CN106630850A - 一种高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料，其包括水泥、粉煤灰、膨胀剂、细骨料、钢纤维、减水剂、保水增稠剂、悬浮稳定剂、耐磨剂等组分，该浇注料具有大流动性、高抗折强度、高抗冲击、高抗裂、耐磨等特征，尤其是早期抗折强度、抗拉强度增长迅速，大大的降低了浆体塑性阶段和前期内应力集中导致的开裂风险，特别适用于路面与伸缩缝修补，风力发电设备基础的大体积连续二次灌浆，也适用于和建筑结构重要部位加固等对材料韧性要求较高的灌浆工程。

Description

一种高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料

技术领域

本发明涉及一种水泥基浇注料，特别涉及一种高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料，属于水泥基浇注料领域。

背景技术

近年来，水泥基灌浆料得到迅速发展，并广泛应用于设备基础二次灌浆、混凝土结构加固、高强混凝土缺陷补强修复等。然而，由于水泥基灌浆料具有高强的特性，在浆体硬化后往往出现柔韧性差、表面出现龟裂等问题。尤其是在风电设备基础灌浆施工过程中，灌浆料一般为一次浇筑成型，且在硬化中、后期由于本身设计、荷载等复杂原因而容易出现贯穿性裂缝，从而极大地影响风电设备的安全性和使用寿命。同时在道路伸缩缝中，受到较大的冲击力和磨损，需要对材料的抗冲击韧性与耐磨性能有较高要求。

针对传统的水泥基灌浆材料存在的问题，研究者不断开发新的水泥基灌浆材料。中国专利(公开号CN104276796A)公开了利用合成纤维(有机纤维)制备高流态高强抗裂水泥基灌浆料，其干燥收缩减少30％以上。该灌浆材料考虑了抵抗由硬化浆体早期干燥收缩引起的开裂，但并未考虑灌注中期干燥收缩应力增大对灌浆料本体抗拉、抗折强度的需求，其28d抗折强度仅为13MPa，无法抵抗灌浆料大体积整体浇筑时应力集中导致的开裂。中国专利(公开号CN102503318A)公开了使用矿物纤维制备出一种高抗折水泥基灌浆料，其具有较高的抗折强度，1d超过10MPa，3d超过13MPa，28d超过16MPa，但由于天然硅灰石纤维为微细颗粒且韧性较差，掺入水泥体系中无法形成连续性三维网络而导致抗拉强度提升不明显，抗冲击性较差，在复杂使用环境中极易出现开裂。相关研究中，在高强水泥基材料中掺入合适的钢纤维可显著提高抗折强度、抗拉强度、延展性和弯曲韧性，防止裂缝的产生和扩展。武汉理工大学的马保国等人研究了混杂钢纤维对早强型支座灌浆料韧性的影响，灌浆料28d的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量分别提高7％、68％、44％和53％，大大提高了砂浆的韧性指数，增强了砂浆的韧性。但是其灌浆料中钢纤维掺量较小，并没有解决钢纤维在灌浆料中难以分散均匀的问题，其增强增韧作用有限。特别是钢纤维掺入水泥基灌浆材料，会引起浆料的工作性不良，流动度减少；而当灌浆料具有较大流动度时，钢纤维又容易出现沉降、离析等问题，严重影响材料的均匀性和稳定性。

发明内容

针对现有技术中钢纤维掺入水泥基灌浆材料时存在的技术问题，本发明的目的是在于提供一种钢纤维掺量大且分布均匀，具有大流动性、超高抗折强度、高抗冲击、高抗裂等高强高韧特征的水泥基浇注料，该水泥基浇注料尤其是早期和中期抗折强度、抗压强度增长迅速，大大的降低了浆体塑性阶段和早期阶段开裂风险。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料，该钢纤维增强增韧水泥基浇注料包括以下质量份组分：水泥65～85份，粉煤灰5～20份，膨胀剂8～15份，细骨料100～140份，钢纤维4～8份，减水剂0.2～0.6份，保水增稠剂0.01～0.04份，悬浮稳定剂0.01～0.05份；

所述的细骨料由10～20目、20～40目、40～70目、70～100目和100～200目粒级的河砂和/或机制砂复配得到，所述细骨料中各粒级的质量百分比为：10～20目：35～45％，20～40目：20～30％，40～70目：15～22％，70～100目：10～15％，100～200目：5～10％；

所述的悬浮稳定剂包括硅酸镁铝无机凝胶、改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮、聚酰胺蜡粉的至少一种。

本发明的技术方案提供的钢纤维增强增韧水泥基浇注料结合了自流平砂浆技术和浆体悬浮稳定技术，使水泥基浇注料在保持较高流动性的同时，能使大体积掺入的钢纤维均匀分布、不沉降，大幅度提高了水泥基浇注料的强度及韧性。本发明通过对骨料材料颗粒级配进行优化设计，以及选择特殊的水性悬浮稳定剂来调整浆体流变特性，使水泥基浇注料在剪切作用下具有较低的粘度而获得高流动性，大幅提高了加入钢纤维后浆体的流动性，解决了现有技术中钢纤维掺入水泥基浇注料会引起水泥基浇注料工作性不良，流动度减少等缺陷；同时，水泥基浇注料在停止剪切作用时，水泥基浇注料的粘度逐渐恢复较大值，此时悬浮稳定剂相互交积成网，起到了良好的钢纤维防沉作用，从而改善钢纤维在浆料中的分布，钢纤维在硬化浆料中均匀乱向分布并交织成空间网状，在硬化浆体的包裹下，产生了良好的机械啮合作用，解决了浇注料具有较大流动度时，钢纤维容易出现沉降、离析等问题，大幅提高了水泥基浇注料的抗折强度和抗拉强度。

本发明的钢纤维增强增韧浇注料具有较高的早期抗拉强度和抗折强度，3天和14天抗折强度达15MPa和18MPa以上，较传统浇注料分别提高100％和120％；3天和14天抗拉强度分别达到4MPa、6MPa以上，较传统浇注料分别提高150％和180％以上，在收缩应力最高期间(3～14天)抗拉强度始终大于收缩应力，从而大大降低了开裂风险。解决了一般的水泥基浇注料在干燥收缩过程中，第3～14天的干燥收缩增长速率最大，此时材料本身的强度较低，由收缩应力引起的开裂风险也最高等问题。

优选的方案，悬浮稳定剂由硅酸镁铝无机凝胶和改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮组成。较优选的方案，悬浮稳定剂由硅酸镁铝无机凝胶和改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮按质量比1:(0.5～1.5)组成。最佳的方案，悬浮稳定剂由硅酸镁铝无机凝胶和改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮按质量比1:1组成。本发明的技术方案将硅酸镁铝无机凝胶和改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮组合使用，硅酸镁铝无机凝胶为无机材料，其不溶于水和有机溶剂可分散于水中，形成触变性凝胶，受到剪切或其他外力作用即恢复一定流动性，而N-甲基吡咯烷酮在合适的搅拌速度下，通过分子间键合力，形成三维网状结构，两者搭配使用为体系提供了较强的触变性，可有效控制浇注料的高流动性，以及使大体积掺入的钢纤维均匀分布、不沉降。

较优选的方案，硅酸镁铝无机凝胶。

优选的方案，水泥为硅酸盐水泥和/或硫铝酸盐水泥。

优选的方案，钢纤维为长径比为50～75的镀铜钢纤维和/或不锈钢纤维。其直径一般为0.1～1.0mm，长度一般为8～30mm。

较优选的方案，钢纤维为圆直形、端构形或波浪形。

优选的方案，减水剂为聚羧酸减水剂。

优选的方案，保水增稠剂为甲基纤维素醚、羟乙基甲基纤维素醚、乙基纤维素醚、羟乙基纤维素醚和羟丙基甲基纤维素醚中的至少一种。保水增稠剂的粘度最好是低于1000mP·s。

优选的方案，粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级电厂粉煤灰。

优选的方案，膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂。

优选的方案，耐磨剂为石墨、钢渣、PE-g-MAH共聚物中至少一种。本发明的钢纤维增强增韧浇注料具有优异的耐磨性能，通过选用合适的耐磨剂和掺量，在保证浆体流动性的前提下，大幅提高了材料的耐磨性能，提高材料的使用寿命，尤其在道路伸缩缝浇筑中。

相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益效果：

1)本发明的钢纤维浇注料通过自流平砂浆技术与浆体悬浮稳定技术的结合，大幅度提高水泥基浇注料的流动性，同时能使大体积掺入的钢纤维均匀分布、不沉降，大幅度提高了水泥基浇注料的强度及韧性。解决了现有技术中钢纤维掺入水泥基浇注料会引起水泥基浇注料工作性不良，流动度减少，而浇注料具有较大流动度时，钢纤维容易出现沉降、离析等问题。

2)本发明的钢纤维浇注料具有大流动性、超高抗折强度、高抗冲击、高抗裂等高强高韧的特征，尤其是早期和中期抗折强度、抗压强度较高，大大的降低了浆体塑性阶段和早期阶段开裂风险；其流动度可达340mm以上，且钢纤维能均匀分布于浆体中；1天、3天、14天和28天抗折强度达10MPa、15MPa、18MPa和20MPa以上，较传统浇注料分别提高100％、90％、120％和100％；3天、28天抗拉强度分别达到4MPa、8MPa以上，较传统浇注料分别提高150％、100％以上。此外，钢纤维浇注料的耐磨性能相对不添加耐磨剂提高100％以上，使用寿命提高50％以上。特别适用于风力发电设备基础的大体积连续二次灌浆，也适用于路面与伸缩缝修补和建筑结构重要部位加固等对材料韧性要求较高的灌浆工程。

具体实施方式

本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。

以下实施例中配方中的各组分原料除特殊说明外，其它原料都为市售的商品化原料。

实施例1

高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料按质量份计，包括：PO42.5普通硅酸盐水泥75份，Ⅰ级粉煤灰16份，硫铝酸钙类膨胀剂8份，细骨料(10～20目：20～40目：40～70目：70～100目：100～200目＝35％:25％:20％:15％:5％)120份，钢纤维(直径0.2mm，长度13mm)4份，聚羧酸减水剂0.3份，粘度为400mP·s羟丙基甲基纤维素醚0.01份，合成硅酸镁铝无机凝胶0.01份，PE-g-MAH共聚物耐磨剂0.2份。

实施例2

高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料，按质量份计，包括：PO42.5普通硅酸盐水泥80份，Ⅱ级粉煤灰11份，硫铝酸钙类膨胀9份，细骨料(10～20目：20～40目：40～70目：70～100目：100～200目＝39％:27％:15％:12％:7％)120份，钢纤维(直径0.12mm，长度8mm)5份，聚羧酸减水剂0.35份，粘度为400mP·s羟乙基甲基纤维素醚保水增稠剂0.01份，悬浮稳定剂(改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮)0.01份，325目石墨耐磨剂0.5份。

实施例3

高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料，按质量份计，包括：PO42.5普通硅酸盐水泥80份，Ⅰ级粉煤灰20份，硫铝酸钙类膨胀剂8份，细骨料(10～20目：20～40目：40～70目：70～100目：100～200目＝36％:28％:14％:12％:10％)120份，钢纤维(直径0.20mm，长度13mm)6份，聚羧酸减水剂0.40份，粘度为400mP·s醚保水增稠剂0.01份，悬浮稳定剂(改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮)0.01份，S95钢渣耐磨剂1份。

实施例4

高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料，按质量份计，包括：42.5硫铝酸盐水泥80份，Ⅱ级粉煤灰11份，硫铝酸钙类膨胀剂9份，细骨料(10～20目：20～40目：40～70目：70～100目：100～200目＝39％:27％:15％:12％:7％)120份，钢纤维(直径0.48mm，长度25mm)5份，聚羧酸减水剂0.35份，粘度为400mP·s羟乙基甲基纤维素醚保水增稠剂0.01份，悬浮稳定剂(改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮)0.01份，PE-g-MAH共聚物耐磨剂0.1份。

施工时，将上述各实施例分别加水搅拌为浆体即可使用(水与本产品干粉砂浆的重量比0.12～0.14)，其各项性能检测结果见表1。

表1各实施例性能检测结果

注：①钢纤维均匀度测试方法为：圆柱体浆料中，上层200mm浆料中的钢纤维重量除以底层200mm高浆料中的钢纤维重量×100，即

②耐磨度试验方法采用滚珠轴承法，具体参见GB/T16925-1997。

从上表可知，本发明的钢纤维浇注料具有大流动性、高抗折强度、高抗冲击、高抗裂、耐磨等特征，钢纤维在基体中均匀分布，尤其是在多种悬浮剂复合使用时，各项性能优良。

Claims (10)

1.一种高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料，其特征在于：包括以下质量份组分：

水泥 65～85份，

粉煤灰 5～20份，

膨胀剂 8～15份，

细骨料 100～140份，

钢纤维 4～8份，

减水剂 0.2～0.6份，

保水增稠剂 0.01～0.04份，

悬浮稳定剂 0.01～0.05份，

耐磨剂 0.1～1.0份；

所述的细骨料由10～20目、20～40目、40～70目、70～100目和100～200目粒级的河砂和/或机制砂复配得到，所述细骨料中各粒级的质量百分比为：10～20目：35～45％，20～40目：20～30％，40～70目：15～22％，70～100目：10～15％，100～200目：5～10％。

所述的悬浮稳定剂包括硅酸镁铝无机凝胶、改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮、改性聚酰胺蜡粉的至少一种。

2.根据权利要求1所述的高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料，其特征在于：所述的悬浮稳定剂由硅酸镁铝无机凝胶和改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮组成。

3.根据权利要求1或2所述的高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料，其特征在于：所述的悬浮稳定剂由硅酸镁铝无机凝胶和改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮按质量比1:(0.5～1.5)组成。

4.根据权利要求3所述的高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料，其特征在于：所述的硅酸镁铝无机凝胶包括天然硅酸镁铝无机凝胶和/或合成硅酸镁铝无机凝胶。

5.根据权利要求1所述的高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料，其特征在于：所述的水泥为硅酸盐水泥和/或硫铝酸盐水泥；

所述的减水剂为聚羧酸减水剂。

6.根据权利要求1所述的高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料，其特征在于：所述的钢纤维为直径为0.1～1.0mm、长度为8～30mm，且长径比为50～75的镀铜钢纤维和/或不锈钢纤维；所述钢纤维为圆直形、端构形或波浪形。

7.根据权利要求1所述的高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料，其特征在于：所述的保水增稠剂为甲基纤维素醚、羟乙基甲基纤维素醚、乙基纤维素醚、羟乙基纤维素醚和羟丙基甲基纤维素醚中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料，其特征在于：所述的粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级电厂粉煤灰。

9.根据权利要求1所述的高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料，其特征在于：所述的膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂。

10.根据权利要求1所述的高流动性钢纤维增强增韧水泥基浇注料，其特征在于：所述的耐磨剂为石墨、钢渣、PE-g-MAH共聚物中至少一种。