CN116924749A - 一种适用于海水环境的混凝土修补注浆材料 - Google Patents
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Abstract
本发明属于混凝土材料技术领域，尤其公开了一种适用于海水环境的混凝土修补注浆材料。该混凝土修补注浆材料包括水泥、防腐外加剂、硅灰、粉煤灰、保水剂、减水剂、早强剂和膨胀剂。其中防腐外加剂由5％～20％抗渗组分、1％～10％纳米组分、0.01％～0.05％消泡组分和余量水组成，且抗渗组分是结构简式为R1HNOCCH2CH2COO(CHCH3CH2O)nCH2R2的大分子有机物。该混凝土修补注浆材料不仅保障了浆体在海水环境下不分散，而且通过其中特定的防腐外加剂的使用，保障了其良好的抗水渗透和基体密实的性能，能有效抑制海水环境服役下氯离子等侵蚀性离子对修补注浆及混凝土的侵蚀，有效改善注浆材料的服役耐久性能。
Description
技术领域
本发明属于混凝土材料技术领域，尤其公开了一种适用于海水环境的混凝土修补注浆材料。
背景技术
近年来，经济的快速发展进一步推进了城市的发展和城市之间的交流，对城市的对外贸易和城市之间的交通时间提出了更高的要求，港口和跨海桥梁应运而生。然而，港口和跨海桥梁在投入使用一段时间后，其处于海水潮差区域处的混凝土柱、承台则容易出现裂缝、钢筋锈蚀、混凝土剥落等结构性损伤。针对这些损伤往往需要花费大量的人力、物力和财力进行修复，然而常规的修复材料仅仅能保障损伤区域短时间内不会再次出现劣化，不能满足结构的设计服役寿命，进而影响结构的安全与稳定。注浆技术是修复裂缝、及混凝土剥落病害的重要组成及关键技术之一，注浆技术能够有效地将已有裂缝和剥落进行修复，以确保海水潮差区域柱与承台的正常服役。
目前有针对水环境的混凝土注浆材料的诸多研究，但均存在一定的问题。如一种适用于海水条件下岩体的注浆材料，其由95～100份水泥、35～40份海水、1～1.5份减水剂、0.05～0.1份缓凝剂、及0.01～0.05份早强剂组成。该注浆材料可实现就地取用海水，且具有早强、快硬、微膨胀等优点；但其主要用于保障岩体在施工中不会出现较大的破坏影响施工进程，并不适用于海水环境下注浆修补。这是因为，海水环境下的岩体缝隙中存在海水，上述注浆材料在注浆施工过程中存在浆体分散的风险，直接影响注浆自身密实性，会影响浆体强度发展及自身的抵抗海水中氯盐、硫酸盐侵蚀的耐久性能。又如一种水下不分散快凝型无机注浆材料，其由75％～80％P.O 42.5R普通硅酸盐水泥、5％～10％CA50铝酸盐水泥、2％～5％无水石膏、0.6％～1.2％高效减水剂、3％～7％纯碱、4％～8％熟石灰粉和0.4％～0.8％絮凝剂组成。该无机注浆材料虽然解决了现有无机注浆材料存在的凝结时间长、结石速度慢、硬化强度低的问题，然而，在海水环境下，海水中的氯盐、硫酸盐等侵蚀性离子注浆通过基体孔隙渗透至体系内部，最终导致基体产生腐蚀，影响主体结构使用安全；且若适用于隧道富水环境下，水体中含有大量碳酸氢根条件下，其面临溶蚀破坏风险，最终会导致隧道衬砌出现渗漏、影响隧道服役安全；因此，该无机注浆材料仅可应用于常规富水环境中，存在很大的局限性。
综上，现有技术中的注浆材料或者难以保障浆体在水下不分散、或者在使用服役环境影响存在较大的限制性。因此，研究一种适用于海水环境下的注浆材料是急需解决的技术问题。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种适用于海水环境的混凝土修补注浆材料，该混凝土修补注浆材料不仅保障了浆体在海水环境下不分散，而且通过其中特定的防腐外加剂的使用，保障了其良好的抗水渗透和基体密实的性能，能有效抑制海水环境服役下氯离子等侵蚀性离子对修补注浆及混凝土的侵蚀，有效改善注浆材料的服役耐久性能。
为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种适用于海水环境的混凝土修补注浆材料，其包括下述按质量百分数混合均匀的各组分：
上述防腐外加剂由5％～20％抗渗组分、1％～10％纳米组分、0.01％～0.05％消泡组分和余量水组成，以该防腐外加剂的质量为100％计。
其中，抗渗组分是结构简式为R1HNOCCH2CH2COO(CHCH3CH2O)nCH2R2的大分子有机物，其中R1和R2均为C5～C20的饱和烷基，n的取值为10～50。
其中，纳米组分可以选自纳米金属氧化物、纳米非金属氧化物、纳米金属中的任意一种、或至少两种的混合；优选自纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化铝、纳米级镍粉、纳米氧化铜中的至少一种。
其中，消泡组分可以选自磷酸酯类、醇类、酰胺类、有机硅类、聚醚类中的任意一种、或至少两种的混合物；优选自聚二甲基硅氧烷、二异丁基甲醇与聚二甲基硅氧烷、羧酸-N-烷基酰胺中的任意一种。
该混凝土修补注浆材料中的防腐外加剂，其一利用整体为疏水结构有机大分子，即两端的端基为亲油性的大分子饱和烷基，其中的酯键应用至注浆材料中后，于碱性条件下发生水解，水解生成的带有大分子烷基的羧酸结构和氨基结构与水泥溶解生成的金属离子(如钙离子等)在电荷作用下形成新的疏水络合物，分布于注浆材料的孔隙中，以起到抑制水分传输的作用，提高注浆材料的耐腐蚀效果；其二利用纳米组分促进水化成核，提升注浆材料的基体密实度；其三其中的消泡组分改善了此防腐外加剂的施工性能，同时细化注浆材料内部孔隙结构，促进孔隙分布均匀。
一般而言，混凝土产生裂缝后，其裂缝区域为薄弱区域，极易受到海水的侵蚀，而该混凝土修补注浆材料体系中的防腐外加剂掺入后能与金属离子形成不溶性疏水性络合物，起到填充水化产生的细微孔隙，有效抑制水分传输，进而抑制裂缝区域在海水潮差区与海水和氯离子的传输作用，可进一步保障结构内部钢筋和混凝土的服役性能。
上述水泥是由85％～92％硅酸盐水泥、3％～11％硫铝酸盐水泥和0.5％～6％铝酸盐水泥混合组成，以该水泥的质量为100％计。
其中，硅酸盐水泥可以是P·O 42.5普通硅酸盐水泥，硫铝酸盐水泥可以是42.5低碱硫铝酸盐水泥，铝酸盐水泥可以是CA50铝酸盐水泥。
水泥作为该混凝土修补注浆材料中的主要组分，保障了注浆材料的强度发展，其中硫铝酸盐水泥赋予其早期及后期强度快速发展的作用，铝酸盐水泥赋予水泥快速凝结、调节体系凝结时间的作用，满足不同施工条件对凝结时间的需求。上述复配的水泥，消除了普通硅酸盐水泥自身凝结时间长、强度发展缓慢的问题。
优选地，硅灰的含水率不超过2％，其中二氧化硅的有效含量不低于90％。
优选地，保水剂选自甲基纤维素、羧甲基纤维素或纤维素醚。
硅灰在该混凝土修补注浆材料的体系中增大了浆体之间的黏聚性，而保水剂可通过桥连作用，保障浆体水分不散失以及防止水下施工时海水的侵入；二者的共同作用，克服了现有技术中的注浆材料难以保障浆体在水下不分散的问题。
优选地，粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰。
优选地，早强剂选自氯化盐类、无机碳酸盐类、硫酸盐类或甲酸盐早强剂。早强剂的使用，进一步赋予了该混凝土修补注浆材料的早期强度发展，使得该混凝土修补注浆材料能够满足不同条件下对强度的需求。
优选地，膨胀剂选自氧化钙类、氧化镁类、氧化钙-硫铝酸钙类或氧化钙-硫铝酸镁类膨胀剂。膨胀剂赋予该混凝土修补注浆材料浆体微膨胀作用，使得浆体在到达服役位置后可以填充孔隙，减少细微裂缝的存在，抑制了海水环境服役中侵蚀性离子的侵入。
优选地，减水剂选自萘系减水剂、氨基磺酸盐类减水剂或聚羧酸类减水剂。减水剂通过其分子结构提供空间位阻，实现了该混凝土修补注浆材料的浆体在低水胶比条件下的高流动性，保障了在施工过程中对浆体高流态的需求。
本发明提供的混凝土修补注浆材料，其中防腐外加剂在使用过程中不影响新拌注浆浆体状态及硬化浆体强度，即该混凝土修补注浆材料在收缩方面不存在负面影响，无异味，环境友好，施工便捷；且其工作性不存在消极影响甚至有改善效果，抗侵蚀能力和耐久性也得到了提高。
具体实施方式
以下，将来详细描述本发明的实施例。
然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
实施例1
本实施例提供的一种适用于海水环境的混凝土修补注浆材料，其具有如下表1所示的组成。
表1混凝土修补注浆材料的组成单位：wt％
其中，水泥是由88％的P·O 42.5普通硅酸盐水泥、8％的42.5低碱硫铝酸盐水泥、和4％的CA50铝酸盐水泥混合而成；以该水泥的总质量为100％计。
防腐外加剂具有如下表2所示的组成。
表2防腐外加剂的组成单位：wt％
实施例2
本实施例提供的一种适用于海水环境的混凝土修补注浆材料，其具有如下表3所示的组成。
表3混凝土修补注浆材料的组成单位：wt％
其中，水泥是由90％的P·O 42.5普通硅酸盐水泥、7％的42.5低碱硫铝酸盐水泥、和3％的CA50铝酸盐水泥混合而成；以该水泥的总质量为100％计。
防腐外加剂具有如下表4所示的组成。
表4防腐外加剂的组成单位：wt％
实施例3
本实施例提供的一种适用于海水环境的混凝土修补注浆材料，其具有如下表5所示的组成。
表5混凝土修补注浆材料的组成单位：wt％
其中，水泥是由92％的P·O 42.5普通硅酸盐水泥、3％的42.5低碱硫铝酸盐水泥、和5％的CA50铝酸盐水泥混合而成；以该水泥的总质量为100％计。
防腐外加剂具有如下表6所示的组成。
表6防腐外加剂的组成单位：wt％
实施例4
本实施例提供的一种适用于海水环境的混凝土修补注浆材料，其具有如下表7所示的组成。
表7混凝土修补注浆材料的组成单位：wt％
其中，水泥是由85％的P·O 42.5普通硅酸盐水泥、11％的42.5低碱硫铝酸盐水泥、和4％的CA50铝酸盐水泥混合而成；以该水泥的总质量为100％计。
防腐外加剂具有如下表8所示的组成。
表8防腐外加剂的组成单位：wt％
在本发明提供的上述混凝土修补注浆材料中，一方面，特定组成的防腐外加剂，对于有效抑制海水环境服役下氯离子等侵蚀性离子对修补注浆及混凝土的侵蚀、有效改善注浆材料的服役耐久性能，具有关键作用；另一方面，搭配特定的水泥组成，进一步保障了注浆材料的强度发展。为此，进行了下述对比实验。
对比例1
在本对比例中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。本对比例与实施例1的不同之处在于本对比例使用的防腐外加剂组分的不同，该第一对比防腐剂的组分如下表9所示。其余参照实施例1中所示，得到了第一对比注浆材料。
表9第一对比防腐剂的组分单位：wt％
对比例2
在本对比例中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。本对比例与实施例1的不同之处在于本对比例使用的防腐外加剂组分的不同，该第二对比防腐剂的组分如下表10所示。其余参照实施例1中所示，得到了第二对比注浆材料。
表10第二对比防腐剂的组分单位：wt％
对比例3
在本对比例中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。本对比例与实施例1的不同之处在于本对比例使用的防腐外加剂组分的不同，该第三对比防腐剂的组分如下表11所示。其余参照实施例1中所示，得到了第三对比注浆材料。
表11第三对比防腐剂的组分单位：wt％
对比例4
在本对比例中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。本对比例与实施例1的不同之处在于，本对比例使用的水泥采用92％的P·O 42.5普通硅酸盐水泥和8％的42.5低碱硫铝酸盐水泥混合而成，其中不含有铝酸盐水泥。其余参照实施例1中所示，得到了第四对比注浆材料。
对比例5
在本对比例中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。本对比例与实施例1的不同之处在于，本对比例使用的水泥采用96％的P·O 42.5普通硅酸盐水泥和4％的CA50铝酸盐水泥混合而成，其中不含有硫铝酸盐水泥。其余参照实施例1中所示，得到了第五对比注浆材料。
对比例6
在本对比例中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。本对比例与实施例1的不同之处在于，本对比例使用的水泥仅为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，而不含有硫铝酸盐水泥和铝酸盐水泥。其余参照实施例1中所示，得到了第六对比注浆材料。
对比例7
在本对比例中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。本对比例与实施例1的不同之处在于，本对比例使用的水泥采用88％的P·O 42.5普通硅酸盐水泥、8％的42.5低碱硫铝酸盐水泥和4％的CA50铝酸盐水泥混合而成，且体系中未使用防腐外加剂。其余参照实施例1中所示，得到了第七对比注浆材料。
将实施例1～4和对比例1～7进行截锥流动度、1d、3d、28d强度、泌水率、吸水率、氯离子扩散系数性能测试、膨胀率，其性能对比如表12所示。
表12实施例1～4及对比例1～7的材料性能测试
水泥组分的变化通过注浆凝结时间表征，注浆高流动性通过截锥流动度表征，力学性能通过抗压强度表征，保水性性能通过泌水率表征，抵抗氯离子扩散性能通过吸水率和氯离子扩散系数表征，微膨胀通过竖向膨胀率表征。
通过表12中各实施例提供的混凝土修补注浆材料的各项性能数据，可以看出，本发明的混凝土修补注浆材料具有早期强度高、良好的水稳定性、良好的流动性、微膨胀、抗海水腐蚀能力强等优点。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。
Claims (9)
1.一种适用于海水环境的混凝土修补注浆材料，其特征在于，包括下述按质量百分数混合均匀的各组分：
其中，所述防腐外加剂由5％～20％抗渗组分、1％～10％纳米组分、0.01％～0.05％消泡组分和余量水组成，以该防腐外加剂的质量为100％计；
抗渗组分是结构简式为R1HNOCCH2CH2COO(CHCH3CH2O)nCH2R2的大分子有机物，其中R1和R2均为C5～C20的饱和烷基，n的取值为10～50。
2.根据权利要求1所述的混凝土修补注浆材料，其特征在于，所述纳米组分选自纳米金属氧化物、纳米非金属氧化物、纳米金属中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的混凝土修补注浆材料，其特征在于，所述纳米组分选自纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化铝、纳米级镍粉、纳米氧化铜中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的混凝土修补注浆材料，其特征在于，所述消泡组分可以选自磷酸酯类、醇类、酰胺类、有机硅类、聚醚类中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的混凝土修补注浆材料，其特征在于，所述消泡组分选自聚二甲基硅氧烷、二异丁基甲醇与聚二甲基硅氧烷、羧酸-N-烷基酰胺。
6.根据权利要求1～5任一所述的混凝土修补注浆材料，其特征在于，所述水泥是由85％～92％硅酸盐水泥、3％～11％硫铝酸盐水泥和0.5％～6％铝酸盐水泥混合组成，以该水泥的质量为100％计。
7.根据权利要求6所述的混凝土修补注浆材料，其特征在于，所述硅酸盐水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥，所述硫铝酸盐水泥为42.5低碱硫铝酸盐水泥，所述铝酸盐水泥为CA50铝酸盐水泥。
8.根据权利要求6所述的混凝土修补注浆材料，其特征在于，所述硅灰的含水率不超过2％，其中二氧化硅的有效含量不低于90％；所述保水剂选自甲基纤维素、羧甲基纤维素或纤维素醚。
9.根据权利要求6所述的混凝土修补注浆材料，其特征在于，所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；所述早强剂选自氯化盐类、无机碳酸盐类、硫酸盐类或甲酸盐早强剂；所述膨胀剂选自氧化钙类、氧化镁类、氧化钙-硫铝酸钙类或氧化钙-硫铝酸镁类膨胀剂；所述减水剂选自萘系减水剂、氨基磺酸盐类减水剂或聚羧酸类减水剂。
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