CN107522441A - 一种砂浆组合物及制备其方法 - Google Patents

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CN107522441A CN201710771632.1A CN201710771632A CN107522441A CN 107522441 A CN107522441 A CN 107522441A CN 201710771632 A CN201710771632 A CN 201710771632A CN 107522441 A CN107522441 A CN 107522441A
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杨富民
郭小雄
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

本申请涉及一种砂浆组合物及制备其方法。所述砂浆组合物包括凝胶材料、砂质材料、增稠剂、减水剂、保水消泡剂和早强剂。本申请的组合物胶结性高、强调高、抗裂性能高，并且泵送性能好。需要指出的是，本申请的组合物中，以一定配比形成的不同粒径的砂质材料，有利于所述组合物凝结后的力学性能的提高，例如提高了组合物的抗压强度和抗折强度。

Description

一种砂浆组合物及制备其方法
技术领域
本申请涉及一种砂浆组合物及制备其方法。
背景技术
由于施工过程的技术限制以及人为影响，隧道拱顶二次衬砌与防水板的拱顶空洞问题一直威胁着隧道运营安全。传统修补措施是在隧道衬砌支护完毕后，重新钻孔注浆对空洞进行填补，这种方法成本高、作业难度大；并且由于只能在天窗点进行作业，所以作业时间会受到限制。因此采用隧道拱顶空洞带模注浆技术对施工中的隧道进行拱顶空洞修补的方法主要为：隧道二次衬砌施工前，在衬砌台车进行改造，在模板上增加注浆孔，并预埋注浆管，在进行二次衬砌施工，施工完毕，即时进行注浆，对拱顶空洞进行修补。现有修补材料与混凝土及预埋注浆管的胶结不好，使得修补后的二次衬砌无法形成一个完整的受力整体，影响二次衬砌整体质量。并且现有修补材料自身力学性能要低于二次衬砌所使用的C35混凝土，修补后的二次衬砌力学性能要低于设计标准。这些问题使得二次衬砌质量受到严重影响，威胁隧道安全。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本申请提供了一种砂浆组合物，其包括凝胶材料、砂质材料、增稠剂、减水剂、保水消泡剂和早强剂。
在一个具体实施方式中，所述凝胶材料选自普通硅酸盐水泥；优选普通硅酸盐水泥选自42.5、42.5R、52.5和52.5R强度等级的普通硅酸盐水泥中的至少一种；和/或
所述砂质材料选自石英砂和/或干砂；和/或
所述增稠剂包括无机增稠剂；优选所述增稠剂由无机增稠剂和纤维素醚组成；其中，无机增稠剂包括气相法白炭黑、钠基膨润土、有机膨润土、硅藻土、凹凸棒石土、分子筛和硅凝胶中的至少一种；纤维素醚包括甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠和羟乙基纤维素中的至少一种；更优选所述增稠剂由钠基膨润土和羟丙基甲基纤维素组成；和/或
所述减水剂选自聚羧酸盐、密胺系减水剂和萘系减水剂中的至少一种；优选所述聚羧酸盐选自聚乙酸钠和/或聚丙酸钾；和/或
所述保水消泡剂选自聚醚类中的至少一种，优选所述保水消泡剂选自硅聚醚中的至少一种。例如玉恒化工的聚醚消泡剂型号有的Y-675、Y-676和Y-681等；和/或
所述早强剂选自甲酸钙和/或三乙醇胺；优选所述早强剂为甲酸钙。
在一个具体实施方式中，所述砂质材料由40目至70目和70目至120目的砂质材料组成；且以所述砂浆组合物的总质量计，所述砂浆组合物中含有23％～50％的40目至70目的砂质材料，所述砂浆组合物中含有10％-23％的70目至120目的砂质材料。
在一个具体实施方式中，以所述砂浆组合物的总质量计，所述砂浆组合物中含有40％-50％的所述凝胶材料。
在一个具体实施方式中，以所述砂浆组合物的总质量计，所述砂浆组合物中含有3％-5％的所述增稠剂。
在一个具体实施方式中，以所述砂浆组合物的总质量计，所述砂浆组合物中含有0.005％-0.01％的所述减水剂。
在一个具体实施方式中，以所述砂浆组合物的总质量计，所述砂浆组合物中含有0.1％-0.3％的所述保水消泡剂。
在一个具体实施方式中，以所述砂浆组合物的总质量计，所述砂浆组合物中含有0.1％-0.5％的所述早强剂。
本申请之二提供了一种砂浆，其包括本申请之一的任意一项所述的砂浆组合物和水，优选水与所述砂浆组合物的质量比为1:0.19。
本申请之三提供了一种制备本申请之一的任意一项所述的砂浆组合物的方法，包括如下步骤：
1)将普通硅酸盐水泥和砂质材料混合，搅拌8至12min；
2)加入增稠剂，搅拌2至5min。
3)加入减水剂、保水消泡剂和早强剂，搅拌2至5min。
在一个具体实施方式中，40至70目的砂质材料、70至120目砂质材料预先混合，搅拌5至10min后再与所述普通硅酸盐水泥混合。
一般来讲，本申请使用的普通硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料(硅酸盐水泥熟料的本领域的常规定义为：以石灰石和粘土为主要原料，经破碎、配料、磨细制成生料，然后在水泥窑中煅烧而成)、5％-20％的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。
本申请的有益效果：
1)将本申请的砂浆组合物加水制备成砂浆后，其胶结性高、强调高、抗裂性能高，并且泵送性能好。需要指出的是，本申请的砂浆组合物中，以一定配比形成的不同粒径的砂质材料，有利于所述砂浆凝结后的力学性能的提高，例如提高了组合物的抗压强度和抗折强度。
2)本申请的砂浆具有很好的流动性，可施工时间长，与二次衬砌混凝土胶结性能更好，整体力学性能(包括抗折、抗压)更优。作为带模注浆技术的专用修补材料可以有效填补二次衬砌拱顶空洞。
具体实施方式
以下通过优选的实施例的形式对本申请的上述内容再作进一步的详细说明，但不构成对本申请的限制。
如无特殊说明，本申请使用的原料均购自常规厂商。
实例1至实例7，以及对比例1的砂浆组合物的配方组成见表1。
羟丙基甲基纤维素为粘度40000至100000毫帕·秒(mPa·s)的羟丙基甲基纤维素；
其中，硅聚醚消泡剂全称是乳液型硅油聚醚消泡剂，是以二甲基硅油、聚醚以及含氢硅油等为原材料，经一定的工艺制成，其同时具有有机硅特性和聚醚特性的乳液型消泡剂。其可以市售获得，实施例中使用的是玉恒化工的聚醚消泡剂Y-676。
制备砂浆的方法包括步骤：
1)40至70目的砂质材料、70至120目砂质材料预先混合，搅拌5至10min；
2)普通硅酸盐水泥和砂质材料混合，搅拌8至12min；
3)加入增稠剂，搅拌2至5min。
4)加入减水剂、保水消泡剂和早强剂，搅拌2至5min。
5)以水料比为1:0.19的质量比加入水，搅拌2至5min。
性能测试
性能测试在室内试验室内进行，试验室温度为20℃±2℃，相对湿度大于50％；养护室的温度为20℃±1℃，相对湿度大于90％，养护水温度20℃±1℃。制备本申请的砂浆时，取样以质量计，试验过程中每种样本根据试验项目取等量进行相关试验。
(一)出机流动度试验
试验仪器：立式砂浆搅拌机、测量标尺、容量筒(金属制成，内径为108mm，净高为109mm，同比后为2～5mm，容积为1L)。
试验方法：采用截锥流动度试验的方法。通过测定一定配比的本申请的砂浆在规定振动状态下的扩展范围来衡量其流动性。
(1)预先润湿搅拌锅、搅拌叶、玻璃板和截锥圆模内壁；
(2)搅拌好的砂浆倒入截锥圆模，待砂浆与截锥圆模上口平齐；
(3)提起截锥圆模，让砂浆在无扰动条件下流至玻璃板，任其自由流动直到停止，并测量底面最大扩散半径与垂直方向的直径，计算平均值作为出机流动度，测试结果精确到1mm，测定过程在6min内完成；
(4)出机流动度测量完毕后，迅速将玻璃板上的砂浆装入搅拌锅内，并用潮湿的布封盖搅拌锅以备后续试验使用。
(二)90min流动度保有率试验
试验仪器：立式砂浆搅拌机、测量标尺、容量筒(金属制成，内径为108mm，净高为109mm，同比后为2至5mm，容积为1L)。
试验方法：将出机流动度试验保存的砂浆保存至出机流动度测量完毕90min后，重新按照搅拌机固定程序进行搅拌，然后按照上述(一)出机流动度试验过程中的步骤(1)、(2)、(3)各项测量90min流动度保有率。
(三)12h抗压强度试验
试验仪器：试模(40mm×40mm×160mm)、抗压强度试验机。
试验方法：
(1)从搅拌开始计时，将拌和好的本申请的砂浆灌入试模，砂浆与试模的上边缘平齐，试模内部体积为40mm×40mm×160mm长方体，本工作6min内完成；
(2)计时到12h时，将试件取出进行抗压强度试验。
(四)初凝时间
试验仪器：试针(不锈钢，横截面积30mm2)、不锈钢容器(内径140mm，高度75mm)、压力表、支座。
试验方法：
(1)将制备好的本申请的砂浆倒入容器内，砂浆面低于容器上口10mm，轻轻敲击容器使砂浆面水平，盖上盖子；
(2)砂浆泌水不得清除，将容器放在压力表座上，然后进行调节，使贯入试针与砂浆表面接触，设置可压入深度为25mm，并将压力表归零；
(3)测定贯入阻力值，在10s内将贯入指针缓慢而均匀地垂直压入砂浆内部25mm深，每次贯入时记录压力表读数Np，贯入杆离开容器边缘或已贯入部位至少12mm；
(4)实际贯入阻力值在成型后2h开始测定，并每隔30min测定一次，当贯入阻力值达到0.3MPa时，改为每15min测定一次，直至贯入阻力值达到0.7MPa为止；
(5)凝结时间确定采用图示法，从加水搅拌开始计时，分别记录时间和相应贯入阻力值，根据试验所的各阶段的贯入阻力与时间的关系绘图，由图求出贯入阻力值达到0.5MPa的所需时间ts值即为砂浆的凝结时间测定值。
(五)抗折强度试验
试件抗折强度试验，选用40mm×40mm×160mm的棱柱试体进行测定。
试验仪器：振动台、抗折强度试验机。
试验方法：
(1)制备的本申请的砂浆并一次倒入试模，装料时用抹刀沿各试模壁插捣，并使砂浆高出试模口；
(2)将试模固定在振动台上，使振动台振动时试模不会发生跳动，振动到表面出浆为止，并刮除试模上口多余的砂浆，待浆体初凝时，用抹刀抹平；
(3)试件从搅拌加水开始计时，放在养护室内进行养护，标准养护期龄28d；
(4)针对12h、24h、28d养护时间的试件进行试验，其中12h以及24h养护时间的试件在试验前20min内进行脱模，并在养护时间±15min内进行；
(5)将待测定试件放在抗折强度试验机的支撑圆柱上，试体长轴垂直于支撑圆柱，通过加荷圆柱以(50±10)N/s的速率均匀地将荷载垂直地加在棱柱体相对侧面上，直至折断；
(6)保持两个被截棱柱体处于潮湿状态直至抗压试验；
(7)按照公式计算抗折强度：
式中Rf—折断强度(MPa)；
Ff—折断时施加于棱柱体中部的荷载(N)；
L—支撑圆柱体之间的距离(mm)；
b—棱柱体正方形截面的边长(mm)。
以一组三个棱柱体抗折强度结果的平均值作为试验结果。当三个强度值中有超出平均值±10％时，则剔除后再取平均值作为抗折强度试验结果。
(六)抗压强度试验
试件抗压强度试验，在抗折强度试验的半截试件上进行。
试验仪器：抗压强度试验机。
试验方法：
(1)抗压强度试验在抗折强度试验中的半截棱柱体上进行，试验养护时间为12h、24h以及28d的试件；
(2)半截棱柱体中心与压力机压板受压中心差控制在±0.5mm内，棱柱体露在压板外的部分约10mm；
(3)在整个加荷过程中以(2400±200)N/s的速率均匀地加荷直至破坏；
(4)按照公式计算抗压强度：
式中Rc—抗压强度(MPa)；
Fc—破坏时的最大荷载(N)；
A—受压部分面积(mm2)(40mm×40mm＝1600mm2)。
以一组三个棱柱体上得到的六个抗压强度测定值的算术平均值为试验结果。如六个测定值中有一个超出六个平均值的±10％，则剔除这个结果，而以剩下五个的平均数为结果；如果五个测定值中再有超过它们平均数±10％的，则此组结果作废。
(七)拉伸粘结强度
试验仪器：拉力试验机、拉伸专用夹具、成型框(外框尺寸70mm×70mm，内框尺寸40mm×40mm，厚度6mm)、钢制垫板(外框尺寸70mm×70mm，内框尺寸43mm×43mm，厚度3mm)。
试验方法：
(1)制作基底水泥砂浆块，采用GB 175规定的42.5级水泥，砂采用符合JGJ 52规定的中砂，水采用符合JGJ 63规定的用水，水泥、砂、水配合比为1:3:0.5；
(2)将步骤(1)制成的水泥砂浆倒入70mm×70mm×20mm的模具中，振动成型，并抹平砂浆表面，于成型24h后进行脱模，放入(20±2)℃水中养护6d，再在试验室环境放置21d以上；
(3)将制备好的上述基底水泥砂浆块在水中浸泡24h，把那个提前5至10min取出，用湿布擦拭表面，将成型框放在基底水泥砂浆快的成型面上，再将制备的本申请的砂浆倒入成型框中，用抹刀均匀插捣并人工颠实，最后抹平表面，于24h内脱模，并养护至规定龄期，每组试样制备10个试件；
(4)先将时间在养护室养护13d，再在试件表面以及上夹具表面涂上高强度胶黏剂，然后将上夹具对正位置放在胶黏剂上，并确保上夹具不歪斜，除去周围溢出的胶粘剂，继续养护24h；
(5)测定拉伸粘结强度时，先将钢制垫板套入基底砂浆块上，再将拉伸粘结强度夹具安装到试验机上，然后将试件置于拉升夹具中，夹具与试验机的连接采用球铰活动连接，以5±1mm/min速度加荷至试件破坏，如果破坏形式为拉伸夹具与胶粘剂破坏时，试验结果无效；
(6)按照公式计算拉伸粘结强度：
式中fat—拉伸粘结强度(MPa)；
F—试件破坏时的荷载(N)；
Az—粘结面积(mm2)。
以10个试件测值的算术平均值作为拉伸粘结强度的试验结果，当单个试件的强度值与平均值之差大于20％时，应逐次舍弃偏差最大的试验值。直至各试验值与平均值之差不超过20％，当10个试件中有效数据不少于6个时，取有效数据的平均值为试验结果，精确至0.01MPa，若不足，则重新试验。
与混凝土结合体试件的性能测试
(一)抗折强度试验
试件抗折强度试验，选用40mm×40mm×160mm的棱柱试体进行测定。
试验仪器：振动台、抗折强度试验机。
试验方法：
(1)制备混凝土，先将混凝土倒入试模，装料时用抹刀沿各试模壁插捣，是混凝土装填应为试模的一半，约20min后，制备本申请的砂浆并倒入试模，并使砂浆高出试模口；
(2)将试模固定在振动台上，使振动台振动时试模不会发生跳动，振动到表面出浆为止，并刮除试模上口多余的砂浆，待砂浆浆体初凝时，用抹刀抹平；
(3)试件从搅拌加水开始计时，放在养护室内进行养护，标准养护期龄28d；
(4)针对12h、24h、28d养护时间的试件进行试验，其中12h以及24h养护时间的试件在试验前20min内进行脱模，并在养护时间±15min内进行；
(5)将待测定试件放在抗折强度试验机的支撑圆柱上，试体长轴垂直于支撑圆柱，通过加荷圆柱以(50±10)N/s的速率均匀地将荷载垂直地加在棱柱体相对侧面上，直至折断；
(6)保持两个被截棱柱体处于潮湿状态直至抗压试验；
(7)按照公式计算抗折强度：
式中R′f—结合件折断强度(MPa)；
Ff—折断时施加于棱柱体中部的荷载(N)；
L—支撑圆柱体之间的距离(mm)；
b—棱柱体正方形截面的边长(mm)。
以一组三个棱柱体抗折强度结果的平均值作为试验结果。当三个强度值中有超出平均值±10％时，则剔除后再取平均值作为抗折强度试验结果。
(二)抗压强度试验
试件抗压强度试验，在抗折强度试验的半截试件上进行。
试验仪器：抗压强度试验机。
试验方法：
(1)抗压强度试验在抗折强度试验中的半截棱柱体上进行，试验养护时间为12h、24h以及28d的试件；
(2)半截棱柱体中心与压力机压板受压中心差控制在±0.5mm内，棱柱体露在压板外的部分约10mm；
(3)在整个加荷过程中以(2400±200)N/s的速率均匀地加荷直至破坏；
(4)按照公式计算抗压强度：
式中R′c—结合件抗压强度(MPa)；
Fc—破坏时的最大荷载(N)；
A—受压部分面积(mm2)(40mm×40mm＝1600mm2)。
以一组三个棱柱体上得到的六个抗压强度测定值的算术平均值为试验结果。如六个测定值中有一个超出六个平均值的±10％，则剔除这个结果，而以剩下五个的平均数为结果；如果五个测定值中再有超过它们平均数±10％的，则此组结果作废。
(三)胶结面抗拉强度试验
试件抗折强度试验，取有胶结面的圆柱体进行试验。
试验仪器：抗拉强度试验机
试验方法：
(1)制作100mm×100mm×60mm的试模，仅上部未封闭，从上部倒入混凝土，高度到试模的30mm左右停止，振荡后再倒入30mm砂浆，抹平上表面并进行，养护龄期为28d；
(2)胶结面抗拉强度试验取上一步的样本进行试验，样本大小为直径40mm的圆柱体，长度为60mm，其中混凝土厚度与砂浆厚度各30mm；
(3)将养护好的试件两端面打磨光滑，用专用粘结剂粘结在试验铁片上，待完全凝固后安装于试验机上，准备进行试验；
(4)以(50±10)N/s的速率均匀地将荷载垂直地圆柱体上，直至试件开裂。
(5)按照公式计算抗压强度：
式中R′t—结合件胶结面抗拉强度(MPa)；
Ft—破坏时的最大荷载(N)；
A—受拉部分面积(mm2)。
以一组三个圆柱体上得到的六个抗拉强度测定值的算术平均值为试验结果。如六个测定值中有一个超出六个平均值的±10％，则剔除这个结果，而以剩下五个的平均数为结果；如果五个测定值中再有超过它们平均数±10％的，则此组结果作废。
结果见表2。
虽然本申请已经参照其优选地具体实施方式进行了描述，但是本领域的技术人员应该理解在没有脱离本申请的真正的精神和范围的情况下，可以进行的各种改变。例如，可以对本申请的主体、精神和范围进行多种改变以适应特定的情形、材料、材料组合物或方法步骤。所有的这些改变均包括在本申请明的权利要求的范围内。并且利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种砂浆组合物，其包括凝胶材料、砂质材料、增稠剂、减水剂、保水消泡剂和早强剂。
2.根据权利要求1所述的砂浆组合物，其特征在于，所述凝胶材料选自普通硅酸盐水泥；优选普通硅酸盐水泥选自42.5、42.5R、52.5和52.5R强度等级的普通硅酸盐水泥中的至少一种；和/或
所述砂质材料选自石英砂和/或干砂；和/或
所述增稠剂包括无机增稠剂；优选所述增稠剂由无机增稠剂和纤维素醚组成；其中，无机增稠剂包括气相法白炭黑、钠基膨润土、有机膨润土、硅藻土、凹凸棒石土、分子筛和硅凝胶中的至少一种；纤维素醚包括甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠和羟乙基纤维素中的至少一种；更优选所述增稠剂由钠基膨润土和羟丙基甲基纤维素组成；和/或
所述减水剂选自聚羧酸盐、密胺系减水剂和萘系减水剂中的至少一种；优选所述聚羧酸盐选自聚乙酸钠和/或聚丙酸钾；和/或
所述保水消泡剂选自聚醚类中的至少一种，优选所述保水消泡剂选自硅聚醚中的至少一种；和/或
所述早强剂选自甲酸钙和/或三乙醇胺；优选所述早强剂为甲酸钙。
3.根据权利要求1或2所述的砂浆组合物，其特征在于，所述砂质材料由40目至70目和70目至120目的砂质材料组成；且以所述砂浆组合物的总质量计，所述砂浆组合物中含有23％～50％的40目至70目的砂质材料，所述砂浆组合物中含有10％-23％的70目至120目的砂质材料。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的砂浆组合物，其特征在于，以所述砂浆组合物的总质量计，所述砂浆组合物中含有40％-50％的所述凝胶材料。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的砂浆组合物，其特征在于，以所述砂浆组合物的总质量计，所述砂浆组合物中含有3％-5％的所述增稠剂。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的砂浆组合物，其特征在于，以所述砂浆组合物的总质量计，所述砂浆组合物中含有0.005％-0.01％的所述减水剂。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的砂浆组合物，其特征在于，以所述砂浆组合物的总质量计，所述砂浆组合物中含有0.1％-0.3％的所述保水消泡剂。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的砂浆组合物，其特征在于，以所述砂浆组合物的总质量计，所述砂浆组合物中含有0.1％-0.5％的所述早强剂。
9.一种砂浆，其包括如权利要求1-8中任意一项所述的砂浆组合物和水，优选水与所述砂浆组合物的质量比为1:0.19。
10.一种制备如权利要求1-8中任意一项所述的砂浆组合物的方法，包括如下步骤：
1)将普通硅酸盐水泥和砂质材料混合，搅拌8至12min；
2)加入增稠剂，搅拌2至5min。
3)加入减水剂、保水消泡剂和早强剂，搅拌2至5min；
优选40至70目的砂质材料、70至120目砂质材料预先混合，搅拌5至10min后再与所述普通硅酸盐水泥混合。
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