CN114620980A - 一种水工自愈合砂浆及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于混凝土材料技术领域，具体地涉及一种水工自愈合砂浆及其制备方法。本发明的水工自愈合砂浆是由按照如下重量份的胶材270～290份、骨料700～750份、外加剂4～4.5份、修复剂1.5～9份、水100～110份，及占总体积的掺量百分比为0.5％～1.2％纤维混合而成。将上述组成料通过准备、干拌、制浆和强制搅拌四个步骤制备而成。通过制备、装模、预留裂缝、养护和修复检测试验五个步骤对制备的砂浆进行修复检验。本发明的砂浆具有自我诊断裂缝及自我修复裂缝的功能，可为提高混凝土基体抗裂性能或减少混凝土既有裂缝提供新的研究途径，也可为混凝土材料性能提升提供保障措施，进而延长混凝土建筑物使用寿命。

Description

一种水工自愈合砂浆及制备方法

技术领域

本发明属于混凝土材料技术领域，具体地涉及一种水工自愈合砂浆及制备方法。

背景技术

混凝土作为建筑材料被广泛应用于各个工程领域，但由于其内部组分的多相特性以及成型工艺等因素影响，导致其内部存在一定程度的原始缺陷，使混凝土力学性能与耐久性能降低，进而使混凝土建筑物的寿命缩短。水工构筑物所用混凝土材料常面临压力水、干湿循环耦合作用、溶蚀冲刷耦合等服役环境，由此诱发的混凝土开裂、溶蚀、冲蚀等质量缺陷往往难以修复。研究具有较高抗裂性能的混凝土或减少既有混凝土开裂是提升混凝土耐久性的有效手段，也是当下混凝土技术研究的主要方向。

自愈合砂浆是指在水泥基体中预埋入特殊组分，形成智能型自修复系统。在基体产生损伤裂纹时，埋植于内部的修复体系在力、热或化学破坏下释放修复剂，粘结封堵裂纹，从而达到修复目的。目前关于自愈合砂浆的研究主要集中在裂缝自愈合机理分析、自愈合性能效果试验以及评估检验方法等方面。

裂缝自愈合机理方面的研究主要可分为物理原理、生物学原理、化学原理三个方面。物理原理的自愈合砂浆不能从本质上消除裂缝，但可使裂缝宽度减小；生物原理的自愈合砂浆常面临微生物活性、存活环境、与基体材料相容性等因素对其愈合效果影响而难以实现；化学原理的自愈合砂浆实质上是在混凝土裂缝内部发生各种化学反应，其产物填充裂缝而达到自修复，对环境要求相对较低，在潮湿环境、水环境下可实现自修复功能。

利用化学原理可实现水环境下混凝土微观裂缝循环性自修复，利用物理原理阻止宏观裂缝的开裂、扩展机理，可实现降低基体内部较宽裂缝的数量。设计一种将物理原理与化学原理结合的水工自愈合砂浆，是实现水环境下混凝土基体宏观裂缝的预防与微观裂缝修复，提高混凝土结构耐久性的有效方法，在混凝土结构加固修复、防灾减灾等工程领域具有重大的应用前景。

发明内容

为了提高混凝土基体抗裂性能或减少混凝土既有裂缝，为混凝土材料性能提升提供保障措施，进而延长混凝土建筑物使用寿命，本发明提供了一种水工自愈合砂浆及制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种水工自愈合砂浆，包括胶材、骨料、外加剂、修复剂、纤维和水；所述胶材、骨料、外加剂、修复剂和水按照以下重量份进行混合

所述纤维按体积进行混合，其体积占总体积的掺量百分比为0.5％～1.2％。

所述的胶材是由水泥和粉煤灰按(8～9)：(1～2)的质量比混合而成。

所述的水泥采用P.O 42.5硅酸盐水泥，粉煤灰为Ⅲ级以上粉煤灰。

所述的骨料为2区天然砂或机制砂。

所述的外加剂由减水剂和引气剂混合而成，其中减水剂的用量为4～4.4重量份，引气剂的用量为0～0.1重量份。

所述减水剂采用的是聚羧酸减水剂。

所述修复剂为水泥基渗透结晶材料。

所述纤维为采用的是短切非连续纤维；所述短切非连续纤维为钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维或碳纤维中的一种。

一种水工自愈合砂浆的制备方法，包括如下步骤，

步骤一：准备

往搅拌装置中加水空转数分钟，然后将其中的水排净，保证搅拌桶壁完全润湿；

步骤二：干拌

将按质量份称好的骨料和按体积比备好的纤维投入经步骤一处理过的搅拌装置中进行干拌110-130s，使纤维均匀的分布，再加入混合均匀的质量份的胶材和修复剂混合搅拌50-70s；

步骤三：制浆

将按质量份称好的外加剂与水充分混合，将其中50％的混合液倒入搅拌装置搅拌55-65s；

步骤四：强制搅拌

将外加剂与水充分混合后剩余的50％混合液加入步骤三制好的浆中，强制搅拌110-130s后出料。

有益效果：

1、本发明的水工自愈合砂浆，解决了普通水工混凝土在压力水、干湿循环耦合作用、溶蚀冲刷耦合等复杂服役环境中自身耐久性不足的问题。

2、本发明的水工自愈合砂浆的制备方法，其性质稳定，方法简单且易于掌握，且原材料易获取，便于储运。

3、本发明采用物理与化学原理相结合的修复方法，具有自我诊断裂缝及自我修复裂缝的功能，有效地提高了水环境下混凝土基体的耐久性。

4、本发明通过纤维与修复剂的有效结合，不仅从宏观方面抑制了裂缝发展，而且从微观方面修复了微裂缝，从而提高了水工混凝土基体的抗裂性能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例进行详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明制备流程图；

图2为本发明在标准环境下，自愈合砂浆透水时间随修复剂掺量的变化规律图；

图3为本发明在干湿循环环境下，自愈合砂浆透水时间随修复剂掺量的变化规律图；

图4为本发明在水下环境下，自愈合砂浆透水时间随修复剂掺量的变化规律图；

图5为本发明在不同养护环境下，修复龄期为90d时自愈合砂浆透水时间随修复剂掺量的变化规律图；

图6为本发明在不同养护环境下，修复龄期为120d时自愈合砂浆透水时间随修复剂掺量的变化规律图；

图7为本发明在不同养护环境下，修复龄期为150d时自愈合砂浆透水时间随修复剂掺量的变化规律图。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下通过本发明的较佳实施例进行详细说明。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

一种水工自愈合砂浆，包括胶材、骨料、外加剂、修复剂、纤维和水；所述胶材、骨料、外加剂、修复剂和水按照以下重量份进行混合

所述纤维按体积进行混合，其体积占总体积的掺量百分比为0.5％～1.2％。

在具体应用时，首先，往搅拌装置中加水空转数分钟，然后将其中的水排净，保证搅拌桶壁完全润湿；之后，将按质量份称好的骨料和按体积比备好的纤维投入处理过的搅拌装置中进行干拌110-130s，使纤维均匀的分布，再加入混合均匀的质量份的胶材和修复剂混合搅拌50-70s；随后，将按质量份称好的外加剂与水充分混合，将其中50％的混合液倒入搅拌装置搅拌55-65s；再将外加剂与水充分混合后剩余的50％混合液加入其中，强制搅拌110-130s后即可出料。

本发明的水工自愈合砂浆，其性质稳定，方法简单且易于掌握，且原材料易获取，便于储运。本发明所述的水工自愈合砂浆解决了普通水工混凝土在压力水、干湿循环耦合作用、溶蚀冲刷耦合等复杂服役环境中自身耐久性不足的问题。本发明所述的物理与化学原理相结合的修复方法具有自我诊断裂缝及自我修复裂缝的功能，有效地提高了水环境下混凝土基体的耐久性。本发明所述的纤维与修复剂的有效结合可从宏观方面抑制裂缝发展，从微观方面修复微裂缝，从而提高水工混凝土基体的抗裂性能。

水工自愈合砂浆能够自我诊断裂缝及自我修复裂缝的实现机理如下：

主要体现在以下两个方面：一方面在混凝土中掺入的纤维，在混凝土内部呈三维分布，形成“纤维支撑网络结构”，这种结构可有效地阻止基体骨料的离析沉降，也可有效缓解基体内部毛细压力，阻止塑性裂缝产生；另一方面是在混凝土中掺入水泥基渗透结晶材料，材料中的活性物质在干燥环境下处于休眠状态，若混凝土开裂后内部出现渗透水，在渗透水作用下，活性物质与混凝土内部游离态Ca²⁺离子发生化学反应，生成CaCO₃沉淀结晶，密封毛细孔及微裂缝，从而达到自我诊断及修复的功能。

实施例二：

一种水工自愈合砂浆，在实施例一的基础上，所述的胶材是由水泥和粉煤灰按(8～9)：(1～2)的质量比混合而成。

进一步的，所述的水泥采用P.O 42.5硅酸盐水泥，粉煤灰为Ⅲ级以上粉煤灰。

在实际使用时，胶材由水泥和粉煤灰按(8～9)：(1～2)的质量比混合而成。水泥是胶材的主要成分，混凝土中水泥与水混合起胶凝作用，用于包裹骨料，使混凝土具有一定的流动性，均匀性，另一方面水泥与水反应形成坚固的水泥石，将骨料颗粒粘结成整体，使混凝土具有一定的物理力学性能。掺入一定量的粉煤灰主要有以下三方面的优点：一是可以改善混凝土拌和料的流动性、粘聚性和保水性，使混凝土拌和料易于泵送、浇筑成型，并可减少坍落度的经时损失；二是可以减少水泥用量，降低水泥水化放热，可明显减少温度裂缝；三是可提高混凝土的抗渗性和抗硫酸盐腐蚀性和抗镁盐腐蚀性，可以抑制或减少碱集料反应。

水泥采用P.O 42.5硅酸盐水泥，粉煤灰为Ⅲ级以上粉煤灰的技术方案，主要综合考虑具体施工项目用料情况及经济成本控制。

实施例三：

一种水工自愈合砂浆，在实施例一的基础上，所述的骨料为2区天然砂或机制砂。

在实际使用时，2区砂属于中砂，适用于配制混凝土和砂浆，天然砂和机制砂对砂浆强度影响较小，可根据实际情况选定。

本实施例选取2区天然砂。

实施例四：

一种水工自愈合砂浆，在实施例一的基础上，所述的外加剂由减水剂和引气剂混合而成，其中减水剂的用量为4～4.4重量份，引气剂的用量为0～0.1重量份。

在实际使用时，减水剂和引气剂采用本技术方案的用量，可以保证砂浆具有合理的流动度、含气量及强度。

减水剂的使用，可以改善混凝土的工作性能，减少单位用水量，从而提高混凝土的强度，或减少单位水泥用量，节约成本。

引气剂的使用，可以改善砂浆流动性、提高砂浆的均质性，提高砂浆的抗渗性、耐硫酸盐侵蚀及抗碱集料反应性能。

实施例五：

一种水工自愈合砂浆，在实施例四的基础上，所述减水剂采用的是聚羧酸减水剂。

在实际使用时，聚羧酸减水剂与水泥相容性好，减水率高，可提高砂浆的早期、后期强度，且该减水剂氯离子含量低、碱含量低，有利于砂浆的耐久性能。

实施例六：

一种水工自愈合砂浆，在实施例一的基础上，所述修复剂为水泥基渗透结晶材料。

在实际使用时，在混凝土中掺入修复剂，水泥基渗透结晶材料中的活性物质在干燥环境下处于休眠状态，若混凝土开裂后内部出现渗透水，在渗透水作用下，活性物质与混凝土内部游离态Ca²⁺离子发生化学反应，生成CaCO₃沉淀结晶，密封毛细孔及微裂缝，从而达到自我诊断及修复的功能。

修复剂的使用，可以使混凝土自我诊断并修复微裂缝，达到自愈合的效果，避免了混凝土内部或表面裂缝的进一步拓展，提高了混凝土的耐久性能。

采用的水泥基渗透结晶材料为现有技术，它以硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥、石英砂为基材，掺入活性化学物质混配而成，由于活性物质掺量较少，以硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥、石英砂为基材可以使活性物质较为均匀得分布在混凝土或砂浆内部，有利于活性物质更好地发挥自我修复作用。

实施例七：

一种水工自愈合砂浆，在实施例一的基础上，所述纤维为采用的是短切非连续纤维；所述短切非连续纤维为钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维或碳纤维中的一种。

在实际使用时，混凝土中掺入的短切非连续纤维在其内部呈三维分布，形成“纤维支撑网络结构”，这种结构可有效地阻止基体骨料的离析沉降，也可有效缓解基体内部毛细压力，阻止塑性裂缝产生。

在具体应用时，采用的钢纤维的直径≥200μm、长度为9mm～13mm；采用的聚丙烯纤维的直径为18μm～65μm、长度为9mm～13mm；采用的玄武岩纤维的直径≥10μm、长度为9mm～13mm；采用的碳纤维的直径为≥7μm、长度为9mm～13mm。

实施例八：

参照图1所示的一种水工自愈合砂浆的制备方法，包括如下步骤，

步骤一：准备

往搅拌装置中加水空转数分钟，然后将其中的水排净，保证搅拌桶壁完全润湿；

步骤二：干拌

将按质量份称好的骨料和按体积比备好的纤维投入经步骤一处理过的搅拌装置中进行干拌110-130s，使纤维均匀的分布，再加入混合均匀的质量份的胶材和修复剂混合搅拌50-70s；

步骤三：制浆

将按质量份称好的外加剂与水充分混合，将其中50％的混合液倒入搅拌装置搅拌55-65s；

步骤四：强制搅拌

将外加剂与水充分混合后剩余的50％混合液加入步骤三制好的浆中，强制搅拌110-130s后出料。

在实际使用时，通过本方法制备的水工自愈合砂浆，解决了普通水工混凝土在压力水、干湿循环耦合作用、溶蚀冲刷耦合等复杂服役环境中自身耐久性不足的问题。该水工自愈合砂浆具有自我诊断裂缝及自我修复裂缝的功能，可从宏观方面抑制裂缝发展，从微观方面修复微裂缝，改善水工混凝土基体的抗裂性能，有效地提高了水环境下混凝土基体的耐久性，进而延长混凝土建筑物使用寿命。

实施例九：

参照图2-图7本实例提供了一种水工自愈合砂浆，是由水泥、粉煤灰、砂、钢纤维、修复剂、外加剂及水组成，其中水105份，水泥224份，粉煤灰56份，砂子731份，减水剂4.2份，引气剂0.04份，钢纤维体积掺量为0.5％，修复剂掺量分别为1.7份、3.4份、5份、6.7份、8.4份。对不同掺量修复剂的自愈合砂浆进行修复检验试验。

通过实例八的步骤进行水工自愈合砂浆试样的制备，根据DL/T5150-2017《水工混凝土试验规程》中第7.2节抗渗性试验，具体通过如下步骤对上述水工自愈合砂浆的抗渗性修复能力进行试验。

1)制备：抗渗性修复试样规格为上口直径70mm，下口直径80mm，高30mm，上层表面预留宽0.3mm的裂缝。

2)养护：养护环境为模拟面板坝的实际环境(水下环境、干湿循环环境)与室内标准环境(20±2℃，湿度大于95％)三种，养护龄期为30d、60d、90d、120d、150d。

3)试验过程：将不同养护环境的试样养护至规定龄期取出并待表面干燥后，在试样侧面和试模内一层密封材料(如有机硅胶，避免水从侧面渗出)，把试样压入渗透仪的试模中并使试样上下表面水平，静止24h后装入渗透仪中，进行透水试验。开启渗透仪机，水压控制在0.75MPa，待水压力施加至0.5MPa左右时，开始观测试样表面渗水情况，隔5分钟观测一次，直至试样顶面均渗水，记录每个试件透水时间/(min)，两个试样为一组，以两个试样渗水时间平均值作为该组试样的渗水时间代表值，每批试验进行6小时(360min)结束，若试样在5min内表面渗水，则认为该试样渗水时间为0，若6小时未见试样表面渗水，则记录361min，若恰好6小时渗水，则记录360min。

4)试验结果及评价指标：通过对不同修复环境下，不同修复龄期的自愈合砂浆进行抗渗性能试验，以试样的渗水时间评价试样的抗渗性能优劣，即：渗水时间越长表明试样抗渗性能越好，反之，渗水时间越短表明试样抗渗性能越差。不同环境下、不同修复剂掺量的自愈合砂浆抗渗试样在不同龄期的平均渗水时间见表1。

5)结果分析：通过自愈合砂浆裂缝修复检验方法，可知，当修复剂掺量为0份时，即为普通混凝土，由表1可知，在标准环境、干湿循环环境和水下环境中的普通混凝土B0、GS0、S0试样在各龄期的渗水时间均为0min，表示没有自愈合能力。

由表1、图2～图4可知，自愈合砂浆的渗透时间随修复龄期、修复剂掺量的增加而升高，故自愈合砂浆在修复龄期为150d、修复剂掺量为8.4份时，各养护环境下的试样渗透时间最长，裂缝修复效果最佳。

由表1、图5～图7可知，同一修复龄期下，自愈合浆体裂缝修复最佳环境均为水下环境，其次为干湿循环环境。水下环境的自愈合砂浆试样在修复龄期为150d时，试样渗透时间达到360min以上。

表1不同环境下、不同种类自愈合浆体试样不同龄期渗水时间

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种水工自愈合砂浆，其特征在于：包括胶材、骨料、外加剂、修复剂、纤维和水；所述胶材、骨料、外加剂、修复剂和水按照以下重量份进行混合

所述纤维按体积进行混合，其体积占总体积的掺量百分比为0.5％～1.2％。

2.如权利要求1所述的一种水工自愈合砂浆，其特征在于：所述的胶材是由水泥和粉煤灰按(8～9)：(1～2)的质量比混合而成。

3.如权利要求2所述的一种水工自愈合砂浆，其特征在于：所述的水泥采用P.O 42.5硅酸盐水泥，粉煤灰为Ⅲ级以上粉煤灰。

4.如权利要求1所述的一种水工自愈合砂浆，其特征在于：所述的骨料为2区天然砂或机制砂。

5.如权利要求1所述的一种水工自愈合砂浆，其特征在于：所述的外加剂由减水剂和引气剂混合而成，其中减水剂的用量为4～4.4重量份，引气剂的用量为0～0.1重量份。

6.如权利要求5所述的一种水工自愈合砂浆，其特征在于：所述减水剂采用的是聚羧酸减水剂。

7.如权利要求1所述的一种水工自愈合砂浆，其特征在于：所述修复剂为水泥基渗透结晶材料。

8.如权利要求1所述的一种水工自愈合砂浆，其特征在于：所述纤维采用的是短切非连续纤维；所述短切非连续纤维为钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维或碳纤维中的一种。

9.如权利要求1-8任意一项所述的一种水工自愈合砂浆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤一：准备

往搅拌装置中加水空转数分钟，然后将其中的水排净，保证搅拌桶壁完全润湿；

步骤二：干拌

将按质量份称好的骨料和按体积比备好的纤维投入经步骤一处理过的搅拌装置中进行干拌110-130s，使纤维均匀的分布，再加入混合均匀的质量份的胶材和修复剂混合搅拌50-70s；

步骤三：制浆

将按质量份称好的外加剂与水充分混合，将其中50％的混合液倒入搅拌装置搅拌55-65s；

步骤四：强制搅拌

将外加剂与水充分混合后剩余的50％混合液加入步骤三制好的浆中，强制搅拌110-130s后出料。

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