CN110803906A - 一种基于硫铝酸盐-硅酸盐水泥体系的超高性能修补混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硫铝酸盐‑硅酸盐水泥体系的超高性能修补混凝土，它以硫铝酸盐复合硅酸盐为胶凝材料，掺加低成本的河沙和石材加工尾粉作为细集料和填料，并采用适用于SAC体系的高效减水剂和有机‑无机复合早强剂，制备出适合用于高等级公路水泥混凝土路面快速修补的专用材料。该材料具有高强度、高韧性、高抗裂性以及快速通车等特点，并可表现出优异的后期强度和耐久性能，且涉及的原料来源广、成本低，适合推广应用。

Description

一种基于硫铝酸盐-硅酸盐水泥体系的超高性能修补混凝土

技术领域

本发明属于道路建筑材料技术领域，具体涉及一种基于硫铝酸盐-硅酸盐水泥体系的超高性能修补混凝土。

背景技术

超高性能混凝土(UHPC)具有超高强度、优异的韧性和耐久性、几乎无渗透、有一定的自修复功能等优点，其抗压强度一般超过20MPa，抗折强度高于20MPa，被广泛应用于电缆槽、人行道盖板、高速铁路、地铁、桥梁中，尤其是高韧性薄层混凝土结构中。这种突出的力学性能使其非常适用于道路修补材料。然而，随着经济的发展，我国大量道路交通量趋于饱和，对于维修养护的效率提出越来越高的要求，甚至要求当晚维修，第二天清晨通车。

目前的UHPC普遍采用硅酸盐水泥体系，且为提高其工作性能，往往掺加大量的缓凝组分，使其在数小时内难以形成需要的强度，难以实现快速开发交通。硫铝酸盐水泥(SAC)是目前常用的快速修补材料用胶结材料，它具有凝结时间短、早强、低收缩的特性；但也存在着后期强度低甚至强度倒缩对较差等问题。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种基于硫铝酸盐-硅酸盐水泥体系的超高性能修补混凝土，它以硫铝酸盐复合硅酸盐为胶凝材料，掺加低成本的河沙和石材加工尾粉作为细集料和填料，并采用适用于SAC体系的高效减水剂和有机-无机复合早强剂，制备出适合用于高等级公路水泥混凝土路面快速修补的专用材料，该材料具有高强度、高韧性、高抗裂性以及快速通车和耐久性好等特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于硫铝酸盐-硅酸盐水泥体系的超高性能修补混凝土，各组分及其含量包括：硫铝酸盐水泥350～450kg/m³，硅酸盐水泥300～400kg/m³，粉煤灰微珠150～250kg/m³，硅灰100～150kg/m³，花岗岩石粉200～250kg/m³，河砂900～1100kg/m³，钢纤维160～240kg/m³，超分散外加剂15～20kg/m³，缓凝剂3～4kg/m³，早强剂1～2kg/m³，水145～168kg/m³。

上述方案中，所述硫铝酸盐水泥的标号为R.SAC 42.5或R.SAC 52.5。

上述方案中，所述硅酸盐水泥的标号为P.O.42.5或P.O.52.5。

上述方案中，所述粉煤灰微珠的平均粒径小于0.5μm，比表面积大于1000m²/kg；且不能通过粉磨技术制得的超细粉煤灰。

上述方案中，所述硅灰为生产硅单质的工业副产品，其SiO₂含量≥95wt％，比表面积≥15000m²/kg，28d活性指数≥105％。

上述方案中，所述花岗岩石粉为石材厂打磨抛光石材时产生的微粉，平均粒径5～10μm。

上述方案中，所述河砂的细度模数为1.6～2.2。

上述方案中，所述钢纤维为镀铜微细钢纤维，其抗拉强度为≥600Mpa；其细度要求为过2～5mm细孔筛。

上述方案中，所述缓凝剂为硼酸。

上述方案中，所述早强剂由无机早强剂和有机早强剂按7:3～8:2的质量比复合而成；其中无机早强剂为碳酸锂、硫酸钠、硫酸铝、氯化钙中的一种或几种；有机早强剂为三乙醇胺、三异丙醇胺中的一种或二者混合物。

上述方案中，所述超分散外加剂为适用于SAC的聚醚型聚羧酸减水剂；以马来酸酐(MA)、烯丙基聚氧乙烯醚(APEG)、甲基烯丙基磺酸钠(SMAS)为主要原料经自由基聚合而成。

上述方案中，所述聚醚型聚羧酸减水剂的制备方法包括以下步骤：

1)将将MA、APEG、SMAS这三种单体按(2.4～2.6):(1.4～1.6):1的摩尔比在50～60℃的水中混合；

2)加入NaOH溶液中和MA(摩尔比1:1)，并将所得溶液体系加热至70～80℃；

3)向步骤2)所得溶液体系中滴加引发剂，其中引发剂与三种单体之和的摩尔比为(0.07～0.12):1；保温反应3～4h后，即得所述聚醚型聚羧酸减水剂。

上述方案中，所述超分散外加剂的结构式见式I：

式中，a取值45～75，b取值30～45，c取值20～30，m取值50～56。

上述方案中，所述水为自来水。

上述方案中一种基于硫铝酸盐-硅酸盐水泥体系的超高性能修补混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1)原材料的称取；按以下配比称取原材料：硫铝酸盐水泥350～450kg/m³，硅酸盐水泥300～400kg/m³，粉煤灰微珠150～250kg/m³，硅灰100～150kg/m³，花岗岩石粉200～250kg/m³，河砂900～1100kg/m³，钢纤维160～240kg/m³，超分散外加剂15～20kg/m³，缓凝剂3～4kg/m³，早强剂1～2kg/m³，水145～168kg/m³；

2)将称取的粉料与河砂放入搅拌机内进行干拌，同时用细孔筛将钢纤维筛入搅拌机中，干拌均匀；

3)将超分散剂溶于水中后加入搅拌机，搅拌均匀，得到混合均匀的新拌混凝土；

4)将所得新拌混凝土装模、振捣、抹面，即可制得所述基于硫铝酸盐-硅酸盐水泥体系的超高性能修补混凝土。

本发明的原理为：

1)本发明制备的专用超分散外加剂选用含双键可直接进行聚合反、自身聚合度高、且具有较长聚氧化乙烯(PEO)支链的AEPG作为主体功能材料，其长侧链使吸附在SAC颗粒表面的PC分子被SAC不断生成的水化产物完全包埋住，从而能够较长时间的发挥其空间位阻分散作用；与MA形成共轭络合物后，大量的羧酸基团可与Ca²⁺生成络合物，形成一层厚实而无定型的络合物膜包裹在水泥颗粒表面，从而延缓水泥的水化及水化产物的结晶析出同时延缓SAC的早期水化速度，提高PC分子的保塑性；选用SMAS可调整PEO支链的密度，避免因其密度过大导致减水剂分子难以吸附至水泥颗粒表面的问题；所得超分散外加剂对SAC中的C₄A₃S和C₂S颗粒均有着很好的吸附性，且对POC体系水泥颗粒吸附性良好，适用于SAC-POC复合体系。

2)采用有机-无机复合体系设计SAC-POC体系的早强剂；锂盐对SAC有着显著的早强作用，同时也可对POC体系发挥一定作用；然而研究表明锂盐的加入会使早期水化产物覆盖在未水化水泥颗粒表面，进而使SAC体系后期强度难以增长甚至倒缩；而有机类早强剂在SAC-POC体系中可以迅速增加钙溶解度和体系碱度，促进钙矾石和C-S-H凝胶的形成，部分消解锂盐早强剂带来的副作用；二者复合可使所得SAC-POC体系在3-4小时完成大部分水化，形成强度；

3)采用河沙、水泥、废弃石粉、粉煤灰微珠、硅灰粉多级颗粒紧密堆积体系，有效提高材料微观结构的致密性，进一步显著提升所得混凝土的力学性能和耐久性能；且采用的普通河砂和废弃石粉可大大降低材料成本。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明开发出了适用于SAC的高效减水剂，使SAC-POC可在低水胶比情况下表现出较好的工作性能；

2)通过减水剂、缓凝剂、早强剂复合，制备出了超早强SAC-POC体系的超高性能道路修补混凝土。

3)本发明采用的普通河砂和废弃石粉可大大降低材料成本。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中，如无具体说明，采用的试剂均为市售化学试剂。

采用的硫铝酸盐水泥为襄阳安达特种水泥厂生产的RSAC42.4水泥；硅酸盐水泥为粤秀水泥生产的P.O.52.5水泥；粉煤灰微珠购买自河北省灵寿县，比表面积为1100m²/kg；硅灰由武汉广福建材有限公司提供，其SiO₂质量含量98％，比表面积15600m²/kg；钢纤维由武汉新途工程材料有限公司提供；硼酸为市售工业纯硼酸；对比例1和2所用减水剂采用上海三瑞生产的VIVID聚羧酸减水剂。

所述超分散外加剂的制备方法包括入下步骤：

1)将三种单体按摩尔比MA:APEG-56:SMAS＝2.5:1.5:1在50℃的水中混合；

2)用NaOH溶液按摩尔比1:1中和MA，并将所得溶液体系加热至75℃；

3)按n(KPS):n(三种单体之和)＝0.08:1的比例，向步骤2)中所得溶液体系中缓慢滴加KPS；保温反应4h后，即得所述适用于SAC的聚醚型聚羧酸减水剂(超分散外加剂)。

实施例1～3

实施例1～3所述基于硫铝酸盐-硅酸盐水泥体系的超高性能修补混凝土的制备方法包括以下步骤：

1)原材料的称取；按表1所述配比称取各原料；

2)将称取的粉料与河砂放入搅拌机内进行干拌，同时用2～5mm细孔筛将钢纤维筛入搅拌机中，搅拌90～300秒；

3)将超分散外加剂溶于水中后加入搅拌机，搅拌均匀，得到混合均匀的新拌混凝土；

4)将所得新拌混凝土进行装模、振捣、抹面，即可制得所述基于硫铝酸盐-硅酸盐水泥体系的超高性能修补混凝土。

表1实施例1-3所述超高性能修补混凝土的配合比(单位kg/m³)

对比例1

对比例1为普通超高性能混凝土，采用与实施例相近的配比，制备方法包括以下步骤：

1)原材料的称取；按表2所述配比称取各原料；

2)将称取的粉料与河砂放入搅拌机内进行干拌，同时用2～5mm细孔筛将钢纤维筛入搅拌机中，搅拌90～300秒；

3)将减水剂溶于水中后加入搅拌机，搅拌均匀，得到混合均匀的新拌混凝土；

4)将所得新拌混凝土进行装模、振捣、抹面。

对比例2

对比例2为SAC-POC复合体系超高性能混凝土，配比与实施例1基本一致，但仅采用与对比例1相同的外加剂(减水剂)，并不掺加本发明制备的早强剂与缓凝剂，制备方法包括以下步骤：

1)原材料的称取；按表2所述配比称取各原料；

2)将称取的粉料与河砂放入搅拌机内进行干拌，同时用2～5mm细孔筛将钢纤维筛入搅拌机中，搅拌90～300秒；

3)将超分散外加剂溶于水中后加入搅拌机，搅拌均匀，得到混合均匀的新拌混凝土；

4)将所得新拌混凝土进行装模、振捣、抹面。

表2对比例1所述超高性能混凝土的配合比(单位kg/m³)

对实施例1～3所得超高性能修补混凝土及对比例1～2进行工作性能和力学性能等性能测试，测试结果见表3

表3实施例1-3与对比例1-2所得超高性能混凝土的性能测试结果

从表中测试结果可以看出，采用本发明所述超分散外加剂和复合缓凝剂可使扩展度达到560mm以上，3h抗压强度大于40MPa，抗折强度大于9MPa，且随着钢纤维掺量的提高，可达15MPa以上，远远满足通车所需的力学性能，从而实现快速修补的功能；对比例中POC体系的一般UHPC在3小时无法达到终凝并形成强度，未使用本发明专用外加剂的SAC-POC体系(对比例2)，其扩展度仅有250mm，无法满足施工要求，且虽1天强度较POC体系UHPC有较大幅度增加，但3小时强度仅有5MPa，远远不能满足通车要求。从28天抗压抗折强度、韧性和抗渗性能来看，实施例与对比例1相当或更优，证明实施例的最终力学性能和抗裂性均达到主流UPHC的要求。而对比例3所述材料体系中引入早强剂后，造成拌和后在极短时间内凝结，无法成型，无法满足对应使用要求。

上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于硫铝酸盐-硅酸盐水泥体系的超高性能修补混凝土，其特征在于，各组分及其含量包括：硫铝酸盐水泥350～450kg/m³，硅酸盐水泥300～400kg/m³，粉煤灰微珠150～250kg/m³，硅灰100～150kg/m³，花岗岩石粉200～250kg/m³，河砂900～1100kg/m³，钢纤维160～240kg/m³，超分散外加剂15～20kg/m³，缓凝剂3～4kg/m³，早强剂1～2kg/m³，水145～168kg/m³。

2.根据权利要求1所述的超高性能修补混凝土，其特征在于，所述硫铝酸盐水泥为R.SAC 42.5或R.SAC 52.5；所述硅酸盐水泥为P.O.42.5或P.O.52.5。

3.根据权利要求1所述的超高性能修补混凝土，其特征在于，所述粉煤灰微珠的平均粒径小于0.5μm，比表面积大于1000m²/kg。

4.根据权利要求1所述的超高性能修补混凝土，其特征在于，所述硅灰的SiO₂含量≥95wt％，比表面积≥15000m²/kg，28d活性指数≥105％；所述花岗岩石粉的平均粒径为5～10μm；河砂的细度模数为1.6～2.2。

5.根据权利要求1所述的超高性能修补混凝土，其特征在于，所述钢纤维为镀铜微细钢纤维，其抗拉强度为≥600Mpa。

6.根据权利要求1所述的超高性能修补混凝土，其特征在于，所述缓凝剂为硼酸。

7.根据权利要求1所述的超高性能修补混凝土，其特征在于，所述早强剂由无机早强剂和有机早强剂按7:3～8:2的质量比复合而成；其中无机早强剂为碳酸锂、硫酸钠、硫酸铝、氯化钙中的一种或几种；有机早强剂为三乙醇胺、三异丙醇胺中的一种或二者混合物。

8.根据权利要求1所述的超高性能修补混凝土，其特征在于，所述超分散外加剂为以马来酸酐、烯丙基聚氧乙烯醚、甲基烯丙基磺酸钠为主要原料经自由基聚合而成的聚醚型聚羧酸减水剂。

9.根据权利要求1所述的超高性能修补混凝土，其特征在于，所述超分散外加剂的结构式见式I：

式中，a取值45～75，b取值30～45，c取值20～30，m取值50～56。

10.权利要求1～9任一项所述基于硫铝酸盐-硅酸盐水泥体系的超高性能修补混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)原材料的称取；按以下配比称取原材料：硫铝酸盐水泥350～450kg/m³，硅酸盐水泥300～400kg/m³，粉煤灰微珠150～250kg/m³，硅灰100～150kg/m³，花岗岩石粉200～250kg/m³，河砂900～1100kg/m³，钢纤维160～240kg/m³，超分散外加剂15～20kg/m³，缓凝剂3～4kg/m³，早强剂1～2kg/m³，水145～168kg/m³；

2)将称取的粉料与河砂放入搅拌机内进行干拌，同时用细孔筛将钢纤维筛入搅拌机中，干拌均匀；

3)将超分散剂溶于水中后加入搅拌机，搅拌均匀，得到混合均匀的新拌混凝土；

4)将所得新拌混凝土装模、振捣、抹面，即可制得所述基于硫铝酸盐-硅酸盐水泥体系的超高性能修补混凝土。