CN104478324A - 一种耐高温的地聚物基加固修补砂浆及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高温的地聚物基加固修补砂浆及其制备方法与应用。制备方法包括以下步骤：将偏高岭土和粉煤灰固体粉末、短切纤维混合，倒入钾水玻璃溶液，搅拌后加入砂，再搅拌后得到产品；各组分按质量计为偏高岭土和粉煤灰固体粉末100份，钾水玻璃溶液90-130份，砂300-500份，短切纤维0-2份；固体粉末由以下质量百分比计的组分组成：偏高岭土50～80%、粉煤灰20～50%。本发明材料在常温和高温下均具有良好的力学性能，尤其是与普通水泥砂浆、混凝土以及纤维网格等具有较强的粘结能力，常温收缩小，与混凝土热膨胀系数接近，早强，不容易开裂，隔热性能良好，且绿色环保，适合用作混凝土结构的加固修补砂浆。

Description

一种耐高温的地聚物基加固修补砂浆及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种耐高温的地聚物基加固修补砂浆及其制备方法与应用。

背景技术

目前我国有一大批建筑、道路和桥梁结构等由于老化需要进行修补或加固，同时一些新的混凝土结构在浇筑过程中难免会出现孔洞、蜂窝、麻面等缺陷，也需要进行修补。传统的水泥砂浆是最常用的修补加固材料，但水泥砂浆与混凝土面的粘结强度较低，且易干缩开裂。为改进传统水泥砂浆的性能，众多研究者提出在传统水泥砂浆的制作过程中添加可再分散型乳胶粉、膨胀剂、减水剂、木质纤维等成分。这些改进措施在一定程度上能提高水泥砂浆的力学性能，并减少水泥砂浆的干缩，但这些改进的修补加固型砂浆仍然是以水泥为主要胶凝材料的。在水泥生产过程中，需要将石灰石煅烧至1000℃以上，能耗较高，而且会释放出大量的二氧化碳，因此水泥生产被认为是导致全球变暖的主要因素之一。随着人类生存环境的日益恶化，寻求节能环保的水泥替代品，研制非水泥基砂浆是近年来人们共同关注的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种力学性能和高温性能优良的节能环保型砂浆，即地聚物砂浆，以替代水泥基砂浆用于混凝土结构修补或加固。耐高温的地聚物基加固修补砂浆是以地聚物为无机胶凝材料。

本发明的技术方案如下。

一种耐高温的地聚物基加固修补砂浆的制备方法，包括以下步骤：将偏高岭土和粉煤灰固体粉末、短切纤维混合，然后加入冷却的钾水玻璃溶液，手动搅拌，接着在水泥胶砂搅拌机上自动搅拌，再加入砂，自动搅拌，制得地聚物基加固修补砂浆；

所述偏高岭土和粉煤灰固体粉末、钾水玻璃溶液、砂和短切纤维按质量份计其加入量如下：

上述方法中，所述手动搅拌时间为2-3分钟；加入砂前的自动搅拌的搅拌时间为2-3分钟；加入砂后的自动搅拌时间为8-15分钟。

上述方法中，偏高岭土和粉煤灰固体粉末中，偏高岭土的质量百分比占固体粉末总质量的50％～80％，粉煤灰的质量百分比为20％～50％。

上述方法中，所述粉煤灰为低钙粉煤灰。

上述方法中，所述钾水玻璃溶液中钾水玻璃模数为1.0～1.4，质量浓度为35％～40％，且钾水玻璃溶液已自然冷却。钾水玻璃溶液的制备可通过在工业钾水玻璃溶液(硅酸钾溶液)中加入适量的氢氧化钾固体、水来实现。

上述方法中，所述砂为天然河砂，细度模数1.6～3.0。

上述方法中，所述短切纤维为长度3～6mm的短切碳纤维或玄武岩纤维。

本发明所得的地聚物砂浆应用于加固或修补混凝土结构构件。

本发明的原理是：偏高岭土和粉煤灰是富含硅铝的材料，在钾水玻璃的激发下会聚合形成由硅氧四面体和铝氧四面体组成的具有空间三维网络状键接结构的无机胶凝材料，即地聚物。地聚物具有良好的力学性能，能将砂粒包裹和胶结起来，硬化之后形成一个可共同工作的整体。采用偏高领土和粉煤灰的混合物作为原材料来配制地聚物胶凝材料，是同时利用了偏高领土和粉煤灰的优点。纯偏高岭土地聚物的常温性能好，但高温下易开裂，强度退化快；纯粉煤灰地聚物如果采用常温养护，其常温强度偏低，但高温性能较好。另外，粉煤灰是球形颗粒，比表面积小，它的加入可以减少水的用量，并改善地聚物的致密性。因此，由这两种材料混合制备的地聚物胶凝材料同时具有较好的常温和高温性能。掺入短切碳纤维或玄武岩纤维的目的在于增强地聚物砂浆的韧性，减少地聚物砂浆的收缩和开裂。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

采用本发明方法制备出的地聚物砂浆在常温和高温下均具有良好的力学性能，尤其是与普通水泥砂浆、混凝土面和纤维网格等具有较强的粘结能力，常温收缩小，早强，不容易开裂，且隔热性能良好。另外，由于采用地聚物取代传统水泥作为无机胶凝材料，本发明具有良好的环境效益，其生产能耗低，二氧化碳释放量小，且能充分利用工业废弃物。本发明特别适合用作混凝土结构的加固修补砂浆。

附图说明

图1是地聚物砂浆与水泥砂浆以及新旧水泥砂浆高温后的粘结强度对比图；

图2是地聚物砂浆与混凝土以及水泥砂浆与混凝土高温后的粘结强度对比图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1～2

(1)按1：0.29：0.29的质量比例，分别称取工业钾水玻璃溶液(模数为2.4、质量浓度为40％)、片状氢氧化钾(纯度为90％)和自来水若干，将片状氢氧化钾和水加入到钾水玻璃溶液中，调出模数为1.0、质量浓度仍为40％的钾水玻璃溶液，然后静置冷却至室温。

(2)按表1中实施例1、实施例2的配方比例，分别称取山西偏高岭土成品、低钙粉煤灰和短切碳纤维，放入容器中将它们混合在一起，并轻轻搅拌均匀。

(3)按表1中实施例1、实施例2的配方比例，称取步骤(1)已调整好模数并冷却的钾水玻璃溶液。

(4)将步骤(3)的钾水玻璃溶液倒入到步骤(2)的混合物中，手动搅拌3分钟，接着在水泥胶砂搅拌机上自动搅拌3分钟，形成地聚物浆体。

(5)按表1中实施例1、实施例2的配方比例，在步骤(4)所形成的地聚物浆体中加入中砂，然后在水泥胶砂搅拌机上自动搅拌10分钟，制得地聚物砂浆。

(6)将步骤(5)制备的地聚物砂浆浇筑到160mm(长)×40mm(宽)×40mm(高)的三联模具中成型、振实，然后覆盖薄膜，放置到恒温恒湿养护箱中标准养护7天。

(7)按照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》的规定，采用万能材料试验机对步骤(6)制备的部分试件进行常温下的抗折和抗压强度测试。

(8)采用智能高温炉，将步骤(6)制备的另一部分试件进行升温加热，升温速率为5℃/min；当温度分别升至预定温度(100、300、500和700℃)后，保持恒温60min，然后停止加热，自然冷却至室温，接着按照步骤(7)类似的方法，对高温处理后的试件进行抗折和抗压强度测试。步骤(7)和步骤(8)的测试结果如表2所示。

(9)为比较地聚物砂浆与普通水泥砂浆的力学性能，采用R32.5级P.S.B.矿渣硅酸盐水泥制备普通水泥砂浆进行对比试验，水泥砂浆各组分的质量比例为水:水泥：砂＝0.4:1:2.4。按照步骤(6)～(8)类似的方法，制作普通水泥砂浆试件，然后进行常温下和高温后的水泥砂浆抗折和抗压强度测试，测试结果如表2所示。

表1 实施例1～2的地聚物砂浆配比

试件号	偏高岭土(g)	粉煤灰(g)	钾水玻璃(g)	砂(g)	短切碳纤维(g)
						实施例1	50	50	91	310	2
实施例2	50	50	107	428	0

表2 实施例1～2地聚物砂浆的抗折、抗压强度测试结果

实施例3～4

(1)在钾水玻璃溶液中加入适量的片状氢氧化钾和水，按表3中实施例3、实施例4的钾水玻璃模数调制钾水玻璃，然后静置冷却至室温。

(2)按表3中实施例3、实施例4的配方比例，分别称取山西偏高岭土成品和低钙粉煤灰，放入容器中将它们混合在一起，并轻轻搅拌均匀。

(3)按表3中实施例3、实施例4的配方比例，称取步骤(1)已调整好模数并冷却的钾水玻璃溶液。

(4)将步骤(3)的钾水玻璃溶液倒入到步骤(2)的混合物中，手动搅拌3分钟，接着在水泥胶砂搅拌机上自动搅拌3分钟，形成地聚物浆体。

(5)按表3中实施例3、实施例4的配方比例，在步骤(4)所形成的地聚物浆体中加入中砂，然后在水泥胶砂搅拌机上自动搅拌10分钟，制得地聚物砂浆。

(6)将步骤(5)制备的地聚物砂浆注入160mm(长)×40mm(宽)×40mm(高)的三联模具中成型、振实，然后覆盖薄膜，放置到恒温恒湿养护箱中标准养护7天。

(7)按照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》的规定，采用万能材料试验机对步骤(6)制备的试件进行常温下的抗折和抗压强度测试，测试结果如表3所示。

表3 实施例3～4地聚物砂浆的配比及常温抗折和抗压强度

实施例5～15

(1)按照表4中实施例5～15的地聚物砂浆配比，参照实施例1～2中的步骤(1)～(5)，配制地聚物砂浆。

(2)将上述地聚物砂浆浇筑到周壁涂有脱模剂的小“8”字型试模中，然后置于砂浆振动台上振动4分钟，再覆盖薄膜，放置到恒温恒湿养护箱中标准养护7天后取出晾干。

(3)按照DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》的规定，采用万能材料试验机对试件进行拉伸，测试地聚物砂浆抗拉强度，测试结果见表4。

(4)为比较地聚物砂浆与普通水泥砂浆的抗拉强度，采用P.O.32.5普通硅酸盐水泥制备普通水泥砂浆进行对比试验，水泥砂浆各组分的质量比例为水:水泥：砂＝0.45：1：3。按照步骤(2)～(3)类似的方法，制作普通水泥砂浆试件，然后测试普通水泥砂浆的抗拉强度，测试结果亦列入表4中。

表4 实施例5～15地聚物砂浆的配比及抗拉强度

实施例16～17

(1)按照表5中实施例16～17的地聚物砂浆配比，参照实施例1～2中的步骤(1)～(5)，配制地聚物砂浆。

(2)将上述地聚物砂浆浇筑到周壁涂有脱模剂的小“8”字型试模中，然后置于砂浆振动台上振动4分钟，再覆盖薄膜，放置到恒温恒湿养护箱中标准养护7天后取出晾干。

(3)采用智能高温炉，将试件进行升温加热，升温速率为5℃/min；当温度分别升至预定温度(100、300、500和700℃)后，保持恒温60min，然后停止加热，自然冷却至室温；

(4)按照DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》的规定，采用万能材料试验机对试件进行拉伸，测试地聚物砂浆的高温后抗拉强度，测试结果如表5所示。

(5)为比较地聚物砂浆与普通水泥砂浆的高温后抗拉强度，采用P.O.32.5普通硅酸盐水泥制备普通水泥砂浆进行对比试验，水泥砂浆各组分的质量比例为水:水泥：砂＝0.45：1：3。按照步骤(2)～(4)类似的方法，制作普通水泥砂浆试件，然后分别加热至300℃和700℃，恒温60min后冷却，测试普通水泥砂浆的高温后抗拉强度，测试结果亦列入表5中。

表5 实施例16～17地聚物砂浆配比及高温后抗拉强度

实施例18

(1)采用P.O.32.5普通硅酸盐水泥和聚羧酸高效减水剂配制高强水泥砂浆，水泥砂浆各组分的质量比为水：水泥：砂：减水剂＝0.31：1：3：0.018；

(2)将步骤(1)制备的水泥砂浆注入中部有塑料薄片分隔的小“8”字型试模中，形成对称的、近似“O”型的两部分，然后在砂浆振动台上振动4分钟，再覆盖薄膜，置于恒温恒湿养护箱中标准养护7天后取出，在室内放置21天后作为旧水泥砂浆试块备用。

(3)用角向磨光机打磨掉“O”型旧水泥砂浆试块粘结面上(最小截面处)的水泥浆薄层，然后将旧水泥砂浆试块置于小“8”字型试模的一个半圆内，并去掉试模中部的塑料薄片。

(4)按照表6中的地聚物砂浆配比，参照实施例1～2中的步骤(1)～(5)，配制地聚物砂浆。

(5)将步骤(4)制得的地聚物砂浆倒入小“8”字型试模中的另一个半圆内，使新地聚物砂浆和旧水泥砂浆粘结在一起形成整体；将其在砂浆振动台上振动4分钟后，再覆盖薄膜，置于恒温恒湿养护箱中养护7天后取出晾干。

(6)按照《聚合物改性水泥砂浆试验规程》(DL/T 5126—2001)的规定，采用万能材料试验机对步骤(5)制作的新地聚物砂浆和旧水泥砂浆粘结成的“8”字型试件进行拉伸，测试地聚物砂浆与普通水泥砂浆在常温下的粘结强度。

(7)重复步骤(1)～(5)，制作新地聚物砂浆和旧水泥砂浆粘结成的“8”字型试件；采用智能高温炉，将试件进行升温加热，升温速率为5℃/min；当温度分别升至预定温度100、300、500和700℃后，保持恒温60min，然后停止加热，自然冷却至室温；接着按照步骤(6)类似的步骤，测试地聚物砂浆与普通水泥砂浆在高温后的粘结强度。地聚物砂浆与普通水泥砂浆在常温下和高温后的粘结强度结果如附图1所示。

(8)为比较地聚物砂浆与普通水泥砂浆的拉伸粘结强度，重复步骤(1)～(3)，准备旧水泥砂浆试块并置于小“8”字型试模的一个半圆内；采用P.O.32.5普通硅酸盐水泥制备新水泥砂浆，新水泥砂浆各组分的质量比例为水:水泥：砂＝0.45：1：3；将新水泥砂浆倒入小“8”字型试模中的另一个半圆内，使新水泥砂浆和旧水泥砂浆粘结在一起形成整体，然后振实，标准养护28天后，按照与步骤(6)、(7)类似的方法，测试常温下和高温后新旧水泥砂浆的粘结强度，结果亦绘制于附图1中。从附图1可以看出，地聚物砂浆与旧水泥砂浆之间的粘结强度，无论是在常温下还是高温后，都远高于新水泥砂浆与旧水泥砂浆之间的粘结强度，因此地聚物砂浆可以用于旧水泥砂浆面的修补。

表6 实施例18～21的地聚物砂浆配比

试件号	偏高岭土	粉煤灰	钾水玻璃	砂	短切碳纤维
						实施例18～21	50	50	107	428	0

实施例19

(1)采用P.O.32.5普通硅酸盐水泥、自来水、本地河砂、粒径5～20mm的碎石和聚羧酸高效减水剂制备混凝土，各组分的质量比例为水泥：水：砂：石：减水剂＝1：0.31：1.5：2.3：0.018。

(2)将步骤(1)制备的混凝土拌合物倒入中间搁有25mm厚木隔板的大八字试模中，形成两个分离的混凝土试样，然后用振动棒振捣密实，浇水养护7天后置于室内21天作为旧混凝土试块备用。

(3)用磨光机打磨掉步骤(2)准备的旧混凝土试块粘结面上(最小截面处)的水泥浆薄层，然后将两个混凝土块放回大八字形试模中，去掉试模中间的木隔板，留出空隙。

(4)按照表6中的地聚物砂浆配比，参照实施例1～2中的步骤(1)～(5)，配制地聚物砂浆。

(5)将步骤(4)制得的地聚物砂浆注入到步骤(3)的大八字形试模中部的空隙中，将两侧的旧混凝土粘结在一起形成整体；地聚物砂浆分三层浇筑和插捣，每层插捣30次；之后，将试件置于室内，覆盖薄膜，浇水养护七天。

(6)按照《环氧树脂砂浆技术规程》(DL/T 5193—2004)和《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2001)，对步骤(5)制备的试件进行常温拉伸试验，测试地聚物砂浆与混凝土的常温粘结强度。

(7)重复步骤(1)～(5)，制作新地聚物砂浆和旧混凝土粘结成的大八字形试件；采用智能高温炉，将试件进行升温加热，升温速率为5℃/min；当温度分别升至预定温度(100、300、500和700℃)后，保持恒温60min，然后停止加热，自然冷却至室温；接着按照步骤(6)类似的方法，测试地聚物砂浆与混凝土在高温后的拉伸粘结强度。地聚物砂浆与混凝土在常温下和高温后的粘结强度结果如附图2所示。从图可以看出，地聚物砂浆与旧混凝土具有良好的粘结性能，常温粘结强度可达1.7MPa。

(8)为比较地聚物砂浆与普通水泥砂浆粘结混凝土的拉伸粘结强度，重复步骤(1)～(3)，准备旧混凝土试块并置于大八字形试模内，中部留出空隙；采用P.O.32.5普通硅酸盐水泥制备普通水泥砂浆，水泥砂浆各组分的质量比例为水:水泥：砂＝0.45：1：3；将普通水泥砂浆倒入大八字形试模中部的空隙内，将两侧的旧混凝土粘结在一起形成整体，然后振实，标准养护28天后，按照与步骤(6)、(7)类似的方法，测试常温下和高温后普通水泥砂浆与混凝土之间的粘结强度，测试结果亦绘制于附图2中。从附图2可以看出，地聚物砂浆与旧混凝土之间的粘结强度，无论是在常温下还是高温后，都远高于普通水泥砂浆与旧混凝土之间的粘结强度，因此地聚物砂浆可替代普通水泥砂浆，用于混凝土结构或构件的加固或修补。

实施例20

(1)采用P.O.32.5普通硅酸盐水泥、自来水、本地河砂、粒径5～20mm的碎石制备混凝土，各组分的质量比例为水泥：水：砂：石＝1：0.49：1.59：3.39。

(2)将步骤(1)制备的混凝土拌合物注入70mm×100mm×150mm的试模中，振实，浇水养护28天后打磨混凝土试块两个相对的侧面(100mm×150mm的面)。

(3)按照表6中的地聚物砂浆配比，参照实施例1～2中的步骤(1)～(5)，配制地聚物砂浆。

(4)裁取60mm(宽)×615mm(长)的碳纤维网格布，网格布的网格尺寸为5mm×5mm。

(5)在步骤(2)打磨的混凝土一个侧面上，涂抹步骤(3)制备的地聚物砂浆作为底胶，厚度2mm，涂抹面积为60mm×50mm；将步骤(4)裁取的网格布的一端与地聚物砂浆底胶边缘对齐，并粘贴于地聚物砂浆底胶层上，然后使用滚筒反复碾压，赶走气泡以及多余浆液；之后，在碳纤维网格布上面再涂一层厚度约5mm的地聚物砂浆，使用平头灰刀均匀插捣30次，抹平砂浆表面并覆盖薄膜。次日，按同样方法在混凝土另一个侧面上粘贴碳纤维网格布的另一端，然后覆盖薄膜，浇水养护7天。

(6)采用万能材料试验机拉伸纤维网格布，进行混凝土-地聚物砂浆-碳纤维网格界面的双剪试验，测试得到地聚物砂浆与碳纤维网格的粘结强度为0.98MPa。

实施例21

(1)按照表6中的地聚物砂浆配比，参照实施例1～2中的步骤(1)～(5)，配制地聚物砂浆。

(2)将上述地聚物砂浆注入70mm×70mm×20mm的试模中，振实，置于恒温恒湿养护箱中标准养护7天后晾干。

(3)采用HotDisk设备测试地聚物砂浆的导热系数，测试结果为2.1W/(m·K)，稍低于同批制作和测试的普通水泥砂浆的导热系数(2.4W/(m·K))。

(4)将步骤(1)制备的地聚物砂浆注入5mm×5mm×20mm的试模中，振实，置于恒温恒湿养护箱中标准养护7天，然后采用NETZSCH DIL 402C设备测试地聚物砂浆的热膨胀系数，测试结果显示地聚物砂浆在25～100℃之间的平均热膨胀系数为8.86×10^-6，与普通混凝土的热膨胀系数(8～12×10^-6)接近。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐高温的地聚物基加固修补砂浆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将偏高岭土和粉煤灰固体粉末、短切纤维混合，然后加入冷却的钾水玻璃溶液，手动搅拌，接着在水泥胶砂搅拌机上自动搅拌，再加入砂，自动搅拌，制得地聚物基加固修补砂浆；

所述偏高岭土和粉煤灰固体粉末、钾水玻璃溶液、砂和短切纤维按质量份计其加入量如下：

偏高岭土和粉煤灰固体粉末    100份

钾水玻璃溶液                90-130 份

砂                           300-500份

短切纤维                      0-2份。

2.根据权利要求1所述的一种耐高温的地聚物基加固修补砂浆的制备方法，其特征在于：所述手动搅拌时间为2-3分钟；加入砂前的自动搅拌时间为2-3分钟；加入砂后的自动搅拌时间为8-15分钟。

3.根据权利要求1所述的一种耐高温的地聚物基加固修补砂浆的制备方法，其特征在于：偏高岭土和粉煤灰固体粉末中，偏高岭土的质量百分比占固体粉末总质量的50%～80%，粉煤灰的质量百分比为20%～50%。

4.根据权利要求1所述的一种耐高温的地聚物基加固修补砂浆的制备方法，其特征在于：所述粉煤灰为低钙粉煤灰。

5.根据权利要求1所述的一种耐高温的地聚物基加固修补砂浆的制备方法，其特征在于：所述钾水玻璃溶液中钾水玻璃模数为1.0～1.4，质量浓度为35%～40%，且钾水玻璃溶液已自然冷却。

6.根据权利要求1所述的一种耐高温的地聚物基加固修补砂浆的制备方法，其特征在于：所述砂为天然河砂，细度模数1.6～3.0。

7.根据权利要求1所述的一种耐高温的地聚物基加固修补砂浆的制备方法，其特征在于：所述短切纤维为长度3～6mm的短切碳纤维或玄武岩纤维。

8.根据权利要求1所述的一种耐高温的地聚物基加固修补砂浆的制备方法，其特征在于：所述短切纤维按所述质量份计，加入量为0.5-2份。

9.一种根据权利要求1～8任一项所述方法制备得到的地聚物基加固修补砂浆。

10.权利要求9所述的地聚物砂浆应用于加固或修补混凝土结构构件。