CN1699243A - 一种快硬早强耐磨混凝土道路修补材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混凝土道路修补材料及其制备方法。一种快硬早强耐磨混凝土道路修补材料，其特征是主要由钢渣矿粉、偏高岭土、碱激发剂溶液、钢渣细集料、钢纤维、聚丙烯纤维组成，各组份的掺量为：钢渣矿粉40－80kg/m3、偏高岭土320－560kg/m3、碱激发剂溶液200－300kg/m3、钢渣细集料630－1800kg/m3、钢纤维62～156kg/m3、聚丙烯纤维1kg/m3；其中钢渣细集料为存放期在一年以上、金属Fe含量≥2.0％的钢渣，钢渣细集料粒径范围为0.045－5mm，细度模数为2.1－3.0；钢渣矿粉的细度为400－650m2/kg、碱度＞1.2；偏高岭土为高岭土在650－800℃条件下锻烧，细度为500－700m2/kg。本发明具有高早强、高韧性、低收缩、高耐磨、抗疲劳、高粘结力性能。

Description

一种快硬早强耐磨混凝土道路修补材料及其制备方法
技术领域
本发明属于无机非金属材料类，具体涉及一种混凝土道路修补材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着旧水泥混凝土路面使用年限的增加，早期修建的水泥混凝土路面大多已接近使用年限；同时近期修建的水泥混凝土路面不能满足由于道路上的交通量和车载量迅速增长、车速不但增大而带来的对路面结构的要求，从而使得大量水泥混凝土路面需要翻修，因此水泥混凝土路面修补技术的研究尤为重要。
目前修补材料存在以下几个方面的缺陷：①新老混凝土界面粘结力弱，易产生界面缺陷使混凝土开裂；②耐磨性差；③收缩大，易导致新老混凝土拉开；④养生期长，不利于交通开放；⑤聚合物类修补材料性能虽好，但成本高。
钢渣是一种低利用率的工业废渣，大量堆弃，占用农田，对环境造成极大的污染。
发明内容
针对上述问题，本发明利用钢渣-偏高岭土复合胶凝材料早强快硬、高界面粘结强度的特点，掺加存放期长、体积稳定性好、金属铁含量高、耐磨性能好的钢渣，同时运用纤维增强增韧技术，提供一种具有高早强、高韧性、低收缩、耐磨、抗疲劳、高粘结力性能的快硬早强耐磨混凝土道路修补材料及其制备方法。
本发明的技术方案是：一种快硬早强耐磨混凝土道路修补材料，其特征是：它主要由钢渣矿粉、偏高岭土、碱激发剂溶液、钢渣粗集料、钢渣细集料、钢纤维、聚丙烯纤维组成，各组份的掺量为：钢渣矿粉40-80kg/m3、偏高岭土320-560kg/m3、碱激发剂溶液200-300kg/m3、钢渣粗集料0-1000kg/m3、钢渣细集料630-1800kg/m3、钢纤维62～156kg/m3、聚丙烯纤维1kg/m3；
其中钢渣粗集料和钢渣细集料为存放期在一年以上、金属Fe含量≥2.0％的钢渣，钢渣粗集料粒径范围为5-20mm连续级配，钢渣细集料粒径范围为0.045-5mm，细度模数为2.1-3.0；钢渣矿粉的细度为400-650m2/kg、碱度＞1.2；偏高岭土为高岭土在650-800℃条件下锻烧，细度为500-700m2/kg。
碱激发剂为水玻璃溶液、硫酸钠、氟化钠，质量比为：水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝(0.66-8)∶(0.033-0.3)∶(0.022-0.2)，其中水玻璃溶液的模数为1.0-2.0，水玻璃的波美度36-44°。
一种快硬早强耐磨混凝土道路修补材料的制备方法，包括如下步骤：1).选料：按钢渣矿粉40-80kg/m3、偏高岭土320-560kg/m3、碱激发剂溶液200-300kg/m3、钢渣粗集料0-1000kg/m3、钢渣细集料630-1800kg/m3、钢纤维62～156kg/m3、聚丙烯纤维1kg/m3选取钢渣矿粉、偏高岭土、碱激发剂溶液、钢渣粗集料、钢渣细集料、钢纤维、聚丙烯纤维，其中钢渣粗集料和钢渣细集料为存放期在一年以上、金属Fe含量≥2.0％的钢渣，钢渣粗集料粒径范围为5-20mm的连续级配，钢渣细集料粒径范围为0.045-5mm，细度模数为2.1-3.0；钢渣矿粉的细度为400-650m2/kg、碱度＞1.2；偏高岭土为高岭土在650-800℃条件下锻烧，细度为500-700m2/kg；碱激发剂为水玻璃溶液、硫酸钠、氟化钠，质量比为：水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝(0.66-8)∶(0.033-0.3)∶(0.022-0.2)，其中水玻璃溶液的模数为1.0-2.0，水玻璃的波美度36-44°；
2).硫酸钠加入水玻璃溶液中混合配制而得混合溶液；
3).先将钢渣矿粉、偏高岭土、氟化钠、钢渣粗集料、钢渣细集料、钢纤维、聚丙烯纤维依次加入搅拌机内干拌0.8-1.2min，然后徐徐加入按步骤2)制得的混合溶液进行搅拌1-2min后立即出料进行浇筑、振捣密实、收平，然后覆盖潮湿麻袋进行养护8-10h。
制得的快硬早强耐磨混凝土道路修补材料使用性能特征为：表观密度：2300-2600kg/m3；8h抗压强度可达到：≥20MPa；抗折强度：8h≥4.5MPa，3d≥5.5MPa；新老混凝土界面粘结强度：8h≥1.6MPa，3d≥2.0MPa；磨损量：≤2kg/m2；干缩值：28天干缩值＜2.0×10-4，90天干缩值＜2.5×10-4；抗疲劳性能：120万次无裂纹；抗冻性：≥300次；韧性指数：≥24。
一种快硬早强耐磨混凝土道路修补材料(简称修补材料)组成结构中可以充分克服以往粗细集料容易被磨出路面的不足，钢渣作集料，由于其矿物组成包括橄榄石、硅酸二钙、硅酸三钙和少量金属铁，这些组成使得钢渣具有一定的潜在反应活性和耐磨特性。当钢渣存放期足够长时(存放期一年以上)，f-CaO已被完全消解，不存在由其而引发的安定性问题；由于其潜在反应活性，使得钢渣颗粒和钢渣矿粉在修补材料的碱性条件下能够很好的与基体形成化学结合，克服了普通集料与基体的机械结合弊端；同时，钢渣由于其金属Fe含量≥2.0％，所以使得修补材料具有足够的耐磨性能。对钢渣-偏高岭土复合胶凝材料(由钢渣矿粉、偏高岭土、碱激发剂溶液组成)，由于钢渣微粒是含金属铁的具有Si-O-Ca键缺陷的高耐磨且易被碱激发的物质，而偏高岭土是一种近似层状分子结构的Si-Al质材料，其结构在煅烧过程中具有很高的反应活性，其Si-Al-O结构在碱激发剂的作用下进行结构重组，快速形成空间网络结构，使得该钢渣-偏高岭土复合胶凝材料的强度发展很快。碱激发剂中阴离子形成胶凝体系的初始网络；阳离子建立和维持碱性环境，促进偏高岭土Si-O四面体、Al-O四面体重新聚合，形成新的聚合结构；钢渣对偏高岭土的促进作用在于，一方面钢渣水化释放出Ca2+和OH-，其中Ca2+与低聚合度的硅酸反应，OH-促进偏高岭土的解聚；另一方面钢渣中晶体的诱导作用。钢渣在水化早期主要作胶凝体系的微集料，水化后期生成部分的水化产物，偏高岭土被碱激发后生成的半晶质物质是该钢渣-偏高岭土复合胶凝材料网络骨架的主要来源；钢渣-偏高岭土复合胶凝材料水化产物主要有硅酸钙及其变体，其通式为：CaO·Al2O3·xSiO2·yH2O矿物，简称为C-S-Al-H。钢渣-偏高岭土复合胶凝材料的水化反应是硅酸结构的解聚和聚合的过程，水化开始时，高聚合度玻璃体在OH-的作用下逐渐解聚，随着溶液中低聚合度的硅酸浓度的增加，反应向聚合方向进行，新生成的高聚合度的硅酸及其盐，填充和镶嵌在硅氧骨架网络中，使结构逐渐密实；并且使含有金属铁高耐磨的钢渣颗粒与胶凝材料界面获得高的粘结强度，使路面具有高的耐久性能。
本发明的修补材料具备了快硬早强要求，也因其优良的界面粘结性能，使得新老混凝土的粘结强度足够高，不需要掺加高成本的聚合物和界面剂来改善其界面粘结性能；也由于该胶凝材料体系具有三维空间网络结构，使得修补材料收缩小。纤维增强增韧技术的应用可以使道路修补材料的抗冲击性能和抗疲劳性能得到大幅的提高。
所以本发明从道路修补材料的组成配比角度出发，很好地解决了国内外道路修补材料的耐磨性差及新老混凝土界面粘结强度不高等问题，本发明具有高早强、高韧性、低收缩、耐磨、抗疲劳、高粘结力性能；同时本发明充分利用工业废渣，具有很高的环保价值。
具体实施方式
一种快硬早强耐磨混凝土道路修补材料的制备方法，包括如下步骤：1).选料：按钢渣矿粉40-80kg/m3、偏高岭土320-560kg/m3、碱激发剂溶液200-300kg/m3、钢渣粗集料0-1000kg/m3、钢渣细集料630-1800kg/m3、钢纤维62～156kg/m3、聚丙烯纤维1kg/m3选取钢渣矿粉、偏高岭土、碱激发剂溶液、钢渣粗集料、钢渣细集料、钢纤维、聚丙烯纤维，其中钢渣粗集料和钢渣细集料为存放期在一年以上、金属Fe含量≥2.0％的钢渣，钢渣粗集料粒径范围为5-20mm的连续级配，钢渣细集料粒径范围为0.045-5mm，细度模数为2.1-3.0；钢渣矿粉的细度为400-650m2/kg、碱度＞1.2；偏高岭土为高岭土在650-800℃条件下锻烧，细度为500-700m2/kg；碱激发剂为水玻璃溶液、硫酸钠、氟化钠，质量比为：水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝(0.66-8)∶(0.033-0.3)∶(0.022-0.2)，其中水玻璃溶液的模数为1.0-2.0，水玻璃的波美度36-44°；
2).将NaOH固体徐徐加入硅酸钠溶液中溶解得到模数为1～2、波美度为36-44°的水玻璃溶液，然后加入硫酸钠混合配制而得混合溶液；
3).先将钢渣矿粉、偏高岭土、氟化钠、钢渣粗集料、钢渣细集料、钢纤维、聚丙烯纤维依次加入搅拌机内干拌0.8-1.2min，然后徐徐加入步骤2)得到的混合溶液进行搅拌1-2min后立即出料进行浇筑、振捣密实、收平，然后覆盖潮湿麻袋进行养护8-10h。
上述制备方法中钢渣矿粉和偏高岭土之和满足400-600kg/m3为最好效果。
按上述制备方法，即可得到优异性能的高耐磨道路快速修补材料，下面列出一些实施例加以说明(实施例未能对本发明的各组份的上、下限取值进行一一列举，本发明的各组份的上、下限取值都能实现本发明)。
                 表1  钢渣矿粉和偏高岭土用量为400kg/m3的修补材料实施实例
  钢渣矿粉   偏高岭土   碱激发剂溶液   钢渣粗集料   钢渣细集料   钢纤维/聚丙烯纤维       强度(MPa)   磨耗量(kg/m2)
  8h   3d
  40   360   220   0   1800   78/1   25.3   29.3   1.9
  40   360   220   1000   760   78/1   27.6   32.1   1.8
  60   340   210   0   1800   78/1   23.1   29.1   1.9
  60   340   210   1000   760   78/1   25.4   31.2   1.8
  80   320   200   0   1800   78/1   22.9   28.7   1.91.7
  80   320   200   1000   760   78/1   24.2   30.1
                    表2  钢渣矿粉和偏高岭土用量为500kg/m3的修补材料实施实例
  钢渣矿粉   偏高岭土   碱激发剂溶液   钢渣粗集料   钢渣细集料   钢纤维/聚丙烯纤维       强度(MPa)   磨耗量(kg/m2)
  8h   3d
  40   460   260   0   1640   78/1   34   38.4   1.6
  40   460   260   940   700   78/1   36.3   41.2   1.5
  60   440   240   0   1640   78/1   31.8   38.2   1.6
  60   440   240   940   700   78/1   34.1   40.3   1.5
  80   420   230   0   1640   78/1   31.6   37.8   1.551.45
  80   420   230   940   700   78/1   32.9   39.2
                   表3  钢渣矿粉和偏高岭土用量为600kg/m3的修补材料实施实例
  钢渣矿粉   偏高岭土   碱激发剂溶液   钢渣粗集料   钢渣细集料   钢纤维/聚丙烯纤维        强度(MPa)   磨耗量(kg/m2)
  8h   3d
  40   560   300   0   1500   78/1   41.7   49.4   1.2
  40   560   300   870   630   78/1   44   52.2   1.1
  60   540   290   0   1500   78/1   39.5   49.2   1.2
  60   540   290   870   630   78/1   41.8   51.3   1.1
  80   520   280   0   1500   78/1   39.3   48.8   1.151.0
  80   520   280   870   630   78/1   40.6   50.2

Claims (4)

1.一种快硬早强耐磨混凝土道路修补材料，其特征是主要由钢渣矿粉、偏高岭土、碱激发剂溶液、钢渣细集料、钢纤维、聚丙烯纤维组成，各组份的掺量为：钢渣矿粉40-80kg/m3、偏高岭土320-560kg/m3、碱激发剂溶液200-300kg/m3、钢渣细集料630-1800kg/m3、钢纤维62～156kg/m3、聚丙烯纤维1kg/m3；
其中钢渣细集料为存放期在一年以上、金属Fe含量≥2.0％的钢渣，钢渣粗集料粒径范围为5-20mm的连续级配，钢渣细集料粒径范围为0.045-5mm，细度模数为2.1-3.0；钢渣矿粉的细度为400-650m2/kg、碱度＞1.2；偏高岭土为高岭土在650-800℃条件下锻烧，细度为500-700m2/kg。
2.根据权利要求1所述的一种快硬早强耐磨混凝土道路修补材料，其特征是：碱激发剂为水玻璃溶液、硫酸钠、氟化钠，质量比为：水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝0.66-8∶0.033-0.3∶0.022-0.2，其中水玻璃溶液的模数为1.0-2.0，水玻璃的波美度36-44°。
3.根据权利要求1所述的一种快硬早强耐磨混凝土道路修补材料，其特征是：加入钢渣粗集料，钢渣粗集料的加入量为：0-1000kg/m3，钢渣粗集料为存放期在一年以上、金属Fe含量≥2.0％的钢渣，钢渣粗集料粒径范围为5-20mm。
4.如权利要求1或3所述的一种快硬早强耐磨混凝土道路修补材料的制备方法，其特征是：包括如下步骤：1).选料：按钢渣矿粉40-80kg/m3、偏高岭土320-560kg/m3、碱激发剂溶液200-300kg/m3、钢渣粗集料0-1000kg/m3、钢渣细集料630-1800kg/m3、钢纤维62～156kg/m3、聚丙烯纤维1kg/m3选取钢渣矿粉、偏高岭土、碱激发剂溶液、钢渣粗集料、钢渣细集料、钢纤维、聚丙烯纤维，其中钢渣粗集料和钢渣细集料为存放期在一年以上、金属Fe含量≥2.0％的钢渣，钢渣粗集料粒径范围为5-20mm，钢渣细集料粒径范围为0.045-5mm，细度模数为2.1-3.0；钢渣矿粉的细度为400-650m2/kg、碱度＞1.2；偏高岭土为高岭土在650-800℃条件下锻烧，细度为500-700m2/kg；碱激发剂为水玻璃溶液、硫酸钠、氟化钠，质量比为：水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝0.66-8∶0.033-0.3∶0.022-0.2，其中水玻璃溶液的模数为1.0-2.0，水玻璃的波美度36-44°；
2).硫酸钠加入水玻璃溶液中混合配制而得混合溶液；
3).先将钢渣矿粉、偏高岭土、氟化钠、钢渣粗集料、钢渣细集料、钢纤维、聚丙烯纤维依次加入搅拌机内干拌0.8-1.2min，然后徐徐加入步骤2)得到的混合溶液进行搅拌1-2min后立即出料进行浇筑、振捣密实、收平，然后覆盖潮湿麻袋进行养护8-10h。
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