CN103420642B - 高弹性抗冲磨砂浆修补材料及施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明主要由单组分聚脲为胶结材料，适当加入少量触变剂，与特种砂料混合制成一种具有高弹性的、高性价比的高弹性抗冲磨砂浆，并通过改良施工工艺，克服了固化速度慢和表面难以整平等施工难题，成为一种新型混凝土薄层抗冲磨修补材料，这种新型砂浆是一种性能优良的柔性修补材料，除具有极佳的弹性外，还具有高强度、高抗冲磨性和耐老化性，很好地解决混凝土薄层修补容易遇到的难点，在混凝土薄层缺陷修补方面具有独特的优势，较传统的聚合物水泥砂浆和环氧砂浆性能更佳，可以替代传统的聚合物水泥砂浆和环氧砂浆，尤其在水工混凝土抗冲磨部位的浅层破坏修补时，修补效果更好。同时该材料具有良好的低温性能，在零下45度时依然能保持一定的柔性。

Description

高弹性抗冲磨砂浆修补材料及施工工艺

技术领域

本发明有关于混凝土修补技术，尤指一种主要应用于水利工程，具有良好的弹性、高强度和低温柔性的高弹性抗冲磨砂浆修补材料及施工工艺。

背景技术

聚脲具有拉伸强度高、伸长率大、耐老化性能好、粘结牢固等优点。这种材料一般仅作为涂料使用，固化后有良好的封闭和防渗效果，可以用作封闭涂层和防渗涂层，目前已在城市地铁、高速铁路、隧道桥梁、水利机电、石油化工、海洋钻探等多个工程领域广泛应用。聚脲按组分可分为双组分和单组分两种。

双组分聚脲又称聚脲弹性体，喷涂施工，反应迅速，固化速度快，几十秒钟内可以凝固成膜，因来不及填入骨料而无法制成特种砂浆。

单组分聚脲固化速度慢，其原理为封端的特殊叔胺类物质（或酮亚胺）与异氰酸酯的预聚体或半聚体，按一定比例混合储存。使用时封端胺基或酮亚胺暴露于空气中，在水分中质子酸作用下，生成两端含有仲胺基（二官能团或三官能团）物质，然后与NCO作用则形成脲基。所以单组分聚脲涂层不能太厚，否则下层固化时间会很长，单组分聚脲作为涂层一般使用厚度为2mm以内，最大厚度亦以不大于4mm为宜。我们使用的单组分聚脲固化速率为1.0mm/24h。

在水利工程中，应用聚脲涂料在混凝土大面积薄层（厚度小于3mm）防护方面和覆盖细小裂缝加强防渗方面，已经取得到了良好的工程应用效果。

水工建筑物除了防护防渗，修补加固也一个重要方面。水工建筑物混凝土特别是受冲磨部位混凝土，由于受温度应力、干缩、推移质、冻融、高速水流的冲磨、气蚀等影响因素，会产生裂缝、脱空、表面剥蚀等破坏现象。剥蚀破坏的混凝土需要及时进行修补，以避免更大的破坏，影响建筑物的安全。混凝土剥蚀深度比较大的（一般大于30mm），水泥基修补材料依然是修补效果很好、性价比最高的修补材料，一般都采用混凝土或聚合物混凝土进行修补，新老混凝土结合面采用粘结涂层，有时为加强牢固性同时采用埋设锚筋加固。剥蚀深度较小（小于30mm）的薄层修补则采用聚合物水泥砂浆或环氧砂浆进行修补。

在水工混凝土建筑物修补中会遇到很多薄层修补的情况，尤其是一些高强抗冲磨部位，例如有推移质高速水流条件下泄洪建筑物抗冲磨部位，该部位混凝土往往会发生明显的冲磨破坏，需要及时地进行修补，以免造成更大的破坏，影响安全生产。大部分情况下混凝土的剥蚀或冲磨破坏厚度不是很大，业主和设计方出于种种方面的考虑，往往倾向于或坚持要求进行薄层修补，而不是进一步的向下凿除一定深度后再进行厚层修补。因此在水工混凝土建筑物修补工程中，经常会遇到需要薄层修补的情况。

但是在实际的破坏修补中，薄层的修补是很不容易做好的，会遇到很多难点。原因在于现实修补时的环境条件复杂多变，不同于实验室的理想条件。难点一，新修补层与老混凝土层之间的粘结问题；难点二，新修补层和老混凝土之间的不同收缩系数容易造成的脱空和剥离问题，难点三，修补材料本身的强度、抗裂性能和耐候性；难点四，新修补层太薄，在推移质材料的作用下抗冲击能力差等等。使用聚合物水泥砂浆和环氧砂浆进行薄层修补这些难点都经常出现。

发明内容

为解决现有技术中的上述难点，本发明目的在于提供一种应用于水利工程，具有良好的弹性、高强度和低温柔性的高弹性抗冲磨砂浆修补材料及施工工艺。

本发明提供一种高弹性抗冲磨砂浆修补材料，用于混凝土薄层缺陷的修补，其特征在于：该砂浆主要组分为单组分聚脲(掺量20%~35%，指重量比)及特种砂料(掺量65%~80%，指重量比)。

还含有丁酮和水的混合液适量（丁酮和水比例约为2比1，掺量为单组分聚脲的1%~3%）和触变剂适量（白炭黑，掺量为单组分聚脲的0.5%~2%）。

所述砂料为玻璃砂，粒径范围在0.2mm～2.0mm之间。

所述砂浆修补厚度在5mm～30mm之间。

如前所述高弹性抗冲磨砂浆修补材料的施工工艺，包含如下步骤：

（1）、适当延长搅拌时间，使砂浆各组分充分搅拌混合；

（2）、摊铺施工；

（3）、振捣及表面整平；

（4）、砂浆基本凝固后表面涂刷单组分聚脲，厚度约0.2mm~0.5mm，弥补表面局部小缺陷，提高表面平整度和美观度。

所述施工工艺中的整平固化步骤中，在摊铺基本密实、平整的砂浆表面覆盖一层厚度合适的薄膜，用高频低振幅平板振捣器振捣平整，振捣平整后，拿走薄膜，最终完成整平工艺。

这种新型砂浆是一种性能优良的柔性修补材料，除具有极佳的弹性外，还具有高强度、高抗冲磨性和耐老化性，很好地解决混凝土薄层修补容易遇到的难点，在混凝土薄层缺陷修补方面具有独特的优势，较传统的聚合物水泥砂浆和环氧砂浆性能更佳，可以替代传统的聚合物水泥砂浆和环氧砂浆，尤其在水工混凝土抗冲磨部位的浅层破坏修补时，修补效果更好。同时该材料具有良好的低温性能，在零下45度时依然能保持一定的柔性。

具体实施方式

鉴于水工混凝土抗冲磨部位的浅层破坏修补时遇到的难题，我们考虑将单组分聚脲涂料和特种砂粒结合，制成一种高弹性抗冲磨砂浆，利用单组分聚脲涂料粘结力强、耐老化、耐低温和固化后长期具有弹性变形性能的性质，代替聚合物水泥砂浆或环氧砂浆，用于混凝土薄层修补，不仅粘结力强，还可以很好的解决修补层和老混凝土之间的不同收缩系数容易造成的脱空和剥离问题，同时具有良好的抗冲磨性能和抗老化性能。

之所以考虑使用单组分聚脲砂浆用于混凝土薄层修补，一方面是因为单组分聚脲各方面性能优异；另一方面原因是单组分聚脲成本太高。在混凝土薄层修补中全部使用单组分聚脲材料，单组分聚脲用量太多，造价太高不具有实际应用意义，另外厚度大也不易固化。但是我们研究开发出可以应用的单组分聚脲砂浆，情况就会明显改变。在满足修补要求的情况下，使用单组分聚脲砂浆较单组分聚脲可以减少约60%～80%的造价，大大降低了修补成本，在一些要求特殊的混凝土薄层修补部位，则具有很大的应用价值。

单组分聚脲虽然具有良好的物理和力学性能，但我们了解目前仅仅作为单一材料作为涂料使用，主要应用于封闭和防渗方面，没有人将其做成砂浆使用。目前经查阅国内外相关资料，没有使用单组分聚脲砂浆的文章、报道和使用实例。原因应该有多方面，1）制成单组分聚脲砂浆的防渗型和延伸率要比单组分聚脲本身性能差；2）由于单组分聚脲的粘性大，制成砂浆后很难施工；3）受固化速度慢的影响，单组分聚脲制成砂浆使用厚度受限；4）聚脲成本较高，制作的砂浆成本也高；5）普通砂与单组分聚脲粘接强度偏低。

因此我们开发单组分聚脲砂浆这种高弹性抗冲磨砂浆应该是“想常人之不想”，有针对性选择两种合适的材料，优势互补，取长补短，以柔克刚，达到高弹性、抗冲磨等特殊要求。同时研究单组分聚脲砂浆相应施工技术，解决实际施工应用问题，为在实际工程修补中应用铺平道路。

多年来，开发一种具有足够强度和良好柔性的室外修补材料是我们的一个目标。我们开发的单组分聚脲砂浆就是这样一种具有足够强度及耐冲击性、室外良好耐久性，同时具有极佳弹性的“柔性”砂浆修补材料，在这里我们充分利用了单组分聚脲良好的强度、粘结性、伸长率和耐老化性等优点。在满足强度要求的情况下，单组分聚脲砂浆的弹性（伸长率）和抗冲击性远远好于聚合物水泥砂浆和环氧砂浆，在室外环境下单组分聚脲砂浆的耐老化性明显好于环氧砂浆。单组分聚脲砂浆具有的高弹性，使其在混凝土薄层修补方面具有独特的优势。

另外单组分聚脲砂浆有良好的低温性能，在零下45度时依然能保持一定的柔性，也具有很好的抗冻性，在北方严寒地区的特殊部位特殊要求的混凝土修补中也蕴含良好的应用前景。

但是单组分聚脲砂浆并不像普通的砂浆那样容易使用，要达到施工和工程要求，将面临两个很大的难题，1）根据单组分聚脲固化原理，砂浆修补厚度受限。比如20mm厚的砂浆可能要三、四天才能完成固化，在较干燥的环境条件下，时间还要更长，给施工进度造成极大麻烦；2）单组分聚脲粘性大，用于整平的抹刀很快就沾满砂浆，即抹不平又很难清理，造成砂浆很难整平。通过特殊施工工艺主要解决单组分聚脲砂浆固化时间和施工表面平整度问题。下面就介绍发明内容，即单组分聚脲砂浆这种高弹性抗冲磨砂浆修补材料及施工工艺。

高弹性抗冲磨砂浆修补材料：以单组分聚脲涂料为胶结材料，加入特种砂料混合制成，利用单组分聚脲粘结力强和固化后长期具有弹性变形性能的性质，做成一种高弹性抗冲磨砂浆修补材料，代替聚合物水泥砂浆或环氧砂浆，可用于泄洪建筑物混凝土薄层抗冲磨修补。

通过室内优选试验我们找到合适砂料，即与单组分聚脲拌合容易，且与单组分聚脲之间粘结良好，同时，经过不同砂料颗粒级配和不同浆液比例试验，优化了配比。

但是通过室内试验我们也发现单组分聚脲砂浆的施工性能较差，若用于实际施工需要改进施工工艺。

通过研究和实践发现，促使一定程度的水份融入，可以加快单组分聚脲砂浆的固化速度。在单组分聚脲内加入丁酮和水的混合液（丁酮和水比例约为2比1，掺量为单组分聚脲的1%~3%），先搅拌均匀后再加入玻璃砂进行充分拌合。通过这种技术即使30mm厚的单组分聚脲砂浆在较干燥环境下也可以控制在24小时内基本固化透。

使用单组分聚脲砂浆在斜坡施工时，为防止砂浆下垂或流淌，可加入少量触变剂（白炭黑），掺量为1%~2%。

铺设薄膜振捣整平工艺：在基本压实、摊铺平的单组分聚脲砂浆表面覆盖一层厚度合适的塑料薄膜，用专用高频低振幅平板振捣器振捣平整，振捣平整后，拿走薄膜。这一工艺只是用来做最后的整平工作，不能用力下压振捣，否则薄膜会和下面的单组分聚脲砂浆粘实在一起，揭起薄膜时下面的砂浆会被带起。砂浆的压实、摊铺工作需要人工或使用其他工具来完成。通过覆膜振捣整平工艺完成的单组分聚脲砂浆固化后效果良好。

室内试验结果表明，优选的高弹性抗冲磨砂浆修补材料的性能完全能够达到我们预期的结果，可以用于混凝土薄层抗冲磨修补，其性能指标见表1。这种高弹性抗冲磨砂浆修补材料最大的特点是有极佳的弹性，其最大拉伸率大概在10%～20%之间（根据配比不同而异），是一般混凝土的几百倍以上，因此具有良好的抗裂性和变形性，这一特点使其在混凝土薄层修补时优势明显。

表1高弹性抗冲磨砂浆修补材料技术指标

序号	项目	指标	备注
				1	拉伸强度（MPa）	≥3.0	23℃，28天
3	与混凝土拉拔粘结强度（MPa）	＞2.0	涂界面剂
				4	抗冲磨强度h/(kg/m2)	＞2.5	流速40m/s
5	拉伸率（%）	10%-20%	根据配比不同而异
				６	耐冲击性能	＞10000	参照环氧砂浆规范
７	耐老化性能	未测	资料显示室外应用大于30年没问题
				８	低温柔性	柔性	-45°

尽管我们开发的这种高弹性抗冲磨砂浆修补材料施工使用可能要麻烦一点，材料成本也比较高，但是相对于聚合物水泥砂浆和环氧砂浆作为混凝土薄层修补材料有其独特的优点。

1）粘结性好，优于聚合物水泥砂浆，和环氧砂浆大概在同一水平。

2）拉伸率大，具有良好的抗裂性和变形性，明显优于聚合物水泥砂浆和环氧砂浆，不易开裂、脱空、剥落，薄层修补有明显优势。

3）具有较高的强度和一定弹性，抗冲击效果良好，在抗冲磨方面大大优于聚合物水泥砂浆和环氧砂浆，非常适应于泄洪建筑物混凝土抗冲磨部位的薄层修补。

4）弹性好，且具有低温柔性，适合柔性修补要求和北方严寒气候地区修补应用。

5）耐老化性能良好，资料显示室外应用30年没有问题。

本发明专利突破性的将主要用于封闭和防渗用的单组分聚脲与特种砂料结合，制成一种具有高弹性的、高性价比的高弹性抗冲磨砂浆，并通过改良施工工艺，克服了固化速度慢和表面难以整平的施工难题，可以一次修补最大厚度30mm，能够满足混凝土薄层修补的需要。

这种高弹性抗冲磨砂浆修补材料性能优良，具有高弹性、高强度、高抗冲磨性和耐老化性，这种材料在用于混凝土薄层缺陷的修补（修补厚度在5mm～30mm之间）时优势明显，可以替代传统的聚合物水泥砂浆和环氧砂浆，能够更好地避免修补薄层的开裂和脱空，尤其在水工混凝土抗冲磨部位的薄层破坏修补时，修补效果更好。同时该材料具有良好的低温性能，在零下40度时依然能保持一定的柔性，适合柔性修补要求和北方严寒气候地区修补应用。

经查阅国内外相关资料，目前没有使用单组分聚脲砂浆的文章、报道和使用实例。因此可以说这种高弹性抗冲磨砂浆是一种新型的修补材料，解决了现有混凝土剥蚀破坏薄层修补的不足之处，丰富了修补材料的种类，在混凝土薄层缺陷修补方面具有很好的应用前景。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施范围；故，凡依本发明申请专利范围及创作说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖之范围内。

Claims (6)

1.一种高弹性抗冲磨砂浆修补材料，用于混凝土薄层缺陷的修补，其特征在于：该砂浆主要组分为按重量比20%~35%的单组分聚脲和按重量比65%~80%的特种砂料，及其他少量组分，其中，所述砂料为玻璃砂，其粒径范围在0.2mm～2.0mm之间。

2.如权利要求1所述的高弹性抗冲磨砂浆修补材料，其特征在于：还含有丁酮和水的混合液，丁酮和水比例为2比1，掺量为单组分聚脲重量的1%~3%。

3.如权利要求1所述的高弹性抗冲磨砂浆修补材料，其特征在于：还含有触变剂白炭黑，掺量为单组分聚脲重量的0.5%~2%。

4.如权利要求1~3任一项所述的高弹性抗冲磨砂浆修补材料，其特征在于：修补厚度在5mm～30mm之间。

5.如权利要求1~4任一项所述高弹性抗冲磨砂浆修补材料的施工工艺，其特征在于包含如下步骤：

（1）适当延长搅拌时间，使砂浆各组分充分搅拌混合；

（2）摊铺施工；

（3）振捣及表面整平；

（4）砂浆基本凝固后表面涂刷单组分聚脲，厚度0.2mm~0.5mm，弥补表面局部小缺陷，提高表面平整度和美观度。

6.如权利要求5所述施工工艺，其特征在于：振捣及表面整平步骤中，在摊铺基本密实、平整的砂浆表面覆盖一层厚度合适的薄膜，用高频低振幅平板振捣器振捣平整，振捣平整后，拿走薄膜，最终完成整平工艺。