CN113698170B - 一种高性能透水混凝土快速修补料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土路面修补技术领域，具体涉及一种高性能透水混凝土快速修补料及其制备方法和应用。所述高性能透水混凝土快速修补料原料包括：偏高岭土、矿粉、石英砂、石子、纳米碳酸钙、碳酸钙晶须、硅酸钠、氯化钙、硫酸钠、亚硝酸钠、三乙醇胺、三氧化二铝、水；本发明还提供上述修补料进行道路修补的方法，包括对待修补路面进行基面处理；在修补路面表层喷涂环氧乙烯基树脂和固化剂混合料；将所述高性能透水混凝土快速修补料分为A、B两份，A份和促进剂混合后填补在修补路面内层，B份填补在A份填补料上层，养护；本发明克服了现有透水混凝土材料早期强度低、强度发展进程缓慢等技术难题，满足重载透水混凝土道路快速修补的技术需求。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土路面修补技术领域，具体涉及一种高性能透水混凝土快速修补料及其制备方法和应用。
背景技术
透水混凝土的广泛应用是我国海绵城市建设过程中的重要一环。近年来，随着市政道路、公交场站、大型桥隧等路面对高等级透水道路需求的不断加剧，抗压强度等级高于C40的高性能透水混凝土得到了越来越多的关注和应用。从道路的全寿命使用周期来看，任何道路在服役过程中都不可避免会出现疲劳损伤和损坏，为了尽量小地影响交通，道路的快速修补就显得极为重要。但是不同于普通混凝土道路的快速修补，对于适用于重载透水道路快速修补的材料，需满足以下三个基本要求：(1)透水能力不低于原透水混凝土道路；(2)早期强度(尤其是6小时以内强度)发展迅速，尽量缩短交通封闭时间；(3)后期强度不低于原透水混凝土道路。
目前已经用于水泥混凝土抢修工程的材料主要是高分子聚合物和双快水泥。虽然这两类材料都能够实现快凝和早强功能，但是并没有形成可用于透水道路快速修补的重载透水材料。近年来，地聚合物技术有了突飞猛进的发展，利用地聚合物的快凝与早强特性，地聚合物透水混凝土技术也有了长足的进步，但是距离能够实现重载透水混凝土道路的快速修补依然存在较大的差距。
专利CN105585261B公开了一种地聚合物透水混凝土及其制备方法。该方法采用煤矸石、矿渣、赤泥作为原材料，采用氢氧化钠作为碱激发剂，从而配制了28d抗压强度为18～21MPa的地聚合物透水混凝土，但是很显然，该材料无法用做重载透水道路的快速修补。
专利CN108675694A公开了一种早强耐候地聚合物透水混凝土及其制备方法。虽然该方法所制备的透水混凝土3d抗压强度可达到18MPa以上，但是相较于真正意义上的适用于重载透水混凝土道路的快速修补材料依然存在较大的距离，因为修补材料的强度发展速度偏低。
此外，专利CN108314386A公开了一种采用透水混凝土增强剂所配制的早强型高强度透水混凝土材料，其3d抗压强度可达到18～26MPa，但是由于早期强度发展较慢，该材料同样无法满足重载透水混凝土道路的快速修补需求。
因此，可以认为目前依然亟需一种透水材料能够较好地适用于重载透水混凝土道路的快速修补。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提供一种高性能透水混凝土快速修补料及其制备方法和应用。克服现有透水混凝土材料早期强度低、强度发展进程缓慢等技术难题，满足重载透水混凝土道路快速修补的技术需求。
本发明的技术方案之一，一种高性能透水混凝土快速修补料，质量份数计，原料包括以下组分：偏高岭土12～18份、矿粉14～20份、石英砂12～15份、石子100～110份、纳米碳酸钙0.12～0.15份、碳酸钙晶须2～5份、硅酸钠8～12份、氯化钙0.25～0.45份、硫酸钠0.1～0.2份、亚硝酸钠0.05～0.1份、三乙醇胺0.03～0.06份、三氧化二铝0.05～0.08份、水13～15份。
进一步地，所述偏高岭土平均粒径5～10um，比表面积不低于750m2/kg；所述矿粉平均粒径10～15um，比表面积不低于525m2/kg；所述石英砂平均粒径630um，连续级配；所述石子为玄武岩材质，4.75mm～9.5mm粒径，连续级配；所述碳酸钙晶须为文石型，直径1～2um，长度20～30um；所述硅酸钠为粉剂，模数为1；所述纳米碳酸钙平均粒径为10～100nm。
本发明的技术方案之二，上述高性能透水混凝土快速修补料的制备方法，包括以下步骤：
氯化钙、硫酸钠、亚硝酸钠、三乙醇胺、三氧化二铝、水1～2份混合搅拌得材料A；
偏高岭土、矿粉、硅酸钠、碳酸钙晶须、纳米碳酸钙、水11～13份，混合搅拌得材料B；
石英砂、石子和材料A、材料B混合搅拌得所述的高性能透水混凝土快速修补料。
本发明的技术方案之三，上述高性能透水混凝土快速修补料在道路修补中的应用。
进一步地，所述道路为重载透水道路。
本发明的技术方案之四，一种使用上述高性能透水混凝土快速修补料进行道路修补的方法。
进一步地，所述道路修补的方法包括以下步骤：
(1)对待修补路面进行基面处理，去除表面脏污浮尘；
(2)在经过步骤(1)处理后的修补路面表层喷涂环氧乙烯基树脂和固化剂混合料；
(3)将上述高性能透水混凝土快速修补料按照总使用量分为A、B两份，A份和促进剂混合后填补在修补路面内层，B份填补在A份填补料上层，养护3h-28天。
进一步地，所述步骤(1)中还包括对基面不平整处进行打磨；所述步骤(2)中环氧乙烯基树脂和固化剂混合料中环氧乙烯基树脂和固化剂的质量比为5：(1-3)，喷涂厚度为0.5-1cm。
进一步地，所述步骤(3)中，A、B两份体积比为1：(3-5)；促进剂和环氧乙烯基树脂的质量比为(4-5)：5。
进一步地，所述步骤(3)中高性能透水混凝土快速修补料在进行填补前预热至30-60℃，所述养护具体为蒸汽养护3-5h后常温养护。
本发明的技术原理：
本发明的基本原理是：偏高岭土和超细矿粉在硅酸钠溶液的激发下，能够快速水化缩聚形成由硅氧四面体和铝氧四面体所构成的胶凝结构，在此基础上，本发明为了进一步实现地聚合物透水混凝土的超早强和超高强度目的，还从以下几个方面进行了优化和创新：
首先，本发明通过引入氯化钙、硫酸钠、亚硝酸钠、三氧化二铝和三乙醇胺，进一步加速了地聚合物的缩聚过程，从而显著提高地聚合物胶凝材料的早龄期强度。其次，纳米碳酸钙为纳米级增强材料，可以通过纳米效应进一步改善地聚合物胶凝材料的早期强度；而碳酸钙晶须为力学性能十分优异的微米级增强材料，当胶凝材料基体强度形成后，可以通过微观增强作用有效地改善地聚合物胶凝材料的后期强度；同时研究发现，碳酸钙晶须在地聚合物硬化基体中的增强作用是其在普通水泥硬化基体中效果的近乎两倍，这是本发明引入碳酸钙晶须的一个重要原因，也为碳酸钙晶须在建筑材料领域的应用提供了新的思路。此外，对于透水混凝土而言，浆体对骨料形成有效包裹是透水混凝土形成高强度的必要前提，而纳米碳酸钙和碳酸钙晶须的引入，可以有效提高地聚合物胶凝材料的稠度，改善浆体对石子的包裹质量，从而进一步对材料的强度产生增益效果。最后，通过适量引入精细石英砂，可以增加石子相互接触而形成的双凹粘结面之间地聚合物混合砂浆总量，扩大石子之间的粘结面积，减少石子粘结部位的结构缺陷，从而有效提高所设计的透水混凝土的整体强度。
基于以上技术原理，可以实现地聚合物透水混凝土的超早强和超高强度，从而制备真正可以用于重载道路快速修补的高性能透水混凝土材料。
进一步地，基于本发明高性能透水混凝土快速修补料早强和超高强度的特点，为增强其在进行道路修补时和原路面材料的粘结性能，提高修补料的耐久性能，避免后期脱落问题的发生，本发明还提供了一种基于上述高性能透水混凝土快速修补料的道路修补方法，具体的，通过在待修补路面喷涂环氧树脂和固化剂后进行修补料的填补工作，在原路面材料和修补料之间增设有机粘合材料层，一方面通过环氧树脂的粘合作用，使修补料和路面粘结性更佳，另一方面，有机粘合材料层起到缓冲层的作用，可以在一定程度上改善原路面和修补料这一类无机胶凝材料之间的接触韧性，使修补后路面具有更优的耐久性。在本发明的技术方案中，将修补料分为两份，其中一份掺入适量促进剂后直接和喷涂有环氧乙烯基树脂和固化剂的路面表层进行接触，在进行养护过程中，修补料中的促进剂通过渗透作用和环氧乙烯基树脂、固化剂进行接触，从而加快环氧乙烯基树脂的固化时间；高性能透水混凝土快速修补料在进行填补前进行预热以及采用蒸汽养护后常温养护的养护条件，均可以促进修补料、环氧乙烯基树脂、原路面材料三者之间的相互融合，使三者的结合更为紧密，耐久性更佳。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明所提供的透水混凝土最显著的优点是在常温养护条件下，其3h抗压强度可稳定达到18～20MPa，透水系数达1.5mm/s以上；其28d抗压强度可达45～50MPa，透水系数不低于1.2mm/s，完全满足重载透水混凝土道路的快速修补和抢修工程需求，可有效缩短因重载透水道路维修而导致的交通封锁时间，具有显著的社会与经济效益。
采用本发明路面修复方法进行路面修补，在经历湿热老化21天后，粘结强度仍高达3.15MPa，且破坏形式为混凝土破坏，并未出现修补料脱落等问题；在经历15个冷热循环后，粘结强度仍高达2.82MPa，且破坏形式为混凝土破坏，并未出现修补料脱落等问题。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明以下实施例中，所使用的偏高岭土平均粒径5～10um，比表面积780m2/kg；所述矿粉为平均粒径10～15um的超细矿粉，比表面积550m2/kg；所述石英砂为平均粒径630um的精细石英砂，连续级配；所述石子为玄武岩材质，4.75mm～9.5mm粒径，连续级配；所述碳酸钙晶须为文石型，直径1～2um，长度20～30um；所述硅酸钠为粉剂，模数为1；所述纳米碳酸钙平均粒径为10～100nm。
所使用的环氧乙烯基树脂、固化剂(胺类固化剂)、促进剂(酚类促进剂)均为市场购置，无特殊要求。
实施例1-3
(1)按照表1内容称取原料：
表1实施例1～3的原料配比(质量份数)
(2)将氯化钙、硫酸钠、亚硝酸钠、三乙醇胺、三氧化二铝和2份水，混合并超声搅拌30min，即得材料A。其次，将偏高岭土、超细矿粉、硅酸钠、碳酸钙晶须、纳米碳酸钙和余量水，混合并均匀搅拌10min，即得材料B。最后，将精细石英砂、石子，加入材料A和材料B，混合并均匀搅拌3min，即得各组实施例材料。按照标准DB11/T775-2010《透水混凝土路面技术规程》对材料进行抗压强度和透水系数测试，结果如表2所示。
表2实施例1～3的抗压强度和透水系数测试结果
测试结果表明：实施例所给出的三种配合比所配制的透水混凝土均具备超早强特性，其3h抗压强度均超过18MPa，最高可达到21.5MPa；透水系数均超过1.5mm/s，最高可达到2.3mm/s，符合透水混凝土的基本要求(不低于0.5mm/s)。同时，实施例所给出的三种配合比所配制的透水混凝土均具备超高强特性，其28d抗压强度均超过42MPa，最高可达到51.4MPa；透水系数均超过1.2mm/s，最高可达到1.76mm/s。因此，本发明所公开的透水混凝土材料完全满足重载透水混凝土道路的快速修补和抢修工程需求，可有效缩短因重载透水道路维修而导致的交通封锁时间，具有良好的社会与经济效益。
对比例1
本对比例原材料包括：偏高岭土18份、超细矿粉20份、精细石英砂15份、石子110份、硅酸钠12份、水15份。首先将偏高岭土、超细矿粉、硅酸钠和水，混合并均匀搅拌10min，然后加入精细石英砂和石子，混合并均匀搅拌3min，即得对比例1所述材料。按照标准DB11/T775-2010《透水混凝土路面技术规程》对材料进行抗压强度和透水系数测试，结果如表3所示。
表3对比例1的抗压强度和透水系数测试结果
测试结果表明：对比例1所示透水混凝土虽然早期强度较高，但是无法满足重载透水道路的快速修补，且28d强度尚无法满足重载透水道路的要求。
对比例2
本对比例原材料包括：偏高岭土18份、超细矿粉20份、精细石英砂15份、石子110份、硅酸钠12份、纳米碳酸钙0.15份、碳酸钙晶须5份、水15份，所选原材料均符合权利要求书中的细节要求。首先将偏高岭土、超细矿粉、硅酸钠、纳米碳酸钙、碳酸钙晶须和水，混合并均匀搅拌10min，然后加入精细石英砂和石子，混合并均匀搅拌3min，即得对比例2所述材料。按照标准DB11/T775-2010《透水混凝土路面技术规程》对材料进行抗压强度和透水系数测试，结果如表4所示。
表4对比例2的抗压强度和透水系数测试结果
测试结果表明：对比例2所示透水混凝土虽然早期强度较高，但是同样无法满足重载透水道路的快速修补，且28d强度依然无法满足重载透水道路的要求。
应用例1
将实施例1-3制备的高性能透水混凝土快速修补料进行模拟修补实验：
(1)选用P·0 52.5型普通硅酸盐水泥364份、硅灰17.5份、矿粉46.5份、石子(粒径5～8mm的玄武岩)1410份、机制砂(中砂，细度模数2.5～2.8)176份、碳酸钙晶须10.73份、无机胶凝剂12.5份、羟乙基纤维素0.12份、聚羧酸高效减水剂3.82份、消泡剂0.13份和水106.76份作为原材料。
其中羟乙基纤维素购自Cellosize公司QP-300H系列；聚羧酸高效减水剂购自Sika公司Viscocrete-540P系列；消泡剂购自AXILAT公司DF6352DD系列；无机胶凝剂使用公开号CN110304858A中的方法制得；硅灰、矿粉购自铂润新材料科技有限公司；碳酸钙晶须购自上海峰竺复合新材料科技有限公司。
(2)将20％水和碳酸钙晶须和羟乙基纤维素混合，采用一体式超声波处理器超声分散12min，得材料A；将聚羧酸高效减水剂和无机胶凝材料与10％水混合，常温搅拌4min，搅拌速率50r/min得到材料B；将全部水泥、硅灰、矿粉在混凝土卧式搅拌机中混合搅拌2min，搅拌速率70r/min，得到材料C；加入余量水和材料B，继续搅拌2min，之后加入全部消泡剂，常温搅拌1min，搅拌速率70r/min，加入机制砂，搅拌1min，加入石子，搅拌2min得混合料，混合料装模(半8字型模具)，2MPa静压成型，养护24h后拆模，自然养护28天；
(3)以步骤(2)制备的半8字型混凝土块侧面当做待修复路面，在其表面喷涂质量比为5:3的环氧乙烯基树脂、固化剂混合料(喷涂厚度1cm)后，置于8字型模具中，在半8字型混凝土块侧面表面填补同体积、同结构的实施例1的修复料，具体填补过程为：修复料和半8字型混凝土块均预热至40℃，修复料按照1:3体积比分为A和B两份，A份中加入促进剂(环氧乙烯基树脂、促进剂质量比1:1)混匀后填补进8字型模具中和半8字型混凝土块(喷涂环氧乙烯基树脂一侧)接触的一侧；然后填补B修补料，蒸汽养护5h后常温养护28天得到实验样块；
(4)实验样块置于恒温恒湿试验机中，设置环境温度60℃、98％湿度下静置21天后使用在电子万能试验机，在2mm/min的实验速率下匀速拉伸试样直到断裂，测定粘结强度。结果显示，粘结强度为3.15MPa，破坏形式为混凝土破坏，粘合层未断裂；
(5)实验样块置于高低温试验箱中，进行冷热循环，具体的，温度70℃环境中12h，-5℃环境中12h为一个循环，循环15次后使用在电子万能试验机，在2mm/min的实验速率下匀速拉伸试样直到断裂，测定粘结强度为2.82MPa，破坏形式为混凝土破坏，粘合层未断裂。
应用例2
同应用例1，区别在于：
步骤(3)中，以步骤(2)制备的半8字型混凝土块侧面当做待修复路面，置于8字型模具中，在半8字型混凝土块侧面表面填补同体积、同结构的实施例1的修复料，蒸汽养护5h后常温养护28天得到实验样块；
采用应用例1中步骤(4)和步骤(5)的实验方法验证湿热老化21天后，粘结强度为2.85MPa，破坏形式为混凝土破坏，粘合层未断裂；15个冷热循环后，粘结强度2.54MPa，破坏形式为混凝土破坏，粘合层未断裂。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高性能透水混凝土快速修补料，其特征在于，质量份数计，原料包括以下组分：偏高岭土12～18份、矿粉14～20份、石英砂12～15份、石子100～110份、纳米碳酸钙0.12～0.15份、碳酸钙晶须2～5份、硅酸钠8～12份、氯化钙0.25～0.45份、硫酸钠0.1～0.2份、亚硝酸钠0.05～0.1份、三乙醇胺0.03～0.06份、三氧化二铝0.05～0.08份、水13～15份；
所述偏高岭土平均粒径5～10um，比表面积不低于750m2/kg；所述矿粉平均粒径10～15um，比表面积不低于525m2/kg；所述石英砂平均粒径630um，连续级配；所述石子为玄武岩材质，4.75mm～9.5mm粒径，连续级配；所述碳酸钙晶须为文石型，直径1～2um，长度20～30um；所述硅酸钠为粉剂，模数为1；所述纳米碳酸钙平均粒径为10～100nm。
2.一种根据权利要求1所述的高性能透水混凝土快速修补料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
氯化钙、硫酸钠、亚硝酸钠、三乙醇胺、三氧化二铝、水1～2份混合搅拌得材料A；
偏高岭土、矿粉、硅酸钠、碳酸钙晶须、纳米碳酸钙、水11～13份，混合搅拌得材料B；
石英砂、石子和材料A、材料B混合搅拌得所述的高性能透水混凝土快速修补料。
3.一种根据权利要求1所述的高性能透水混凝土快速修补料在道路修补中的应用。
4.根据权利要求3所述的高性能透水混凝土快速修补料在道路修补中的应用，其特征在于，所述道路为重载透水道路。
5.一种道路修补方法，其特征在于，使用权利要求1所述的高性能透水混凝土快速修补料进行道路修补。
6.根据权利要求5所述的道路修补方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对待修补路面进行基面处理，去除表面脏污浮尘；
(2)在经过步骤(1)处理后的修补路面表层喷涂环氧乙烯基树脂和固化剂混合料；
(3)将权利要求1-2任一项所述的高性能透水混凝土快速修补料按照总使用量分为A、B两份，A份和促进剂混合后填补在修补路面内层，B份填补在A份填补料上层，养护3h-28天。
7.根据权利要求6所述的道路修补方法，其特征在于，所述步骤(1)中还包括对基面不平整处进行打磨；所述步骤(2)中环氧乙烯基树脂和固化剂混合料中环氧乙烯基树脂和固化剂的质量比为5：(1-3)，喷涂厚度为0.5-1cm。
8.根据权利要求6所述的道路修补方法，其特征在于，所述步骤(3)中，A、B两份体积比为1：(3-5)；促进剂和环氧乙烯基树脂的质量比为(4-5)：5。
9.根据权利要求6所述的道路修补方法，其特征在于，所述步骤(3)中高性能透水混凝土快速修补料在进行填补前预热至30-60℃，所述养护具体为蒸汽养护3-5h后常温养护。
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