CN115304335B - 一种用于加固修补的高性能特种混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于加固修补的高性能特种混凝土，该特种混凝土按照质量份数由以下组分组成：石英砂300~700份、普通硅酸盐水泥150~400份、矿渣粉70~120份、硅灰3~7份、粉煤灰15~50份、消石灰2~9份、减水剂1.5~2.5份、增韧剂1~5份、粘接剂0.2~0.8份、膨胀剂8~12份、改性高分子纤维5~15份，拌合水80~160份。同时，本发明还公开了该高性能特种混凝土的制备方法。本发明具有高粘接性能、高韧性、高抗裂性能、施工方便的特点。

Description

一种用于加固修补的高性能特种混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，尤其涉及一种用于加固修补的高性能特种混凝土及其制备方法。
背景技术
国民生产生活中采用钢筋混凝土结构的工业建筑、桥梁等基础设施以及采用砖混结构的老旧房屋，由于受到环境侵蚀老化、自然灾害等因素的影响，会产生建筑物安全性下降的隐患。我国早期建设的基础设施工程和老旧房屋大多数正在进入维修、加固、改造的高峰期。因此，对其进行有效地加固修补以保证建筑物的安全性和恢复正常使用功能具有重大的意义。
传统加固方式通常有外包钢板、加大梁柱截面或砌体墙面挂钢筋网片浇筑混凝土等。现有的工程修复加固材料主要有水泥类修补砂浆、聚合物砂浆、环氧树脂高分子材料等。受现有加固材料性能和施工方式的制约，易产生早期强度偏低、粘接性能差、抗裂性能差、抗折强度低、韧性不足的现象，从而致使施工工期长，施工后修补材料与混凝土基础界面结合薄弱，施工后收缩得不到有效控制致使修补失效等加固效果不佳的问题出现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高粘接性能、高韧性、高抗裂性能、施工方便的用于加固修补的高性能特种混凝土。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供该用于加固修补的高性能特种混凝土的制备方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种用于加固修补的高性能特种混凝土，其特征在于：该特种混凝土按照质量份数由以下组分组成：石英砂300~700份、普通硅酸盐水泥150~400份、矿渣粉70~120份、硅灰3~7份、粉煤灰15~50份、消石灰2~9份、减水剂1.5~2.5份、增韧剂1~5份、粘接剂0.2~0.8份、膨胀剂8~12份、改性高分子纤维5~15份，拌合水80~160份。
所述普通硅酸盐水泥的强度等级为52.5；所述石英砂的细度模数为2.2~1.6；所述矿渣粉为S95级及以上矿渣粉；所述硅灰为比表面积小于22000m2/kg的微硅灰；所述粉煤灰为比表面积不小700m2/kg的一级粉煤灰；所述消石灰为比表面积大于400m2/kg的消石灰粉；所述减水剂为粉体聚羧酸减水剂；所述增韧剂为粉体聚乙烯醇；所述粘接剂为羟丙基甲基纤维素；所述膨胀剂为脱硫石膏与硫酸铝质量比为5:1的混合粉体。
所述改性高分子纤维按下述方法制得：
⑴将聚乙烯醇纤维用80℃、浓度为2g/L的烷基磺酸钠水溶液浸泡清洗3次，每次清洗时间1h，之后用水冲洗，并烘干；
⑵将步骤⑴所得的聚乙烯醇纤维通过辊浸渍在充满上浆剂的上浆槽中，通过浸渍长度控制上浆时间，并利用压辊调整上浆量，上浆剂附着在纤维表面后，通过热空气干燥完成上浆处理，即得上浆后的聚乙烯醇纤维；
⑶将上浆后的纤维通过辊浸渍在充满浓度为150g/L的羟基封端聚二甲基硅氧烷乳液的槽中，并进行压辊，通过热空气干燥完成润滑处理，即得改性聚乙烯醇纤维；
⑷所述改性聚乙烯醇纤维剪切为长度为12mm的短切纤维即得。
所述步骤⑴中聚乙烯醇纤维的当量直径40~50μm。
所述步骤⑵中上浆剂是指聚合度为500的完全醇解聚乙烯醇（PVA）。
所述步骤⑵与所述步骤⑶中浸渍时间10min，浸轧方式选用一浸一轧，浸轧压力1kg/m2。
所述步骤⑵中热空气干燥温度为80℃，干燥时间为15min。
所述步骤⑶中热空气干燥温度为70℃，干燥时间为20min。
如上所述的一种用于加固修补的高性能特种混凝土的制备方法，包括以下步骤：
①按配比称重；
②取拌合水总量的5%，将改性高分子纤维浸泡在水中，浸泡30min；
③将石英砂、普通硅酸盐水泥、矿渣粉、硅灰、粉煤灰、消石灰、减水剂、增韧剂、粘接剂、膨胀剂混合，采用强制搅拌机以120r/min的转速搅拌4min，得到混合料；
④取拌合水总量的90%，并加入所述混合料中，以60r/min的转速搅拌4min，制得均匀的料浆；
⑤在转速为90r/min的条件下，将所述步骤②浸泡后的改性高分子纤维与水均匀洒入所述料浆中，继续搅拌5min；然后加入剩余拌合水，以100r/min的转速搅拌3min，即得加固修补用高性能特种混凝土。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、现有的高延性混凝土在制备加工时，一般采用的纤维是亲水基的聚乙烯醇纤维，使得纤维与周围的水化产物产生较强的化学粘结能，在高延性混凝土承受较大的压力时，导致聚乙烯醇纤维并非从基材中拔出而是直接拉断，阻碍了混凝土材料多裂缝开裂的产生，降低了高延性混凝土应变-硬化特性的作用，从而降低了高延性混凝土的韧性。
本发明对亲水基的聚乙烯醇纤维表面进行了改性处理，采用PVA浆料做为上浆剂，采用羟基封端聚二甲基硅氧烷乳液作为润滑剂。PVA纤维表面通常有竖状的沟壑与杂质颗粒，利用上浆剂浆附膜将表面沟壑填平，再利用润滑剂包覆在外围，增加了表面的润滑性。PVA纤维通过改性处理，增大了纤维延伸率和纤维的接触角，适当降低了纤维的亲水性和纤维与基体材料的机械咬合性，大幅提高了混凝土的韧性。
2、本发明在添加改性高分子纤维的同时选用聚乙烯醇粉体作为增韧剂，增加了混凝土基材的韧性，使60d抗折强度大于15MPa。
3、后期强度增长显著。
本发明在选用粉煤灰的同时选用了消石灰，消石灰提供了粉煤灰水化反应所必须的Ca (OH)2，增加了浆体中OH-离子浓度，使pH值增大，有利于促进粉煤灰玻璃体中聚合度较高的Si-O, Al-O键的断裂，以达到进一步激发粉煤灰活性之目的，与硅灰和矿渣粉协同作用，对混凝土的后期强度的增长具有突出贡献。60d抗压强度较28d强度增长超50%。
4、具有优异的抗裂性能。
本发明选用脱硫石膏和硫酸铝作为膨胀剂，由于加固修补材料配料体系的胶砂比一般较高，因此容易产生收缩开裂，选用膨胀剂进行收缩补偿。
5、与既有结构的协同能力强。
本发明选用羟丙基甲基纤维素作为粘接剂，粘接拉伸强度高，同时该修补材料为水泥基，与既有结构基材的热膨胀系数相近。
6、本发明有效利用了粉煤灰、矿渣、脱硫石膏三种固体废弃物，减小了其对于环境的污染，在一定程度上为固体废弃物的处理提供了解决方式，有利于工业固体废弃物的资源化再利用。
7、采用本发明制得的加固修补用高性能特种混凝土施工时，施工工法极其简单，无需搭架支模与浇注成型，直接在基体表面进行分层抹面处理即可达到强度要求。
具体实施方式
一种用于加固修补的高性能特种混凝土，该特种混凝土按照质量份数（kg）由以下组分组成：石英砂300~700份、普通硅酸盐水泥150~400份、矿渣粉70~120份、硅灰3~7份、粉煤灰15~50份、消石灰2~9份、减水剂1.5~2.5份、增韧剂1~5份、粘接剂0.2~0.8份、膨胀剂8~12份、改性高分子纤维5~15份，拌合水80~160份。
该用于加固修补的高性能特种混凝土的制备方法，包括以下步骤：
①按配比称重；
②取拌合水总量的5%，将改性高分子纤维浸泡在水中，浸泡30min；
③将石英砂、普通硅酸盐水泥、矿渣粉、硅灰、粉煤灰、消石灰、减水剂、增韧剂、粘接剂、膨胀剂混合，采用强制搅拌机以120r/min的转速搅拌4min，得到混合料；
④取拌合水总量的90%，并加入混合料中，以60r/min的转速搅拌4min，制得均匀的料浆；
⑤在转速为90r/min的条件下，将步骤②浸泡后的改性高分子纤维与水均匀洒入所述料浆中，继续搅拌5min；然后加入剩余拌合水，以100r/min的转速搅拌3min，即得加固修补用高性能特种混凝土。
其中：普通硅酸盐水泥的强度等级为52.5；石英砂的细度模数为2.2~1.6；矿渣粉为S95级及以上矿渣粉；硅灰为比表面积小于22000m2/kg的微硅灰；粉煤灰为比表面积不小700m2/kg的一级粉煤灰；消石灰为比表面积大于400m2/kg的消石灰粉；减水剂为粉体聚羧酸减水剂；增韧剂为粉体聚乙烯醇；粘接剂为羟丙基甲基纤维素；膨胀剂为脱硫石膏与硫酸铝质量比（kg/kg）为5:1的混合粉体。
改性高分子纤维按下述方法制得：
⑴将当量直径40~50μm的聚乙烯醇纤维用80℃、浓度为2g/L的烷基磺酸钠水溶液浸泡清洗3次，每次清洗时间1h，之后用水冲洗，并烘干。
⑵将步骤⑴所得的聚乙烯醇纤维通过辊浸渍在充满上浆剂的上浆槽中，上浆剂是指聚合度为500的完全醇解聚乙烯醇（PVA）。通过浸渍长度控制上浆时间，并利用压辊调整上浆量，浸渍时间10min，浸轧方式选用一浸一轧，浸轧压力1kg/m2。上浆剂附着在纤维表面后，通过热空气80℃干燥15min，完成上浆处理，即得上浆后的聚乙烯醇纤维。
⑶将上浆后的纤维通过辊浸渍在充满浓度为150g/L的羟基封端聚二甲基硅氧烷乳液的槽中，并进行压辊，浸渍时间10min，浸轧方式选用一浸一轧，浸轧压力1kg/m2。通过热空气70℃干燥20min，完成润滑处理，即得改性聚乙烯醇纤维。
⑷改性聚乙烯醇纤维剪切为长度为12mm的短切纤维即得。
下述实施例1~4所用材料说明：
石英砂：选购自永登志祥工贸有限责任公司；普通硅酸盐水泥：选购自甘肃祁连山水泥集团股份有限公司；矿渣粉：选购自兰鑫钢铁集团有限公司；硅灰：选购自甘肃三远硅材料有限公司；粉煤灰：选购自兰州长盛源新型环保建材有限公司；消石灰：选购自甘肃鸿丰电石有限公司；减水剂：由兰州宏方新型建材科技有限公司生产的聚羧酸减水剂；增韧剂：选购自安徽皖维高新材料有限公司的粉体聚乙烯醇；粘接剂：选购自广东龙湖科技股份有限公司的羟丙基甲基纤维素；膨胀剂：选购自靖煤集团白银热电有限公司的脱石膏与山东奥创化工有限公司的粉体硫酸铝；高分子纤维：选购自安徽皖维高新材料有限公司；羟基封端聚二甲基硅氧烷乳液：广州市壹诺化工科技有限公司；聚合度为500的完全醇解PVA：山西三维集团股份有限公司。
实施例1 一种用于加固修补的高性能特种混凝土，该特种混凝土由以下组分组成：石英砂700 kg、普通硅酸盐水泥200 kg、矿渣粉80 kg、硅灰3 kg、粉煤灰25 kg、消石灰2kg、减水剂2 kg、增韧剂1.5 kg、粘接剂0.2 kg、膨胀剂8 kg、改性高分子纤维5 kg，拌合水80 kg。
该用于加固修补的高性能特种混凝土的制备方法，包括以下步骤：
①按配比称重；
②取拌合水总量的5%，将改性高分子纤维浸泡在水中，浸泡30min；
③将石英砂、普通硅酸盐水泥、矿渣粉、硅灰、粉煤灰、消石灰、减水剂、增韧剂、粘接剂、膨胀剂混合，采用强制搅拌机以120r/min的转速搅拌4min，得到混合料；
④取拌合水总量的90%，并加入混合料中，以60r/min的转速搅拌4min，制得均匀的料浆；
⑤在转速为90r/min的条件下，将步骤②浸泡后的改性高分子纤维与水均匀洒入所述料浆中，继续搅拌5min；然后加入剩余拌合水，以100r/min的转速搅拌3min，即得加固修补用高性能特种混凝土。
其中：改性高分子纤维按下述方法制得：
⑴将当量直径40~50μm的聚乙烯醇纤维用80℃、浓度为2g/L的烷基磺酸钠水溶液浸泡清洗3次，每次清洗时间1h，之后用水冲洗，并烘干。
⑵将步骤⑴所得的聚乙烯醇纤维通过辊浸渍在充满上浆剂的上浆槽中，上浆剂是指聚合度为500的完全醇解聚乙烯醇（PVA）。通过浸渍长度控制上浆时间，并利用压辊调整上浆量，浸渍时间10min，浸轧方式选用一浸一轧，浸轧压力1kg/m2。上浆剂附着在纤维表面后，通过热空气80℃干燥15min，完成上浆处理，即得上浆后的聚乙烯醇纤维。
⑶将上浆后的纤维通过辊浸渍在充满浓度为150g/L的羟基封端聚二甲基硅氧烷乳液的槽中，并进行压辊，浸渍时间10min，浸轧方式选用一浸一轧，浸轧压力1kg/m2。通过热空气70℃干燥20min，完成润滑处理，即得改性聚乙烯醇纤维。
⑷改性聚乙烯醇纤维剪切为长度为12mm的短切纤维即得。
实施例2 一种用于加固修补的高性能特种混凝土，该特种混凝土由以下组分组成：石英砂600 kg、普通硅酸盐水泥280 kg、矿渣粉96 kg、硅灰5 kg、粉煤灰15 kg、消石灰4kg、减水剂2.2 kg、增韧剂3 kg、粘接剂0.4 kg、膨胀剂10 kg、改性高分子纤维8 kg，拌合水100 kg。
该用于加固修补的高性能特种混凝土的制备方法和改性高分子纤维的制备同实施例1。
实施例3 一种用于加固修补的高性能特种混凝土，该特种混凝土由以下组分组成：石英砂500 kg、普通硅酸盐水泥340 kg、矿渣粉118 kg、硅灰7 kg、粉煤灰30 kg、消石灰5 kg、减水剂2.3 kg、增韧剂4 kg、粘接剂0.6 kg、膨胀剂11 kg、改性高分子纤维10 kg，拌合水120 kg。
该用于加固修补的高性能特种混凝土的制备方法和改性高分子纤维的制备同实施例1。
实施例4 一种用于加固修补的高性能特种混凝土，该特种混凝土由以下组分组成：石英砂400 kg、普通硅酸盐水泥400 kg、矿渣粉134 kg、硅灰7 kg、粉煤灰50 kg、消石灰9 kg、减水剂2.4 kg、增韧剂5 kg、粘接剂0.8 kg、膨胀剂12 kg、改性高分子纤维15 kg，拌合水140 kg。
该用于加固修补的高性能特种混凝土的制备方法和改性高分子纤维的制备同实施例1。
上述实施例1~4所得特种混凝土的各项性能如表1所示。
表1 加固修补用特种混凝土主要性能测试

Claims (6)

1.一种用于加固修补的高性能特种混凝土，其特征在于：该特种混凝土按照质量份数由以下组分组成：石英砂300~700份、普通硅酸盐水泥150~400份、矿渣粉70~120份、硅灰3~7份、粉煤灰15~50份、消石灰2~9份、减水剂1.5~2.5份、增韧剂1~5份、粘接剂0.2~0.8份、膨胀剂8~12份、改性高分子纤维5~15份，拌合水80~160份；所述改性高分子纤维按下述方法制得：
⑴将聚乙烯醇纤维用80℃、浓度为2g/L的烷基磺酸钠水溶液浸泡清洗3次，每次清洗时间1h，之后用水冲洗，并烘干；所述聚乙烯醇纤维的当量直径40~50μm；
⑵将步骤⑴所得的聚乙烯醇纤维通过辊浸渍在充满上浆剂的上浆槽中，通过浸渍长度控制上浆时间，并利用压辊调整上浆量，上浆剂附着在纤维表面后，通过热空气干燥完成上浆处理，即得上浆后的聚乙烯醇纤维；
⑶将上浆后的纤维通过辊浸渍在充满浓度为150g/L的羟基封端聚二甲基硅氧烷乳液的槽中，并进行压辊，通过热空气干燥完成润滑处理，即得改性聚乙烯醇纤维；
⑷所述改性聚乙烯醇纤维剪切为长度为12mm的短切纤维即得；
该特种混凝土的制备方法，包括以下步骤：
①按配比称重；
②取拌合水总量的5%，将改性高分子纤维浸泡在水中，浸泡30min；
③将石英砂、普通硅酸盐水泥、矿渣粉、硅灰、粉煤灰、消石灰、减水剂、增韧剂、粘接剂、膨胀剂混合，采用强制搅拌机以120r/min的转速搅拌4min，得到混合料；
④取拌合水总量的90%，并加入所述混合料中，以60r/min的转速搅拌4min，制得均匀的料浆；
⑤在转速为90r/min的条件下，将所述步骤②浸泡后的改性高分子纤维与水均匀洒入所述料浆中，继续搅拌5min；然后加入剩余拌合水，以100r/min的转速搅拌3min，即得加固修补用高性能特种混凝土。
2.如权利要求1所述的一种用于加固修补的高性能特种混凝土，其特征在于：所述普通硅酸盐水泥的强度等级为52.5；所述石英砂的细度模数为2.2~1.6；所述矿渣粉为S95级及以上矿渣粉；所述硅灰为比表面积小于22000m2/kg的微硅灰；所述粉煤灰为比表面积不小700m2/kg的一级粉煤灰；所述消石灰为比表面积大于400m2/kg的消石灰粉；所述减水剂为粉体聚羧酸减水剂；所述增韧剂为粉体聚乙烯醇；所述粘接剂为羟丙基甲基纤维素；所述膨胀剂为脱硫石膏与硫酸铝质量比为5:1的混合粉体。
3.如权利要求1所述的一种用于加固修补的高性能特种混凝土，其特征在于：所述步骤⑵中上浆剂是指聚合度为500的完全醇解聚乙烯醇。
4.如权利要求1所述的一种用于加固修补的高性能特种混凝土，其特征在于：所述步骤⑵与所述步骤⑶中浸渍时间10min，浸轧方式选用一浸一轧，浸轧压力1kg/m2。
5.如权利要求1所述的一种用于加固修补的高性能特种混凝土，其特征在于：所述步骤⑵中热空气干燥温度为80℃，干燥时间为15min。
6.如权利要求1所述的一种用于加固修补的高性能特种混凝土，其特征在于：所述步骤⑶中热空气干燥温度为70℃，干燥时间为20min。
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