CN112930329A - 具低收缩率的碱活化干混修补砂浆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有低干燥收缩率、无添加普通硅酸盐水泥的修补砂浆,其包含相当高比例的废料。碱活化干混修补砂浆包括一种重量百分比在32%到37%之间的基底材料,选自研磨的粒状高炉矿渣、粉煤灰或其混合物。偏高岭土重量百分比在3%到8%之间。使用了改性的硅酸钾作为碱活化剂,该改性硅酸钾已被氢氧化钾改性,使K2O与SiO2的摩尔比介于1.8到2.2之间。填充剂的用量为重量百分比在50%到54%之间。修补砂浆的干燥收缩率小于或等于0.06%及粘结强度大于或等于0.5MPa,于酸暴露28天后通过计算重量损失所测得的耐酸性小于或等于3.4%,且该修补砂浆的凝固时间大于或等于60分钟。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年4月3日提交的香港专利申请第19121825.4号的优先权,其公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种碱活化的干混修补砂浆。更具体地,本发明涉及一种具有极低的收缩率及对工作环境具有优异耐化学性的碱活化干混修补砂浆。
背景技术
修复混凝土结构在所有已完成的建筑工作中占很大比例。老化基础设施的维护和翻新对修补材料提出了很高的要求,这些修补材料需要很好地粘附到混凝土基材上,同时又具有足够的强度,才能将结构恢复到接近原始的承重能力。混凝土维修通常会在经受恶劣的化学或机械环境的结构区域中进行,并且必须高度耐用。最初,修补砂浆是基于普通硅酸盐水泥的,但许多这类修补砂浆缺乏体积稳定性、耐化学性、强度及对原始混凝土结构的附着力。较新的修补砂浆包括各种聚合物,例如环氧树脂、丙烯酸或聚氨酯;这些材料可能会增加强度和附着力。然而,从修补材料中散发出来的挥发性有机化合物可能会引起施工人员的担忧,且基于有机物的材料与以水泥母体为基底的基材不兼容。
由于普通硅酸盐水泥的生产过程中会产生大量二氧化碳,已研究出在维修时使用水泥的替代品作为环保替代品。因此,不同的回收材料或废料将被考虑用于修补砂浆中。回收物和废料过去已被添加到混凝土组合物中,但如上所述,修补砂浆具有特殊的机械和化学耐受性要求,尤其是修补砂浆非常需要诸如具有体积稳定性、极低收缩率、高耐化学性以及与待修复的混凝土基材牢固粘结之类的要求。因此,在本领域中需要一种环保、不含普通硅酸盐水泥的修补砂浆,此修补砂浆可表现良好的粘合强度和低的干燥收缩率。此外,在本领域中需要具有高抗化学侵蚀性的修补砂浆。
因此,为了解决上述问题,开发了一种新颖的、具低收缩率、无添加普通硅酸盐水泥、碱活化的干混修补砂浆。
发明内容
本发明提供了一种具有低干燥收缩率、高耐化学性、不含普通硅酸盐水泥的修补砂浆,其包含相当高比例的废料。碱活化干混修补砂浆包括一种重量百分比在32%到37%之间的基底材料,选自研磨的粒状高炉矿渣、粉煤灰或其混合物。偏高岭土重量百分比在3%到8%之间。使用了改性的硅酸钾作为碱活化剂,该改性硅酸钾已被氢氧化钾改性,使K2O与SiO2的摩尔比介于1.8到2.2之间。不同种类的填料的使用量为重量百分比为50%至54%。修补砂浆的干燥收缩率小于或等于0.06%及粘结强度大于或等于0.5MPa,于酸暴露28天后通过计算重量损失所测得的耐酸性小于或等于3.4%,且该修补砂浆的凝固时间大于或等于60分钟。
具体实施方式
本发明的环保修补砂浆包括回收的或废弃的基底铝硅酸盐材料。这种回收或废弃材料可选自粒状高炉矿渣(或相似的矿渣)或粉煤灰。炉渣是指将一种金属从其相应的金属矿石中分离出来(例如冶炼)后剩下的材料。粒状的高炉矿渣是通过将高炉中的铁水渣(炼铁和炼钢的副产品)淬火并研磨制成。粒状高炉矿渣的主要成分是氧化钙(30-50%)、二氧化硅(28-38%)、氧化铝(8-24%)和氧化镁(1-18%)。
粉煤灰是煤燃烧的残余产物。成分的范围取决于燃烧的煤的成分,并且往往是针对特定区域的。粉煤灰的主要成分包括含量为重量百分比45-60%的二氧化硅(SiO2)、含量为重量百分比18-32%的氧化铝(Al2O3)及含量为重量百分比2-10%的氧化钙(CaO)。应注意的是,基底材料必须含有可变的成分,因为其为回收材料或废料,可来自多种来源。因此,上述组成物仅为基底材料组成组成物的其中一个示例。矿渣微粉(GGBS)和/或粉煤灰在修补砂浆中的含量为重量百分比22-33%。
偏高岭土也用于本发明的修补砂浆中。偏高岭土由煅烧高岭土形成,为一种粘土矿物。它的钙含量低,主要由含量为重量百分比48-58%的二氧化硅(SiO2)和含量为重量百分比40-50%的氧化铝组成,并含有少量的氧化铁、氧化钙和二氧化钛。尤其,于修补砂浆中选择使用在750至800℃的温度范围内煅烧产生的偏高岭土。偏高岭土在修补砂浆组合物中的含量为重量百分比3-8%。
偏高岭土已被用作常规混凝土混合物中的替代材料,尤其是在可能遭受化学侵蚀(例如氯离子引发的化学侵蚀)的环境中。然而,在本发明中确定了在修补砂浆中使用偏高岭土将导致非常低的干收缩率。低的干收缩率允许将修补砂浆施加到混凝土结构上,粘结到需要修补的区域,并于干燥和固化时而不会开裂。已确定偏高岭土与GGBS或粉煤灰结合可产生足够牢固的粘合剂相,与待修复结构间具有良好粘合性以及高耐久性。
偏高岭土是富含铝酸盐的材料。由于碱活化产生了SiO4和AlO4四面体骨架,这些骨架由共享的氧以聚唾液酸或聚唾液酸-硅氧烷或聚唾液酸-二硅氧烷的形式连接在一起,因此偏高岭土的添加会产生具有致密无定形相的改善结构,包括一半结晶3-D铝硅酸盐微结构。致密的3-D结构体积稳定且干燥收缩率非常低。
经碱活化的基底材料将产生结合在一起的多种反应产物。在低钙含量材料的碱活化过程中会发生反应,使铝硅酸盐材料被碱性材料溶解。亦即,通过碱性材料的缩合将矿物质「解聚」为它们的组成单体。溶解将导致形成共价键合的Si-O-Si和Al-O-Si单元的反应性单元。铝原子进入Si-O-Si单元中,形成铝硅酸盐凝胶。形成凝胶后,产生冷凝的结构,并结晶成聚合物网络。由于形成聚合物网络,因此一些碱活化材料被称为「地质聚合物」。
关于较高钙含量的原料的碱活化过程,形成类硅酸钙水合物相,作为反应产物。类似于低钙含量材料的碱活化过程,形成了铝硅酸盐凝胶以及硬化的聚合物网络形成了修补砂浆的粘结相。
在本发明中,改性硅酸钾(K2SiO3)可用作碱活化剂。硅酸钾被氢氧化钾(KOH)改性,使得SiO2与K2O的摩尔比介于1.8到2.2之间。改性剂以干粉形式存在,避免了使用液态碱活化剂会带来的许多安全隐患(运输问题、化学灼伤问题等)。可替代地,可使用其它的改性碱活化剂,例如钠基活化剂或锂基活化剂。在修补砂浆中,改性的碱活化剂的含量占重量百分比5%至6%。
可以在修补砂浆中添加其他材料,以改善机械性能如可加工性和凝固时间。例如,可以添加重量百分比在0.01%到0.2%之间的缓凝剂,如NaHCO3。缓凝剂NaHCO3通过在碱活化砂浆中的缓冲作用实现了可控的凝固时间。在新鲜的混合基质中,NaHCO3是一种缓冲剂,用于平衡基质的碱度。它可以协助抵消并限制了基质中碱度的增加,并减缓了早期碱活化的化学反应。因此,可以很好地控制碱活化材料的凝固和硬化过程。特别地,修补砂浆的凝固时间可以被控制为大于60分钟,且在某些情况下可超过90分钟以上。在维修环境中,较长的凝固时间很重要,因为施加的砂浆可能需要成型为复杂的结构,这需要时间才能形成。
可以添加重量百分比在0%到0.1%之间的增稠剂,例如淀粉醚。可以添加重量百分比在0%到0.01%之间的流变改性剂,例如羟丙基甲基纤维素(HPMC)。可以根据不同的应用选择流变。例如,在水平应用中,可使用一种修补砂浆,其粘性低于适用于垂直表面或高架应用的修补砂浆。
可以将重量百分比在0%到0.2%之间的纤维添加到修补砂浆中。玻璃纤维可用作纤维添加剂。由于砂浆通常具有较弱的拉伸性能,因此纤维強化可以提高拉伸强度。纤维可以帮助减少修复结构干燥过程中的收缩和龟裂,可以起到防裂剂的作用,因为纤维可以通过将修补砂浆的各个部分彼此粘合来防止裂纹扩展。
填料为修补砂浆提供了抗压强度和膨松度,其可以根据修补砂浆的所需耐久性、强度和可加工性进行选择。本公开的修补砂浆可以包括不同数量的沙和/或轻质骨料。骨料的总量在重量百分比为50%至54%的范围内,其中沙的含量为重量百分比50至52%之间,而轻质骨料的含量为重量百分比0至2%之间。特别地,可以使用不同等级的沙。例如,可以使用直径在0.5毫米或更小、含量为重量百分比20至21%的分级石英砂,以及可以使用直径0.5毫米至1.2毫米、含量为重量百分比30至31%的的分级硅砂。
在混合过程中,水的添加量为重量百分比15至18%之间,更优选为重量百分比16至17%。由于干混修补砂浆中已经存在碱活化剂,因此无需其他液体即可制备修补砂浆。通过将碱活化剂作为干燥成分添加到干混修补砂浆中,由于混合物是在受控的环境中而不是在工作现场制备的,因此可以确保在整个混合物中均匀分布的精确激活量。此外,使用干混配方可确保批次之间均具有适当的量。本发明的修补砂浆表现出优异的耐化学性,并且可以用于有耐腐蚀需求的维修中(例如耐氯离子渗透以减少钢筋的腐蚀)。修补砂浆还显示出优异的耐酸性。需要耐化学性的特殊应用包括与受污染的酸性化学源接触的混凝土结构。修补砂浆还表现出极低的干燥收缩率,小于600微应变(即小于或等于0.06%或0.6mm/m)。凝固时间是可控制的,并且可以被控制为设定在60分钟或更长,并且在一些实施例中,设定为90分钟或更长。本发明的修补砂浆在7天和28天时也显示出高的抗压强度,分别为30MPa和35MPa。可以根据维修应用选择性地改变强度。为了确保与现有混凝土结构的优异附着,本发明的修补砂浆具有良好的粘结强度,至少0.5MPa,更优选至少2.0MPa。本发明的修补砂浆可以部分地渗透并与被修补的混凝土基材发生化学反应,从而提供良好的粘结强度。
实施例
实施例中的碱活化干混修补砂浆试样按照以下程序制备和处理:
1)将一定量的干粉成分在M-tec MS 1.1N干粉混合机中均匀混合120秒,然后获得并活化了碱活化的干混修补砂浆。
2)添加水至粉末形式的碱活化干混修补砂浆中,将水与干砂浆在Hobart混合器中以每分钟140转的速度混合120秒。随后,将混合速度更改为每分钟285转较高的速度持续混合120秒。完成上述混合程序后,即可制备混合物并准备进行浇铸或测试操作。
3)将碱活化的修补砂浆混合物浇铸在模具中,以形成不同的试样进行测试。
4)模具中的铸件用聚乙烯薄膜包裹,在室温23±2℃和相对湿度60±5%的条件下进行湿气固化24小时。
5)固化24小时后,将样品脱模,并在先前的温度和湿度条件下用聚乙烯片材包裹,以进一步固化直至指定的测试年龄。
测量了碱活化的干混修补砂浆混合物的新拌性能、机械性能和耐久性能。砂浆的凝固时间由维卡针测量,流动性通过ASTM标准流量表测量,通过万能试验机获得在1、7和28天的不同固化年龄下的抗压强度结果和弹性模量,并使用拉力试验机测量粘结强度。除耐久性能外,还根据线性长度变化方法测量诸如干燥收缩率之类的性能,并通过将圆柱状样品浸入5%硫酸溶液中测得重量损失来测试耐酸性。氯离子渗透性通过快速电通量法测定。
实施例1(无添加偏高岭土的比较例)
碱活化材料的成分 | 比例 |
矿渣 | 0.28 |
粉煤灰 | 0.12 |
偏高岭土 | 0 |
硅酸钾粉 | 0.0453 |
氢氧化钾粉 | 0.0046 |
碳酸氢钠 | 0.0020 |
分级硅砂(0至0.5毫米) | 0.2 |
分级硅砂(0.5至1.2毫米) | 0.3 |
混合比例 | 5公斤砂浆加615公斤的水 |
实施例2(具有2%偏高岭土的比较例)
碱活化材料的成分 | 比例 |
矿渣 | 0.28 |
粉煤灰 | 0.10 |
偏高岭土 | 0.02 |
硅酸钾粉 | 0.0453 |
氢氧化钾粉 | 0.0046 |
碳酸氢钠 | 0.0020 |
分级硅砂(0至0.5毫米) | 0.2 |
分级硅砂(0.5至1.2毫米) | 0.3 |
混合比例 | 5公斤砂浆加615公斤的水 |
实施例3(具有3.2%偏高岭土的发明组合物)
实施例4(具有6%偏高岭土的发明组合物)
碱活化材料的成分 | 比例 |
矿渣 | 0.28 |
粉煤灰 | 0.06 |
偏高岭土 | 0.06 |
硅酸钾粉 | 0.0453 |
氢氧化钾粉 | 0.0046 |
碳酸氢钠 | 0.0020 |
分级硅砂(0至0.5毫米) | 0.2 |
分级硅砂(0.5至1.2毫米) | 0.3 |
混合比例 | 5公斤砂浆加615公斤的水 |
实施例5(具有4.8%偏高岭土的发明组合物)
实施例1的性能
实施例1是不含偏高岭土的比较例配方。凝固时间约为90分钟,在第7和第28天的抗压强度分别为29.3和30MPa。然而,28天的干燥收缩率高达0.333%,对于修补砂浆而言太大。28天后在酸溶液中的重量损失为3.5%,氯离子渗透性低,粘结强度高于0.5MPa。結果发现,在该比较例的修补砂浆配方中没有偏高岭土,干燥收缩将是一个严重的问题,因此不适合用作修补砂浆。
实施例2的性能
实施例2是仅含2%偏高岭土的比较例配方。凝固时间约为47分钟,在第7和第28天的抗压强度分别为43.4和46.5MPa。然而,28天的干燥收缩率高达0.113%,尽管比实施例1小,但对于修补砂浆仍然是不可接受的。28天后在酸溶液中的重量损失为3.6%,氯离子渗透性低,粘结强度高于0.5MPa。尽管偏高岭土有助于减少干燥收缩,此干燥收缩水平对于修补砂浆仍然是不可接受的。
实施例3的性能
实施例3(本发明的组合物)是具有3.2%偏高岭土的配方。凝固时间约为46分钟,在第7和第28天的抗压强度分别为42.3和43.6MPa。28天的干燥收缩率为0.052%,这对于修补砂浆是可以接受的。通常,低收缩率修补砂浆需要干燥收缩率小于或等于0.06%。28天后在酸溶液中的重量损失为3.6%,氯离子渗透性低并且粘结强度高于0.5MPa。在这种低收缩率的碱活化干混修补砂浆配方中,3.2%的较高偏高岭土含量有助于进一步将干燥收缩率控制在可接受的水平。
实施例4的性能
实施例4是本发明范围内含有6%偏高岭土的配方。凝固时间约为60分钟,在第7和第28天的抗压强度分别为41.4和46.8MPa。28天的干燥收缩率为0.048%。28天后在酸溶液中的重量损失为3.8%,氯离子渗透性低并且粘结强度高于0.5MPa。在这种低收缩率的碱活化干混修补砂浆配方中,6%的较高偏高岭土含量可将干燥收缩率降至0.048%。然而,通过使用其他功能性混合物,修补砂浆的可加工性可以进一步提高。
实施例5的性能
实施例5是本发明的低收缩碱活化干混修补砂浆的配方,在该配方中添加了增稠剂、流变改性剂和纤维,以调节可加工性和耐用性。凝固时间超过90分钟,在第7和第28天的抗压强度分别为34.6和36.8MPa,足以用于修补砂浆。28天的干燥收缩率为0.048%。28天后在酸溶液中的重量损失为3.4%,氯离子渗透性低并且粘结强度高于0.5MPa。
从前面的描述中,本领域技术人员将理解,可以以各种形式来实现实施例的广泛技术。因此,尽管已经结合实施例的特定示例描述该实施例,但这并不限制其真实范围,因为通过研究附图、说明书和所附权利要求书,其他修改对熟练技术人员将变得显而易见。
Claims (14)
1.一种具有低收缩率、无添加普通硅酸盐水泥的碱活化干混修补砂浆,其特征在于,包括:
一种重量百分比在32%到37%之间的基底材料,选自研磨的粒状高炉矿渣、粉煤灰或其混合物;
重量百分比在3%到8%之间的偏高岭土;
一种作为碱活化剂的改性硅酸钾,所述改性硅酸钾已被氢氧化钾改性,使K2O与SiO2的摩尔比介于1.8到2.2之间;
一种重量百分比在50%到54%之间的填料,
其中,所述修补砂浆的干燥收缩率小于或等于0.06%及粘结强度大于或等于0.5MPa,于酸暴露28天后通过计算重量损失所测得的耐酸性小于或等于3.4%,且所述修补砂浆的凝固时间大于或等于60分钟。
2.根据权利要求1所述的具有低收缩率、无添加普通硅酸盐水泥的碱活化干混修补砂浆,其中所述偏高岭土在750至800℃的温度范围内煅烧而成。
3.根据权利要求1所述的具有低收缩率、无添加普通硅酸盐水泥的碱活化干混修补砂浆,其中所述修补砂浆进一步包含重量百分比小于或等于0.02%的纤维添加剂。
4.根据权利要求1所述的具有低收缩率、无添加普通硅酸盐水泥的碱活化干混修补砂浆,其中所述粘结强度至少为2MPa。
5.根据权利要求1所述的具有低收缩率、无添加普通硅酸盐水泥的碱活化干混修补砂浆,其中所述修补砂浆具有低氯离子渗透性。
6.根据权利要求1所述的具有低收缩率、无添加普通硅酸盐水泥的碱活化干混修补砂浆,其中所述修补砂浆进一步包含重量百分比小于或等于0.008%的羟丙基甲基纤维素。
7.根据权利要求1所述的具有低收缩率、无添加普通硅酸盐水泥的碱活化干混修补砂浆,其中所述填料是分级硅砂。
8.根据权利要求7所述的具有低收缩率、无添加普通硅酸盐水泥的碱活化干混修补砂浆,其中一部分所述硅砂小于0.5毫米。
9.根据权利要求7所述的具有低收缩率、无添加普通硅酸盐水泥的碱活化干混修补砂浆,其中一部分所述硅砂在0.5毫米到1.2毫米之间。
10.根据权利要求1所述的具有低收缩率、无添加普通硅酸盐水泥的碱活化干混修补砂浆,其中固化后的所述修补砂浆的7天抗压强度至少为30MPa。
11.根据权利要求1所述的具有低收缩率、无添加普通硅酸盐水泥的碱活化干混修补砂浆,其中固化后的所述修补砂浆的28天抗压强度至少为35MPa。
12.根据权利要求1所述的具有低收缩率、无添加普通硅酸盐水泥的碱活化干混修补砂浆,其中所述修补砂浆的干燥收缩率小于或等于0.048%。
13.根据权利要求1所述的具有低收缩率、无添加普通硅酸盐水泥的碱活化干混修补砂浆,其中固化后的所述修补砂浆的28天抗压强度至少为46MPa。
14.根据权利要求1所述的具有低收缩率、无添加普通硅酸盐水泥的碱活化干混修补砂浆,其中所述修补砂浆的凝结时间大于或等于90分钟。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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REG | Reference to a national code |
Ref country code: HK Ref legal event code: DE Ref document number: 40045265 Country of ref document: HK |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210608 |