一种用于快速修补的超高性能混凝土及其制备方法

摘要

本发明涉及一种用于快速修补的超高性能混凝土及其制备方法，由如下重量份的原料组成：膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥：800‑900份；偏高岭土：100‑180份；Ⅰ级粉煤灰：120‑200份；减水剂：15‑20份；石英砂：1000‑1100份；水：180‑200份；钢纤维：140‑160份。本发明的超高性能混凝土早期强度高，大大缩短施工工期，可以在2h左右实现结构的重新使用；2h抗压强度可以达到40MPa以上，1d抗压强度可达120MPa以上，可以修补有高强度需求的结构；粘结强度高，收缩小，7d自收缩值小于290ppm，与旧混凝土之间适应性好，体积稳定性好，适用于有开放时间要求的工程快速修复，应用更为广泛。

说明书

技术领域

本发明属于混凝土技术领域，特别是涉及一种用于快速修补的超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术

随着中国经济建设以前所未有的速度迅猛发展以及社会的需求，中国的传统基础设施建设也取得了突飞猛进的进展，混凝土作为应用最广泛的建筑材料之一，在道路、桥梁、房屋等结构建筑中起到了至关重要的作用。虽然混凝土材料的耐久性较高，然而四十年来，由于施工不当、过载使用、营运不当、冻融循环、自然灾害等因素，已有大量混凝土工程出现裂缝、表面剥落等问题。因此研究可靠的快速修补材料对于混凝土结构的安全性和耐久性具有重要的意义。

理想的快速修补材料应具有易于施工、快硬早强、耐久性好的技术特点，由于新老混凝土界面在结构服役后较为薄弱，修补材料的粘结性能和收缩性能也至关重要。修补材料粘结性越强，新旧材料结合越稳固；旧混凝土已无收缩性，修补材料收缩性越大，剪应力和拉应力下越容易在界面形成开裂，造成二次破坏。目前针对混凝土结构的修补材料主要有普通水泥类混凝土(砂浆)、聚合物混凝土(砂浆)、特种水泥系列混凝土(砂浆)，但是上述三类修补材料对于高标准的满足结构需要还有所欠缺。中国专利公开号CN110041033A，公开了一种普通硅酸盐水泥外加甲酸钙、三异丙醇胺、聚乙烯醇等外加剂的路面快速修补材料，虽粘结强度高，但后期力学强度低，不利于工程长期服役。中国专利公开号CN105884253A，公开了一种快速修补的聚合物砂浆，该砂浆以天然彩砂为主要原料，以改性的双酚A环氧树脂为胶结料，以复配型改性脂肪胺为固化剂，以无机纳米粒子为增韧填料，添加适量的活性稀释剂、环氧树脂消泡剂、防老剂等，按比例配制而成，但该配方大规模应用成本高、凝结慢、早期强度低。中国专利公开号CN105130314A，公开了一种硫铝酸盐水泥外加膨胀剂、早强剂、增稠剂的快速修补改性水泥浆料，其早期强度虽然大幅度提高，但后期强度可能出现倒缩，且存在外加剂与特种水泥的适应性问题。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种用于快速修补的超高性能混凝土及其制备方法。该超高性能混凝土以自制的膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥和偏高岭土、粉煤灰为胶凝材料，不用添加早强剂、膨胀剂等外加剂，胶凝材料本身水化硬化可表现出粘结性好、早期强度高、后期强度稳定增长，低收缩甚至微膨胀的特点。

本发明是这样实现的，一种用于快速修补的超高性能混凝土，由如下重量份的原料组成：膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥：800-900份；偏高岭土：100-180份；Ⅰ级粉煤灰：120-200份；减水剂：15-20份；石英砂：1000-1100份；水：180-200份；钢纤维：140-160份。

在上述技术方案中，优选的，由如下重量份的原料组成：膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥：800-900份；偏高岭土：150-160份；Ⅰ级粉煤灰：150-180份；减水剂：16-18份；石英砂：1030-1080份；水：185-195份；钢纤维：145-155份。

在上述技术方案中，优选的，所述偏高岭土细度为1250目。

在上述技术方案中，优选的，所述Ⅰ级粉煤灰的需水量比不大于90％，比表面积为450-500m

在上述技术方案中，优选的，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率大于30％。

在上述技术方案中，优选的，所述石英砂为最大粒径≤1.5mm的水洗烘干砂。

在上述技术方案中，优选的，所述钢纤维为镀铜钢纤维，镀铜钢纤维的长度为10mm-15mm，直径为0.15mm-0.2mm。

在上述技术方案中，优选的，所述膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥，为膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料添加一定量的硬石膏磨细至比表面积为400～500m

在上述技术方案中，进一步优选的，所述膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的配料参数为：碱度系数Cm值为1.4～1.6，fCaO为5～8％，fSO

上述用于快速修补的超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1)按照配方量分别称取膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥、偏高岭土、Ⅰ级粉煤灰、减水剂、石英砂、水、钢纤维；

2)将称取好的膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥、偏高岭土、Ⅰ级粉煤灰、石英砂倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌2-5分钟使之均匀；

3)将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入步骤2)得到的混合物中继续搅拌2-3分钟；

4)向步骤3)得到的混合物中倒入镀铜钢纤维继续搅拌2-3分钟，得到快速修补超高性能混凝土。

本发明用自研的膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥，全部替代传统超高性能混凝土中的硅酸盐水泥，其特点为：1)具备普通硫铝酸盐水泥的优势，凝结快，早期强度高；2)粘结性强，可以使修补材料与旧的混凝土之间结合更稳固；3)该水泥中存在一定的浅烧游离钙，同时结合硫铝酸盐矿物与石膏在水的作用下生成钙矾石，引起体积微膨胀，减小收缩；4)贝利特矿物含量较普通硫铝酸盐水泥大幅度提高，为修补超高性能混凝土材料后期强度稳定增长提供保障。

用偏高岭土替代传统超高性能混凝土中的硅灰，偏高岭土是一种处于介稳状态的无定型化合物，反应活性甚至超过硅灰，一方面偏高岭土自身水化可以显著提高混凝土的早期强度，另一方面水化消耗氢氧化钙可以加速水泥的水化也可提高早期强度，偏高岭土还可减少混凝土的收缩，改善混凝土的耐久性，这点对于修补材料尤其重要。偏高岭土与膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥一同使用可进一步提高修补用超高性能混凝土材料的早期强度，无需使用早强剂。

本发明具有的优点和积极效果是：

1)本发明的超高性能混凝土凝结快且时间可控，通过调整胶凝材料中高贝利特硫铝酸盐水泥占比、减水剂用量和水用量可实现控制快速修补超高性能混凝土的凝结时间。

2)本发明的超高性能混凝土采用高贝利特硫铝酸盐水泥和偏高岭土体系，早期强度高，大大缩短施工工期，可以在2h左右实现结构的重新使用，2h抗压强度可以达到40MPa以上，1d抗压强度可达120MPa以上，可以修补有高强度需求的结构，尤其适用于有开放时间要求的高速公路工程的桥梁伸缩缝与路面、梁体抢修，隧道工程渗漏、机场跑道工程的快速修复，应用更为广泛。

3)本发明的超高性能混凝土不需外加早强剂、聚合物、膨胀剂等，成本低且施工简单，便于大规模生产。

4)本发明的超高性能混凝土粘结强度高，与旧混凝土之间适应性好，收缩小，7d自收缩值小于290ppm，体积稳定性好，不会由于产生收缩裂缝而进行二次修补。

5)本发明的超高性能混凝土抗渗性和耐久性优异，保证了其长期的服役性能。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明用于快速修补的超高性能混凝土，由如下重量份的原料组成：膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥：800-900份；偏高岭土：100-180份；Ⅰ级粉煤灰：120-200份；减水剂：15-20份；石英砂：1000-1100份；水：180-200份；钢纤维：140-160份。

其中，所述偏高岭土细度为1250目。

所述Ⅰ级粉煤灰的需水量比不大于90％，比表面积为450-500m

所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率大于30％。

所述石英砂为最大粒径≤1.5mm的水洗烘干砂。

所述钢纤维为镀铜钢纤维，镀铜钢纤维的长度为10mm-15mm，直径为0.15mm-0.2mm。

所述膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥，为膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料添加一定量的硬石膏磨细至比表面积为400～500m

所述膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的配料参数为：碱度系数Cm值为1.4～1.6，fCaO为5～8％，fSO

上述用于快速修补的超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1)按照配方量分别称取膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥、偏高岭土、Ⅰ级粉煤灰、减水剂、石英砂、水、钢纤维；

2)将称取好的膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥、偏高岭土、Ⅰ级粉煤灰、石英砂倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌2-5分钟使之均匀；

3)将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入步骤2)得到的混合物中继续搅拌2-3分钟；

4)向步骤3)得到的混合物中倒入镀铜钢纤维继续搅拌2-3分钟，得到快速修补超高性能混凝土。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

按以下重量称取各原料组分：膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥800g；偏高岭土：100g；Ⅰ级粉煤灰：120g；减水剂：15g；石英砂：1100g；水：190g；镀铜钢纤维：150g。

其制备方法是：将膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥、偏高岭土、Ⅰ级粉煤灰、石英砂倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌3分钟使之均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入混合物中继续搅拌3分钟；再倒入镀铜钢纤维继续搅拌2分钟，得到快速修补超高性能混凝土。

实施例2：

按以下重量称取各原料组分：膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥850g；偏高岭土：150g；Ⅰ级粉煤灰：150g；减水剂：17g；石英砂：1050g；水：200g；镀铜钢纤维：145g。

其制备方法是：将膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥、偏高岭土、Ⅰ级粉煤灰、石英砂倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌2分钟使之均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入混合物中继续搅拌2分钟，再倒入镀铜钢纤维继续搅拌3分钟，得到快速修补超高性能混凝土。

实施例3：

按以下重量称取各原料组分：膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥850g；偏高岭土：120g；Ⅰ级粉煤灰：200g；减水剂：18g；石英砂：1080g；水：185g；镀铜钢纤维：155g。

其制备方法是：将膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥、偏高岭土、Ⅰ级粉煤灰、石英砂倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌4分钟使之均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入混合物中继续搅拌3分钟，再倒入镀铜钢纤维继续搅拌2分钟，得到快速修补超高性能混凝土。

实施例4：

按以下重量称取各原料组分：膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥900g；偏高岭土：100g；Ⅰ级粉煤灰：150g；减水剂：16g；石英砂：1000g；水：195g；镀铜钢纤维：140g。

其制备方法是：将膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥、偏高岭土、Ⅰ级粉煤灰、石英砂倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌2分钟使之均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入混合物中继续搅拌2分钟，再倒入镀铜钢纤维继续搅拌2分钟，得到快速修补超高性能混凝土。

实施例5：

按以下重量称取各原料组分：膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥900g；偏高岭土：160g；Ⅰ级粉煤灰：180g；减水剂：20g；石英砂：1030g；水：180g；钢纤维：160g。

其制备方法是：将膨胀性高贝利特硫铝酸盐水泥、偏高岭土、Ⅰ级粉煤灰、石英砂倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌4分钟使之均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入混合物中继续搅拌3分钟，再倒入镀铜钢纤维继续搅拌3分钟，得到快速修补超高性能混凝土。

对比例1：

按以下重量称取各原料组分：磷酸镁水泥800g；粉煤灰：200g；超细粉煤灰：200g；石英砂：1200g；减水剂：18g；水：180g；钢纤维：155g。

其制备方法是：将磷酸镁水泥、粉煤灰、超细粉煤灰、石英砂倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌3分钟使之均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入混合物中继续搅拌3分钟，再倒入镀铜钢纤维继续搅拌3分钟，得到混凝土。

对比例2：

按以下重量称取各原料组分：普通硅酸盐水泥900g；粉煤灰：150g；硅灰：150g；减水剂：16g；石英砂：1200g；水：180g；钢纤维：162g。

其制备方法是：将普通硅酸盐水泥、粉煤灰、矿粉、石英砂倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌4分钟使之均匀；将减水剂混入水中，并使其充分溶解和混匀，然后倒入混合物中继续搅拌2分钟，再倒入镀铜钢纤维继续搅拌3分钟，得到混凝土。

参照ASTM C1698标准，采用波纹管法(corrugated tube method)对快速修补超高性能混凝土自收缩值进行测试；抗压强度和抗折强度根据标准GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行测试，试块为40mm×40mm×160mm棱柱体。对实施例1-5、对比例1-2的快速修补超高性能混凝土的各项性能进行了测定，结果如下表1所示：

表1各实施例的快速修补超高性能混凝土的物理性能

从上表1可以看出，本发明提供的用于快速修补的超高性能混凝土和现有技术的产品(对比例1-2)相比较，各实施例具有显著的高强度和低收缩性能，2h抗压强度大于40MPa，抗折强度大于15MPa，1d抗压强度大于120MPa，可达28d抗压强度的80％以上，满足大部分结构所要求的力学性能，从而实现快速修补功能，28d强度稳定增长；7d自收缩值小于290ppm，具有显著的低收缩性能，与旧混凝土结构适应性强。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。