CN107445545B - 一种水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料 - Google Patents

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Abstract

一种水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料，质量份数组成如下，水泥20～60份、粉煤灰0～80份、磨细矿渣0～80份、轻质钙粉5～10份、纳米SiO2 1～5份、细集料25～40份、水20～40份、减水剂0.1～1份、聚乙烯醇纤维0.5～2.5份。本发明的水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料，拌合物的含气量7～10%；28天龄期时，单轴拉伸应变≥5.0%，立方体抗压强度≥60MPa，抗冻性能≥F500，抗硫酸盐侵蚀性能≥KS300，抗氯离子渗透性能D RCM ≤2.0×10‑12m2/s，与基底结构混凝土拉伸粘结强度≥5.0MPa。本发明提供的水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料，在不掺加引气剂、防腐剂和增稠剂的情况下，具有优异的耐久性能，与既有结构协同作用能力强，修补加固效果显著。

Description

一种水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料及其应用。
背景技术
我国的水利水电工程在水力发电、防洪减灾、工农业用水、航运、水产和环保旅游等方面，发挥了巨大的社会效益和经济效益。水工混凝土建筑物和其他建筑物一样，建成投入运行后，逐步步入“中老年”，各种老化和病害问题已逐渐显露出来，有些已严重影响工程的安全运行。水工混凝土建筑物修补加固工作已经成为我国当前水利水电工程中十分突出的问题。
水工结构物大多处于严酷服役环境下。在高寒地区，结构物对材料抗冻性要求较高，极端低温在-20℃～-40℃，通常要求抗冻性≥F350，甚至≥F400；在盐渍土环境下或海洋环境下，存在腐蚀性的硫酸根离子、氯离子以及其他侵蚀性离子，要求结构混凝土具有较高的抗硫酸盐、抗氯离子侵蚀能力，明确要求≥KS200、D RCM ≤4.0×10-12m2/s等。
目前亟待解决的问题是传统的修补材料无法满足严酷环境下结构混凝土修补的高耐久性技术要求。水泥基材料尽管强度高，但存在明显的脆性破坏的特征，抗拉变形能力低、脆性大、易开裂，抗冻性和抗离子侵蚀等耐久性能不足等，在修补工程上使用时，经常在很短的时间里就产生开裂、脱粘、剥蚀的现象。而有机高分子修补材料，如环氧砂浆、环氧胶泥、聚脲、聚合物砂浆等，尽管粘结强度高，但成本高昂且由于环氧的热膨胀系数是混凝土的两倍以上，使修补层与基底混凝土的温度变形严重不协调，在经历数个寒暑的高低温交替以后，会产生修补层整体脱落、过早失效的现象。因此，水工混凝土修补进入了“坏了修，修了坏”的恶性循环。
在混凝土结构的修补加固中，修复质量的好坏不仅决定着结构的安全性和水利水电设施正常使用功能的发挥，也牵涉到巨额补强加固维修费用。因此，非常有必要开发高耐久、高粘结性能、高变形性能的新型的修补材料，延长修补的时间间隔，降低维护的经济成本。
发明内容
针对目前传统修补材料在严酷服役条件下的耐久性不足、与既有结构协同作用能力弱的问题，本发明提供一种具有高耐久性能、高粘结能力和高变形能力的水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料，所述复合材料按照质量份数由以下组分组成：水泥20～60份、粉煤灰0～80份、磨细矿渣0～80份、轻质钙粉5～10份、纳米SiO21～5份、细集料25～40份、水20～40份、减水剂0.1～1份、聚乙烯醇纤维0.5～2.5份。
所述水泥为通用硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥中的一种，强度等级≥42.5。
所述粉煤灰为I级或II级F类粉煤灰。
所述磨细矿渣为S75级及以上矿渣。
所述细集料为磨细石英砂、河砂、人工砂或尾矿砂中的一种，粒径≤5mm。
所述轻质钙粉为碳化法制得，平均粒径≤45μm。
所述纳米SiO2中活性含量≥95%，体积平均径D(4,3)≤100nm。
所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。
所述聚乙烯醇纤维为当量直径40μm、抗拉强度≥1500MPa、弹性模量≥35GPa的短切纤维。
所述的一种水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料的制备方法如下：
(1) 将水泥、粉煤灰、磨细矿渣、轻质钙粉、纳米SiO2、细集料等干粉料混合，采用强制式搅拌机低速搅拌3分钟；
(2) 将减水剂和90%的水加入，低速搅拌3分钟，制得均匀流动的浆体；
(3)在低速搅拌状态下，向浆体中加入聚乙烯醇纤维，纤维加入完毕后再搅拌3分钟；
(4) 加入剩余的10%的水，快速搅拌3min，制得高延性水泥基复合材料的拌合物。
所述的一种水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料，拌合物的含气量7～10%；28天龄期时，单轴拉伸应变≥5.0%，立方体抗压强度≥60MPa，抗冻性能≥F500，抗硫酸盐侵蚀性能≥KS300，抗氯离子渗透性能D RCM ≤ 2.0×10-12m2/s，与基底结构混凝土拉伸粘结强度≥5.0MPa。
根据SL-352-2006《水工混凝土试验规程》，进行拌合物的含气量、单轴拉伸、立方体抗压性能测试；根据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行抗冻、抗硫酸盐侵蚀和抗氯离子渗透性能测试。
轻质钙粉改善拌合物的塑性粘度和剪切应力，提高纤维分散的均匀性，从而显著提高高延性水泥基复合材料单轴拉伸应变。
纳米SiO2改善聚乙烯醇纤维与水泥基体的界面过渡区的性能，减少水化产物的定向排列，改善纤维的化学粘结力、摩擦力和滑移硬化系数；纳米SiO2还与基底老混凝土中未完全水化的水泥颗粒进行交联复合水化，提升新老界面的粘结性能。
聚乙烯醇纤维具有高拉伸强度，与普通水泥混凝土相接近的弹性模量，作为增强增韧组份，提升纤维的裂缝桥接能力，使复合材料具备应变硬化的性能，提升拉伸变形能力至普通混凝土的500倍以上；另外，聚乙烯醇纤维与轻钙粉等混合搅拌，产生协同作用效应，具有引气效果，从而在不掺加引气剂的情况下，使拌合物含气量达到7～10%，实现大幅度提升抗冻性能。
水泥作为主要胶凝组份；粉煤灰和磨细矿渣作为提高抗硫酸盐侵蚀的主要组份，并作为次要胶凝组份；细砂作为水泥基材料的骨料。高性能减水剂降低了用水量，从而降低了拌合物的水胶比，最终提高抗压强度、粘结强度和耐久性。
本发明的有益效果是：
耐久性能优异：在不掺加引气剂和防腐剂的情况下，抗冻性能≥F500，抗硫酸盐侵蚀性能≥KS300，抗氯离子渗透性能D RCM ≤ 2.0×10-12m2/s，满足极端严酷环境对修补材料的高耐久性要求。
与既有结构协同作用能力强：高延性水泥基复合材料与基底结构混凝土拉伸粘结强度≥5.0MPa，远大于基底混凝土本身的抗拉强度2～3MPa，而且，修补材料本身即为水泥基材料，与基底水泥混凝土热膨胀系数接近，温度变形协调能力强。
修补加固效果显著：在不掺加增稠剂的情况下，实现了纤维的高效均匀分散，高延性水泥基复合材料单轴拉伸应变≥5.0%，在与基底混凝土结构系统作用时，能显著提高混凝土结构的抗弯曲变形能力和抗震能力。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1
材料组成比例如表1所示：
表1 水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料配合比例（质量份数）
水泥 粉煤灰 矿渣 轻质钙粉 纳米SiO<sub>2</sub> 细集料 水 减水剂 聚乙烯醇纤维
20 20 60 5 1 25 40 0.1 0.5
水泥为南京海螺水泥有限公司的P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰为南京热电厂I级F类粉煤灰；磨细矿渣为马鞍山钢铁股份有限公司S75级矿渣；细集料为南京晨阳雨花石滤料有限公司的磨细石英砂，最大粒径1.18mm；轻质钙粉为淄博市隆昌精细化工厂产，平均粒径20μm；纳米SiO2为北京德科岛金科技有限公司产，活性SiO2含量95%，体积平均径D(4,3)为95nm；减水剂为南京瑞迪高新技术有限公司HLC-Ⅸ聚羧酸系高性能减水剂，减水率40%；聚乙烯醇纤维为福建永安宝华林实业发展有限公司的B26型纤维，当量直径40μm、抗拉强度1500MPa、弹性模量39GPa，长度12mm。
拌合物的含气量8%；28天龄期时，单轴拉伸应变5.5%，立方体抗压强度63MPa。抗冻性能F500，抗硫酸盐侵蚀性能KS300，抗氯离子渗透性能D RCM 为1.8×10-12m2/s，与基底结构混凝土拉伸粘结强度5.3MPa。
实施例2
材料组成比例如表2所示：
表2 水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料配合比例（质量份数）
水泥 粉煤灰 矿渣 轻质钙粉 纳米SiO<sub>2</sub> 细集料 水 减水剂 聚乙烯醇纤维
60 20 20 10 5 40 20 1 2.5
水泥为南京海螺水泥有限公司R·SAC 42.5硫铝酸盐水泥；粉煤灰为南京热电厂II级F类粉煤灰；磨细矿渣为马鞍山钢铁股份有限公司S95级矿渣；细集料为南京本地产天然河砂，最大粒径5mm；轻质钙粉为淄博市隆昌精细化工厂产，平均粒径45μm；纳米SiO2为北京德科岛金科技有限公司产，活性SiO2含量95%，体积平均径D(4,3)为95nm；减水剂为南京瑞迪高新技术有限公司HLC-Ⅸ聚羧酸系高性能减水剂，减水率40%；聚乙烯醇纤维为福建永安宝华林实业发展有限公司的B26型纤维，当量直径40μm、抗拉强度1500MPa、弹性模量39GPa，长度12mm。
拌合物的含气量9%；28天龄期时，单轴拉伸应变6.5%，立方体抗压强度69MPa。抗冻性能F525，抗硫酸盐侵蚀性能KS350，抗氯离子渗透性能D RCM 为1.2×10-12m2/s，与基底结构混凝土拉伸粘结强度5.4MPa。
实施例3
材料组成比例如表3所示：
表3 水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料配合比例（质量份数）
水泥 粉煤灰 矿渣 轻质钙粉 纳米SiO<sub>2</sub> 细集料 水 减水剂 聚乙烯醇纤维
20 80 0 7.5 2.5 35 30 0.75 2
水泥为嘉华特种水泥股份有限公司P·MH 42.5中热水泥；粉煤灰为南京热电厂I级F类粉煤灰；细集料为南京六合产人工砂，最大粒径2.5mm；轻质钙粉为淄博市隆昌精细化工厂产，平均粒径35μm；纳米SiO2为北京德科岛金科技有限公司产，活性SiO2含量97%，体积平均径D(4,3)为85nm；减水剂为南京瑞迪高新技术有限公司HLC-Ⅸ聚羧酸系高性能减水剂，减水率35%；聚乙烯醇纤维为福建永安宝华林实业发展有限公司的B26型纤维，当量直径40μm、抗拉强度1500MPa、弹性模量39GPa，长度12mm。
拌合物的含气量9%；28天龄期时，单轴拉伸应变6.0%，立方体抗压强度62MPa。抗冻性能F550，抗硫酸盐侵蚀性能KS350，抗氯离子渗透性能D RCM 为1.5×10-12m2/s，与基底结构混凝土拉伸粘结强度5.5MPa。
实施例4
材料组成比例如表4所示：
表4 水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料配合比例（质量份数）
水泥 粉煤灰 矿渣 轻质钙粉 纳米SiO<sub>2</sub> 细集料 水 减水剂 聚乙烯醇纤维
20 0 80 8 3 30 35 1 1.5
水泥为嘉华特种水泥股份有限公司P·LH 42.5低热水泥；磨细矿渣为马鞍山钢铁股份有限公司S95级矿渣；细集料为上海梅山钢铁厂尾矿砂，最大粒径0.6mm；轻质钙粉为淄博市隆昌精细化工厂产，平均粒径30μm；纳米SiO2为北京德科岛金科技有限公司产，活性SiO2含量98%，体积平均径D(4,3)为55nm；减水剂为南京瑞迪高新技术有限公司HLC-Ⅸ聚羧酸系高性能减水剂，减水率30%；聚乙烯醇纤维为福建永安宝华林实业发展有限公司的B26型纤维，当量直径40μm、抗拉强度1500MPa、弹性模量39GPa，长度12mm。
拌合物的含气量10%；28天龄期时，单轴拉伸应5.10%，立方体抗压强度71MPa。抗冻性能F575，抗硫酸盐侵蚀性能KS350，抗氯离子渗透性能D RCM 为1.0×10-12m2/s，与基底结构混凝土拉伸粘结强度5.7MPa。
实施例5
材料组成比例如表5所示：
表5 水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料配合比例（质量份数）
水泥 粉煤灰 矿渣 轻质钙粉 纳米SiO<sub>2</sub> 细集料 水 减水剂 聚乙烯醇纤维
20 40 40 7.5 2.5 35 30 0.5 2.0
水泥为南京海螺水泥有限公司P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰为南京热电厂I级F类粉煤灰；磨细矿渣为马鞍山钢铁股份有限公司S95级矿渣；细集料为南京本地产天然砂，最大粒径1.25mm；轻质钙粉为淄博市隆昌精细化工厂产，平均粒径30μm；纳米SiO2为北京德科岛金科技有限公司产，活性SiO2含量96%，体积平均径D(4,3)为75nm；减水剂为南京瑞迪高新技术有限公司HLC-Ⅸ聚羧酸系高性能减水剂，减水率40%；聚乙烯醇纤维为福建永安宝华林实业发展有限公司的B26型纤维，当量直径40μm、抗拉强度1500MPa、弹性模量39GPa，长度12mm。
拌合物的含气量9%；28天龄期时，单轴拉伸应6.40%，立方体抗压强度67MPa。抗冻性能F550，抗硫酸盐侵蚀性能KS300，抗氯离子渗透性能D RCM 为0.8×10-12m2/s，与基底结构混凝土拉伸粘结强度5.9MPa。
实例1～实例5中修补用高延性水泥基复合材料制备方法如下：
(1) 将水泥、粉煤灰、磨细矿渣、轻质钙粉、纳米SiO2、细集料等干粉料混合，采用强制式搅拌机低速搅拌3分钟；
(2) 将减水剂和90%的水加入，低速搅拌3分钟，制得均匀流动的浆体；
(3) 在低速搅拌状态下，向浆体中加入聚乙烯醇纤维，纤维加入完毕后再搅拌3分钟；
(4) 加入剩余的10%的水，快速搅拌3min，制得高延性水泥基复合材料的拌合物。
实例1～实例5中相关性能的试验测试方法如下：
含气量、单轴拉伸、立方体抗压：SL352-2006《水工混凝土试验规程》；
抗冻、抗硫酸盐侵蚀、抗氯离子渗透：GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。

Claims (8)

1.一种水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料，其特征在于，所述复合材料按照质量份数由以下组分组成：水泥20～60份、粉煤灰0～80份、磨细矿渣0～80份、轻质钙粉5～10份、纳米SiO21～5份、细集料25～40份、水20～40份、减水剂0.1～1份、聚乙烯醇纤维0.5～2.5份；
所述轻质钙粉为碳化法制得，平均粒径≤45μm；所述纳米SiO2中活性SiO2含量≥95%，体积平均径D(4,3)≤100nm；所述聚乙烯醇纤维为当量直径40μm、抗拉强度≥1500MPa、弹性模量≥35GPa的短切纤维。
2.根据权利要求1所述的一种水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料，其特征在于，所述水泥为通用硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥中的一种，强度等级≥42.5。
3.根据权利要求1所述的一种水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料，其特征在于，所述粉煤灰为I级或II级F类粉煤灰。
4.根据权利要求1所述的一种水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料，其特征在于，所述磨细矿渣为S75级及以上矿渣。
5.根据权利要求1所述的一种水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料，其特征在于，所述细集料为磨细石英砂、河砂、人工砂或尾矿砂中的一种，粒径≤5mm。
6.根据权利要求1所述的一种水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。
7.权利要求1至6中任意一项所述的一种水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料，其特征在于，制备方法如下：
(1) 将水泥、粉煤灰、磨细矿渣、轻质钙粉、纳米SiO2、细集料干粉料混合，采用强制式搅拌机低速搅拌3分钟；
(2) 将减水剂和90%的水加入，低速搅拌3分钟，制得均匀流动的浆体；
(3) 在低速搅拌状态下，向浆体中加入聚乙烯醇纤维，纤维加入完毕后再搅拌3分钟；
(4) 加入剩余的10%的水，快速搅拌3min，制得高延性水泥基复合材料的拌合物。
8.权利要求7所述的一种水工混凝土结构修补用高延性水泥基复合材料，其特征在于，拌合物的含气量7～10%；28天龄期时，单轴拉伸应变≥5.0%，立方体抗压强度≥60MPa，抗冻性能≥F500，抗硫酸盐侵蚀性能≥KS300，抗氯离子渗透性能D RCM ≤ 2.0×10-12m2/s，与基底结构混凝土拉伸粘结强度≥5.0MPa。
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