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发布日期:2020-10-21 10:24 浏览:
 

  

HCC渗透型流体修补砂浆的配制及性能研究

柴石明

(南京沪联新型建材有限公司, 南京 210041)

 

摘要:研究了胶凝材料、高活性物质、各化学添加剂的掺量,得出HCC渗透型修补浆料的最优配比,展开了对修补浆料的诸如本体强度、粘结性能、流态特征及其耐候性的研究,通过SEM分析了其不同龄期下的晶体生长。水泥用量为42.0%、硅粉为2.5%、胶粉为4.0%、减水剂为0.84%CMC0.1%、纳米物质为0.03%、憎水剂为0.08%时,具有很好的技术指标和施工性能,达到或超过JG/T 336-2011《混凝土结构修复用聚合物水泥砂浆》标准A力学指标要求20%以上

关键词:纳米渗透;修补;早期强度;粘接强度

 

Study and Manufacture on the Modification Permeeable HCC Repairing Mortar

Chai Shi-ming

(Nanjing Hulian New Building Materials Co., Ltd. Nanjing 210041, China)

AbstractThis paper researched the content of cementitious materials, high active substance, and trace chemical additives. Through the following experimental study works, strength, adhesive strength and weather resistance, obtained the optimal ratio of HCC permeability polymer mortar. All the performance of HCC could meet the requirements when cement, silica fume, VAE, superplasticizer, CMC, nano-silica and hydrophobic agent were 42.0%, 2.5%, 4.0%,0.84%, 0.1%, 0.03% and 0.08%, respectively. And the performance of it could meet or exceed the standard of JG/T 336-2011.

Key Words: Nano materials penetration, Repair, Early strength, Adhesive strength

 

1 引言

混凝土和砂浆是我国近现代建筑的主体材料,容易出现老化和破损等情况。近来世界范围内的修补材料以聚合物改性水泥基为主,主要的技术手段有:丁苯或丙烯酸乳胶等的有机物改性、高活性矿物的活化改性、纳米物质改性等。在此基础上,从而也演化出了相应修补材料的发展方向及对应的技术指标,产品多、性能侧重强是目前建筑领域中修补材料的特点,同时建筑破损的产生原因不明和复杂性使得修补材料的选用和侧重显得愈发重要和难以取舍[12]

HCC渗透修补浆料(以下简称修补料)是通过乳胶粉、高活性矿物和纳米物质的共同作用,从改善其本体的力学性能、与修补界面的粘结强度、工程应用的便捷性等要求做为产品的技术要求,具有粘结力强、抗渗耐腐蚀等优点,实现技术指标达到或超过JG/T 336-2011《混凝土结构修复用聚合物水泥砂浆》标准的要求。实现一类材料做到较多的性能指标,提高修补材料在建筑修补工程中的通用性。

2修补料配比实验

2.1原材料、仪器和技术依据

水泥:南京海螺水泥有限公司产P.O.52.5水泥,密度ρc=3.05g/cm3,比表Sc=360m2/kg;粉煤灰:华能南京电厂,ρf=2.26g/cm3S95级;硅粉:武汉新必达硅粉材料公司,密度ρsf=2.06g/cm3,火山灰活性指数0.91,比表Ssf=13.4m2/g;砂:石英砂:密度ρqs=2.64 g/cm3;聚羧酸减水剂:苏州弗克公司Niyon700型,减水率22%;膨胀剂:南京沪联公司产HP;所用化学试剂皆为化学纯(AR)。用掺量不同的添加剂进行试验时,其质量百分比全部为修补料总质量的百分比。

主要试验仪器:XZM100振动型磨机,武汉探矿机械公司TYE-300B试验压力机,无锡建仪仪器机械有限公司;SPZ-100型膨胀率测定仪,杭州三思仪器有限公司;NRJ-411A胶砂搅拌机,无锡建仪仪器机械有限公司;恒温恒湿养护箱:PYX-150-B型,广东韶关科力试验仪器有限公司;JSM-6380LV扫描电镜,日本岛津公司。

1.部分原料的化学组成/%

原料

化学组成/%

LOI

CaO

MgO

SiO2

Fe2O3

Al2O3

SO3

f-CaO

水泥

0.13

64.65

1.11

20.94

2.95

5.62

2.45

0.10

粉煤灰

2.02

6.54

2.16

43.50

3.20

40.25

0.34

0

硅粉

1.88

0.67

1.32

93.95

1.25

0.91

0.15

0

修补料主要性能指标为本体强度、抗渗压力、粘结强度,以及在基础上开发出的流动性能。各指标检测方法:抗压折强度、冻融循环、凝结时间、拉伸粘结强度执行JG/T 336-2011中规定;抗渗压力测试方法执行GB 23440-2009中规定;流动性能执行GB/T 50448-2008中规定。

2.2 实验优化设计

在对如上的技术指标要求中,以单组份现场加水施工方案时的I类产品作为产品最终形态时,选取出影响强度的胶凝材料、影响凝结时间的减水剂和胶粉、影响粘结强度的胶粉和纳米活性材料、影响流态性能的高分子聚合物添加剂等。各因素相互影响并作用,有一个较佳的协调掺量,在本论文中通过选定六因素五水平的L25(65) 正交实验表,因素水平见表2,用砂补齐至1000‰。其他指标如凝结时间和收缩率属于微量化学试剂可控指标,在实验后期予以调整。

2.  L25(65)六因素五水平实验设计

因素

A

B *

C

D *

E

F

水泥/‰

硅粉/%

胶粉/‰

减水剂/%

CMC/‰

纳米物质/‰

1

300

3

20

1.8

0.50

0.20

2

340

4

25

2.0

0.75

0.25

3

380

5

30

2.2

1.00

0.30

4

420

6

35

2.4

1.25

0.35

5

460

7

40

2.6

1.50

0.40

               * BD因素用量为对应实验批次所用水泥量的百分数(%)

按照正交分布的方法设定了如下各批次的实验,采用相同流动度的统一值,比对各批次实验相应技术指标的值,从而得出优选的各原料配比,相关的实验及结果见表3,基于表3而做出的各因素极差分析见图1。各因素中对不同龄期强度性能影响程度而言,从图1可以从四水平中的变化趋势得出:在7d28d抗折强度中分为三个主要递减梯度,水泥>胶粉硅粉>纳米材料减水剂≈CMC;在在7d28d抗压强度中也分为三个主要递减梯度,水泥>硅粉>胶粉纳米材料减水剂≈CMC

 

3.  L25(65) 实验中不同龄期下的强度性能

实验

 六因素五水平

抗折 /MPa

抗压 /MPa

28d粘结强度

/Mpa

水泥

硅粉*

胶粉

减水剂*

CMC

纳米物质

7d

28 d

7d

28 d

1

300

3%

20

1.8%

0.50

0.20

5.40

8.30

23.5

45.3

1.21

2

300

4%

25

2.0%

0.75

0.25

5.84

8.50

24.3

46.1

1.34

3

300

5%

30

2.2%

1.00

0.30

6.11

8.61

25.6

47.2

1.46

4

300

6%

25

2.4%

1.25

0.35

6.23

8.82

26.3

48.1

1.51

5

300

7%

40

2.6%

1.50

0.40

6.35

9.10

25.9

48.6

1.53

6

340

3%

25

2.2%

1.25

0.40

6.13

8.75

27.6

48.4

1.59

7

340

4%

30

2.4%

1.50

0.20

6.27

9.22

28.3

49.2

1.64

8

340

5%

35

1.6%

0.50

0.25

6.59

9.54

28.8

50.5

1.82

9

340

6%

40

1.8%

0.75

0.30

6.87

10.39

29.6

51.7

1.89

10

340

7%

20

2.0%

1.00

0.35

5.96

9.48

32.7

52.3

1.47

11

380

3%

30

2.6%

0.75

0.35

6.51

11.2

35.7

53.6

1.91

12

380

4%

35

1.8%

1.00

0.40

6.58

11.45

37.6

54.1

2.14

13

380

5%

40

2.0%

1.25

0.20

6.69

11.58

36.8

54.3

2.00

14

380

6%

20

2.2%

1.50

0.25

6.04

10.92

39.2

53.5

2.01

15

380

7%

25

2.4%

0.50

0.30

6.26

11.14

38.0

54.4

2.06

16

420

3%

35

2.0%

1.50

0.30

6.85

12.30

37.1

53.9

2.18

17

420

4%

40

2.2%

0.50

0.35

6.89

12.71

38.2

54.2

2.22

18

420

5%

20

2.4%

0.75

0.40

7.01

12.25

39.9

54.6

2.36

19

420

6%

25

2.6%

1.00

0.20

7.12

12.38

40.8

55.0

2.04

20

420

7%

30

1.8%

1.25

0.30

7.27

12.83

40.2

56.2

2.31

21

460

3%

40

2.4%

1.00

0.25

6.94

12.45

39.4

54.9

235

22

460

4%

20

2.6%

1.25

0.30

6.98

12.11

39.8

55.4

2.41

23

460

5%

25

1.8%

1.50

0.35

7.03

12.36

41.2

56.6

2.47

24

460

6%

30

2.0%

0.50

0.40

7.16

12.76

42.4

57.9

2.53

25

460

7%

35

2.2%

0.75

0.20

7.24

12.94

40.7

57.4

2.39

 

如上文所提,水泥作为胶凝材料,对抗折抗压强度影响是最大,但随着其用量的增加,其效力趋于减弱,基本原因为提高水泥用量可以视为强度趋于水泥净浆的强度,同时过高的水泥量在修补应用中没有工程价值并可能引发薄层修补的上表面龟裂和贯穿型本体开裂,在对比A1:A5水平的性能,参照标准要求的30/45MPA6/12Mpa,预留20%的富余量,选用A4水平作为优选值。硅粉作为一种依据水泥用量的添加掺合料,在3%~7%的区间时,体现出与强度的正相关线性关系,能提高试件的抗压强度同时对抗折强度具有改善抗折性能,在B4水平时,具有较好的28d折压比n=0.208,从而具有很好的强度和柔性。胶粉用量对凝结时间具有较大的影响,从图1得出胶粉量的增加对抗折具有正相关线性关系,但对7d28d抗压强度分别为负相关和轻微影响,从抗折强度出发,优选C5作为最有掺量。DE因素,是作为调节用水量和操作性的指标,在实验时,当D2E3水平时,具有很好的施工和搅拌施工性能。

在粘结强度中,水泥、硅粉、胶粉、纳米物质是影响其性能的重要指标,另一方面,通过掺入微量的憎水剂来改善其浸水和冻融性能,此5个指标分别为A4B4C5D2E3时作为表4中粘结强度优化实验的固定配比,对比F3F5和憎水剂0.6‰0.8‰用量下的拉伸粘结性能相关结果见表4。在表中可以看出,憎水剂的加入可以很好的改进浸水后和冻融后拉伸粘结强度;另一方面,纳米物质的堆积密度是40kg/m3、憎水剂的堆积密度720kg/m3,在性能相似时具有较大体积量的原料更利于工业化产品的质量稳定,优选纳米物质为F3=0.30‰、憎水剂0.80‰,作为粘结性能优化的优选掺量。

4. 粘结强度性能优化实验及结果

配比

纳米物质

憎水剂

(内掺)

28d粘结强度 /Mpa

未处理

浸水

冻融

固定配比

F3

0

2.21

1.88

1.59

F3

0.6‰

2.20

2.09

2.02

F5

0.8‰

2.41

2.27

2.25

F3

0.8‰

2.20

2.15

2.14

F5

0.6‰

2.43

2.40

2.39

 

2.3 HCC修补剂的配比及性能

在如上的实验和优化中,每1000g修补剂中当水泥用量为420g、硅粉为420×6%=25g、胶粉为40g、减水剂为420×2%=8.4gCMC1g、纳米物质为0.3g、憎水剂为0.8g,其余为砂时,具有如表5的技术性能。

5. HCC型修补剂的性能

凝结时间

抗压强度 /MPa

抗折强度 /MPa

拉伸粘结强度 /MPa

收缩率

/%

初始/min

终凝/h

7d

28d

7d

28d

未处理

浸水

25次冻融

210

8.9

38.9

55.2

7.23

12.41

2.20

2.15

2.14

0

 

3修补料的修补机理分析

当修补剂中的粉体颗粒与搅拌水接触后,通过减水剂的作用降低浆料里游离水的量,从而降低修补剂固化后因游离水挥发后留下的毛细孔道,提高围观结构下孔隙率,在硅粉与水泥水化产生的CHCSH作用形成新的晶核填充在水泥浆体里,提高了修补料的本体强度[23]。可再分散胶粉是一种具有柔性的热塑性树脂,已有研究表明[4],胶粉可以提高抗折强度,另一面胶粉量可以或多或少的降低抗压强度,从而调节了修补剂的柔韧性。

纳米材料的掺入,与胶粉和硅粉共同作用,提高了对受损基体的粘结力,在图2中对比12h24h时的电镜照片可以发现,在第12h时,各原料已经开始水化并成核生长,生成了很多直径在50~200nm的细小颗粒,在24h时已经固化并成膜,初步形成了稳定的水泥固化物[35];对比图2和图3,可以得出HCC型修补剂从水化到后期形成密实水泥基修补材料的过程。M40砂浆为PO42.5水泥的ISO法标准13水泥砂浆试件,抗压强度为47Mpa,图4为修补剂对M40砂浆的实际粘结后拉拔图,破损的界面为M40砂浆,这充分说明HCC型修补剂对水泥基材料具有非常好的粘结性能和渗透能力,通过纳米级材料的渗透并水化,实现界面的粘接,当用于破损砂浆混凝土的修补时,具有比本体材料更好的力学性能,不会产生再破损[6]

 

2. 修补剂水化物第12h(×50k)和第24h(×10k) FSEM

 

3. 修补剂水化物第7d(×10k)和第28d(×5k) FSEM

 

4. 修补剂对M40级砂浆28d粘结拉拔破坏

4结语

1)该修补料通过水泥硅粉、胶粉、奈系减水剂CMC、纳米材料和砂等配制而成的单组份HCC水泥基渗透型流体修补砂浆。体系中的活性成分渗透到原破损砂浆混凝土的微孔或毛细孔中,形成牢固的粘结力,从而实现修补

2) 水泥用量为42.0%、硅粉为2.5%、胶粉为4.0%、减水剂为0.84%CMC0.1%、纳米物质为0.03%、憎水剂为0.08%,其余为砂时,可以实现抗压、抗折的7d-28d强度分别为:38.9Mpa-55.2Mpa7.23Mpa-12.41Mpa28d粘结强度2.20Mpa,浸水和冻融后为2.15Mpa2.14Mpa

3) HCC型修补剂可以广泛的用于混凝土和砂浆的高粘结的渗透修补,与有机修补材料相比,具有成本低、兼容性好的特点。

 

参考文献:

张秀芝, 孙伟, 戎志丹等. 活性矿物掺合料对超高性能水泥基材料的影响[J]. 深圳大学学报理工版, 2008,25(4):338-343

Sidney Mindness, J. Francis Young, David Darwin. 混凝土[M]. 北京:化学工业出版社, 2005

卢忠远, 徐 迅. 纳米SiO2对硅酸盐水泥水化特性的影响[J]. 建筑材料学报, 2006(5):0581-0586

张明飞. 聚合物改性硫铝酸盐水泥修补砂浆的研究[D]. 武汉理工大学, 2006

H. M. Jennings, J. J. Thomas, J. S. Gevrenov, et al. A multi-technique investigation of the nanoporosity of cement paste [J]. Cement and Concrete Research, 2007, 37(3):329-336.

华腾飞, 吴芳, 马晓杰. 组成材料对混凝土结构修补砂浆力学性能的影响分析[J]. 硅酸盐通报. 2014,33(12): 3186-3191

 

作者简介:柴石明,男,吉林松原人1984-助理工程师,从事水泥建材开发与应用。

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