CN107986712A - 一种高强快硬抗裂加固砂浆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强快硬抗裂加固砂浆及其制备方法，砂浆由以下重量份数的原料组成：水泥：20.5~26.9份；硅粉：2.1~3.2份；粉煤灰：4~4.3份；砂：57.9~61.8份；水：10.3~12.1份；外加剂：0.005~0.5份。本发明采用高强度普通硅酸盐水泥、硅粉、粉煤灰、外加剂材料，制成高强快硬抗裂加固砂浆，并研究减水剂掺量、硅粉掺量、外加剂掺量对聚合物砂浆力学性能和施工性能的影响。本发明为理解和掌握加固补强高强聚合物水泥砂浆的配合比和力学性能提供了试验数据和理论依据，研制（强度＞M50）的高强度砂浆，以适应砌筑高强度墙体材料及钢筋混凝土结构加固补强等的要求。

Description

一种高强快硬抗裂加固砂浆及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强快硬抗裂加固砂浆及其制备方法，属于建筑工程技术领域。
背景技术
聚合物水泥砂浆在我国正式应用始于1980年，比较成熟和应用最广的是丙稀酸共聚乳液水泥砂浆(丙乳砂浆)，主要用于：建筑工程防渗材料，大坝溢流面或其他建筑物冻融破坏修复，混凝土和钢筋混凝土建筑物防渗处理材料，碳化钢筋混凝土防止钢筋锈蚀的处理等。随着复合材料学科的兴起，人们越来越注重结构材料(力学性能如强度、刚度、变形)和功能材料的结合，由此引发了对聚合物砂浆和混凝土的研究，目前国外一些研究人员仍不断在深入地进行高强聚合物砂浆的力学性能和高性能及多功能的研究。我国对混凝土的研究方兴未艾，但对高强砂浆及高强聚合物砂浆的研究还远远不够。而实际工程中由于干燥收缩、温度变化以及周围各种腐蚀介质的作用，各种混凝土结构物出现了诸多裂缝；特别是“5.12”四川汶川大地震中，大量未垮塌的混凝土结构物，经鉴定尚能加固使用，但结构构件产生了较多的裂缝，严重影响着结构物的耐久性和使用寿命，尚待加固补强。
另一方面，自20世纪末以来的十余年间，房屋建筑(尤其是混凝土结构)的裂缝以及由此而引起的渗漏问题，一直占据消费者投诉的首位。这给我国建筑市场以及住宅产业造成了相当大的负面影响。混凝土结构是带裂缝工作的，而设计规范中对于裂缝宽度的限值只是针对受力裂缝而言的。实际工程中常见的裂缝，绝大多数都属于非荷载的间接裂缝，对结构安全并未造成多大的影响。裂缝是混凝土这种建筑材料与生俱来的特性，混凝土结构想要不出现裂缝是很困难的。重要的在于能够对可见的裂缝进行正确的判断，然后才能采取针对性的措施进行处理，收到事半功倍的效果。
为了满足高强度砌筑工程、既有建筑物或因火灾、冻害、渗透等灾害损伤的建筑物或构筑物加固补强的需要，进行高强及高强高性能砂浆的配合比、物理力学性能的研究，既是实际工程中亟待解决的问题，同时对防灾减灾及社会经济发展也具有重要意义。
发明内容
本发明旨在提供一种高强快硬抗裂加固砂浆及其制备方法，采用较高强度的普通硅酸盐水泥、硅粉、粉煤灰、复合外加剂等材料，制成高强快硬抗裂加固砂浆，并研究减水剂掺量、硅粉掺量、可再分散乳胶粉掺量对聚合物砂浆力学性能和施工性能的影响。
本发明提供了一种高强快硬抗裂加固砂浆，由以下重量配比的原料组成：
水泥：20.5～26.9份；
硅粉：2.1～3.2份；
粉煤灰：4～4.3份；
砂：57.9～61.8份；
水：10.3～12.1份；
外加剂：0.005～0.5份。
所述外加剂为高效减水剂、可再生分散性乳胶粉、甲基纤维素、聚丙烯纤维中的一种或几种，各组分的用量为：
高效减水剂：0～0.3份；
可再分散性乳胶粉：0～0.5份；
甲基纤维素：0～0.5份；
聚丙烯纤维：0～0.5份。
上述原料：所述水泥选取普通硅酸盐水泥P.O 42.5级水泥；
所述硅粉是由生产硅铁合金或硅钢等所排放的烟气与空气中氧气迅速氧化并冷凝而形成的具有火山灰性质而无定形的超细活性材料，能增强砂浆的物理与力学性质。
粉煤灰：采用Ⅱ级粉煤灰：0.045mm方孔筛余小于20％，烧失量小于8％；球状粉煤灰颗粒有利于改善砂浆的和易性，减少砂浆收缩和提高抗裂性；
砂为人工混合砂或普通砂，两种砂的筛分结果：
砂的粗细程度和颗粒级配用筛分析方法测定，用细度模数表示粗细，用级配区表示砂的级配。根据《建筑用砂》(GB/T14684-2001)，筛分析是用一套孔径为4.75，2.36，1.18，0.600， 0.300，0.150mm的，将500克干砂由粗到细依次过筛，称量各筛上的筛余量(g)，计算各筛上的分计筛余率(％)，再计算累计筛余率(％)。
分计筛余：某号筛上的筛余量占试样总质量的百分率，该号筛孔上未通过的＝100-累计筛余量；
累计筛余：该号筛与大于该号各筛分计筛余百分率之和。
建筑砂浆聚合物外加剂为可分散性乳胶粉，能显著提高与其他材料的粘结强度；
减水剂：采用萘系高效减水剂，化学名称萘磺酸盐甲醛缩合物，它对于水泥粒子有很强的分散作用，宜用于日最低气温0℃以上施工的混凝土。减水剂以溶液掺加时，溶液中的水量应从拌合水中扣除；
水：符合《混凝土用水标准》JGJ 63-2006规定。
本发明提供了上述高强快硬抗裂加固砂浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)根据筛分法，取试验用砂颗粒级配区为Ⅱ区放置烘干箱中于105±5℃烘干至恒重；(砂的粗细程度和颗粒级配用筛分析方法测定，用细度模数表示粗细，用级配区表示砂的级配。根据《建筑用砂》(GB/T14684-2001)，筛分析是用一套孔径为4.75，2.36，1.18，0.600， 0.300，0.150mm的，将500克干砂由粗到细依次过筛(详见试验)，称量各筛上的筛余量(g)，计算各筛上的分计筛余率(％)，再计算累计筛余率(％)；)
(2)按所需数量称出各种材料，取单独包装的减水剂备用；
(3)将砂和水泥、粉煤灰、硅粉、外加剂慢慢倒入砂浆搅拌机内，防止水和水泥溅出，开动搅拌机低速搅拌120秒，停15～30秒，观察搅拌是否均匀，接着高速搅拌120秒，停机；
所述外加剂为高效减水剂、可再生分散性乳胶粉、甲基纤维素中的一种或几种；
(4)将溶有减水剂的水徐徐加入搅拌的砂浆中，并观察砂浆稠度；从加水开始时算起搅拌2.5～3.5min；
(5)将砂浆拌合物倒在拌合铁板上，再用铁铲翻拌两次，使之均匀，即得高强快硬抗裂加固砂浆。
上述制备方法中，所述外加剂为聚丙烯纤维时，先将其它原料混合后，再将聚丙烯纤维缓慢加入砂浆搅拌机内，低速搅拌120秒后再使用强制搅拌90秒，观察纤维是否分散成丝，如果仍有成束纤维则延长搅拌时间20-30秒。
本发明的原理：当聚合物乳液与水泥砂浆一起拌合时,聚合物乳液均匀的分散于水泥浆相中。由于水泥的水化凝胶逐步形成,水相由水化过程中的氢氧化钙饱和,氢氧化钙和骨料中的二氧化硅反应生成硅酸钙层,而聚合物颗粒部分沉积在水泥凝胶——未水化的水泥颗粒混合物表面。由于水泥凝胶结构的增大导致排水,聚合物颗粒逐步约束在毛细孔中,随着水泥进一步水化，毛细水减少,聚合物颗粒絮凝在水泥凝胶——未水化的水泥颗粒混合物表面形成聚合物颗粒连续密堆积层，同时粘结到混合物和砂粒表面的硅酸盐层上。在这种情况下,混合物中较大的孔由聚合物颗粒填充,其原因是水泥浆中孔的尺寸在10～18nm范围内。通过水泥水化使水排出,水泥水化物表面上的密堆集聚合物颗粒聚结成连续膜,这个膜把水泥水化物粘结在一起形成一个整体网络,网络中聚合物形成的膜贯穿于整个水泥水化相中,形成结构密封性能优良的聚合物水泥砂浆。由于聚合物水泥砂浆中的微裂纹由形成的聚合物膜所搭接,同时使水泥水化物与砂浆牢固粘结,聚合物膜良好的柔韧性、水泥水化物与聚合物膜的整体网络使聚合物水泥砂浆的抗压、抗折强度有所增加。
本发明的有益效果：
对聚合物改性水泥砂浆的工作机理进行了探讨，对于理解和掌握加固补强高强聚合物水泥砂浆的配合比和力学性能提供了试验数据和理论依据，研制(强度＞M50)的高强度砂浆，以适应砌筑高强度墙体材料及钢筋混凝土结构加固补强等的要求。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例：
制备一种高强快硬抗裂加固砂浆，由以下重量配比的原料组成：
水泥：20.5～26.9份；
硅粉：2.1～3.2份；
粉煤灰：4～4.3份；
砂：57.9～61.8份；
水：10.3～12.1份；
外加剂：0.005～0.5份。
进一步地，所述外加剂为高效减水剂、可再生分散性乳胶粉、甲基纤维素、聚丙烯纤维中的一种或几种，各组分的用量为：
高效减水剂：0～0.3份；
可再分散性乳胶粉：0～0.5份；
甲基纤维素：0～0.5份；
聚丙烯纤维：0～0.5份。
上述原料：所述水泥选取普通硅酸盐水泥P.O 42.5级水泥；
所述硅粉是由生产硅铁合金或硅钢等所排放的烟气与空气中氧气迅速氧化并冷凝而形成的具有火山灰性质而无定形的超细活性材料，能增强砂浆的物理与力学性质。
按表1中的配合比制备砂浆，具体制备方法如下：
(1)根据筛分法，取试验用砂颗粒级配区为Ⅱ区放置烘干箱中于105±5℃烘干至恒重；(砂的粗细程度和颗粒级配用筛分析方法测定，用细度模数表示粗细，用级配区表示砂的级配。根据《建筑用砂》(GB/T14684-2001)，筛分析是用一套孔径为4.75，2.36，1.18，0.600， 0.300，0.150mm的，将500克干砂由粗到细依次过筛(详见试验)，称量各筛上的筛余量(g)，计算各筛上的分计筛余率(％)，再计算累计筛余率(％))
(2)按所需数量称出各种材料，取单独包装的减水剂备用；
(3)将砂和水泥、粉煤灰、硅粉、外加剂慢慢倒入砂浆搅拌机内，防止水和水泥溅出，开动搅拌机低速搅拌120秒，停15～30秒，观察搅拌是否均匀，接着高速搅拌120秒，停机；
所述外加剂为高效减水剂、可再生分散性乳胶粉、甲基纤维素中的一种或几种；
所述外加剂为聚丙烯纤维时，先将其它原料混合后，再将聚丙烯纤维缓慢加入砂浆搅拌机内，低速搅拌120秒后再使用强制搅拌90秒，观察纤维是否分散成丝，如果仍有成束纤维则延长搅拌时间20-30秒。
(4)将溶有减水剂的水徐徐加入搅拌的砂浆中，并观察砂浆稠度；从加水开始时算起搅拌2.5～3.5min；
(5)将砂浆拌合物倒在拌合铁板上，再用铁铲翻拌两次，使之均匀，即得高强快硬抗裂加固砂浆。
表1(表中数据代表的为质量份数。)
组别 水泥 水 砂 粉煤灰 硅粉 外加剂1 外加剂2 外加剂3 外加剂4
1 22.4 11.2 59.8 4.1 3.1 0.25 0 0 0
2 22.4 11.2 59.8 4.1 3.1 0 0.16 0 0
3 21.2 10.6 61.2 4.2 2.6 0 0.16 0 0
4 21.2 10.6 61.5 4.3 2.2 0 0.14 0 0
5 21 10.5 61.8 4.2 3.2 0 0.3 0 0
6 21.2 10.5 61.1 4.2 2.6 0 0.3 0 0
7 21 10.5 60.8 4.2 3.2 0.3 0 0 0
8 21.2 10.5 60.8 4.2 3.2 0.15 0 0 0
9 21 10.5 60.8 4.2 3.2 0 0 0.32 0
10 21 10.5 60.8 4.2 3.2 0 0.3 0 0
11 21.2 10.6 61.2 4.2 2.6 0.13 0 0 0
12 21.2 10.6 61.3 4.2 2.1 0 0.3 0 0
13 20.5 10.3 61.6 4.1 3.1 0 0.5 0 0
14 20.5 10.3 61.5 4.1 3.1 0 0 0.5 0
15 20.5 10.3 61.5 4.1 3.1 0 0 0 0.5
16 26.61 12.07 57.96 0 2.89 0.29 0.12 0.048 0
17 26.9 10.99 58.6 0 2.93 0.293 0.12 0.048 0.12
18 26.50 10.85 59.31 0 3.029 0.3029 0 0 0
19 26.50 10.85 59.30 0 3.028 0.3028 0.0252 0.005046 0
表1中的外加剂1为高效减水剂，外加剂2为可再生分散性乳胶粉，外加剂3为甲基纤维素，外加剂4为聚丙烯纤维。在制备砂浆的过程中，上述外加剂可以选择一种使用，也可以选择几种混合使用。
第1～15组提供了具体的实施例中的原料配比。
第16～19组中粉煤灰为0，是作为对比例的。采用控制变量方法，考虑外加剂对和易性及强度的影响，避免粉煤灰对和易性及强度的干扰。
将上述砂浆制成试块，用于测试；试块的制作过程为：
(1)将带底试模内壁涂刷薄层机油，以利于拆模；
(2)砂浆分两层装入试模(每层厚度4cm左右)，用直径10mm，长350mm的钢筋捣棒(一端成半球型)每层均匀插捣25次，然后沿模壁用抹刀插捣数次，砂浆应高出试模顶面2～3mm，30min后用刮刀刮掉多余的砂浆，并抹平表面；每一种配合比各成型2组试件；
(3)试块养护：
①试块制作后，在正温度环境中养护一昼夜。当气温较低时，适当延长时间，但不应超过两昼夜，然后对试块进行编号并拆模。
②试块拆模后，应在标准养护条件(温度为17～23℃，相对湿度为90％以上的潮湿条件) 或自然养护条件(正温度并保持试块表面湿润的状态)下继续养护至28d，本实验试件是在温度为20℃左右的室温下，用塑料薄膜完全包裹保持潮湿的状态下养护。
③龄期有7天和28天两组。
测量试件的抗压强度、劈裂抗拉强度，参考标准T0507-2005水泥砂浆立方体抗压强度试验方法
(1)抗压强度测定
试压前，应将试块表面刷净擦干；必须将试块的侧面作为受压面进行抗压强度实验；将试件安放在试验机的下压板上，试件的承压面与成型时的顶面垂直，试件中心与试验机下压板的中心对准。开动试验机，当上压板与试验机下压板接近时，调整球座，使接触面均衡受压。实验时，均匀加荷载，每秒的加荷速度为预定破坏荷载的5％。当试件接近破换而开始迅速变形时，停止调整试验机油门，直至试件破坏，然后记录破坏荷载。
试件的抗压强度试验结果计算及确定按下列方法进行：
式中fm,cu_砂浆立方体试件抗压强度；
Nu_构件破坏荷载；
A_试件承压面积
(2)劈裂抗拉强度测试及取值
将试件表面与上下承压板面擦干净。将试件放在试验机下压板的中心位置，劈裂承压面与试件成型时的顶面垂直；在上、下压板与试件之间垫以圆弧形垫块及垫条各一条，垫块与垫条应在试件上、下面的中心线对准并与成型时的顶面垂直。开动试验机，当上压板与圆弧形垫块接近时，调整球座，使接触均衡。连续均匀加荷，加荷速度取为每秒0.05MPa。至试件接近破坏时，停止调整试验机油门，直至试件破坏，然后记录破坏荷载。三个试件测值的算术平均值作为该组试件的强度值。三个测值中的最大值或最小值中有一个与中间值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15％时，则把最大及最小值一并舍除，取中间值作为该组试件的抗压强度值。试件的劈裂抗拉强度试验结果计算及确定按下列方法进行：
式中fts_混凝土劈裂抗拉强度
F_试件破坏荷载
A_试件劈裂面面积
测试数据见表2、表3所示
表2砂浆抗压强度实验结果
表3砂浆劈裂抗拉强度实验结果
组别 7d(MPa)
16 3.44
17 4.15
18 3.15
19 4.04
通过数据比较，得到以下结论：
1.和易性比较
18、19组比较：18组的和易性很好，入模后用振捣棒稍加振捣就会有砂浆中的游离水泌出表面，在振动台振动试件稍长就会出现离析现象。18组与19组相比较，加入了外加剂2 与外加剂3，和易性有比较明显的降低，但由于添加的适量，砂浆扔具有较好的施工性。同时，砂浆的粘结力较18组有很大提高，拿出一小团砂浆用手持其一端，不断裂。第1组砂浆试块的水灰比小，砂浆的稠度小，但其早期强度(7d)强度较高，明显高于其他几组的试块；
第2-11组试块的和易性较好，粘结性好，易在粗糙的基体表面铺成均匀的薄层，且能与基层紧密粘结，便于工操作。
2.不同原料配比对强度的影响
(1)水灰比对强度的影响
第1组砂浆试块由于水灰比小，早期强度(7d)明显高于其他组，28天强度略高于某些组，强度优势不太明显。
(2)硅灰对强度的影响
第2，3，4组试块相比较，由第2组硅灰掺量高，填充了水泥浆部分的微细空隙(微集料效应)，减少了水泥石中的空隙，使砂浆更密实，提高了强度，降低了透水性和透气性。早期强度略高。
(3)水胶比对强度的影响
与普通强度等级的水泥砂浆相比，高强砂浆由于掺入了硅灰等材料，使砂浆的胶凝性成分增加，砂浆的强度明显提高。经过试验证明，早期(7d)强度如果达到了35～40Mpa,28天强度就可以达到45～60Mpa。
(4)减水剂对强度的影响
第7,8组试块相比较，由于第7组试块减水剂掺量高于第8组试块，试验结果表明第7 组试块的强度高于8组。减水剂掺量的增加，减少了用水量，使砂浆的水胶比降低，从而提高了砂浆的强度。
(5)聚合物对强度的影响
第5组与第8组比较，由于第5组试块中掺入了少量聚合物胶粉，使砂浆试块更加致密，提高了砂浆试块的强度。
(6)平均强度统计
7d平均强度：40.77Mpa
28d平均强度：52.54Mpa
(9)16组与17组比较：由于加入了外加剂4，使得17组的劈裂抗拉强度(7d)较16组提高了20.6％；
(10)18组与19组比较：由于加入了外加剂2和外加剂3，使得19组的劈裂抗拉强度(7d) 较18组提高了28.25％；
砂浆的劈裂抗拉强度大约为其抗压强度的8％～11％，且随着抗压强度的提高，此比例降低
3.强度分析
(1)在砂浆中掺入硅粉，粉煤灰及复合外加剂可使砂浆抗压强度提高到60MPa以上；
(2)单位用水量与砂浆的抗压强度基本成反比关系，但单位用水量大的砂浆和易性好，易于施工操作；
(3)砂浆的抗压强度随着水泥用量和砂用量的增加而提高，但砂浆的和易性会有所降低；
(4)随着配合比中硅粉比例的升高，砂浆强度有所提升；
(5)掺入粉煤灰可使砂浆后期强度得到较大增长；
(6)掺入减水剂可降低砂浆的用水量，从而使得砂浆的水灰比降低但和易性良好的效果，提高了砂浆的强度；
(7)选用级配良好的砂，可使砂浆的孔隙率变小，从而有效提高砂浆的强度；
(8)如果可再分散乳胶粉与甲基纤维素的质量共A，则至少要质量为2A的水才能将其充分溶解；
(9)加入可再分散乳胶粉与甲基纤维素后，使砂浆的粘结性增强，降低了砂浆的和易性与保水性，同时砂浆所需的必要拌合时间至少增长为不加时的2倍；
(10)聚丙烯纤维的掺入可使砂浆的劈裂抗拉强度提高大约20％；
(11)可再分散乳胶粉与甲基纤维素的掺入可使砂浆的劈裂抗拉强度提高大约25％；
(12)砂浆的劈裂抗拉强度大约为其抗压强度的8％～11％，且随着抗压强度的提高，此比例降低。

Claims (9)

1.一种高强快硬抗裂加固砂浆，其特征在于由以下重量配比的原料组成：
水泥：20.5~26.9份；
硅粉：2.1~3.2份；
粉煤灰：4~4.3份；
砂：57.9~61.8份；
水：10.3~12.1份；
外加剂：0.005~0.5份。
2.根据权利要求1所述的高强快硬抗裂加固砂浆，其特征在于：所述外加剂为高效减水剂、可再生分散性乳胶粉、甲基纤维素、聚丙烯纤维中的一种或几种，各组分的用量为：
高效减水剂：0~0.3份；
可再分散性乳胶粉：0~0.5份；
甲基纤维素：0~0.5份；
聚丙烯纤维：0~0.5份。
3.根据权利要求1所述的高强快硬抗裂加固砂浆，其特征在于：所述水泥选取普通硅酸盐水泥P.O 42.5级水泥。
4.根据权利要求1所述的高强快硬抗裂加固砂浆，其特征在于：所述硅粉是由生产硅铁合金或硅钢所排放的烟气与空气中氧气迅速氧化并冷凝而形成的具有火山灰性质而无定形的超细活性材料，能增强砂浆的物理与力学性质。
5.根据权利要求1所述的高强快硬抗裂加固砂浆，其特征在于：粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰：0.045mm方孔筛余小于20％，烧失量小于8％。
6.根据权利要求1所述的高强快硬抗裂加固砂浆，其特征在于：砂为人工混合砂或普通砂。
7.根据权利要求1所述的高强快硬抗裂加固砂浆，其特征在于：减水剂采用萘系高效减水剂，为萘磺酸盐甲醛缩合物。
8.一种权利要求1~7任一项所述的高强快硬抗裂加固砂浆的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）根据筛分法，取试验用砂颗粒级配区为Ⅱ区放置烘干箱中于105±5℃烘干至恒重；（2）按所需数量称出各种材料，取单独包装的减水剂备用；
（3）将砂和水泥、粉煤灰、硅粉、外加剂慢慢倒入砂浆搅拌机内，防止水和水泥溅出，开动搅拌机低速搅拌120秒，停15~30秒，观察搅拌是否均匀，接着高速搅拌120秒，停机；
所述外加剂为高效减水剂、可再生分散性乳胶粉、甲基纤维素中的一种或几种；
（4）将溶有减水剂的水缓慢加入搅拌的砂浆中，并观察砂浆稠度；从加水开始时算起搅拌2.5~3.5min；
（5）将砂浆拌合物倒在拌合铁板上，再用铁铲翻拌两次，使之均匀，即得高强快硬抗裂加固砂浆。
9.根据权利要求8所述的高强快硬抗裂加固砂浆的制备方法，其特征在于：所述外加剂为聚丙烯纤维时，先将其它原料混合后，再将聚丙烯纤维缓慢加入砂浆搅拌机内，低速搅拌120秒后再使用强制搅拌90秒，观察纤维是否分散成丝，如果仍有成束纤维则延长搅拌时间20-30秒。
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