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CN110498649A - 一种低收缩水泥基修复材料及其制备方法 - Google Patents

一种低收缩水泥基修复材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低收缩水泥基修复材料及其制备方法。所述水泥基修复材料包含以下重量份的物质：水泥32‑42份，粉煤灰27‑47份，硅灰10‑14份，膨胀剂10‑18份，细集料28‑32份，水18‑24份，聚羧酸系减水剂0.40‑0.85份，聚乙烯醇纤维1.5‑2份。所述制备方法包含以下步骤：a、按重量配比将水泥、粉煤灰、硅灰、膨胀剂和细集料以120‑140r/min的转速干搅拌2‑6min；b、再缓慢加入80‑85wt％的聚羧酸系减水剂和水，以120‑140r/min的转速搅拌4‑8min，形成均匀浆体；c、加入预分散的聚乙烯醇纤维，以280‑300r/min的转速搅拌3‑5min；d、加入剩余15‑20wt％的聚羧酸系减水剂和水，以280‑300r/min的转速湿搅拌3‑7min。本发明的水泥基修复材料的抗压强度满足C40设计强度要求，高延性，低收缩，高抗氯离子。

Description

一种低收缩水泥基修复材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及纤维增强材料领域，具体为一种低收缩水泥基修复材料及其制备方法。
背景技术
水泥基材料是土木工程领域应用最为广泛的建筑材料之一，但由于传统水泥基材料存在抗拉强度低、韧性差、易开裂、开裂后裂缝宽度难以控制且氯离子易侵入等固有缺点，其发展受到了一定程度的限制。鉴于传统材料的缺陷，一种新的水泥基材料—工程纤维增强水泥基复合材料(ECC)逐步得到应用。该材料是一种具有应变硬化和多缝开裂机制的纤维增强水泥基复合材料，其极限拉伸应变可达3％以上，并具有优越的抗冲击性能、抗渗透性能、抗冻性能、耐腐蚀性能、耐湿热老化性能、自愈合性能等。然而，与混凝土等水泥基材料相比，ECC存在干燥收缩过大的问题，尽管ECC有效限制了裂缝宽度，但干缩过大会导致ECC与其它材料协同工作性能的降低，影响了ECC材料的推广与应用。而且，氯离子渗透进水泥基材料后造成钢筋锈蚀、水泥基开裂，影响结构的力学性能与耐久性能。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种延性好、抗氯离子性好的低收缩水泥基修复材料及，本发明目的是提供一种成本不高、操作简单的低收缩水泥基修复材料的制备方法。
技术方案：本发明所述的一种低收缩水泥基修复材料，包含以下重量份的物质：水泥32-42份，粉煤灰27-47份，硅灰10-14份，膨胀剂10-18份，细集料28-32份，水18-24份，聚羧酸系减水剂0.40-0.85份，聚乙烯醇纤维1.5-2份。
优选地，水泥32-35份，粉煤灰40-47份，硅灰12-14份，其延性好、抗氯离子性好、低收缩。
其中，水泥是P.II.42.5硅酸盐水泥。粉煤灰是I级粉煤灰。硅灰的烧失量小于6％，其中二氧化硅含量大于85％、比表面积大于15000m2/kg。膨胀剂是水中7d限制膨胀率大于等于0.03％、碱含量小于等于0.5％的低碱型混凝土膨胀剂。细集料是80-100目石英砂。聚乙烯醇纤维的密度1.3g/cm3，极限抗拉强度大于等于1200MPa，极限延伸率大于等于8％，弹性模量36-40GPa。
上述低收缩水泥基修复材料的制备方法，包含以下步骤：
a、按重量配比将水泥、粉煤灰、硅灰、膨胀剂和细集料以120-140r/min的转速干搅拌2-6min；
b、再缓慢加入80-85wt％的聚羧酸系减水剂和水，以120-140r/min的转速搅拌4-8min，形成均匀浆体；
c、将成股结团的聚乙烯醇纤维分散为单根纤维，加入预分散的聚乙烯醇纤维，以280-300r/min的转速搅拌3-5min；
d、加入剩余15-20wt％的聚羧酸系减水剂和水，以280-300r/min的转速湿搅拌3-7min，搅拌均匀即得低收缩水泥基修复材料。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、水泥基修复材料的抗压强度满足C40设计强度要求，高延性，低收缩，高抗氯离子；
2、用硅灰代替部分粉煤灰，优化颗粒级配，改善浆体工作性能，有利于纤维分散均匀；
3、用膨胀剂代替部分胶凝材料，减少干燥收缩；
4、用国产聚乙烯醇纤维代替进口聚乙醇纤维，降低材料成本；
5、水泥基修复材料与被修复材料间有良好的界面黏结能力，在简化修复过程的同时提高修复质量。
附图说明
图1是本发明的单轴拉伸试验应力-应变曲线图；
图2是本发明的干燥收缩值随龄期变化曲线。
具体实施方式
以下各实施例中所用的水泥是P.II.42.5硅酸盐水泥，粉煤灰是I级粉煤灰，硅灰的烧失量小于6％、二氧化硅含量大于85％、比表面积大于15000m2/kg，膨胀剂是水中7d限制膨胀率不小于0.03％、碱含量不大于0.5％的低碱型混凝土膨胀剂，细集料是80-100目石英砂，聚乙烯醇纤维是密度1.3g/cm3、长度12mm、直径38μm、极限抗拉强度不小于1200MPa、极限延伸率不小于8％、弹性模量38.0GPa的聚乙烯醇短切纤维。
以下各实施例所制得的试样的养护制度为：
用于单轴拉伸试验的试件在标准养护室(温度20±2℃、相对湿度≥90％)中带模养护1d后脱模，放入标准养护室养护至28d测试。
用于干燥收缩性能试验的试件在标准养护室(温度20±2℃、相对湿度≥90％)中带模养护1d后脱模，放入水中(温度20±2℃)养护至7d，再转入养护箱(温度20±2℃、相对湿度60±5％)中养护至90d。
用于抗氯离子渗透试验(快速氯离子迁移系数法)的试件在标准养护室(温度20±2℃、相对湿度≥90％)中带模养护1d后脱模，放入水中(温度20±2℃)养护至21d切割成形，放入水中养护至28d测试。
用于立方体抗压强度试验的试件在标准养护室(温度20±2℃、相对湿度≥90％)中带模养护1d后脱模，放入标准养护室养护至28d测试。
实施例1
低收缩水泥基修复材料按重量份数包括以下组分：水泥32份，粉煤灰40份，硅灰14份，膨胀剂10份，细集料30份，水20份；聚羧酸系减水剂掺量为水泥、粉煤灰、硅灰和膨胀剂总质量的0.7％，以水泥、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、细集料、水和聚羧酸系减水剂混合均匀后的总体积为基数，聚乙烯醇纤维的体积掺量为1.5％。
具体制备方法为：
(1)将水泥、粉煤灰、硅灰、膨胀剂和细集料以140r/min的转速干搅拌2min，再缓慢加入85％溶有全部聚羧酸系减水剂的水，以140r/min的转速湿搅拌4min；
(2)形成均匀浆体后加入预分散的聚乙烯醇纤维，以280r/min的转速湿搅拌3min；
(3)纤维分散均匀后加入剩余15％上述溶有全部聚羧酸系减水剂的水，以280r/min的转速湿搅拌3min；
(4)搅拌均匀即得高延性低收缩高抗氯离子水泥基修复材料。
实施例2
本实施例的制备方法与实施例1相同，区别仅仅在于组分的不同：水泥39份，粉煤灰27份，硅灰13份，膨胀剂14份，细集料28份，水24份；聚羧酸系减水剂掺量为水泥、粉煤灰、硅灰和膨胀剂总质量的0.6％，以水泥、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、细集料、水和聚羧酸系减水剂混合均匀后的总体积为基数，聚乙烯醇纤维的体积掺量为2.0％。
实施例3
本实施例的制备方法与实施例1相同，区别仅仅在于组分的不同：水泥42份，粉煤灰34份，硅灰10份，膨胀剂16份，细集料32份，水18份；聚羧酸系减水剂掺量为水泥、粉煤灰、硅灰和膨胀剂总质量的0.6％，以水泥、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、细集料、水和聚羧酸系减水剂混合均匀后的总体积为基数，聚乙烯醇纤维的体积掺量为2.0％。
实施例4
本实施例的制备方法与实施例1相同，区别仅仅在于组分的不同：水泥35份，粉煤灰47份，硅灰12份，膨胀剂18份，细集料30份，水22份；聚羧酸系减水剂掺量为水泥、粉煤灰、硅灰和膨胀剂总质量的0.5％，以水泥、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、细集料、水和聚羧酸系减水剂混合均匀后的总体积为基数，聚乙烯醇纤维的体积掺量为1.7％。
实施例5
低收缩水泥基修复材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)将32份水泥、27份粉煤灰、10份硅灰、10份膨胀剂和28份细集料以120r/min的转速干搅拌2min；
(2)将0.40份聚羧酸系减水剂溶解于18份水，向步骤(1)所得物中缓慢加入80wt％的减水剂和水，以120r/min的转速搅拌4min，形成均匀浆体；
(3)将成股结团的聚乙烯醇纤维分散为单根纤维，加入预分散的聚乙烯醇纤维到步骤(2)所得物中，以280r/min的转速搅拌3min；
(4)继续加入剩余20wt％的减水剂和水，以280r/min的转速湿搅拌3min，搅拌均匀即得低收缩水泥基修复材料。
实施例6
低收缩水泥基修复材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)将42份水泥、47份粉煤灰、14份硅灰、18份膨胀剂和32份细集料以140r/min的转速干搅拌6min；
(2)将0.85份聚羧酸系减水剂溶解于24份水，向步骤(1)所得物中缓慢加入85wt％的减水剂和水，以140r/min的转速搅拌8min，形成均匀浆体；
(3)将成股结团的聚乙烯醇纤维分散为单根纤维，加入预分散的聚乙烯醇纤维到步骤(2)所得物中，以300r/min的转速搅拌5min；
(4)继续加入剩余15wt％的减水剂和水，以300r/min的转速湿搅拌7min，搅拌均匀即得低收缩水泥基修复材料。
实施例7
低收缩水泥基修复材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)将37份水泥、37份粉煤灰、12份硅灰、14份膨胀剂和30份细集料以130r/min的转速干搅拌4min；
(2)将0.65份聚羧酸系减水剂溶解于21份水，向步骤(1)所得物中缓慢加入83wt％的减水剂和水，以130r/min的转速搅拌6min，形成均匀浆体；
(3)将成股结团的聚乙烯醇纤维分散为单根纤维，加入预分散的聚乙烯醇纤维到步骤(2)所得物中，以290r/min的转速搅拌4min；
(4)继续加入剩余17wt％的减水剂和水，以290r/min的转速湿搅拌5min，搅拌均匀即得低收缩水泥基修复材料。
对比例1
水泥基修复材料包括：水泥39份，粉煤灰27份，硅灰13份，膨胀剂0份，细集料28份水24份；聚羧酸系减水剂掺量为水泥、粉煤灰、硅灰和膨胀剂总质量的0.6％，以水泥、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、细集料、水和聚羧酸系减水剂混合均匀后的总体积为基数，聚乙烯醇纤维的体积掺量为2.0％。制备方法、养护方法与实施例1相同。
对比例2
水泥基修复材料包括：水泥39份，粉煤灰27份，硅灰0份，膨胀剂14份，细集料28份水24份；聚羧酸系减水剂掺量为水泥、粉煤灰、硅灰和膨胀剂总质量的0.6％，以水泥、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、细集料、水和聚羧酸系减水剂混合均匀后的总体积为基数，聚乙烯醇纤维的体积掺量为2.0％。制备方法、养护方法与实施例1相同。
将对按实施例1～4及对比例1～2配合比、制备方法和养护制度而成型的哑铃型试件，参照JC/T 2461-2018《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》进行单轴拉伸试验，测28d龄期的延性和抗拉强度。实施例1～4及对比例1～2的单轴拉伸试验应力-应变曲线如图1所示，具体单轴拉伸延性及强度值见表1。
对按实施例1～4及对比例1～2配合比、制备方法和养护制度而成型的40mm×40mm×160mm试件，参照GB/T 29417-2012《水泥砂浆和混凝土干燥收缩开裂性能试验方法》进行干燥收缩性能试验，测90d龄期内的干燥收缩值。实施例1～4及对比例1～2的干燥收缩值随龄期的变化曲线如图2所示，具体干燥收缩值见表1。
对按实施例1～4及对比例1～2配合比、制备方法和养护制度而成型的φ100mm×50mm试件，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》进行抗氯离子渗透试验(快速氯离子迁移系数法)，测28d龄期的非稳态氯离子迁移系数。实施例1～4及对比例1～2的具体非稳态氯离子迁移系数见表1。
对按实施例1～4及对比例1～2配合比、制备方法和养护制度而成型的100mm立方体试件，参照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行立方体抗压强度试验，测28d龄期的立方体抗压强度。实施例1～4及对比例1～2的具体立方体抗压强度值见表1。
表1水泥基修复材料的性能参数对比：
由表1可以看出：实施例1～4的单轴拉伸延性均不低于4％、单轴拉伸强度均不低于6MPa，且多缝开裂和应变硬化现象明显，即所制备的水泥基修复材料是一种高延性水泥基修复材料。实施例1～4的干燥收缩值在20d测试龄期时趋于稳定，90d测试龄期时均不大于400με，低于传统工程纤维增强水泥基材料的1200-1800με，也低于普通混凝土的500-900με，即所制备的水泥基修复材料也是一种高延性低收缩水泥基修复材料。实施例1～4的非稳态氯离子迁移系数均不大于1.5，即所制备的水泥基修复材料也是一种高延性低收缩高抗氯离子水泥基修复材料。

Claims (10)

1.一种低收缩水泥基修复材料，其特征在于包含以下重量份的物质：水泥32-42份，粉煤灰27-47份，硅灰10-14份，膨胀剂10-18份，细集料28-32份，水18-24份，聚羧酸系减水剂0.40-0.85份，聚乙烯醇纤维1.5-2份。
2.根据权利要求1所述的一种低收缩水泥基修复材料，其特征在于：水泥32-35份，粉煤灰40-47份，硅灰12-14份。
3.根据权利要求1所述的一种低收缩水泥基修复材料，其特征在于：所述水泥是P.II.42.5硅酸盐水泥。
4.根据权利要求1所述的一种低收缩水泥基修复材料，其特征在于：所述粉煤灰是I级粉煤灰。
5.根据权利要求1所述的一种低收缩水泥基修复材料，其特征在于：所述硅灰的烧失量小于6％，其中二氧化硅含量大于85％、比表面积大于15000m2/kg。
6.根据权利要求1所述的一种低收缩水泥基修复材料，其特征在于：所述膨胀剂是水中7d限制膨胀率大于等于0.03％、碱含量小于等于0.5％的低碱型混凝土膨胀剂。
7.根据权利要求1所述的一种低收缩水泥基修复材料，其特征在于：所述细集料是80-100目石英砂。
8.根据权利要求1所述的一种低收缩水泥基修复材料，其特征在于：所述聚乙烯醇纤维的密度1.3g/cm3，极限抗拉强度大于等于1200MPa，极限延伸率大于等于8％，弹性模量36-40GPa。
9.一种低收缩水泥基修复材料的制备方法，其特征在于包含以下步骤：
(a)按重量配比将水泥、粉煤灰、硅灰、膨胀剂和细集料以120-140r/min的转速干搅拌2-6min；
(b)再缓慢加入80-85wt％的聚羧酸系减水剂和水，以120-140r/min的转速搅拌4-8min，形成均匀浆体；
(c)加入预处理的聚乙烯醇纤维，以280-300r/min的转速搅拌3-5min；
(d)加入剩余15-20wt％的聚羧酸系减水剂和水，以280-300r/min的转速湿搅拌3-7min。
10.根据权利要求9所述的一种低收缩水泥基修复材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(c)中预处理为将成股结团的聚乙烯醇纤维分散为单根纤维。
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