CN114477911A - 一种水工建筑物微裂缝水下修补浆液及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水工建筑物微裂缝水下修补浆液及制备方法，属于水工修复材料的技术领域。按照份数比包括以下成分：80~100份的水泥、70~90份的高炉矿渣、15~25份的纳米硅粉、25~35份的体积稳定剂、5~8份的减水剂、70~75份的丙烯酸酯共聚乳液、10~15份的水性环氧固化剂以及水30~35份。本发明所述微裂缝水下修补浆液具有抗分散性强，早期具备微膨胀性，并可实现膨胀效应的缓慢释放，后期不收缩，流动性好，填充密实度高等特点，有效利用了有机组分的抗分散性和抗水渗透性能的同时，通过复配矿物掺合料来提升水下修补浆液的粘聚性，保证了水下施工养护条件下的固结体强度。该种水下修补浆液适用于裂缝宽度为0.1mm~2.0mm的水下混凝土裂缝和地下岩隙裂缝。

Description

一种水工建筑物微裂缝水下修补浆液及制备方法

技术领域

本发明属于水工修复材料的技术领域，特别是涉及一种水工建筑物微裂缝水下修补浆液及制备方法。

背景技术

得益于筑坝及相关领域技术的长足发展和西部水资源开发利用的庞大需求，我国已经成为世界上高坝大库最多的国家。在这类大型水工建筑物的建设和运行周期中，及时的检测出不同类型混凝土构件出现的开裂并及时地进行修补维护显得尤为重要。与一般的修复环境不同，位于坝区水下的结构裂缝，走向复杂且深度很难探测，同时修复面浸泡于水中，潮湿的施工面不仅会降低以水泥净浆为主的传统修补浆体与旧混凝土面的粘接力，而且在一定水深的区域，净浆在水压的作用下，有效成分会迅速溃散，无法形成固结体堵塞坝体裂缝。

发明内容

本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题，提供了一种水工建筑物微裂缝水下修补浆液及制备方法，通过无机和有机组分对传统净浆进行改性，使其达具备水下不分散性、微膨胀性和一定强度的保证，对地下岩隙裂缝起到封闭止漏和固结补强的作用。

本发明采用以下技术方案：一种水工建筑物微裂缝水下修补浆液，按照份数比包括以下成分：80～100份的水泥、70～90份的高炉矿渣、15～25份的纳米硅粉、25～35份的体积稳定剂、5～8份的减水剂、70～75份的丙烯酸酯共聚乳液、10～15份的水性环氧固化剂以及水30～35份。

在进一步的实施例中，所述水泥为将硅酸盐水泥经球磨机细磨后得到的水泥颗粒，所述水泥颗粒的比表面积为1000～1200m²/kg。

在进一步的实施例中，所述高炉矿渣为经球磨机细磨后得到的矿渣颗粒，所述矿渣颗粒的比表面积为1400～1600m²/kg，且7天和28天强度活性指数分别不低于75％和95％。

通过采用上述技术方案，矿渣颗粒与水泥颗粒作为基础胶凝材料，突出二次水化作用，提升长龄期耐久性。

在进一步的实施例中，所述体积稳定剂按照质量分数比包括以下组份：

72％～77％的硫酸钙、12％～17％的莫来石、5％～9％的石英以及1％～5％的铝酸钙。

通过采用上述技术方案，保证早龄期的微膨胀性，并实现膨胀量的缓慢释放，降低后期固结体收缩量。

在进一步的实施例中，所述减水剂为萘系减水剂(FDN-I)，形态为棕色粉体，减水率为15％～25％。

通过采用上述技术方案，提升拌合物流动度和固结体强度的同时，规避聚羧酸减水剂带来的引气效果，降低浆液粘聚性和密实程度。

在进一步的实施例中，所述丙烯酸酯共聚乳液为环氧改性聚丙烯酸酯合成后得到的环氧树脂和丙烯酸共聚混合物。

在进一步的实施例中，所述水性环氧固化剂是环氧与多烯多胺聚合生成端胺基环氧-胺加成物。

通过采用上述技术方案，以丙烯酸酯共聚乳液和水性环氧固化剂共聚反应提升水下抗分散性，并有效增强浆体固结体与混凝土修复面的粘接力和抗水渗透能力。

在进一步的实施例中，所述纳米硅粉的比表面积为15000～18000m²/kg，二氧化硅含量不低于85％，7天快速强度活性指数不低于105％。

通过采用上述技术方案，以纳米微粉提升浆液的粘聚性和形成固结体之后的硬化强度。

制备如上所述的水工建筑物微裂缝水下修补浆液的方法，包括以下步骤：

步骤一、按照预定比例称取水泥、高炉矿渣、纳米硅粉、体积稳定剂和减水剂，并使用混料机混合均匀得到混合干料粉体；

步骤二、按照预定比例称取水性环氧固化剂和水，将所述水性环氧固化剂充分搅拌分散在水中，得到混合溶液；

步骤三、将所述混合干料粉体与混合溶液充分搅拌，使混合干料粉体处于浸润状态，得到混合物；

步骤四、按照预定比例称取丙烯酸酯共聚乳液，并将所述丙烯酸酯共聚乳液加入至混合物中搅拌均匀形成浆液，所述浆液为水工建筑物微裂缝水下修补浆液。

本发明的有有益效果：本发明所述微裂缝水下修补浆液具有抗分散性强，早期具备微膨胀性，并可实现膨胀效应的缓慢释放，后期不收缩，流动性好，填充密实度高等特点，有效利用了有机组分的抗分散性和抗水渗透性能的同时，通过复配矿物掺合料来提升水下修补浆液的粘聚性，保证了水下施工养护条件下的固结体强度。该种水下修补浆液适用于裂缝宽度为0.1mm～2.0mm的水下混凝土裂缝和地下岩隙裂缝。

具体表现为：1.本发明在水泥水化体系中，以磨细粒化高炉矿渣按比例取代部分水泥作为胶凝材料，并复掺纳米硅粉，提升了新拌浆液的粘聚性以及固结后硬化浆体的强度：

(i)该体系中所包含的超细水泥、超细粒化高炉矿渣粉和纳米硅粉，由于比表面积各异，按照预定所述比例组合后降低了混合体内部的孔隙率，提升填充密实度；

(ii)粒化高炉矿渣粉是在高炉炼钢过程中形成的富含硅酸盐([SiO₄]^4-)和铝酸盐([AlO₄]^5-)的熔融物经过淬冷成粒后形成的玻璃体，在水泥水化体系中，碱性浆液(C2S和C3S等水泥矿物水化生成OH^-)激发了玻璃体的潜在水硬活性，可与水泥水化后形成的碱性成分进行二次水化，优化了混凝土内部的微观结构，提升了固结体密实度；

(iii)纳米硅粉在具备上述碱性环境水硬激发能力的同时，得益于更大的比表面积，以及由水化产物C-S-H凝胶形成的范德华力，可显著提升浆液的粘聚性；

2.本发明在硅酸盐水化体系中，以丙烯酸酯共聚乳液和水性环氧固化剂复配的形式，提升浆液在水中的抗分散性，增强了新拌浆液与旧混凝土在潮湿界面上的粘接强度，提高了硬化固结体抗渗透性：

(i)本发明中采用的水性环氧固化剂的主要有效成分为多元胺，在拌合物体系中，可以与丙烯酸酯共聚乳液发生迈克尔加成反应，使分子链重新开链成环，形成絮凝效应，提升浆液在水中的抗分散性，甚至在一定流速动水条件下依然可附着于施工修复表面；

(ii)丙烯酸酯共聚乳液在硬化破乳成膜后，可大幅提升浆液的抗水渗透性，防止裂缝二次渗水风险；

3.本发明在拌和物体系中掺入体积稳定剂，形成特有的膨胀效果，降低结合面开裂风险。传统的混凝土膨胀剂于水化早期膨胀量大，但在完整的水化进程中，不能提供持续的膨胀量，容易在固结体硬化后收缩激增，形成塑性裂纹。本发明中所涉及的体积稳定剂不仅可在早龄期提供膨胀效应，在水化中期还可实现膨胀量的缓慢释放，直到硬化固结体强度提升到足够抵御早期塑性开裂风险。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的，旨在通过无机和有机组分对传统净浆进行改性，使其达具备水下不分散性、微膨胀性和一定强度的保证，用于深水高坝微裂缝的修复。

另一方面，随着城市供水的需求，地下输水管线的建设日益增多。地下开挖、混凝土喷射支护，经常遇到地下岩隙裂缝渗漏问题。本发明的目的还旨在通过无机和有机组分对传统净浆进行改性，使其达具备水下不分散性、微膨胀性和一定强度的保证，对地下岩隙裂缝起到封闭止漏和固结补强的作用。

实施例1

制备水工建筑物微裂缝水下修补浆液的方法，包括以下步骤：

步骤一、称取85份的水泥、85份的高炉矿渣、16份的纳米硅粉、28份的体积稳定剂和6份的减水剂，并使用混料机混合均匀得到混合干料粉体；在本实施例中，所述混合机使用三维运动混合机或同等效力的混料机，且混合时长不少于30s，优选为30s～45s。

步骤二、称取11份的水性环氧固化剂和34份的水，将所述11份的水性环氧固化剂充分搅拌分散在水中，得到混合溶液；

步骤三、将步骤一制备得到的混合干料粉体与步骤二得到的混合溶液充分搅拌，使混合干料粉体处于浸润状态，得到混合物；

步骤四、称取79份的丙烯酸酯共聚乳液，并将所述79份的丙烯酸酯共聚乳液加入至混合物中搅拌均匀形成浆液，其中，搅拌时长不少于90s，优选为90s～120s。所述浆液为水工建筑物微裂缝水下修补浆液。

以上制备过程均在常温环境下进行。

实施例2

制备水工建筑物微裂缝水下修补浆液的方法，包括以下步骤：

步骤一、称取90份的水泥、80份的高炉矿渣、23份的纳米硅粉、32份的体积稳定剂和7份的减水剂，并使用混料机混合均匀得到混合干料粉体；在本实施例中，所述混合机使用三维运动混合机或同等效力的混料机，且混合时长不少于30s；

步骤二、称取14份的水性环氧固化剂和32份的水，将所述14份的水性环氧固化剂充分搅拌分散在水中，得到混合溶液；

步骤三、将步骤一制备得到的混合干料粉体与步骤二得到的混合溶液充分搅拌，使混合干料粉体处于浸润状态，得到混合物；

步骤四、称取66份的丙烯酸酯共聚乳液，并将所述66份的丙烯酸酯共聚乳液加入至混合物中搅拌均匀形成浆液，其中，搅拌时长不少于90s；所述浆液为水工建筑物微裂缝水下修补浆液。

实施例3

制备水工建筑物微裂缝水下修补浆液的方法，包括以下步骤：

步骤一、称取95份的水泥、75份的高炉矿渣、20份的纳米硅粉、30份的体积稳定剂和6份的减水剂，并使用混料机混合均匀得到混合干料粉体；在本实施例中，所述混合机使用三维运动混合机或同等效力的混料机，且混合时长不少于30s；

步骤二、称取14份的水性环氧固化剂和32份的水，将所述14份的水性环氧固化剂充分搅拌分散在水中，得到混合溶液；

步骤三、将步骤一制备得到的混合干料粉体与步骤二得到的混合溶液充分搅拌，使混合干料粉体处于浸润状态，得到混合物；

步骤四、称取72份的丙烯酸酯共聚乳液，并将所述72份的丙烯酸酯共聚乳液加入至混合物中搅拌均匀形成浆液，其中，搅拌时长不少于90s；所述浆液为水工建筑物微裂缝水下修补浆液。

需要说明的是，在实施例1至实施例3中所采用的原材料如下：

水泥：采用符合国家标准GB/T 175-2007的通用硅酸盐水泥，标号为P·O 42.5，生产厂家为安徽海螺水泥股份有限公司；将通用硅酸盐水泥通过球磨机磨细后得到水泥颗粒，实测比表面积为1000～1200m²/kg，优选为1150m²/kg。

高炉矿渣：采用符合国家标准GB/T18046-2017的粒化高炉矿渣粉，级别为S95级，生产厂家为南京南钢钢铁有限公司；将粒化高炉矿渣粉通用硅酸盐水泥通过球磨机磨细后得到矿渣颗粒，所述矿渣颗粒的比表面积为1400～1600m²/kg，优选为1480m²/kg；且7天和28天强度活性指数分别不低于75％和95％。

粒化高炉矿渣粉是在高炉炼钢过程中形成的富含硅酸盐([SiO₄]^4-)和铝酸盐([AlO₄]^5-)的熔融物经过淬冷成粒后形成的玻璃体，在水泥水化体系中，碱性浆液(C2S和C3S等水泥矿物水化生成OH^-)激发了玻璃体的潜在水硬活性，可与水泥水化后形成的碱性成分进行二次水化，优化了混凝土内部的微观结构，提升了固结体密实度。

在实施例1至实施例3中，水泥和矿渣颗粒均需要经过二次球磨，得到预定粒径大小的颗粒，分析其原因：

第一，实验室二次球磨的矿物胶凝材料可以提升配制浆液的粘聚性，有利于浆液的水下不分散性；

第二，水泥和矿渣粉在实验室二次球磨的过程中，对形貌有一定程度的改善，提升了浆液在微裂缝中的扩展能力，有利于修补区域的填充密实度；

第三，实验室二次球磨后的水泥和矿渣粉体现出更好的填充效应，有利于浆液自身的密实度；

第四，磨细的矿物胶凝材料具有更强的活性，可以提升修补浆液固结体的早龄期强度，同时适当缩短凝结时间，有利于降低浆液在动水环境或有压水环境下的损失率；

需要说明的是，用于普通混凝土配制时的通用水泥和矿渣粉之所以不磨细到本发明规定的细度，性能层面的主要原因在于干缩和凝结时间的控制。而本发明的应用场景为潮湿面或水下，长期处于相对湿度100％的条件下，故不受限于干缩控制；同时，适当缩短的凝结时间反而对施工更为有利，故也不存在控制凝结时间层面的问题。

纳米硅粉：采用符合国家标准GB/T 27690-2011的纳米硅粉，生产厂家为法国Elkem有机硅公司；其比表面积在15000～18000m²/kg之间，二氧化硅含量93％，7天快速活性指数为118％。

在实施例1至实施例3中，纳米硅粉的比表面积按照国标GB/T 27690中的规定要求指定的。纳米硅粉在具备上述碱性环境水硬激发能力的同时，得益于更大的比表面积，以及由水化产物C-S-H凝胶形成的范德华力，可显著提升浆液的粘聚性。

综上所述，该体系中所包含的超细水泥、超细粒化高炉矿渣粉和纳米硅粉，由于比表面积各异，按前文所述比例组合后可以降低混合体内部的孔隙率，提升填充密实度。

体积稳定剂：由南京水利科学研究院提供，按照质量分数比包括以下组份：

72％～77％的硫酸钙、12％～17％的莫来石、5％～9％的石英以及1％～5％的铝酸钙。优选为，75％的硫酸钙、15％的莫来石、7％的石英以及3％的铝酸钙。在实施例1至实施例3中所使用的的体积稳定剂的形态为白色粉末，区别于市面上普通的CaO或MgO基膨胀剂的特点在于，该体积稳定剂可以实现早期膨胀量的同时，具备较长期的持续释放膨胀量的能力，很大程度的规避塑性开裂风险。具体表现为：传统的混凝土膨胀剂于水化早期膨胀量大，但在完整的水化进程中，不能提供持续的膨胀量，容易在固结体硬化后收缩激增，形成塑性裂纹。本发明中所涉及的体积稳定剂不仅可在早龄期提供膨胀效应，在水化中期还可实现膨胀量的缓慢释放，直到硬化固结体强度提升到足够抵御早期塑性开裂风险。

丙烯酸酯共聚乳液：采用符合国家标准GB/T 50046-2018的丙烯酸酯共聚乳液，生产厂家为南京瑞迪高新技术有限公司；实测固含量40.6％；所述丙烯酸酯共聚乳液为环氧([C₁₁H₁₂O₃]_n)改性聚丙烯酸酯合成后得到的环氧树脂和丙烯酸共聚混合物，固含量为39％～41％，凝聚浓度为50g/L(氯化钙溶液)。在硅酸盐水化体系中，以丙烯酸酯共聚乳液和水性环氧固化剂复配的形式，提升浆液在水中的抗分散性，增强了新拌浆液与旧混凝土在潮湿界面上的粘接强度，提高了硬化固结体抗渗透性。且丙烯酸酯共聚乳液在硬化破乳成膜后，可大幅提升浆液的抗水渗透性，防止裂缝二次渗水风险。

减水剂：采用符合国家标准GB 8076-2008的萘系高效减水剂，型号为FDN-I，形态为棕色粉体，生产厂家为南京瑞迪高新技术有限公司；减水率为15％～25％，优选为18.6％。

水性环氧固化剂：型号为GS-740B，生产厂家为常州广树化工科技有限公司；实测固含量49.8％。是环氧与多烯多胺聚合生成端胺基环氧-胺加成物。实施例1至实施例3采用的水性环氧固化剂的主要有效成分为多元胺，在拌合物体系中，可以与丙烯酸酯共聚乳液发生迈克尔加成反应，使分子链重新开链成环，形成絮凝效应，提升浆液在水中的抗分散性，甚至在一定流速动水条件下依然可附着于施工修复表面。

对比例1

称取260份的水泥和84份的水充分混合均匀得到修补浆液。

对比例2

称取280份的水泥和64份的水充分混合均匀得到修补浆液。

实施例与对比例相比，以磨细粒化高炉矿渣按比例取代部分水泥作为胶凝材料，并复掺纳米硅粉，提升了新拌浆液的粘聚性以及固结后硬化浆体的强度。

将实施例与对比例分别制备得到的浆液在以下环境中成型：

(i)普通：一般实验室环境下成型；

(ii)水下：在室温下，盛有水的有机玻璃缸中成型，玻璃缸液面距离缸中模具上口高度差为150mm；

(iii)拆模后均按标准养护条件养护。

对实施例力学性能试验按一下方案开展：

(i)普通成型固结体抗折抗压性能试验：按GB/T 17671-1999砂浆抗折抗压试验步骤进行；

(ii)水下成型固结体粘结和抗压试验：按GB/T 17671-1999砂浆抗折方法将强度不低于M30的砂浆试件条折断，清洁断面碎屑，再分别压入模具内，按上述水下成型方式填充模具。养护到一定临期后按GB/T 17671-1999砂浆抗折方法破型，以试件的抗折强度测定值作为水下成型粘结强度，以抗压强度测定值作为水下成型抗压强度。

对实施例变形性能试验按GB/T 50082-2009开展；

对实施例抗分散性能由试验环境水的悬浊度浓度(mg/L)和浊度(NTU)表征，步骤按DL/T 5117-2001开展；

综上所述，实施例新拌浆液和硬化固结体的各项性能见表1。

表1 实施例性能测试结果

表2中的性能数据表明，本发明实施例提供的水工建筑物微裂缝水下修补浆液按照上述权利要求书中比例混合后，得到的修补浆液产品具有抗分散性强，早期具备微膨胀性，并可实现膨胀效应的缓慢释放，后期不收缩，流动性好，填充密实度高等特点，有效利用了有机组分的抗分散性和抗水渗透性能的同时，通过复配矿物掺合料来提升水下修补浆液的粘聚性，保证了水下施工养护条件下的固结体强度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种水工建筑物微裂缝水下修补浆液，其特征在于，按照份数比包括以下成分：80~100份的水泥、70~90份的高炉矿渣、15~25份的纳米硅粉、25~35份的体积稳定剂、5~8份的减水剂、70~75份的丙烯酸酯共聚乳液、10~15份的水性环氧固化剂以及水30~35份。

2.根据权利要求1所述的一种水工建筑物微裂缝水下修补浆液，其特征在于，所述水泥为将硅酸盐水泥经球磨机细磨后得到的水泥颗粒，所述水泥颗粒的比表面积为1000~1200m²/kg。

3.根据权利要求1所述的一种水工建筑物微裂缝水下修补浆液，其特征在于，所述高炉矿渣为经球磨机细磨后得到的矿渣颗粒，所述矿渣颗粒的比表面积为1400~1600m²/kg，且7天和28天强度活性指数分别不低于75%和95%。

4.根据权利要求1所述的一种水工建筑物微裂缝水下修补浆液，其特征在于，所述体积稳定剂按照质量分数比包括以下组份：

72%~77%的硫酸钙、12%~17%的莫来石、5%~9%的石英以及1%~5%的铝酸钙。

5.根据权利要求1所述的一种水工建筑物微裂缝水下修补浆液，其特征在于，所述减水剂为萘系减水剂，形态为棕色粉体，减水率为15%~25%。

6.根据权利要求1所述的一种水工建筑物微裂缝水下修补浆液，其特征在于，所述丙烯酸酯共聚乳液为环氧改性聚丙烯酸酯合成后得到的环氧树脂和丙烯酸共聚混合物。

7.根据权利要求1所述的一种水工建筑物微裂缝水下修补浆液，其特征在于，所述水性环氧固化剂是环氧与多烯多胺聚合生成端胺基环氧-胺加成物。

8.根据权利要求1所述的一种水工建筑物微裂缝水下修补浆液，其特征在于，所述纳米硅粉的比表面积为15000~18000m²/kg，二氧化硅含量不低于85%，7天快速强度活性指数不低于105%。

9.制备如权利要求1至8任意一项所述的水工建筑物微裂缝水下修补浆液的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、按照预定比例称取水泥、高炉矿渣、纳米硅粉、体积稳定剂和减水剂，并使用混料机混合均匀得到混合干料粉体；

步骤二、按照预定比例称取水性环氧固化剂和水，将所述水性环氧固化剂充分搅拌分散在水中，得到混合溶液；

步骤三、将所述混合干料粉体与混合溶液充分搅拌，使混合干料粉体处于浸润状态，得到混合物；

步骤四、按照预定比例称取丙烯酸酯共聚乳液，并将所述丙烯酸酯共聚乳液加入至混合物中搅拌均匀形成浆液，所述浆液为水工建筑物微裂缝水下修补浆液。