CN117125945B - 一种低粘度高稳定性工程修复材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低粘度高稳定性工程修复材料及制备方法，属于建筑材料技术领域。该混凝土包括如下原料：水泥、粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、黄砂、减水剂、微丝钢纤维、化学降粘剂以及缓凝剂，各成分的单方用量配比如下：水泥：600～700重量份，粉煤灰：40～60重量份，粒化高炉矿渣粉：250~350重量份，硅灰：40~60重量份，黄砂：800～1000重量份，减水剂：40~50重量份，微丝钢纤维：40~80重量份，以及掺量为A的化学降粘剂、掺量为B的缓凝剂。该修复材料添加化学降粘剂和缓凝剂后，有效提高了修复材料的经时流动性能，更适用于长程输送，满足复杂工况需求。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种低粘度高稳定性工程修复材料及制备方法。
背景技术
超高性能混凝土（ultra-high performance concrete, UHPC）具有超高强度、高韧性及高耐久性的特点，常用在长跨径桥梁、市政工程结构快速修复，水利水电建设，核电工程等领域，取得了较好的应用效果。
但在实际工程施工中，超高性能混凝土逐渐出现应用技术问题，在修复工程中体现尤为明显。在修复工程中，经常要求在狭窄密闭空间灌注超高性能修复材料。为保证灌注密实度，通常会施加灌注压力，这对修复用超高性能材料的流动性能提出了相当高的要求。通常来说，超高性能混凝土的流动与输送性能主要由混凝土的初始屈服应力和剪切塑性粘度决定，初始屈服应力在混凝土液化初期发挥作用，而受混凝土内粘聚力影响的剪切塑性粘度则影响混凝土输送、浇筑的施工过程，为关键控制因素。为追求混凝土超高强度，增加混凝土硬化浆体密实度，超高性能混凝土中添加了大量粒径、粒形不同的胶凝颗粒、纳米颗粒，水胶比极低，吸水速率快，混凝土内粘聚力很高。混凝土细管径输送时栓流明显，出口压力过高且容易断流，给修复材料的顺利灌注带来了极大困扰。但如果一味降低粘度，浆液中的分散质和胶体颗粒受重力或其他因素影响会偏离介稳状态，容易引发浆体离析、钢纤维沉降、堵管等安全技术问题。
因此，针对前述问题，如何提供一种低粘度高稳定性的工程修复材料及制备方法，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明提供低粘度高稳定性工程修复材料及制备方法，该工程修复材料具备较低的塑性粘度，但同时，包含有增韧纤维的复合浆体具备较高的稳定性，纤维分布均匀，不易堵管，有效降低了结构修复的施工风险，提高了修复材料浇筑质量。
为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：
一种低粘度高稳定性工程修复材料，包括如下原料：水泥、粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、黄砂、减水剂、微丝钢纤维、化学降粘剂以及缓凝剂，以1 m3混凝土原料用量计，各成分用量配比如下：
水泥：600～700重量份，粉煤灰：40～60重量份，粒化高炉矿渣粉：250~350重量份，硅灰：40~60重量份，黄砂：800～1000重量份，减水剂：40~50重量份，微丝钢纤维：40~80重量份，以及掺量为A的化学降粘剂、掺量为B的缓凝剂；所述化学降粘剂掺量A的确定过程如下：
第一步，灰度比较的控制值H0由标准配合比试配实验得出，进行标准配合比试配实验时，化学降粘剂和缓凝剂的掺量为0，进行一定批次相同配合比试配实验，取其浆液边缘固定间距灰度差平均值作为灰度差控制值H0；
第二步，进行修复材料配比实验，配合比中掺入化学降粘剂，缓凝剂掺量为0，材料搅拌完成后立即进行砂浆流动度、混凝土坍落度或坍落扩展度的流动性测试；
第三步，观测修复材料流动性测试的实验结果，应用工业相机拍摄实验结果黑白照片，选择修复材料浆液边缘明显层析处作为测量点，进行灰度标注，并固定标注间距；
第四步，应用计算机视觉分析软件对各测量点灰度进行分析，比较相邻测量点灰度差，若灰度差H1小于控制值H0时，认为胶凝材料浆液处于低离析状态，即修复材料具备高稳定性；
第五步，逐步增加化学降粘剂掺入量，同时重复前述第二步至第四步，直至修复材料边缘灰度差Hn等于控制值H0，停止实验，则此时的化学降粘剂掺入量即为化学降粘剂掺量A。
进一步地，所述缓凝剂掺量B的确定过程如下：
步骤（1），进行修复材料配比实验，配合比中掺入掺量A的化学降粘剂，同时掺入缓凝剂，材料搅拌完成后，静置修复材料一定时间，投入搅拌机搅拌使其恢复流动性，随后进行砂浆流动度、混凝土坍落度或坍落扩展度的流动性测试，修复材料流动性测试结果应满足工程需求；
步骤（2），参照所述第三步和第四步实验测量材料抗离析性能；
步骤（3），逐步增加缓凝剂掺入量，同时重复前述第三步和第四步，直至修复材料边缘灰度差Vn等于控制值H0，停止实验，则此时的缓凝剂掺入量即为缓凝剂掺量B。
进一步地，所述微丝钢纤维为市售超高性能混凝土用微丝钢纤维，长度为6mm~13mm，抗拉强度≥2000 MPa。
进一步地，所述水泥为P.II 52.5硅酸盐水泥，粒径范围为20~30微米。
进一步地，所述减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水率≥30%。
进一步地，所述化学降粘剂选自有机酸盐、聚羧酸类高分子或磷酸盐中的一种。
进一步地，所述缓凝剂选自羟基羧酸、多元醇或糖类中的一种。
本发明还提供了一种低粘度高稳定性工程修复材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1: 向搅拌机内加入水泥、黄砂、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰以及硅灰，并搅拌30~60s；
步骤S2: 加入减水剂、化学降粘剂、缓凝剂和水，并搅拌180-300s；
步骤S3: 加入微丝钢纤维，搅拌60s，即可制备得到低粘度高稳定性工程修复材料。
与现有技术相比，本发明有益的技术效果在于：
本发明的低粘度高稳定性工程修复材料及制备方法，制备的工程修复材料，浆体具备较高的稳定性能，兼具较低的粘度，胶凝材料颗粒在其中均匀分散，可充分包裹黄砂等细骨料以及微丝钢纤维等增韧材料，达到协同运动的效果，方便了修复材料的输送，同时满足了工程上对狭窄密闭空间灌浆修复的要求。另外，化学降粘剂和缓凝剂的合理掺入一方面有效提高了修复材料的经时流动性能，使其更适用于长程输送，满足工程复杂工况需求；另一方面化学降粘剂和缓凝剂掺量在可控范围，因此修复材料可保持稳定状态，不会出现离析、断流等不良应用事件，杜绝了施工风险。
附图说明
图1为本发明实施例中工程修复材料低离析状态示意图；
图2为本发明实施例中工程修复材料高离析状态示意图；
图3为普通超高性能混凝土修复材料细管输送时的状态图之一；
图4为普通超高性能混凝土修复材料细管输送时的状态图之二；
图5为本发明实施例中工程修复材料细管输送时的状态图之一；
图6为本发明实施例中工程修复材料细管输送时的状态图之二。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图对本发明提出的低粘度高稳定性工程修复材料及制备方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。
原理：修复材料粘度过高，输送时栓流明显，不易输送；同样，粘度过低，浆液易离析，引发钢纤维沉降、堵管等工程技术问题。因此，解决技术问题的关键在于配制具备高抗离析性、高稳定性、低粘度的工程修复材料。修复材料的离析一般指胶凝材料中固态粒子发生聚团或不规律沉降，直观表现为层析，浆液失去稳定性，可引发黄砂等细骨料与胶凝材料浆液完全分离的不良结果。因此通过观测修复材料流动性测试的实验结果并比较边缘层析部分灰度差值可有效判断修复材料抗离析性能。
实施例：
本发明中低粘度高稳定性工程修复材料，包括如下原料：水泥、粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、黄砂、减水剂、微丝钢纤维、化学降粘剂以及缓凝剂，以1 m3混凝土原料用量计，各成分用量配比（kg/m3）如下：
水泥：600～700重量份，粉煤灰：40～60重量份，粒化高炉矿渣粉：250~350重量份，硅灰：40~60重量份，黄砂：800～1000重量份，减水剂：40~50重量份，微丝钢纤维：40~80重量份，化学降粘剂：1~3重量份，缓凝剂：0.2~1.0重量份。
其中，化学降粘剂掺量A的确定过程如下：
第一步，灰度比较的控制值H0由标准配合比试配实验得出，参考标准为《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）。进行标准配合比试配实验时，化学降粘剂和缓凝剂的掺量为0，进行一定批次相同配合比试配实验，取其浆液边缘固定间距灰度差平均值作为灰度差控制值H0；当需要增加测量点，减少测量误差时，可对坍落后混凝土进行切分后测量。
第二步，进行修复材料配比实验，配合比中掺入化学降粘剂，缓凝剂掺量为0，材料搅拌完成后立即进行砂浆流动度、混凝土坍落度或坍落扩展度流动性测试，参考标准为《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T 2419-2005）；《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T50080-2016），修复材料流动性测试结果应满足工程需求。
第三步，参见图1和图2，观测修复材料流动性测试的实验结果，应用工业相机拍摄实验结果黑白照片，选择修复材料浆液边缘明显层析处作为测量点，进行灰度标注，并固定标注间距。
第四步，应用计算机视觉分析软件例如OpenCV对各测量点灰度进行分析，比较相邻测量点灰度差，若灰度差H1小于控制值H0时，认为胶凝材料浆液处于低离析状态，即修复材料具备高稳定性；
第五步，逐步增加化学降粘剂掺入量，同时重复前述第二步至第四步，直至修复材料边缘灰度差Hn等于控制值H0，停止实验，则此时的化学降粘剂掺入量即为化学降粘剂掺量A。
特别地，缓凝剂掺量B的确定过程如下：
步骤（1），进行修复材料配比实验，配合比中掺入掺量A的化学降粘剂，同时掺入缓凝剂，材料搅拌完成后，参考《混凝土质量控制标准》（GB 50164-2011）附录A标准方法，静置修复材料一定时间（由工程需求确定），投入搅拌机搅拌使其恢复流动性，随后进行砂浆流动度、混凝土坍落度或坍落扩展度流动性测试，参考标准为《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T 2419-2005）；《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080-2016），修复材料流动性测试结果应满足工程需求；
步骤（2），参照所述第三步和第四步实验测量材料抗离析性能；
步骤（3），逐步增加缓凝剂掺入量，同时重复前述第三步和第四步，直至修复材料边缘灰度差Vn等于控制值H0，停止实验，则此时的缓凝剂掺入量即为缓凝剂掺量B。
特别地，微丝钢纤维为市售超高性能混凝土用微丝钢纤维，长度为6mm~13mm，抗拉强度≥2000 MPa。水泥为P.II 52.5硅酸盐水泥，粒径范围为20~30微米。粒化高炉矿渣粉等级包括S95、S105、S115，细骨料为中砂，细度模数为2.3~3.0。减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水率≥30%。水为普通自来水。化学降粘剂选用混凝土行业常用降粘剂，其组分一般为有机酸盐、聚羧酸类高分子或磷酸盐中的一种。缓凝剂选用混凝土行业常用缓凝剂，其成分一般为羟基羧酸、多元醇或糖类中的一种。
本发明还提供了一种低粘度高稳定性工程修复材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1: 向搅拌机内加入水泥、黄砂、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰以及硅灰，并搅拌30~60s；
步骤S2: 加入减水剂、化学降粘剂、缓凝剂和水，并搅拌180-300s；
步骤S3: 加入微丝钢纤维，搅拌60s，即可制备得到低粘度高稳定性工程修复材料。
下面表1为CM0为普通UHPC修复材料配合比设计，表2和表3为两组不同的低粘度高稳定性工程修复材料配合比设计，表2为CM1第一组低粘度高稳定性工程修复材料配合比设计，表3为CM2第二组低粘度高稳定性工程修复材料配合比设计，其中，单位：Kg/m3，Kg/m3表示1 m3混凝土中原料用量。另外，CM1中化学降粘剂为柠檬酸盐，缓凝剂为葡萄糖，CM2中化学降粘剂为聚羧酸酯，缓凝剂为酒石酸。
表1 CM0普通UHPC修复材料配合比设计
表2 CM1低粘度高稳定性工程修复材料配合比设计
表3 CM2低粘度高稳定性工程修复材料配合比设计
制备得到UHPC拌合物，根据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试其抗压与抗折强度，根据《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T 2419-2005）测试其砂浆流动度、混凝土坍落度或坍落扩展度，表4为UHPC性能测试结果分析。
表4 UHPC性能测试结果分析
结合图3至图6可见，CM0普通超高性能混凝土修复材料细管输送时，输送过程发生断流现象，变管径时堵塞无法排出。CM1和CM2低粘度高稳定性工程修复材料细管输送时，输送过程通畅，无堵塞、断流现象。
而且，由表4 UHPC性能测试结果分析结果可见，CM1和CM2与CM0（未添加化学降粘剂和缓凝剂）相比，其力学性能（28d抗压强度、28d抗折强度）处于同一水平，但CM1和CM2的流动性均比CM0更加优异。可见，本发明所提供的低粘度高稳定性工程修复材料添加化学降粘剂和缓凝剂后，有效提高了修复材料的经时流动性能，使其更适用于长程输送，满足工程复杂工况需求。而且，化学降粘剂和缓凝剂的掺量在可控范围，因此修复材料可保持稳定状态，不会出现离析、断流等不良应用事件，杜绝了施工风险，因此，本申请的技术产品具有广阔的市场应用前景。
上述实例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受以上实施例的限制。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种低粘度高稳定性工程修复材料，其特征在于，包括如下原料：水泥、粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、黄砂、减水剂、微丝钢纤维、化学降粘剂以及缓凝剂，以1 m3混凝土原料用量计，各成分用量配比如下：
水泥：600～700重量份，粉煤灰：40～60重量份，粒化高炉矿渣粉：250~350重量份，硅灰：40~60重量份，黄砂：800～1000重量份，减水剂：40~50重量份，微丝钢纤维：40~80重量份，以及掺量为A的化学降粘剂、掺量为B的缓凝剂；
所述化学降粘剂的掺量A的确定过程如下：
第一步 灰度比较的控制值H0由标准配合比试配实验得出，进行标准配合比试配实验时，化学降粘剂和缓凝剂的掺量为0，进行一定批次相同配合比试配实验，取其浆液边缘固定间距灰度差平均值作为控制值H0；
第二步 进行修复材料配比实验，配合比中掺入化学降粘剂，缓凝剂掺量为0，材料搅拌完成后立即进行砂浆流动度、混凝土坍落度或坍落扩展度的流动性测试；
第三步 观测修复材料流动性测试的实验结果，应用工业相机拍摄实验结果黑白照片，选择修复材料浆液边缘明显层析处作为测量点，进行灰度标注，并固定标注间距；
第四步 应用计算机视觉分析软件对各测量点灰度进行分析，比较相邻测量点灰度差，若灰度差H1小于控制值H0时，认为胶凝材料浆液处于低离析状态，即修复材料具备高稳定性；
第五步 逐步增加化学降粘剂掺入量，同时重复所述第二步至第四步，直至修复材料边缘灰度差Hn等于控制值H0，停止实验，则此时的化学降粘剂掺入量即为化学降粘剂掺量A；
所述缓凝剂的掺量B的确定过程如下：
步骤（1）进行修复材料配比实验，配合比中掺入掺量A的化学降粘剂，同时掺入缓凝剂，材料搅拌完成后，静置修复材料一定时间，投入搅拌机搅拌使其恢复流动性，随后进行砂浆流动度、混凝土坍落度或坍落扩展度的流动性测试，修复材料流动性测试结果应满足工程需求；
步骤（2）参照所述第三步和第四步实验测量材料抗离析性能；
步骤（3）逐步增加缓凝剂掺入量，同时重复所述第三步和第四步，直至修复材料边缘灰度差Vn等于控制值H0，停止实验，则此时的缓凝剂掺入量即为缓凝剂掺量B。
2.根据权利要求1所述的低粘度高稳定性工程修复材料，其特征在于，所述微丝钢纤维为市售超高性能混凝土用微丝钢纤维，长度为6mm~13mm，抗拉强度≥2000 MPa。
3.根据权利要求1所述的低粘度高稳定性工程修复材料，其特征在于，所述水泥为P.II52.5硅酸盐水泥，粒径范围为20~30微米。
4.根据权利要求1所述的低粘度高稳定性工程修复材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水率≥30%。
5.根据权利要求1所述的低粘度高稳定性工程修复材料，其特征在于，所述化学降粘剂选自有机酸盐、聚羧酸类高分子或磷酸盐中的一种。
6.根据权利要求1所述的低粘度高稳定性工程修复材料，其特征在于，所述缓凝剂选自羟基羧酸、多元醇或糖类中的一种。
7.一种根据权利要求1至6任一项所述的低粘度高稳定性工程修复材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1:向搅拌机内加入水泥、黄砂、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰以及硅灰，并搅拌30~60s；
步骤S2: 加入减水剂、化学降粘剂、缓凝剂和水，并搅拌180-300s；
步骤S3: 加入微丝钢纤维，搅拌60s，即可制备得到低粘度高稳定性工程修复材料。
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