纳米粘土改性纤维水泥砂浆及其制备方法

摘要

本发明涉及一种纳米粘土改性纤维水泥砂浆及其制备方法，属于混凝土制备领域。一种纳米粘土改性纤维水泥砂浆，所述水泥砂浆由凝胶材料、纳米粘土粒子、PVA纤维、塑化剂、减水剂、石英砂和水制成：其中，凝胶材料按质量百分比由60～70％粉煤灰和余量水泥组成；纳米粘土粒子为胶凝材料重量的1％；塑化剂为胶凝材料重量的0.1％～0.2％；减水剂为胶凝材料重量的0.3～0.5％，石英砂为胶凝材料重量的30％～35％；水胶比为0.25～0.35；PVA纤维的掺量为水泥砂浆总体积的1％～2％。本发明所得的纳米粘土改性纤维水泥砂浆，充分利用了纳米粘土颗粒及PVA纤维的独特效用，能够显著提高水泥基体的抗氯离子渗透性能和力学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米粘土改性纤维水泥砂浆及其制备方法，属于混凝土制备领 域。

背景技术

近年来，随着过桥车辆的日趋大型化、重型化以及交通量的迅速增长，车辆对桥 梁构件的冲击力及应力超过的频率也随之增加，对构件疲劳的影响越来越大。这就使 得桥面铺装层处于极其严酷的使用状态，钢筋混凝土桥面铺装层破坏的情况时有发生。 钢筋混凝土桥面铺装层出现破坏的形式，一般和其他混凝土构件相同，有裂缝、磨耗、 剥离、露筋、钢筋锈蚀，严重的还会出现碎裂、脱落、洞穴等，如何对损伤桥梁结构 进行修复加固，延长桥梁结构的使用寿命，已成为国内外关注的焦点问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明研制了一种用以解决梁结构损伤后维修加固的纳米粘土改 性纤维水泥砂浆，由于其优越的抗氯盐渗透性和高韧性，能够有效抵抗外部有害物质 的侵蚀和车辆荷载的连续作用，从而可以有效提高桥梁结构的安全性及使用性，延长 桥梁结构的使用寿命。

一种纳米粘土改性纤维水泥砂浆，所述水泥砂浆由凝胶材料、纳米粘土粒子、PVA 纤维、塑化剂、减水剂、石英砂和水制成：

其中，凝胶材料按质量百分比由60～70％粉煤灰和余量水泥组成；

纳米粘土粒子为胶凝材料重量的1％；塑化剂为胶凝材料重量的0.1％～0.2％；减水 剂为胶凝材料重量的0.3～0.5％，石英砂为胶凝材料重量的30％～35％；

水胶比为0.25～0.35；PVA纤维的掺量为水泥砂浆总体积的1％～2％。

本发明所述纳米粘土粒子为纳米高岭土粒子，其平均粒径为300～500nm，平均片 层厚度为20～50nm。由于其颗粒属于纳米量级，具有显著的小尺寸效应及火山灰效应， 能够填充水泥砂浆基体的微小孔隙，并且能够促进水泥水化反应的进行，优化了水泥 砂浆基体的孔结构，增加了基体的密实性，从而能够有效抵抗外部有害物质侵入混凝 土结构内部。

本发明所述的PVA纤维抗拉强度高、弹性模量高；当纳米粘土与PVA纤维以适 当比例添加到水泥基体中，两者在水泥硬化过程中，可以很好的发挥各自的独特优势， 提高水泥基体的抗氯盐渗透性和抗变形能力。本发明优选所述PVA纤维的直径为 40μm，长度为12mm，密度为13g/cm³。

本发明所述水胶比是指水与凝胶材料的重量比。

本发明所有技术方案中所述粉煤灰为优选为Ⅰ级粉煤灰，粒径为1.1～1.8μm。

本发明所有技术方案中所述减水剂为本领域技术人员所知的可用于水泥的减水 剂，优选为聚羧酸盐类高效减水剂。

本发明所有技术方案中所述塑化剂为羟丙基甲基纤维素。

本发明所述水泥砂浆优选按下述方法制备：首先将纳米粘土粒子在水中超声分散 15分钟，再与减水剂混合并搅拌均匀，然后将PVA纤维、水泥、石英砂、粉煤灰、 塑化剂在搅拌锅中搅拌5分钟，最后将纳米粘土粒子与减水剂的混合液，倒入搅拌锅 中继续搅拌5分钟。

本发明的有益效果是：本发明所得的纳米粘土改性纤维水泥砂浆，充分利用了纳 米粘土颗粒及PVA纤维的独特效用，能够显著提高水泥基体的抗氯离子渗透性能，抗 渗性提高20％～30％；力学性能提高25％～35％，其弯曲挠度可达20mm～30mm，能够 良好的适应桥梁结构反复荷载的作用，可以显著提高结构修复加固效果，延长结构的 使用寿命，

附图说明

本发明附图2幅，

图1(a)为纳米粘土的微观形貌照片；

图1(b)为粉煤灰的微观形貌照片。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以 任何方式限制本发明。

实施例1

(1)本发明所用纳米粘土为纳米高岭土(河北)，平均颗粒直径为300～500nm， 平均片层厚度为20～50nm，图1(a)给出了纳米粘土的微观结构；粉煤灰为Ⅰ级粉煤 灰(大连)，其颗粒粒径为1.1～1.8μm，图1(b)给出了粉煤灰的微观形貌；所用减水 剂为聚羧酸盐类高效减水剂(大连)；水泥(大连小野田的PO·42.5R普通硅酸盐水泥)； 砂子为石英砂，颗粒粒径为110μm～220μm；所用塑化剂为羟丙基甲基纤维素(HPMC) (泰安)。

(2)试验纳米粘土改性纤维水泥砂浆试件配合比

本次试验中选用水胶比为w/b＝0.34，粉煤灰占胶凝材料的66.6％，纤维掺量为混合 物总体积的2％，减水剂掺量为胶凝材料的0.4％，塑化剂掺量为胶凝材料的0.2％，纳米 粘土掺量为1％，具体配合比见表1。

表1混凝土配合比(kg/m³)

试件编号 石英砂 水泥 粉煤灰 水 减水剂 塑化剂 纤维 纳米粘土 N1 403 385 768 393 5 2.3 0 0 N2 403 385 768 393 5 2.3 0 11.5 N3 403 385 768 393 5 2.3 26 0 N4 403 373.5 768 393 5 2.3 26 11.5

根据上述配合比称取各类材料拌制砂浆试件，氯离子渗透试件尺寸为 Φ100mm×100mm圆柱体，抗折试件尺寸为长×宽×高＝l×b×h＝400×100×15mm，试件计算 跨径l₀＝300mm，立方体抗压强度试验的试件尺寸为70.7×70.7×70.7mm,试件制备完成 后在标准养护室(温度为20±1℃、相对湿度≥95％)中养护，1天后拆模，再继续养护 至28天龄期进行实验。

(3)实验设备

氯离子渗透试验采用北京耐尔公司出品的RCM-DAL型氯离子扩散系数测定仪； 抗压强度试验采用YAW-YAW2000A型200t微机控制电液伺服压力试验机，加载速度为 0.6MPa/s；抗折试验采用30t闭环液压伺服材料试验机，加载速度为0.15mm/min。

(4)试验结果

在砂浆试件养护到28天试验龄期时，取出氯离子渗透试件和抗压、抗折试件进行 氯离子渗透试验和力学性能试验，通过测定氯离子扩散系数、抗压强度、抗弯荷载、 弯曲挠度来评定砂浆抗氯离子渗透性和力学性能性，具体试验结果如下。

A、氯离子渗透试验

表2氯离子扩散系数

测试试件 氯离子扩散系数/m²/s 增长百分比/％ N1 1.83862E-11 - N2 1.44856E-11 21.21％ N3 1.58867e-11 13.59％ N4 1.17120e-11 36.30％

表2给出了具体的氯离子扩散系数，由此可得，纳米粘土和纤维共同作用可显著改 善水泥砂浆的渗透性能，提高了砂浆的抗氯离子渗透性能。

B、抗压强度试验

表3抗压强度

测试试件 抗压强度/MPa 增长百分比/％ N1 28.6   N2 32.4 15.69％ N3 41.2 34.64％ N4 53.5 74.84％

表3给出了不同配比情况下，水泥基材料的抗压强度，可见纳米粘土和纤维共同作 用下可显著提高水泥砂浆的抗压强度

C、抗折强度

砂浆试件进行抗折试验时采用三点弯加载，通过试验得到抗折试验中试件的开裂 荷载、极限荷载及跨中挠度见表4，图给出了试件弯曲后表面的裂缝的分布情况。

表4抗折结果

测试试件 开裂挠度/mm 开裂荷载/MPa 极限挠度/mm 极限荷载/MPa N1 0.23 255 5.2 765.3 N2 0.27 286 6.4 801.2 N3 0.38 347 29.8 915.7 N4 0.46 465 31.2 1045.3

由表中数据可得纳米粘土的掺入改善了纤维砂浆的抗弯性能，使其开裂挠度和极限挠 度增加，开裂荷载和极限荷载也相应增加，因此，纳米粘土和纤维共同作用下显著提 高了砂浆的力学性能。