CN117263628A - 一种混凝土修补材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种混凝土修补材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种混凝土修补材料及其制备方法和应用，属于建筑材料技术领域。本发明提供的混凝土修补材料，以质量份数计，包括以下制备原料：水泥600～650份、石粉150～180份、硅灰120～150份、磷石膏骨料100～450份、砂粒510～1140份、减水剂30～35份和水120～160份。本发明提供的混凝土修补材料在较高磷石膏骨料掺量的基础上仍具有较高的强度，凝结硬化速度快，能够快速完成修补。

Description

一种混凝土修补材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种混凝土修补材料及其制备方法和应用。
背景技术
磷石膏是磷化工企业湿法生产磷酸的工业副产品，当前关于磷石膏资源化利用的研究，主要集中在建造石膏墙/板材、改良碱性土壤等。然而，这些技术对磷石膏的消耗有限，生产附加值不高。混凝土是目前用量最大的建筑材料，如果将磷石膏制备骨料，用在体量大的混凝土生产中，不仅会缓解骨料等自然资源的消耗，降低混凝土的成本，还会提高磷石膏的利用率。
硫铝酸盐体系是一种具有早强、快硬的水硬性胶凝材料，它的主要矿物组成是无水硫铝酸钙和硅酸二钙。硫铝酸盐体系的混凝土已经广泛用于防水堵漏和快速修补等紧急工程，但是存在修补时效长的问题，因此，仅依靠硫铝酸盐水泥本身早期水化和性能已经无法满足工程需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混凝土修补材料及其制备方法和应用。本发明提供的混凝土修补材料在较高磷石膏骨料掺量的基础上仍具有较高的强度，凝结硬化速度快，能够快速完成修补。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种混凝土修补材料，以质量份数计，包括以下制备原料：
水泥600～650份、石粉150～180份、硅灰120～150份、磷石膏骨料100～450份、砂粒510～1140份、减水剂30～35份和水120～160份。
优选地，所述水泥包括硫铝酸盐水泥；所述水泥的粒径为0.380～63.096μm。
优选地，所述石粉的粒径为0.363～13.183μm。
优选地，所述硅灰的粒径为0.24～45.709μm。
优选地，所述磷石膏骨料包括磷石膏核芯以及依次包裹在所述磷石膏核芯表面的过硫磷石膏层和水泥层；所述磷石膏核芯、过硫磷石膏层和水泥层的质量比为90～110：90～110：3～7；所述磷石膏骨料的粒径为2.36～4.75mm。
优选地，所述磷石膏核芯的制备材料包括原状磷石膏、氧化钙、水泥熟料、矿粉和电杆余浆，所述原状磷石膏、氧化钙、水泥熟料、矿粉和电杆余浆的质量比为85～90：0.20～0.30：2～6：5.50～6.00：1～3；
所述过硫磷石膏层的制备材料包括细磷石膏、矿渣和水泥熟料，所述细磷石膏、矿渣和水泥熟料的质量比为40～50：45～55：3～7；
所述水泥层的制备材料包括硅酸盐水泥和磷石膏水泥，所述硅酸盐水泥和磷石膏水泥的质量比为50～60：40～50。
优选地，所述砂粒为石英砂，所述砂粒包括第一砂粒、第二砂粒和第三砂粒，所述第一砂粒、第二砂粒和第三砂粒的质量比为15～70：18～22：18～22；
所述第一砂粒的粒径为2.36～4.75mm；
所述第二砂粒的粒径为0.6～1.25mm；
所述第三砂粒的粒径为0.05～0.6mm，且不等于0.6mm。
本发明提供了上述技术方案所述混凝土修补材料的制备方法，包括以下步骤：
将所述制备原料混合，依次经成型和养护，得到混凝土修补材料。
优选地，所述养护的温度为18～22℃，相对湿度≥95％，时间为1～28d。
本发明提供了上述技术方案所述混凝土修补材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的混凝土修补材料在路面、桥面或轨道修补中的应用。
本发明提供的混凝土修补材料，以质量份数计，包括以下制备原料：水泥600～650份、石粉150～180份、硅灰120～150份、磷石膏骨料100～450份、砂粒510～1140份、减水剂30～35份和水120～160份。本发明采用磷石膏骨料代替砂粒，由于磷石膏骨料与水泥基体之间发生Ca2-和SO4 2-的离子交换，磷石膏骨料提供的SO4 2-与水泥发生反应，缩短了水泥的凝结时间，从而达到快速修补的效果。同时，磷石膏骨料与水泥之间的离子交换使得它们之间形成一层保护层，从而将磷石膏骨料包裹起来，使得磷石膏骨料与水泥基体结合的更好，磷石膏骨料与水泥基体的界面过渡区优于磷石膏骨料本身，因此能够在保证所述混凝土修补材料在较高磷石膏骨料掺量的基础上仍具有较高的力学强度，避免出现膨胀开裂问题，还能降低混凝土修补材料中砂粒的添加量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1～4所得混凝土修补材料的抗压强度测试结果图；
图2为实施例1～4所得混凝土修补材料的抗折强度测试结果图；
图3为实施例1～4所得水泥浆的流动度测试结果图；
图4为实施例1～4所得水泥浆的凝结时间测试结果图；
图5为实施例3所得混凝土修补材料SEM图；
图6为实施例3所得混凝土修补材料SEM图；
图7为实施例3所得混凝土修补材料SEM图；
图8为实施例3所得混凝土修补材料SEM图；
图9为实施例3所得混凝土修补材料中磷石膏骨料的纳米压痕图；
图10为实施例3所得混凝土修补材料中骨料界面的纳米压痕图。
具体实施方式
本发明提供了一种混凝土修补材料，以质量份数计，包括以下制备原料：
水泥600～650份、石粉150～180份、硅灰120～150份、磷石膏骨料100～450份、砂粒510～1140份、减水剂30～35份和水120～160份。
在本发明中，若无特殊说明，所用原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
以质量份数计，本发明所述混凝土修补材料的制备原料包括水泥600～650份，进一步优选为610～640份，更优选为620～630份。在本发明中，所述水泥优选包括硫铝酸盐水泥。在本发明中，所述水泥的粒径优选为0.380～63.096μm，更优选为0.500～62.000μm。在本发明中，所述硫铝酸盐水泥的强度高、凝结硬化速度快。
以所述水泥的质量份数为基准计，本发明所述混凝土修补材料的制备原料包括石粉150～180份，进一步优选为160～170份。在本发明中，所述石粉的粒径优选为0.363～13.183μm，更优选为0.300～13.100μm。在本发明中，所述石粉的粘结强度高，且能够增加水化产物的成核效应，为晶核提供位点，从而有利于使最终所得混凝土修补材料具有高强、耐久性能好的优势。
以所述水泥的质量份数为基准计，本发明所述混凝土修补材料的制备原料包括硅灰120～150份，进一步优选为130～140份。在本发明中，所述硅灰的粒径优选为0.24～45.709μm，更优选为0.21～45.000μm。在本发明中，所述硅灰具有较高的火山灰活性，能够填充混凝土内部的孔隙，使混凝土内部的活性二氧化硅能够进行二次反应，从而密实混凝土的内部结构。
以所述水泥的质量份数为基准计，本发明所述混凝土修补材料的制备原料包括磷石膏骨料100～450份，进一步优选为150～400份，更优选为200～350份。在本发明中，磷石膏骨料提供CaSO4，起到缩短凝结时间的作用。
在本发明中，所述磷石膏骨料优选包括磷石膏核芯以及依次包裹在所述磷石膏核芯表面的过硫磷石膏层和水泥层；所述磷石膏核芯、过硫磷石膏层和水泥层的质量比优选为90～110：90～110：3～7，更优选为100：100：5；所述磷石膏骨料的粒径优选为2～5mm，更优选为2.36～4.75mm。
在本发明中，所述磷石膏核芯的制备材料优选包括原状磷石膏、氧化钙、水泥熟料、矿粉和电杆余浆；所述原状磷石膏、氧化钙、水泥熟料、矿粉和电杆余浆的质量比优选为85～90：0.20～0.30：2～6：5.50～6.00：1～3，更优选为88：0.26：4：5.74：2。
在本发明中，所述过硫磷石膏层的制备材料优选包括细磷石膏、矿渣和水泥熟料，所述细磷石膏、矿渣和水泥熟料的质量比优选为40～50：45～55：3～7，更优选为45：50：5。
在本发明中，所述水泥层的制备材料优选包括硅酸盐水泥和磷石膏水泥，所述硅酸盐水泥和磷石膏水泥的质量比优选为50～60：40～50，更优选为55：45。
本发明所述磷石膏骨料的制备方法优选包括以下步骤：将原状磷石膏、氧化钙、水泥熟料、矿粉、电杆余浆和水第一混合，进行造粒，得到磷石膏核芯；将磷石膏核芯、细磷石膏、矿渣和水泥熟料第二混合，在所述磷石膏核芯的表面形成过硫磷石膏层，得到磷石膏骨料前驱体；将所述磷石膏骨料前驱体、硅酸盐水泥和磷石膏水泥第三混合，在所述磷石膏骨料前驱体的表面形成水泥层，得到所述磷石膏骨料。在本发明中，所述第一混合中，所述水的质量优选为磷石膏核芯质量的15～18％，更优选为磷石膏核芯质量的16.5％。本发明对所述第一混合、第二混合、第三混合和造粒的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可。
以所述水泥的质量份数为基准计，本发明所述混凝土修补材料的制备原料包括砂粒510～1140份，进一步优选为600～1100份，更优选为700～1000份。在本发明中，所述砂粒优选为石英砂；所述砂粒优选包括第一砂粒、第二砂粒和第三砂粒；所述第一砂粒、第二砂粒和第三砂粒的质量比优选为15～70：18～22：18～22，进一步优选为20～60：19～21：19～21，更优选为30～50：19～20：19～20。在本发明中，所述第一砂粒的粒径优选为2.36～4.75mm；所述第二砂粒的粒径优选为0.6～1.25mm；所述第三砂粒的粒径优选为0.05～0.6mm，且不等于0.6mm。在本发明中，采用三种不同粒径的砂粒配合使用能够使混凝土修补材料的制备原料之间紧密堆积，从而有利于使混凝土修补材料具有强度高的优势。
以所述水泥的质量份数为基准计，本发明所述混凝土修补材料的制备原料包括减水剂30～35份，进一步优选为31～34份，更优选为32～33份。在本发明中，所述减水剂优选包括聚羧酸减水剂。
以所述水泥的质量份数为基准计，本发明所述混凝土修补材料的制备原料包括水120～160份，进一步优选为130～150份，更优选为135～140份。
本发明还提供了上述技术方案所述混凝土修补材料的制备方法，包括以下步骤：
将所述制备原料混合，依次经成型和养护，得到混凝土修补材料。
在本发明中，所述混合优选包括：将水泥、石灰、硅灰、磷石膏骨料和砂粒第一混合，得到预混料；将所述预混料和减水剂、水第二混合，得到水泥浆。
本发明将水泥、石灰、硅灰、磷石膏骨料和砂粒第一混合，得到预混料。在本发明中，所述第一混合优选在搅拌的条件下进行；所述搅拌的转速优选为130～140rpm，进一步优选为132～138rpm，更优选为133～135rpm；时间优选为55～65s，更优选为60s。在本发明的实施例中，所述第三混合在搅拌锅中进行。
得到预混料后，本发明将所述预混料和减水剂、水第二混合，得到水泥浆。在本发明中，所述第二混合优选包括依次进行的第一慢搅、第二慢搅、静置和快搅。在本发明中，所述第一慢搅的转速优选为130～140rpm，时间优选为55～65s，更优选为60s；所述第二慢搅的转速优选为130～140rpm，时间优选为85～95s，更优选为90s；所述静置的时间优选为65～75s，更优选为70s；所述快搅的转速优选为275～285rpm，时间优选为75～85s，更优选为80s。在本发明的实施例中，所述第一、二混合在搅拌锅中进行。
将所述制备原料混合后，本发明依次经成型和养护，得到混凝土修补材料。
在本发明中，所述成型优选包括：将所述混合得到的水泥浆倒入模具中，在振动台上振实，然后将表面刮平后并在表面覆膜，在室温下放置24h后拆模。
在本发明中，所述养护的温度优选为18～22℃，进一步优选为19～21℃，更优选为19～20℃；相对湿度优选为≥95％。在本发明中，所述养护的时间优选为1～28d，具体可以为1d、3d、7d或28d。本发明对所述养护的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程即可。
本发明还提供了上述技术方案所述混凝土修补材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的混凝土修补材料在路面、墙面或轨道修补中的应用。
本发明采用磷石膏骨料制备快速修补材料，一方面实现了磷石膏工业废渣的绿色、高质、规模化利用；另一方面能够降低砂粒的添加量，降低了修补材料的生产成本。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的实施例中，具体试剂的规格如下所示：
氧化钙(为昆山金城试剂有限公司生产)；
矿粉(为武钢公司生产)；
细磷石膏(为湖北昌耀公司生产)；
硅酸盐水泥(为华新水泥厂生产)；
石粉(粒径为0.363～13.183μm，为广东新玛特公司生产)；
硅灰(粒径为0.24～45.709μm，为埃肯公司生产)；
第一砂粒(粒径为2.36～4.75mm，取自武汉长江流域普通河砂)；
第二砂粒(粒径为0.6～1.25mm，取自武汉长江流域普通河砂)；
第三砂粒(粒径为0.05～0.6mm且不等于0.6mm，取自武汉长江流域普通河砂)；
减水剂(聚羧酸减水剂，为江苏苏博特公司生产)。
实施例1～4
将原状磷石膏、氧化钙、水泥熟料、矿粉、电杆余浆和水第一混合后造粒，得到磷石膏核芯；其中原状磷石膏、氧化钙、水泥熟料、矿粉和电杆余浆的质量比为88：0.26：4：5.74：2；水的质量为磷石膏核芯的16.5％；
将上述磷石膏核芯与细磷石膏、矿渣、水泥熟料第二混合，在所述磷石膏核芯的表面形成过硫磷石膏层，得到磷石膏骨料前驱体；其中细磷石膏、矿渣和水泥熟料的质量比为45：50：5；
将上述磷石膏骨料前驱体和硅酸盐水泥、磷石膏水泥第三混合，在所述磷石膏骨料前驱体的表面形成水泥层，得到磷石膏骨料(粒径为2.36～4.75mm)；其中硅酸盐水泥和磷石膏水泥的质量比为55：45；磷石膏核芯、过硫磷石膏层和水泥层的质量比为100：100：5。
按照表1中原料配比进行备料；
将水泥、石灰、硅灰、磷石膏骨料和砂粒(包括第一砂粒、第二砂粒和第三砂粒)置于搅拌锅中，在130rpm的转速下搅拌60s，得到预混料；
将聚羧酸减水剂和水加入到预混料中，在130rpm的转速下搅拌60s；再在130rpm的转速下搅拌90s，静置70s；最后在275rpm的转速下搅拌80s，得到水泥浆；
将所得水泥浆倒入模具中，在振动台上振实，然后将表面刮平后并在表面覆膜，在室温下放置24h后拆模；将拆模后的试块放入标准养护室中进行养护，其中养护室的温度为20±2℃，相对湿度为≥95％，养护时间分别为1d、3d、7d和28d，得到混凝土修补材料。
表1实施例1～4所得混凝土修补材料的原料配料表
原料 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
硫铝酸盐水泥/份 627.5 627.5 627.5 627.5
石粉/份 165.75 165.75 165.75 165.75
硅灰/份 135 135 135 135
磷石膏骨料/份 105 210 315 420
第一砂粒/份 767.5 614 460.5 307
第二砂粒/份 202 202 202 202
第三砂粒/份 202 202 202 202
聚羧酸减水剂/份 32.5 32.5 32.5 32.5
水/份 157.5 157.5 157.5 157.5
性能测试
测试例1
将实施例1～4所得混凝土修补材料制备成尺寸40mm×40mm×160mm的试件，按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)进行抗折、抗压强度的测试，得到的测试结果如表2、图1和图2所示(其中A1为实施例1，A2为实施例2，A3为实施例3，A4为实施例4)。
表2实施例1～4所得混凝土修补材料的抗折强度和抗压强度
由表2、图1和图2可以看出，本发明采用磷石膏骨料作为骨料，得到的混凝土修补材料能够在保证良好抗折、抗压强度的基础上，降低砂粒的添加量。随着磷石膏骨料掺入量的增加，所得混凝土修补材料的抗压强度、抗折强度会减小，但是仍然具有较高的抗压强度和抗折强度。这是由于相较于天然砂石磷石膏骨料的强度很低，当磷石膏骨料掺加量增大时，修补材料的强度会变低。
测试例2
对实施例1～4所得水泥浆按照EN 1015-3的标准规范，测量流动度。
测试过程包括：使用截头锥形模具(高度60mm，顶部直径70mm，底部直径100mm)测量水泥浆的扩散流，具体测试过程如下：在模具中填充水泥浆，并将锥体直接向上提起，以使水泥浆自由流动而不会晃动；通过两个垂直直径的平均值计算扩散流，两者的误差不超过2％，取平均值作为流动度的数据；其中流动试验在20±1℃的室温下进行；
得到的测试结果如图3所示(其中A1为实施例1，A2为实施例2，A3为实施例3，A4为实施例4)，从图3可以看出，随着磷石膏骨料掺量的增加，混凝土修补材料的流动度随之下降，最大可降低15％以上，其原因在于磷石膏虽然经过了表面改性，吸水率很小，但是将磷石膏骨料纳入低水胶比的体系中会吸收基体中的水分，从而使得水胶比更小，流动度下降；流动度降低表明基体与骨料之间的润滑性降低。
测试例3
对实施例1～4所得水泥浆按照JGJ/T70-2009的标准规范，测量凝结时间。
测试过程包括：使用圆形模具，在模具中填充水泥浆，从加水时间开始计时，压头压入砂浆内剩5mm左右的余量，当压头与试块面的示数与压下弹回的示数相差为9N时，试块初凝，相差示数为21N时，试块终凝。
得到的测试结果如图4所示(其中A1为实施例1，A2为实施例2，A3为实施例3，A4为实施例4)，从图4可以看出随着磷石膏骨料掺量的增加，混凝土修补材料的凝结时间随之下降，当磷石膏骨料掺入80％时，混凝土修补材料的凝结时间在1h左右，其原因在于，磷石膏骨料与水泥基体之间的离子交换为硫铝酸盐水泥提供了SO4 2-，使得硫铝酸盐水泥的反应加快，从而达到快速凝结的效果。
测试例4
对实施例3所得混凝土修补材料进行扫描电镜测试，得到的SEM图如图5～8所示。从图5可以看出磷石膏骨料和基体之间的缺陷比较少，缺陷主要集中在磷石膏骨料上。从图6～8可以看出混凝土修补材料中存在大量水化产物钙矾石和C-S-H凝胶，从而使得混凝土修补材料的结构致密、抗压强度得到保障。
测视例5
对实施例3所得混凝土修补材料进行纳米压痕测试，得到的磷石膏骨料与骨料界面的纳米压痕图分别是图9、图10。从图9可以看出磷石膏骨料本身的弹性模量约为18MPa，而图10中显示的骨料界面的弹性模量约为30MPa。由此可以看出，该修补材料的界面性能良好。这可能是由于骨料中的离子与水泥基体发生反应，在界面处生成了大量钙矾石和C-S-H凝胶，从而使得界面处弹性模量好。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种混凝土修补材料，以质量份数计，包括以下制备原料：
水泥600～650份、石粉150～180份、硅灰120～150份、磷石膏骨料100～450份、砂粒510～1140份、减水剂30～35份和水120～160份。
2.根据权利要求1所述的混凝土修补材料，其特征在于，所述水泥包括硫铝酸盐水泥；所述水泥的粒径为0.380～63.096μm。
3.根据权利要求1所述的混凝土修补材料，其特征在于，所述石粉的粒径为0.363～13.183μm。
4.根据权利要求1所述的混凝土修补材料，其特征在于，所述硅灰的粒径为0.24～45.709μm。
5.根据权利要求1所述的混凝土修补材料，其特征在于，所述磷石膏骨料包括磷石膏核芯以及依次包裹在所述磷石膏核芯表面的过硫磷石膏层和水泥层；所述磷石膏核芯、过硫磷石膏层和水泥层的质量比为90～110：90～110：3～7；所述磷石膏骨料的粒径为2.36～4.75mm。
6.根据权利要求5所述的混凝土修补材料，其特征在于，所述磷石膏核芯的制备材料包括原状磷石膏、氧化钙、水泥熟料、矿粉和电杆余浆，所述原状磷石膏、氧化钙、水泥熟料、矿粉和电杆余浆的质量比为85～90：0.20～0.30：2～6：5.50～6.00：1～3；
所述过硫磷石膏层的制备材料包括细磷石膏、矿渣和水泥熟料，所述细磷石膏、矿渣和水泥熟料的质量比为40～50：45～55：3～7；
所述水泥层的制备材料包括硅酸盐水泥和磷石膏水泥，所述硅酸盐水泥和磷石膏水泥的质量比为50～60：40～50。
7.根据权利要求1所述的混凝土修补材料，其特征在于，所述砂粒为石英砂，所述砂粒包括第一砂粒、第二砂粒和第三砂粒，所述第一砂粒、第二砂粒和第三砂粒的质量比为15～70：18～22：18～22；
所述第一砂粒的粒径为2.36～4.75mm；
所述第二砂粒的粒径为0.6～1.25mm；
所述第三砂粒的粒径为0.05～0.6mm，且不等于0.6mm。
8.权利要求1～7任一项所述混凝土修补材料的制备方法，包括以下步骤：
将所述制备原料混合，依次经成型和养护，得到混凝土修补材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述养护的温度为18～22℃，相对湿度≥95％，时间为1～28d。
10.权利要求1～7任一项所述混凝土修补材料或权利要求8～9任一项所述制备方法制备得到的混凝土修补材料在路面、桥面或轨道修补中的应用。
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