CN103482928A - 高强度水泥基无收缩灌浆料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度水泥基无收缩灌浆料，它是由下列重量配比的原料干混制成：水泥100份；河砂150～180份；减水剂1～2份；消泡剂0.1～0.3份；缓凝剂0.8～1.2份；增强剂0.7～0.85份；中空聚合物微球0.2～0.35份。本发明使用的微球既能够使水泥基材更加密实又能够提高材料的强度，各组分配比合理，界面作用力强，得到的灌浆料具有优异的流动性及强度性能，可用于大型设备安装、螺栓锚固以及结构加固。

Description

高强度水泥基无收缩灌浆料

技术领域

本发明属于水泥基材料技术领域，具体涉及一种高强度水泥基无收缩灌浆料。

背景技术

水泥基无收缩灌浆料具有自流性好、快硬、高强、微膨胀、无毒无害、不老化、无污染、防锈、施工便捷等特点，广泛用于地脚螺栓锚固、核电设备固定、设备基础二次灌浆、栽埋钢筋混凝土结构加固和改造、旧混凝土结构的裂缝治理等工程。其从最初的主要用于设备基础灌浆，已发展成为可用于建筑物基础加固、建筑物植筋、建筑物梁、板、柱改造等多种用途的系列化产品。

为获得理想的加固、锚固及裂缝治理效果，除良好的流动性、流动性保持性能和强度性能要求外，水泥基灌浆料需要补偿硬化前产生的塑性收缩，确保灌浆充盈，还必须补偿水泥基材硬化后产生的干燥收缩，避免开裂。为满足上述要求，现有技术中，实际灌浆料生产时必须选择合适的膨胀剂。

水泥基灌浆料的塑性膨胀主要通过添加引气组分，利用其在碱性条件下反应释放出气体，导致浆料体积增大获得；但该方法涉及复杂的制备工艺，且导致灌浆料较低的抗压强度。

水泥基灌浆料的刚性膨胀多采用钙矾石型膨胀源获得，主要为将含铝组分配合一定量、不同晶型的石膏构成膨胀组分，利用含铝矿物与石膏反应生成的钙矾石获得刚性膨胀；但是由此制备的灌浆料普遍存在膨胀组分用量大或膨胀率低的缺陷，导致灌浆料不但成本高，而且过低的刚性膨胀率往往并不能有效补偿水泥基材料的后期干燥收缩，甚至会导致收缩开裂，无法获得理想的灌浆效果。

并且，由于化学反应而产生的膨胀效果不稳定，不可控的化学反应会给硬化后的水泥基材带来缺陷，这些缺陷成为外力作用的应力集中点，而导致整个材料的力学强度的下降。需要采用新的方法来弥补由于收缩而导致的水泥灌浆料填充不密实。

另外，对于用于固定以及建筑物的水泥材料来说，力学强度也是其重要的性能指标，为了获得优异的力学强度，由于无机纤维易被水泥材料侵蚀、脆化，理论上采用有机纤维作增强材料是可行的。中国专利申请CN103058616A公开了一种改性水泥拌合料，采用聚丙烯纤维作为增强材料；但是存在以下缺点：采用的纤维为热塑性树脂制备得到，随着时间的增加会不断老化，力学强度下降加快；有机无机复合材料的界面性能对材料整体的性能，特别是力学性能影响很大，界面缺陷使得有机纤维的增强功能减弱，甚至一些界面薄弱处在受力时会成为应力集中点而最先开裂：现有技术未提及有机纤维的直径以及长度之类的尺寸，这些参数对实际应用的影响很大，尺寸大会导致分散不均匀，过小容易集聚也起不到理论的增强作用。所以需要从有机物单体分子水平设计出新的聚合物纤维，其使用尺寸不仅需要与灌浆料中其余材料相匹配，还需要考虑灌浆料制备过程的简易性。

所以研发新的高强度水泥基无收缩灌浆料很有必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种水泥基无收缩灌浆料，该灌浆料组成简单、制备方便，具有补偿收缩能力强、力学强度高的性能特点。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种水泥基无收缩灌浆料，它是由下列重量配比的原料混合均匀得到：

水泥100份

河砂150～180份

减水剂1～2份

消泡剂0.1～0.3份

缓凝剂0.8～1.2份

增强剂0.7～0.85份

中空聚合物微球0.2～0.35份

所述水泥为抗压强度为52.5MPa的早强型硅酸盐水泥；

所述减水剂为萘系减水剂；

所述消泡剂为有机硅类粉体消泡剂；

所述缓凝剂为葡萄糖酸钠、焦磷酸钠、硫酸钠中的一种或多种；

所述中空聚合物微球的粒径为0.05～0.1微米；

所述中空聚合物微球为中空甲基丙烯酸甲酯聚合物微球；

所述中空聚合物微球使用前经过表面处理，具体步骤如下：

将中空聚合物微球、去离子水、甲基丙烯酸按质量比1：100∶22～26的比例混合，混合后的溶液置于磁力搅拌器上搅拌并于45℃加热30分钟，再进行超声波震荡处理15分钟，处理后置于真空烘箱内以温度150～160℃，烘烤2～3小时即可；

所述增强剂为分子量4200～5500的氰酸酯树脂环氧树脂共聚物纤维；其中环氧树脂的质量为氰酸酯树脂的4％～5％；所述共聚物纤维的直径为0.08～0.15微米，长度为2～3毫米。

上述技术方案中，所述砂的粒径为0.1～0.75毫米，细度模数为2.4～2.8。

中空聚合物微球是内部含有空腔的特殊微球材料，相比于完全实心的聚合物微球，中空结构的微球密度低，可使材料实现轻量化目的，还具有隔热、吸音等效果。在水泥基灌浆料硬化时，会出现一定的收缩，纳米尺寸的中空聚合物微球的存在正好能够有效地填补由于收缩而产生的缺陷，使硬化后的材料填充密实，效果优于采用膨胀剂带来的膨胀效果，并且避免了化学反应带来的缺陷；另外，在水泥基材受外力或者负载的时候，中空聚合物微球一方面可以传递载荷，使应力分散均匀，避免应力集中，另一方面由于弹性的中空聚合物微球可以缓冲一部分外力，相当于对水泥基材增韧，提高强度。本发明公开的聚合物微球为中空甲基丙烯酸甲酯聚合物微球，也称为中空聚甲基丙烯酸甲酯微球。

本发明的中空聚合物微球可以通过常规的种子乳液聚合法制备得到，主要分为制备核乳胶粒、制备核／壳乳胶粒、用碱溶液对核／壳乳胶粒进行处理三个步骤，最后得到中空甲基丙烯酸甲酯聚合物微球经过表面处理即可使用。表面处理的作用就是增加聚合物微球与灌浆料中其余组分的相容性，提高水泥基材内各材料之间的界面作用力，其用量过少达不到效果，过多则会影响微球分散。具体的表面处理步骤如下：

将中空聚合物微球、去离子水、甲基丙烯酸按质量比1：100：22～26的比例混合，混合后的溶液置于磁力搅拌器上搅拌并于45℃加热30分钟，再进行超声波震荡处理15分钟，处理后置于真空烘箱内以温度150～160℃，烘烤2～3小时即可得到表面处理的中空聚甲基丙烯酸甲酯微球。

优选的技术方案中，所述中空聚合物微球、去离子水、甲基丙烯酸的质量比为1：100：25。

本发明优选采用两种以上的缓凝剂，形成配伍的水化调节作用，控制灌浆料的流动度损失。

本发明所用萘系减水剂、有机硅类粉体消泡剂、缓凝剂属于现有技术，本领域技术人员可以根据产品自行选择；本发明优选萘磺酸盐甲醛缩合物减水剂；聚硅氧烷消泡剂；葡萄糖酸钠、焦磷酸钠或者硫酸钠缓凝剂。

本发明采用氰酸酯树脂环氧树脂共聚物纤维作为增强剂，可以通过以下方式制备得到：首先将氰酸酯单体与环氧树脂单体在95℃下预聚得到分子量为4200～5500的预聚物；然后将预聚物溶于丙酮中配置成浓度为20％的纺丝液；再通过常规静电纺丝的方法制备得到纤维材料，摸上去无粘性，无需后处理；最后将收集的共聚物纤维切割即为所述的增强剂。纤维的直径可以通过纺丝口的大小调节。在配置纺丝液时，如果预聚物的分子量过大，不仅溶解困难，而且刚性太大，导致制得的纤维变脆；分子量过小则纤维制品的力学强度低，到不到对水泥基材的增强效果。共聚物中氰酸酯树脂具有优异的力学性能；环氧树脂一方面可以作为固化剂与氰酸酯树脂共聚并改善其脆性，提高韧性；另一方面其所带的环氧基与灌浆料中其余组分，特别是无机组分表面带有的羟基相容性好，能够形成作用力强的氢键，不仅使整个材料内各组分之间界面作用力强，而且在受外力时共聚物纤维能起到很好的传递分散应力、吸收应力，增强水泥基材的作用。为了获得有效的增强效果，避免缺陷，本发明采用的共聚物纤维的直径为0.08～0.15微米，长度为2～3毫米，合适的长径比不仅容易与灌浆料中其余组分混合均匀，而且能够有效地增强水泥基材。

优选的技术方案，环氧树脂为双酚A型环氧树脂；氰酸酯树脂为双酚A型氰酸酯树脂。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

(1)本发明首次将中空聚合物微球应用到水泥基灌浆材料中，补偿了材料在硬化时带来的收缩缺陷，避免开裂，增加了水泥基材的密实性，同时中空微球还能够提高材料的力学强度；

(2)本发明首次将热固性树脂纤维应用到水泥基灌浆材料中，显著提高了材料的力学强度，避免了热塑性材料的老化问题，增加了水泥基材的稳定性；

(3)本发明公开的灌浆料组成合理，各组分之间界面作用力强，适合工业化应用。

具体实施方式

下面结合实施例以及对比例对本发明作进一步描述：

合成例1中空聚甲基丙烯酸甲酯微球的表面处理

将中空聚甲基丙烯酸甲酯微球、去离子水、甲基丙烯酸按质量比1：100：25的比例混合，混合后的溶液置于磁力搅拌器上搅拌并于45℃加热30分钟，再进行超声波震荡处理15分钟，处理后置于真空烘箱内以温度150℃，烘烤2.5小时即可得到表面处理的中空聚甲基丙烯酸甲酯微球。

合成例2氰酸酯树脂环氧树脂共聚物纤维的制备

将双酚A型氰酸酯树脂单体与双酚A型环氧树脂单体按质量比1：25的比例加入到容器中，在95℃下预聚15分钟得到预聚物；再将预聚物溶于丙酮中配置成浓度为20％的纺丝液；通过常规静电纺丝的方法制备得到纤维材料，其直径为0.09～0.14微米；

静电纺丝的工艺参数为：电压1～50千伏，接收距离1～50厘米，溶液流量为0.01～20mL／h。

实施例

按照表1所示重量比将各组分一次加入干粉混合机中，经充分均匀混合即可得到水泥基无收缩灌浆料。

表1水泥基无收缩灌浆料重量组成

序号	水泥	河砂	增强剂	消泡剂	减水剂	葡萄糖酸钠	柠檬酸	焦磷酸钠	微球
										实施例1	100	150	0.7	0.1	1	0.65	0.55	0	0.2
实施例2	100	150	0.7	0.2	1	0.6	0.2	0	0.2
										实施例3	100	150	0.7	0.1	1	0.65	0	0.55	0.25

实施例4	100	160	0.8	0.3	1.5	0.6	0	0.2	0.25
										实施例5	100	180	0.85	0.1	2	0.8	0.1	0.1	0.3
实施例6	100	180	0.85	0.2	2	0.5	0.5	0	0.35
										实施例7	100	180	0.85	0.15	2	0.6	0.3	0	0.35

对比例

按照表2、表3所示重量比将各组分一次加入干粉混合机中，经充分均匀混合即可得到水泥基无收缩灌浆料。

表2水泥基无收缩灌浆料重量组成

序号	水泥	河砂	增强剂	消泡剂	减水剂	葡萄糖酸钠	柠檬酸	焦磷酸钠	微球
										对比例1	100	150	0.7	0.1	1	0.65	0.55	0	0
对比例2	100	150		0.2	1	0.6	0.1	0.1	0.2

表3水泥基无收缩灌浆料重量组成

对比例中，聚丙烯纤维的规格与实施例中增强剂的规格一致；消泡剂与减水剂与实施例一致；对比例3～6中的缓凝剂分别与实施例1、2、5、7一致。

上述制备的灌浆料采用0.13水料比，依据GB／T50448-2008《水泥基灌浆料应用技术规范》所述实验方法测得各灌浆料的流动度、根据GB17671-1999测试抗折以及抗压强度、采用平板试件约束抗裂性试验方法测试各灌浆料的出现裂缝时间和单位面积上的总开裂面积，如表4所示。

表4灌浆料的表征

根据GB／T15231-2008测试了各灌浆料制品的冲击强度(28天后)，结果见表5。

表5灌浆料的冲击强度

结合以上结果可以看出：本发明的水泥基灌浆料力学性能优异，而且流动性好，增强剂能够明显提高水泥基材的力学性能，与聚合物微球配合使用时更加增加了材料的强度。

Claims (6)

1.一种高强度水泥基无收缩灌浆料，其特征在于，它是由下列重量配比的原料均匀混合后得到：

水泥100份

河砂150～180份

减水剂1～2份

消泡剂0.1～0.3份

缓凝剂0.8～1.2份

增强剂0.7～0.85份

中空聚合物微球0.2～0.35份

所述水泥为抗压强度为52.5MPa的早强型硅酸盐水泥；

所述减水剂为萘系减水剂；

所述消泡剂为有机硅类粉体消泡剂；

所述缓凝剂为葡萄糖酸钠、焦磷酸钠、硫酸钠中的一种或多种；

所述中空聚合物微球的粒径为0.05～0.1微米；

所述中空聚合物微球为中空甲基丙烯酸甲酯聚合物微球；

所述中空聚合物微球使用前经过表面处理，具体步骤如下：

将中空聚合物微球、去离子水、甲基丙烯酸按质量比1：100：22～26的比例混合，混合后的溶液置于磁力搅拌器上搅拌并于45℃加热30分钟，再进行超声波震荡处理15分钟，处理后置于真空烘箱内以温度150～160℃，烘烤2～3小时即可；

所述增强剂为分子量4200～5500的氰酸酯树脂环氧树脂共聚物纤维；其中环氧树脂的质量为氰酸酯树脂的4％～5％；所述共聚物纤维的直径为0.08～0.15微米，长度为2～3毫米。

2.根据权利要求1所述的高强度水泥基无收缩灌浆料，其特征在于：所述砂的粒径为0.1～0.75毫米，细度模数为2.4～2.8。

3.根据权利要求1所述的水泥基无收缩灌浆料，其特征在于：所述萘系减水剂为萘磺酸盐甲醛缩合物。

4.根据权利要求1所述的水泥基无收缩灌浆料，其特征在于：所述有机硅类粉体消泡剂为聚硅氧烷消泡剂。

5.根据权利要求1所述的水泥基无收缩灌浆料，其特征在于：所述中空聚合物微球、去离子水、甲基丙烯酸的质量比为1∶100∶25。

6.根据权利要求1所述的水泥基无收缩灌浆料，其特征在于：所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂；所述氰酸酯树脂为双酚A型氰酸酯树脂。