CN112777983A

CN112777983A - 一种混凝土快速修补材料及其制备方法

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Publication number: CN112777983A
Application number: CN202110024656.7A
Authority: CN
Inventors: 张金喜; 丁博; 牛亚男; 王行
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2021-01-08
Filing date: 2021-01-08
Publication date: 2021-05-11

Abstract

本发明公开了一种混凝土快速修补材料及其制备方法，该修补材料由水泥、矿渣、硅灰、中级砂、碱性激发剂(NaOH、Na₂SiO₃)、水拌合而成。按质量分数计各组分含量，硅酸盐水泥：10％‑16.7％，矿渣：14％‑20.7％，硅灰：2.7％，中级砂：66.7％，NaOH：0.3％或Na₂SiO₃：1％，水与胶凝材料质量比为0.5。本发明材料具有凝结快、粘结强度高的特点，能够实现混凝土的快速修复且原材料易得成本低廉，同时还具有抗冻融、耐腐蚀、长期性能好等优点。

Description

一种混凝土快速修补材料及其制备方法

技术领域

本发明属于混凝土材料领域，具体涉及一种混凝土快速修补材料及其制备方法。

背景技术

水泥混凝土作为一种重要的建筑材料，被广泛应用于公路、桥梁、市政工程等基础设施建设中。由于设计不合理、环境侵蚀以及日益繁重的交通荷载作用等造成混凝土结构设施出现不同程度的损坏，如裂缝、坑槽、面板断裂等影响车辆通行质量与安全，急需加固与维修。传统修补砂浆与旧混凝土的粘结强度低、相容性、耐久性差，且修复后开放交通时间长，所以研究出一种价格低廉、性能优异、便于施工且长期性能稳定的混凝土快速修补新材料具有重要意义。

专利CN 111153670 A采用硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、半水石膏、消泡剂、减水剂和聚合物乳液制备的快速修补砂浆具有凝结快、早期强度高、吸水率小的优点，但对其长期耐久性能并未作过多涉及，由于聚合物乳液存在易挥发特性，可能会对后期强度造成影响。

专利CN 111635201 A采用包括水、高铝酸盐快硬水泥、硅酸盐水泥、高分子聚合物、酒石酸、速凝剂、明矾石膨胀剂、聚羧酸减水剂、掺合料、细骨料，专用复合外加剂(铁粉、氧化钙、亲水性胶体)制备了混凝土快速修补材料，虽然具有较高的抗压与抗折强度，但原材料复杂、制备工艺需要特定温度条件，且制造成本提高难以实现大规模工程应用。

发明内容

为解决现有修补材料存在的问题，本发明目的在于提供一种新的混凝土快速修补材料及制备方法。通过本发明能够解决传统修复材料存在的较多共同缺陷，具有凝结时间快、粘结强度高、成本低廉易施工且耐久性能良好的特点。

碱液的添加可以激发矿渣潜在活性，促使矿渣中氧化硅、氧化铝快速溶解，Si-O键、Al-O键断裂并又重新聚合，与Ca²⁺等共同形成胶凝网络，进而快速形成强度。与普通硅酸盐水泥水化产物不同，经过碱液活化的水化产物能够提供更好的胶结性能，孔隙率低，微观结构更加致密，促使材料具有更好的耐久性能。

本发明实现上述技术目的需要以下技术方案得以实现：

一种水泥混凝土路面快速修补材料，其原料包括水泥、矿渣、硅灰、中级砂、碱性激发剂(NaOH、Na₂SiO₃)、水。按质量分数计各组分含量，硅酸盐水泥：10％-16.7％，矿渣：14％-20.7％，硅灰：1.3％-2.7％，中级砂：66.7％，NaOH：0.3％或Na₂SiO₃：1％，水与胶凝材料质量比为0.5。

优选地，按质量分数计包含以下组分：硅酸盐水泥：16.7％，矿渣：14％，硅灰：2.7％，中级砂：66.7％，Na2SiO3：1％。

优选地，按质量分数计包含以下组分：硅酸盐水泥：10％，矿渣：20.7％，硅灰：2.7％，中级砂：66.7％，NaOH：0.3％。

所述硅酸盐水泥为P.O42.5水泥。

所述矿渣为S95型磨细高炉矿渣粉。

所述硅灰为优级硅灰。

所述中级砂为细度模数为2.54的天然河沙，统一过1.18mm筛孔筛分得到。

所述Na₂SiO₃为Na₂O：SiO₂＝1.03±0.03的固体颗粒。

所述NaOH为纯度为96％(分析纯)的固体颗粒。

本发明提供的混凝土快速修补材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将Na₂SiO₃或NaOH与水按所需比例称取，将NaOH、Na₂SiO₃分别放入水中溶解、搅拌，室温冷却备用。

(2)将硅酸盐水泥、矿渣、硅灰、中级砂混合均匀之后，加入制备好的Na₂SiO₃或NaOH溶液，连续进行搅拌并混合均匀后得到混凝土快速修补材料。

与现有修补材料相比，本发明的有益效果是：通过添加碱液的方式激发工业固废矿渣潜在活性，在碱的作用下氧化硅、氧化铝快速溶解，Si⁴⁺、Al³⁺析出并又重新聚合与Ca²⁺等共同形成胶凝网络，进而快速形成强度。

1.凝结时间快。传统修补材料主要依靠硅酸盐水泥的水化反应形成强度，存在凝结时间长强度上升慢的问题。本发明通过碱激发剂的加入，依靠化学反应激发矿渣潜在活性从而促进体系强度的增长，从而能够实现混凝土破损部位的快速修复，提早开放交通。

2.价格低廉、节能环保。由于材料组成含有较大比例的工业废弃物矿渣成分，通过碱组分的作用可以实现废弃物的再生利用且修补材料组分易得，制作成本低廉。

3.性能良好。碱激发作用后的修补材料水化产物微观结构更加密实，具有优异的抗折强度。修补材料与旧混凝土的粘结界面除机械咬合作用外还存在化学键合作用，硅灰的存在可以填充体系内部微孔隙，使修补材料的耐久性能进一步提升。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的混凝土快速修补材料，其原料包括水泥、矿渣、硅灰、中级砂、碱性激发剂、水。按质量分数计各组分含量，硅酸盐水泥：10％-16.7％，矿渣：14％-20.7％，硅灰：2.7％，中级砂：66.7％，NaOH：0.3％或Na₂SiO₃：1％，水与胶凝材料质量比为0.5。

优选地，所述硅酸盐水泥为P.O42.5水泥。

优选地，所述矿渣为S95型磨细高炉矿渣粉。

所述硅灰为优级硅灰，用于填充体系微孔隙。

优选地，所述中级砂为细度模数为2.54的天然河沙，统一过1.18mm筛孔筛分得到。

所述Na₂SiO₃为Na₂O：SiO₂＝1.03±0.03的固体颗粒，所述NaOH为纯度为96％(分析纯)的固体颗粒。用于激发矿渣潜在活性，提高体系内部水化反应速率，提升强度增长。

实施例1

混凝土快速修补材料组分及配合比为：硅酸盐水泥300g，矿渣252g，硅灰48g，中级砂1200g，水300g，Na₂SiO₃固体18g。按照混凝土快速修补材料的制备方法，根据实施例1的各组分含量，制备成所需混凝土修补材料，然后将混合物浇注成型入模养护测试其各项性能。制备包括以下步骤：1)将Na₂SiO₃固体、水按所需用量称取，然后将Na₂SiO₃放入水中溶解、搅拌，室温冷却备用。2)将硅酸盐水泥、矿渣、硅灰、中级砂使用砂浆搅拌机低速干拌5min，使集料充分混合均匀，然后加入已溶解完全的Na₂SiO₃溶液，低速搅拌3min，然后再高速搅拌2min形成所述混凝土快速修补材料。

实施例2

混凝土快速修补材料组分及配合比为：硅酸盐水泥300g，矿渣252g，硅灰48g，中级砂1200g，水300g，NaOH固体6g。按照混凝土快速修补材料的制备方法，根据实施例2的各组分含量，制备成所需混凝土修补材料，然后将混合物浇注成型入模养护测试其各项性能。制备包括以下步骤：1)将NaOH固体、水按所需用量称取，然后将NaOH放入水中溶解、搅拌，室温冷却备用。2)将硅酸盐水泥、矿渣、硅灰、中级砂使用砂浆搅拌机低速干拌5min，使集料充分混合均匀，然后加入已溶解冷却完全的NaOH溶液，低速搅拌3min，然后再高速搅拌2min形成所述混凝土快速修补材料。

实施例3

混凝土快速修补材料组分及配合比为：硅酸盐水泥180g，矿渣372g，硅灰48g，中级砂1200g，水300g，Na₂SiO₃固体18g。按照混凝土快速修补材料的制备方法，根据实施例3的各组分含量，制备成所需混凝土修补材料，然后将混合物浇注成型入模养护测试其各项性能。制备包括以下步骤：1)将Na₂SiO₃固体、水按所需用量称取，然后将Na₂SiO₃放入水中溶解、搅拌，室温冷却备用。2)将硅酸盐水泥、矿渣、硅灰、中级砂使用砂浆搅拌机低速干拌5min，使集料充分混合均匀，然后加入已溶解完全的Na₂SiO₃溶液，低速搅拌3min，然后再高速搅拌2min形成所述混凝土快速修补材料。

实施例4

混凝土快速修补材料组分及配合比为：硅酸盐水泥180g，矿渣372g，硅灰48g，中级砂1200g，水300g，NaOH固体6g。按照混凝土快速修补材料的制备方法，根据实施例4的各组分含量，制备成所需混凝土修补材料，然后将混合物浇注成型入模养护测试其各项性能。制备包括以下步骤：1)将Na₂SiO₃固体、水按所需用量称取，然后将NaOH放入水中溶解、搅拌，室温冷却备用。2)将硅酸盐水泥、矿渣、硅灰、中级砂使用砂浆搅拌机低速干拌5min，使集料充分混合均匀，然后加入已溶解冷却完全的Na₂SiO₃溶液，低速搅拌3min，然后再高速搅拌2min形成所述混凝土快速修补材料。

对比例1

采用常规混凝土砂浆作为混凝土修补材料，水胶比、胶砂比与快速混凝土修补材料保持一致。

对比例2

市购某种电化学类修补材料

对本发明实施例1至4的修补砂浆进行性能测试，并与对比例1、2进行比较。参考GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测定砂浆的凝结时间；强度(抗压、抗折)参考JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》；剪切粘结强度参考ASTM C882规定的方法；抗冻试验参照DL/T5151—2001《水工混凝土试验规程》采用慢冻法，试验开始龄期采用28d，在到达试验龄期的前4d，将试件在水中浸泡4d后开始冻融试验；抗硫酸盐侵蚀试验参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》第14条进行，在试件养护至28d时将试件取出，放入烘箱中烘干48h，烘箱温度控制在80±5℃。取出试件放入质量浓度为5％的硫酸钠溶液中浸泡16h，然后取出放入恒温烘箱中烘干8h为1个循环。测试结果如表1

表1性能测试

从上表可知，本发明产品凝结时间快，初凝时间仅为对比例1的1/3左右。对于混凝土修补材料，其粘结强度是衡量修补性能好坏的重要指标。从表中可以看出本发明产品抗折强度最大可以达到9.4MPa、剪切粘结强度可以达到33.85MPa略低于市售商用修补材料对比例2，明显高于传统水泥修补砂浆对比例1。在耐久性方面：本发明产品56d收缩率维持在较低水平，明显好于对比例1、对比例2；本发明产品抗冻融性能、抗硫酸盐侵蚀性能优良，体现在经历150次冻融循环强度损失低，在经历25次硫酸盐侵蚀循环后本发明产品强度损失在22.1％-28.3％，而同等条件下传统水泥砂浆修补材料对比例1强度损失为39.7％、市售商用电化学材料对比例2强度损失为80.5％。

与现有技术相比，本发明产品具有凝结时间快、粘结强度高、抗冻融、耐腐蚀、长期性能稳定且原材料易得、造价低的优点。

Claims

1.一种水泥混凝土路面快速修补材料，其特征在于：包括水泥、矿渣、硅灰、中级砂、碱性激发剂(NaOH、Na₂SiO₃)、水；按质量分数计各组分含量，硅酸盐水泥：10％-16.7％，矿渣：14％-20.7％，硅灰：2.7％，中级砂：66.7％，NaOH：0.3％或Na₂SiO₃：1％，水与胶凝材料质量比为0.5。

2.根据权利要求1所述的一种水泥混凝土路面快速修补材料，其特征在于：按质量分数计包含以下组分：硅酸盐水泥：10％，矿渣：20.7％，硅灰：2.7％，中级砂：66.7％，NaOH：0.3％。

3.根据权利要求1所述的一种水泥混凝土路面快速修补材料，其特征在于：所述硅酸盐水泥为P.O42.5水泥。

4.根据权利要求1所述的一种水泥混凝土路面快速修补材料，其特征在于：所述矿渣为S95型磨细高炉矿渣粉。

5.根据权利要求1所述的一种水泥混凝土路面快速修补材料，其特征在于：所述硅灰为优级硅灰。

6.根据权利要求1所述的一种水泥混凝土路面快速修补材料，其特征在于：所述中级砂为细度模数为2.54的天然河沙，统一过1.18mm筛孔筛分得到。

7.根据权利要求1所述的一种水泥混凝土路面快速修补材料，其特征在于：所述Na₂SiO₃为Na₂O：SiO₂＝1.03±0.03的固体颗粒。

8.根据权利要求1所述的一种水泥混凝土路面快速修补材料，其特征在于：所述NaOH为纯度为96％的固体颗粒。

9.根据权利要求1所述的一种水泥混凝土路面快速修补材料，其特征在于：混凝土快速修补材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将Na₂SiO₃或NaOH与水按所需比例称取，将NaOH、Na₂SiO₃分别放入水中溶解、搅拌，室温冷却备用；