CN113354354A - 一种低收缩水泥基灌浆材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低收缩水泥基灌浆材料及其制备方法和应用，该低收缩水泥基灌浆材料由水泥基灌浆干料和水按100：(9～11)的质量比混合而成；其中，水泥基灌浆干料包括以下按重量份计的组份：胶材A42～45份；骨料B44～50份；外加剂C1～7份；D组分3～7份。该低收缩水泥基灌浆材料解决了普通水泥基灌浆材料早期抗开裂性能差、抗拉性能低等工程技术难题，且该低收缩水泥基灌浆材料在力学性能及耐久性能方面有一定的提升，适用于高寒恶劣地区建筑物的加固、修补，保证建筑物工程的施工质量及服役期的正常使用。该低收缩水泥基灌浆材料易于施工现场的质量把控，降低拌和工艺及人为因素对施工质量的影响。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种低收缩水泥基灌浆材料及其制备方法和应用。
背景技术
风机基础锚栓组合件是连接风机筒体与基础的重要部位，一般由预埋螺栓与灌浆材料或混凝土组成，其主要作用是锚固风机筒体，使上部荷载均匀地传递给基础，保证风机筒体安装及服役期的稳定性。锚栓组合件灌浆材料一般由水泥、砂子、纤维、硅粉、超高性减水剂以及活性物质等组成，内部含有较多活性化学成分导致其流动性能、力学性能以及早期收缩性能等对环境的变化较为敏感。在高寒等较为恶劣的施工环境中常出现不同程度的早期收缩开裂等现象(如图1所示)，严重影响了锚栓组合件的施工质量，同时给风机安装及服役期正常运行也带来一定安全隐患。
目前对水泥基灌浆材料改性的研究存在仅追求单一性能的改善，而忽视其总体性能。如：具有自密实、早强高强的灌浆材料往往早期收缩抗裂性能较差，在较为恶劣服役环境工况下，其耐久性难以满足实际工程使用功能的要求。此类问题倍受工程界关注，而现有的研究均是针对普通水泥基灌浆材料(抗压强度小于100MPa，流动性小于240mm)展开的，对高性能水泥基灌浆材料的研究较少。另外，目前国内外各种成品灌浆材料的拌和工艺要求均不同，且大多建立在标准试验室环境之上，而工程施工现场难以达到标准的试验环境，加之施工现场大批量拌和工艺与试验室有较大区别，对其性能的影响也不可忽视。通过对目前生产的超强灌浆材料进行检测，其竖向膨胀率超过GB/T50448-2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》中的标准要求。
因此，在现有材料中寻求合理组分，解决现有水泥基灌浆料存在的早期易开裂问题成为迫切需要，而简化施工步骤、规范施工方法更易于对现场施工的灌浆材料质量性能的把控。
发明内容
本发明的目的在于提供一种既满足目标性能设计要求，又能在高寒恶劣环境下具有良好性能的低收缩水泥基灌浆材料及其制备方法和应用。该低收缩灌浆材料可以解决普通水泥基灌浆材料在高寒地区早期抗开裂性能差、抗拉性能低等工程技术难题。在一定程度上提高水泥基灌浆材料的力学性能及耐久性能，从而延建筑物的使用寿命。
为了实现本发明的上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种低收缩水泥基灌浆材料，该低收缩水泥基灌浆材料由水泥基灌浆干料和水按100：(9～11)的质量比混合而成；
所述水泥基灌浆干料包括以下按重量份计的组份：
进一步地，所述胶材A由水泥和硅粉按(40～43)：2的质量比混合而成。具体地，水泥可优选普通的硅酸盐水泥P.O.42.5，硅粉的平均粒径为1μm～3μm。
进一步地，所述骨料B为粒径小于5mm的级配石英砂。
进一步地，所述外加剂C由减水剂和膨胀剂混合而成，其中减水剂的用量为1～3重量份，膨胀剂的用量为0～4重量份。更进一步地，所述减水剂优选粉末状聚羧酸高性能减水剂；所述膨胀剂优选硫铝酸盐类膨胀剂。减水剂可降低水灰比；膨胀剂使灌浆料具有可达到规范要求的膨胀性能。
进一步地，所述D组分为纤维，所述纤维优选镀铜钢纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维或碳纤维中的一种。纤维可抑制灌浆料早期收缩裂缝的产生和发展。
作为进一步地优选方案，所述镀铜钢纤维的直径≥200μm、长度为9mm～13mm；
作为进一步地优选方案，所述聚乙烯醇纤维的直径为100μm～660μm、长度为6mm～20mm；
作为进一步地优选方案，所述聚丙烯纤维的直径为18μm～65μm、长度为3mm～30mm；
作为进一步地优选方案，所述玻璃纤维的直径为4μm～12μm、长度为3mm～15mm；
作为进一步地优选方案，所述碳纤维的直径为7μm～9μm、长度为8mm～10mm。
一种低收缩水泥基灌浆材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.制备并称取42～45重量份的胶材A；
S2.称取44～50重量份的骨料B；
S3.制备并称取1～7重量份的外加剂C；
S4.称取3～7重量份的纤维；
S5.干拌：依次将配方量的胶材A、骨料B及外加剂C投入搅拌机中，在135r/min～145r/min的搅拌速率下干拌60s～120s，再加入配方量的纤维混合搅拌60s～120s，得到水泥基灌浆干料；
S6.装袋：将充分混合的水泥基灌浆干料装入密封袋备用，避免受潮；
S7.混合：向水泥基灌浆干料中加入水，水的加入量是水泥基灌浆干料质量百分数的9～11％，在135r/min～145r/min的搅拌速率下搅拌8min～12min，即得低收缩水泥基灌浆材料。
具体地，所述S1胶材A的制备方法为：将水泥和硅粉按(40～43)：2的质量比混合均匀，即得胶材A；
具体地，所述S3外加剂C的制备方法为：将1～3重量份的减水剂和0～4重量份的膨胀剂均匀混合形成外加剂C。
该低收缩水泥基灌浆材料适用于高寒恶劣地区(年均温度为0～10℃，具有昼夜温差大，冻融循环剧烈，太阳辐射强，盐碱地带强腐蚀性等严酷自然条件地区)水工混凝土缺陷修补、风电设备基础组合件灌浆。
采用上述技术方案，本发明的优点如下：
1、本发明所述的低收缩水泥基灌浆材料物理性质、化学性质稳定，制备方法简单，易于掌握，且原材料易获取，便于储运。
2、本发明所述的低收缩水泥基灌浆材料在保证流动度、抗压强度的前提下，早期收缩率较低，减少了早期收缩裂缝的产生和发展。解决了普通水泥基灌浆材料早期抗开裂性能差、抗拉性能低等工程技术难题。
3、本发明所述的低收缩水泥基灌浆材料与普通和灌浆材料相比，在力学性能及耐久性能方面明显提升，适用于高寒恶劣地区建筑物的加固、修补，保证建筑物工程的施工质量及服役期的正常使用。
4、本发明所述的低收缩水泥基灌浆材料易于施工现场的质量把控，预先配比完成的干料加一定比例的水即可完成拌和，降低拌和工艺及人为因素对施工质量的影响。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为某风机基础锚栓组合件表面的早期开裂图；
图2为实施例4的膨胀曲线图；
图3为实施例5的膨胀曲线图；
图4为实施例6的膨胀曲线图；
图5为低市场上现有的水泥基灌浆材料B的膨胀曲线图；
图6为低收缩水泥基灌浆材料A、B、C与市场上现有的水泥基灌浆材料B的抗压强度对比图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
需要说明的是：
实施例中未注明具体条件者，如无特别说明按照常规条件或制造商建议的条件进行。下述实施例中提及的所有原料如无特别说明均从公开的商业途径获得。
下面结合实施例和对比例对本发明做进一步详细的说明。
实施例1：
本实施例涉及一种低收缩水泥基灌浆材料，该低收缩水泥基灌浆材料由水泥基灌浆干料和水按100：(9～11)的质量比混合而成；
所述水泥基灌浆干料包括以下按重量份计的组份：
该低收缩水泥基灌浆材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.制备并称取42～45份的胶材A；
S2.称取44～50份的骨料B；
S3.制备并称取1～7份的外加剂C；
S4.称取3～7份的D组分(纤维)；
S5.干拌：依次将胶材A、骨料B及外加剂C投入搅拌机中，在135r/min～145r/min的搅拌速率下干拌60s～120s，再加入纤维混合搅拌60s～120s，得到水泥基灌浆干料；
S6.装袋：将充分混合的水泥基灌浆干料装入密封袋备用，避免受潮；
S7.混合：向水泥基灌浆干料中加入水，水的加入量是水泥基灌浆干料质量百分数的9～11％，在135r/min～145r/min的搅拌速率下搅拌8min～12min，即得低收缩水泥基灌浆材料。
本发明以胶材A与骨料B形成水泥基灌浆基材，再掺入适量的外加剂C，外加剂C由减水剂和膨胀剂混合而成，其中掺入减水剂可降低水灰比，提高灌浆料的力学强度；掺入膨胀剂使灌浆料具有可达到规范要求的膨胀性能；掺入优化量的纤维可抑制灌浆料早期收缩裂缝的产生和发展。因此，与普通和灌浆材料相比，该低收缩水泥基灌浆材料解决了普通水泥基灌浆材料早期抗开裂性能差、抗拉性能低等工程技术难题，并在力学性能及耐久性能方面有一定的提升，适用于高寒恶劣地区建筑物的加固、修补，保证建筑物工程的施工质量及服役期的正常使用。
实施例2：
为了解决现有水泥基灌浆料存在的早期易开裂问题，本发明首先通过流动度试验和抗压强度试验筛选得到水泥基灌浆基材的组成及用量，即：优选流动度不小于300mm，30min流动度保持值不小于260mm，抗压强度不小于110MPa的灌浆材料作为水泥基灌浆基材。更进一步地，本实施所确定的水泥基灌浆基材包括以下按重量份计的组分：胶材A42～45份、骨料B 44～50份；具体地，胶材A由水泥和硅粉按(40～43)：2的质量比混合而成。水泥可优选普通的硅酸盐水泥P.O.42.5，硅粉的平均粒径为1μm～3μm。骨料B为粒径小于5mm的级配石英砂。
在保证流动度、抗压强度的前提下，为了提高上述水泥基灌浆基材的力学性能，本发明进一步向水泥基灌浆基材掺入了适量的外加剂C，具体地，外加剂C由减水剂和膨胀剂混合而成。其中掺入减水剂可降低水灰比，从而提高灌浆料的力学强度；掺入膨胀剂使灌浆料具有可达到规范要求的膨胀性能。
需要说明的是，由灌浆料基材的基本性能如泌水率、和易性及抗压强度等进一步确定减水剂的掺量为1～3重量份。膨胀剂的掺量是在保证满足灌浆基材流动度和抗压强度条件的前提下，将掺量为胶材质量4％～10％的膨胀剂与一级基材混合，对比不同掺量的膨胀剂对一级基材早期收缩性能的影响，并选择使一级基材早期收缩率最小的膨胀剂掺量。通过早期收缩性能试验确定膨胀剂的用量为2～4重量份时，本发明灌浆料的膨胀性能满足规范要求，并达到较为稳定效果。
实施例3：
为了减少水泥基灌浆材料早期收缩裂缝的产生和发展，本发明在实施例2的基础上进一步地进行了纤维增强改性试验，具体方法为：通过试验分析不同种类、且占胶材质量0％～20％的不同掺量的纤维对二级基材性能的影响，选择满足目标性能指标且对水泥基灌浆材料抗裂性能改善最明显的纤维掺量。
具体地，本发明通过纤维增强改性试验分析不同种类、不同掺量的纤维对水泥基灌浆材料流动性与收缩开裂、抗压、抗拉、粘结等性能的影响来确定纤维最优掺量及最佳纤维种类如下：纤维种类优选镀铜钢纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维或碳纤维中的一种，且镀铜钢纤维的直径≥200μm、长度为9mm～13mm；聚乙烯醇纤维的直径为100μm～660μm、长度为6mm～20mm；聚丙烯纤维的直径为18μm～65μm、长度为3mm～30mm；玻璃纤维的直径为4μm～12μm、长度为3mm～15mm；碳纤维的直径为7μm～9μm、长度为8mm～10mm。纤维的最优掺量为3～7重量份。
实施例4：
本实施例提供了一种低收缩水泥基灌浆材料，包括胶材A、骨料B、外加剂C、纤维以及水，以重量份计，其中胶材A为44份、骨料B为51份、纤维为5份，水胶比(即水泥基灌浆干料和水的质量比)为11％，外加剂中减水剂为1份，膨胀剂的掺量为2份。
该低收缩水泥基灌浆材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.将水泥和硅粉按(40～43)：2的质量比混合均匀，得胶材A，称取44重量份的胶材A备用；
S2.称取51重量份的骨料B备用；
S3.将1重量份的减水剂和2重量份的膨胀剂混合均匀得外加剂C，称取3重量份的外加剂C备用；
S4.称取5重量份的纤维；
S5.干拌：依次将胶材A、骨料B及外加剂C投入搅拌机中，在135r/min的搅拌速率下干拌60s，再加入纤维混合搅拌120s，得到水泥基灌浆干料；
S6.装袋：将充分混合的水泥基灌浆干料装入密封袋备用，避免受潮；
S7.混合：向水泥基灌浆干料中加入水，水的加入量是水泥基灌浆干料质量百分数的11％，在135r/min的搅拌速率下搅拌12min，获得低收缩水泥基灌浆材料A。
实施例5：
本实施例提供了一种低收缩水泥基灌浆材料，包括胶材A、骨料B、外加剂C、纤维以及水，以重量份计，其中胶材A为44份、骨料B为51份、纤维为5份，水胶比为10％，外加剂中减水剂为1份，膨胀剂的掺量为2份。
该低收缩水泥基灌浆材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.将水泥和硅粉按(40～43)：2的质量比混合均匀，得胶材A，称取44重量份的胶材A备用；
S2.称取51重量份的骨料B备用；
S3.将1重量份的减水剂和2重量份的膨胀剂混合均匀得外加剂C，称取3重量份的外加剂C备用；
S4.称取5重量份的纤维；
S5.干拌：依次将胶材A、骨料B及外加剂C投入搅拌机中，在135r/min的搅拌速率下干拌60s，再加入纤维混合搅拌120s，得到水泥基灌浆干料；
S6.装袋：将充分混合的水泥基灌浆干料装入密封袋备用，避免受潮；
S7.混合：向水泥基灌浆干料中加入水，水的加入量是水泥基灌浆干料质量百分数的10％，在135r/min的搅拌速率下搅拌12min，获得低收缩水泥基灌浆材料B。
实施例6：
本实施例提供了一种低收缩水泥基灌浆材料，包括胶材A、骨料B、外加剂C、纤维以及水，以重量份计，其中胶材A为44份、骨料B为51份、纤维为5份，水胶比为9％，外加剂中减水剂为1份，膨胀剂的掺量为2份。
该低收缩水泥基灌浆材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.将水泥和硅粉按(40～43)：2的质量比混合均匀，得胶材A，称取44重量份的胶材A备用；
S2.称取51重量份的骨料B备用；
S3.将1重量份的减水剂和2重量份的膨胀剂混合均匀得外加剂C，称取3重量份的外加剂C备用；
S4.称取5重量份的纤维；
S5.干拌：依次将胶材A、骨料B及外加剂C投入搅拌机中，在135r/min的搅拌速率下干拌60s，再加入纤维混合搅拌120s，得到水泥基灌浆干料；
S6.装袋：将充分混合的水泥基灌浆干料装入密封袋备用，避免受潮；
S7.混合：向水泥基灌浆干料中加入水，水的加入量是水泥基灌浆干料质量百分数的10％，在135r/min的搅拌速率下搅拌12min，获得低收缩水泥基灌浆材料C。
对实施例4、5、6获得的低收缩水泥基灌浆材料A、B、C与市场上现有的水泥基灌浆材料M(可替换为基材进行比较，基材即为市场现有材料)进行流动度、抗压强度、竖向膨胀率性能的测试。结果见表1、图2、图3、图4、图5、图6。
表1为低收缩水泥基灌浆材料A、B、C与市售水泥基灌浆材料M对比试验结果
结果表明，本发明的低收缩水泥基灌浆材料与市场现有水泥基灌浆材料相比有一定的优越性，其中本发明的低收缩水泥基灌浆材料流动性较好，竖向膨胀率满足规范要求的Ⅱ类灌浆料标准，3d抗压强度较高。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种低收缩水泥基灌浆材料，其特征在于：该低收缩水泥基灌浆材料由水泥基灌浆干料和水按100：(9～11)的质量比混合而成；
所述水泥基灌浆干料包括以下按重量份计的组份：
2.如权利要求1所述的低收缩水泥基灌浆材料，其特征在于：所述胶材A由水泥和硅粉按(40～43)：2的质量比混合而成。
3.如权利要求1所述的一种低收缩水泥基灌浆材料，其特征在于：所述骨料B为粒径小于5mm的级配石英砂。
4.如权利要求1所述的低收缩水泥基灌浆材料，其特征在于：所述外加剂C由减水剂和膨胀剂混合而成，其中减水剂的用量为1～3重量份，膨胀剂的用量为2～4重量份。
5.如权利要求1所述的低收缩水泥基灌浆材料，其特征在于：所述D组分为纤维，所述纤维选自镀铜钢纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维或碳纤维中的一种。
6.如权利要求5所述的低收缩水泥基灌浆材料，其特征在于：所述镀铜钢纤维的直径≥200μm、长度为9mm～13mm；
所述聚乙烯醇纤维的直径为100μm～660μm、长度为6mm～20mm；
所述聚丙烯纤维的直径为18μm～65μm、长度为3mm～30mm；
所述玻璃纤维的直径为4μm～12μm、长度为3mm～15mm；
所述碳纤维的直径为7μm～9μm、长度为8mm～10mm。
7.一种低收缩水泥基灌浆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.制备并称取42～45重量份的胶材A；
S2.称取44～50重量份的骨料B；
S3.制备并称取1～7重量份的外加剂C；
S4.称取3～7重量份的纤维；
S5.干拌：依次将胶材A、骨料B及外加剂C投入搅拌机中，在135r/min～145r/min的搅拌速率下干拌60s～120s，再加入纤维混合搅拌60s～120s，得到水泥基灌浆干料；
S6.装袋：将充分混合的水泥基灌浆干料装入密封袋备用，避免受潮；
S7.混合：向水泥基灌浆干料中加入水，水的加入量是水泥基灌浆干料质量百分数的9～11％，在135r/min～145r/min的搅拌速率下搅拌8min～12min，即得低收缩水泥基灌浆材料。
8.如权利要求7所述的低收缩水泥基灌浆材料的制备方法，其特征在于，所述S1胶材A的制备方法为：将水泥和硅粉按(40～43)：2的质量比混合均匀，即得胶材A。
9.如权利要求7所述的低收缩水泥基灌浆材料的制备方法，其特征在于，所述S3外加剂C的制备方法为：将1～3重量份的减水剂和0～4重量份的膨胀剂均匀混合形成外加剂C。
10.一种低收缩水泥基灌浆材料的应用，其特征在于：该低收缩水泥基灌浆材料适用于年均温度0～10℃的高寒恶劣地区水工混凝土缺陷修补、风电设备基础组合件灌浆。
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