CN114455902B

CN114455902B - 一种基于电磁感应加热调凝机制的碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN114455902B
Application number: CN202210114803.4A
Authority: CN
Inventors: 唐佩; 蒋事成; 陈伟; 袁波
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2022-01-30
Filing date: 2022-01-30
Publication date: 2023-06-13
Anticipated expiration: 2042-01-30
Also published as: CN114455902A

Abstract

一种基于电磁感应加热调凝机制的碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂，各组分及其所占重量份数包括：低钙胶凝材料400‑500份，骨料1300‑1400份，激发剂80‑160份，磁热组分15‑20份，缓凝组分0‑30份，水150‑200份。本发明通过在碱激发低钙胶凝材料砂浆体系中引入磁热组分，并结合电磁加热手段实现对凝结速率和固化时间的可控调节；将其应用于制备缓粘结预应力钢筋，其张拉前后流动性良好，可更好地包裹住缓粘结预应力筋，且硬化后粘结强度优异，可有效解决传统缓凝砂浆张拉后容易出现空洞等问题；且涉及的制备方法较简单、操作方便可控，成本较低，适合推广应用。

Description

一种基于电磁感应加热调凝机制的碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种基于电磁感应加热调凝机制的碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂及其制备方法和应用。

背景技术

缓粘结预应力技术是继无粘结、有粘结预应力技术之后迅速发展的一项新型预应力技术。近年来，由于其施工工艺简单、力学性能和耐久性能优良等优点,在工程建设领域的应用越来越广泛。缓粘结预应力的核心技术是缓粘结材料的研制。缓粘结预应力钢筋通常需采用专用缓粘结材料，有别于无粘结预应力筋的专用润滑油脂和有粘结钢筋的后灌浆料；其独特的缓凝作用机理可有效保证缓粘结预应力钢筋在张拉前不凝结，同时张拉后逐渐凝结硬化达到与有粘结预应力筋相似的力学效果。

目前，国内外研究并得到应用的缓凝材料主要包括缓凝胶粘剂和缓凝砂浆两大类。缓凝胶粘剂主要以环氧树脂为主体高分子，辅以稀释剂、固化剂、增韧剂、填料等多种助剂成分制成的缓粘结预应力钢筋专用缓凝胶粘剂材料。其高分子原材料价格昂贵，应用推广受到一定的制约；且材料分散性较大，缓凝性能、粘结强度、耐候性能和环保性能等指标需要按照各种应用场景进行材料改性和调控，增加其使用成本和难度；此外高分子树脂材料适用的环境温度有一定的限制，耐老化性能较差，对水分子、pH等环境较为敏感；在长期混凝土环境包围中，其分子结构被破坏导致性能退化，存在预应力握裹力失效的风险；其低温脆性特征使其在低温环境下的应用性能和耐久性成为预应力混凝土中重大挑战。因此，缓凝胶粘剂的广泛、安全、绿色应用面临挑战。缓凝砂浆是由水泥、水、骨料和缓凝添加剂等按照一定比例组成的混合物，具有随时间水化硬化而从流动状态转变到坚硬固体状态的特征。缓凝砂浆原材料取材容易、制备过程简单，无需特殊装备及流程，具有较高的经济利用价值。但传统的缓凝砂浆，其凝结需要特定的超缓凝剂，且其缓凝时间和效果在配置材料时已经固定，不能随着工期的调整让其延迟或提前固化，不能很好地应对工期或施工条件的变化。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种凝结速度和固化时间可根据工程实际需要进行调控的预应力筋用缓粘结合剂，其张拉前后流动性良好，可以更好地包裹缓粘结预应力筋，硬化强度和微结构发展均匀，且硬化后与预应力筋粘结强度优异；可有效解决张拉后再灌浆容易出现空洞等问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于电磁感应加热调凝机制的碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂，各组分及其所占重量份数包括：低钙胶凝材料400-500份，骨料1300-1400份，激发剂80-160份、磁热组分15-20份，缓凝组分0-30份，水150-200份。

优选的，所述碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂中，缓凝组分所占重量份数为10～30份。

上述方案中，所述低钙胶凝材料(CaO含量小于10wt％)可选用低钙粉煤灰、赤泥、低钙矿粉等中的一种或几种。

进一步地，所述低钙粉煤灰的比表面积大于2000m²/kg，CaO含量小于10wt％。

进一步地，所述赤泥是制铝工业提取氧化铝所产生的工业废渣烘干破碎至其粒径小于0.15mm。

进一步地，所述低钙矿粉可选用S95级矿粉等，其密度大于2.80g/cm³，比表面积大于400m²/kg。

上述方案中，所述骨料为粒径小于2mm；可选用河砂、机制砂等中的一种或两者的混合。

上述方案中，所述激发剂为氢氧化钠、碳酸钠中的一种或二者混合物。

上述方案中，所述磁热组分为钢丝绒纤维、钢砂、石墨、磁粉中的一种或几种。

优选的，所述钢丝绒纤维的直径为0.07-0.13mm，长度0.2-0.8mm，电阻率为5-6×10^-7Ω·m，密度为7.2-7.7g/cm³。

优选的，所述钢砂为G25棱角砂，粒径大小为0.8-1.2mm。

优选的，所述石墨为鳞片状石墨，密度为2.0-2.4g/cm³，粒度0.04-0.06mm。

上述方案中，所述缓凝剂为硼酸盐、磷酸盐、糖类中的一种或几种。

优选的，所述硼酸盐可选用硼砂等；磷酸盐可选用焦磷酸钠等；糖类可选用蔗糖或葡萄糖酸钠等。

上述一种碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂的制备方法，包括如下步骤：

1)按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数包括：低钙胶凝材料400-500份，骨料1300-1400份，激发剂80-160份，磁热组分15-20份，缓凝组分0-30份，水150-200份；

2)将称取的激发剂与水混合均匀，配制激发剂溶液；将其加入低钙胶凝材料、磁热组分和缓凝组分的混合料中，进行搅拌处理，同时在搅拌过程中加入骨料，即得所述碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂。

优选的，根据工程需求，通过加热激活的方式来控制上述缓凝结合剂的固化时间，加热温度为60-100℃；加热时间优选为1-3天。

上述一种碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂在预应力筋中的应用，具体步骤包括：

1)在预应力钢绞线上缠绕电磁感应线，将配制的碱激发低钙胶凝材料缓凝粘结合剂涂覆在缠绕了电磁感应线的钢绞线表面，并用绝缘套管包覆起来，最后在绝缘套管的外圈再次缠绕感应线；制得缓粘结预应力钢筋；

2)对所得缓粘结预应力钢筋需要固化部位的表面施加交变磁场，调控碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂的温度，实现对缓凝砂浆凝结速率和时间的可控调节；所得缓凝砂浆其固化时间可根据实际需要随时调整，方便灵活施工，并保证其硬化后的力学性能满足使用要求。

上述方案中，所述绝缘套管可选用塑料套管(波纹管等)或塑料纸等。

上述方案中，所述交变磁场采用电磁加热仪器施加；其与被加热部位表面的距离控制在5cm以内。

上述方案中，电磁加热仪通过改变经过电磁感应线圈的磁通量的变化快慢，控制产生热量的多少，进而控制温度的高低。在对需要固化部位的表面，启动电磁加热仪器产生交变磁场。这种交变磁场对其缠绕在塑料套管外的感应线圈以及钢绞线上的感应线圈产生互感效应，并使用电磁加热仪改变经过电磁感应线圈的磁通量大小，从而产生电磁感应效应，使得结合剂中的导电组分产生热量，并将热量快速传递给周围的碱激发低钙胶凝材料砂浆，使之温度相对均匀地整体升高，从而固化。同时，由于砂浆内外有两层电磁感应线圈，可大大提高升温速率，可实现其快速固化。还可以通过改变电磁加热仪的工作区域范围，来控制需要被加热的部位，便于灵活施工。本发明采用电磁感应加热方式，在缓凝砂浆包裹的预应力钢绞线上缠绕有感应线圈，使得钢绞线也能同时被加热，进一步提高加热效率。

上述方案中，所述电磁加热仪的功率、频率和感应线圈等技术参数，需要根据加热区域、加热深度、加热温度、加热时间等具体施工工艺要求来确定。

上述方案中，所述电磁加热仪的功率为5～10kw；提供的交变磁场幅值为0.1～0.5T，频率为20～50Hz。

上述方案中，所述升温速率控制在3-8℃/min。

上述方案中，当绝缘套管内温度达到60-100℃时，停止继续升温，维持1-2天；便于胶凝材料更好的固化。

上述方案中，所述电磁感应线的直径为8-12mm。

本发明的原理为：

本发明所述缓凝结合剂采用引入导电组分(磁热组分)的碱激发低钙胶凝材料体系，常温下其砂浆初期的活性很低，水化速度慢、水化时间延迟，在前期具有良好的流动性，在经过挤压涂覆、包裹工艺后，与预应力筋具有良好的附着性，能够将空隙填充并紧密包裹；在施工完成后，可根据工程需要对碱激发低钙胶凝材料砂浆混合体进行均匀升温，温度提高，一方面使分子热运动加剧，另一方面也提高了氢氧根离子的解聚极化能，使活性低的玻璃体结构更容易被解聚，促使低钙胶凝材料的水硬活性逐渐被激发，其强度也逐渐增加，最终逐渐固化，与钢筋、外包护套之间的粘结力不断增大；最终在一定的时间内完全固化，并与钢筋和外包护套之间产生强粘结力，表现出优异的力学性能；有利于保证钢筋混凝土的使用寿命和安全性，有效满足道路、桥梁、水利建设中对缓粘结预应力钢筋的要求和需要。

本发明提出的基于电磁感应加热调凝机制的碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂设计方法，该方法成本低廉，工艺简单，可操作性很强，具有良好的应用前景。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明首次提出在碱激发低钙胶凝材料砂浆体系中引入磁热组分，并结合电磁加热手段进行凝结速率和固化时间的可控调节；将其应用于制备缓粘结预应力钢筋，其张拉前后流动性良好，可更好地包裹缓粘结预应力筋；硬化后粘结强度优异，可有效解决传统缓凝砂浆张拉后容易出现空洞等问题；

2)本发明所述碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂涉及的制备方法较简单、成本较低，且施工方便，凝结时间可控，适合推广应用；可为缓粘结预应力筋的制备提供一条新思路；

3)本发明采用的磁加热手段加热效率高，对加热试件表面无污染，且方便可控。

附图说明

图1是本发明一个实施例所述电磁感应加热缓凝粘结剂的应用工艺原理示意图；图中，1为混凝土层，2为高频线圈，3为波纹管，4为缓凝结合剂，5为钢绞线。

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，采用的粉煤灰由巩义市元亨净水材料厂提供，为Ⅰ级低钙粉煤灰，其比表面积为2030m²/kg，CaO含量为2.42wt％。

采用的导电钢丝绒纤维其平均直径为0.1mm，长度为0.2-0.8mm，电阻率为6×10^-7Ω·m，密度为7.5g/cm³。

采用的骨料为标准砂。

采用的激发剂为氢氧化钠，缓凝组分为蔗糖，均为国药集团化学试剂有限责任公司生产。

实施例1

一种基于电磁感应加热调凝机制的碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂，其制备方法和应用方法包括如下步骤：

1)原料的称取，各原料及其用量为：粉煤灰450g，标准砂1350g，氢氧化钠颗粒140g，导电钢丝绒纤维18g，水180g；

2)碱激发粉煤灰缓凝结合剂的配制：

将称取的固体NaOH颗粒缓慢加入称量的水中，搅拌均匀后，将其置于恒温恒湿化学实验室中室温静置24h，得到内部基团组成较为稳定的碱激发剂溶液；

用湿抹布润湿搅拌器的叶片以及搅拌锅后，将称取的粉煤灰与导电钢丝绒纤维倒入搅拌锅混合均匀，然后倒入配制好的碱激发剂溶液，开启水泥净浆搅拌机对所得混合体系进行1min的慢搅(搅拌叶片自转速度为140r/min、公转速度62r/min)，慢搅拌过程中逐渐加入标准砂，加完标准砂之后，开启快速搅拌1min(搅拌叶片自转速度为285r/min、公转速度125r/min)，停止搅拌一分钟，对搅拌锅进行挂底，然后快速搅拌3min，即得所述碱激发粉煤灰缓凝结合剂；将所得缓凝结合剂密封静置30天后，该缓凝结合剂仍未初凝，测得其稠度为35mm，流动性良好；并且钢丝绒纤维分散均匀；

3)调凝应用；

如图1所示，在预应力钢绞线上缠绕感应线(高频线圈2)，将所得碱激发粉煤灰砂浆缓粘结合剂(缓凝结合剂4)涂覆在缠绕感应线的钢绞线5上，并用塑料套管(波纹管3)包覆起来，最后在塑料套管3的外圈再次缠绕感应线(高频线圈2)；对其进行电磁感应加热，电磁加热仪的功率为5kw，通过施加幅值为0.30T、频率为35Hz的交变磁场，使其温度按5℃/min均匀升高；当磁场控制加热温度为80℃，保温时间为2天，测得加热固化后14天抗压强度达33.5MPa，抗折强度为7.1MPa；测得孔隙率为15.17％，抗折后断面并无肉眼可见的空洞出现，致密性良好；同时，观察到所得试块中的导电钢丝绒纤维分布较为均匀，没有出现沉积现象，在加热过程中可进一步促进砂浆被均匀加热。

结果表明，采用步骤3)所述调控手段所得预应力钢绞线试件符合缓凝剂预应力中缓凝砂浆的强度要求；所得缓凝结合剂可满足缓凝时间为30天内的工期要求。

实施例2

一种基于电磁感应加热调凝机制的碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂其制备方法和应用方法包括如下步骤：

1)原料的称取，各原料及其用量为：粉煤灰450g，标准砂1350g，氢氧化钠颗粒100g，导电钢丝绒纤维18g，水180g；

2)碱激发粉煤灰缓凝结合剂的配制：

将称取的固体NaOH颗粒缓慢加入称量好的水中，将其静置于恒温恒湿化学实验室中室温静置24h，得到内部基团组成较为稳定的碱激发剂溶液；

用湿抹布润湿搅拌器的叶片以及搅拌锅后，将称取的粉煤灰与导电钢丝绒纤维倒入搅拌锅混合均匀，然后倒入配制好的碱激发剂溶液，开启水泥净浆搅拌机对所得混合体系进行1min的慢搅(搅拌叶片自转速度为140r/min、公转速度62r/min)，慢搅拌过程中逐渐加入标准砂，加完标准砂之后，开启快速搅拌1min，停止搅拌一分钟，对搅拌锅进行挂底，然后快速搅拌3min(搅拌叶片自转速度为285r/min、公转速度125r/min)，即得所述碱激发粉煤灰缓凝结合剂；取部分缓凝结合剂密封静置14天后，该缓凝结合剂还未初凝，测得其稠度为29mm，流动性良好；钢丝绒纤维分散均匀；取部分所得缓凝结合剂密封静置30天后，该缓凝结合剂未初凝，测得其稠度为27mm，流动性良好；取部分所得缓凝结合剂密封静置50天后，经过测试仍无强度；

3)调凝应用；

参考实施例1所述应用方法，取部分所得碱激发粉煤灰缓凝结合剂进行电磁感应加热，控制加热温度为80℃，保温时间为2天，测得加热固化后14天抗压强度达31.5MPa，抗折强度5.8MPa。本实施例制备的缓凝结合剂可满足缓凝时间为14天内的工期要求。

实施例3

1)原料的称取，各原料及其用量为：粉煤灰450g，标准砂1350g，氢氧化钠颗粒100g，蔗糖22.5g，导电钢丝绒纤维18g，所需水量为180g；

2)碱激发粉煤灰缓凝结合剂的配制：

将称取的固体NaOH颗粒缓慢加入称量好的水中，搅拌均匀后，将其静置于恒温恒湿化学实验室中室温静置24h，得到内部基团组成较为稳定的碱激发剂溶液；

用湿抹布润湿搅拌器的叶片以及搅拌锅后，将称取的粉煤灰与导电钢丝绒纤维倒入搅拌锅混合均匀，然后倒入配制好的碱激发剂溶液，开启水泥净浆搅拌机对所得混合体系进行1min的慢搅(搅拌叶片自转速度为140r/min、公转速度62r/min)，慢搅拌过程中逐渐加入标准砂，加完标准砂之后，开启快速搅拌1min，停止搅拌一分钟，对搅拌锅进行挂底，然后快速搅拌3min(搅拌叶片自转速度为285r/min、公转速度125r/min)，即得所述碱激发粉煤灰缓凝结合剂；将所得缓凝结合剂密封静置30天后，该缓凝结合剂还未初凝，测得其稠度为31mm，流动性良好；

3)调凝应用；

参考实施例1所述应用方法，取部分所得碱激发粉煤灰缓凝结合剂进行电磁感应加热，控制加热温度为80℃，保温时间为2天，测得加热固化后14天抗压强度达42.8MPa，抗折强度7.3MPa。本实施例制备的缓凝结合剂在满足缓凝时间为30天内的工期要求的同时，可有效兼顾高力学强度性能。

对比例1

一种碱激发粉煤灰缓凝结合剂，其制备方法和应用方法包括如下步骤：

2)碱激发粉煤灰缓凝结合剂的配制：

用湿抹布润湿搅拌器的叶片以及搅拌锅后，将称取的粉煤灰与导电钢丝绒纤维倒入搅拌锅混合均匀，然后倒入配制好的碱激发剂溶液，开启水泥净浆搅拌机对所得混合体系进行1min的慢搅(搅拌叶片自转速度为140r/min、公转速度62r/min)，慢搅拌过程中逐渐加入标准砂，加完标准砂之后，开启快速搅拌1min，停止搅拌一分钟，对搅拌锅进行挂底，然后快速搅拌3min(搅拌叶片自转速度为285r/min、公转速度125r/min)，即得所述碱激发粉煤灰缓凝结合剂；将所得缓凝结合剂密在塑料管内，将塑料管埋置在现浇混凝土梁构件底部，在室温下养护21天；

3)外部加热调凝；

在混凝土梁底部通过水蒸气加热，控制蒸汽温度为80℃，加热时间为2天，之后再养护14天。剖开所得混凝土并将塑料套管取出，发现内部缓凝砂浆上部出现部分未凝现象，且沿长度方向砂浆强度不均，无法对钢筋提供均匀的握裹应力和形成致密的微结构。

考虑到蒸汽加热的传热特性，针对缓凝砂浆内部温度无法到达硬化所需温度的问题，进一步提高蒸汽温度至95℃，加热时间为2天，之后再养护14天。剖开所得混凝土并将塑料套管取出，发现内部缓凝砂浆上部仍然存在部分未凝现象；且由于蒸汽温度过高，导致混凝土加热面出现破坏现象。所述加热调凝工艺只能对布置在构件底部或者最外侧的预应力筋进行调凝，且内部温度上升速度不能进行控制，无法对缓凝砂浆体系进行规模化、匀质化并靶向的供应热量。同时，由于热量从混凝土构件外向内部传递，形成的热能梯度会导致混凝土出现微裂纹等问题，严重影响其耐久性和安全性。

上述结果表明，采用本发明所述调凝机制，可以灵活控制碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂的硬化时间和速度，并保证硬化体的强度和整体性能。

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。

Claims

1. 一种基于电磁感应加热调凝机制的碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂，其特征在于，由以下重量份数的组分组成：低钙胶凝材料400-500份，骨料1300-1400份，激发剂80-160份，磁热组分15-20份，水150-200份；

所述激发剂为氢氧化钠；

所述低钙胶凝材料为低钙粉煤灰、低钙矿粉中的一种或几种，所述低钙胶凝材料的CaO含量小于10wt%；

所述低钙粉煤灰的比表面积大于2000m²/kg；

所述磁热组分为钢丝绒纤维、钢砂、石墨、磁粉中的一种或几种；

将所得缓凝结合剂密封静置30天后，该缓凝结合剂仍未初凝。

2.根据权利要求1所述的碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂，其特征在于，所述骨料为粒径小于2mm的河砂、机制砂的一种或两者的混合。

3.权利要求1～2任一项所述碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数包括：低钙胶凝材料400-500份，骨料 1300-1400份，激发剂80-160份，磁热组分15-20份，水150-200份；2)将称取的激发剂与水混合均匀，配制激发剂溶液；将其加入低钙胶凝材料、磁热组分的混合料中，进行搅拌处理，同时在搅拌过程中加入骨料，即得所述碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂。

4.权利要求1～2任一项所述碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂在预应力筋中的应用，其特征在于，包括如下步骤：

1)在预应力钢绞线上缠绕电磁感应线，将配制的碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂涂覆在缠绕了电磁感应线的钢绞线表面，并用绝缘套管包覆起来，最后在绝缘套管的外圈再次缠绕感应线；制得缓粘结预应力钢筋；

2)对所得缓粘结预应力钢筋需要固化部位的表面施加交变磁场，调控碱激发低钙胶凝材料缓凝结合剂中的温度和加热时间。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述交变磁场产生的温度为60-100℃时，加热时间为1-3天。