CN108017345A - 一种超高性能水泥基修补材料及其制备方法 - Google Patents

一种超高性能水泥基修补材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高性能水泥基修补材料及其制备方法。本发明所述超高性能水泥基修补材料的各组成成分以质量份计算：水泥100份，掺合料15~50份，纳米增强剂2~15份，抗裂组分3~10份，砂80~220份，纤维10~30份，高性能减水剂2~5份，水15~35份。本发明所述超高性能水泥基修补材料不仅具有超高的抗压强度、抗弯强度、粘结强度以及极低的收缩性能，还具有优异的施工性能、较高的弹性模量以及超高的耐久性能。本发明所述材料具有修补、加固、防渗、防护等作用，从而延长修补材料和结构物的使用寿命。此外本发明所述材料还可以作为结构节点的接缝材料使用。

Description

一种超高性能水泥基修补材料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种修补材料，具体涉及一种可用于水工、土木、交通、电力、海港等工程中对混凝土具有修补、加固、防渗、防护等作用的修补材料及其制备方法。
背景技术
水泥混凝土结构在服役中在荷载与环境因素耦合作用下性能劣化是必然且长期的物理、化学过程，进而导致混凝土产生裂缝和腐蚀破坏，严重降低混凝土结构的承载能力和抗渗透性能。为延长建筑物使用寿命，对既有混凝土结构的防护和修补已成为人们关注的焦点，已成为水泥混凝土行业发展的重点方向。
修补材料一般可分为三类：无机修补材料，主要是指普通水泥和集料配制的砂浆和混凝土及使用特种水泥配制的水泥基修补材料；有机材料与无机材料复合的聚合物修补材料，主要有聚合物改性砂浆及混凝土等；有机高分子材料，如环氧树脂、聚胺脂和丙烯酸等各种树脂材料。然而目前的修补技术仍存在较多问题，如新修补层与老混凝土层之间的粘结问题，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以及修补材料本身的强度、抗裂性能和耐候性。因此，修补效果并不理想，开裂、脱落现象十分严重。专利200510110126.5公开了一种水泥混凝土构筑物修补材料，通过硅酸盐水泥、脂肪族减水剂、粗细骨料、纤维、激发剂等技术措施，修补材料具有较好的抗压、抗折、粘结强度，然而未能有效解决修补材料的收缩开裂问题。专利200910184938.2公开了一种混凝土修补材料及其制备方法，通过矿渣粉、水玻璃、聚醋酸乙烯酯乳胶粉聚丙烯纤维、石英砂、石英粉和水实现了修补材料28d抗压强度78.1MPa，抗折强度8.6MPa，28d粘结强度3.2MPa。然而修补材料粘结强度和弹性模量不高，结构修补加固时会易出现变形不匹配，极易产生开裂。
发明内容
针对现有混凝土修补材料尚无法兼顾高强度、高粘结性能、低收缩、高弹性模量等性能，本发明提出一种超高性能水泥基修补材料，不仅具有超高的抗压强度、抗弯强度、粘结强度以及极低的收缩性能，还具有优异的施工性能、较高的弹性模量以及超高的耐久性能。
本发明提供了一种超高性能水泥基修补材料，包括以下成分，各种成分以质量份计算：
所述水泥为强度等级42.5及以上的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；
所述掺合料为硅灰、超细矿粉、超细偏高岭土、超细沸石粉、石灰石粉、石英粉的任意两种或三种材料的混合物，且掺合料比表面积大于6000m2/kg；
所述纳米增强剂由纳米材料、分散剂以及水以任意比例配制而成，所述纳米材料为氧化石墨烯、纳米二氧化硅、纳米黏土中一种或多种组合，所述分散剂为六偏磷酸钠、硝酸钾、柠檬酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酸钠、聚乙二醇、聚乙烯砒咯烷酮的一种或多种组合；
所述抗裂组分为水化热调控材料、膨胀剂、减缩剂的任意一种或多种组合，所述水化热调控材料为淀粉基水化热调控材料或糊精类水化热调控材料的任意一种或两种混合，所述膨胀剂为氧化钙类膨胀剂、氧化镁类膨胀剂以及硫铝酸钙类膨胀剂的任意一种或两种混合，所述减缩剂为聚醚减缩剂、聚醇减缩剂的任意一种；
所述砂选自石英砂、金刚砂、刚玉砂、碳化硅的任意一种或两种混合，混合后粒径0.3mm～5.0mm；
所述纤维为金属纤维，长度3～12mm，直径0.1～0.3mm；
所述高性能减水剂为羧酸类高性能减水剂，减水率≥35％。
作为优选，本发明所述的超高性能水泥基修补材料，包括以下成分，各种成分以质量份计算：
作为优选，本发明所述纳米增强剂的组分及各组分质量比为氧化石墨烯：纳米二氧化硅：纳米黏土：六偏磷酸钠：十二烷基苯磺酸钠：聚乙烯砒咯烷酮：水＝4：13：11：5：10：0.5：56.5。
作为优选，本发明所述抗裂组分的组分及各组分质量比为淀粉基水化热调控材料：氧化钙类膨胀剂：氧化镁类膨胀剂：聚醚减缩剂＝5：48：32：15。
本发明所述的一种超高性能水泥基修补材料的制备方法包括如下步骤：首先将水泥、掺合料、抗裂组分、砂和纤维混合至少2分钟；然后再加入水、纳米增强剂以及高性能减水剂搅拌至少3分钟，制得所述超高性能水泥基修补材料。
本发明所述的有益效果为：
(1)本发明通过超细粉体掺合料，优化胶凝材料颗粒级配提高堆积密实度并提高了胶凝体系活性，改善了超高性能混凝土微观结构；
(2)本发明通过纳米增强剂，不仅增强胶凝材料反应活性和有效填充尺度在10～100nm的微孔，从而提高体系的密实性和均匀性，还可以生成超高密度C-S-H凝胶取代了低密度C-S-H凝胶，因此可增加了基体的密实性，提高了基体强度，而且纳米增强剂可显著增加了颗粒表面结合能，提高界面粘结性能；
(3)本发明通过引入了抗裂组分，协同胶凝材料水化速率和膨胀历程相匹配，改善补偿收缩效果，并结合减缩技术，实现超高性能水泥基修补材料极低收缩；
(4)本发明通过河砂、石英砂、金刚砂等硬度较高的砂增加了水泥基材料的刚度，即弹性模量。
(5)本发明除此之外，引入钢纤维，利用纤维阻裂增韧作用，进一步提升了超高性能混凝土力学性能和抗裂性能。
通过上述技术措施，制备的超高性能水泥基修补材料具有超高的抗压强度、抗弯强度、粘结强度以及极低的收缩性能，还具有优异的施工性能、较高的弹性模量以及超高的耐久性能。
具体实施方式
为了更充分的解释本发明的实施，提供下述超高性能水泥基修补材料制备实施例。这些实施实例仅仅是解释，而不是限制本发明的范围。
实施例中的“水泥”为P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥。
实施例中的“掺合料”为硅灰、超细矿粉、石灰石粉的混合物，质量比为50：35：15，比表面积为9000m2/kg。
实施例中的“纳米增强剂”由氧化石墨烯、纳米二氧化硅、纳米黏土、六偏磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯砒咯烷酮、水配制而成，质量比为4：13：11：5：10：0.5：56.5。
实施例中“高性能减水剂”为羧酸类高性能减水剂，减水率45％。
表1各实施例中的超高性能水泥基修补材料各组分含量
实施例1中抗裂组分为淀粉基水化热调控材料、氧化钙类膨胀剂、氧化镁类膨胀剂和聚醚减缩剂按质量5：48：32：15比例混合；纤维为长3mm、直径0.15mm；砂为石英砂和碳化硅按质量60：40比例混合，砂最大粒径0.6mm。
实施例2中抗裂组分为淀粉基水化热调控材料与氧化钙类膨胀剂按质量10：90比例混合；纤维为钢纤维，长12mm、直径0.2mm；砂为石英砂和刚玉砂按质量40：60比例混合，砂最大粒径5.0mm。
实施例3中抗裂组分为硫铝酸钙类膨胀剂；纤维为钢纤维，长12mm、直径0.2mm；砂为石英砂和金刚砂按质量60：40比例混合，砂最大粒径2.5mm。
实施例4中抗裂组分为淀粉基水化热调控材料、氧化钙类膨胀剂、氧化镁类膨胀剂和聚醚减缩剂按质量5：48：32：15比例混合；纤维为钢纤维，长3mm、直径0.15mm；砂为石英砂，最大粒径0.6mm。
实施例5中抗裂组分为淀粉基水化热调控材料、氧化钙类膨胀剂、氧化镁类膨胀剂和聚醚减缩剂按质量5：48：32：15比例混合；纤维为钢纤维，长3mm、直径0.15mm；砂为刚玉砂和金刚砂按质量20：80比例混合，最大粒径0.6mm。
实施例6中抗裂组分为淀粉基水化热调控材料与氧化钙类膨胀剂按质量10：90比例混合；纤维为钢纤维，长12mm、直径0.2mm；砂为碳化硅和金刚砂按质量20：80比例混合，最大粒径5.0mm。
实施例7中抗裂组分为硫铝酸钙类膨胀剂；纤维为钢纤维，长12mm、直径0.2mm；砂为石英砂，最大粒径2.5mm。
实施例8中抗裂组分为淀粉基水化热调控材料与氧化钙类膨胀剂按质量10：90比例混合；纤维为钢纤维，长12mm、直径0.2mm；砂为石英砂，最大粒径5.0mm。
实施例9中抗裂组分为硫铝酸钙类膨胀剂；纤维为钢纤维，长3mm、直径0.1mm；砂为石英砂和金刚砂按质量20：80比例混合，最大粒径0.3mm。
对比例
表2各对比例中的超高性能水泥基修补材料各组分含量
对比例1:缺少掺合料，其它组分与实施例1相同。
对比例2：缺少纳米增强剂，其它组分与实施例1相同。
对比例3：缺少抗裂组分，其它组分与实施例1相同。
对比例4：砂为普通河砂，其它组分与实施例1相同。
上述实施例1-9中的超高性能水泥基修补材料和对比例1-4中的超高性能水泥基修补材料在制备时先将水泥、掺合料、抗裂组分、砂和纤维混合至少2分钟，然而再加入水、纳米增强剂以及高性能减水剂搅拌至少3分钟。
应用实施例
用实施例1-9和对比例1-4中的超高性能水泥基修补材料进行混凝土抗压强度、抗折强度、弹性模量、粘结强度以及收缩性能对比试验。
超高性能水泥基修补材料的抗压强度、抗折强度、弹性模量以及收缩性能按GBT31387-2015《活性粉末混凝土》和GBT 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。
粘度强度测试方法为：采用C50混凝土制备100mm×100mm×400mm棱柱体试件，标准养护28d，从中间等分破断，并其中一半放入混凝土试模中，与实施例1-9和对比例1-4所制备的超高性能水泥基修补材料成型，制备新老混凝土界面粘结试件，养护至相应龄期后测试其抗折强度，以测得的抗折强度来表征粘结强度。
试验结果如下：
表3实施例中超高性能水泥基修补材料力学性能和收缩性能
表4对比例中超高性能水泥基修补材料力学性能和收缩性能
从试验结果可以看出，采用本发明的掺合料、纳米增强剂、抗裂组分、砂，并通过调整纤维用量、用水量以及高效减水剂用量制备的超高性能水泥基修补材料具有超高的抗压强度、抗弯强度、粘结强度以及极低的收缩性能，还具有较高的弹性模量。本发明的超高性能水泥基修补材料的力学性能均高于普通C50～C80混凝土力学性能指标，且具有极低的收缩变形，因此采用本发明修补材料可获得较好的修补加固效果。
对比例1中缺少掺合料，其它组分与实施例1相同，性能数据显示：缺少掺合料后，混凝土抗压强度、抗折强度、粘结强度、弹性模量远低于实施例1。超细粉体掺合料优化胶凝材料颗粒级配提高堆积密实度并具有较高的水化活性，因此缺少掺合料后修补材料力学性能显著降低。
对比例2中缺少纳米增强剂，其它组分与实施例1相同，性能数据显示：缺少纳米材料后，混凝土抗压强度、抗折强度，弹性模量，特别是粘结强度远低于实施例1。纳米增强剂具有极高的填充效应并显著了提高胶凝材料体系活性，此外，纳米颗粒进入水泥基体中的孔洞、裂缝以及疏松结构时，形成晶核，相互贯穿、缠绕或叠加形成的立体结构填补了微观中孔洞裂缝并提高疏松结构的密实度，因而提高水泥基材料力学性能。此外，由于极高的表面结合能，可显著增加水泥基材料界面粘结强度。因此缺少纳米增强剂后，修补材料整体力学性能降低。
对比例3中缺少抗裂组分，其它组分与实施例1相同，性能数据显示：缺少抗裂组分后，修补材料收缩值远高于实施例1，粘结性能略有下降。抗裂组分通过协同作用实现水化速率与膨胀速率相匹配，并结合减缩组分，显著降低水泥基修补材料收缩值。因此缺少抗裂组分后，修补材料的收缩值大幅度增加，且由于收缩应力，也导致了粘结性能下降。
对比例4中采用普通河砂，其它组分与实施例1相同，性能数据显示：采用河砂后，水泥基修补材料抗压强度、抗折强度、特别是弹性模量显著低于实施例1。砂在水泥基材料中起重要的骨架作用，因此砂的自身强度对水泥基材料力学性能有重要的影响，因此采用强度较低的河砂后，修补材料力学性能显著降低。

Claims (5)

1.一种超高性能水泥基修补材料，其特征在于，包括以下成分，各种成分以质量份计算：
水泥 100份，
掺合料 15~50份，
纳米增强剂 2~15份，
抗裂组分 3~10份，
砂 80~220份，
纤维 10~30份，
高性能减水剂 2~5份，
水 15~35份；
所述水泥为强度等级42.5及以上的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；
所述掺合料为硅灰、超细矿粉、超细偏高岭土、超细沸石粉、石灰石粉、石英粉的任意两种或三种材料的混合物，且掺合料比表面积大于6000m2/kg；
所述纳米增强剂由纳米材料、分散剂以及水以任意比例配制而成，所述纳米材料为氧化石墨烯、纳米二氧化硅、纳米黏土中一种或多种组合，所述分散剂为六偏磷酸钠、硝酸钾、柠檬酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酸钠、聚乙二醇、聚乙烯砒咯烷酮的一种或多种组合；
所述抗裂组分为水化热调控材料、膨胀剂、减缩剂的任意一种或多种组合，所述水化热调控材料为淀粉基水化热调控材料或糊精类水化热调控材料的任意一种或两种混合，所述膨胀剂为氧化钙类膨胀剂、氧化镁类膨胀剂以及硫铝酸钙类膨胀剂的任意一种或两种混合，所述减缩剂为聚醚减缩剂、聚醇减缩剂的任意一种；
所述砂选自石英砂、金刚砂、刚玉砂、碳化硅的任意一种或两种混合，混合后粒径0.3mm~5.0mm；
所述纤维为金属纤维，长度3~12mm，直径0.1~0.3mm；
所述高性能减水剂为羧酸类高性能减水剂，减水率≥35%。
2.根据权利要求1所述的一种超高性能水泥基修补材料，其特征在于，包括以下成分，各种成分以质量份计算：
水泥 100份，
掺合料 34份，
纳米增强剂 10份，
抗裂组分 6份，
砂 150份，
纤维 20份，
高性能减水剂 2.5份，
水 22份。
3.根据权利要求2所述的一种超高性能水泥基修补材料，其特征在于，所述纳米增强剂的组分及各组分质量比为氧化石墨烯：纳米二氧化硅：纳米黏土：六偏磷酸钠：十二烷基苯磺酸钠：聚乙烯砒咯烷酮：水=4：13：11：5：10：0.5：56.5。
4.根据权利要求3所述的一种超高性能水泥基修补材料，其特征在于，所述抗裂组分的组分及各组分质量比为淀粉基水化热调控材料：氧化钙类膨胀剂：氧化镁类膨胀剂：聚醚减缩剂=5：48：32：15。
5.权利要求1至4任一项所述的一种超高性能水泥基修补材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：首先将水泥、掺合料、抗裂组分、砂和纤维混合至少2分钟；然后再加入水、纳米增强剂以及高性能减水剂搅拌至少3分钟，制得所述超高性能水泥基修补材料。
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