CN110294621A - 基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料及制备方法 - Google Patents

基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料及制备方法 Download PDF

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侯贺利
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高小建
田金璐
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黄有鑫
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Abstract

本发明公开了一种基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料，含有的组分及质量百分比如下：磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料58～64；石英砂35～41；聚丙烯纤维0.8～1.0；磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料含有的组分及质量百分比包括：磷酸钾镁水泥88～92；硅灰粉7.7～11.7；木质素磺酸盐0.2～0.3；磷酸钾镁水泥含有的组分及质量百分比包括：过烧氧化镁粉70～75；磷酸二氢钾17～22；复合缓凝剂7～12；复合缓凝剂由硼砂、十二水合磷酸氢二钠、无机氯盐和聚磷酸盐构成。本发明制备的磷酸钾镁水泥基快速修补材料具有凝结硬化快、早期强度高、体积稳定性强、耐磨性强、粘结性好等特点，其与旧混凝土粘结性强、相融性较高，该发明制备工艺简单、使用方便、节能环保。

Description

基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种建筑材料，尤其是一种基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料及其制备方法。
背景技术
无砟轨道以其高整体性、高平顺性、较高的稳定性、较轻的重量、耐久性好、维修较少、速度高、能耗低、污染轻等一系列优点，被广泛应用于高速铁路轨道工程中。目前，我国修建的高铁均采用自主研发的CRTSⅢ型无砟轨道，轨道结构是由预制钢筋混凝土轨道板支撑钢轨的构件，自密实混凝土填充在轨道板和混凝土底座基础之间，施工过程构成的材料种类较多，且操作环境相对复杂，伴随着动态载荷与周围环境载荷的多场耦合情况，因此破坏失效的机理和动态性能的演化机制相对复杂，基础理论方面也尚未成熟，许多关键技术问题仍期待科研工作者去解决，尤其是随着服役年限的增加，混凝土的结构不可避免的出现破损状况。
混凝土结构的修补材料主要性能指标含括以下几个方面：凝结硬化后浆体与原混凝土的粘结强度、弹性模量、收缩系数、良好的耐久性等等。
无砟轨道结构的损伤修复必须坚持以下原则：
(1)快速抢修，无砟轨道结构的治理维修工作必须保证在天窗期4h以内完成，否则将对列车的正常运行带来不良的影响；
(2)重复维修性，修补材料应兼具耐久性和可维修性，确保修补后的服役混凝土再次出现伤损时可以完全祛除修补部位或基于再次破损的部位反复维修；
(3)优良的融合性，修补受损部位必须保证新旧材料的之间优良的融合性。
目前，国内针对破损混凝土结构的修补、加固、防护主要以有机环氧类砂浆为主，但凝结硬化后的环氧类砂浆脆性大、耐酸碱性较差、耐高温性较差，且随着服役年限的增加、环境的变化环氧类砂浆的老化问题已经成为不争的事实。因此，研制一种与原混凝土结构粘结强度大、机械强度高、施工快捷方便、固化快、原料来源丰富和价格低廉的新型无机胶凝材料必有广阔的发展空间。
发明内容
针对现有环氧类砂浆脆性大、耐酸碱性较差、耐高温性较差、老化严重等缺陷，本发明提供一种以磷酸钾镁水泥为胶凝剂的无机磷酸盐快速修补材料及其制备方法。本发明的磷酸钾镁水泥基快速修补材料具有凝结硬化快、早期强度高、体积稳定性强、耐磨性强、粘结性好等特点，其与旧混凝土粘结性强、相融性较高，该发明制备工艺简单、使用方便、节能环保。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料，含有的组分及质量百分比如下：磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料58～64；石英砂35～41；聚丙烯纤维0.8～1.0；上述各组份的质量百分数之和为100％；
所述磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料含有的组分及质量百分比如下：磷酸钾镁水泥88～92；硅灰粉7.7～11.7；木质素磺酸盐0.2～0.3；上述各组份的质量百分数之和为100％；
所述磷酸钾镁水泥含有的组分及质量百分比如下：过烧氧化镁粉70～75；磷酸二氢钾17～22；复合缓凝剂7～12；上述各组份的质量百分数之和为100％。
本发明中还提供了上述基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：制备成磷酸钾镁水泥：按照确定的烧氧化镁粉、磷酸二氢钾和复合缓凝剂的质量百分比，以过烧氧化镁粉作为碱性组份，磷酸二氢钾作为酸性组份，掺入复合缓凝剂，配制成磷酸钾镁水泥；
步骤二：制备磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料：按照确定的磷酸钾镁水泥、硅灰粉和木质素磺酸盐的质量百分比，以步骤一制备的磷酸钾镁水泥作为主胶凝剂，以硅灰粉作为改性矿物掺合料、以木质素磺酸盐作为助剂，均匀混合得到磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料；
步骤三：按照确定的磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料、石英砂和聚丙烯纤维的质量百分比，以步骤二制得的磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料，以石英砂作为填料，以聚丙烯纤维作为抗裂材料；
将磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料放入可调速的水泥砂浆搅拌机中，以58～145r/min的速度搅拌粉料至均匀，然后，以80～100g/s的流速加入石英砂和聚丙烯纤维，以58～145r/min的转度搅拌1min；继续搅拌并加入适量的水，其中水与磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料的质量比为10～12％，调节混合料浆体的流动度为160～200mm；混合料浆体均匀后再以115～290r/min的转速搅拌3～5min，即为所得。
进一步讲，本发明的基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料的制备方法，步骤一中，所述复合缓凝剂由硼砂、十二水合磷酸氢二钠、无机氯盐和聚磷酸盐组成，各组分的质量百分比为硼砂18～23；十二水合磷酸氢二钠46～51；无机氯盐和聚磷酸盐30～32；其中，无机氯盐与聚磷酸盐的质量比为2:3～1:1。所述过烧氧化镁粉的质量分数≥85％，过烧氧化镁粉的比表面积180～210m2/kg。所述磷酸二氢钾为工业级磷酸二氢钾，其主粒度为40/350～60/245目/μm。
步骤二中，所述硅灰粉为平均粒径在0.1～0.3μm，比表面积为:20000～28000m2/kg。所述木质素硫磺盐的分子量在800～10000之间。
步骤三中，所述石英砂中SiO2≥95％，细度模数为1.8，密度为1.30～1.50g/cm3。所述聚丙烯纤维长3～6mm，直径20～30μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中的新型无机胶凝材料主要是以磷酸钾镁水泥为主，由过烧氧化镁、钾磷酸盐和外加剂等按照一定比例制成，在酸性条件下通过酸碱化学反应及物理作用生成以磷酸盐为水化产物的硬化浆体；此类材料依据化学键的结合，兼具普通硅酸盐水泥和陶瓷质材料的主要特点，即常温条件下凝结硬化、凝结速度快、早期强度高、体积稳定性强、粘结性强、耐磨性强等。
磷酸钾镁水泥与硅酸盐水泥同属无机胶凝材料，无机胶凝材料间的融合性较高，即新旧混凝土的交界面发生水化反应，界面区的水化产物相互搭接形成密实度较高的网络状结构。鉴于磷酸钾镁水泥的优良性能，以其作为胶凝剂，用高纯度石英砂作为辅料，用聚合物纤维作为改性添加剂，通过对上述无机修补材料组成结构的优化设计和性能修饰，可研制出凝结硬化快、早期强度高、与旧混凝土相融性优良且稳定、对环境友好的新型无机快硬修补材料。
本发明通过调节组分和掺入量，并引入聚磷酸盐类，达到调控新拌磷酸钾镁水泥浆体的凝结时间在15～30min，解决了新拌磷酸钾镁水泥因自身反应较快造成的“假凝”问题。
本发明以磷酸钾镁水泥作为主胶凝剂，可使无机修补浆体快速硬化，并达到与旧混凝土结构基体快速粘结；引入硅灰粉，一方面依据其微观形貌呈球形的物理性质，可以增大修补施工时浆体的流动性，亦可达到了填充磷酸钾镁水泥由水化引起的“孔洞”，同时硅灰微粉在碱性环境下发生化学反应增加了基体的水化产物，硬化浆体的密实度得到提高，另一方面硅灰粉的良好装饰性可以调整磷酸钾镁水泥浆体的色差，最终达到与原混凝土色度相似；引入木质硫磺盐，依据木质素磺酸盐的高分子聚合阴离子活性剂特性、较大分子量特性、高强分散性、高强粘结性、高强螯合性等，改善浆体的和易性，提高修补施工的质量，同时也可抑制浆体流动度的损失。
本发明制备的磷酸钾镁水泥基修补材料，工作性能好，凝结硬化快，可大幅度提高修补施工效率；且磷酸钾镁水泥基修补材料与旧混凝土相容性好、粘结性高、耐久性良好、耐酸碱腐蚀性良好、抗老化性良好，在生产过程中无有毒、有害的刺激性气味，废弃的硬化浆体不会污染环境。
附图说明
图1是磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料制备及修补的工艺流程。
具体实施方式
根据图1的工艺过程，可将该快速修补材料的制备分为三个阶段：第一阶段即磷酸钾镁水泥的制备，第二阶段即磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料的制备，第三阶段为磷酸钾镁水泥基修补材料的制备。
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而并非限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体施工单位的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
实施例1：
一种磷酸钾镁水泥基快速修补材料，由磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料、充填集料(石英砂)、聚丙烯纤维和水混合而成：
磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料按质量百分比计为：过烧氧化镁63％、磷酸二氢钾19％、复合缓凝剂9.3％、硅灰粉8.4％、木质硫磺盐0.3％；其中的复合缓凝剂由硼砂、十二水合磷酸氢二钠、无机氯盐和聚磷酸盐组成，各组分的质量百分比为22：46：32；其中，复合缓凝剂中的无机氯盐与聚磷酸盐的质量比为2:3，无机氯盐选择氯化镁，聚磷酸盐选择聚磷酸钠。
所述过烧氧化镁粉的质量分数为95％，过烧氧化镁粉的比表面积200m2/kg；所述磷酸二氢钾为工业级磷酸二氢钾，其主粒度为40/350～60/245目/μm；所述硅灰粉为平均粒径在0.1～0.3μm，比表面积为:20000～28000m2/kg；所述木质素硫磺盐的分子量为10000。
磷酸钾镁水泥修补材料干料按质量分数计为：磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料60％、石英砂39％、PVC纤维1.0％。所述石英砂中SiO2的含量要大于95％，细度模数为1.8，密度为1.30～1.50g/cm3；所述聚丙烯纤维长3～6mm，直径20～30μm。
所述磷酸钾镁水泥基修补材料浆体的制备方法和使用方法，具体包括如下步骤：
首先，按照上述比例秤取制备磷酸钾镁基修补浆体原材料的量；
按照确定的烧氧化镁粉、磷酸二氢钾和复合缓凝剂的质量百分比，以过烧氧化镁粉作为碱性组份，磷酸二氢钾作为酸性组份，掺入复合缓凝剂，配制成磷酸钾镁水泥。
按照确定的磷酸钾镁水泥、硅灰粉和木质素磺酸盐的质量百分比，以上述制备的磷酸钾镁水泥作为主胶凝剂，以硅灰粉作为改性矿物掺合料、以木质素磺酸盐作为助剂，均匀混合得到磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料。
按照确定的磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料、石英砂和聚丙烯纤维的质量百分比，以上述制得的磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料，以石英砂作为填料，以聚丙烯纤维作为抗裂材料。
其次，将磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料放入可调速的水泥砂浆搅拌机中，以100r/min转速搅拌粉料至均匀，然后以100g/s的流速缓慢加入石英砂和聚丙烯纤维，以100r/min转速搅拌1min至均匀，继续以该转速搅拌，边搅拌边加入适量的水以调节混合料浆体的流动度，调节混合料浆体的流动度为160为宜，混合浆体均匀后再以200r/min转速搅拌3min,得到符合施工要求流动度的磷酸钾镁水泥基修补浆体。
清理并喷水润湿待修补的混凝土结构界面，至表面湿润但无流动的明水，用所制备的磷酸钾镁水泥基修补浆体均匀涂抹到破坏的混凝土结构界面，包裹透明薄膜或用胶带密封，自然条件下养护至28d。根据TG/GW115-2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则》，对本实施例磷酸钾镁水泥基修补材料的基本性能进行测试，结果见表1。
表1实施例1磷酸钾镁水泥基修补材料的性能
实施例2：
一种磷酸钾镁水泥基快速修补材料，由磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料、充填集料(石英砂)、聚丙烯纤维和水混合而成：
其中，磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料的组分和含量与实施例1相同。不同仅为，磷酸钾镁水泥修补材料干料按质量分数计为：磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料58％、石英砂41％、PVC纤维1.0％。复合缓凝剂中的无机氯盐与聚磷酸盐的质量比为1:1，无机氯盐选择氯化钾，聚磷酸盐选择聚磷酸钠。
实施例2的所述磷酸钾镁水泥基修补浆体的制备方法和使用方法与实施例1相同。
根据TG/GW115-2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则》，对本实施例磷酸钾镁水泥基修补材料的基本性能进行测试，结果见表2。
表2实施例2磷酸钾镁水泥基修补材料的性能
实施例3：
一种磷酸钾镁水泥基快速修补材料，由磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料、充填集料(石英砂)、聚丙烯纤维和水混合而成：
磷酸钾镁水泥基胶粘剂粉料按质量分数计为：过烧氧化镁62％、磷酸二氢钾23％、复合缓凝剂7.9％、硅灰粉6.8％、木质硫磺盐0.3％；
复合缓凝剂中的无机氯盐与聚磷酸盐的质量比为1:1，无机氯盐选择氯化镁，聚磷酸盐选择聚磷酸钠。
磷酸钾镁水泥修补材料干料按质量分数计为：磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料60％、石英砂39％、PVC纤维1.0％。
本实施例所述磷酸钾镁水泥基修补浆体的制备方法和使用方法与实施例1相同。
根据TG/GW115-2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则》，对本实施例磷酸钾镁水泥基修补材料的基本性能进行测试，结果见表3。
表3实施例3磷酸钾镁水泥基修补浆体的性能
综合上述实施例，本发明制备方法制备得到的基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料的各项技术指标均达标，其中，收缩率仅为0.03％～0.05％，抗压强度可以达到54.3～58.6MPa，抗折强度可以达到12.5～12.6MPa，粘结强度可以达到4.2～5.5MPa，抗冻性方面是无开裂和无剥落，对钢筋的无锈蚀。
本发明制备方法中制约修补效果的主要因素为：(1)磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料的组成成分，主要是酸(磷酸二氢钾)碱(过氧化镁)比例，其水化反应生成的水化产物MgKPO4·6H2O的量是制约强度和粘结性的关键；(2)磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料与石英砂的比例，修补砂浆组分中石英砂比例增大，需要的胶凝剂粉料的组分也相应提高，因此在同等比例下磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料的减少，石英砂相应的增多，会使硬化基体的胶凝性降低。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料，其特征在于，含有的组分及质量百分比如下：
磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料 58～64；
石英砂 35～41；
聚丙烯纤维 0.8～1.0；
上述各组份的质量百分数之和为100％；
所述磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料含有的组分及质量百分比如下：
磷酸钾镁水泥 88～92；
硅灰粉 7.7～11.7；
木质素磺酸盐 0.2～0.3；
上述各组份的质量百分数之和为100％；
所述磷酸钾镁水泥含有的组分及质量百分比如下：
过烧氧化镁粉 70～75；
磷酸二氢钾 17～22；
复合缓凝剂 7～12；
上述各组份的质量百分数之和为100％。
2.根据权利要求1所述基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料，其特征在于，所述复合缓凝剂含有的组分及质量百分比如下：
硼砂 18～23；
十二水合磷酸氢二钠 46～51；
无机氯盐和聚磷酸盐 30～32；
上述各组份的质量百分数之和为100％；
其中，无机氯盐与聚磷酸盐的质量比为2:3～1:1。
3.一种如权利要求1所述基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：制备成磷酸钾镁水泥：按照确定的烧氧化镁粉、磷酸二氢钾和复合缓凝剂的质量百分比，以过烧氧化镁粉作为碱性组份，磷酸二氢钾作为酸性组份，掺入复合缓凝剂，配制成磷酸钾镁水泥；
步骤二：制备磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料：按照确定的磷酸钾镁水泥、硅灰粉和木质素磺酸盐的质量百分比，以步骤一制备的磷酸钾镁水泥作为主胶凝剂，以硅灰粉作为改性矿物掺合料、以木质素磺酸盐作为助剂，均匀混合得到磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料；
步骤三：按照确定的磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料、石英砂和聚丙烯纤维的质量百分比，以步骤二制得的磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料，以石英砂作为填料，以聚丙烯纤维作为抗裂材料；
将磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料放入可调速的水泥砂浆搅拌机中，以58～145r/min的速度搅拌粉料至均匀，然后，以80～100g/s的流速加入石英砂和聚丙烯纤维，以58～145r/min的转度搅拌1min；继续搅拌并加入适量的水，其中水与磷酸钾镁水泥基胶凝剂粉料的质量比为10～12％，调节混合料浆体的流动度为160～200mm；混合料浆体均匀后再以115～290r/min的转速搅拌3～5min，即为所得。
4.根据权利要求3所述基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述复合缓凝剂由硼砂、十二水合磷酸氢二钠、无机氯盐和聚磷酸盐组成，各组分的质量百分比为硼砂18～23；十二水合磷酸氢二钠46～51；无机氯盐和聚磷酸盐30～32；其中，无机氯盐与聚磷酸盐的质量比为2:3～1:1。
5.根据权利要求3所述基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述过烧氧化镁粉的质量分数≥85％，过烧氧化镁粉的比表面积180～210m2/kg。
6.根据权利要求3所述基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述磷酸二氢钾为工业级磷酸二氢钾，其主粒度为40/350～60/245目/μm。
7.根据权利要求3所述基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述硅灰粉为平均粒径在0.1～0.3μm，比表面积为:20000～28000m2/kg。
8.根据权利要求3所述基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述木质素硫磺盐的分子量在800～10000之间。
9.根据权利要求3所述基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述石英砂中SiO2≥95％，细度模数为1.8，密度为1.30～1.50g/cm3。
10.根据权利要求3所述基于磷酸钾镁水泥无砟轨道无机快速修补材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述聚丙烯纤维长3～6mm，直径20～30μm。
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CN113045285A (zh) * 2021-03-11 2021-06-29 中铁十八局集团有限公司 基于磷酸镁水泥基抗硫酸盐涂层快速修补材料及制备方法
CN113149597A (zh) * 2021-04-09 2021-07-23 苏州诚开新材料有限公司 一种磷酸钾镁基钢材防腐涂层材料及其制备方法
CN113321484A (zh) * 2021-08-02 2021-08-31 天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司 基于磷酸镁水泥基抗硫酸盐海工修补加固材料及制备方法

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