CN113773032B - 混凝土结构修复材料及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混凝土结构修复材料，包括：修复增强材料，其主要由以下原料按重量份数配制而成：快硬硫铝酸盐水泥30～40份，硅酸盐水泥20～30份，填充用砂30～40份，渗透结晶母料5份，氧化钙5～10份。本发明还公开了一种混凝土结构修复材料的应用方法。本发明还公开了一种海水水位变动区混凝土结构快速修复用梯度材料及其应用方法。本发明能够强化原混凝土结构，增强结构耐久性能，增强结构抗氯盐侵蚀的能力，并在海水水位涨高时不受海水的直接冲刷、软化影响。

Description

混凝土结构修复材料及其应用方法
技术领域
本发明涉及混凝土结构修复技术领域。更具体地说，本发明涉及一种混凝土结构修复材料及其应用方法。
背景技术
在一般大气环境中，混凝土受到空气中二氧化碳的碳化作用，使混凝土中性化，失去对钢筋的保护作用，当碳化深度到达钢筋表面基会引起钢筋的锈蚀造成混凝土结构的破坏。在冻融环境中混凝土受到冻融破坏、混凝土吸水后在冬季内部水分结晶膨胀，造成混凝土表层膨胀破坏，出些表层剥落。混凝土表层的致密性决定着环境侵蚀介质侵入混凝土的难易程度，提高表层混凝土的密实度可减少混凝土吸水冻融膨胀破坏，可大大降低碳化的侵蚀深度，以及抵抗其他侵蚀介质的破坏，从而增长结构耐久性，延长结构寿命。
海洋环境中混凝土结构还会受到海水氯盐的侵蚀，在水位变动区潮水涨落过程中甚至会遭受干湿循环作用，长期的干湿循环使混凝土结构表层形成氯盐的富集层，并加速氯离子向混凝土内部的渗透。海水中的氯盐不断渗透到混凝土结构内并到达钢筋的表层，当氯离子浓度达到临界浓度后即会造成钢筋快速腐蚀，造成结构劣化，严重影响结构的耐久寿命和安全性能。海洋环境水位变动区的混凝土结构为遭受氯盐侵蚀最严重区域。
如何对陆地以及海洋中的混凝土结构进行快速修复是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种混凝土结构修复材料及其应用方法，其能够强化原混凝土结构，增强结构耐久性能，增强结构抗氯盐侵蚀的能力，并在海水水位涨高时不受海水的直接冲刷、软化影响。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种混凝土结构修复材料，包括：
修复增强材料，其主要由以下原料按重量份数配制而成：快硬硫铝酸盐水泥30～40份，硅酸盐水泥20～30份，填充用砂30～40份，渗透结晶母料5份，氧化钙5～10份。
优选的是，包括：
修复增强材料，其主要由以下原料按重量份数配制而成：快硬硫铝酸盐水泥30～40份，硅酸盐水泥20～30份，石英砂30～40份，渗透结晶母料5份，甲基纤维素0.5份，硅酸钠5～10份，氧化钙5～10份。
优选的是，所述渗透结晶母料为硅酮锆。
优选的是，所述渗透结晶母料包括质量比为5:3:0.5的硅酮锆、甲酸钙、葡萄糖酸钠。
混凝土结构修复材料的应用方法，所述修复增强材料以加水拌和的方式使用：将所述修复增强材料与水按质量比5:2～3混合搅拌形成浆体，所述修复增强材料的拌和料形成所述修复增强层，所述修复增强材料的控制用量为1～1.5kg/m2。
海水水位变动区混凝土结构快速修复用梯度材料，包括：
所述的修复增强材料；
潮汐防护材料，其主要由以下原料按重量份数配制而成：快硬硫铝酸盐水泥10份，硅酸盐水泥30～40份，0～2.36mm细河砂40～50份，UEA混凝土膨胀剂0.25份，9mm聚丙烯纤维0.04～0.05份。
海水水位变动区混凝土结构快速修复用梯度材料的应用方法，所述修复增强材料、潮汐防护材料以加水拌和的方式使用，具体为：
所述修复增强材料以加水拌和的方式使用：将所述修复增强材料与水按质量比5:2～3混合搅拌形成浆体；
所述潮汐防护材料的拌和方式为：将所述潮汐防护材料与水混合搅拌形成浆体，搅拌过程加入聚羧酸减水剂、有机硅消泡剂，所述潮汐防护材料中的水泥总量与水的质量比1:0.35～0.40，所述聚羧酸减水剂、有机硅消泡剂的控制用量分别为所述潮汐防护材料中的水泥总重量的0.35％～0.5％、0.1％～0.3％。
优选的是，水位变动区混凝土结构表面自内至外依次形成修复增强层、潮汐防护层，所述修复增强材料的拌和料形成所述修复增强层，所述修复增强材料的控制用量为1～1.5kg/m2，所述潮汐防护材料的拌和料形成所述潮汐防护层，所述潮汐防护层的厚度为25～40mm。
优选的是，所述潮汐防护层表面设有防护隔水结构。
优选的是，所述修复增强材料的拌和料通过涂刷的方式涂覆在水位变动区混凝土结构表面形成所述修复增强层，所述潮汐防护材料通过砂浆喷射机喷涂的方式喷施在所述修复增强层表面形成所述潮汐防护层，在喷嘴处将所述潮汐防护材料与速凝剂混合然后由喷射机压缩空气喷出，所述速凝剂控制用量为所述潮汐防护材料中的水泥总重量的3～5％。
本发明至少包括以下有益效果：
第一、本发明的修复增强材料具有强化原混凝土结构，增强原结构表层致密性，提高抗渗性，修复增强层具有催化剂功能，能够渗入到混凝土内部并激发水泥中未水化颗粒再次水化，生成枝蔓状结晶堵塞原结构中的细微观孔隙，使原混凝土结构的表层致密化，应用于海洋环境时，还能够增强结构抗氯盐侵蚀的能力，大大降低氯离子在其中的渗透，提升结构耐久性；
第二、本发明的潮汐防护材料能够在水位涨高时保护内部修复增强材料的不受海水的直接冲刷、软化，防止修复增强材料在海水冲刷下流失，同时具有保护内部修复增强材料不受潮汐影响的能力，减小水位变动区干湿循环对流的影响；
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的卡斯通管吸水率测试操作图；
图2为本发明的修复增强材料吸水量图；
图3为本发明的渗透结晶母料反应后生成胶凝物质图；
图4为本发明应用于海水中的抗氯离子效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
<实施例1>
混凝土结构修复材料，包括：
修复增强材料，其主要由以下原料按重量份数配制而成：快硬硫铝酸盐水泥30份，硅酸盐水泥20份，石英砂30份，硅酮锆5份，氧化钙5份。
所述修复增强材料的拌和方式为：将所述修复增强材料与水按质量比5:2混合搅拌形成浆体，所述修复增强材料的拌和料形成所述修复增强层，所述修复增强材料的控制用量为1kg/m2。
<实施例2>
混凝土结构修复材料，包括：
修复增强材料，其主要由以下原料按重量份数配制而成：快硬硫铝酸盐水泥40份，硅酸盐水泥30份，0～2.36mm细河砂40份，硅酮锆5份，硅酸钠6份，甲基纤维素0.5份，氧化钙10份。
所述修复增强材料的拌和方式为：将所述修复增强材料与水按质量比5:3混合搅拌形成浆体，所述修复增强材料的拌和料形成所述修复增强层，所述修复增强材料的控制用量为1.5kg/m2。
<实施例3>
混凝土结构修复材料，包括：
修复增强材料，其主要由以下原料按重量份数配制而成：快硬硫铝酸盐水泥36份，硅酸盐水泥24份，石英砂36份，硅酮锆3份，甲酸钙1.8份，葡萄糖酸钠0.3份，硅酸钠8份，甲基纤维素0.5份，氧化钙8份。
所述修复增强材料的拌和方式为：将所述修复增强材料与水按质量比5:3混合搅拌形成浆体，所述修复增强材料的拌和料形成所述修复增强层，所述修复增强材料的控制用量为1.2kg/m2。
<实施例4>
水位变动区混凝土结构快速修复用梯度材料，包括：
实施例3的修复增强材料；
潮汐防护材料，其主要由以下原料按重量份数配制而成：快硬硫铝酸盐水泥10份，硅酸盐水泥35份，0～2.36mm细河砂47份，UEA混凝土膨胀剂0.25份，9mm聚丙烯纤维0.04份。
所述修复增强材料的拌和方式为：将所述修复增强材料与水按质量比5:3混合搅拌形成浆体，所述修复增强材料的拌和料形成所述修复增强层，所述修复增强材料的控制用量为1.2kg/m2。
所述潮汐防护材料的拌和方式为：将所述潮汐防护材料与水混合搅拌形成浆体，搅拌过程加入聚羧酸减水剂、有机硅消泡剂，所述潮汐防护材料中的水泥总量与水的质量比1:0.35，所述聚羧酸减水剂、有机硅消泡剂的控制用量分别为所述潮汐防护材料中的水泥总重量的0.5％、0.3％。
<修复增强材料吸水性试验>
通过卡斯通管测试吸水率试验来检验涂刷修复增强材料对原混凝土试件的表层致密化效果。设置涂刷实施例1～3制备的修复增强材料的拌和料的试验组、常规修补砂浆的试验组和不涂材料的空白组，在标准环境下养护14d后将涂刷的材料层打磨去除，将试验组与空白组试件放在80℃烘箱中烘干6h去除内部水分，之后冷却2h使试件降至室温，粘接安装卡斯通管进行吸水率测试。试件6h的吸水量测试结果及吸水量随时间的变化图如表1～2、图2所示(实施例3的修复增强材料用A材料表示)。
如表1所示，涂刷实施例1～3制备的修复增强材料的拌和料的试验组养护14d后，混凝土试件6h的吸水量相比不涂材料的空白组降低了54％～70％。说明实施例1～3制备的修复增强材料的试验组在混凝土表面具有良好的表层致密化效果。
表1
Figure BDA0003293144680000051
Figure BDA0003293144680000061
采用实施例3与常规修补砂浆进行对比测试，混凝土试件分别涂抹两种材料，养护14d后用卡斯通管测试带修复层和打磨掉修复层的吸水性，结果如表2、图2所示(实施例3的修复增强材料用A材料表示)。对病害混凝土表层的修复通常是在其上涂抹一层修补砂浆，但该砂浆层只是在原混凝土表面增加了一层材料，即防护效果由砂浆层提供，并不会对原混凝土自身产生致密化强化作用。实施例3不仅其自身可以作为一层防护材料，还会对原混凝土表层产生致密化强化作用，即“防护”+“增强”。
表2
Figure BDA0003293144680000062
Figure BDA0003293144680000071
渗透结晶母料反应后生成胶凝物质如图3所示，自左至右分别为实施例3、实施例2、空白溶液，渗透结晶母料与溶液中钙离子、硅酸根离子反应生成硅酸钙凝胶，即使水泥产生胶凝性的主要物质，空白溶液(不加渗透结晶母料)中钙离子、硅酸根离子反应会生成絮状沉淀，反应较慢，无凝胶效果。实施例3、实施例2的渗透结晶母料活性物质提取物催化了该反应的进行，且放出大量反应热，生成物迅速生长形成凝胶团，实施例3的凝胶团明显强于实施例2，说明硅酮锆、甲酸钙、葡萄糖酸钠具有协同作用。
<潮汐防护材料防护试验>
在水位变动区海水涨落过程中结构表层会受到干湿循环的影响，湿润过程外界水分混凝土内部毛细管作用下被吸入混凝土表层内部，在干燥过程中混凝土最表层水先被蒸发，含水饱和度降低，进而对混凝土内部水分形成毛细管负压使内部水分流向表层，水中溶质也随水流被带到混凝土表层，长期的干湿循环会使修复增强材料活性成分不断被带到表层并在表面富集，并在海水冲刷下流失。
通过浸水后湿润前锋扩散深度测试潮汐防护材料对修复增强材料的防护效果。设置实施例4制备的潮汐防护材料的拌和料的试验组，测试其抗压强度、抗渗压力、凝结硬化时间、湿度扩散系数、干湿循环对流区深度，如表3所示。国内大部为地区潮汐周期约为12h，干湿循环造成对流区的深度最大值处约在干湿时间比为2:1以上区域，即湿润时间在0～4h对应的区域。潮汐防护材料在浸水0～4h的湿润前锋扩散深度，如表4所示(实施例4的潮汐防护材料用B材料表示)，潮汐防护材料形成的厚度为25～40cm满足将对流区包含在内的要求。
表3
Figure BDA0003293144680000072
Figure BDA0003293144680000081
表4
Figure BDA0003293144680000082
潮汐防护材料作为潮汐防护层可保护修复增强材料不被海水潮汐冲刷，并减少修复增强材料中活性成分受干湿循环对流区影响而造成的流失，使修复增强材料能够在海水潮汐影响环境下应用并发挥良好效果。
潮汐防护材料可保护内部修复增强材料在水位涨高时不受海水的直接冲刷、软化，防止活性成分在海水冲刷下流失。计算得到在水位变动区干湿循环对流影响深度，潮汐防护材料厚度大于此对流影响深度，保护修复增强材料中的活性成分不受干湿循环对流影响而在海水中散失。潮汐防护材料加入了混凝土膨胀剂和聚丙烯纤维，可防止该层材料在硬化过程以及在阳光暴晒失水后收缩开裂，使该层材料的具有更好的防护性能和耐久性。加入了消泡剂使材料更加密实，降低潮汐防护层湿度扩散系数，减小干湿循环对流影响深度，使潮汐防护材料设计厚度更小。
<梯度材料抗氯离子试验>
混凝土病害常用修补砂浆进行修复。为验证该修复梯度材料(修复增强材料(A材料)+潮汐防护材料(B材料))在海洋环境桥墩水位变动区的修复效果，采用10％高浓度NaCl盐溶液模拟海水干湿循环，设置两组试件：混凝土试件涂覆修复梯度材料，采用实施例4的配方，A材料2mm，B材料厚度28mm；混凝土试件涂覆修补砂浆，厚度30mm。试件涂覆材料并待24h硬化后开展干湿循环试验，12h为一周期，试验30d。试验结束后对试件逐层取粉测试氯离子含量，结果如表5和图4所示，在经历盐溶液干湿循环作用后混凝土涂覆该修复梯度材料组其内部氯离子含量较修补砂浆组大大降低，说明该材料对海洋水位变动区混凝土有良好的修复防护效果。
表5
Figure BDA0003293144680000091
在潮水落下后约有3h的低水位时间，利用此低水位时间进行快速修复，涂覆本修复增强材料(A材料)、潮汐防护材料(B材料)并设置防护隔水结构。修复增强材料(A材料)具有强化原混凝土结构，增强原结构表层致密性，提高抗渗性，增强结构抗氯盐侵蚀的能力。修复增强材料具有催化剂功能，能够渗入到混凝土内部并激发水泥中未水化颗粒再次水化，生成枝蔓状结晶堵塞原结构中的细微观孔隙，使原混凝土结构的表层致密化，大大降低氯离子在其中的渗透，提升结构耐久性。修复增强材料在初始硬化后(3h)仍较为薄弱，且内部含有活性材料成分，若直接浸泡海水则会造成修复增强材料分散、软化，并造成内部渗透结晶材料大量流失到海水中。潮汐防护材料可保护内部修复增强材料(B材料)在水位涨高时不受海水的直接冲刷、软化，防止活性成分在海水冲刷下流失，在水位变动区海水涨落过程中结构表层不受干湿循环的影响，潮汐防护材料具有保护内部修复增强材料不受潮汐影响的能力。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.海水水位变动区混凝土结构快速修复用梯度材料，其特征在于，包括：
修复增强材料，其主要由以下原料按重量份数配制而成：快硬硫铝酸盐水泥30~40份，硅酸盐水泥20~30份，石英砂30~40份，渗透结晶母料5份，甲基纤维素0.5份，硅酸钠5~10份，氧化钙5~10份；所述渗透结晶母料包括质量比为5:3:0.5的硅酮锆、甲酸钙、葡萄糖酸钠；
潮汐防护材料，其主要由以下原料按重量份数配制而成：快硬硫铝酸盐水泥10份，硅酸盐水泥30~40份，0~2.36 mm细河砂40~50份，UEA混凝土膨胀剂0.25份，9 mm聚丙烯纤维0.04~0.05份。
2.如权利要求1所述的海水水位变动区混凝土结构快速修复用梯度材料的应用方法，其特征在于，所述修复增强材料、潮汐防护材料以加水拌和的方式使用，具体为：
所述修复增强材料以加水拌和的方式使用：将所述修复增强材料与水按质量比5:2~3混合搅拌形成浆体；
所述潮汐防护材料的拌和方式为：将所述潮汐防护材料与水混合搅拌形成浆体，搅拌过程加入聚羧酸减水剂、有机硅消泡剂，所述潮汐防护材料中的水泥总量与水的质量比1:0.35~0.40，所述聚羧酸减水剂、有机硅消泡剂的控制用量分别为所述潮汐防护材料中的水泥总重量的0.35%~0.5%、0.1%~0.3%。
3.如权利要求2所述的海水水位变动区混凝土结构快速修复用梯度材料的应用方法，其特征在于，水位变动区混凝土结构表面自内至外依次形成修复增强层、潮汐防护层，所述修复增强材料的拌和料形成所述修复增强层，所述修复增强材料的控制用量为1~1.5 kg/m2，所述潮汐防护材料的拌和料形成所述潮汐防护层，所述潮汐防护层的厚度为25~40 mm。
4.如权利要求3所述的海水水位变动区混凝土结构快速修复用梯度材料的应用方法，其特征在于，所述潮汐防护层表面设有防护隔水结构。
5.如权利要求3所述的海水水位变动区混凝土结构快速修复用梯度材料的应用方法，其特征在于，所述修复增强材料的拌和料通过涂刷的方式涂覆在水位变动区混凝土结构表面形成所述修复增强层，所述潮汐防护材料通过砂浆喷射机喷涂的方式喷施在所述修复增强层表面形成所述潮汐防护层，在喷嘴处将所述潮汐防护材料与速凝剂混合然后由喷射机压缩空气喷出，所述速凝剂控制用量为所述潮汐防护材料中的水泥总重量的3~5%。
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