CN110698164A - 一种钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料及其制备方法 - Google Patents

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    • C04B2111/723—Repairing reinforced concrete

Abstract

本发明公开了一种钢‑混凝土组合梁的混凝土层修补材料及其制备方法，属于混凝土修补材料领域。本发明的钢‑混凝土组合梁的混凝土层修补材料，由MgO、水玻璃、砂、石、矿渣、PTB乳液和水组成，各组分质量百分数为：MgO 0.5％～4.5％、水玻璃0.5％～6.0％、砂20％～50％、石0％～55％、矿渣14.0％～31.5％、PTB乳液0.5％～1.5％、水6.5％～10.0％，各组分质量百分数和为100％。本发明的钢‑混凝土组合梁的混凝土层修补材料具有环保性和工作性好、凝结时间短且凝结时间可控、早期强度高、防水性好、粘结性(与混凝土或钢质材料基底粘结)和耐久性优异等优点，具有较好的市场应用前景。

Description

一种钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料及其制备方法
技术领域
本发明属于混凝土修补材料领域，具体涉及一种钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料及其制备方法。
背景技术
钢-混凝土组合结构是大跨度桥梁常用的结构形式之一，其主要结构有钢箱梁上预埋剪力连接件(剪力键、剪力钉等)然后浇筑混凝土层组成。裂缝和坑槽病害是钢-混凝土组合结构中混凝土层的主要破坏形式，然而，裂缝和坑槽病害采用传统的混凝土修补材料修复后，在修复界面处很容易发生二次破坏，主要是修补材料和钢质桥面或原混凝土接触面粘结界面断裂失效，使得修补材料丧失边界支撑，造成钢-混凝土组合结构中混凝土层修复失效，进而导致钢桥面铺装层产生再次破坏。传统的钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料具有制备方式繁琐、成本高、满足开放交通要求强度的时间长、与钢桥面板粘结力低和在疲劳荷载作用下易脱落等缺点，严重制约了钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料的推广和应用。
目前，国内已申请的多个有关混凝土修补材料的专利，但未发现有关钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料的有关报道。如CN108328977A专利公开了一种混凝土修补材料；CN108911632A专利公开了一种混凝土修补材料及其制备方法；CN108546071A专利公开了一种混凝土修补材料及其制备方。专利CN109574611A公开了一种路面快速修补环保水泥基材料及其制备和使用方法，这些专利的修补材料均能有效的粘结在混凝土基面上，但均不能运用在钢基面混凝土的修补，而且材料组分较多，成本高，凝结时间不可控，不便于大规模生产施工。本发明采用环保水泥基材料(由水玻璃等具有碱性的激发剂激发矿渣所产生的胶凝材料)进行修补，通过特定原料配比，可使得该材料与钢质基面或混凝土基面粘结可靠。并可通过调控水玻璃温度控制凝结时间，操作方便，产业化前景广阔。
发明内容
针对上述背景技术中存在的缺陷与问题，本发明提供了一种钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明首先提供的是一种钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料。该钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料由MgO、水玻璃、砂、石、矿渣、PTB乳液和水组成，各组分质量百分数为：MgO 0.5％～4.5％、水玻璃0.5％～6.0％、砂20％～50％、石0％～55％、矿渣14.0％～31.5％、PTB乳液0.5％～1.5％、水6.5％～10.0％，各组分质量百分数和为100％。
进一步地，所述的MgO为900℃下煅烧1.5h的MgO，平均粒径为33.292μm。
进一步地，所述的水玻璃模数为1.0～1.5，水玻璃温度10℃～60℃，水玻璃的质量按Na2O当量计。
进一步地，所述的砂粒径为0.15mm～4.75mm。
进一步地，所述的石子粒径为4.75mm～15mm。
进一步地，所述的矿渣为S95级粒化高炉矿渣粉。
进一步地，所述的PTB乳液是乙烯-氯乙烯-乙烯酯产品，白色乳液状。其物理性能指标为粘性：80～120mPa.s、固体含量：52±1wt％、比重：1.1、pH值：7～9。
进一步地，所述的水为水玻璃中水和外加水的质量和。
本发明还提供了所述钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)计量：按上述比例分别计量各组成材料；
(2)拌合干料：将矿渣和MgO倒入搅拌机中干拌2～3分钟，然后再倒入砂和石搅拌2～3分钟；
(3)制备修补材料：将水玻璃温度控制在要求温度(通过加热或冷却等措施)，然后和PTB乳液一起溶解在水中，搅拌2～3分钟，制得外加剂溶液；然后将外加剂溶液倒入混合干料中搅拌2～3分钟，即制成钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料。
本发明的主要机理为：
(1)通过水玻璃温度的变化控制混凝土凝结时间，随着水玻璃温度的增大，混凝土凝结时间显著降低，这使凝结时间可控。另外体系中水玻璃还可以提供较强的碱性环境，使得矿渣内部的Si-O和Al-O四面体快速产生解聚和缩聚反应，形成致密的空间网状结构。
(2)水玻璃激发的碱矿渣混凝土和PTB乳液具有极好的粘结性。当PTB乳液掺入到钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料中时，PTB乳液在钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料内部形成聚合物网状空间结构，这抑制了钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料内部微裂缝的发展，使水泥基材料具有较好的柔韧性、力学性能(粘结强度和抗压强度等)和耐久性，粘结在钢质材料(钢箱梁等)粘结效果极好。
(3)该修补材料具有凝结时间快和早期强度高等优点，但也存在收缩易产生裂缝的缺点。MgO掺入修补材料中，生成的Mg(OH)2和类水滑石具有一定的膨胀性，明显抑制其收缩开裂问题，避免后期强度倒缩的缺陷，保证工程质量。
与现有的混凝土修补材料技术相比，本发明具有以下优点：
1)凝结时间可控。可通过调整水玻璃温度，控制该修补材料的凝结时间，满足施工和通车要求。本发明用于钢-混凝土组合梁的混凝土层修补，要求快速通车且要求与钢桥面粘结良好。
2)PTB乳液具有减水效果，且具备极好的防水性、粘结性和非凡的柔韧性，是一种有机粘结剂，其在失水时产生强度；该环保水泥(指矿渣和水玻璃组成)是一种无机粘结剂，其产生强度时需要消耗水。将无机和有机粘结剂相结合，取长补短，使添加了PTB乳液的水泥基材料具有很好的工作性、韧性、强度和耐久性。而且水玻璃激发的碱矿渣混凝土粘结性也好，与PTB混合使用，使得其与旧混凝土和钢质材料(钢箱梁等)粘结强度高，在各种荷载作用下不易脱落。
3)MgO是一种膨胀剂，加入碱激发混凝土中，增加混凝土的体积稳定性，使其避免收缩开裂问题。此外，本发明大量消耗固体废物矿渣，不仅环保效益明显，而且可以大幅度降低钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料的成本。
具体实施方式
本发明提供的是一种钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料及其制备方法。该钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料由MgO、水玻璃、砂、石、矿渣、PTB乳液和水组成，各组分质量百分数为：MgO 0.5％～4.5％、水玻璃0.5％～6.0％、砂20％～50％、石0％～55％、矿渣14.0％～31.5％、PTB乳液0.5％～1.5％、水6.5％～10.0％，各组分质量百分数和为100％。
本发明钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料，其制备过程为：
(1)计量：按上述比例分别计量各组成材料；
(2)拌合干料：将矿渣和MgO倒入搅拌机中干拌2～3分钟，然后再倒入砂和石搅拌2～3分钟；
(3)制备修补材料：将水玻璃的温度控制在要求温度，然后和PTB乳液一起溶解在水中，搅拌2～3分钟，制得外加剂溶液；然后将外加剂溶液倒入混合干料中搅拌2～3分钟，即制成钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料。
实施例1
本发明的钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料适用于深度40mm的坑槽修补，主要由MgO、模数2.0的水玻璃、砂、石(粒径4.75mm～15mm)、矿渣、PTB乳液和水组成，各组分质量百分数为：MgO 0.5％、水玻璃6％、砂25％、石38％、矿渣20％、PTB乳液0.5％、水10％，各组分质量百分数和为100％。
本发明钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料制备方法的具体步骤为：
(1)计量：按上述比例分别计量各组成材料；
(2)拌合干料：将矿渣和MgO倒入搅拌机中干拌2～3分钟，然后再倒入砂和石搅拌2～3分钟；
(3)制备修补材料：将水玻璃温度控制在60±2℃，然后和PTB乳液一起溶解在水中，搅拌2～3分钟，制得外加剂溶液；然后将外加剂溶液倒入混合干料中搅拌2～3分钟，即制成钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料。
对钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料的初凝时间、满足开放交通要求强度的时间、1d抗压强度、1d抗折强度、与基底的粘结强度进行测定，满足开放交通要求强度的时间21min、1d抗压强度54MPa、1d抗折强度5.0MPa、与基底(混凝土)的粘结强度2.2MPa，与基底(钢板)的粘结强度1.7MPa。满足《公路工程水泥混凝土用快速修补材料》(JT/T 1211.1-2018)中CRRM-I的要求。
实施例2
本发明的钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料适用于深度30mm的坑槽修补，主要由MgO、模数1.0的水玻璃、砂、石(粒径4.75mm～10mm)、矿渣、PTB乳液和水组成，各组分质量百分数为：MgO 2.5％、水玻璃0.5％、砂20％、石55％、矿渣14％、PTB乳液1.5％、水6.5％，各组分质量百分数和为100％。
本发明钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料制备方法的具体步骤为：
(1)计量：按上述比例分别计量各组成材料；
(2)拌合干料：将矿渣和MgO倒入搅拌机中干拌2～3分钟，然后再倒入砂和石搅拌2～3分钟；
(3)制备修补材料：将水玻璃温度控制在10±2℃，然后和PTB乳液一起溶解在水中，搅拌2～3分钟，制得外加剂溶液；然后将外加剂溶液倒入混合干料中搅拌2～3分钟，即制成钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料。
对钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料的初凝时间、满足开放交通要求强度的时间、1d抗压强度、1d抗折强度、与基底的粘结强度进行测定，满足开放交通要求强度的时间55min、1d抗压强度44MPa、1d抗折强度5.6MPa、与基底(混凝土)的粘结强度2.1MPa，与基底(钢板)的粘结强度2.0MPa。满足《公路工程水泥混凝土用快速修补材料》(JT/T 1211.1-2018)中CRRM-III的要求。
实施例3
本发明的钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料适用于深度5mm的裂缝修补，主要由MgO、模数1.5的水玻璃、砂(粒径0.00mm～1.25mm)、石、矿渣、PTB乳液和水组成，各组分质量百分数为：MgO 4.5％、水玻璃5.0％、砂50％、矿渣31.5％、PTB乳液1.0％、水8.0％，各组分质量百分数和为100％。
本发明钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料制备方法的具体步骤为：
(1)计量：按上述比例分别计量各组成材料；
(2)拌合干料：将矿渣和MgO倒入搅拌机中干拌2～3分钟，然后再倒入砂和石搅拌2～3分钟；
(3)制备修补材料：将水玻璃温度控制在35±2℃，然后和PTB乳液一起溶解在水中，搅拌2～3分钟，制得外加剂溶液；然后将外加剂溶液倒入混合干料中搅拌2～3分钟，即制成钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料。
对钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料的初凝时间、满足开放交通要求强度的时间、1d抗压强度、1d抗折强度、与基底的粘结强度进行测定，满足开放交通要求强度的时间30min、1d抗压强度49MPa、1d抗折强度5.4MPa、与基底(混凝土)的粘结强度2.3MPa，与基底(钢板)的粘结强度2.9MPa。满足《公路工程水泥混凝土用快速修补材料》(JT/T 1211.1-2018)中CRRM-II的要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料，其特征在于：其原料组分按质量百分数为：MgO 0.5％～4.5％、水玻璃0.5％～6.0％、砂20％～50％、碎石0％～55％、矿渣14.0％～31.5％、PTB乳液0.5％～1.5％、水6.5％～10.0％，各组分质量百分数总和为100％。
2.根据权利要求1所述的钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料，其特征在于：所述的MgO为900℃下煅烧1-2h的MgO，平均粒径为20-50μm。
3.根据权利要求1所述的钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料，其特征在于：所述水玻璃的水玻璃模数为1.0～1.5，水玻璃温度控制在10℃～60℃范围内，水玻璃的质量百分数按Na2O当量计。
4.根据权利要求1所述的钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料，其特征在于：所述的矿渣为S95级粒化高炉矿渣粉。
5.根据权利要求1所述的钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料，其特征在于：所述砂的粒径为0.15mm～4.75mm。
6.根据权利要求1所述的钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料，其特征在于：所述碎石的粒径为4.75mm～15mm。
7.根据权利要求1所述的钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料，其特征在于：所述的PTB乳液是乙烯-氯乙烯-乙烯酯产品，白色乳液状，其物理性能指标为粘性：80～120mPa.s、固体含量：52±1wt％、比重：1.1、pH值：7～9。
8.根据权利要求1所述的钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料，其特征在于：所述的水为水玻璃中水和外加水的质量和。
9.根据权利要求1-8任一项所述钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料的制备方法，其特征在于：其制备方法为：
(1)计量：按原料组分的质量百分数分别计量各组成材料；
(2)拌合干料：将矿渣和MgO倒入搅拌机中干拌至混合均匀，然后再倒入砂和碎石搅拌均匀，得混合干料；
(3)制备修补材料：将水玻璃温度控制在10℃～60℃，然后和PTB乳液一起溶解在外加的水中，搅拌2～3分钟，制得外加剂溶液；然后将外加剂溶液倒入混合干料中搅拌2～3分钟，即制成钢-混凝土组合梁的混凝土层修补材料。
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