CN110482972A - 一种早强路面修补材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种早强路面修补材料及其制备方法，该早强路面修补材料的组分包括高炉矿渣、粉煤灰、硅灰、偏高岭土、激发剂和外加剂，通过几种灰体组分的复合，在碱性条件下反应生成具有高强性能的材料，再通过外加剂进行调控，解决了碱激发材料早期凝结过快、含气量较大、收缩较大的问题，通过不同灰体之间的复合反应及外加剂，可以有效地调控碱激发基体材料的凝结时间、流动性、力学强度发展与基体气孔含量，使制得的路面修补材料可调控程度高，与旧混凝土的界面粘结性能好、相容性好，能有效提升道路的耐久性与服役寿命，适合推广使用。本发明另一实施例还提供了上述早强路面修补材料的制备方法。

Description

一种早强路面修补材料及其制备方法

技术领域

本发明属于混凝土路面修补技术领域，具体涉及一种早强路面修补材料及其制备方法。

背景技术

水泥混凝土路面具有强度高、稳定性好、承载力大、使用寿命长、养护费用低等优点。大部分国家和地区都广泛采用水泥混凝土路面作为高速公路、机场跑道、车站码头、乡村道路等路面的主要结构形式。

随着交通量的大幅度增加以及轴载重量的不断攀升，另外由于早年对城市道路桥梁结构耐久性的认识和重视程度不够，水泥混凝土路面在设计、施工、管理以及后期养护等阶段中存在的不足，使得早期铺设的水泥混凝土路面由于不堪重负出现了不同程度的破损，许多新建或正在使用中的混凝土路面尚未达到设计使用年限就产生了类似断板、裂缝、露骨、错台、碎裂等病害。这些病害的产生与发展容易对路面的力学性能、耐久性能以及驾驶员的行车舒适性造成负面影响。若不及时修复，可能会造成更大的损失。

如果用普通混凝土对破损路面进行局部修补，会产生新旧混凝土粘结力差、收缩大、养护周期长等问题。由于城市道路交通压力大，较长时间的路面维修养护容易造成大面积的拥堵。这就要求用于路面修补的材料要尽量在较短的时间内完成修复，使之既能保质保量的完成相应的维修任务，同时又不对城市交通造成较大的影响。

目前市面上常用的修补材料主要为有机类、无机类和有机-无机复合三类。有机类路面修补材料多为聚合物，应用范围广、施工方便，但有机材料造价高、多有毒或刺激气味、易老化且与原混凝土路面相容性差。无机类路面修补材料(如传统水泥)与旧混凝土路面粘结性能好，价格便宜，但是水泥凝结时间长，早期强度发展慢，导致施工周期较长，早期若养护不当，极易再次破坏。有机—无机复合类修补材料的综合性能较好，但这些材料的售价极为昂贵，性价比远不如其他路面修补材料。

除了有机类、无机类和有机-无机复合三类修补材料以外，碱激发材料是近年出现的一种新型胶凝材料，它利用工业废弃物和天然矿物为原材料，在碱性条件下生成硅铝酸盐凝结，碱激发材料具备一些特殊的工程性能，如早强、快硬、耐高温、耐酸碱腐蚀等，被认为是近年来最具发展潜力的新型绿色胶凝材料之一。然而，高强度的碱激发材料凝结时间过短，若配比不当，还会出现闪凝、假凝现象，早期性能难以控制，施工困难。

发明内容

为解决现有技术中，碱激发材料路面修补剂凝结时间过短、施工难的问题，本发明实施例之一的目的在于提供一种早强路面修补材料，该早强路面修补材料的组分包括高炉矿渣、粉煤灰、硅灰、偏高岭土、激发剂和外加剂，其中外加剂包括粉体外加剂和液体外加剂，该早强路面修补材料通过几种灰体组分的复合，在碱性条件下反应生成具有高强性能的材料，再通过外加剂进行调控，解决了碱激发材料早期凝结过快、含气量较大、收缩较大的问题，通过不同灰体之间的复合反应及外加剂，可以有效地调控碱激发基体材料的凝结时间、流动性、力学强度发展与基体气孔含量，使制得的路面修补材料可调控程度高，与旧混凝土的界面粘结性能好、相容性好，能有效提升道路的耐久性与服役寿命，适合推广使用。本发明另一实施例还提供了上述早强路面修补材料的制备方法。

一种早强路面修补材料，包括以下重量份计的组分：

高炉矿渣30～70份，

粉煤灰30～70份，

硅灰5～40份，

偏高岭土5～40份，

砂石160-250份，

骨料240-320份，

激发剂35～120份，

外加剂8～16份，

所述外加剂包括粉体外加剂和液体外加剂。

优选地，所述高炉矿渣中钙、硅和铝的氧化物之和大于85wt％，所述高炉矿渣中碳酸钙的含量≤10wt％。

钙、硅和铝的氧化物之和大于85wt％，作用是为了保证矿渣的碱激发活性。

高炉矿渣中碳酸钙的含量≤10wt％，目的是为了保证矿渣的碱激发活性。

高炉矿渣为碱性水淬高炉矿渣，陈化时间应小于1年，陈化时间过长，会降低矿渣的碱激发活性。

优选地，所述粉煤灰中钙、硅和铝的氧化物之和大于85wt％。

优选地，所述硅灰中活性氧化硅的含量大于90％。

氧化硅具有来源广泛、表面含有丰富的硅羟基，易于功能化修饰的特点。活性氧化硅指具有良好界面活性且对pH有响应的二氧化硅。

优选地，所述偏高岭土中硅和铝的氧化物之和大于90wt％。

优选地，所述偏高岭土的含碳量≤10wt％。

偏高岭土的含碳量若大于10wt％，则会导致需水量增加，早期强度下降。

优选地，所述激发剂是模数为1.0～1.8的硅酸钠溶液。

硅酸钠，俗称水玻璃或泡花碱，化学式为Na₂O·nSiO₂，其中n为二氧化硅和氧化钠的摩尔数比值，称为模数。模数n是硅酸钠最重要的特性参数，对硅酸钠的物理性质和化学性质有极大的影响。模数越大，硅酸钠越难溶于水，n为1时常温的水即能溶解，n增大时需热水才能溶解，n大于3时需4个大气压以上的蒸汽才能溶解；模数越大，二氧化硅含量越多，水玻璃粘度越大；模数越大，碱性越弱，模数越小，碱性越强，一般n<3称为碱性水玻璃，n≥3称为中性水玻璃。除此之外，不同模数的硅酸钠聚合程度不同，导致其水解产物中的硅酸组分也有重大差异。

不同模数的激发剂可以由NaOH与商用硅酸钠(水玻璃)与水经过比例复配而成，首先将NaOH颗粒溶解于水中，然后倒入商用硅酸钠溶液，搅拌均匀后可制得不同模数激发剂。

优选地，所述粉体外加剂包括碳酸盐、硼酸盐和硫酸盐。

进一步优选地，所述碳酸盐包括碳酸钠，硼酸盐包括硼酸钠和四硼酸钠，所述硫酸盐包括硫酸钠。

优选地，所述液体外加剂包括有机硅氧烷。

外加剂中，硫酸盐、硼酸盐可在反应早期迅速与激发剂反应，在灰体颗粒表面反应生成一层结构较为致密的产物膜，产物膜会阻碍灰体溶解反应的进行，从而达到缓凝作用。而碳酸盐中的碳酸根与激发剂混合后，降低了激发剂的碱度，也起到了减缓反应速度的作用。有机硅氧烷是有机物，可在灰体颗粒表面形成一层有机膜，起到与激发剂液体隔离的作用，降低早期反应速度。因此，本发明实施例的早强路面修补材料，通过组分外加剂中粉体外加剂和液体外加剂的复配作用，减缓了反应速度，最终实现了凝结时间的调控。

上述早强路面修补材料的制备方法，步骤包括：

S1:将所述高炉矿渣、粉煤灰、硅灰、偏高岭土和粉体外加剂混匀，得到混合干料；

S2:将所述激发剂与液体外加剂依次倒入步骤S1的混合干料中混匀，即得所述早强路面修补材料。

激发剂是模数为1.0～1.8的硅酸钠，可以由Na₂O、SiO₂与H₂O反应制得，反应过程中，NaOH与水反应时放出大量热，因此，制备得到的激发剂需要充分冷却后再使用，优选的冷却时间为至少12h。

步骤S1前，先将粉体外加剂中的组分混匀、磨细后再混合，粉体外加剂的粒径小于80μm。粒径大于80μm，会导致缓凝效果变差。

本发明的有益效果

1、本发明实施例提供的早强路面修补材料，通过几种灰体组分的复合，在碱性条件下反应生成具有高强性能的材料，再通过外加剂进行调控，解决了碱激发材料早期凝结过快、含气量较大、收缩较大的问题；

2、本发明实施例提供的早强路面修补材料，通过不同灰体之间的复合反应及外加剂，可以有效地调控碱激发基体材料的凝结时间、流动性、力学强度发展与基体气孔含量，使制得的路面修补材料可调控程度高，与旧混凝土的界面粘结性能好、相容性好，能有效提升道路的耐久性与服役寿命，适合推广使用；

3、本发明实施例提供的早强路面修补材料的制备方法，工艺简单，步骤流程短，对环境条件要求不苛刻，适用于不同工况条件下的施工作业。

具体实施方式

本发明实施例之一提供了一种早强路面修补材料，该早强路面修补材料的组分包括高炉矿渣、粉煤灰、硅灰、偏高岭土、激发剂和外加剂，其中外加剂包括粉体外加剂和液体外加剂，该早强路面修补材料通过几种灰体组分的复合，在碱性条件下反应生成具有高强性能的材料，再通过外加剂进行调控，解决了碱激发材料早期凝结过快、含气量较大、收缩较大的问题，通过不同灰体之间的复合反应及外加剂，可以有效地调控碱激发基体材料的凝结时间、流动性、力学强度发展与基体气孔含量，使制得的路面修补材料可调控程度高，与旧混凝土的界面粘结性能好、相容性好，能有效提升道路的耐久性与服役寿命，适合推广使用。本发明另一实施例还提供了上述早强路面修补材料的制备方法。

以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

一种早强路面修补材料，包括以下重量份计的组分：

高炉矿渣30份，粉煤灰30份，硅灰5份，偏高岭土5份，激发剂35份，外加剂8份，外加剂包括粉体外加剂和液体外加剂。

其中，高炉矿渣中钙、硅和铝的氧化物之和大于85wt％，高炉矿渣中碳酸钙的含量≤10wt％。高炉矿渣为碱性水淬高炉矿渣，陈化时间应小于1年。粉煤灰中钙、硅和铝的氧化物之和大于85wt％。硅灰中活性氧化硅的含量大于90％。偏高岭土中硅和铝的氧化物之和大于90wt％。偏高岭土的含碳量≤10wt％。激发剂是模数为1.0～1.8的硅酸钠。粉体外加剂包括碳酸盐、硼酸盐和硫酸盐。液体外加剂包括有机硅氧烷。

实施例2

一种早强路面修补材料，包括以下重量份计的组分：

高炉矿渣70份，粉煤灰70份，硅灰40份，偏高岭土40份，激发剂120份，外加剂16份，外加剂包括粉体外加剂和液体外加剂。

其中，高炉矿渣中钙、硅和铝的氧化物之和大于85wt％，高炉矿渣中碳酸钙的含量≤10wt％。高炉矿渣为碱性水淬高炉矿渣，陈化时间应小于1年。粉煤灰中钙、硅和铝的氧化物之和大于85wt％。硅灰中活性氧化硅的含量大于90％。偏高岭土中硅和铝的氧化物之和大于90wt％。偏高岭土的含碳量≤10wt％。激发剂是模数为1.0～1.8的硅酸钠。粉体外加剂包括碳酸盐、硼酸盐和硫酸盐。液体外加剂包括有机硅氧烷。

实施例3

一种早强路面修补材料，包括以下重量份计的组分：

高炉矿渣50份，粉煤灰40份，硅灰20份，偏高岭土20份，激发剂65份，外加剂12份，外加剂包括粉体外加剂和液体外加剂。

其中，高炉矿渣中钙、硅和铝的氧化物之和大于85wt％，高炉矿渣中碳酸钙的含量≤10wt％。高炉矿渣为碱性水淬高炉矿渣，陈化时间应小于1年。粉煤灰中钙、硅和铝的氧化物之和大于85wt％。硅灰中活性氧化硅的含量大于90％。偏高岭土中硅和铝的氧化物之和大于90wt％。偏高岭土的含碳量≤10wt％。激发剂是模数为1.0～1.8的硅酸钠。粉体外加剂包括碳酸盐、硼酸盐和硫酸盐。液体外加剂包括有机硅氧烷。

实施例4

本例提供了早强路面修补材料的制备方法，步骤包括：

S1:将所述高炉矿渣、粉煤灰、硅灰、偏高岭和粉体外加剂混匀，得到混合干料；

S2:将所述激发剂与液体外加剂依次倒入步骤S1的混合干料中混匀，即得所述早强路面修补材料。

激发剂是模数为1.0～1.8的硅酸钠，可以由Na₂O、SiO₂与H₂O反应制得，反应过程中，Na₂O与水反应生成NaOH时放出大量热，因此，制备得到的激发剂需要充分冷却后再使用，优选的冷却时间为至少12h。

步骤S1前，先将粉体外加剂中的组分混匀，粉体外加剂的粒径小于80μm。

实施例5

本例实际制备了一种凝结时间可调控的早强路面修补材料样品和四种对比样，并测试了样品的初凝时间、终凝时间等性能，具体如下：

首先按以下重量份称取原材料：高炉矿渣44份，粉煤灰52份，硅灰8份，偏高岭土5份，砂180份，骨料270份，激发剂中硅酸钠10份(Na₂O 4份，SiO₂ 6份)，模数为1.5，水45份，外加剂为碳酸钠5份，硼酸钠6份。

然后，将激发剂各组分按质量份数混合搅拌均匀，冷却12h以上，制得激发剂；

再将粉体外加剂混合1～2分钟后进行研磨，得到粉体外加剂；将液态外加剂混合均匀，得到液体外加剂；

将高炉矿渣粉、粉煤灰、硅灰、偏高岭土与粉体外加剂倒入搅拌机，干粉搅拌至混合均匀；将砂石倒入搅拌机中进行干拌2～3分钟，得到混合干料；

将激发剂溶液与液体外加剂依次倒入混合干料中搅拌3～4分钟，待搅拌均匀后，转移至模具进行震动成型，将样品在标准养护箱内(20℃，98％RH)养护7天、28天得制成样品1。

为了进行对比，采用同样配比但不掺加外加剂来进行样品制备，各组分按重量份数计为：高炉矿渣44份，粉煤灰52份，硅灰8份，偏高岭土5份，砂180份，骨料270份，激发剂中Na₂O 4份，SiO₂ 6份，水45份，采用同样方式进行搅拌成型，在标准养护箱内(20℃，98％RH)养护7天、28天得到对比样1。

采用同样配比但分别掺加外加剂：碳酸钠5份与铝酸钠6份(对比样2)；碳酸钠5份与柠檬酸6份(对比样3)；碳酸钠5份与铝酸钠3份与四硼酸钠3份(对比样4)，来进行样品制备，其余组分按重量份数计为：高炉矿渣44份，粉煤灰52份，硅灰8份，偏高岭土5份，砂180份，骨料270份，激发剂中硅酸钠10份(Na₂O 4份，SiO₂ 6份)，模数为1.5，水45份，采用同样方式进行搅拌成型，在标准养护箱内(20℃，98％RH)养护7天，28天得到对比样2，3和4。

相同条件下，测试了5种材料的初凝时间等性能，具体如表1所示。

表1样品1和对比样1～4的性能测试结果

从表1可以看出，本发明实施例的样品，凝结时间、流动性明显优于对比样，同时7天、28天的强度最高。当外加剂为碳酸盐和硼酸盐的混合时，缓凝效果最好。

实施例6

本例实际制备了一种凝结时间可调控的早强路面修补材料样品和1种对比样，并测试了样品的初凝时间、终凝时间等性能，具体如下：

首先按以下重量份称取原材料：高炉矿渣63份，粉煤灰32份，偏高岭土15份，硅灰10份，砂180份，骨料270份，激发剂中硅酸钠17.6份(Na₂O 8份，SiO₂ 9.6份)，模数为1.2，水43份，硫酸锌4份，碳酸钠4份，有机硅氧烷4份。然后按照以下步骤制备一种凝结时间了调控的早强路面修补材料：

将激发剂各组分按质量份数混合搅拌均匀，冷却12h以上，制得激发剂；

将粉体外加剂混合1-2分钟后进行研磨，得到粉体外加剂；将液态外加剂混合均匀，得到液体外加剂；

将高炉矿渣粉、粉煤灰、硅灰、偏高岭土与粉体外加剂倒入搅拌机，干粉搅拌至混合均匀；将砂石倒入搅拌机中进行干拌2-3分钟，得到混合干料；

将激发剂溶液与液体外加剂依次倒入混合干料中搅拌3-4分钟，待搅拌均匀后，转移至模具进行震动成型，将样品在标准养护箱内(20℃，98％RH)养护7天、28天得制成样品2。

为了进行对比，采用同样配比但不掺加外加剂来进行样品制备，各组分按重量份数计为：高炉矿渣63份，粉煤灰32份，偏高岭土15份，硅灰10份，砂180份，骨料270份，激发剂中激发剂中硅酸钠17.6份(Na₂O 8份，SiO₂ 9.6份)，模数为1.2，水43份，采用同样方式进行搅拌成型，在标准养护箱内(20℃，98％RH)养护7天，28天得到对比样5。经过测试，得出其主要性能如下表2所示。

表2样品2和对比样5的性能测试结果

从表2可以看出，本发明实施例的样品，凝结时间、流动性明显优于对比样，同时7天、28天的强度最高。

实施例7

本例实际制备了一种凝结时间可调控的早强路面修补材料样品和1种对比样，并测试了样品的初凝时间、终凝时间等性能，具体如下：

按以下重量份称取原材料：高炉矿渣48份，粉煤灰22份，偏高岭土34份，硅灰15份，砂180份，石子300份，激发剂中硅酸钠11份(Na₂O 5份，SiO₂ 6份)，模数为1.2，水42份，碳酸钠8份。然后按照以下步骤制备一种凝结时间了调控的早强路面修补材料：

将激发剂各组分按质量份数混合搅拌均匀，冷却12h以上，制得激发剂；

将粉体外加剂混合1-2分钟后进行研磨，得到粉体外加剂；将液态外加剂混合均匀，得到液体外加剂；

将高炉矿渣粉、粉煤灰、硅灰、偏高岭土与粉体外加剂倒入搅拌机，干粉搅拌至混合均匀；将砂石倒入搅拌机中进行干拌2-3分钟，得到混合干料；

将激发剂溶液与液体外加剂依次倒入混合干料中搅拌3-4分钟，待搅拌均匀后，转移至模具进行震动成型，将样品在标准养护箱内(20℃，98％RH)养护7天、28天得制成样品3。

为了进行对比，采用同样配比但不掺加外加剂来进行样品制备，各组分按重量份数计为：高炉矿渣48份，粉煤灰22份，偏高岭土34份，硅灰15份，砂180份，石子300份，激发剂中硅酸钠11份(Na₂O 5份，SiO₂ 6份)，模数为1.2，水42份，采用同样方式进行搅拌成型，在标准养护箱内(20℃，98％RH)养护7天，28天得到对比样6。经过测试，得出其主要性能如下表3所示。

表3样品3和对比样7的性能测试结果

从表2可以看出，本发明实施例的样品，凝结时间、流动性明显优于对比样，同时7天、28天的强度最高。

Claims (10)

1.一种早强路面修补材料，其特征在于，包括以下重量份计的组分：

高炉矿渣30～70份，

粉煤灰30～70份，

硅灰5～40份，

偏高岭土5～40份，

砂石160-250份，

骨料240-320份，

激发剂35～120份，

外加剂8～16份，

所述外加剂包括粉体外加剂和液体外加剂。

2.根据权利要求1所述的早强路面修补材料，其特征在于，所述高炉矿渣中钙、硅和铝的氧化物之和大于85wt％，所述高炉矿渣中碳酸钙的含量≤10wt％。

3.根据权利要求1所述的早强路面修补材料，其特征在于，所述粉煤灰中钙、硅和铝的氧化物之和大于85wt％。

4.根据权利要求1所述的早强路面修补材料，其特征在于，所述硅灰中活性氧化硅的含量大于90％。

5.根据权利要求1所述的早强路面修补材料，其特征在于，所述偏高岭土中硅和铝的氧化物之和大于90wt％。

6.根据权利要求1所述的早强路面修补材料，其特征在于，所述偏高岭土的含碳量≤10wt％。

7.根据权利要求1所述的早强路面修补材料，其特征在于，所述激发剂是模数为1.0～1.8的硅酸钠。

8.根据权利要求1所述的早强路面修补材料，其特征在于，所述粉体外加剂包括碳酸盐、硼酸盐和硫酸盐。

9.根据权利要求1所述的早强路面修补材料，其特征在于，所述液体外加剂包括有机硅氧烷。

10.根据权利要求1～9任一项所述早强路面修补材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：

S1:将所述高炉矿渣、粉煤灰、硅灰、偏高岭土和粉体外加剂混匀，得到混合干料；

S2:将所述激发剂与液体外加剂依次倒入步骤S1的混合干料中混匀，即得所述早强路面修补材料。