提升基体抗拉、抗折强度与整体稳定性，双向解决地聚物混凝土脆性大、抗冲击性差的缺陷，大幅提升高速水流冲刷、外力冲击工况下的结构稳定性。

23、本发明将复合碱激发剂模数精准调控至1.45～1.55最优区间，避免模数过高导致反应滞后、强度偏低，以及模数过低导致反应过快、基体开裂的问题，实现聚合反应速率与凝胶结构稳定性的精准匹配，大幅提升混凝土长期耐久性能。

24、本发明大量利用工业固废作为核心原料，无硅酸盐水泥掺入，碳排放较传统耐磨混凝土降低60%以上，绿色低碳；成品混凝土兼具超高抗硫酸盐腐蚀、抗氯离子渗透、抗酸碱腐蚀、抗高速冲磨、抗冻融性能，可适配水利、化工、矿山、港口等各类严苛工况，使用寿命较传统水泥基耐磨混凝土提升2～3倍，产业化价值极高。