阅读说明：本技术 一种高抗冻融海工混凝土及其制备方法 (High-freeze-thaw resistance marine concrete and preparation method thereof ) 是由 陈喜旺 张登平 *** 王军 孔凡敏 王丽丽 李燕伟 王杰之 张弯 李威 于 2019-11-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高抗冻融海工混凝土及其制备方法,涉及海工混凝土技术领域,抗冻融海工混凝土包括A组分和B组分,A组分包括硅酸盐水泥、碎石、黄砂以及减水剂；B组分为碳化硅改性水玻璃。其制备方法包括按配比准备A组分,并将A组分投入搅拌舱中进行充分搅拌；称取水玻璃和碳化硅粉末投入反应舱中,水浴条件下充分反应得到B组分；常温条件下A组分和B组分充分搅拌0.5-1h得到最终产品。本发明的抗冻融海工混凝土具有提高海工混凝土抗冻融性能的优点,另外,本发明的制备方法具有提高抗冻融海工混凝土抗压强度的优点。(The invention discloses high freeze-thaw resistance marine concrete and a preparation method thereof, and relates to the technical field of marine concrete, wherein the freeze-thaw resistance marine concrete comprises a component A and a component B, wherein the component A comprises portland cement, crushed stone, yellow sand and a water reducing agent; the component B is silicon carbide modified water glass. The preparation method comprises preparing component A according to a ratio, and adding component A into a stirring cabin for fully stirring; weighing water glass and silicon carbide powder, putting into a reaction cabin, and fully reacting under a water bath condition to obtain a component B; and fully stirring the component A and the component B for 0.5 to 1 hour at normal temperature to obtain a final product. The freeze-thaw resistant marine concrete has the advantage of improving the freeze-thaw resistance of the marine concrete, and in addition, the preparation method has the advantage of improving the compressive strength of the freeze-thaw resistant marine concrete.)

一种高抗冻融海工混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及海工混凝土技术领域，更具体的说，它涉及一种高抗冻融海工混凝土及其制备方法。

背景技术

目前，海工混凝土多指海洋工程中使用的混凝土，海工混凝土是经常受到浪花溅击的结构中所用的混凝土。

现有技术可参考公开号为CN106431026A的中国发明专利，其公开了一种硅铝基海工混凝土材料及其制备方法，包括将矿物掺合料、硅酸盐水泥熟料和成岩剂混合研磨，制成硅铝基胶凝材料；将制成的硅铝基胶凝材料与骨料、外加剂与水混合搅拌均匀；将搅拌后制成的硅铝基海工混凝土料浆浇注到模具中养护，制成硅铝基海工混凝土材料。制备过程中通过加入硅铝基胶凝材料，提高了最终产物耐久性和耐海水侵蚀性能。

但是，由于海洋、河流、湖泊环境中早晚温差较大，上述海工混凝土的抗冻融性能较低，无法满足海工混凝土长期处于低温环境的需要。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种高抗冻融海工混凝土，其具有提高海工混凝土抗冻融性能的优点。

本发明的第二个目的在于提供一种高抗冻融海工混凝土的制备方法，其具有提高抗冻融海工混凝土抗压强度的优点。

为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：

一种高抗冻融海工混凝土，由质量比为50-200：1的A组分和B组分制成，所述A组分由以下重量份的原料制成：4-5份硅酸盐水泥、10-12份碎石、6-8份黄砂以及0.05-0.1份减水剂；所述B组分为碳化硅改性水玻璃。

通过采用上述技术方案，水玻璃硬化时析出的硅酸凝胶可以堵塞混凝土的内部空隙，从而改变混凝土的孔隙结构，通过改变孔隙结构降低混凝土的导热性能，从而降低外界温度对混凝土的影响，提高混凝土的抗冻融性能。通过水玻璃中加入碳化硅，提高单位体积的水玻璃的质量，从而增强水玻璃对混凝土孔隙结构的填充程度。

本发明进一步设置为：所述减水剂包括聚羧酸酯、木质素磺酸盐、磺化三聚氰胺甲醛树脂中的一种或几种的组合物。

通过采用上述技术方案，通过加入减水剂，可以降低由于混合材料中加入碳化硅改性水玻璃从而对混凝土坍落度造成影响的可能性

为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：

一种高抗冻融海工混凝土的制备方法，包括以下步骤：按配比准备A组分，并将A组分投入混凝土制备窑中；所述混凝土制备窑包括反应舱以及固定于所述反应舱底部的搅拌舱；常温条件下，A组分于所述搅拌舱中进行充分搅拌；

称取质量比为100-120：1的水玻璃和碳化硅粉末投入所述反应舱中，60-75℃水浴条件下充分反应得到B组分；

打开设置于所述反应舱底部的下料阀使B组分落入所述搅拌舱内，常温条件下A组分和B组分充分搅拌0.5-1h得到最终产品。

通过采用上述技术方案，碳化硅与水玻璃之间的反应在水浴条件下进行，通过升温的方式使水玻璃部分固化，便于使水玻璃与混凝土混合后整体水分含量降低，提高最终产物的抗压强度和抗折强度。

本发明进一步设置为：所述反应舱包括外壳体以及固定于所述外壳体内顶面的环形内壁；所述环形内壁将外壳体内的空间分割为圆形内腔和环形外腔；所述环形内壁内周面安装有用于阻挡物料落入搅拌舱的下料阀；所述下料阀底部设置有搅拌组件；所述环形内壁外周面固定有水浴舱；所述外壳体外周面分别穿设有用于向水浴舱注水的热水进水管、冷水进水管以及用于将水流排出水浴舱的出水管；所述水浴舱内转动安装有环形挡板，所述外壳体内设置有驱动所述环形挡板转动的驱动装置；

所述搅拌组件包括固定于下料阀底部的电机安装盒、安装于所述电机安装盒内的电机以及与所述电机输出端固定连接的搅拌轴。

通过采用上述技术方案，分别将碳化硅粉末和水玻璃投入反应舱内，热水进水管向水浴舱内注入热水，反应结束后，产物由下料阀落入搅拌舱内。冷水进水管向水浴舱内注入冷水，从而对水浴舱进行降温，便于使碳化硅和水玻璃的反应在水浴条件下进行，从而降低水玻璃与混凝土混合后整体的水分含量，提高最终产物的抗压强度和抗折强度。

本发明进一步设置为：所述驱动装置包括开设于水浴舱外周面的环形通孔、固定于环形挡板外周面的第一锥齿环、转动安装于外壳体内周面的传动锥齿轮、转动安装于环形外腔底部的第二锥齿环、固定于所述传动锥齿轮远离环形通孔一侧的从动齿轮以及转动安装于搅拌舱外周面的主动齿轮；所述第一锥齿环转动安装于环形通孔内；所述传动锥齿轮分别与第一锥齿环、第二锥齿环啮合；所述从动齿轮与主动齿轮啮合；所述主动齿轮与电机之间设置有驱动主动齿轮转动的传输机构。

通过采用上述技术方案，传输机构驱动主动齿轮转动后，主动齿轮通过传动锥齿轮分别带动第一锥齿环和第二锥齿环转动。第一锥齿环带动环形挡板转动，通过环形挡板转动便于调节热水进水管、冷水进水管和出水管的开闭状态，从而便于水浴舱的注水和排水。

本发明进一步设置为：所述传输机构包括固定于搅拌舱内周面的限位圆管、固定于电机安装盒底部的齿轮安装盒、固定于搅拌轴外周面的主动锥齿轮以及转动安装于所述齿轮安装盒靠近所述限位圆管一侧的从动锥齿轮；所述从动锥齿轮靠近从动齿轮一侧固定有内螺纹管；所述主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合；所述内螺纹管内螺纹连接有螺纹轴，所述螺纹轴与限位圆管之间设置有驱动螺纹轴沿内螺纹管轴向移动的导向组件。

通过采用上述技术方案，电机带动搅拌轴转动过程中，主动锥齿轮带动从动锥齿轮转动，从动锥齿轮带动内螺纹管转动。螺纹轴在导向组件的导向作用下向靠近主动齿轮一侧移动。通过设置传输机构，便于电机在控制搅拌轴转动的同时，带动主动齿轮转动。

本发明进一步设置为：所述导向组件包括固定于螺纹轴远离从动锥齿轮一端的延伸轴、固定于所述延伸轴外周面的方形限位片、开设于限位圆管内周面的条形通孔、开设于主动齿轮靠近限位圆管一侧的圆形通孔以及开设于所述圆形通孔侧壁且用于与方形限位片插接的限位槽；所述方形限位片沿限位圆管轴向与条形通孔滑移连接。

通过采用上述技术方案，螺纹轴与限位圆管接触，条形通孔为方形限位片提供导向作用，从而使内螺纹管转动过程中驱动螺纹轴向靠近主动齿轮一侧移动。方形限位片移动至与限位槽插接后，螺纹轴随内螺纹管转动，螺纹轴通过方形限位片带动主动齿轮转动。便于通过电机的转向对螺纹轴的移动方向进行调节，达到了搅拌轴在不停止转动的情况下，对水浴舱内注水和排水情况进行调节。

本发明进一步设置为：所述下料阀包括固定于环形内壁内周面的固定环、与所述固定环内周面固定连接的支撑柱以及沿所述支撑柱周向均布于支撑柱外周面的多个转动轴；每个所述转动轴外周面均固定有扇形挡板，每个所述转动轴远离支撑柱一端均固定有挡板锥齿轮；所述环形外腔内底面均转动安装有内锥齿环，所述内锥齿环外周面与第二锥齿环内周面固定连接，所述挡板锥齿轮与内锥齿环啮合。

通过采用上述技术方案，第二锥齿环转动后带动内锥齿环转动，内锥齿环带动挡板锥齿轮转动，挡板锥齿轮通过转动轴带动扇形挡板转动，扇形挡板翻转后便于使反应舱内的物料下落至搅拌舱内，便于电机带动搅拌轴转动的过程中实现下料阀的打开，从而实现水玻璃和碳化硅反应结束后下落至搅拌舱内与A组分混合。

综上所述，本发明相比于现有技术具有以下有益效果：

1.通过加入水玻璃，改变混凝土的孔隙结构，提高混凝土的抗冻融性能；

2.通过水玻璃中加入碳化硅，提高单位体积的水玻璃的质量，从而增强水玻璃对混凝土孔隙结构的填充程度；

3.通过升温的方式使水玻璃部分固化，便于使水玻璃与混凝土混合后整体水分含量降低，提高最终产物的抗压强度和抗折强度。

附图说明

图1为本发明的剖视图；

图2为本发明中凸显环形挡板的剖视图；

图3为本发明中凸显传输机构的剖视图；

图4为图3中A处的放大示意图；

图5为本发明中凸显下料阀的结构示意图。

图中：1、反应舱；11、外壳体；111、热水进水管；112、冷水进水管；113、出水管；12、环形内壁；13、圆形内腔；14、环形外腔；2、搅拌舱；3、下料阀；31、固定环；32、支撑杆；33、支撑柱；34、扇形挡板；35、转动轴；36、挡板锥齿轮；37、内锥齿环；4、搅拌组件；41、电机安装盒；42、电机；43、搅拌轴；5、水浴舱；51、环形挡板；6、驱动装置；61、环形通孔；62、第一锥齿环；63、传动锥齿轮；64、第二锥齿环；65、从动齿轮；66、主动齿轮；67、进料通孔；7、传输机构；71、限位圆管；711、条形通孔；72、齿轮安装盒；73、主动锥齿轮；74、从动锥齿轮；75、内螺纹管；751、弹簧；752、圆形限位片；76、螺纹轴；77、方形限位片；78、圆形通孔；781、限位槽；79、延伸轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例1：一种高抗冻融海工混凝土，由质量比为50：1的A组分和B组分制成，A组分由4份硅酸盐水泥、10份碎石、6份黄砂以及0.05份聚羧酸酯制成。B组分为碳化硅改性水玻璃。

一种高抗冻融海工混凝土的制备方法，包括如下步骤：

按配比准备A组分，并将A组分投入混凝土制备窑中。混凝土制备窑包括反应舱1以及固定于反应舱1底部的搅拌舱2。常温条件下A组分于搅拌舱2中充分搅拌1h。

称取质量比为100：1的水玻璃和碳化硅粉末投入反应舱1中，60℃水浴条件下反应30min得到B组分。

打开反应舱1底部的下料阀3使B组分落入搅拌舱2内，常温条件下A组分和B组分充分搅拌0.5h得到最终产品。

如图1和图2所示，反应舱1包括外壳体11以及固定于外壳体11内顶面的环形内壁12；环形内壁12将外壳体11内的空间分割为圆形内腔13和环形外腔14。外壳体11为圆柱形桶体。环形内壁12内周面安装有用于阻挡物料落入搅拌舱2的下料阀3；下料阀3底部设置有搅拌组件4。

如图1和图3所示，搅拌组件4包括固定于下料阀3底部的电机安装盒41、安装于电机安装盒41内的电机42以及与电机42输出端固定连接的搅拌轴43。搅拌轴43用于对搅拌舱2内的物料进行搅拌。电机42为异步电机。

如图1和图2所示，环形内壁12外周面固定有环形的水浴舱5。水浴舱5外周面开设有热水进口、冷水进口和出水口。外壳体11外周面穿设有用于向热水进口注水的热水进水管111、用于向冷水进口注水的冷水进水管112以及用于将水流排出水浴舱5的出水管113。搅拌舱2为顶部开口的圆柱形桶体，外壳体11底部开设有用于搅拌舱2连通的进料通孔67。分别将碳化硅粉末和水玻璃投入反应舱1内，热水进水管111向水浴舱5内注入60-75℃水流，使得反应舱1内的组分在水浴条件下进行反应，反应结束后，产物由下料阀3落入搅拌舱2内。冷水进水管112向水浴舱5内注入4℃水流，从而对水浴舱5进行降温，水流经出水管113流出水浴舱5。

如图2所示，水浴舱5内转动安装有环形挡板51，环形挡板51内周面开设有用于与热水进口连通的第一通孔、用于与冷水进口连通的第二通孔以及用于与出水口连通的第三通孔。外壳体11内设置有驱动环形挡板51转动的驱动装置6。驱动装置6驱动外壳体11转动过程中，当第一通孔与热水进口连通时，第二通孔与冷水进口、第三通孔与出水口处于错位状态，便于热水进水管111向水浴舱5内注水。当第二通孔与冷水进口、第三通孔与出水口处于连通状态时，第一通孔与热水进口处于错位状态，便于冷水进水管112向水浴舱5内注水降温，同时水流经过出水口流出。

如图1和图2所示，驱动装置6包括开设于水浴舱5外周面的环形通孔61、固定于环形挡板51外周面的第一锥齿环62、转动安装于外壳体11内周面的传动锥齿轮63、转动安装于环形外腔14底部的第二锥齿环64、固定于传动锥齿轮63远离环形通孔61一侧的从动齿轮65以及转动安装于搅拌舱2外周面的主动齿轮66。第一锥齿环62转动安装于环形通孔61内。传动锥齿轮63分别与第一锥齿环62、第二锥齿环64啮合。从动齿轮65与主动齿轮66啮合。结合图3，主动齿轮66与电机42之间设置有驱动主动齿轮66转动的传输机构7。传输机构7驱动主动齿轮66转动后，主动齿轮66通过传动锥齿轮63分别带动第一锥齿环62和第二锥齿环64转动。第一锥齿环62带动环形挡板51转动。

如图1所示，传输机构7包括固定于搅拌舱2内周面的限位圆管71、固定于电机安装盒41底部的齿轮安装盒72，结合图3和图4，还包括固定于搅拌轴43外周面的主动锥齿轮73以及转动安装于齿轮安装盒72靠近限位圆管71一侧内侧壁的从动锥齿轮74。从动锥齿轮74靠近主动齿轮66一侧固定有内螺纹管75，齿轮安装盒72靠近限位圆管71一侧开设有安装通孔，内螺纹管75穿设于安装通孔内。搅拌轴43穿设于齿轮安装盒72内。主动锥齿轮73与从动锥齿轮74啮合。内螺纹管75内螺纹连接有螺纹轴76，螺纹轴76远离从动锥齿轮74一端固定有延伸轴79，延伸轴79外周面固定有方形限位片77。限位圆管71内周面开设有沿限位圆管71轴向贯穿限位圆管71的条形通孔711，方形限位片77沿限位圆管71轴向与条形通孔711滑移连接。主动齿轮66表面圆心处开设有圆形通孔78，圆形通孔78侧壁开设有用于与方形限位片77插接的限位槽781。电机42带动搅拌轴43转动过程中，主动锥齿轮73带动从动锥齿轮74转动，从动锥齿轮74带动内螺纹管75转动。由于螺纹轴76与限位圆管71接触后，条形通孔711为方形限位片77提供导向作用，便于通过内螺纹管75转动驱动螺纹轴76向靠近主动齿轮66一侧移动。方形限位片77移动至与限位槽781插接后，螺纹轴76随内螺纹管75转动，螺纹轴76通过方形限位片77带动主动齿轮66转动。电机42带动搅拌轴43反向转动时，螺纹轴76向远离主动齿轮66一侧移动。

如图4所示，内螺纹管75靠近主动齿轮66一端固定有弹簧751，螺纹轴76外周面固定有圆形限位片752。螺纹轴76脱离限位圆管71后，弹簧751处于压缩状态，弹簧751向圆形限位片752施加向靠近主动齿轮66一侧的弹力。

如图2所示，下料阀3包括固定于环形内壁12内周面的固定环31，结合图5，还包括沿固定环31周向均布于固定环31内周面的四个支撑杆32、固定于支撑杆32端部的支撑柱33、沿支撑柱33周向均布于支撑柱33外周面的四个转动轴35以及分别固定于四个转动轴35外周面的四个扇形挡板34。每个转动轴35一端与支撑柱33转动连接，另一端穿设于固定环31内。每个转动轴35远离支撑柱33一端固定有挡板锥齿轮36。第二锥齿环64内周面固定有内锥齿环37，挡板锥齿轮36与内锥齿环37啮合。第二锥齿环64转动后带动内锥齿环37转动，内锥齿环37带动挡板锥齿轮36转动，挡板锥齿轮36通过转动轴35带动扇形挡板34转动。

本实施例的工作原理如下：

电机42带动搅拌轴43转动过程中，主动锥齿轮73带动从动锥齿轮74转动，从动锥齿轮74带动内螺纹管75转动。由于螺纹轴76与限位圆管71接触后，条形通孔711为方形限位片77提供导向作用，便于通过内螺纹管75转动驱动螺纹轴76向靠近主动齿轮66一侧移动。方形限位片77移动至与限位槽781插接后，螺纹轴76随内螺纹管75转动，螺纹轴76通过方形限位片77带动主动齿轮66转动。主动齿轮66通过传动锥齿轮63分别带动第一锥齿环62和第二锥齿环64转动。第一锥齿环62带动环形挡板51转动，从而对热水进水口、冷水进水口、出水口的开闭状态进行调节。

实施例2：一种高抗冻融海工混凝土，由质量比为100：1的A组分和B组分制成，A组分由4.5份硅酸盐水泥、11份碎石、7份黄砂、0.04份木质素磺酸钠以及0.04份磺化三聚氰胺甲醛树脂制成。B组分为碳化硅改性水玻璃。

一种高抗冻融海工混凝土的制备方法，包括如下步骤：

按配比准备A组分，并将A组分投入混凝土制备窑中。混凝土制备窑包括反应舱1以及固定于反应舱1底部的搅拌舱2。常温条件下A组分于搅拌舱2中充分搅拌1.5h。

称取质量比为110：1的水玻璃和碳化硅粉末投入反应舱1中，70℃水浴条件下反应45min得到B组分。

打开反应舱1底部的下料阀3使B组分落入搅拌舱2内，常温条件下A组分和B组分充分搅拌0.8h得到最终产品。

实施例3：一种高抗冻融海工混凝土，由质量比为200：1的A组分和B组分制成，A组分由5份硅酸盐水泥、12份碎石、8份黄砂、0.02份聚羧酸酯以及0.08份木质素磺酸钙制成。B组分为碳化硅改性水玻璃。

一种高抗冻融海工混凝土的制备方法，包括如下步骤：

按配比准备A组分，并将A组分投入混凝土制备窑中。混凝土制备窑包括反应舱1以及固定于反应舱1底部的搅拌舱2。常温条件下A组分于搅拌舱2中充分搅拌2h。

称取质量比为120：1的水玻璃和碳化硅粉末投入反应舱1中，75℃水浴条件下反应60min得到B组分。

打开反应舱1底部的下料阀3使B组分落入搅拌舱2内，常温条件下A组分和B组分充分搅拌1h得到最终产品。

对比例1：对比例1和实施例1的区别在于，B组分为水玻璃。

对比例2：对比例2和实施例3的区别在于水玻璃和碳化硅粉末于室温条件下进行反应。

性能检测试验：对实施例1-3和对比例1-2制得的最终产物进行如下性能检测，检测结果如表1所示。

依照SL352-2018水工混凝土试验规程，分别测定最终产物的导热系数、抗冻性能、抗压强度和抗折强度。

表1

测定项目	导热系数	-18至8℃冻融循环300次的质量损失率/%	28d抗压强度/MPa	28d抗折强度/MPa
					实施例1	0.081	0.93	44.36	6.51
实施例2	0.085	0.92	44.57	6.55
					实施例3	0.084	0.86	44.63	6.52
对比例1	0.095	2.73	44.95	6.58
					对比例2	0.089	1.85	41.06	6.13

从表1可以看出，相比于对比例1，实施例1中得到的最终产物导热系数更低，在冻融循环环境下质量损失率更低。水玻璃硬化时析出的硅酸凝胶堵塞了海工混凝土的内部孔隙，从而改善了海工混凝土内部的孔隙结构。通过热膨胀系数更小的碳化硅对水玻璃进行改性，可以增大水玻璃的密度，使得单位体积的水玻璃质量增大，从而增强水玻璃对海工混凝土孔隙结构的封堵效果，降低海工混凝土的导热系数，从而使海工混凝土在冻融循环环境中的质量损失率降低。

从表1可以看出，相比于对比例2，实施例3中得到的最终产物抗压强度和抗折强度都有所提升。水玻璃在碳化硅改性过程中，通过水浴加热的方式可以使水玻璃部分固化，降低水玻璃中的水分含量，从而使最终产物中的水分含量减小，提高最终产物的抗压强度和抗折强度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。