CN112851274A - 具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆及制备方法 - Google Patents

具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明为具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆及制备方法，适用于建筑材料技术领域，提供一种修补砂浆包含的组分以及各组分的质量份配比如下：硫铝酸盐水泥100份、石英砂150～300份、高吸水性树脂SAP5～16份、水性环氧树脂乳液2～9份、固化剂1.4～6.4份、减水剂0.5～1份、消泡剂0.1～0.3份、水20～35份。其中高吸水性树脂使用前需采用高浓度钙盐溶液预处理。本发明提供的水泥基修补砂浆不但与基体混凝土具有良好的粘结效果，而且在有地下水渗透时具有自封闭裂缝功能，从而起到良好的抗渗效果，可有效提升高含水地质下地下工程混凝土的修补效率。

Description

具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆及制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，尤其涉及一种具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆及制备方法。
背景技术
随着城镇化进程的推进与城市建设空间的日益紧缺，大量建筑工程正向地下空间拓展，地下隧道工程、顶管工程等建设不断推进。在某些水系丰富的工程环境，这些地下工程常面临着高压水的渗透作用，对所用水泥混凝土的抗渗性能有着更高的要求。而在地下工程水泥混凝土服役过程中，往往由于不良地层、介质腐蚀、车辆振动以及管材质量、施工技术偏差等造成管道或隧道水泥混凝土发生裂缝、破损等病害。一旦发生病害，这些病害将成为腐蚀性介质的传输通道，会进一步加剧地下工程材料的破损，并且在长期侵蚀作用下会导致水泥混凝土衬砌丧失所承担的作用。
因此，及时修补地下工程水泥混凝土避免地下工程混凝土渗漏水非常重要。但现有的修补砂浆修补后与基体材料共同服役过程中往往由于受力或体积变形不一致而出现界面或者修补材料的二次开裂情况，再次成为水分传输渗透的通道，降低了修补效率。
中国发明专利CN2019110394854公开了一种水下固化的防水堵漏注浆补强材料及其制备方法，由A、B、C三种组分组成，其中A组分由以下重量组分组成：环氧树脂50-120份，环氧树脂稀释剂5-25份，分散剂0.2-1份，消泡剂0.2-1份，流平剂1-1.8份；B组分由以下按重量份计算的成分组成：快速固化剂20-80份，硅烷偶联剂0.1-4份；C组分由以下按重量份计算的成分组成：白水泥50-150份、硅石粉20-80份、重钙20-80份，石英砂50-150份。防水堵漏注浆补强材料适用于地下工程的防漏堵水，具有补强性能好，固结时间短的优势。但该体系的环氧树脂价格昂贵，同时弹性模量与地下工程的混凝土差异较大，往往容易造成不一致的变形而造成界面开裂。
中国发明专利2019109934438公开了用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料，以硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、钢渣粉为复合胶凝材料，以岩石粉和尾矿砂为微集料，以石英砂为细集料，以PVA纤维和PEA纤维为增韧材料，以凹凸棒土和纤维素醚为增稠剂，以聚丙烯酰胺和聚羧酸系减水剂为塑化剂，以丙烯酸酯乳液、纤维素醚和消泡剂为功能型化学外加剂。其利用胶凝材料颗粒级配关系，形成最紧密堆积状态，利用外加剂提高其工作性能，同时利用乳液和纤维的协同作用达到增强材料韧性以及提高材料抗渗性能的目的。但当修补材料一旦出现裂缝，地下水仍会沿裂缝渗透，修补材料的抗渗性能将会受到影响。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆及制备方法，旨在解决现有修补砂浆修补界面易开裂且开裂后无法自封闭裂缝的技术问题。
一方面，所述具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆，其包含的组分以及各组分的质量份配比如下：
Figure BDA0002921918410000021
Figure BDA0002921918410000031
进一步的，所述减水剂为聚羧酸系列减水剂，所述消泡剂为有机硅系列消泡剂。
进一步的，所述高吸水性树脂为粉状聚丙烯酸酯或聚丙烯酸酯-共丙烯酰胺聚合物，直径为1～300μm，体积密度为520～550Kg/m3。
另一方面，所述具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆的制备方法，包括下述步骤：
预处理高吸水性树脂；
按修补砂浆的质量比例称取各组分原料；
在搅拌机中将硫铝酸盐水泥、石英砂充分混合得到干拌料；
将水性环氧树脂乳液与固化剂混合，并加入消泡剂、减水剂与水搅拌均匀得到混合液；
将混合液与干拌料充分混合后再加入预处理的高吸水性树脂充分混合，即可制备得到所述具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆。
进一步的，所述预处理高吸水性树脂具体过程为：利用高浓度的钙盐溶液浸泡高吸水性树脂预处理一段时间,然后取出用润湿后的布轻轻擦拭。
进一步的，所述高浓度的钙盐溶液为质量浓度为5％-10％的硝酸钙溶液，浸泡预处理时间为24h。
进一步的，硫铝酸盐水泥与石英砂的混合时间为2min，混合液与干拌料充分混合1min后再加入预处理的高吸水性树脂充分混合2min，即可制备得到所述具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆，
本发明的有益效果是：
首先，本发明配方中增加了被钙盐浸泡的SAP，SAP处于休眠状态，在修补材料开裂，地下水渗透经过裂缝时，休眠的SAP被激活，SAP会显著膨胀形成一种软凝胶，起到封闭裂缝阻止水分渗透的作用，提高抗渗能力；
其次，SAP缓慢释放的钙盐溶液对硫铝酸盐水泥的水化具有促进作用，从而减少了SAP引入对修补材料强度的负面影响，使修补材料在具有自封闭高抗渗能力的同时具有良好的强度；
第三，硫铝酸盐水泥作为无机胶凝材料，具有其快硬、早强、膨胀等特点，加水拌和产生水化反应后，硬化后有很高的早期强度，水化过程中能轻微膨胀，提高砂浆的密实性，减少修补材料的收缩，并且与基底材料产生良好的粘结能力；环氧树脂乳液的加入，会进一步提高修补材料与旧混凝土基体之间的粘结性；
最后，硫铝酸盐水泥基修补材料的弹性模量与地下工程用混凝土的弹性模量与强度接近，可以保证作为一个整体协调变形，从而减少界面开裂的风险。
附图说明
图1是本发明实施例提供的具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆的制备方法的流程图。
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，以下结合附图及实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆及制备方法，其中修补砂浆包含的组分以及各组分的质量份配比如下：
Figure BDA0002921918410000041
Figure BDA0002921918410000051
其制备过程如图1所示，包括下述步骤：
步骤S1、预处理高吸水性树脂。具体的，利用高浓度的钙盐溶液浸泡高吸水性树脂预处理一段时间,然后取出用润湿后的布轻轻擦拭。这里高浓度的钙盐溶液可采用质量浓度为5％-10％的硝酸钙溶液，浸泡预处理时间为24h。
所述SAP为粉状聚丙烯酸酯或聚丙烯酸酯-共丙烯酰胺聚合物，直径为1～300μm，体积密度为520～550Kg/m3。
SAP用高浓度的Ca(NO3)2溶液进行浸泡预处理，可使使溶液中的Ca2+与SAP中的丙烯酸酯形成双齿配合物，限制SAP在砂浆搅拌过程中的吸水初始膨胀，SAP处于休眠状态，减小其在砂浆内部所留下的初始孔隙。而浸泡后的高吸水性树脂用润湿后的布轻轻擦拭，用以防止表面多余的水带入到水泥砂浆中，造成砂浆的水灰比发生改变。
步骤S2、按修补砂浆的质量比例称取各组分原料。
原料中，细集料石英砂的细度模数为2.6-3.1，所述减水剂采用聚羧酸系列减水剂，减水效率为20％-40％，所述消泡剂采用有机硅系列消泡剂。
步骤S3、在搅拌机中将硫铝酸盐水泥、石英砂充分混合得到干拌料。
步骤S4、将水性环氧树脂乳液与固化剂混合，并加入消泡剂、减水剂与水搅拌均匀得到混合液。
步骤S5、将混合液与干拌料充分混合后再加入预处理的高吸水性树脂充分混合，即可制备得到所述具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆。
本发明采用自封闭材料SAP，SAP预先使用高浓度的硝酸钙溶液浸泡，溶液中的钙离子与SAP中的丙烯酸酯形成双齿配合物，很大程度上限制了SAP的膨胀，同时在制备砂浆中的混合和压实过程也会限制SAP的初始膨胀。在修补材料开裂，地下水渗透经过裂缝时，休眠的SAP被激活，由于地下水的离子浓度低，因此SAP膨胀会显著增加。膨胀后的SAP形成一种软凝胶，起到封闭裂缝阻止水分渗透的作用，提高抗渗能力，因此本发明高抗渗性水泥基修复材料具备自封闭裂缝的特性。
由于引入SAP一般会影响水泥混凝土的早期强度，但是本发明中，SAP预先采用高浓度的硝酸钙溶液浸泡，因此SAP会缓慢释放硝酸钙，对硫铝酸盐水泥的水化具有促进作用，从而减少了SAP引入对修补材料强度的负面影响，使修补材料在具有自封闭高抗渗能力的同时具有良好的强度。
本发明采用硫铝酸盐水泥作为无机胶凝材料，具有其快硬、早强、膨胀等特点，加水拌和产生水化反应后，硬化后有很高的早期强度，水化过程中能轻微膨胀，提高砂浆的密实性，减少修补材料的收缩，并且与基底材料产生良好的粘结能力。
本发明加入水性环氧树脂乳液会进一步提高修补材料与旧混凝土基体之间的粘结性。
另外，与环氧树脂类修补材料相比，硫铝酸盐水泥基修补材料的弹性模量与地下工程用混凝土的弹性模量与强度接近，可以保证作为一个整体协调变形，从而减少界面开裂的风险。
下面通过具体实施例和对比例来说明本发明效果。
对比例1：
(1)原材料准备：按质量份取硫铝酸盐水泥100份，石英砂300份，水性环氧树脂乳液4.5份，固化剂3.2份，减水剂0.8份，水30份，有机硅消泡剂0.1份。
(2)高抗渗水泥砂浆的制备：在搅拌机中将硫铝酸盐水泥和石英砂充分混合2min得到干拌料；将水性环氧树脂乳液与固化剂混合，并加入消泡剂和减水剂，然后加入水搅拌均匀，将混合液与干拌料再次充分混合3min后制备而成。砂浆试件成型之后，在室温下覆膜养护24h，待满足脱模条件后拆除模具，随后将试块移入标准养护室里养护至相应龄期。
对比例2：
(1)原材料准备：按质量份取硫铝酸盐水泥100份，石英砂300份，SAP 5份，水性环氧树脂乳液4.5份，固化剂3.2份，减水剂0.8份，水30份，有机硅消泡剂0.1份。
(2)SAP预处理：在搅拌前SAP用自来水进行浸泡预处理24h，然后取出润湿后的布轻轻擦拭，防止表面多余的水带入到水泥砂浆中，造成砂浆的水灰比发生改变。
(3)高抗渗水泥砂浆的制备：在搅拌机中将硫铝酸盐水泥和石英砂充分混合2min得到干拌料；将水性环氧树脂乳液与固化剂混合，并加入消泡剂和减水剂，然后加入水搅拌均匀，将混合液与干拌料充分混合1min后再加入SAP充分混合2min制备。砂浆试件成型之后，在室温下覆膜养护24h，待满足脱模条件后拆除模具，随后将试块移入标准养护室里养护至相应龄期。
实施例1：
(1)原材料准备：按质量份取硫铝酸盐水泥100份，石英砂300份，SAP 5份，水性环氧树脂乳液4.5份，固化剂3.2份，减水剂0.8份，水30份，有机硅消泡剂0.1份。
(2)SAP预处理：在搅拌前SAP首先用5％浓度Ca(NO3)2溶液进行浸泡预处理24h，然后取出润湿后的布轻轻擦拭，防止表面多余的水带入到水泥砂浆中，造成砂浆的水灰比发生改变。
(3)高抗渗水泥砂浆的制备：在搅拌机中将硫铝酸盐水泥、石英砂充分混合2min得到干拌料；将水性环氧树脂乳液与固化剂混合，并加入消泡剂、减水剂与水搅拌均匀得到混合液，将混合液与干拌料充分混合1min后再加入预处理SAP充分混合2min制备。砂浆试件成型之后，在室温下覆膜养护24h，待满足脱模条件后拆除模具，随后将试块移入标准养护室里养护至相应龄期。
实施例2：
(1)原材料准备：按质量份取取硫铝酸盐水泥100份，石英砂300份，SAP8份，水性环氧树脂乳液6份，固化剂4.3份，减水剂0.8份，水30份，有机硅消泡剂0.2份。
(2)SAP预处理：在搅拌前SAP首先用8％浓度Ca(NO3)2溶液进行浸泡预处理24h，然后取出润湿后的布轻轻擦拭，防止表面多余的水带入到水泥砂浆中，造成砂浆的水灰比发生改变。
(3)高抗渗水泥砂浆的制备：在搅拌机中将硫铝酸盐水泥、石英砂充分混合2min得到干拌料；将水性环氧树脂乳液与固化剂混合，并加入消泡剂、减水剂与水搅拌均匀得到混合液，将混合液与干拌料充分混合1min后再加入预处理SAP充分混合2min制备。砂浆试件成型之后，在室温下覆膜养护24h，待满足脱模条件后拆除模具，随后将试块移入标准养护室里养护至相应龄期。
实施例3：
(1)原材料准备：按质量份取取硫铝酸盐水泥100份，石英砂300份，SAP13份，环氧树脂乳液9份，固化剂6.4份，减水剂0.8份，水30份，有机硅消泡剂0.3份。
(2)SAP预处理：在搅拌前SAP首先用10％浓度Ca(NO3)2溶液进行浸泡预处理24h，然后取出润湿后的布轻轻擦拭，防止表面多余的水带入到水泥砂浆中，造成砂浆的水灰比发生改变。
(3)高抗渗水泥砂浆的制备：在搅拌机中将硫铝酸盐水泥、石英砂充分混合2min得到干拌料；将水性环氧树脂乳液与固化剂混合，并加入消泡剂、减水剂与水搅拌均匀得到混合液，将混合液与干拌料充分混合1min后再加入预处理SAP充分混合2min制备。砂浆试件成型之后，在室温下覆膜养护24h，待满足脱模条件后拆除模具，随后将试块移入标准养护室里养护至相应龄期。
上述实施例和对比例中修补砂浆的抗压强度试验参照GB/T17671-1999测试；拉伸粘结强度、抗渗压力、干缩率参照JCT2381-2016测试。
各实施例和对比例中高抗渗水泥砂浆性能指标如下表1所示：
表1高抗渗水泥砂浆的性能指标
Figure BDA0002921918410000091
从上述表1可知，对比例1中没有引入SAP，具有最高的抗压强度，但是其抗渗压力也偏低；对比例2中的SAP未经过高浓度硝酸钙浸泡，其在砂浆制备过程中会释放出大量的水，遗留大量孔洞缺陷，并且重新吸水溶胀的能力降低，因此，力学强度与抗渗压力显著降低，因此SAP预处理显得尤为重要。可以看到实施例1、2和3的SAP经过预处理后，28d抗压强度和14d粘结抗折强度相较于对比例2都有明显提高，与对比例1相比，抗压强度降低幅度不大，但是抗渗能力有很显著的提升，因此，本实施例修补材料在具有自封闭高抗渗能力的同时具有良好的强度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆，其特征在于，所述修补砂浆包含的组分以及各组分的质量份配比如下：
Figure FDA0002921918400000011
2.如权利要求1所述具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸系列减水剂，所述消泡剂为有机硅系列消泡剂。
3.如权利要求2所述具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆，其特征在于，所述所述高吸水性树脂为粉状聚丙烯酸酯或聚丙烯酸酯-共丙烯酰胺聚合物，直径为1～300μm，体积密度为520～550Kg/m3。
4.一种具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括下述步骤：
预处理高吸水性树脂；
按权利要求1所述修补砂浆的质量比例称取各组分原料；
在搅拌机中将硫铝酸盐水泥、石英砂充分混合得到干拌料；
将水性环氧树脂乳液与固化剂混合，并加入消泡剂、减水剂与水搅拌均匀得到混合液；
将混合液与干拌料充分混合后再加入预处理的高吸水性树脂充分混合，即可制备得到所述具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆。
5.如权利要求4所述具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆的制备方法，其特征在于，所述预处理高吸水性树脂具体过程为：利用高浓度的钙盐溶液浸泡高吸水性树脂预处理一段时间,然后取出用润湿后的布轻轻擦拭。
6.如权利要求5所述具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆的制备方法，其特征在于，所述高浓度的钙盐溶液为质量浓度为5％-10％的硝酸钙溶液，浸泡预处理时间为24h。
7.如权利要求4所述具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆的制备方法，其特征在于，硫铝酸盐水泥与石英砂的混合时间为2min，混合液与干拌料充分混合1min后再加入预处理的高吸水性树脂充分混合2min，即可制备得到所述具有自封闭裂缝功能的高抗渗水泥基修补砂浆。
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