CN110156408A - 一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆及其制备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆，该修复砂浆由下述质量百分比的原料组成：水泥25.0~29.5%、石英砂52.2~52.7%、可分散乳胶粉1.4%~2.0%、纳米SiO₂0.4~1.0%、粉煤灰3.5~5.2%、偏高岭土1.8%~3.5%、纤维0.07~0.14%、减水剂0.18~0.24%、有机硅消泡剂0.03%~0.04%、纤维素醚0.01%~0.02%，余量为水。本发明该公开了该修复砂浆的制备方法。本发明方法简单、易于实施，所得的修复砂浆性能优良，适用于钢筋混凝土结构的修复。

Description

一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆及其制备

技术领域

本发明涉及水泥基材料结构修补材料制备技术领域，尤其涉及一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆及其制备。

背景技术

混凝土结构服役期间，由于载荷和外界因素的作用，其表面容易产生疏松、剥落等缺陷，甚至在材料内部产生微裂缝。这些缺陷若不能及时得以修复，外界水和侵蚀性介质不断从材料表面缺陷逐渐渗入，最终将引起混凝土耐久性的加速劣化。混凝土结构因为开裂、剥蚀、疏松等原因而失效的事故屡屡发生，这不仅给国家带来了巨大的经济损失，而且还严重威胁着人们的人身安全。

在我国西部的盐渍土地区，由于地下水中硫酸根离子明显偏高，对该地区已建和在建的混凝土结构最大的威胁就是硫酸盐侵蚀。同时硫酸盐侵蚀也是影响因素最复杂、危害性最大的一种环境水侵蚀。土壤、地下水、海水以及工业废水中的硫酸根离子渗入混凝土内部并与水化产物发生反应，产生膨胀、开裂、剥落等现象，从而使得混凝土的强度和黏性降低并丧失，严重危害混凝土结构的安全性和耐久性。

混凝土结构修补对防止混凝土的环境侵蚀，维护混凝土的使用性能，保证并提高混凝土结构的耐久性与使用寿命具有重要的现实意义。如果可以采用适宜的修复材料对钢筋混凝土结构进行修复加固，将具有巨大的社会效益和经济效益。

聚合物水泥基材料是一种典型的有机-无机复合材料，具有韧性高、粘结性能好、收缩性能好及耐久性好等优点，在结构修补领域得到广泛应用和迅速发展。

目前得到广泛应用的一些聚合物水泥基修复材料在应用中还存在一定的问题，如聚合物水泥基材料存在着凝结时间长、早期强度低、抗压强度低，收缩大，抗裂性能一般，弹性模量下降（可能造成与基底混凝土弹性模量不匹配）等缺点，而采取多种方式复合改性可以大大弥补聚合物单一改性的不足，如聚合物与超细矿物掺合料、聚合物与各种外加剂、聚合物与纤维材料及聚合物与纳米材料复合改性，是值得继续深入研究的发展方向，并且通过复合改性进一步提高聚合物水泥基材料的力学粘结性能及耐久性能，以及使得聚合物水泥基修复材料的应用范围将会达到进一步扩展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种性能优良的高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供该高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆的制备方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆，其特征在于：该修复砂浆由下述质量百分比的原料组成：水泥25.0~29.5%、石英砂52.2~52.7%、可分散乳胶粉1.4%~2.0%、纳米SiO₂0.4~1.0%、粉煤灰3.5~5.2%、偏高岭土1.8%~3.5%、纤维0.07~0.14%、减水剂0.18~0.24%、有机硅消泡剂0.03%~0.04%、纤维素醚0.01%~0.02%，余量为水。

所述水泥为52.5级普通硅酸盐水泥。

所述石英砂是指由20~40目石英砂、40~70目石英砂、70~140目石英砂按照5：4：1的质量比混合而得的混合物。

所述可再分散乳胶粉是指最低成膜温度为4℃，颗粒尺寸为400μm且筛余不超过4%的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。

所述纳米SiO₂的粒径为20~30nm。

所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其烧失量≤8%，细度≤20%，活性指数28d≥70%。

所述偏高岭土中活性二氧化硅与活性氧化铝的含量之和大于90%，比表面积为2600 m²/kg。

所述纤维是指聚丙烯纤维和木质纤维中的一种或两种；所述聚丙烯纤维是指直径为18~48μm的束状单丝纤维；所述木质纤维是指长度为400μm的灰色纤维。

所述减水剂是指含固量98%以上，减水率大于30%的聚羧酸盐粉剂减水剂。

所述纤维素醚是指粘度（NDJ旋转粘度计，2%，20℃）为90000~120000Pa·s的羟丙基甲基纤维素醚。

如上所述的一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆的制备方法，包括以下步骤：

⑴按配比称重；

⑵在80%的水中添加减水剂和有机硅消泡剂，然后将纳米SiO₂加入其中，在水泥胶砂搅拌机中快速搅拌1~2分钟，得到混合液；

⑶所述混合液移至数控超声波清洗器中，用超声波分散15 min，得到悬浊液；

⑷将水泥、石英砂、可分散乳胶粉、粉煤灰、偏高岭土、纤维、纤维素醚倒入水泥胶砂搅拌机中，干拌1分钟后，加入剩余的水与所述悬浊液，在搅拌机中慢速搅拌3分钟，再快速搅3分钟，直至浆体流动度为160~180mm，即得。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明中添加有可再分散乳胶粉，该可再分散乳胶粉与水混合进行再乳化后具有与原乳液相同的性质，即水分蒸发后会成膜，这种膜不但具有高度韧性，而且与各种基材的粘结性都非常好，可改善砂浆的工作性能，提高砂浆的粘结强度和抗折强度，增强砂浆的抗氯离子渗透性能、耐温湿变化性能、抗冻性能、抗碳化性能和抵抗塑性自由收缩的性能等。

2、本发明中添加有粉煤灰与偏高岭土，构成粉煤灰-偏高岭土多元复合掺合料，该复合掺合料对砂浆抗压强度有促进作用，尤其是添加偏高岭土可有效地改善聚合物改性修补砂浆的力学性能和收缩性能，早期的改善作用尤为明显；并且偏高岭土体现出一定的微膨胀效应，更有利于修补砂浆的收缩控制。同时偏高岭土的掺入对于砂浆耐久性有一定的改善作用，可以改善砂浆的水渗透性、氯离子渗透性以及抗硫酸盐侵蚀性等耐久性指标。

3、本发明中添加有纳米SiO₂，不仅能显著提高聚合物水泥基材料早期水化速率、促进聚合物的成膜，且降低其孔隙率并优化孔隙结构，因而显著地改善聚合物水泥基材料的早期强度。此外，由于纳米SiO₂有非常高的活性，能够及时消耗水化释放出的Ca(OH)₂，进一步提高聚合物水泥基材料的密实度，使得聚合物水泥基修复材料的抗冻性、抗渗性、抗硫酸盐侵蚀性、抗碳化等耐久性能有不同程度的提高，并且适量的纳米SiO₂改善了聚合物砂浆的界面结构和水泥石结构，使骨料与基体结合更加紧密，水泥石更密实。

4、本发明将两种不同纤维与聚合物胶粉共同作用能明显改善砂浆的抗开裂性能，并且可使砂浆的力学性能尤其是弹性、柔韧性和耐久性得到明显的提高。这是因为在聚合物与水泥水化产物共同形成膜状物质时，纤维能有效地穿插在各个膜状物质中间，形成更好的，更加牢固的网格结构，阻止砂浆的破坏，增强砂浆强度。而且，聚合物中的表面活性分子能够附着在纤维表面，使得纤维变得更加光滑，在水泥基材料中能很好的流动，分散更均匀。即聚合物能够增强纤维在水泥基材料内部的分散性，这样就能够进一步地增强砂浆的力学性能。

5、本发明中添加纤维素醚在砂浆中的作用主要体现在优良的保水能力、对砂浆稠度和触变性的影响及调整流变性三个方面，纤维素醚除了赋予砂浆良好的工作性能，还会降低水泥早期水化放热量，延缓水泥的水化动力学过程，这主要是由于它改变了水泥早期水化产物的生成进程及微观结构所致。

6、本发明综合了纤维素醚的柔性和水泥的刚性的特点，通过原料及配比的优化设计，从而满足了修补工程对材料的抗压强度、抗折强度、低收缩性、抗开裂的要求。其次，胶粉和纤维素醚复合掺入可以大大改善影响抗裂性能的干缩变形，这是因为胶粉和纤维素醚的掺入使砂浆能够在较长时期内保持一定的水分。而这些水分的存在有两个重要的作用：一是保证胶凝材料正常的水化；二是防止开裂。

7、将本发明所得的修复砂浆浇筑成40*40*160mm的试件，在标准养护条件下养护，对实施例1、实施例2和实施例3的试件进行了力学性能、收缩性能及抗硫酸盐侵蚀试验，力学性能和收缩性能试验参照《聚合物改性水泥砂浆试验规程》进行，抗硫酸盐侵蚀试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中半浸泡试验方法。如表1所示，各指标均满足《混凝土结构修复用聚合物水泥砂浆》规范要求，且抗蚀系数满足大于0.8的工程要求。

表1：试验结果

8、本发明方法简单、易于实施，所得的修复砂浆适用于钢筋混凝土结构的修复。

具体实施方式

实施例1 一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆，该修复砂浆由下述质量百分比（kg）的原料组成：水泥29.5%、石英砂52.7%、可分散乳胶粉1.4%、纳米SiO₂0.4%、粉煤灰3.5%、偏高岭土1.8%、纤维0.07%、减水剂0.18%、有机硅消泡剂0.03%、纤维素醚0.01%，余量为水。

该高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆的制备方法，包括以下步骤：

⑴按配比称重；

⑵在80%的水中添加减水剂和有机硅消泡剂，然后将纳米SiO₂加入其中，在水泥胶砂搅拌机中快速搅拌1~2分钟，得到混合液；

⑶混合液移至数控超声波清洗器中，用超声波分散15 min，得到悬浊液；

⑷将水泥、石英砂、可分散乳胶粉、粉煤灰、偏高岭土、纤维、纤维素醚倒入水泥胶砂搅拌机中，干拌1分钟后，加入剩余的水与悬浊液，在搅拌机中慢速搅拌3分钟，再快速搅3分钟，直至浆体流动度为160~180mm，即得。

实施例2 一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆，该修复砂浆由下述质量百分比（kg）的原料组成：水泥27.2%、石英砂52.4%、可分散乳胶粉1.7%、纳米SiO₂0.7%、粉煤灰4.4%、偏高岭土2.6%、纤维0.1%、减水剂0.21%、有机硅消泡剂0.035%、纤维素醚0.017%，余量为水。

该高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆的制备方法同实施例1。

实施例3 一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆，该修复砂浆由下述质量百分比（kg）的原料组成：水泥25.0%、石英砂52.2%、可分散乳胶粉2.0%、纳米SiO₂1.0%、粉煤灰5.2%、偏高岭土3.5%、纤维0.14%、减水剂0.24%、有机硅消泡剂0.04%、纤维素醚0.02%，余量为水。

该高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆的制备方法同实施例1。

上述实施例1~3中，水泥为52.5级普通硅酸盐水泥。

石英砂是指由20~40目石英砂、40~70目石英砂、70~140目石英砂按照5：4：1的质量比混合而得的混合物。

可再分散乳胶粉是指最低成膜温度为4℃，颗粒尺寸为400μm且筛余不超过4%的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。

纳米SiO₂的粒径为20~30nm。

粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其烧失量≤8%，细度≤20%，活性指数28d≥70%。

偏高岭土中活性二氧化硅和活性氧化铝含量大于90%，比表面积为2600 m²/kg。

纤维是指聚丙烯纤维和木质纤维中的一种或两种；聚丙烯纤维是指直径为18~48μm的束状单丝纤维；木质纤维是指长度为400μm的灰色纤维。

减水剂是指含固量98%以上，减水率大于30%的聚羧酸盐粉剂减水剂。

纤维素醚是指粘度（NDJ旋转粘度计，2%，20℃）为90000~120000Pa·s的羟丙基甲基纤维素醚。

Claims (10)

1.一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆，其特征在于：该修复砂浆由下述质量百分比的原料组成：水泥25.0~29.5%、石英砂52.2~52.7%、可分散乳胶粉1.4%~2.0%、纳米SiO₂0.4~1.0%、粉煤灰3.5~5.2%、偏高岭土1.8%~3.5%、纤维0.07~0.14%、减水剂0.18~0.24%、有机硅消泡剂0.03%~0.04%、纤维素醚0.01%~0.02%，余量为水。

2.如权利要求1所述的一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆，其特征在于：所述水泥为52.5级普通硅酸盐水泥。

3.如权利要求1所述的一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆，其特征在于：所述石英砂是指由20~40目石英砂、40~70目石英砂、70~140目石英砂按照5：4：1的质量比混合而得的混合物。

4.如权利要求1所述的一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆，其特征在于：所述可再分散乳胶粉是指最低成膜温度为4℃，颗粒尺寸为400μm且筛余不超过4%的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。

5.如权利要求1所述的一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆，其特征在于：所述纳米SiO₂的粒径为20~30nm。

6.如权利要求1所述的一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆，其特征在于：所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其烧失量≤8%，细度≤20%，活性指数28d≥70%。

7.如权利要求1所述的一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆，其特征在于：所述纤维是指聚丙烯纤维和木质纤维中的一种或两种；所述聚丙烯纤维是指直径为18~48μm的束状单丝纤维；所述木质纤维是指长度为400μm的灰色纤维。

8.如权利要求1所述的一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆，其特征在于：所述减水剂是指含固量98%以上，减水率大于30%的聚羧酸盐粉剂减水剂。

9.如权利要求1所述的一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆，其特征在于：所述纤维素醚是指粘度为90000~120000Pa·s的羟丙基甲基纤维素醚。

10.如权利要求1所述的一种高性能纳米纤维改性聚合物水泥基修复砂浆的制备方法，包括以下步骤：

⑴按配比称重；

⑵在80%的水中添加减水剂和有机硅消泡剂，然后将纳米SiO₂加入其中，在水泥胶砂搅拌机中快速搅拌1~2分钟，得到混合液；

⑶所述混合液移至数控超声波清洗器中，用超声波分散15 min，得到悬浊液；

⑷将水泥、石英砂、可分散乳胶粉、粉煤灰、偏高岭土、纤维、纤维素醚倒入水泥胶砂搅拌机中，干拌1分钟后，加入剩余的水与所述悬浊液，在搅拌机中慢速搅拌3分钟，再快速搅3分钟，直至浆体流动度为160~180mm，即得。