CN115340314A - 一种全寿命周期修复水泥基材料裂缝的添加剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及全寿命周期修复水泥基材料裂缝的添加剂，其组成按质量百分数计如下：矿物组分40％～55％，促进组分20％～30％，化学膨胀组分15％～30％，络合组分1％～2％，桥接组分0.5％～1％，物理膨胀组分0～1％。添加剂的应用，由所述添加剂取代水泥基材料中20wt％～40wt％水泥用量。有益效果是：添加剂在水泥基材料拌制的时候按比例直接加入，在水泥基材料服役过程中开裂后，在外部水存在的情况下通过物理和化学的综合作用，在全寿命周期内有效修复堵塞水泥基材料的细观裂缝，再通过与人工大缝“治疗”相结合，从而有效避险水泥基材料内部的钢筋锈蚀，极大的提高水泥基材料的耐久性，进而延长其有效服役寿命。
Description
技术领域
本发明涉及水泥基材料领域，具体涉及一种全寿命周期修复水泥基材料裂缝的添加剂及其应用。
背景技术
混凝土材料由于其材料特性，天然易开裂，而且内部微裂纹多，因此，业内有一种说法：混凝土在整个生命周期内都是带裂纹工作的。肉眼可见的裂纹明显降低混凝土的耐久性，为了减少裂纹的危害，关于混凝土裂纹自修复技术的研究与探索成为热门方向，具有代表性的自修复技术体系有：电化学沉积自愈合、形状记忆合金自愈合、微生物自愈合、胶囊(中空纤维管)自愈合、络合自生自愈合等。不同的方法存在不同的弊端，如电化学沉积法在现场使用限制性大，形状记忆合金使用代价昂贵，微生物存活度难以保证，胶囊影响材料强度发展等，因此，需要开发出一种使用方便，效果持续的卓有成效的水泥基材料裂缝自修复技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种全寿命周期修复水泥基材料裂缝的添加剂及其应用，以克服上述现有技术中的不足。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种Al2O3-MA-SiC-C质铁沟浇注料，其组成按质量百分数计如下：
矿物组分40％～55％，促进组分20％～30％，化学膨胀组分15％～30％，络合组分1％～2％，桥接组分0.5％～1％，物理膨胀组分0％～1％。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步：矿物组分为粉煤灰与矿粉的混合物，所述矿粉占比20wt％～40wt％。
进一步：粉煤灰等级为Ⅱ级或Ⅰ级，所述矿粉为S95级或S105级。
进一步：促进组分为氢氧化钙、硫酸钠、碳酸钠、硅酸钠、氯化胆碱、硫酸酸钾的混合物，各组分均为工业级。
进一步：化学膨胀组分为生石灰、硬石膏、钙基膨润土的一种或多种的混合物，各组分均为工业级。
进一步：络合组分为柠檬酸三钠、磷酸钠、有机磷酸盐、氟化镁中一种或多种的混合物，各组分均为工业级。
进一步：桥接组分为聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维中任意一种，纤维长度为5mm～30mm。
进一步：物理膨胀组分为高吸水性树脂，所述高吸水性树脂在去离子水中的吸水倍率为300～600倍，在0.9％NaCl溶液中的吸水能力为30～100倍。
基于上述技术方案，本发明还提供一种所述添加剂的应用，由所述添加剂取代水泥基材料中部分水泥用量。
进一步：添加剂取代水泥基材料中水泥用量的20wt％～40wt％。
本发明中的各组分既单独发挥作用，也相互协同作用，其中：
促进组分提供Ca2+、Al3+、硅酸根和反应促进剂，为络合剂快速的溶入水中释放出Ca2+络合官能团提供先决条件，并且加快了络合官能团的络合速度，络合形成的晶体尺寸小溶解度高，在浓度差等外力作用下游离到裂缝处与矿物组分和为水化的水泥颗粒等生成稳定的絮状晶体从而堵塞裂缝达到裂缝修复的目的，同时，仿照藤蔓绕着大树生长的原理，本发明中跨接于裂缝两段的桥接组分成为晶体生长的基地，形成的Ca2+络合物在桥接组分周围发生物质交换生成稳定的絮状晶体，然后在桥接组分上落根和沉积，有利于晶体的稳定、牢固和快速生长，另外，裂缝中的水促使化学膨胀组分溶解与未水化的水泥颗粒和矿物组分进行化学反应生成体积明显增大的反应物，与吸水膨胀的物理组分一起加快了裂缝堵塞和修复的速度；
本发明的水泥基材料开裂后能自动修复裂缝的添加剂通过各组分之间的综合作用，在保湿养护条件下，可使水泥基材料结构中≤0.2mm的细观裂缝在一定周期内自动修复，堵塞率在95％以上；
本发明还充分考虑了修复的时间性和迅速性，物理膨胀组分和化学膨胀组分在不同的时间段发挥作用，物理膨胀组分吸水后迅速膨胀堵塞裂缝阻止了水分进一步渗透，化学膨胀组分正好利用存在的少量水进行化学反应产生体积膨大的物质永久的堵塞裂缝，两者共同作用相得益彰；
在有外部水的情况下，无需人为干预，内掺的材料能够自动修复水泥基材料的细观裂缝，能够有效解决水泥基材料细微裂缝病变范围分布广、探伤成本高和后期预防难的难题，有助于提高材料的耐久性，提升其使用寿命，节约工程维护成本；
络合组分还可以控制水化热进程，使水化热进程延长，水化热温升降低，有利于水泥基材料耐久性的提高；
添加剂组成组分来源广泛，价格低廉，使用成本较低；
添加剂在水泥基材料拌制时加入，搅拌均匀后即能发挥功效，使用方便，本添加剂根据实际情况及工程需求，各组分比例可灵活调配，不会影响材料的施工性能和最终强度。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种全寿命周期修复水泥基材料裂缝的添加剂，其组成按质量百分数计如下：
矿物组分55％，促进组分27.5％，化学膨胀组分15％，络合组分1％，桥接组分0.5％，物理膨胀组分1％。
矿物组分为粉煤灰与矿粉的混合物，其中，矿粉占比40％；
促进组分中氢氧化钙：硫酸钠：碳酸钠：硅酸钠：氯化胆碱：硫酸酸钾的质量比为25:5：1：1：0.9：0.6；
化学膨胀组分为钙基膨润土；
络合组分为柠檬酸三钠；
桥接组分为长度6mm的聚丙烯纤维；
物理膨胀组分为高吸水性树脂。
本实施例中诱导剂的掺量为粉体材料的33％，使用时采用内掺法。
实施例2
一种全寿命周期修复水泥基材料裂缝的添加剂，其组成按质量百分数计如下：
矿物组分42％，促进组分30％，化学膨胀组分25％，络合组分1.5％，桥接组分0.7％，物理膨胀组分0.8％。
矿物组分为粉煤灰与矿粉的混合物，其中，矿粉占比32％；
促进组分中氢氧化钙：硫酸钠：碳酸钠：硅酸钠：氯化胆碱：硫酸酸钾的质量比为15:5：1：1：0.9：0.6；
化学膨胀组分为硬石膏；
络合组分为磷酸钠；
桥接组分为长度19mm的聚酰胺纤维；
物理膨胀组分为高吸水性树脂。
本实施例中诱导剂的掺量为粉体材料的38％，使用时采用内掺法。
按表1的质量配比称取水泥、砂、水和实施例1或实施例2制备的水泥基材料自修复功能添加剂；
表1砂浆配合比(g)
先将砂、水、水泥和添加剂加入砂浆搅拌机中慢速混合60s，再快速混凝土60s，即制得具有裂缝自修复功能的砂浆；对照组中不添加所述添加剂，其他条件相同。
对上述制备的自修复砂浆和对照组砂浆分别进行强度测试和抗渗性能修复测试，具体操作如下：
1)取对照砂浆和自修复砂浆各一部分，分别成型2组40*40*160mm的试模，分别测试自然环境中7d强度和放入标准养护箱中的28d强度，达到相应龄期后取出试件按照国标进行强度检测试验，分别对比添加剂对砂浆强度性能的影响。
2)取对照砂浆和自修复砂浆各一部分，分别成型10个φ100*50mm的圆饼试模，达到7d龄期后采用施压方式在圆饼中部压出宽度≤0.2mm的贯穿裂缝，并且通过抗渗装置测试通过贯穿裂缝的初始渗水，然后进行泡水养护，并分别测试泡水10d、20d和40d后的裂缝渗水量后通过水量减少的百分率来表征添加剂对裂缝的修复能力，表2中的渗水量变化百分率为每组所有试块的平均值；
表2实施例1、2与对照组对比情况
从表2可见，实施例的2个龄期的抗折强度与抗压强度比对照组均高，而且对照组砂浆的裂缝自愈合能力很弱，随养护时间的延长抗渗能力的恢复基本停滞，而掺加添加剂的砂浆随着养护龄期的增长均不再漏水，表明裂缝由内到外都已经愈合，实施例1体现的愈合速度更快。
实施例3
一种全寿命周期修复水泥基材料裂缝的添加剂，其组成按质量百分数计如下：
矿物组分48.6％，促进组分24％，化学膨胀组分24％，络合组分2％，桥接组分0.9％，物理膨胀组分0.5％。
矿物组分为粉煤灰与矿粉的混合物，其中，矿粉占比20％；
促进组分中氢氧化钙：硫酸钠：碳酸钠：硅酸钠：氯化胆碱：硫酸酸钾的质量比为20:5：1：1：1：1；
化学膨胀组分为生石灰；
络合组分为有机磷酸盐；
桥接组分为长度25mm的聚丙烯纤维；
物理膨胀组分为高吸水性树脂。
本实施例中诱导剂的掺量为粉体材料的21％，使用时采用内掺法。
实施例4
一种全寿命周期修复水泥基材料裂缝的添加剂，其组成按质量百分数计如下：
矿物组分46.9％，促进组分21％，化学膨胀组分29％，络合组分1.8％，桥接组分0.8％，物理膨胀组分0.5％。
矿物组分为粉煤灰与矿粉的混合物，其中，矿粉占比28％；
促进组分中氢氧化钙：硫酸钠：碳酸钠：硅酸钠：氯化胆碱：硫酸酸钾的质量比为16：4：1：1：0.2：0.8；
化学膨胀组分为钙基膨润土；
络合组分为有机磷酸盐和氟化镁的混合物，两者各占50％；
桥接组分为长度29mm的聚酯纤维；
物理膨胀组分为高吸水性树脂。
本实施例中诱导剂的掺量为粉体材料的25％，使用时采用内掺法。
按表3的质量配比称取水泥、砂、石、水、减水剂和实施例3或实施例4制备的水泥基材料自修复功能添加剂。
表3 C30混凝土配合比(kg/m3)
先将砂、石、水泥和添加剂加入砂浆搅拌机中混合60s，再加入质量称取准备的水与减水剂的混合溶液强制搅拌120s后即制得具有裂缝自修复功能的混凝土；对照组中不添加所述添加剂，其他条件相同。
对上述制备的自修复混凝土和对照组混凝土分别进行强度测试和抗渗性能修复测试，具体操作如下：
1)取对照混凝土和自修复混凝土各一部分，分别成型5组100*100*100mm的试模，分别测试自然环境中3d、7d、28d强度和放入标准养护条件下的7d、28d强度，达到相应龄期后取出试件按照国标进行强度检测试验，分别对比添加剂对砂浆强度性能的影响；
2)取对照混凝土和自修复混凝土各一部分，分别成型10个φ100*50mm的圆饼试模，达到7d龄期后采用施压方式在圆饼中部压出宽度≤0.2mm的贯穿裂缝，并且通过抗渗装置测试通过贯穿裂缝的初始渗水，然后进行泡水养护，并分别测试泡水10d、20d和40d后的裂缝渗水量后通过水量减少的百分率来表征添加剂对裂缝的修复能力，表4中的渗水量变化百分率为每组所有试块的平均值。
表4实施例3、4与对照组对比情况
从表4可见，实施例的3个龄期的5组强度比对照组均高，而且在相对干养和湿养条件下均满足此规律。对照组混凝土的裂缝自愈合能力较弱，随养护时间的延长抗渗能力的恢复较慢而且裂缝没有闭合，而掺加添加剂的2组混凝土随着养护到20d左右时均不再漏水，表明裂缝由内到外都已经愈合，实施例3体现的愈合速度更快。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种全寿命周期修复水泥基材料裂缝的添加剂，其特征在于，其组成按质量百分数计如下：
矿物组分40％～55％，促进组分20％～30％，化学膨胀组分15％～30％，络合组分1％～2％，桥接组分0.5％～1％，物理膨胀组分0～1％。
2.根据权利要求1所述的一种全寿命周期修复水泥基材料裂缝的添加剂，其特征在于：所述矿物组分为粉煤灰与矿粉的混合物，所述矿粉占比20wt％～40wt％。
3.根据权利要求2所述的一种全寿命周期修复水泥基材料裂缝的添加剂，其特征在于：所述粉煤灰等级为Ⅱ级或Ⅰ级，所述矿粉为S95级或S105级。
4.根据权利要求1所述的一种全寿命周期修复水泥基材料裂缝的添加剂，其特征在于：所述促进组分为氢氧化钙、硫酸钠、碳酸钠、硅酸钠、氯化胆碱、硫酸酸钾的混合物，各组分均为工业级。
5.根据权利要求1所述的一种全寿命周期修复水泥基材料裂缝的添加剂，其特征在于：所述化学膨胀组分为生石灰、硬石膏、钙基膨润土的一种或多种的混合物，各组分均为工业级。
6.根据权利要求1所述的一种全寿命周期修复水泥基材料裂缝的添加剂，其特征在于：所述络合组分为柠檬酸三钠、磷酸钠、有机磷酸盐、氟化镁中一种或多种的混合物，各组分均为工业级。
7.根据权利要求1所述的一种全寿命周期修复水泥基材料裂缝的添加剂，其特征在于：所述桥接组分为聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维中任意一种，纤维长度为5mm～30mm。
8.根据权利要求1所述的一种全寿命周期修复水泥基材料裂缝的添加剂，其特征在于：所述物理膨胀组分为高吸水性树脂，所述高吸水性树脂在去离子水中的吸水倍率为300～600倍，在0.9％NaCl溶液中的吸水能力为30～100倍。
9.一种如权利要求1～8任一项所述添加剂的应用，其特征在于，由所述添加剂取代水泥基材料中部分水泥用量。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述添加剂取代水泥基材料中水泥用量的20wt％～40wt％。
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