一种高强高耐磨水泥基材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高强高耐磨水泥基材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 在电力、冶金、水泥、石油化工、矿山等领域的用于粉体或料浆输送的管道、旋风 管、筒仓、料斗等设备和设施中，由介质输送引起的磨损和冲刷作用，使这些工业设备和设 施与介质接触的表层遭到破坏，最终导致设备失效，使用寿命大大缩短，造成较大的经济损 失。传统的钢铁材料受到腐蚀、磨损后，损坏速度快，停产更换维修频繁。一般的水泥基耐 磨材料，虽然价格低、施工方便，但耐磨性差，骨料易脱落，从而造成耐磨材料失效；而耐磨 陶瓷、铸石、压延微晶板等定型耐磨板材、脆性较大，抗冲击能力差，且不适合制造大型和异 型构件，与设备和设施的连接通常需要靠粘接，从而使得这一类耐磨材料，易因脆性高而产 生的受冲击破坏，因粘接力弱而脱落的破坏，因此，需要开发水泥基的高强高耐磨材料，以 适应我国工业的发展，减少各种设备和设施的磨损破坏。
[0003] 有关高耐磨材料的开发，中国专利（CN201310004505. 0)公开了一种抗渗抗冻融 的复合耐磨衬里材料及制备方法，该发明采用铝酸盐水泥和环氧树脂作为胶结材料，加入 复合火山灰、氧化铬微粉、金刚砂细粉和高聚物增强纤维得到了一种高抗渗抗冻融的复合 耐磨衬里材料。中国专利（CN201110432766. 3)公开了一种有机高强耐磨料，该发明是以环 氧树脂代替水泥作为胶结材料，使耐磨料与基层粘接更牢，抗冲击性能提高；然而，由于以 上两专利均是靠采用有机的环氧树脂来获取较高的强度，粘结力和抗渗抗冻融性能，因此， 其耐高温性能（如温度高于200°C)较差，不能适应诸如水泥工业、发电厂和钢铁企业等 有较高温度要求的设备要求。黄政宇、刘强采用均布超细致密体系OensifiedSysterny Containinghomgengouslyarrangedultra-fineParticles,DSP)，利用娃灰的高火山灰 活性和填充效应，选用高耐磨骨料，配制了高强高耐磨材料，有很好的耐磨性。采用高强水 泥基材料的制备方法配制高耐磨材料可大幅度提高水泥基耐磨材料的耐磨性，但是由于没 有针对起胶结作用的水泥基材的耐磨性进行改性，其耐磨性能还未能达到最佳，仍需要进 一步改进，以达到更高的耐磨性。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的技术问题是，进一步提高水泥基材料的强度和耐磨性。
[0005] 本发明的技术方案是，提供一种高强高耐磨水泥基材料，其原料组成按重量份包 括：硅酸盐水泥1份，高活性掺合料0. 15~0. 25份，超细耐磨掺合料0. 2~0. 3份，耐磨 粉料0. 3~0. 4份，耐磨骨料1. 0~1. 5份，高性能减水剂0. 01~0. 02份，钢纤维0. 15~ 0. 25份，水0. 22~0. 28份；所述高活性掺合料为硅灰或烧偏高岭土；所述超细耐磨掺合料 为平均粒径为1~3ym的磨细钢渣；所述耐磨粉料和耐磨骨料均为烧结铝矾土、黑碳化硅 或氮化硅中的一种或几种混合，耐磨粉料的平均粒径为30~45ym，耐磨骨料的平均粒径 为 0? 16 ~2mm。
[0006] 进一步地，所述硅酸盐水泥为42. 5级及以上的硅酸盐水泥。
[0007] 进一步地，所述娃灰为3;102含量大于90%、比表面积大于20m2/g的冷凝娃灰。
[0008] 进一步地，所述烧偏高岭土中Si(^PAl203的总含量不少于92%，烧偏高岭土的平 均粒径为1~3mm。
[0009] 进一步地，所述烧结铝钒土中A1203含量大于90 %;黑碳化硅中SiC含量大于98 %; 氮化硅中a-Si3N4的含量大于93%。
[0010] 进一步地，所述耐磨骨料中不同粒径范围耐磨骨料的质量比为（粒径〇. 16~ 0? 25mm):(粒径 0? 25 ~0? 50mm):(粒径 0? 5 ~1. 0mm):(粒径 1. 0 ~2. 0mm) = 1 : 1 : 1 : 4 或 1 : 1 : 2 : 3〇
[0011] 进一步地，所述钢纤维的直径为0. 12~0. 2mm，长径比为40~60,抗拉强度不低 于 2000MPa。
[0012] 进一步地，所述高性能减水剂为减水率大于35%的非引气型减水剂。
[0013] 本发明进一步提供尚强尚耐磨水泥基材料的制备方法，其包括以下步骤：
[0014] (1)按重量份称取硅酸盐水泥1份，高活性掺合料0. 15~0. 25份，超细耐磨掺合 料0. 2~0. 3份，高性能减水剂0. 01~0. 02份，送入球磨机混磨，制成耐磨胶凝材料；
[0015] (2)按重量份称取1. 36~1. 58份所述耐磨胶凝材料，耐磨粉料0?3~0?4份，耐 磨骨料1. 0~1. 5份，混合搅拌，制成耐磨干混料；
[0016] (3)按重量份称取2. 66~3. 48份所述耐磨干混料，送入搅拌机，加入0.22~0.28 份水搅拌，搅拌至混合料流化后，再一边搅拌一边缓缓加入〇. 15~0. 25份钢纤维，搅拌均 匀后倒入模具中，养护后即制得高强高耐磨水泥基材料。
[0017] 为解决含环氧树脂等有机胶粘剂的耐磨材料的耐高温性差，耐磨陶瓷的抗压强度 和抗折强度较低，抗冲击性差，普通水泥基耐磨材料的耐磨性不高和强度低的问题，本发明 提供了一种高强高耐磨水泥基材料及其制备方法。
[0018] 工程实践和研宄表明，水泥基耐磨材料的耐磨性除主要决定于耐磨骨料外，还与 起胶粘作用的水泥石的性能密切相关。因此，为进一步提高水泥基耐磨材料的耐磨性，需要 进一步改善水泥石的组成，提高水泥石的耐磨性。由于硬化水泥石是由水泥的水化产物和 未水化的水泥颗粒组成，因此，硬化水泥石的耐磨性可以从水化产物和未水化的水泥颗粒 两方面改性。在水泥基高强高耐磨材料中掺入超细的硅灰或烧偏高岭土，由于最紧密堆积 作用和火山灰效应，可以增加水化产物的密度，减少氢氧化钙的含量，增加水化硅酸钙的含 量，改善水化产物的耐磨性；作为优选，高活性掺合料的用量为〇. 15~0. 25份，掺量较小 时，改性作用不明显；掺量过大，强度会下降。为进一步改善水化产物部分的耐磨性，在水 泥基高强高耐磨材料中加入超细磨钢渣作为耐磨掺合料，由于超细磨钢渣具有一定活性， 能与其他水化产物结合良好，同时，钢渣本身具有良好的耐磨性，从而可以提高水泥石中水 化产物的耐磨性。作为优选，超细磨钢渣的平均粒径为1~3_，粒径过细，粉磨困难，不经 济；粒径过粗，则掺量较大时，将导致强度下降，经试验，超细磨钢渣的用量以〇. 2~0. 3份 为最佳。为提高水泥石中未水化部分的耐磨性，进一步掺入部分耐磨粉料，替代部分未水化 的水泥颗粒，根据耐磨性的要求，掺入的耐磨粉料有烧结铝矾土粉料、黑碳化硅粉料或氮化 硅粉料，经优化，粉料的平均粒径为30~45ym，用量为0. 30~0. 40份；粒径过粗，或用量 过低（小于0.30)则对硬化水泥石耐磨性的改善效果不明显，粒径过细或用量过大（大于 0. 4份），则会降低水泥基高强高耐磨材料的强度等力学性能。耐磨骨料对水泥基耐磨材料 的耐磨性影响最大，根据耐磨性的要求，可以选用烧结铝矾土、黑色碳化硅和氮化硅骨料， 经优选，用量为1~1. 5份，用量少于1份，水泥基高强高耐磨材料的耐磨性会下降，用量大 于1. 5水泥基高强高耐磨材料的强度会下降；耐磨骨料的级配也对水泥基高强高耐磨材料 的强度和耐磨性有影响，经试验，颗粒级配组成（不同粒径颗粒质量比）为：（粒径〇. 16~ 0? 25mm):(粒径 0? 25: 0? 50mm):(粒径 0? 5 ~1. 0mm):(粒径 1. 0 ~2. 0mm) = 1 :1 :1 :4 或 1 :1 :2 :3的性能$父佳。为提尚水泥基尚强尚耐磨材料的强度，降低水|父比，减水剂的减水率 应大于35%，以保证在很低的水胶比下，有良好的成型性能。为了使水泥基高强高耐磨材料 有好的韧性和抗冲击性能，需在其中掺入高强钢纤维，经优选，高强钢纤维的抗拉强度需大 于2000MPa纤维，直径为0. 12~0. 2mm，长径比为40~60,用量为0. 15~0. 25份；钢纤维 的抗拉强度低于2000MPa，纤维的增强增韧效果会下降，纤维直径过粗（大于0. 2mm)或长径 比过大（大于60)，耐磨材料中的纤维根数将减少，材料的均匀性不佳。纤维用量小于0. 15 份，纤维增强增韧和提高抗冲击性能的效果不明显；纤维用量大于0.25份，纤维易结团，影 响水泥基尚强尚耐磨材料的成型性能和均勾性。
[0019] 本发明提供的水泥基材料的耐磨性得到了很大的提高，同时抗压与抗弯强度也有 较大的提升。
【具体实施方式】
[0020] 以下结合实施例和对比例对本发明作具体说明。
[0021] 实施例1
[0022] 称取各原材料：硅酸盐水泥：50kg、硅灰10kg，超细磨钢渣：12. 5kg，烧结铝矾土 粉：15kg，烧结铝钒土骨料：60kg，高性能减水剂：0. 75kg，高强钢纤维：10kg。将硅酸盐水 泥、硅灰、超细磨钢渣、高性能减水剂送入球磨机混磨20分钟，制成耐磨胶凝材料，卸出备 用；将制成的耐磨胶凝材料全部送入高速混样机，并加入烧结铝矾土粉、烧结铝矾土骨料混 合搅拌15分钟，制成耐磨干混料，卸出备用；再将制成的耐磨干混料全部送入搅拌机，加入 12kg水搅拌，搅拌至混合料流化后，一边搅拌一边缓缓加入高强钢纤维，直到全部高强钢纤 维在混合料中分布均匀后，停止搅拌，将拌好的混合料浇入模具中，经养护后，制成所需的 广品。
[0023] 所述的硅酸盐水泥为P? 1142. 5级硅酸盐水泥，C3A含量为5. 8%，C4AF为13%， 混合材料为粒化高炉矿渣；所述的硅灰为比表面积大于20m2/g，Si(V#量大于90 %的冷凝 硅灰；所述的超细磨钢渣为平均粒径为2ym的磨细钢渣；所述的烧结铝矾土粉为平均粒径 为40ym，A1203含量大于90%，Fe203含量小于1 %的烧结铝矾土粉；所述的烧结铝矾土骨 料为A1203含量大于90%，颗粒级配为：粒径0. 16~0. 25mm:粒径0. 25~0. 50mm:粒径 0. 5~1. 0mm:粒径1. 0~2. 0mm= 1 : 1 : 2 : 3的烧结错研^土骨料；所述的高性能减 水剂为减水率为40%的非引气型聚羧酸减水剂粉剂；所述的高强钢纤维为直径为0. 12mm， 长径比为50,抗拉强度为2800MPa的平直镀铜钢纤维。
[0024] 对比例1
[0025]称取各原材料：娃酸盐水泥：50kg、娃灰12. 5kg，石英粉：20kg，烧结错f凡土骨料： 60kg，高性能减水剂：0. 75kg，高强钢纤维：10kg。将硅酸盐水泥、硅灰、高性能减水剂送入 球磨机混磨20分钟，制成耐磨胶凝材料，卸出备用；将制成的耐磨胶凝材料全部送入高速 混样机，并加入石英粉、烧结铝矾土骨料混合搅拌15分钟，制成耐磨干混料，卸出备用；再 将制成的耐磨干混料全部送入搅拌机，加入12kg水搅拌，搅拌至混合料流化后，一边搅拌 一边缓缓