一種超早強高延性水泥基複合材料及其製備方法與流程
2024-01-19 10:56:15 1
本發明涉及建築材料技術領域，具體涉及一種超早強高延性水泥基複合材料及其製備方法。
背景技術：
橋梁、機場、地鐵和高速公路等重要交通部位的混凝土結構和鋼-混凝土組合結構隨著服役年限的增加，服役環境日益惡劣，導致結構破壞逐年增加，工程上急需快速修復材料對結構進行修復。現有快速修復材料主要有快硬混凝土、快硬砂漿和高分子材料等。
傳統快硬混凝土和快硬砂漿材料本身存在脆性大、粘結強度低、施工難度大、耐久性差和後期強度低等缺點；高分子材料本身存在強度低，變形和結構不一致、耐久性差、易老化等缺點。這兩類材料用於重要交通工程修復效果衰減快、壽命低，2-3年就要重新修復，修復過程汙染嚴重，經濟效益和社會效益差。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術中的缺陷，提供一種超早強高延性水泥基複合材料及其製備方法，該複合材料適用於機場、地鐵、高鐵、橋梁等交通領域重要結構的快速修復，其具有早期強度發展快、鋼筋粘結強度好、施工2個小時後可開放交通、後期強度高、延性高、耐久性好和施工性能好等特點。
為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
一方面，本發明提供一種超早強高延性水泥基複合材料，其包括如下組分及其重量百分比：
為了進一步優化上述技術方案，本發明所採取的技術措施還包括：
優選地，所述硫鋁酸鹽水泥應有較高的早期強度，而且有不斷增長的後期強度，同時具有滿足使用要求的凝結時間大於15min。
優選地，所述矽酸鹽水泥中鋁酸三鈣(c3a)含量不大於10％。因為c3a具有水化熱大，後期強度不發展的特點，c3a的含量大的水泥易出現工作性能損失過快的情況。
優選地，所述矽灰為球形顆粒，比表面積為20000～28000m2/g，其和硫鋁酸鹽水泥、矽酸鹽水泥形成良好的級配，並參與水化反應，提高後期強度。
優選地，所述石英砂二氧化矽含量大於95％，粒徑為0.015mm～2.6mm，其能夠保證材料的強度和工作性能。
優選地，所述鋼纖維為鍍銅鋼纖維，抗拉強度大於1500mpa，直徑為0.12mm～0.25mm，長度為10～19mm。
優選地，所述外加劑包括減水劑、消泡劑、緩凝劑、早強劑，其重量百分比為：減水劑0.1％-0.3％，消泡劑0.03％-0.06％，緩凝劑0.1％-0.5％，早強劑0.02％-0.06％。
優選地，所述減水劑主要包括木質素磺酸鹽類減水劑、萘系高效減水劑、三聚氰胺系高效減水劑、氨基磺酸鹽系高效減水劑、脂肪酸系高減水劑、聚羧酸系高效減水劑，所述減水劑可包含溶液形式和固體形式；所述消泡劑主要包括聚醚類、高碳醇類、有機矽類、聚醚改性矽類消泡劑，所述消泡劑可包含溶液形式、固體形式或優選樹脂形式、油狀形式或乳液形式；所述緩凝劑主要包括多羥基化合物、羥基羧酸鹽及其衍生物、糖鈣、葡萄糖酸鹽、檸檬酸、酒石酸及其鹽、鋅鹽、磷酸鹽、木質磺酸鹽；所述早強劑主要包括強電解質無機鹽類、水溶性有機物類、有機類和無機物複合性早強劑。
優選地，所述減水劑為聚羧酸系高效減水劑，所述消泡劑為聚醚類消泡劑，所述緩凝劑為有機酸鹽類混凝劑。
另一方面，本發明還提供一種上述的超早強高延性水泥基複合材料的製備方法，其包括如下步驟：
(1)準備預定重量的原料：硫鋁酸鹽水泥、矽酸鹽水泥、矽灰、石英砂、鋼纖維和外加劑；
(2)先將步驟(1)的原料加入到轉速30～60r/min的強制攪拌機中攪拌均勻，再加入對應的水進行攪拌，攪拌時間5～10min，即可獲得超早強高延性水泥基複合材料。
優選地，步驟(2)製得的超早強高延性水泥基複合材料具有以下性能：初始擴展度大於700mm，2h抗壓強度大於30mpa，28d抗壓強度大於100mpa，抗彎拉強度大於15mpa，極限拉應變大於0.15％。
本發明所述的超早強高延性水泥基複合材料具有良好的流動度，超早強性能、高延性、高后期性能、高耐久性。其與普通混凝土修補劑的具體技術指標見下表1。
表1本發明所製備的超早強高延性水泥基複合材料的技術指標
與現有技術相比，本發明採用硫鋁酸水泥顆粒、矽酸鹽水泥顆粒、矽灰顆粒和石英砂形成良好的顆粒級配，並大量添加了超細鋼纖維及外加劑，使其具備工作性能良好、超早強、高延性和高耐久性的優點，用於結構的快速維修，如高速路、橋面板、機場跑道等重要交通工程的搶修，施工後2小時即可開放交通，在將施工影響降到最低限度的同時，實現安全可靠、更持久的搶修效果。
本發明的有益效果具體體現在：
(1)通過高效外加劑和矽灰的加入，保證材料具有優異的工作性能；
(2)通過硫鋁酸鹽水泥、矽酸鹽水泥和矽灰的精確配比，提高材料的早期性能和後期性能；
(3)通過摻入適量的鋼纖維，保證其具有高抗彎拉性能和極限拉應變。
本發明所述的超早強高延性水泥基複合材料具有超早期強度發展快(2h抗壓強度大於30mpa)且具有鋼筋粘結強度大、超高后期強度、超高延性和超高耐久性等特徵，可實現快速修復的便捷施工和高壽命的目標；該複合材料用於重要結構的快速修復具有修復施工時間短，修復效果好、造成汙染少等優勢，且經修復後耐久性好、壽命長、維護少，經濟效益和社會效益優秀，從根本上解決了傳統材料用於重要交通工程快速修復的不足。
具體實施方式
本發明提供一種超早強高延性水泥基複合材料，其採用硫鋁酸鹽水泥、矽酸鹽水泥、矽灰、石英砂、鋼纖維以及外加劑復配而成，其中硫鋁酸鹽水泥具有較高的早期強度，而且有不斷增長的後期強度，同時具有滿足使用要求的凝結時間大於15min；矽酸鹽水泥中鋁酸三鈣(c3a)含量不大於10％；矽灰為球形顆粒，比表面積為20000～28000m2/g；石英砂二氧化矽含量大於95％，粒徑為0.015mm～2.6mm；鋼纖維為鍍銅鋼纖維，抗拉強度大於1500mpa，直徑為0.12mm～0.25mm，長度為10～19mm；外加劑包括減水劑、消泡劑、緩凝劑、早強劑，其重量百分比為：減水劑0.1％-0.3％，消泡劑0.03％-0.06％，緩凝劑0.1％-0.5％，早強劑0.02％-0.06％，作為優選地，減水劑為聚羧酸系高效減水劑，消泡劑為聚醚類消泡劑，緩凝劑為有機酸鹽類混凝劑。
下面結合實施例，對本發明的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護範圍。
實施例1
一種快速修復用超早強高延性水泥基複合材料及其製備方法，包括如下步驟：
(1)按如下重量百分比準備原材料：硫鋁酸鹽水泥35.7％；矽酸鹽水泥10.9％；石英砂45.9％；鋼纖維3.0％；矽灰3.4％；減水劑0.18％；消泡劑0.05％；緩凝劑0.80％；早強劑0.07％。
(2)先將各種原材料加入到轉速30～60r/min的強制攪拌機中攪拌均勻，再加入對應的水進行攪拌，攪拌時間5～10min，即可獲得超早強高延性水泥基複合材料。
實施例2
一種快速修復用超早強高延性水泥基複合材料的製備方法，包括如下步驟：
(1)按如下配方準備原材料：硫鋁酸鹽水泥35.0％；矽酸鹽水泥10.8％；石英砂46.0％；鋼纖維4.0％；矽灰3.2％；減水劑0.18％；消泡劑0.05％；緩凝劑0.72％；早強劑0.05％。
(2)先將各種原材料加入到轉速30～60r/min的強制攪拌機中攪拌均勻，再加入對應的水進行攪拌，攪拌時間5～10min,即可獲得超早強高延性水泥基複合材料。
實施例3
一種快速修復用超早強高延性水泥基複合材料的製備方法，包括如下步驟：
(1)按如下配方準備原材料：硫鋁酸鹽水泥37.5％；矽酸鹽水泥10.8％；石英砂42.5％；鋼纖維5.0％；矽灰3.2％；減水劑0.19％；消泡劑0.04％；緩凝劑0.71％；早強劑0.06％。
(2)先將各種原材料加入到轉速30～60r/min的強制攪拌機中攪拌均勻，再加入對應的水進行攪拌，攪拌時間5～10min,即可獲得超早強高延性水泥基複合材料。
對比例1
中國專利cn105948665a公開了一種早強低收縮高韌性水泥基工程材料，其由包含硫鋁酸鹽水泥、普通矽酸鹽水泥、矽灰、鋼纖維、聚乙烯醇纖維、水、減水劑、早強劑、緩凝劑和河砂的原料製備而成，對比例1採用該專利cn105948665a所述的實施例1的技術方案製備的早強低收縮高韌性水泥基工程材料。
對比例2
中國專利cn104016644公開了一種水泥基超早強局性能修補劑，其主要材料組成為硫鋁酸鹽水泥、普通矽酸鹽水泥，還包括普通河砂及石英砂、石灰和高性能減水劑、外加調凝劑，對比例2採用該專利cn104016644所述的實施例1的技術方案製備的水泥基超早強局性能修補劑。
本發明實施例1～3所製備的超早強高延性水泥基複合材料和對比例1～2所製得的材料進行性能對比，其結果如表2所示。
表2實施例1～3與對比例1～2製備的材料的性能對比表
由表2可知，本發明所製備的超早強高延性水泥基複合材料的抗彎拉強度、抗壓強度均優於現有技術，其力學性能較好；並且坍落擴展度也優於現有技術，其流動性能較好，這表明採用本發明的復配組分及其精確配比和原料尺寸匹配可提高材料的早期性能和後期性能，保證材料具有優異的工作性能；通過摻入適量的鋼纖維，保證其具有高抗彎拉性能和極限拉應變，應用本發明所述的超早強高延性水泥基複合材料能夠滿足快速修復的要求，且其修復效果好、造成汙染少，修復後耐久性好、壽命長、維護少，經濟效益和社會效益優秀，從根本上解決了現有技術中各材料用於重要交通工程快速修復的不足。
以上對本發明的具體實施例進行了詳細描述，但其只作為範例，本發明並不限制於以上描述的具體實施例。對於本領域技術人員而言，任何對本發明進行的等同修改和替代也都在本發明的範疇之中。因此，在不脫離本發明的精神和範圍下所作的均等變換和修改，都應涵蓋在本發明的範圍內。