CN106082891B

CN106082891B - 一种水泥基快速修补路面材料及其制备方法

Info

Publication number: CN106082891B
Application number: CN201610425586.5A
Authority: CN
Inventors: 张秀芝; 程新; 班录江; 杜笑寒; 周宗辉; 侯鹏坤; 黄世峰
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2016-06-16
Publication date: 2018-03-27
Anticipated expiration: 2036-06-16
Also published as: CN106082891A

Abstract

本发明公开了一种水泥基快速修补材料及其制备方法。本发明采用硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、水洗砂、铁尾矿砂、硅灰、钢渣、水、聚羧酸减水剂、保水剂、早强剂、缓凝剂、PP纤维按照一定重量配比制成快速修补材料。本发明掺加工业废弃物钢渣和铁尾矿砂，铁尾矿砂的颗粒级配效应和钢渣的小尺寸效应不仅可以使路面修补材料的工作性能和力学性能提升，并且充分利用了工业废弃物，保护自然环境。在性能方面，本发明制备材料具有流动性高，早期强度高，耐磨性好，耐冲击性能强，后期强度持续增长，微膨胀性能等特点，可以用作厚层修补，也可做到超薄修补。

Description

一种水泥基快速修补路面材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种建筑工程材料，特别涉及一种水泥基快速修补材料及其制备方法，广泛应用于混凝土路面快速修补技术领域。

背景技术

随着我国经济的快速发展，高级公路、机场跑道、城市广场及市政公路等混凝土建筑物改善着人们的生活，促进经济的发展。然而，由于荷载作用，自然因素等影响，混凝土路面往往会受到破坏。损坏的混凝土路面维修比较困难，需要动用较大机械将路面抛开重新修复，这使得修复成本大幅度提高。不仅修复，养护时间较长，而且需要较长时间封闭交通，给人们带来不便，制约经济的发展。2008年汶川发生8.0级地震，不仅创造成了大量的人员伤亡，巨大的经济损失，更使得重灾区的主要公路全部瘫痪，铁路、水库、通讯等受到严重破坏。灾后调研表明，由于缺乏合适的交通抢修材料，道路交通受阻，救援人员和物质无法及时赶到救援现场是影响救援的原因之一。道路工程是保证灾区救援人员和物质顺利到达灾区并实施救援的重要通道，是救灾时的“生命线”灾后的“生存线”，灾后重建需要道路的畅通，源源不断的运输重建物质。故开发一种日常路面应用的、救灾抢险时应用的、低廉的、性能良好的路面快速修补材料具有重要的意义。

目前，比较常用的路面修补材料是沥青混凝土。但是由于沥青混凝土的抗老化性能差，其强度远低于水泥混凝土，与混凝土路面粘接性差，因此这种修补是一种应急措施，不能从根本上解决水泥混凝土路面的修补问题。中国专利CN101121812A公布了一种环氧树脂基快速修补材料，该修补材料可用于道路，桥梁，隧道及房屋等混凝土建筑物的快速修补。施工简单，固化时间短，能达到快速修补的目的。但其所用骨料为轻质骨料，整个修补材料的自密实性比较差，并且由于环氧树脂的大量使用，大大提高了修补材料的成本。中国专利CN104591649A公布了一种改性水泥砂浆路面修补材料及路面修补施工方法，该材料可利用于水泥混凝土路面的微裂缝，麻面和坑槽修补施工。早期抗压抗折强度和粘接强度均高于普通砂浆，修复质量好，成本低。其修补后路面强化固化时间是12小时，并视具体气温情况开放交通。其不足是强化固化时间比较长且受气温影响较大。

另一方面，铁尾矿砂是选出有用铁等金属后剩余的部分，属于工业废弃物。巨大的钢铁需求导致选厂每年排出大量铁尾矿砂，铁尾矿砂占总尾矿砂量的40%左右。但是，我国目前铁尾矿砂的利用率仅为7%，远远低于发达国家的60%。铁尾矿不仅占用大量土地，而且会给人们的生产，生活带来严重的污染和危害。现在，已经得到了全社会的广泛关注。因此，实现铁尾矿砂的高利用率和有效利用，不但可以节约资源，保护环境，而且可以带来可观的经济效益。

钢渣是炼钢工业中用石灰提取杂质而大量生成的废渣。我国是钢铁大国，同时也是钢渣排放大国。随着我国炼钢产业的发展，出现了大量堆积如山的钢渣。工业废渣的大量堆存不仅侵占了大量土地，而且污染环境，急待利用。2015年我国钢渣的产量达2000万吨，积存钢渣已有2亿多吨。目前，我国钢渣的有效综合利用率仅约50%~60%，在建材领域的利用率大约只有10%，而欧美、日本等国家的钢渣利用率已达到90%以上。堆积如山的钢渣不仅占用了我国大量的土地资源，而且也对环境造成了不同程度的污染。如何合理有效地利用钢渣，已成为亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种水泥基快速修补材料及其制备方法。本发明掺加工业废弃物钢渣和铁尾矿砂，铁尾矿砂的颗粒级配效应和钢渣的小尺寸效应不仅可以使路面修补材料的工作性能和力学性能提升，并且充分利用了工业废弃物，保护自然环境。在性能方面，本发明制备材料具有流动性高，早期强度高，耐磨性好，耐冲击性能强，后期强度持续增长，微膨胀性能等特点，可以用作厚层修补，也可做到超薄修补（厚度8mm-10mm）。

本发明采用以下技术方案：

一种水泥基快速修补路面材料，其特征在于，它是由以下重量百分比的原料制成：快硬硫铝酸盐水泥15.32%～25.88%、普通硅酸盐水泥4.30%～5.62%、硅灰2.04% ～2.87%、钢渣2.36% ～3.14%、水洗砂52.36%～62.77%、铁尾矿砂 2.69% ～6.38%、 PP纤维0.12～0.14% 、聚羧酸减水剂0.27%～0.29% 、早强剂0.08%～0.10%、缓凝剂0.029%～0.031%、保水剂 0.049~0.051%、水 7.85%～10.21%；

所述早强剂为碳酸锂；所述缓凝剂为硼酸；所述保水剂为羟丙基甲基纤维素醚。

优选的，所述快硬硫铝酸盐水泥为SAC 42.5，粒径范围为0.115μm~101.52μm，平均粒径18.477μm。

优选的，所述普通硅酸盐水泥为P·O 42.5，粒径范围为0.115μm ~104.912μm，平均粒径为20.403μm。

优选的，所述钢渣为S95级钢渣，比表面积380 m²/kg，粒径范围为0.477μm ~51.591μm，平均粒径为14.135μm。

优选的，所述硅灰的比表面积味23000 m²/kg，粒径范围为0.04μm ~0.28μm，平均粒径0.180μm。

一种水泥基快速修补路面材料的制备方法，其特征在于，将上述快硬硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅灰、钢渣、水洗砂、铁尾矿砂、PP纤维、聚羧酸减水剂、早强剂、缓凝剂、保水剂按照原料重量百分比添加到搅拌机搅拌桶内干拌2min，使各基体材料分散均匀，再加入相对应的水搅拌4min，形成均匀的流动性良好的浆体即可。

路面修补材料通常由十几种原料组成的多元的复杂体系，各种原料互相影响导致单一的变量调整并不能得到最合理的配比，可能是导致现有路面快速修补材料与路面旧混凝土相容性差，粘接强度低，且在施工过程中还存在粘度高，施工效果差，早强抗压抗折强度和粘结强度低，固化时间长，工作性能不良，成本高等问题的原因。合理的配比不仅可以节省水泥材料，还能提升路面修补材料的密实程度，提升其性能，通过合理的配比制备高性能的路面修补材料是十分必要的。本发明基于密实堆积理论，通过矿物掺料和砂子颗粒间的匹配，达到复合体系在固体状态下的最紧密堆积，从而提高路面修补材料体系的密实度，以期实现其高性能化。采用计算程序，从紧密堆积理论计算粒径入手优化配比，结合强度实验和流动度确定最佳配比，可分别做到2小时、4小时、6小时到达开放交通的要求的路面修补材料。浆体控制初凝和终凝结时间分别为25min～35min。

本发明的有益效果是：本发明通过集料颗粒间的合理级配改善砂浆的密实程度，减少粉体材料浪费的同时减少砂浆体系孔隙率，增强力学性能和工作性能，利用了工业废弃物钢渣和铁尾矿的路面快速修补材料。本发明还有以下优点：高流动性，早期强度高，耐磨，耐冲击，高抗冻性，高抗渗性，后期强度不倒缩持，具有微膨胀性能，可以厚层修补，也可做到超薄修补（厚度8mm-10mm）。加入pp纤维，有效的提高韧性，抗折抗压强度，减少收缩，抗冲击阻裂，耐磨耐老化功能。工业废弃物铁尾矿砂和钢渣有效利用于修补材料中，不仅由于铁尾矿砂的颗粒级配效应和钢渣的小尺寸效应使工作性能和力学性能提升，提高路面材料的耐磨性和抗冲击性，并且充分利用了工业废弃物，保护自然环境。本发明水泥基快速修补路面材料原材料来源广，价格低廉，工作性和修补效果良好，可用于水泥混凝土路面修补。

附图说明

图1是本发明各组分粒径分析图。

图2是本发明各组分紧密堆积优化结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的内容做进一步的详细说明。

本发明采用最紧密堆积理论进行配合比设计，通过Dinger-Funk模型对各粉体材料和砂进行堆积优化，各组分粒径分析见附图1，紧密堆积优化结果见附图2，优化结果表明拟合曲线与目标曲线拟合程度良好，在紧密堆积体系的基础上对配合比进行优化，得到如下3种可在2h、4h、6h通车的快速修补材料配比。根据不同混凝土路面破坏状况，修补材料性能，通车时间要求及节省成本等情况进行实施。本发明中所用的水洗砂筛分如下表1。

表1水洗砂筛分

实施例1：2小时通车

水泥基快速修补路面材料的组成配方为：普通硅酸盐水泥：4.30%、硫铝酸盐水泥：25.88%、水洗砂：52.36%、铁尾矿砂：2.69%、硅灰：2.87%、钢渣：2.36%、水8.96%、聚羧酸减水剂：0.27%、保水剂：0.051%、早强剂：0.09%、缓凝剂：0.029 %、PP纤维：0.14%。

按上述各组分按照重量百分比称取，将除水外的原料添加到搅拌机搅拌桶内干拌2min，使各基体材料分散均匀，再加入相对应的水搅拌4min，形成均匀的流动性良好的路面修补浆体。浆体在自身重力下扩展度为260mm。本实例配方是针对混凝土路面的轻微麻面，露骨等破坏进行修补进行的是超薄修补，修补厚度8mm～10mm。对混凝土路面的坑槽，边角破损也可以用此配方。具体的施工工艺流程和条件为：

1）准备工作：将要修补的部位表面清理干净，清除灰尘及杂物，将松动部位剔除干净。

2）开始修补工作：制备好流动性良好的修补浆体，摊铺在处理好的路面表面上，加以人工辅助使浆体流平即完成修补。

3）施工条件：温度5℃～35℃。雨天不宜施工。

修补后2小时可开放交通。2小时后修补材料性能如下：

表2修补材料2小时强度

2h抗压强度/ Mpa	2h抗折强度/ Mpa	2h粘接强度/ Mpa
			35.0	6.5	3.2

为了使所研究的路面修补材料抗折抗压强度达到标准，可以参考现行的公路水泥混凝土路面设计规范（见下表3），认为若路面板强度满足重载设计要求的75%即可通车。我国的《混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料》规范要求干粘结强度≥3.0MPa。因此，路面修补材料的强度有如下规定：

表3水泥混凝土路面板强度要求值

交通荷载等级	极重，特重，重	中等	轻
				抗折强度/Mpa	≥5.0	4.5	4.0
抗压强度/Mpa	≥35	25	20

注：摘自在《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）

（1）2h抗折强度：不小于3.75Mpa.

（2）2h抗压强度：不小于25Mpa.

由上述实例可知，本发明提供的水泥基快速修补路面材料具有较好的粘接强度，较高的抗压抗折强度，硬化后收缩率小，无裂纹。耐水，耐老化，耐冻融，耐磨耐冲击。外观平整无接缝，便于清洁和维护。施工简单方便，凝结快，缩短施工工期，2小时可达到通车要求。

实施例2：4小时通车

水泥基快速修补路面材料的组成配方为：普通硅酸盐水泥：5.23%、硫铝酸盐水泥：15.70%、水洗砂：62.77%、铁尾矿砂：2.70%、硅灰：2.04%、钢渣：3.14%、水7.85%、聚羧酸减水剂：0.28%、保水剂：0.05%、早强剂： 0.08%、缓凝剂：0.03 %、PP纤维：0.13%。

按上述各组分按照重量百分比称取，将除水外的原料添加到搅拌机搅拌桶内干拌2min，使各基体材料分散均匀，再加入相对应的水搅拌4min，形成均匀的流动性良好的路面修补浆体。浆体在自身重力下扩展度为255mm。本发明水泥基快速修补材料特征在于修补材料可以用机制砂，其早期强度较高。不同龄期强度见表3。该材料主要用于厚层修补，对混凝土路面的各种损坏均可用其就行修补，骨料加工简单，来源广，廉价。故可以大量使用。具体的施工工艺流程和条件为：

1）准备工作与实例1相同。

2）开始修补工作与实例1相同。

3）施工条件与实例1相同。

本发明水泥基快速路面修补材料从加水搅拌，修补完毕到开放交通，仅需要4h。一天粘接强度为4.0Mpa。表4是该材料的不同龄期强度。

表4修补材料不同龄期强度

龄期	4小时	6小时	1天	3天
					抗折强度/Mpa	6.0	6.7	9.5	10.4
抗压强度/Mpa	31.2	36.3	50.3	61.8

本发明利用了机制砂，用大量的普通硅酸盐水泥和矿物掺和料取代硫铝酸盐水泥。改善浆体的工作性，使其后期强度稳定增长。同时大大降低成本，可大量使用。硬化后的浆体在4小时可以通车。

实施例3：6小时通车

水泥基快速修补路面材料的组成配方为：硫铝酸盐水泥：15.32%、普通硅酸盐水泥：5.62%、水洗砂：57.29%、铁尾矿砂：6.38%、硅灰：2.04%、钢渣：2.46%、水10.21%、聚羧酸减水剂：0.29%、保水剂：0.049%、早强剂： 0.10%、缓凝剂：0.031 %、PP纤维：0.12%。

按上述各组分按照重量百分比称取，将除水外的原料添加到搅拌机搅拌桶内干拌2min，使各基体材料分散均匀，再加入相对应的水搅拌4min，形成均匀的流动性良好的路面修补浆体。浆体在自身重力下扩展度为285mm。本实例配方非常适合混凝土路面严重麻面露骨，坑槽，边角破损的修补，同时对于需要大面积修补的路面来说非常经济的。具体的施工工艺流程和条件为：

1）准备工作与实例1相同。

2）开始修补工作：制备好流动性良好的修补浆体，摊铺在处理好的路面表面上，加以人工辅助使浆体流平即完成修补。对于坑槽，边角破损，修补浆体流平时浆体水平面与旧混凝土相平。同时修补浆体厚度为30mm~40mm。

3）施工条件与实例1相同。

本发明水泥基快速路面修补材料从加水搅拌，修补完毕到开放交通，需要6h。一天粘接强度为3.5Mpa。表5是该材料的不同龄期强度。

表5修补材料不同龄期强度

龄期	6小时	1天	3天
				抗折强度/Mpa	6.9	8.9	10.0
抗压强度/Mpa	30.1	42.7	55.3

本发明路面修补材料的早期抗压抗折强度和粘接强度均高于其他路面快速修补材料，浆体初凝和终凝结时间分别为25min～35min，不仅仅有利于混凝土路面的快速修复，而且修复效果好，成本低。在路面修补材料中还加入了铁尾矿，有效的利用了废弃物，达到经济环保的要求。在试验中还发现该发明材料的耐磨性优于旧混凝土路面耐磨性。所以本发明水泥基快速修补路面材料成本相对低廉，性能良好，可以大量使用于公路，广场，市政公路中。

Claims

1.一种水泥基快速修补路面材料，其特征在于，它是由以下质量百分比的原料制成：快硬硫铝酸盐水泥15.32%～25.88%、普通硅酸盐水泥4.30%～5.62%、硅灰2.04% ～2.87%、钢渣2.36% ～3.14%、水洗砂52.36%～62.77%、铁尾矿砂 2.69% ～6.38%、 PP纤维0.12～0.14% 、聚羧酸减水剂0.27% ～0.29% 、早强剂0.08%～0.10%、缓凝剂0.029%～0.031%、保水剂 0.049~0.051%、水 7.85%～10.21%；

所述早强剂为碳酸锂；所述缓凝剂为硼酸；所述保水剂为羟丙基甲基纤维素醚；

所述快硬硫铝酸盐水泥为SAC 42.5，粒径范围为0.115μm~101.52μm，平均粒径18.477μm；

所述普通硅酸盐水泥为P·O 42.5，粒径范围为0.115μm ~104.912μm，平均粒径为20.403μm；

所述钢渣比表面积380 m²/kg，粒径范围为0.477μm ~51.591μm，平均粒径为14.135μm；

所述硅灰的比表面积为23000 m²/kg，粒径范围为0.04μm ~0.28μm，平均粒径0.180μm。

2.一种权利要求1所述的水泥基快速修补路面材料的制备方法，其特征在于，将所述快硬硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅灰、钢渣、水洗砂、铁尾矿砂、PP纤维、聚羧酸减水剂、早强剂、缓凝剂、保水剂按照原料重量百分比添加到搅拌机搅拌桶内干拌2min，使各基体材料分散均匀，制成水泥基修补材料，到工程应用时，再加入相对应的水进行搅拌，搅拌时间为4min，形成均匀的流动性良好的浆体即可。