CN112079594A - 一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆及其制备方法，由A、B两种组份制成,所述A组份以工业固体废弃物作为主要原料，由矿粉、偏高岭土、粉煤灰、级配砂、钢纤维或高弹模有机纤维混合得到，所述B组份为复合碱性激发剂，由水玻璃、氢氧化钠和水混合制备得到，将A、B两种组份按重量份数均匀混合搅拌后即得产品。与现有技术相比，本发明比现有的结构修补材料，粘接强度高、体积稳定性好，还具有取材方便、制备工艺简单、原材料无毒性及材料成本低、耐久性良好等优点。生产制备工艺简单、施工方便、性价比优越。使用了相当比例的工业固体废弃物，不仅降低了制备成本还有利于保护环境。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，尤其涉及一种混凝土 结构修补用地质聚合物高强砂浆及其制备方法。
背景技术
施工工艺、自然环境、混凝土配合比等因素均可能会导致服役前或服役中 的混凝土结构出现不同程度的破损，为了不影响混凝土结构的服役寿命，现代 混凝土修补技术就要求所用材料必须满足以下要求：凝结硬化快、早期强度高、 界面粘结性能好、体积稳定性好、后期力学性能稳定及良好的和易性。
目前，施工中常用的修补受损混凝土结构的方法有：在破损结构表面浇筑 一层细石混凝土；在破损结构表面安装钢丝网，然后涂抹聚合物改性水泥砂浆； 粘贴钢板或碳纤维布等。由此看出，现有的修补方法中所使用的材料均以水泥 基材料为主，其中包括有机聚合物改性的水泥基材料。众所周知，硅酸盐水泥 在生产过程中不仅会消耗大量的非再生资源和能量，而且会排放出大量温室气 体使大气环境恶化。除此之外，传统的细石混凝土制作成本低，施工简便，但 凝结硬化慢，早期强度低，新旧材料粘接性差；聚合物改性水泥砂浆作为修补 材料，虽然保证了新旧材料粘接性能且凝结硬化快，但常用的有机改性材料(如 环氧树脂类)易老化且不稳定，在使用过程中还会释放有毒物质。
地质聚合物主要是采用天然矿物、固体废弃物或以有机或无机硅铝化合物 为原料制备的，由硅氧四面体与铝氧四面体交互连接形成的三维网络凝胶体。 地质聚合物胶凝材料通常以工业固体废弃物为主要原材料，其常温常压制造过 程中的能耗和“三废”排放量都很低，是一种制作简单且低能耗低污染的绿色 环保新型胶凝材料。制备地质聚合物胶凝材料可为炼钢、煤炭、电力等企业解 决大量固体废弃物排放、堆放占用场地以及污染问题。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决了上述问题，弥补传统结构修补材料性 能的不足，提供一种制作工艺简单、成本低廉的混凝土结构修补材料的制备方 法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种混凝土结构修补用地 质聚合物高强砂浆，由A、B两种组份制成,
按重量份数计，所述A组份以工业固体废弃物作为主要原料，由以下材料 均匀混合制备得到，矿粉：0.09-0.19份、偏高岭土：0.02-0.08份、粉煤灰： 0.02-0.04份、级配砂：0.5-0.8份、钢纤维或高弹模有机纤维：0.00-0.04份；
按重量份数计，所述B组份为复合碱性激发剂，由水玻璃、氢氧化钠和水 三者混合制备得到，其中，水玻璃：0.1-0.3份、氢氧化钠：0.01-0.03份、水： 0.01-0.03份。
作为优选，所述A组份由矿粉0.14份、偏高岭土0.04份、粉煤灰0.03份、 级配砂0.65份、钢纤维0.03份均匀混合制成，所述B组份由水玻璃0.12份、 氢氧化钠0.02份、水0.01份三者混合制成。
作为优选，所述的矿粉的等级不低于S95级，比表面积不低于400m2/kg， 其化学成分中SiO2与Al2O3的质量比范围为1.7-2.0。
作为优选，所述的粉煤灰的等级不低于II级，其化学成分中SiO2与Al2O3的质量比范围为1.5-1.7。
作为优选，所述的偏高岭土细度不低于1200目，在800～1000℃温度区间 煅烧适当时间，其化学成分中SiO2与Al2O3的质量比范围为1.1-1.3。
作为优选，所述的级配砂为天然河砂或人工砂，其粒径不大于2.36mm，洗 净，含水率不大于0.1％。
作为优选，所述的钢纤维为镀铜钢纤维，其直径不大于0.2mm，长度不大于 13mm，抗拉强度大于2000MPa。
作为优选，所述的高弹模有机纤维为单丝直径12μm，长度13mm，抗拉强 度1600MPa，弹性模量>41GPa。
作为优选，所述的水玻璃，即液体硅酸钠，模数为2.8-3.2，其中模数是硅 酸钠中SiO2与Al2O3的摩尔比。
作为优选，所述的氢氧化钠为工业级，用于调整水玻璃模数。
作为优选，所述的B组份为复合碱性激发剂，由水玻璃(硅酸钠)、氢氧化 钠和水在常温下混合制成。
一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆的制备方法，将所述混凝土结 构修补用地质聚合物高强砂浆中A、B两种组份按重量份数均匀混合搅拌后，即 得产品。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明配制的混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，其性能指标如 下：凝结时间≥15min,常温标准养护下，6h抗压强度≥30MPa，抗折强度≥5MPa， 3d抗压强度≥60Mpa，抗折强度≥6MPa，7d粘接强度≥1.6MPa。
(2)本发明配制的混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，相比现有的结 构修补材料，粘接强度高、体积稳定性好，还具有取材方便、制备工艺简单、 原材料无毒性及材料成本低、耐久性良好等优点。
(3)本发明提供的混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆的生产制备工艺 简单、施工方便、性价比优越。
(4)本发明配制的混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆使用了相当比例 的工业固体废弃物，不仅降低了制备成本还有利于保护环境。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
本发明提出的混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，在制备该浆体所需 原料不仅解决了大量固体废弃物排放、堆放及其污染等问题，还可以降低制备 成本,同时还能进一步降低二氧化碳排放量，以达到绿色环保的目的。除此之外， 该地质聚合物高强砂浆具有很高的强度，凝结硬化快，界面粘结性能好，很好 的韧性及较高的变形能力等特点。将其用于混凝土结构修补材料，由于其制备 简单、施工方便以及力学性能优越，可以使混凝土结构很快恢复使用功能，同 时也为工业固体废弃物的回收再利用提供了一条新途径。
本发明利用大量固体废弃物来制备混凝土结构用修补材料，制得的地质聚 合物高强修补砂浆具有施工工艺简便，强度高，凝结硬化快，界面粘结性能好， 具有很好的韧性及较高的变形能力，其综合修复性能较传统的细石混凝土或聚 合物改性水泥砂浆更加突出，而且在减少修补材料制备成本的同时，可以进一 步降低二氧化碳排放量，以达到绿色环保的目的。
具体方案如下:
一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，由A、B两种组份制成,
按重量份数计，所述A组份以工业固体废弃物作为主要原料，由以下材料 均匀混合制备得到，矿粉：0.09-0.19份、偏高岭土：0.02-0.08份、粉煤灰： 0.02-0.04份、级配砂：0.5-0.8份、钢纤维或高弹模有机纤维：0.00-0.04份；
按重量份数计，所述B组份为复合碱性激发剂，由水玻璃、氢氧化钠和水 三者混合制备得到，其中，水玻璃：0.1-0.3份、氢氧化钠：0.01-0.03份、水： 0.01-0.03份。
最优配比方案，所述A组份由矿粉0.14份、偏高岭土0.04份、粉煤灰0.03 份、级配砂0.65份、钢纤维0.03份均匀混合制成，所述B组份由水玻璃0.12 份、氢氧化钠0.02份、水0.01份三者混合制成。相较于传统硅酸盐水泥基修 补砂浆，以此配比制备得到的高强修补砂浆力学性能、界面粘接性能、经济性 更加突出，属于环境友好型高强修补材料，其6h抗压强度可达33.4MPa，1d抗 压强度可达52.2MPa，3d抗压强度可达75.8Mpa，7d粘接强度可达1.73MPa。
所述的矿粉需符合GB/T 18046-2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高 炉矿渣粉》，其等级为S95级，比表面积不低于400m2/kg，其化学成分中SiO2与Al2O3的质量比范围为1.7-2.0。
所述的粉煤灰需符合GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，其 等级不低于II级，其化学成分中SiO2与Al2O3的质量比范围为1.5-1.7。
所述的偏高岭土细度1200目，在800～1000℃温度区间煅烧适当时间，其 化学成分中SiO2与Al2O3的质量比范围为1.1-1.3，此时偏高岭土活性较高。
所述的级配砂为天然河砂或人工砂，需符合GB/T 14684-2011《建设用砂》， 其粒径不大于2.36mm，洗净，含水率不大于0.1％，避免引入多余水分而降低砂 浆强度。
所述的钢纤维为镀铜钢纤维，其直径0.2mm，长度13mm，抗拉强度2000MPa。
所述的高弹模有机纤维需符合GB/T 21120-2018《水泥混凝土和砂浆用合成 纤维》，其单丝直径12μm，长度13mm，抗拉强度1600MPa，弹性模量>41GPa。
所述的水玻璃，即液体硅酸钠，模数为2.8-3.2，其中模数是硅酸钠中SiO2与Al2O3的摩尔比。所述的氢氧化钠为工业级，用于调整水玻璃模数。
所述的B组份为复合碱性激发剂，由水玻璃(硅酸钠)、氢氧化钠和水在常 温下混合制成。
制备使用方法:将所述混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆中A、B两种 组份按重量份数均匀混合搅拌后，即得产品。
使用时，只需要在常温下，将A、B两种组分常温混合修补即可，无需在破 损结构表面浇筑一层细石混凝土；也无需在破损结构表面安装钢丝网，也无需 粘贴钢板或碳纤维布等，直接涂本发明的地质聚合物高强砂浆即可，使用十分 方便快捷。
实施例1
一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，由A、B两种组份制成，按重 量份数计，A组份以工业固体废弃物作为主要原料，由以下材料均匀混合制备得 到：矿粉(S95级，比表面积410m2/kg，SiO2与Al2O3的质量比1.8)：0.17份、 偏高岭土(细度1250目，在850～950℃温度区间煅烧，SiO2与Al2O3的质量比 1.1)：0.04份、级配砂(天然河砂或人工砂，其粒径不大于2.36mm，洗净，含 水率不大于0.1％)：0.65份、钢纤维(镀铜钢纤维，其直径不大于0.2mm，长度 不大于13mm，抗拉强度大于2000MPa)：0.03份。
B组份为复合碱性激发剂，由水玻璃、氢氧化钠和水三者混合制备得到，其 中，水玻璃(模数3.18)：0.12份、氢氧化钠(工业级，片剂)：0.02份、水：0.01份。
一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆的制备方法，包括以下步骤： 将所述耐高温地质聚合物无机胶粘剂中A、B两种组份按重量份数均匀混合搅拌 后，即得产品。
实施例2
一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，由A、B两种组份制成，按重 量份数计，A组份以工业固体废弃物作为主要原料，由以下材料均匀混合制备得 到：矿粉(S95级，比表面积410m2/kg，SiO2与Al2O3的质量比1.8)：0.15份、 偏高岭土(细度1250目，在850～950℃温度区间煅烧，SiO2与Al2O3的质量比 1.1)：0.06份、级配砂(天然河砂或人工砂，其粒径不大于2.36mm，洗净，含 水率不大于0.1％)：0.65份、有机纤维(PVA纤维，单丝直径12μm，长度13mm， 抗拉强度1600MPa，弹性模量>41GPa)：0.01份。
B组份为复合碱性激发剂，由水玻璃、氢氧化钠和水三者混合制备得到，其 中，水玻璃(模数3.18)：0.12份、氢氧化钠(工业级，片剂)：0.02份、水： 0.01份。
一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆的制备方法，包括以下步骤： 将所述耐高温地质聚合物无机胶粘剂中A、B两种组份按重量份数均匀混合搅拌 后，即得产品。
实施例3
一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，由A、B两种组份制成，按重 量份数计，A组份以工业固体废弃物作为主要原料，由以下材料均匀混合制备得 到：矿粉(S95级，比表面积410m2/kg，SiO2与Al2O3的质量比1.8)：0.14份、 偏高岭土(细度1250目，在800～900℃温度区间煅烧，SiO2与Al2O3的质量比1.1)：0.04份、粉煤灰(I级，SiO2与Al2O3的质量比1.6)：0.03份、级配砂 (天然河砂或人工砂，其粒径不大于2.36mm，洗净，含水率不大于0.1％)：0.65 份、混杂纤维(镀铜钢纤维，其直径不大于0.2mm，长度不大于13mm，抗拉强 度大于1000MPa，0.03份；PVA纤维，单丝直径12μm，长度13mm，抗拉强度 1600MPa，弹性模量>41GPa，0.005份)。
B组份为复合碱性激发剂，由水玻璃、氢氧化钠和水三者混合制备得到，其 中，水玻璃(模数3.18)：0.12份、氢氧化钠(工业级，片剂)：0.02份、水： 0.01份。
一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆的制备方法，包括以下步骤： 将所述耐高温地质聚合物无机胶粘剂中A、B两种组份按重量份数均匀混合搅拌 后，即得产品。
实施例4
一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，由A、B两种组份制成，按重 量份数计，A组份以工业固体废弃物作为主要原料，由以下材料均匀混合制备得 到：矿粉(S95级，比表面积410m2/kg，SiO2与Al2O3的质量比1.8)：0.12份、 偏高岭土(细度1250目，在900～1000℃温度区间煅烧，SiO2与Al2O3的质量比 1.1)：0.06份、粉煤灰(I级，SiO2与Al2O3的质量比1.6)：0.03份、级配砂 (天然河砂或人工砂，其粒径不大于2.36mm，洗净，含水率不大于0.1％)：0.65 份、混杂纤维(镀铜钢纤维，其直径不大于0.2mm，长度不大于13mm，抗拉强 度大于2000MPa，0.02份；PVA纤维，单丝直径12μm，长度13mm，抗拉强度 1600MPa，弹性模量>41GPa，0.01份)：。
B组份为复合碱性激发剂，由水玻璃、氢氧化钠和水三者混合制备得到，其 中，水玻璃(模数3.18)：0.12份、氢氧化钠(工业级，片剂)：0.02份、水：0.01份。
一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆的制备方法，包括以下步骤： 将所述耐高温地质聚合物无机胶粘剂中A、B两种组份按重量份数均匀混合搅拌 后，即得产品。
将实施例1-4所得混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆进行力学性能测 试，具体测试方法参考JGJ/70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》,测试结果 如表1所示：
表1：力学性能测试结果
| 试件编号 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 6h抗压强度/MPa | 33.6 | 33.2 | 33.4 | 30.5 |
| 1d抗压强度/MPa | 44.9 | 45.6 | 52.2 | 49.3 |
| 3d抗压强度/MPa | 71.0 | 69.1 | 75.8 | 68.0 |
| 7d粘接强度/MPa | 1.68 | 1.72 | 1.73 | 1.75 |
从上述数据对比可知，本发明所得混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆 具有优异的力学性能和界面粘接性能，而且各实施例的体积稳定性好，收缩率 小。
以上对本发明所提供的一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆及其制 备方法进行了详尽介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进 行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想； 同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应 用范围上均会有改变之处，对本发明的变更和改进将是可能的，而不会超出附 加权利要求所规定的构思和范围，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发 明的限制。
Claims (10)
1.一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，其特征在于：由A、B两种组份制成,
按重量份数计，所述A组份以工业固体废弃物作为主要原料，由以下材料均匀混合制备得到，矿粉：0.09-0.19份、偏高岭土：0.02-0.08份、粉煤灰：0.02-0.04份、级配砂：0.5-0.8份、钢纤维或高弹模有机纤维：0.00-0.04份；
按重量份数计，所述B组份为复合碱性激发剂，由水玻璃、氢氧化钠和水三者混合制备得到，其中，水玻璃：0.1-0.3份、氢氧化钠：0.01-0.03份、水：0.01-0.03份。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，其特征在于：所述A组份由矿粉0.14份、偏高岭土0.04份、粉煤灰0.03份、级配砂0.65份、钢纤维0.03份均匀混合制成，所述B组份由水玻璃0.12份、氢氧化钠0.02份、水0.01份三者混合制成。
3.根据权利要求1或2所述的一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，其特征在于：所述的矿粉为S95级，比表面积不低于400m2/kg，其化学成分中SiO2与Al2O3的质量比范围为1.7-2.0。
4.根据权利要求1或2所述的一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，其特征在于：所述的粉煤灰的等级不低于II级，其化学成分中SiO2与Al2O3的质量比范围为1.5-1.7。
5.根据权利要求1或2所述的一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，其特征在于，所述的偏高岭土细度1200目，在800～1000℃温度区间煅烧适当时间，其化学成分中SiO2与Al2O3的质量比范围为1.1-1.3。
6.根据权利要求1或2所述的一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，其特征在于：所述的级配砂为天然河砂或人工砂，其粒径不大于2.36mm，洗净，含水率不大于0.1％。
7.根据权利要求1或2所述的一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，其特征在于：所述的钢纤维为镀铜钢纤维直径0.2mm，长度13mm，抗拉强度于2000MPa。
8.根据权利要求1或2所述的一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，其特征在于：所述的高弹模有机纤维为单丝直径12μm，长度13mm，抗拉强度1600MPa，弹性模量>41GPa。
9.根据权利要求1或2所述的一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆，其特征在于：所述的水玻璃，即液体硅酸钠，模数为2.8-3.2，其中模数是硅酸钠中SiO2与Al2O3的摩尔比。
10.根据权利要求1或2所述的一种混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆的制备方法，其特征在于：将所述混凝土结构修补用地质聚合物高强砂浆中A、B两种组份按重量份数均匀混合搅拌后，即得产品。
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