CN107010892A

CN107010892A - 一种水下不分散速凝快硬的水泥基复合材料及其制备方法和应用

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Publication number: CN107010892A
Application number: CN201710223235.0A
Authority: CN
Inventors: 俞家欢; 陈小琳; 李姗姗; 闫林伟; 金子辉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2017-08-04
Also published as: US11008251B2; US20180290923A1

Abstract

本发明属于复合材料领域，尤其涉及一种水下不分散速凝快硬的水泥基复合材料及其制备方法和应用。是由以下重量百分比的原料组成：硅酸盐水泥32%‑34%，铝酸钙8.8%‑9%，氧化镁5%‑7%，三氧化硫0.5%‑2%，聚羧酸高性能减水剂0.2%‑0.3%，絮凝剂0.3%‑0.7%，速凝剂0.05%‑0.2%，引气剂0.05%‑0.2%，阻锈剂0.05%‑0.3%，细骨料26%‑31%，粗骨料13%‑18%，水8.4%‑8.5%。该材料可以用于水利工程中的水泥建筑的快速修补，修补材料可以迅速凝结，并可以保证初期强度。

Description

一种水下不分散速凝快硬的水泥基复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于复合材料领域，尤其涉及一种水下不分散速凝快硬的水泥基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会的不断发展，越来越多的水工工程相继展开。工程使用的传统混凝土在水下浇筑时，胶凝材料与骨料容易发生严重的离析，产生泌水浮浆现象，甚至被水冲走，导致混凝土强度及耐久性下降，并且对工程周边水域造成严重的污染。因此，在施工时需要尽量避免混凝土与水的接触，比如采用围堰排水法、叠袋法、预填集料灌浆法，或者用导管、底开口容器等施工工具进行施工。然而，上述方法虽然可以保证混凝土的质量，但存在工程量大、工期长、造价高、工艺复杂等缺点。

近年来，研究发现在水下不分散混凝土中加入絮凝剂（具有长链结构和高吸附能力的水溶性高分子化合物），可以将混凝土中的胶凝材料与骨料吸附在一起，从而提高凝聚力，避免胶凝材料的流失，保证混凝土强度。目前，应用最广泛的两种絮凝剂，分别是水溶性纤维素醚类（SCR）和水溶性丙烯酸类聚合物（UWB）。因絮凝剂的加入，水下不分散混凝土的很多性能指标与普通混凝土相比也会发生了改变，例如初凝时间会相对延迟等。经试验发现，掺入等量SCR的水下不分散混凝土与普通混凝土相比，初凝时间会延迟1-3h；加入等量UWB的水下不分散混凝土与普通混凝土相比，初凝时间会延迟6h；并且初凝时间会随着絮凝剂添加量的增加而延长。如果遇到需要混凝土快速凝结的工程，例如桥墩或水库大坝经常会出现裂缝、冲坑、蜂窝，或是海上修补作业时遇到较大波浪等情况，则需要能够快速凝结并且快速提高强度的材料，上述方法就不再适用；如2013年青岛百年标志性建筑栈桥被一场台风袭击后，桥面出现大面积坍塌，而维修队为了修补则将坍塌的栈桥彻底挖断，造成文物的损坏，栈桥坍塌的原因主要是混凝土桥墩长期受到海水的浸泡，在海水的冲刷下产生破损，海水中的氯离子渗透进桥墩锈蚀钢筋，又未对破损部位及时修补，最后在台风的强大作用力之下发生彻底的破坏，倘若能够及时对桥墩进行应急修补则不会发生栈桥坍塌事件。

综上所述，研制一种能够在紧急条件下，满足水利工程修补水泥建筑需求的复合材料，显得尤为重要。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种水下不分散速凝快硬的水泥基复合材料及其制备方法和应用，该材料可以用于水利工程中的水泥建筑的快速修补，修补材料可以迅速凝结，并可以保证初期强度。

为了实现上述目的，本发明提供的水下不分散速凝快硬的水泥基复合材料，是由以下重量百分比的原料组成：硅酸盐水泥32%-34%，铝酸钙8.8%-9%，氧化镁5%-7%，三氧化硫0.5%-2%，聚羧酸高性能减水剂0.2%-0.3%，絮凝剂0.3%-0.7%，速凝剂0.05%-0.2%，引气剂0.05%-0.2%，阻锈剂0.05%-0.3%，细骨料26%-31%，粗骨料13%-18%，水8.4%-8.5%。

所述的硅酸盐水泥优选为普通硅酸盐42.5R水泥。

所述的絮凝剂为丙烯酸类絮凝剂，优选为UWB-Ⅱ。

所述的速凝剂可选用碳酸锂、硅酸钠或铝酸钾，优选为碳酸锂。

所述的引气剂可选用木质素磺酸钙或烷基苯酸，优选为JM2000新型混凝土引气剂。

所述的阻锈剂可选用亚硝酸盐类、氨基醇或氨基羧酸类阻锈剂，本材料优选为亚硝酸钙。

为了实现上述目的，本发明还提供一种该水泥基复合材料的制备方法，具体如下，按原料所需配比依次称取铝酸钙、硅酸盐水泥、氧化镁、三氧化硫、聚羧酸高性能减水剂、速凝剂、絮凝剂、引气剂、阻锈剂、细骨料及粗骨料，置于搅拌筒内，匀速搅拌5-10分钟，待材料搅拌均匀后，将所需配比重量的水缓慢加入到搅拌筒内，持续搅拌1-2分钟，直至材料均匀黏稠为止。

本发明的有益效果。

本发明所用的铝酸钙水化反应迅速并释放大量水化热使的早期强度提高迅速，且在水化过程中生成氢氧化铝凝胶在混凝土颗粒表面形成保护膜，使得混凝土结构致密，具有很强的抗硫酸盐侵蚀性能，因此非常适合水下混凝土建筑的抢修工程；本发明的水泥基复合材料性能优越，各原料之间相互作用，采用优选的Al₂O₃含量大于53%,CaO含量为29%-31%的优质铝酸钙，其与普硅发生反应可以使材料初凝时间短，并提高材料的初期强度；三氧化硫与水反应可以放出大量水化热，促进材料早期反应，提高材料凝结速度；氧化镁水化反应生成氢氧化镁引起材料体积膨胀，提高材料强度及抗裂性能；普通硅酸盐42.5R水泥，作为胶凝材料供应量充足，方便购买，具有强度高、水化热大水化反应速度快等特点；絮凝剂掺入新拌混凝土中，可以保证混凝土在水中浇筑过程中具有抑制水泥流失和骨料离析的特性，通过添加丙烯酸类絮凝剂，其中的水溶性高分子化合具有很强的吸附能力可以将水泥颗粒集料吸附在一起，更有效的提高混凝土抗离析抗水洗能力；减水剂可以保证在混凝土和易性及水泥用量不变的条件下，减少拌合用水量提高混凝土强度，可在和易性及强度不变的条件下，节约水泥用量，聚羧酸高性能减水剂可以硬化水泥浆体的孔结构，延缓铝酸钙产生的水化物进一步转化成介稳相水化产物（CAH₁₀C₂AH₈），进而保证材料的后续强度；速凝剂，作为外加剂可以加速水泥的水化硬化，在短时间内形成足够强度，满足施工需求；速凝剂则可以是材料在极短时间内形成浆体并凝聚成晶体结构，增加其初始结构强度；粗骨料的性能指标对混凝土强度起着重要作用，本发明采用具有连续级配，骨料粒径在5-30mm之间的碎石；细骨料采用连续级配骨料粒径在1-3mm中砂；引气剂提高混凝土流动性改善泵送性能、减少混凝土泌水离析、提高混凝土抗冻性抗渗性及耐久性；阻锈剂可以有效抑制延缓混凝土中钢筋被氯盐锈蚀。

本发明的水泥基复合材料在满足水下不分散的情况下，与普通水下不分散混凝土初凝时间需要几小时相比，本发明在空气中的初凝时间为六分钟，水下为七分钟，初凝时间短。并且早期强度可以达到两小时15Mpa，24小时30MPa。在快速修补工程中，目前被广泛应用的普通水下不分散混凝土需要大量的时间进行初凝并且上强度速度缓慢，无法满足工程要求，甚至会延误施工时间，发生较大险情；而本材料所具有的快凝早强的特点，则可以完美解决这一需求。这是目前国内所有水下不分散材料都无法做到的。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1。

一种水下不分散速凝快硬修补水泥基复合材料及其制备方法，所采用的材料包括铝酸钙、普通硅酸盐水泥、氧化镁、三氧化硫、高效减水剂、速凝剂碳酸锂、JM2000新型混凝土引气剂、亚硝酸钙、丙烯酸类絮凝剂、细骨料、粗骨料、水。

其各种材料的配比及制备方法如下。

先按配比将8.8%铝酸钙，32%的普通硅酸盐42.5R水泥，5%的氧化镁，1.2%的三氧化硫，0.3%的聚羧酸高性能减水剂，0.2%的碳酸锂，0.7%的丙烯酸类絮凝剂UWB-Ⅱ，0.2%JM2000新型混凝土引气剂，0.3%亚硝酸钙，26%的细骨料，16.8%的粗骨料；称量好加入搅拌筒内，开动搅拌机将材料搅拌均匀；然后把8.5%的水缓慢加入搅拌筒中，待水全部加入后持续搅拌；直至材料均匀黏稠为止。

一、实施例1中水泥基复合材料的测试结果。

1.凝结时间。

实验仪器采用GB1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法》中所规定的仪器及器具；将按配比制出的材料立即倒入圆模，分为两组，振动数次并刮去多余稠浆，抹干后，一个置于空气中，一个置于水下；最终测定空气中材料初凝时间为6分钟，水下初凝时间为7分钟。

2.抗压强度。

将水下不分散水泥基复合材料按比例共计2000g倒入搅拌筒内，加入固定比例的水，搅拌均匀后立即倒入4×4×16cm³试模中，用捣棒夯实20次，并将试模在地面振动2-3分钟，同时用抹子抹去表面溢出的多余材料，将同一试模中的三个试件条编号，标记龄期等。两小时后测定材料抗压强度，取三个试件的平均值，最终测得强度为15Mpa。

3.实施例1性能检测结果，见表1。

表1 实施例1水泥基复合材料的性能检测结果。

二、本发明水泥基复合材料的使用方法-导管法。

1.准备工作：检查制备的水泥基材料材料的均匀性，流动性，应无明显泌水离析现象，塌落度控制在180-220mm之间；计算导管作用半径，将导管进行详细布置。

2.直升导管法浇筑：采用密封性能较强的导管，顶部安装漏斗并系牢，导管底部用隔水塞塞住，隔水塞用铁丝吊住；浇筑开始前，将水中导管注满塌落度良好的水泥基复合机材料，确保打开漏斗后冲出的材料足以将导管底端封住，使水不能进入导管；满足要求后，将铁丝剪断，开始进行浇筑。

在浇筑过程中，应保持装料漏斗时刻加满材料，并进行连续浇筑，连续浇筑可以保证导管内时刻充满材料，且导管下端口必须保证进入浇筑材料内深度不小于1m，防止水流向上逆流现象的出现。

浇筑过程中导管尽量不要水平移动，一边浇筑一边将导管缓缓提起，直至浇筑完成。

实施例2。

水下不分散速凝快硬的水泥基复合材料，是由以下重量百分比的原料组成：硅酸盐水泥32.5%，铝酸钙9%，氧化镁5%，三氧化硫0.5%，聚羧酸高性能减水剂0.2%，丙烯酸类絮凝剂UWB-Ⅱ0.3%，碳酸锂0.15%，JM2000新型混凝土引气剂0.05%，亚硝酸钙0.3%，细骨料28.5%，粗骨料15%，水8.5%。

对比例1。

8.8%粉煤灰，32%的普通硅酸盐42.5R水泥，5%的氧化镁， 0.3%的聚羧酸高性能减水剂，0.2%的碳酸锂，0.7%的丙烯酸类絮凝剂UWB-Ⅱ，0.2%JM2000新型混凝土引气剂，0.3%亚硝酸钙，27%的细骨料，17%的粗骨料，8.5%的水。

经测试该材料将实施例1中的铝酸钙替换为普通水下混凝土常用粉煤灰，且不添加三氧化硫，初凝时间为8h，终凝时间为24h，1d强度为8.3Mpa。

对比例2。

8.8%铝酸钙，32%的普通硅酸盐42.5R水泥，5%的氧化镁，1.2%的三氧化硫， 0.2%的碳酸锂，0.7%的丙烯酸类絮凝剂UWB-Ⅱ，0.2%JM2000新型混凝土引气剂，0.3%亚硝酸钙，26%的细骨料，16.8%的粗骨料，8.8%的水。

经测试该材料不添加减水剂的情况下，28d强度为42.8Mpa。

Claims

1.一种水下不分散速凝快硬的水泥基复合材料，其特征在于，是由以下百分比的原料组成：硅酸盐水泥32%-34%，铝酸钙8.8%-9%，氧化镁5%-7%，三氧化硫0.5%-2%，聚羧酸高性能减水剂0.2%-0.3%，絮凝剂0.3%-0.7%，速凝剂0.05%-0.2%，引气剂0.05%-0.2%，阻锈剂0.05%-0.3%，细骨料26%-31%，粗骨料13%-18%，水8.4%-8.5%。

2.如权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述的硅酸盐水泥优选为普通硅酸盐42.5R水泥。

3.如权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述的絮凝剂为丙烯酸类絮凝剂，优选为UWB-Ⅱ。

4.如权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述的速凝剂为碳酸锂、硅酸钠或铝酸钾，优选为碳酸锂；所述的引气剂为木质素磺酸钙或烷基苯酸，优选为JM2000新型混凝土引气剂；所述的阻锈剂为亚硝酸盐类、氨基醇或氨基羧酸类阻锈剂，优选为亚硝酸钙。

5.如权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于，是由以下重量百分比的原料组成：铝酸钙8.8%，普通硅酸盐42.5R水泥32%，氧化镁5%，三氧化硫1.2%，聚羧酸高性能减水剂0.3%，碳酸锂0.2%，丙烯酸类絮凝剂UWB-Ⅱ0.7%，JM2000新型混凝土引气剂0.2%，亚硝酸钙0.3%，细骨料26%，粗骨料16.8%，水8.5%。

6.如权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于，水下不分散速凝快硬的水泥基复合材料，是由以下重量百分比的原料组成：硅酸盐水泥32.5%，铝酸钙9%，氧化镁5%，三氧化硫0.5%，聚羧酸高性能减水剂0.2%，絮凝剂0.3%，速凝剂0.15%，引气剂0.05%，阻锈剂0.3%，细骨料28.5%，粗骨料15%，水8.5%。

7.如权利要求1-6所述的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，具体如下，按原料所需配比依次称取铝酸钙、硅酸盐水泥、氧化镁、三氧化硫、聚羧酸高性能减水剂、速凝剂、絮凝剂、引气剂、阻锈剂、细骨料及粗骨料，置于搅拌筒内，匀速搅拌5-10分钟，待材料搅拌均匀后，将所需配比重量的水缓慢加入到搅拌筒内，持续搅拌1-2分钟，直至材料均匀黏稠为止。