CN115806423A - 一种高性能混凝土修补材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能混凝土修补材料，以重量份数计，由以下组分制成：水泥50～80份、硅灰20～40份、粉煤灰20～30份、粗骨料60～80份、细骨料30～50份、矿渣粉20～30份、减水剂2～4份、早强剂5～8份、养护剂3～8份、水25～40份；养护剂的制备方法如下：将浮石粉焙烧后冷却至室温，研磨并过筛，将其分散在去离子水中，然后向分散液中加入乙烯基三(2‑甲氧基乙氧基)硅烷，反应结束后得改性浮石粉；将丙烯酰胺溶于去离子水中，再加入过硫酸铵、N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺和改性浮石粉，恒温水浴反应，得养护剂；本发明提供的高性能混凝土修补材料，通过添加养护剂和早强剂，使制备得到的高性能混凝土具备较好的早期强度，同时也解决了高性能混凝土自收缩大、易开裂的问题。

Description

一种高性能混凝土修补材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土修补领域，具体涉及一种高性能混凝土修补材料及其制备方法。

背景技术

与普通混凝土相比，高性能混凝土具有更高的抗拉和抗压强度，徐变系数更小，耐久性能更好，可以有效地减小建筑结构的尺寸，节约占地面积，因此被广泛应用于修补领域；各种道路、桥梁在建成投入运行之后，随着时间的推移，会发生各种老化和病害问题，为了维护道路交通安全，需要对各种混凝土构筑物进行修补，但是经济的发展也对维修养护的效率提出了越来越高的要求，越来越多的道路、桥梁需要维修后12h甚至3h通车，目前一般通过添加早强剂减少混凝土修补材料的凝结时间，提高其早期强度，以满足道路交通修补需求。

中国专利文献CN109369055B提出了一种复合型早强剂以及利用该早强剂制备的自密实混凝土，复合型早强剂组成成分按质量份数计如下：水化硅酸钙50～80份、磷酸三钠30～50份、硫酸钠10～20份、亚硝酸钠5～10份、石膏12～20份，采用该复合型早强剂，能够大幅度提高混凝土性能的高性能早强剂；这样得到的混凝土虽然早期水化快、自干燥程度高、自收缩大，但同时也存在早期稳定性差、易开裂等问题。

除此之外，由于高性能混凝土较低的水胶比及致密结构特点，外部养护水分难以进入混凝土内部，从而导致较低的内部相对湿度，当早期养护不足时其失水开裂、早期裂纹等问题更为突出，而混凝土的收缩开裂将引发结构渗漏、外部侵蚀、强度降低等系列问题，会严重影响混凝土修补材料的长期服役。

本发明提供了一种高性能混凝土修补材料及其制备方法，通过添加养护剂和早强剂，使制备得到的高性能混凝土具备较好的早期强度，同时也解决了高性能混凝土自收缩大、易开裂的问题，适于用作修补材料。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高性能混凝土修补材料及其制备方法，通过添加早强剂与养护剂，提高混凝土的早期强度，同时显著减少高性能混凝土的裂缝以提升其服役时间。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高性能混凝土修补材料，以重量份数计，由以下组分制成：水泥50～80份、硅灰20～40份、粉煤灰20～30份、粗骨料60～80份、细骨料30～50份、矿渣粉20～30份、减水剂2～4份、早强剂5～8份、养护剂3～8份、水25～40份。

优选的，水泥为强度等级42.5或以上的普通硅酸盐水泥。

优选的，硅灰的SiO₂含量≥95wt％，比表面积≥15000m²/kg；粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，微珠的平均粒径≤0.5μm，比表面积大于1000m²/kg。

优选的，粗骨料为连续配级、粒径5～20mm的碎石；细骨料为连续配级、粒径0.1～5mm的河砂。

优选的，矿渣粉为S95级矿渣粉；减水剂为聚羧酸型减水剂，减水率≥30％。

优选的，早强剂由赤铁矿粉、甲基丙烯酸、纳米碳酸钙按重量比3：3～5：2～3混合制得。

优选的，养护剂的制备方法如下：

(1)将浮石粉在500～800℃下焙烧30～60min，冷却至室温，800～1200r/min转速下研磨10～30min，过150～200目筛，将其分散在去离子水中，然后向分散液中加入乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷，搅拌反应60～90min，反应结束后过滤、烘干，得改性浮石粉；

(2)将丙烯酰胺溶于去离子水中，再加入过硫酸铵、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和改性浮石粉，50～65℃下恒温水浴反应2～4h，反应完全后洗涤，然后烘干、粉碎、过筛，得养护剂。

优选的，步骤(1)中，浮石粉与乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷重量比为1：2～4。

优选的，步骤(2)中，改性浮石粉、丙烯酰胺、过硫酸铵、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺重量比为5～15：100：1～5：0.1～1。

本发明还要求保护一种所述的高性能混凝土修补材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按重量份称取养护剂、减水剂、早强剂、水，混合均匀得混合物，备用；

(2)按重量份称取水泥、硅灰、粉煤灰、粗骨料、细骨料、矿渣粉，混合均匀得干料，备用；

(3)将步骤(2)所得干料加入到步骤(1)所得混合物中，搅拌均匀，得高性能混凝土修补材料。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明提供了一种高性能混凝土修补材料，通过添加早强剂和养护剂，并通过调整配合比，使得到的混凝土修补材料不仅具有较佳的早期强度，同时克服了混凝土水化速度过快造成的裂纹；制备得到的混凝土修补材料，3h抗压强度超过19MPa，28d抗压强度超过77MPa。

2)本发明提供的高性能混凝土修补材料，早强剂由赤铁矿粉、甲基丙烯酸、纳米碳酸钙复配而成；三价铁离子作为高价阳离子，能够加速硅酸三钙和硅酸二钙的水化，显著提升混凝土早期强度；甲基丙烯酸能够使系统的pH下降，从而加速硅酸三钙的水化，提高水泥熟料的水化速度；而纳米碳酸钙在水泥基料中起晶核作用，可促进硅酸三钙的水化，同时，纳米碳酸钙还能使混凝土内部结构更为密实，从而提高水泥强度。

3)本发明提供的高性能混凝土中的养护剂，通过焙烧、冷却以及研磨，能够提升浮石粉的粒子交换能力和吸附能力，然后通过乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷对其改性，通过反应使聚丙烯酰胺树脂交联到浮石粉上，得到养护剂；乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷改性浮石粉在混凝土胶凝材料中有更好的分散性，与改性浮石粉复合后的聚丙烯酰胺树脂，延缓了自身吸液速率，减少了对混凝土工作性能的影响。

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，以下结合实施例，对本发明作进一步的详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如无特殊说明外，本发明中的化学试剂和材料均通过市场途径购买或通过市场途径购买的原料合成。

水泥购自湖南鑫鼎力新材料科技有限公司，为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥；

水为自来水；

硅灰购自灵寿县石峰矿业加工厂，SiO₂含量98wt％，比表面积18000m²/kg；

粉煤灰购自灵寿县海滨矿产品贸易有限公司，为Ⅱ级粉煤灰；

碎石购自惠州市环盈再生资源有限公司，粒径5～20mm，连续配级；

河砂购自灵寿县海滨矿产品贸易有限公司，粒径0.1～5mm，连续配级；

矿渣粉购自灵寿县浩森矿产品有限公司，为S95级矿渣粉；

聚羧酸型减水剂购自山东天峰化工科技有限公司，减水率≥30％；

赤铁矿粉购自灵寿亿鑫矿产品加工厂；

纳米碳酸钙购自灵寿县嘉硕建材加工有限公司，平均粒径60nm；

乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷购自浙江沃兴曼新材料科技有限公司，CAS号：1067-53-4；

浮石粉购自灵寿县万竹矿产品有限公司，目数200目。

实施例1

一种高性能混凝土修补材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取150g赤铁矿粉、200g甲基丙烯酸、150g纳米碳酸钙，混合均匀后制成早强剂；

(2)将50g浮石粉在500℃下焙烧30min，冷却至室温，800r/min转速下研磨10min，过150目筛，将其分散在去离子水中，然后向分散液中加入100g乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷，搅拌反应60min，反应结束后过滤、烘干，得改性浮石粉；

(3)将1000g丙烯酰胺溶于去离子水中，再加入过10g过硫酸铵、1g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和50g改性浮石粉，50℃下恒温水浴反应2h，反应完全后用乙醇洗涤，然后烘干、粉碎、过200目筛，得养护剂；

(4)称取300g养护剂、200g减水剂、500g早强剂、2500g水，混合均匀得混合物，备用；

(5)称取5000g水泥、2000g硅灰、2000g粉煤灰、6000g粗骨料、5000g细骨料、2000g矿渣粉，混合均匀得干料，备用；

(6)将步骤(5)所得干料加入到步骤(4)所得混合物中，搅拌均匀，得高性能混凝土修补材料。

实施例2

一种高性能混凝土修补材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取240g赤铁矿粉、320g甲基丙烯酸、240g纳米碳酸钙，混合均匀后制成早强剂；

(2)将150g浮石粉在800℃下焙烧60min，冷却至室温，1200r/min转速下研磨30min，过200目筛，将其分散在去离子水中，然后向分散液中加入500g乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷，搅拌反应90min，反应结束后过滤、烘干，得改性浮石粉；

(3)将1000g丙烯酰胺溶于去离子水中，再加入过50g过硫酸铵、10g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和150g改性浮石粉，65℃下恒温水浴反应4h，反应完全后用乙醇洗涤，然后烘干、粉碎、过200目筛，得养护剂；

(4)称取800g养护剂、400g减水剂、800g早强剂、4000g水，混合均匀得混合物，备用；

(5)称取8000g水泥、4000g硅灰、3000g粉煤灰、8000g粗骨料、3000g细骨料、3000g矿渣粉，混合均匀得干料，备用；

(6)将步骤(5)所得干料加入到步骤(4)所得混合物中，搅拌均匀，得高性能混凝土修补材料。

实施例3

一种高性能混凝土修补材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取180g赤铁矿粉、240g甲基丙烯酸、180g纳米碳酸钙，混合均匀后制成早强剂；

(2)将100g浮石粉在600℃下焙烧60min，冷却至室温，1000r/min转速下研磨20min，过200目筛，将其分散在去离子水中，然后向分散液中加入300g乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷，搅拌反应90min，反应结束后过滤、烘干，得改性浮石粉；

(3)将1000g丙烯酰胺溶于去离子水中，再加入过30g过硫酸铵、5g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和100g改性浮石粉，60℃下恒温水浴反应3h，反应完全后用乙醇洗涤，然后烘干、粉碎、过200目筛，得养护剂；

(4)称取500g养护剂、300g减水剂、600g早强剂、3000g水，混合均匀得混合物，备用；

(5)称取7000g水泥、3000g硅灰、2500g粉煤灰、7000g粗骨料、4000g细骨料、2500g矿渣粉，混合均匀得干料，备用；

(6)将步骤(5)所得干料加入到步骤(4)所得混合物中，搅拌均匀，得高性能混凝土修补材料。

实施例4

一种高性能混凝土修补材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取150g赤铁矿粉、200g甲基丙烯酸、150g纳米碳酸钙，混合均匀后制成早强剂；

(2)将100g浮石粉在700℃下焙烧50min，冷却至室温，1000r/min转速下研磨15min，过200目筛，将其分散在去离子水中，然后向分散液中加入300g乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷，搅拌反应80min，反应结束后过滤、烘干，得改性浮石粉；

(3)将1000g丙烯酰胺溶于去离子水中，再加入过40g过硫酸铵、6g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和100g改性浮石粉，60℃下恒温水浴反应4h，反应完全后用乙醇洗涤，然后烘干、粉碎、过200目筛，得养护剂；

(4)称取600g养护剂、300g减水剂、500g早强剂、3000g水，混合均匀得混合物，备用；

(5)称取6000g水泥、3000g硅灰、2500g粉煤灰、7000g粗骨料、5000g细骨料、2500g矿渣粉，混合均匀得干料，备用；

(6)将步骤(5)所得干料加入到步骤(4)所得混合物中，搅拌均匀，得高性能混凝土修补材料。

对比例1

一种混凝土修补材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将50g浮石粉在500℃下焙烧30min，冷却至室温，800r/min转速下研磨10min，过150目筛，将其分散在去离子水中，然后向分散液中加入100g乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷，搅拌反应60min，反应结束后过滤、烘干，得改性浮石粉；

(2)将1000g丙烯酰胺溶于去离子水中，再加入过10g过硫酸铵、1g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和50g改性浮石粉，50℃下恒温水浴反应2h，反应完全后用乙醇洗涤，然后烘干、粉碎、过200目筛，得养护剂；

(3)称取300g养护剂、200g减水剂、2500g水，混合均匀得混合物，备用；

(4)称取5000g水泥、2000g硅灰、2000g粉煤灰、6000g粗骨料、5000g细骨料、2000g矿渣粉，混合均匀得干料，备用；

(5)将步骤(4)所得干料加入到步骤(3)所得混合物中，搅拌均匀，得混凝土修补材料。

对比例2

一种混凝土修补材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取150g赤铁矿粉、200g甲基丙烯酸、150g纳米碳酸钙，混合均匀后制成早强剂；

(2)将1000g丙烯酰胺溶于去离子水中，再加入过10g过硫酸铵、1g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和50g浮石粉，50℃下恒温水浴反应2h，反应完全后用乙醇洗涤，然后烘干、粉碎、过200目筛，得养护剂；

(3)称取300g养护剂、200g减水剂、500g早强剂、2500g水，混合均匀得混合物，备用；

(4)称取5000g水泥、2000g硅灰、2000g粉煤灰、6000g粗骨料、5000g细骨料、2000g矿渣粉，混合均匀得干料，备用；

(5)将步骤(4)所得干料加入到步骤(3)所得混合物中，搅拌均匀，得高性能混凝土修补材料。

对比例3

一种混凝土修补材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取150g赤铁矿粉、200g甲基丙烯酸、150g纳米碳酸钙，混合均匀后制成早强剂；

(2)将50g浮石粉在500℃下焙烧30min，冷却至室温，800r/min转速下研磨10min，过150目筛，将其分散在去离子水中，然后向分散液中加入100g乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷，搅拌反应60min，反应结束后过滤、烘干，得改性浮石粉；

(3)称取300g改性浮石粉、200g减水剂、500g早强剂、2500g水，混合均匀得混合物，备用；

(4)称取5000g水泥、2000g硅灰、2000g粉煤灰、6000g粗骨料、5000g细骨料、2000g矿渣粉，混合均匀得干料，备用；

(5)将步骤(4)所得干料加入到步骤(3)所得混合物中，搅拌均匀，得高性能混凝土修补材料。

分别对利用实施例1～4、对比例1～3所得复合材料制备得到的混凝土进行如下性能测试。

按照GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》检验混凝土的抗折强度和抗压强度。具体数据见表1。

表1实施例1～4、对比例1～3制备得到的混凝土的物理性能

按照GB/T 500812-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测定混凝土的自收缩、Cl^-扩散系数以及开裂面积。具体数据见表2。

表2实施例1～4、对比例1～3制备得到的混凝土的耐久性

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高性能混凝土修补材料，其特征在于，以重量份数计，由以下组分制成：水泥50～80份、硅灰20～40份、粉煤灰20～30份、粗骨料60～80份、细骨料30～50份、矿渣粉20～30份、减水剂2～4份、早强剂5～8份、养护剂3～8份、水25～40份。

2.根据权利要求1所述的高性能混凝土修补材料，其特征在于，水泥为强度等级42.5或以上的普通硅酸盐水泥。

3.根据权利要求1所述的高性能混凝土修补材料，其特征在于，硅灰的SiO₂含量≥95wt％，比表面积≥15000m²/kg；粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，微珠的平均粒径≤0.5μm，比表面积大于1000m²/kg。

4.根据权利要求1所述的高性能混凝土修补材料，其特征在于，粗骨料为连续配级、粒径5～20mm的碎石；细骨料为连续配级、粒径0.1～5mm的河砂。

5.根据权利要求1所述的高性能混凝土修补材料，其特征在于，矿渣粉为S95级矿渣粉；减水剂为聚羧酸型减水剂，减水率≥30％。

6.根据权利要求1所述的高性能混凝土修补材料，其特征在于，早强剂由赤铁矿粉、甲基丙烯酸、纳米碳酸钙按重量比3：3～5：2～3混合制得。

7.根据权利要求1所述的高性能混凝土修补材料，其特征在于，养护剂的制备方法如下：

(1)将浮石粉在500～800℃下焙烧30～60min，冷却至室温，800～1200r/min转速下研磨10～30min，过150～200目筛，将其分散在去离子水中，然后向分散液中加入乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷，搅拌反应60～90min，反应结束后过滤、烘干，得改性浮石粉；

(2)将丙烯酰胺溶于去离子水中，再加入过硫酸铵、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和改性浮石粉，50～65℃下恒温水浴反应2～4h，反应完全后洗涤，然后烘干、粉碎、过筛，得养护剂。

8.根据权利要求7所述的高性能混凝土修补材料，其特征在于，步骤(1)中，浮石粉与乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷重量比为1：2～4。

9.根据权利要求7所述的高性能混凝土修补材料，其特征在于，步骤(2)中，改性浮石粉、丙烯酰胺、过硫酸铵、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺重量比为5～15：100：1～5：0.1～1。

10.根据权利要求1～9任一项所述的高性能混凝土修补材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按重量份称取养护剂、减水剂、早强剂、水，混合均匀得混合物，备用；

(2)按重量份称取水泥、硅灰、粉煤灰、粗骨料、细骨料、矿渣粉，混合均匀得干料，备用；

(3)将步骤(2)所得干料加入到步骤(1)所得混合物中，搅拌均匀，得高性能混凝土修补材料。