一种板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆的制备与应用

摘要

本发明提供一种板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆的制备与应用，具体制备方法为：将沥青碳纤维在空气中氧化和含环氧树脂的甲苯溶液浸渍处理，得到预处理的沥青碳纤维；将橡胶粉末粉碎，经低温等离子体活化和用硅烷偶联剂水溶液处理，得到活化橡胶粉末；将沥青碳纤维和活性橡胶粉末搅拌形成混合改性剂，然后将水泥、矿物掺和料和细骨料缓慢搅拌后，再依次加入混合改性剂、减水保坍组分、发泡组分和粘聚调节剂，快速搅拌，得到板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆。本发明制备的自密实混凝土用干粉砂浆具有优异的弹性和模量，低温耐久性能，可以用于板式无砟轨道、交通轨道工程、建筑工程等领域。

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆的制备与应用。

背景技术

伴随着我国高速铁路建设技术的飞速发展，无咋轨道有了广泛的应用和发展。普通的混凝土具有延性差、抗拉强度低、收缩变形大、易脆性破坏等缺陷，容易发生破损渗水等病害，难以满足无咋轨道的需求。自密实高性能混凝土与普通混凝土相比，具有较高的流动性，灌筑过程不会出现离析、泌水等现象，仅依靠自重就能充满模板，避免了硬化的混凝土的原始缺陷，具有优良的耐久性能和良好的力学性能，因此工作性能优良和耐久性能优异，使轨道板具有造价低廉、施工便捷、结构简单的优点。

自密实砂浆是一种由水泥、矿物掺合料、高效减水剂、细骨料按一定的水灰比配置而成的，由于胶凝物质和外加剂用量大，因此存在成本高，早期水化热高，细料量大，易开裂等缺点，难以大范围使用。中国专利CN 102503250B公开的一种自密实砂浆组合及其制备方法，该自密实砂浆组合包括水、水泥、粉煤灰、砂、三聚氰胺外加剂、聚丙烯酰胺高效部不分散剂、UWB-II型水下不分散剂和絮凝剂，该方法制备的砂浆组合可以根据不同的地质条件，配置不同缝隙宽度的自密实砂浆，且成本降低，适用于有地下水的深孔帷幕灌浆。中国专利CN 105016675B公开的一种具有良好体积稳定性的高掺量废弃玻璃粉自密实砂浆的制备方法，将废弃玻璃筛选洗净球磨至平均粒径小于15μm，代替40-50％的水泥，与水泥、细骨料和锂盐制备形成胶凝材料，再将胶凝材料与啥和含无水硫酸盐的拌合水混合形成砂浆，最后加入高效减水剂和锂盐，形成高掺量玻璃粉的自密实砂浆。由上述现有技术可知，为了降低自密实砂浆的成本，可通过寻求砂浆原料的低成本替代品，但是自密实砂浆的性能会因替代品性能的差异而有所性能，因此寻求最优的低成本替代品制备性能稳定优异的自密实砂浆显得十分必要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆的制备与应用，本发明将沥青碳纤维在空气中氧化和含环氧树脂的甲苯溶液浸渍处理，将橡胶粉末粉碎，经低温等离子体活化和用硅烷偶联剂水溶液处理，再将两者搅拌形成混合改性剂，然后将水泥、矿物掺和料和细骨料缓慢搅拌后，再依次加入混合改性剂、减水保坍组分、发泡组分和粘聚调节剂，快速搅拌，得到板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆。本发明制备的自密实混凝土用干粉砂浆具有优异的弹性和模量，低温耐久性能，可以用于板式无砟轨道、交通轨道工程、建筑工程等领域。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆的制备，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将沥青碳纤维在360-400℃的空气中氧化处理1-2h，再浸渍于含环氧树脂的甲苯溶液中，取出，在100-110℃下烘干固化20-30min，得到预处理的沥青碳纤维；

(2)将橡胶粉末进一步粉碎过100-150目筛，然后均匀平铺，经低温等离子体活化处理后，用硅烷偶联剂水溶液浸渍，在100-110℃下烘干固化20-30min，得到活化橡胶粉末；

(3)按照重量份计，将沥青碳纤维0.01-0.5份和活性橡胶粉末1-5份搅拌，使两者分散均匀形成混合改性剂，然后将水泥100份、矿物掺和料20-100份和细骨料100-600份缓慢搅拌1-2min后，再依次加入混合改性剂、减水保坍组分0.1-5份、发泡组分0.2-10份和粘聚调节剂0.1-10份，快速搅拌5-10min，得到板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，含环氧树脂的甲苯溶液中环氧树脂的质量分数为0.5-1％，浸渍时间为30-60min。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，预处理的沥青碳纤维的微晶取向度高于90％，含碳量高于99.8％。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，低温等离子体活化处理的功率为300-500W，时间为1-3min。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，硅烷偶联剂水溶液中硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-550，质量分数为0.2-0.5％,浸渍时间为30-60min。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，矿物掺合料为质量比为1:0.5:0.1的粉煤灰、矿渣和硅粉。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，细骨料为细骨料为含水率小于1％、细度模数小于2.6的河砂、陶砂和人工砂的一种或几种混合物，减水保坍组分为聚丙烯酸型高效减水剂。

作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，发泡组分为质量比为50:1-3的茶皂素发泡剂和蔗糖，粘聚调节剂包括质量比为1-5:10：0.5的UEA膨胀剂、聚羧酸粘度调节剂和甲基纤维素。

本发明还提供一种板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆的应用，其特征在于，所述板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆可以用于板式无砟轨道，也可应用于交通轨道工程、建筑工程等领域。

作为上述技术方案的优选，所述应用方法为：在搅拌站或者施工现场，将板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆与粗骨料和水混合，经强制搅拌制备形成自密实混凝土混合料，所述粗骨料可为堆石材料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明制备的板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆中包括活性橡胶粉，橡胶粉为物理破碎形成的颗粒粉末，内部的交联结构未完全破坏，表面呈惰性状态，与基质的粘合力补强，共混相容性较差，本发明将橡胶粉先经低温等离子体处理，再经硅烷偶联剂活化，改善橡胶粉的孔径、孔洞和表面官能团，降低胶粉的表面能，增加胶粉与矿物料的可分散性，提高自密实混泥土的弹性。

(2)本发明制备的板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆中包括预处理的沥青碳纤维，沥青碳纤维为各向异性纤维，纤维大分子形成分子网络，可提高自密实混凝土的弹性模量，提高混凝土的耐疲劳性，但是传统的沥青碳纤维表面惰性大，缺乏化学活性官能团，与基体的浸润性差，与基体的结合强度低，本发明对沥青碳纤维表面在360-400℃下进行空气氧化处理，增强表面活性，以消除表面杂质，并在纤维表面形成微孔，增加表面能，再表面附着环氧树脂涂层，进一步提高与水泥基和活化橡胶的亲和力和粘结力，提高混凝土材料的力学性能。

(3)本发明制备的板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆中包括发泡组分，发泡组分与填料构成的发泡体系对混凝土的强度、干缩率和吸水率影响较大，本发明选用茶皂素发泡剂和蔗糖作为发泡组分，茶皂素是一种优良的天然非离子型表面活性剂，在水溶液中有很强的起泡力，起泡持久稳定不容易消泡，多羟基化合物蔗糖可以与茶皂素以共价键形式形成糖蛋白，增加发泡液膜的粘度，进一步提高发泡的稳定性，且发泡剂在提高自密实混凝土的弹性的同时，大幅度提高低温耐久性。

(4)本发明制备的板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆弹性好，模量高，流动性好，自密实效果好，还具有低温耐久的性能，可以用于板式无砟轨道、交通轨道工程、建筑工程等领域。

具体实施方式

下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

一种板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆的制备包括以下步骤：

(1)将沥青碳纤维在360℃的空气中氧化处理1h，再浸渍于含0.5％的环氧树脂的甲苯溶液中30min，取出，在100-℃下烘干固化20min，得到微晶取向度高于90％、含碳量高于99.8％的预处理的沥青碳纤维。

(2)将橡胶粉末进一步粉碎过100目筛，然后均匀平铺，在300W功率下经低温等离子体活化处理1min后，用0.2％的硅烷偶联剂KH-550水溶液浸渍30min，在100℃下烘干固化20min，得到活化橡胶粉末。

(3)按照重量份计，将沥青碳纤维0.5份和活性橡胶粉末1份搅拌，使两者分散均匀形成混合改性剂，然后将水泥100份、质量比为1:0.5:0.1的粉煤灰、矿渣和硅粉的矿物掺和料20份、含水率小于1％、细度模数小于2.6的河砂、陶砂和人工砂细骨料100份缓慢搅拌1min后，再依次加入混合改性剂、聚丙烯酸型高效减水剂0.1份、质量比为50:1的茶皂素发泡剂和蔗糖的发泡组分0.2份、1:10：0.5的UEA膨胀剂、聚羧酸粘度调节剂和甲基纤维素粘聚调节剂0.1份，快速搅拌5min，得到板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆。

实施例2：

一种板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆的制备包括以下步骤：

(1)将沥青碳纤维在400℃的空气中氧化处理2h，再浸渍于含1％的环氧树脂的甲苯溶液中60min，取出，在110℃下烘干固化30min，得到微晶取向度高于90％、含碳量高于99.8％的预处理的沥青碳纤维。

(2)将橡胶粉末进一步粉碎过150目筛，然后均匀平铺，在500W功率下经低温等离子体活化处理3min后，用0.5％的硅烷偶联剂KH-550水溶液浸渍30-60min，在110℃下烘干固化30min，得到活化橡胶粉末。

(3)按照重量份计，将沥青碳纤维0.5份和活性橡胶粉末5份搅拌，使两者分散均匀形成混合改性剂，然后将水泥100份、质量比为1:0.5:0.1的粉煤灰、矿渣和硅粉的矿物掺和料100份、含水率小于1％、细度模数小于2.6的河砂、陶砂和人工砂细骨料600份缓慢搅拌1-2min后，再依次加入混合改性剂、聚丙烯酸型高效减水剂5份、质量比为50:3的茶皂素发泡剂和蔗糖的发泡组分10份、5:10：0.5的UEA膨胀剂、聚羧酸粘度调节剂和甲基纤维素粘聚调节剂10份，快速搅拌10min，得到板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆。

实施例3：

一种板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆的制备包括以下步骤：

(1)将沥青碳纤维在380℃的空气中氧化处理1.5h，再浸渍于含0.6％的环氧树脂的甲苯溶液中40min，取出，在105℃下烘干固化25min，得到微晶取向度高于90％、含碳量高于99.8％的预处理的沥青碳纤维。

(2)将橡胶粉末进一步粉碎过110目筛，然后均匀平铺，在400W功率下经低温等离子体活化处理2min后，用0.3％的硅烷偶联剂KH-550水溶液浸渍45min，在110℃下烘干固化25min，得到活化橡胶粉末。

(3)按照重量份计，将沥青碳纤维0.05份和活性橡胶粉末3份搅拌，使两者分散均匀形成混合改性剂，然后将水泥100份、质量比为1:0.5:0.1的粉煤灰、矿渣和硅粉的矿物掺和料50份、含水率小于1％、细度模数小于2.6的河砂细骨料300份缓慢搅拌1.5min后，再依次加入混合改性剂、聚丙烯酸型高效减水剂0.5份、质量比为50:12的茶皂素发泡剂和蔗糖的发泡组分1份、2:10：0.5的UEA膨胀剂、聚羧酸粘度调节剂和甲基纤维素粘聚调节剂1份，快速搅拌6min，得到板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆。

实施例4：

一种板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆的制备包括以下步骤：

(1)将沥青碳纤维在390℃的空气中氧化处理2h，再浸渍于含0.8％的环氧树脂的甲苯溶液中50min，取出，在110℃下烘干固化20min，得到微晶取向度高于90％、含碳量高于99.8％的预处理的沥青碳纤维。

(2)将橡胶粉末进一步粉碎过150目筛，然后均匀平铺，在450W功率下经低温等离子体活化处理1.5min后，用0.4％的硅烷偶联剂KH-550水溶液浸渍50min，在100℃下烘干固化30min，得到活化橡胶粉末。

(3)按照重量份计，将沥青碳纤维0.01份和活性橡胶粉末2份搅拌，使两者分散均匀形成混合改性剂，然后将水泥100份、质量比为1:0.5:0.1的粉煤灰、矿渣和硅粉的矿物掺和料50份、含水率小于1％、细度模数小于2.6的陶砂和人工砂细骨料400份缓慢搅拌1min后，再依次加入混合改性剂、聚丙烯酸型高效减水剂3份、质量比为50:1的茶皂素发泡剂和蔗糖的发泡组分3份、2:10：0.5的UEA膨胀剂、聚羧酸粘度调节剂和甲基纤维素粘聚调节剂5份，快速搅拌10min，得到板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆。

实施例5：

一种板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆的制备包括以下步骤：

(1)将沥青碳纤维在400℃的空气中氧化处理1h，再浸渍于含1％的环氧树脂的甲苯溶液中30min，取出，在110℃下烘干固化20min，得到微晶取向度高于90％、含碳量高于99.8％的预处理的沥青碳纤维。

(2)将橡胶粉末进一步粉碎过150目筛，然后均匀平铺，在300W功率下经低温等离子体活化处理3min后，用0.2％的硅烷偶联剂KH-550水溶液浸渍60min，在100℃下烘干固化30min，得到活化橡胶粉末。

(3)按照重量份计，将沥青碳纤维0.5份和活性橡胶粉末1份搅拌，使两者分散均匀形成混合改性剂，然后将水泥100份、质量比为1:0.5:0.1的粉煤灰、矿渣和硅粉的矿物掺和料100份、含水率小于1％、细度模数小于2.6的河砂和人工砂细骨料600份缓慢搅拌1min后，再依次加入混合改性剂、聚丙烯酸型高效减水剂5份、质量比为50:1的茶皂素发泡剂和蔗糖的发泡组分10份、1:10：0.5的UEA膨胀剂、聚羧酸粘度调节剂和甲基纤维素粘聚调节剂10份，快速搅拌5min，得到板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆。

实施例6：

一种板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆的制备包括以下步骤：

(1)将沥青碳纤维在360℃的空气中氧化处理2h，再浸渍于含0.5％的环氧树脂的甲苯溶液中60min，取出，在100℃下烘干固化30min，得到微晶取向度高于90％、含碳量高于99.8％的预处理的沥青碳纤维。

(2)将橡胶粉末进一步粉碎过100目筛，然后均匀平铺，在500W功率下经低温等离子体活化处理1min后，用0.5％的硅烷偶联剂KH-550水溶液浸渍30min，在110℃下烘干固化20min，得到活化橡胶粉末。

(3)按照重量份计，将沥青碳纤维0.5份和活性橡胶粉末1份搅拌，使两者分散均匀形成混合改性剂，然后将水泥100份、质量比为1:0.5:0.1的粉煤灰、矿渣和硅粉的矿物掺和料100份、含水率小于1％、细度模数小于2.6的河砂、陶砂和人工砂细骨料100份缓慢搅拌2min后，再依次加入混合改性剂、聚丙烯酸型高效减水剂0.1份、质量比为50:3的茶皂素发泡剂和蔗糖的发泡组分0.2份、1:10：0.5的UEA膨胀剂、聚羧酸粘度调节剂和甲基纤维素粘聚调节剂5份，快速搅拌10min，得到板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆。

对比例1：

一种板式无砟轨道水泥基自密实混凝土用干粉砂浆的制备包括以下步骤：

(1)将橡胶粉末进一步粉碎过100目筛，然后均匀平铺，在300W功率下经低温等离子体活化处理1min后，用0.2％的硅烷偶联剂KH-550水溶液浸渍30min，在100℃下烘干固化20min，得到活化橡胶粉末。

(2)按照重量份计，将水泥100份、质量比为1:0.5:0.1的粉煤灰、矿渣和硅粉的矿物掺和料20份、含水率小于1％、细度模数小于2.6的河砂、陶砂和人工砂细骨料100份缓慢搅拌1min后，再依次加入活性橡胶粉末1份、聚丙烯酸型高效减水剂0.1份、质量比为50:1的茶皂素发泡剂和蔗糖的发泡组分0.2份、1:10：0.5的UEA膨胀剂、聚羧酸粘度调节剂和甲基纤维素粘聚调节剂0.1份，快速搅拌5min，得到板式无砟轨道水泥基自密实混凝土用干粉砂浆。

对比例2：

一种板式无砟轨道水泥基自密实混凝土用干粉砂浆的制备包括以下步骤：

(1)将沥青碳纤维在360℃的空气中氧化处理1h，再浸渍于含0.5％的环氧树脂的甲苯溶液中30min，取出，在100-℃下烘干固化20min，得到微晶取向度高于90％、含碳量高于99.8％的预处理的沥青碳纤维。

(2)按照重量份计，将水泥100份、质量比为1:0.5:0.1的粉煤灰、矿渣和硅粉的矿物掺和料20份、含水率小于1％、细度模数小于2.6的河砂、陶砂和人工砂细骨料100份缓慢搅拌1min后，再依次加入沥青碳纤维0.5份、聚丙烯酸型高效减水剂0.1份、质量比为50:1的茶皂素发泡剂和蔗糖的发泡组分0.2份、1:10：0.5的UEA膨胀剂、聚羧酸粘度调节剂和甲基纤维素粘聚调节剂0.1份，快速搅拌5min，得到板式无砟轨道水泥基自密实混凝土用干粉砂浆。

经检测，实施例1-6制备的板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆以及对比例制备的板式的无砟轨道水泥基自密实混凝土用干粉砂浆制备形成混凝土的工作性能的结果如下所示：

由上表可见，本发明制备的板式无砟轨道沥青碳纤维水泥基自密实混凝土用干粉砂浆流动性好，可实现自密实性能，而且制备的混凝土弹性和模量好，且具有低温耐久性能。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。