CN108484021A - 一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料及其制备方法 - Google Patents

一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料及其制备方法，属于水泥修补材料技术领域。所述的修补材料的原料按照质量百分数由水9.88%~15.89%、细骨料35.29%~44.89%、水泥35.29~36.56%、硅灰1.35%~3.53%、粉煤灰4.49%~5.29%、碳纳米纤维0.018%~0.023%、碳纤维0.21%~0.48%、纳米二氧化硅0.22%~1.06%、膨胀剂2.24%~2.82%、减水剂0.14%~0.18%组成。本发明制备的水泥基修补材料具有高抗拉强度，3MPa以上的修补界面粘结强度，200欧姆厘米以下的电阻率，可通过修补界面电阻变化的测量进行界面粘结状况自诊断，可有效恢复和提升混凝土结构安全服役性能。本发明通过纳米二氧化硅提高界面处硅酸钙凝胶含量，进而提高修补界面粘结强度，同时，通过碳纳米纤维和碳纤维协同组成的多尺度导电网络实现基于界面电阻变化的修补界面粘结状态自诊断。

Description

一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补 材料及其制备方法
技术领域
本发明属于水泥修补材料技术领域，具体涉及一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料及其制备方法。
背景技术
在此处当今，我国面临着基础设施建设接近甚至达到设计服役年限，部分结构出现明显损坏，需要投入大量的资金进行既有建筑的修复和维修，加固与改进。耐久性方面不仅体现在混凝土的基础设施中，而且还体现在混凝土的修补方面，修补界面受到物理化学因素的侵蚀，往往成为修复结构的薄弱区，过早的性能退化达不到修复效果。这就要求水泥基修补材料及修复界面具有强度高、耐久性好、变形好等特点，并且应实时掌握修复界面的粘结健康状态。但目前高界面性能的水泥基修补材料及技术较少，尤其缺乏有效的界面粘结状态的评价技术。
修补材料有很多种：水泥基材料，改性水泥基材料，聚合物改性水泥基材料以及纯聚合物材料。早期修补混凝土结构材料用普通硅酸盐水泥净浆或者砂浆，但由于新老混凝土界面薄弱，常常在界面出现裂缝和脱粘。修补材料往往会收缩产生细微裂缝致使界面粘结力下降，普通水泥砂浆修补材料使得新老混凝土界面的干缩应力增大，容易使界面发生较大变形而失效。因此，新老混凝土的界面是混凝土的薄弱面，为了改善新老混凝土的界面性能，可以进行老混凝土表面粗糙处理，可以改善界面的咬合粘结力。表面粗糙度的处理，只是增大了新老混凝土的界面机械咬合力，并没有改善界面的微观结构。并且，界面处理时产生的微裂缝可能会导致界面加速失效。基于这个原因，欧洲混凝土规范规定：对基底混凝土清理、凿毛等处理产生的带裂缝或者易剥落的混凝土必须采用清除或者补强措施。因此，改善界面自身的化学粘结是提高修补界面长期有效性的关键。
使用环氧改性界面剂与环氧砂浆修补材料，能提高新老混凝土的粘结抗剪强度和粘结抗拉强度，但是，聚合物改性砂浆做修补材料会使得修补材料和老混凝土出现明显的分界，原因是二者的耐久性不同，修补材料的渗透性和氯化物含量和老混凝土有所差别，使得混凝土的腐蚀发生在限制的区域，腐蚀速率会加快；此外，抗渗性的差异会使得基体混凝土吸水饱和体积增大，而修补材料抗渗性好，二者体积增大存在很大差异，故会在界面产生拉应力和剪应力，最终导致出现分层，新老混凝土的破坏，因此修复材料应与周围的混凝土有相似的成分、密度、弹性模量、热膨胀系数以及收缩性和渗透性。键入背景技术描述段落。
发明内容
在本发明的目的是为了解决现有水泥基修补材料抗拉强度低、耐久性差、体积收缩大、与老混凝土协同作用能力差、无法进行界面脱粘自诊断的问题，提供一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料及其制备方法，该方法是在充分了解修补材料作用机理和优缺点的基础上，结合结构健康监测的先进理念与技术而得到的。制备的水泥基修补材料充分利用宏观短切碳纤维和纳米尺度的纳米碳纤维形成多尺度增强网络，与既有混凝土结构同根同源，有较高的相容性，同时具有较高的抗拉强度，利用纳米尺度氧化硅材料的吸附驱动性和火山灰活性增加界面水化硅酸钙凝胶含量而增强界面的粘结力，同时能够通过界面电阻自诊断界面粘结状态的变化，对提高修复结构长期服役安全性有重要作用。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料，所述的修补材料的原料按照质量百分数由水9.88%~15.89%、细骨料35.29%~44.89%、水泥35.29~36.56%、硅灰1.35%~3.53%、粉煤灰4.49%~5.29%、碳纳米纤维0.018%~0.023%、碳纤维0.21%~0.48%、纳米二氧化硅0.22%~1.06%、膨胀剂2.24%~2.82%、减水剂0.14%~0.18%组成。
一种上述的具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料的制备方法，所述方法具体为：将纳米二氧化硅、水泥、膨胀剂、硅灰、粉煤灰、碳纳米纤维和碳纤维进行球磨分散均匀，得到复合水泥产品；在复合水泥产品中加入细骨料、减水剂、水充分搅拌，即得到水泥基修补材料。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
（1）本发明制备的水泥基修补材料具有20MPa以上的高抗拉强度，3MPa以上的修补界面粘结强度，200欧姆厘米以下的电阻率，可通过修补界面电阻变化的测量进行界面粘结状况自诊断，可有效恢复和提升混凝土结构安全服役性能。
（2）本发明通过纳米二氧化硅提高界面处硅酸钙凝胶含量，进而提高修补界面粘结强度，通过高模量高强度碳纳米纤维和碳纤维协同组成的多尺度增强纤维网络使得材料达到20MPa以上抗拉强度；同时，通过碳纳米纤维和碳纤维协同组成的多尺度导电网络实现基于界面电阻变化的修补界面粘结状态自诊断。
附图说明
图1为水泥基修补材料中电极布置侧面示意图，其中，1-诊断电极①、2-诊断电极②、3-诊断电极③、4-诊断电极④、5-诊断电极⑤；
图2为水泥基修补材料中电极布置示意图，其中，1-诊断电极①、2-诊断电极②、3-诊断电极③、4-诊断电极④；
图3为老混凝土中电极布置示意图，其中，5-诊断电极⑤。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。
本发明的原理为：（1）本发明采用的碳纳米纤维和碳纤维均具有高弹性模量与强度。碳纳米纤维和碳纤维的比例控制在0.074~0.524，碳纤维构成增强主网络，进而与分散在硅酸钙凝胶中的碳纳米纤维组成全区域多尺度纤维网络，实现从纳米尺度对硅酸钙凝胶增强改性到宏观尺度增强的全尺寸抗裂增强增韧效应，达到远高于一般纤维增强效果的抗拉强度；（2）本发明采用的纳米SiO2具有高火山灰反应活性和高比表面积，起到驱动水化产物向修补界面扩散的作用，促进新旧混凝土界面C-S-H凝胶的形成，提高界面粘结强度和致密性；（3）本发明采用的碳纳米纤维和碳纤维均具有优良导电性，在构成全区域多尺度增强纤维网络的同时，也构成了良好的全区域导电网络，使本水泥基修补材料具有优异导电性，因此，以水泥基修补材料和旧基体埋设碳棒作为电极，测试的电阻主要为修补界面的接触电阻，该电阻的变化与修补界面的粘结状态直接相关，可以通过电阻变化诊断修补界面的脱离等损坏情况。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料，所述的修补材料的原料按照质量百分数由水9.88%~15.89%、细骨料35.29%~44.89%、水泥35.29~36.56%、硅灰1.35%~3.53%、粉煤灰4.49%~5.29%、碳纳米纤维0.018%~0.023%、碳纤维0.21%~0.48%、纳米二氧化硅0.22%~1.06%、膨胀剂2.24%~2.82%、减水剂0.14%~0.18%组成，其中，碳纳米纤维、碳纤维和纳米SiO2作为功能增强组分。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料，所述的细骨料为粒径＜2mm的石英砂。
具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料，所述的水泥为普通硅酸盐水泥，所述的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰。
具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料，所述的膨胀剂为硫铝酸钙-氧化钙类混凝土膨胀剂。
具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料，所述的减水剂为减水率≥14%的聚羧酸高性能减水剂。
具体实施方式六：具体实施方式一所述的一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料，所述的碳纳米纤维长度为10~50μm，直径为100~150nm。
具体实施方式七：具体实施方式一所述的一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料，所述的碳纤维长度为6~10mm，直径＜7.5μm，弹性模量＞120GPa，抗拉强度＞3500MPa。
具体实施方式八：具体实施方式一所述的一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料，所述的纳米二氧化硅为直径5~15nm的非晶态材料。
具体实施方式九：一种具体实施方式一至八任一具体实施方式所述的具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料的制备方法，所述方法具体为：为了使得粉体材料和纤维材料分散的更加均匀，在修补材料制备前，将纳米二氧化硅、水泥、膨胀剂、硅灰、粉煤灰、碳纳米纤维和碳纤维进行球磨分散均匀，得到复合水泥产品；在进行修补材料制备时，在复合水泥产品中加入细骨料、减水剂、水充分搅拌，即得到水泥基修补材料。
诊断电极⑤的铺设过程：对于欲修补混凝土，先将欲修补混凝土（又称老混凝土）表面松动的骨料和水泥石清除，并将老混凝土表面清理干净；在浇筑修补材料之前，在老混凝土表面开凹槽，并将表面清理干净，将诊断电极⑤放置在老混凝土凹槽中，导线与诊断电极⑤相连并将导线引至老混凝土的表面，如图3老混凝土电极布置示意图所示。
修补材料中四个诊断电极铺设过程：将老混凝土表面用清水润湿，在老混凝土表面浇筑修补材料，浇筑厚度2~3cm；将四个诊断电极压入水泥基修补材料，压入距离修补界面5~10mm处，修补材料中电极布置侧面示意图如图1所示，四个电极工作在同一个平面，四个电极均为碳棒，碳棒具有高惰性和稳定性的特点，且四个电极工作的平面接近新老混凝土修补的界面。修补材料中电极布置示意图如图2所示，诊断电极①、诊断电极②、诊断电极③、诊断电极④这四个电极留有一定的间距，放置修补材料中，每个诊断电极和导线相连引出至修补材料表面；继续完成浇筑水泥基修补材料过程。
当五个诊断电极正常工作时，任意两个诊断电极均可通过导线相连，由于碳纳米纤维和碳纤维均具有优良导电性，在构成全区域多尺度增强纤维网络的同时，也构成了良好的全区域导电网络，使水泥基修补材料具有优异导电性。修补材料发生变形或者裂缝或者和老混凝土界面粘结发生变化，引起修补材料自身或者修补材料和老混凝土界面的电阻率发生变化，从而使得该水泥基修补材料具有了自诊断功能，可以达到自诊断和监测界面粘结性能的目的。
在应力作用下，若修补界面出现变形或者裂缝，会引起导电网络的电阻增大，此时将诊断电极②和诊断电极⑤通过导线相连可测的电阻率相比于修补界面正常工作时的电阻率突然增大。诊断电极①、诊断电极②、诊断电极③、诊断电极④中任意两个通过导线相连可测的电阻率相比于修补界面正常工作时的电阻率突然增大，从而具有自诊断功能。
若修补界面出现收缩、开裂以及脱粘，诊断电极①和诊断电极⑤、诊断电极②和诊断电极⑤、诊断电极③和诊断电极⑤、诊断电极④和诊断电极⑤，通过导线相连可测的电阻率也会不同程度地突然增大。根据这四对诊断电极电阻率突变的程度可以反应界面脱粘的程度，从而具有自诊断的功能。键入发明内容描述段落。

Claims (9)

1.一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料，其特征在于：所述的修补材料的原料按照质量百分数由水9.88%~15.89%、细骨料35.29%~44.89%、水泥35.29~36.56%、硅灰1.35%~3.53%、粉煤灰4.49%~5.29%、碳纳米纤维0.018%~0.023%、碳纤维0.21%~0.48%、纳米二氧化硅0.22%~1.06%、膨胀剂2.24%~2.82%、减水剂0.14%~0.18%组成。
2.根据权利要求1所述的一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料，其特征在于：所述的细骨料为粒径＜2mm的石英砂。
3.根据权利要求1所述的一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料，其特征在于：所述的水泥为普通硅酸盐水泥，所述的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰。
4.根据权利要求1所述的一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料，其特征在于：所述的膨胀剂为硫铝酸钙-氧化钙类混凝土膨胀剂。
5.根据权利要求1所述的一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料，其特征在于：所述的减水剂为减水率≥14%的聚羧酸高性能减水剂。
6.根据权利要求1所述的一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料，其特征在于：所述的碳纳米纤维长度为10~50μm，直径为100~150nm。
7.根据权利要求1所述的一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料，其特征在于：所述的碳纤维长度为6~10mm，直径＜7.5μm，弹性模量＞120GPa，抗拉强度＞3500MPa。
8.根据权利要求1所述的一种具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料，其特征在于：所述的纳米二氧化硅为直径5~15nm的非晶态材料。
9.一种权利要求1~8任一权利要求所述的具有界面粘结状态自诊断功能的高抗拉强度水泥基修补材料的制备方法，其特征在于：所述方法具体为：将纳米二氧化硅、水泥、膨胀剂、硅灰、粉煤灰、碳纳米纤维和碳纤维进行球磨分散均匀，得到复合水泥产品；在复合水泥产品中加入细骨料、减水剂、水充分搅拌，即得到水泥基修补材料。
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