CN102408216B - 一种微波加热超早强水泥混凝土铺面修补材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波加热超早强水泥混凝土铺面修补材料及其制备方法，其原料及其质量比组成为水泥∶硅灰∶粉煤灰∶微细重质碳酸钙∶高效减水剂∶氧化钙∶氯化钙∶硫酸钠＝1∶0.1∶0.1∶0.1∶0.005∶0.012∶0.03∶0.01，用水量为原料质量之和的40％。其制备方法包括按照配比，将原料和水加入水泥净浆搅拌机拌和60s，并采用塑料模具成型；将成型的试件表面覆盖塑料薄膜；从加水拌和开始计时，在微波加热过程中测试其初凝时间和终凝时间；对成型试件微波加热至50℃，停止加热；当试件表面温度降至40℃时，再次微波加热至50℃，如此反复，经过2小时后停止并测试其相关性能，结果表明该修补材料凝结时间短，早期强度高，粘结能力强，干缩小，可满足修补结束2小时后恢复通车的要求。

Description

一种微波加热超早强水泥混凝土铺面修补材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种水泥混凝土铺面的修补材料，特别涉及一种采用微波加热超早强水泥混凝土铺面修补材料。

背景技术

水泥混凝土铺面材料在公路和机场等重点基础设施建设中得到广泛应用，其中水泥混凝土路面占中国公路总里程的60％以上，机场跑道也以水泥混凝土为主，然而早期修建的水泥混凝土铺面由于设计、施工、后期养护及超重载交通等原因，发生了不同程度的开裂，主要原因是由于水泥混凝土材料在使用过程中会因为其内部水分的蒸发而产生收缩，从而产生内部残余应力，而导致水泥混凝土铺面开裂；另一方面，水泥混凝土铺面材料应用于野外，受温度、水分等自然条件影响较大，从而易产生开裂、断脚和坑洼等损害。因此，近几年各类水泥混凝土铺面修补材料得到推广应用，主要分为无机类，如普通水泥基修补材料及快硬类水泥基材料等；有机类材料，如树脂基修补材料等；以及有机无机复合类，如聚合物改性水泥基修补材料等。

然而，在长期的实践使用过程中上述修补材料发现存在如下问题：

第一，无机类修补材料主要是存在混凝土铺面工程开放交通时间偏长等问题，一个地方需要反复修补；有机类修补材料与原混凝土相容性差，对修补界面要求苛刻，另一方面，由于有机物不耐老化，造成修补后耐久性差，价格昂贵，不利于环保；复合类修补材料虽然在一定程度上克服以上两类修补材料的部分缺点，但仍然存在价格高、性能变异性大以及对使用环境适应性差等缺点。

第二，修补材料和原水泥混凝土铺面材料相容性相对较差，被修补混凝土与修补材料之间在物理、化学等方面不能亲密共存，主要原因在于各种修补材料由于化学组分不同而使得其收缩性能和粘结强度等差别较大，在不同条件下，各自具有不同的表现，而性能上的差异经常会导致在接触面上发生破坏，如剥离、脱落等。

第三，各种水泥混凝土铺面修补材料凝结硬化产生强度的时间仍然较长，最快的也要4～6小时以后才能达到20.0MPa，严重影响了水泥混凝土铺面工程开放交通的时间。

然而，微波加热具有速度快、加热均匀、温度梯度小、热量散失少、无明火、无弱接缝和弱接面、修复质量高和无污染等优点，符合国家节能减排、环境保护的要求，能够满足铺面维修快速进入、快速作业、快速撤离的工作需要。因此，本发明针对水泥混凝土铺面材料特点，采用无机类原料作为修补材料的主体，利用微波加热技术，研制出用于水泥混凝土铺面工程的超早强裂缝修补材料。

发明内容

针对背景技术各种水泥混凝土铺面修补材料在实际应用过程中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种采用微波加热的超早强水泥混凝土铺面修补材料。

本发明采用在常温下凝结时间相对较长的水泥基修补材料，材料施工完成后，采用微波加热技术，缩短修补材料的凝结时间，同时采用塑料薄膜防止加热过程中修补材料中水分的蒸发，保持修补材料内胶凝材料的充分水化，而不严重影响修补材料的后期强度，实现了修补材料的超早强化，最终获得早期强度高的水泥混凝土铺面修补材料。

为了实现上述技术任务，本发明采取如下具体的技术解决方案予以实现：

一种微波加热超早强水泥混凝土铺面修补材料，其特征在于，该混凝土铺面裂缝修补材料由下列原料及其质量比组成：

水泥∶硅灰∶粉煤灰∶微细重质碳酸钙∶高效减水剂∶氧化钙∶氯化钙∶硫酸钠＝1∶0.1∶0.1∶0.1∶0.005∶0.012∶0.03∶0.01，其中，所述的水泥是普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的混合物，其质量比为：普通硅酸盐水泥∶硫铝酸盐水泥＝0.7∶0.3～0.3∶0.7，用水量为原料总质量的40％。

根据一个优选的实施方式，所述的水泥其中普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥优选质量比为0.5∶0.5～0.3∶0.7。

根据一个最优选的实施方式，所述的所述的水泥其中普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥最优质量比为0.3∶0.7。

另外，本发明还具有以下技术特点：

所述的普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥强度等级分别为42.5R、52.5R和52.5、62.5。

所述的普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥优选强度等级分别为52.5R和62.5。

微波加热超早强水泥混凝土铺面修补材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将原料按照如下质量比进行混合：

其中水泥∶硅灰∶粉煤灰∶微细重质碳酸钙∶高效减水剂∶氧化钙∶氯化钙∶硫酸钠＝1∶0.1∶0.1∶0.1∶0.005∶0.012∶0.03∶0.01；所述的水泥是普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的混合物，其质量比为：普通硅酸盐水泥∶硫铝酸盐水泥＝0.7∶0.3～0.3∶0.7，用水量为原料总质量的40％。

然后将上述原料和水加入水泥净浆搅拌机内拌和60s，并采用塑料模具成型。

(2)将塑料模具成型试件表面覆盖塑料薄膜。

(3)从原料加入水泥净浆搅拌机与水进行拌合开始计时，利用微波对成型试件进行加热，并在微波加热过程中测试成型试件的初凝试件和终凝时间。

(4)对成型试件进行微波加热至50℃，停止加热。

(5)当成型试件表面温度降低至40℃时，对成型试件再进行微波加热至50℃，停止加热，重复此步骤，经过2小时后最终得到超早强水泥混凝土铺面裂缝修补材料。

本发明与现有技术相比具有如下技术优点：

首先，修补材料的原料主要为无机材料，与传统的有机类修补材料和复合修补材料相比，成本降低。

其次，采用微波加热制备技术，实现洁净生产的制备技术，无污染，实现绿色施工，并改善了修补材料的性能。

第三，现有有些有机类修补材料在夏季高温天气，易受热变软甚至出现流淌，而本发明的修补材料为无机类，高温条件下的稳定性和抗老化性能较好。

第四，微波加热技术突破了传统无机修补材料依靠自然条件来促进胶凝能力生成的约束，促进了修补材料强度的尽快形成，养护2小时抗压强度大于20.0MPa，抗折强度大于4.0MPa，达到超早强，为快速开放交通提供可能，并具有较好的粘结性能。

本发明所制得的水泥混凝土铺面修补材料养护2小时其强度能够达到20.0MPa，满足水泥混凝土铺面工程路用性能和快速开放交通的要求，而且采用微波加热控制凝结固化时间，能够人为控制修补材料的终凝时间，大幅度提高修补混凝土铺面的使用性能，从而进一步提高其使用寿命。

具体实施方式

以下给出本发明的具体优选实施例，用于进一步说明本发明。这些实施例仅用于本领域技术人员充分的理解本发明，而不是用来限制本发明的范围。凡是在本发明技术方案之上进行的等同变换或者替换均属于本发明要求保护的权利范围之内。

各原料具体选择：

陕西秦岭水泥股份有限公司产普通硅酸盐水泥，安定性合格，强度等级分别为32.5R、42.5R和52.5R，性能指标满足《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)要求；

河南郑州市中泰水泥公司产硫铝酸盐水泥，强度等级分别为42.5、52.5和62.5，性能指标满足《硫铝酸盐水泥》(GB 20472-2006)要求；

西安霖源微硅粉有限公司产硅灰，比表面积20m²/g；陕西榆林长盛建材集团产I级粉煤灰，SiO₂和Al₂O₃含量分别为50.6％和27.1％；

联群(西安)超微细粉体有限公司产微细重质碳酸钙，CaCO₃含量98.5％，密度3.1g/cm³；

西安红旗混凝土外加剂厂产萘系高效减水剂，减水率25％；

氧化钙、氯化钙和硫酸钠均为天津市红岩化学试剂厂生产。

实施例1：

该实施例原料按照如下质量比进行组合，水泥∶硅灰∶粉煤灰∶微细重质碳酸钙∶高效减水剂∶氧化钙∶氯化钙∶硫酸钠＝1∶0.1∶0.1∶0.1∶0.005∶0.012∶0.03∶0.01。其中，所述的水泥为52.5R普通硅酸盐水泥和62.5硫铝酸盐水泥的混合物，其质量比为普通硅酸盐水泥∶硫铝酸盐水泥＝0.3∶0.7，用水量为原料总质量的40％。

本发明的微波加热超早强水泥混凝土铺面修补材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将原料按照如下质量比进行混合：

其中水泥∶硅灰∶粉煤灰∶微细重质碳酸钙∶高效减水剂∶氧化钙∶氯化钙∶硫酸钠＝1∶0.1∶0.1∶0.1∶0.005∶0.012∶0.03∶0.01，用水量为原料总质量的40％；然后将上述原料和水加入水泥净浆搅拌机内拌和60s，并采用塑料模具成型；

(2)将塑料模具成型试件表面覆盖塑料薄膜；

(3)从原料加入水泥净浆搅拌机与水进行拌合开始计时，利用微波对成型试件进行加热，并在微波加热过程中测试成型试件的初凝试件和终凝时间；

(4)对成型试件进行微波加热至50℃，停止加热；

(5)当成型试件表面温度降低至40℃时，对成型试件再进行微波加热至50℃，停止加热，重复此步骤，经过2小时后最终得到超早强水泥混凝土铺面修补材料试件。

实施例2～10：

实施例2～10的微波加热超早强水泥混凝土铺面修补材料的原料及其质量比为(普通硅酸盐水泥+硫铝酸盐水泥)∶硅灰∶粉煤灰∶微细重质碳酸钙∶高效减水剂∶氧化钙∶氯化钙∶硫酸钠＝1∶0.1∶0.1∶0.1∶0.005∶0.012∶0.03∶0.01，用水量为原料总质量的40％，其中普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥的质量比和强度等级类型不同，具体见表1；另外，实施例2～9按照实施例1中描述的制备工艺准备试件，而实施例10成型后的试件表面用塑料膜覆盖，并放置于湿度90％、温度20℃的环境中养护。

表1修补材料所用水泥及质量比

序号	普通硅酸盐水泥	强度等级	硫铝酸盐水泥	强度等级
					实施例2	0.7	32.5R	0.3	42.5
实施例3	0.7	42.5R	0.3	52.5
					实施例4	0.7	52.5R	0.3	62.5
实施例5	0.5	32.5R	0.5	42.5
					实施例6	0.5	42.5R	0.5	52.5
实施例7	0.5	52.5R	0.5	62.5
					实施例8	0.3	32.5R	0.7	42.5

实施例9	0.3	42.5R	0.7	52.5
					实施例10	0.3	52.5R	0.7	62.5

试验实施例：

凝结时间的测试

对于实施例1～10中成型的修补材料，参考《水泥标准稠度用水量凝结时间安定性检验方法》(GB/T 1346-2001)制作成水泥净浆，用维卡仪测试其初凝时间和终凝时间，结果见表2，试验温度为20℃。

表2凝结时间测试结果

序号	初凝时间(min)	终凝时间(min)
			实施例1	10	29
实施例2	51	119
			实施例3	43	87
实施例4	29	46
			实施例5	47	91
实施例6	40	75
			实施例7	22	40
实施例8	20	65
			实施例9	18	36
实施例10	68	110

表2表明，随着普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥质量比的减小，修补材料的初凝时间和终凝时间逐渐缩短；另一方面，相同的普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥质量比条件下，采用高强度等级的水泥后，修补材料的初凝时间和终凝时间也逐渐缩短，实施例1可达10min和29min；在实施例10中，采用标准养护方法，修补材料的初凝时间和终凝时间相对较长，这会在一定程度上影响修补材料的早强强度和开放交通时间。

抗压强度和抗折强度的测试

对于实施例1～10中成型的修补材料，配成水泥净浆，并按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)中的测试方法，测试其在养护2小时的力学性能，其中抗压强度测试加载速率为2400N/s±200N/s，抗折强度测试加载速率为50N/s±10N/s，并按照公式(1)和公式(2)计算抗压强度和抗折强度值，结果见表3。

抗压强度 $R_c=\frac{F_c}{A}---\left(1\right)$

式中：F_c-施加于试件上的荷载，N；

A-试件受压面积，mm²。

抗折强度 $R_f=\frac{1.5F_{f}L}{b^3}---\left(2\right)$

式中：F_f-施加于试件中部的荷载，N；

L-支撑的距离，mm；

b-试件截面的边长，mm。

表3抗压强度和抗折强度测试结果

序号	抗压强度(MPa)	抗折强度(MPa)
			实施例1	25.1	5.9
实施例2	10.3	2.4
			实施例3	20.8	4.3
实施例4	22.5	4.4
			实施例5	16.6	3.8
实施例6	23.9	4.9
			实施例7	22.3	4.8
实施例8	17.2	3.9
			实施例9	22.9	4.7
实施例10	12.7	2.1

表3表明，随着普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥质量比的减小，修补材料的抗压强度和抗折强度逐渐提高，2小时养护龄期后，除实施例2、5、8和10外，其他的实施例中修补材料的抗压强度和抗折强度分别不低于20.0MPa和4.0MPa；另外，若在相同的普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥质量比条件下，采用高强度等级的水泥后，修补材料的抗压强度和抗折强度也逐渐提高；以上说明采用较小的普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥质量比或较高强度等级的水泥，对于提高修补材料的抗压强度和抗折强度非常关键。在实施例10中，采用标准养护方法，修补材料的2小时抗压强度和抗折强度也较低。

这是因为后者采用微波进行加热养护，而微波是指频率在300～300×10³MHz的电磁波，在微波电磁场的作用下，介质中的极性分子从原来的热运动状态转为跟随微波电磁场的交变而排列取向；例如，采用的微波频率为2450MHz，就会出现每秒24亿5千万次交变，分子间就会产生激烈的摩擦，在这一微观过程中，微波能量转化为介质内的热量，使修补材料温度呈现为宏观上的升高(常用水泥混凝土铺面微波养护设备均采用2450MHz)，加速了水泥的水化，从而提高了修补材料的抗压强度和抗折强度。

粘结强度的测试

预先成型一批龄期28天以上的尺寸为40mm×40mm×160mm普通水泥砂浆试件，用丙酮清洗40mm×160mm旧水泥砂浆表面，然后将本发明的修补材料浇筑在其上，用塑料薄膜包裹，置于微波炉中养护2小时后，用pull-off粘结强度测试仪测试修补材料与旧砂浆表面的粘结强度，结果见表4，试验温度为20℃。

表4粘结强度测试结果

序号	粘结强度(MPa)
		实施例1	4.91
实施例2	2.82
		实施例3	3.52
实施例4	3.67
		实施例5	2.72
实施例6	3.78
		实施例7	3.93
实施例8	2.91
		实施例9	4.31
实施例10	2.04

表4表明，随着普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥质量比的减小，修补材料的粘结逐渐提高，2小时养护龄期后，除实施例2、5、8和10外，其他的实施例中修补材料的粘结强度都超过3.5MPa，接近修补材料本身的抗折强度，可保证修补材料对旧铺面材料的有效粘结；若在相同的普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥质量比条件下，采用高强度等级的水泥后，修补材料的粘结强度也逐渐提高，说明采用较小的普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥质量比或较高强度等级的水泥，对于提高修补材料的粘结强度非常关键。在实施例10中，采用标准养护方法，修补材料的2小时粘结强度也仅为2.04MPa，说明微波养护方法明显提高了修补材料的粘结强度。

干缩性能的测试

制备40mm×40mm×140mm修补材料试件，用最小刻度为0.001mm的电子数显千分表，在20℃条件下测试其在不同龄期的长度变化，并按照公式(3)计算干缩率，结果见表5，用以评价该修补材料的干缩性能。

$\mathrm{\ϵ}=\frac{L_1-L}{L_0}\×100---\left(3\right)$

式中：ε-干缩率，％；

L₁-不同龄期试件长度，mm；

L-试件初始长度，mm；

L₀-试件的基长，140mm。

表5干缩性能测试结果(×10^-4，％)

注：正值表示膨胀，负值表示收缩。

表5表明，8h以前，修补材料全部呈现微膨胀性能，主要是因为修补材料中硅灰、粉煤灰、微细重质碳酸钙、氧化钙、氯化钙和硫酸钠也会发挥填充效应以及胶凝效应，特别是原料中的CaO遇水后进一步水化，生成具有一定膨胀能力的Ca(OH)₂，会降低修补材料的干缩性能；龄期为1d时，修补材料开始干缩，且随龄期增长至3d、14d和28d，干缩率逐渐增大，但采用微波加热的修补材料的干缩率小于普通养护工艺条件下修补材料的，如实施例10，说明微波加热工艺对于降低修补材料在一定龄期内的干缩性能是有利的。

Claims (6)

1.一种微波加热超早强水泥混凝土铺面修补材料，其特征在于，该修补材料由下列原料及其质量比组成：

水泥：硅灰：粉煤灰：微细重质碳酸钙：高效减水剂：氧化钙：氯化钙：硫酸钠=1:0.1:0.1:0.1:0.005:0.012:0.03:0.01，其中，所述的水泥是普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的混合物，其质量比为：普通硅酸盐水泥：硫铝酸盐水泥=0.7:0.3~0.3:0.7，用水量为原料总质量的40%；

该微波加热超早强水泥混凝土铺面修补材料遵循如下技术步骤制备：

（1）将原料按照如下质量比进行混合：

其中水泥：硅灰：粉煤灰：微细重质碳酸钙：高效减水剂：氧化钙：氯化钙：硫酸钠=1:0.1:0.1:0.1:0.005:0.012:0.03:0.01；所述的水泥是普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的混合物，其质量比为：普通硅酸盐水泥：硫铝酸盐水泥=0.7:0.3~0.3:0.7，用水量为原料总质量的40%；

然后将上述原料加入水泥净浆搅拌机内拌和60s，并采用塑料模具成型；

（2）将塑料模具成型试件表面覆盖塑料薄膜；

（3）从原料加入水泥净浆搅拌机与水进行拌和开始计时，利用微波对成型试件进行加热，并在微波加热过程中测试成型试件的初凝试件和终凝时间；

（4）对成型试件进行微波加热至50℃，停止加热；

（5）当成型试件表面温度降低至40℃时，对成型试件再进行微波加热至50℃，停止加热，重复此步骤，经过2小时后最终得到超早强水泥混凝土铺面修补材料。

2.如权利要求1所述的微波加热超早强水泥混凝土铺面修补材料，其特征在于：所述的水泥其中普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥优选质量比为0.5:0.5~0.3:0.7。

3.如权利要求2所述的微波加热超早强水泥混凝土铺面修补材料，其特征在于：所述的水泥其中普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥最优质量比为0.3:0.7。

4.如权利要求1所述的微波加热超早强水泥混凝土铺面修补材料，其特征在于：所述的普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥强度等级分别为42.5R、52.5R和52.5、62.5。

5.如权利要求4所述的微波加热超早强水泥混凝土铺面修补材料，其特征在于：所述的普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥优选强度等级分别为52.5R和62.5。

6.制备权利要求1所述的微波加热超早强水泥混凝土铺面修补材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将原料按照如下质量比进行混合：

其中水泥：硅灰：粉煤灰：微细重质碳酸钙：高效减水剂：氧化钙：氯化钙：硫酸钠=1:0.1:0.1:0.1:0.005:0.012:0.03:0.01；所述的水泥是普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的混合物，其质量比为：普通硅酸盐水泥：硫铝酸盐水泥=0.7:0.3~0.3:0.7，用水量为原料总质量的40%；

然后将上述原料加入水泥净浆搅拌机内拌和60s，并采用塑料模具成型；

（2）将塑料模具成型试件表面覆盖塑料薄膜；

（3）从原料加入水泥净浆搅拌机与水进行拌和开始计时，利用微波对成型试件进行加热，并在微波加热过程中测试成型试件的初凝试件和终凝时间；

（4）对成型试件进行微波加热至50℃，停止加热；

（5）当成型试件表面温度降低至40℃时，对成型试件再进行微波加热至50℃，停止加热，重复此步骤，经过2小时后最终得到超早强水泥混凝土铺面修补材料。