HCC滲(shen)透型流體(ti)修(xiu)補砂漿(jiang)的配(pei)制及性(xing)能研究(jiu)
柴石明
(南(nan)京滬聯新型建材有限(xian)公司, 南京 210041)
摘要:研究了(le)膠凝材料、高(gao)活性物(wu)質、各化學添加劑的摻量,得出(chu)HCC滲(shen)透型(xing)修(xiu)補漿料(liao)的最優配比,展開了(le)對修(xiu)補漿料(liao)的諸如本體強度、粘(zhan)結性能、流態特征及其(qi)耐候性的研(yan)究,通過SEM分析了其不同齡期(qi)下的(de)晶體生長。當水泥用量為42.0%、硅粉為2.5%、膠粉為4.0%、減水劑(ji)為0.84%、CMC為(wei)0.1%、納米物質為0.03%、憎水劑(ji)為0.08%時,具有很好的技術(shu)指標和施工性能,達(da)到或(huo)超(chao)過JG/T 336-2011《混凝土結構修復(fu)用(yong)聚(ju)合物水泥(ni)砂漿》標(biao)準A型力學指標(biao)要求20%以上。
關鍵詞:納米滲透;修補;早期(qi)強度;粘接強度
Study and Manufacture on the Modification Permeeable HCC Repairing Mortar
Chai Shi-ming
(Nanjing Hulian New Building Materials Co., Ltd. Nanjing 210041, China)
Abstract:This 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(ning)土和砂漿是我國近現代建筑的主(zhu)體材料,容(rong)易(yi)出(chu)現老化和破損等(deng)情況。近來世界范(fan)圍內的修補(bu)材料以聚合物(wu)改(gai)性(xing)水泥基為主,主要的(de)技術(shu)手段有:丁苯或丙烯(xi)酸乳(ru)膠(jiao)等(deng)的(de)有機物(wu)改(gai)性(xing)、高活(huo)性(xing)礦物(wu)的(de)活(huo)化改(gai)性(xing)、納米(mi)物(wu)質(zhi)改(gai)性(xing)等(deng)。在此基礎上,從而也(ye)演化出了相應修補(bu)材(cai)料的(de)發(fa)展(zhan)方向及對(dui)應的(de)技術(shu)指標,產品(pin)多、性(xing)能(neng)側重強是目前建筑領域中修補(bu)材(cai)料的(de)特(te)點,同時(shi)建筑破損的(de)產生原(yuan)因不明(ming)和復雜性(xing)使(shi)得修補(bu)材(cai)料的(de)選用和側重顯得愈發(fa)重要和難以取舍[1、2]。
HCC滲透修補漿料(以(yi)下簡稱修補料)是通過乳膠粉(fen)、高(gao)活性(xing)(xing)礦(kuang)物和納米物質的(de)共同作用,從改善其本體的(de)力學性(xing)(xing)能(neng)、與修補界面的(de)粘結(jie)強度(du)、工(gong)程(cheng)應用的(de)便捷性(xing)(xing)等要(yao)求(qiu)做(zuo)為產品的(de)技(ji)術要(yao)求(qiu),具有粘結(jie)力強、抗滲耐腐蝕等優點,實現技(ji)術指標達到或超過JG/T 336-2011《混凝土結構修復用聚合物水泥砂漿》標(biao)準的要求。實(shi)現一類材料(liao)做到較多的性能(neng)指標(biao),提高修補(bu)材料(liao)在(zai)建筑修補(bu)工程中的通用性。
2修補料配比實驗
2.1原材料、儀器和技術依據(ju)
水泥:南京海螺水泥有限公司(si)產P.O.52.5水泥,密度ρc=3.05g/cm3,比表Sc=360m2/kg;粉(fen)煤灰:華(hua)能(neng)南京電廠,ρf=2.26g/cm3,S95級(ji);硅(gui)粉(fen):武漢新必(bi)達硅(gui)粉(fen)材(cai)料公司,密度ρsf=2.06g/cm3,火山灰活性指數0.91,比(bi)表(biao)Ssf=13.4m2/g;砂(sha):石英砂(sha):密度ρqs=2.64 g/cm3;聚羧酸(suan)減水劑:蘇(su)州(zhou)弗(fu)克公司(si)Niyon700型,減水率(lv)22%;膨脹劑:南京滬聯公司產,HP型;所用化學(xue)試劑(ji)皆為(wei)化學(xue)純(AR)。用摻量不同的(de)添加劑(ji)進行(xing)試驗時,其質量百分(fen)比(bi)全部為修補料總質量的(de)百分(fen)比(bi)。
主要試驗儀(yi)器(qi):XZM100振動型磨機,武漢探礦機械(xie)公(gong)司;TYE-300B型試驗壓(ya)力機(ji),無錫建儀(yi)儀(yi)器機(ji)械有限公司;SPZ-100型膨脹率測定(ding)儀,杭州三思儀器有限公司;NRJ-411A膠砂攪(jiao)拌機(ji),無錫(xi)建(jian)儀儀器機(ji)械有限公司;恒溫恒濕養護箱:PYX-150-B型,廣東韶關科力(li)試驗(yan)儀器有限公司;JSM-6380LV型掃描電(dian)鏡(jing),日本島津公司。
表1.部分原(yuan)料的化學組成/%
原料 | 化學組成/% | |||||||
LOI | CaO | MgO | SiO2 | Fe2O3 | Al2O3 | SO3 | f-CaO | |
水(shui)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 |
修補料主要性能指標(biao)為本體強(qiang)度、抗滲壓力、粘結強(qiang)度,以(yi)及在(zai)此基礎上開發出的流動性能。各指(zhi)標檢測方(fang)法:抗壓折強度、凍融(rong)循環、凝結時間、拉(la)伸粘結強度執行JG/T 336-2011中(zhong)規定;抗(kang)滲壓力(li)測試方法(fa)執行GB 23440-2009中規(gui)定(ding);流動性(xing)能執行GB/T 50448-2008中規定(ding)。
2.2 實驗優化設計(ji)
在對如(ru)上的(de)技術指標要求中,以單組份現場加水施工方(fang)案時(shi)的(de)I類產品作(zuo)為產品最終形態時(shi),選取(qu)出影響強(qiang)度的(de)(de)膠凝(ning)材料、影響凝(ning)結時(shi)間的(de)(de)減(jian)水(shui)劑和(he)膠粉、影響粘結強(qiang)度的(de)(de)膠粉和(he)納米活性材料、影響流態性能的(de)(de)高分子(zi)聚合物添加劑等。各因素(su)相互影響并作(zuo)用,有(you)一個較佳的(de)(de)協調摻(chan)量(liang),在本論文(wen)中通過(guo)選定六(liu)因素(su)五水(shui)平的(de)(de)L25(65) 正交(jiao)實驗(yan)表,因素(su)水平見表2,用(yong)砂補齊至1000‰。其他指標(biao)如(ru)凝結時(shi)間和收縮率屬于微量化(hua)學試(shi)劑可控指標(biao),在實驗(yan)后期予(yu)以調(diao)整(zheng)。
表2. L25(65)六因素五水平實驗(yan)設計
因素 | A | B * | C | D * | E | F |
水(shui)泥/‰ | 硅粉(fen)/% | 膠粉/‰ | 減水劑/% | CMC/‰ | 納米物質/‰ | |
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 |
* B和D因(yin)素用量(liang)為(wei)對應實驗批次所(suo)用水泥量(liang)的百分(fen)數(%)。
按(an)照正交分布的方法設定(ding)了如下(xia)各(ge)批次的實驗,采用相(xiang)同流動度(du)的統一值,比對各(ge)批次實驗相(xiang)應技(ji)術指(zhi)標的值,從而(er)得(de)出優選的各(ge)原(yuan)料(liao)配(pei)比,相(xiang)關的實驗及(ji)結果見表3,基于表3而做出(chu)的各因素(su)極差分(fen)析(xi)見圖1。各因素中對不同齡期強度(du)性能影響程度(du)而(er)言(yan),從圖1可以從四水平(ping)中的(de)變化趨勢(shi)得出:在7d和28d抗(kang)折強度中分為三個主(zhu)要遞(di)減(jian)梯度,水(shui)泥>膠(jiao)粉≈硅粉(fen)>納米材料≈減(jian)水劑≈CMC;在(zai)在(zai)7d和28d抗壓強(qiang)度(du)中也分為三(san)個主要遞減梯度(du),水泥>硅粉>膠粉≈納米材料≈減水劑≈CMC。
表3. L25(65) 實驗中(zhong)不同(tong)齡(ling)期下的強度性能
實驗 | 六因素五水平 | 抗折(zhe) /MPa | 抗(kang)壓 /MPa | 28d粘(zhan)結強度 /Mpa | |||||||
水泥 | 硅粉* | 膠粉 | 減水劑* | CMC | 納(na)米物質(zhi) | 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(suo)提,水(shui)泥作為膠凝材料,對(dui)(dui)抗折(zhe)抗壓強(qiang)(qiang)度影(ying)響是(shi)最大(da),但(dan)隨著(zhu)其用量(liang)的(de)(de)增(zeng)加,其效力趨于(yu)(yu)減(jian)弱,基本原(yuan)因為提高水(shui)泥用量(liang)可(ke)以視為強(qiang)(qiang)度趨于(yu)(yu)水(shui)泥凈(jing)漿的(de)(de)強(qiang)(qiang)度,同時過高的(de)(de)水(shui)泥量(liang)在(zai)修補(bu)應用中沒(mei)有工程價值并(bing)可(ke)能引發薄層修補(bu)的(de)(de)上表(biao)面龜(gui)裂(lie)(lie)和貫穿型本體(ti)開(kai)裂(lie)(lie),在(zai)對(dui)(dui)比(bi)A1:A5水(shui)平(ping)的性能,參照標準要求的30/45MPA、6/12Mpa,預留20%的富(fu)余量,選用A4水平作(zuo)為優選值(zhi)。硅(gui)粉作(zuo)為一種依據水泥用量的添加摻合料(liao),在3%~7%的區間時,體現出與強(qiang)度的正相關線性(xing)關系,能(neng)提高試件的抗(kang)壓強(qiang)度同時對抗(kang)折強(qiang)度具(ju)有(you)改善抗(kang)折性(xing)能(neng),在B4水(shui)平時,具有較好的28d折(zhe)壓比(bi)n=0.208,從而具(ju)有很好的強度和柔性。膠粉用量對凝結(jie)時間具(ju)有較大的影響(xiang),從圖1得出膠(jiao)粉(fen)量(liang)的增(zeng)加對抗折具有正相關線(xian)性關系(xi),但(dan)對7d和28d抗(kang)壓強(qiang)度分(fen)別為負相(xiang)關(guan)和(he)輕微影響,從(cong)抗(kang)折強(qiang)度出發(fa),優選C5作為(wei)最有摻量(liang)。D與E因素,是作(zuo)為調節用水(shui)量和操作(zuo)性的指(zhi)標(biao),在實驗時,當D2和E3水(shui)平時(shi),具有很好(hao)的施工(gong)和攪拌施工(gong)性能。
在粘結強度(du)中,水(shui)(shui)泥、硅粉、膠粉、納(na)米物質是影(ying)響其(qi)性能的重要(yao)指標,另一方面(mian),通過摻(chan)入微量的憎水(shui)(shui)劑(ji)來改善其(qi)浸水(shui)(shui)和凍融(rong)性能,此5個指(zhi)標分別為A4B4C5D2E3時作為表4中粘結強度(du)優化實(shi)驗的固定配比,對比F3、F5和憎(zeng)水劑0.6‰、0.8‰用(yong)量下的拉伸粘結性能相關結果見表4。在表中(zhong)可以看(kan)出,憎(zeng)水(shui)劑(ji)的加(jia)入可以很好的改進(jin)浸水(shui)后(hou)和凍(dong)融(rong)后(hou)拉伸粘結強(qiang)度;另一方(fang)面,納(na)米物(wu)質的堆積密度是40kg/m3、憎水劑(ji)的堆積密(mi)度(du)720kg/m3,在性(xing)能相似時具有較(jiao)大體積量的(de)原料更利于工業(ye)化產(chan)品的(de)質(zhi)量穩定,優選納(na)米物(wu)質(zhi)為F3=0.30‰、憎水劑0.80‰,作為(wei)粘結性能優化(hua)的優選摻(chan)量。
表4. 粘(zhan)結(jie)強度性能優化實驗(yan)及結(jie)果
配(pei)比 | 納米物質 | 憎水(shui)劑 (內摻) | 28d粘結強度(du) /Mpa | ||
未處理 | 浸水(shui) | 凍(dong)融(rong) | |||
固定配(pei)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(xiu)補劑的配比及(ji)性能(neng)
在如(ru)上的實驗和優化中,每1000g修補劑中當(dang)水泥用量(liang)為(wei)420g、硅粉為(wei)420×6%=25g、膠粉(fen)為40g、減(jian)水(shui)劑為420×2%=8.4g、CMC為1g、納米物質為0.3g、憎(zeng)水劑為0.8g,其(qi)余為砂時,具有如(ru)表5的技術性(xing)能(neng)。
表(biao)5. HCC型(xing)修(xiu)補劑的性(xing)能
凝結時間 | 抗壓強度 /MPa | 抗折強度 /MPa | 拉伸粘結強度 /MPa | 收縮率 /% | |||||
初始/min | 終凝/h | 7d | 28d | 7d | 28d | 未(wei)處理 | 浸水 | 25次凍融 | |
210 | 8.9 | 38.9 | 55.2 | 7.23 | 12.41 | 2.20 | 2.15 | 2.14 | 0 |
3修(xiu)補(bu)料的修(xiu)補(bu)機理分析
當(dang)修補劑中的(de)(de)粉(fen)體顆(ke)粒(li)與攪拌水(shui)(shui)(shui)接觸后,通過(guo)減水(shui)(shui)(shui)劑的(de)(de)作用降低漿料里(li)游(you)離水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)量,從而(er)降低修補劑固化后因游(you)離水(shui)(shui)(shui)揮發后留(liu)下的(de)(de)毛細(xi)孔(kong)(kong)道,提高圍觀(guan)結構(gou)下孔(kong)(kong)隙率,在硅粉(fen)與水(shui)(shui)(shui)泥水(shui)(shui)(shui)化產(chan)生的(de)(de)CH、CSH作用形成新的晶核填充在水泥漿體(ti)里,提高了修補料的本體(ti)強度[2、3]。可(ke)再(zai)分散膠粉是一種(zhong)具有(you)(you)柔(rou)性的熱(re)塑性樹脂(zhi),已有(you)(you)研究表明[4],膠粉可以提(ti)高抗折(zhe)強(qiang)度,另(ling)一面膠粉量可以或(huo)多或(huo)少(shao)的(de)(de)降低抗壓(ya)強(qiang)度,從(cong)而調(diao)節了修補劑的(de)(de)柔韌(ren)性。
納米(mi)材料的(de)摻(chan)入(ru),與膠(jiao)粉和硅粉共同作用,提(ti)高了(le)對(dui)受損(sun)基(ji)體的(de)粘結力,在圖2中(zhong)對比12h和24h時(shi)的電(dian)鏡照片可以發現,在第12h時,各(ge)原料(liao)已(yi)經開(kai)始水(shui)化并成(cheng)核生長,生成(cheng)了很(hen)多直徑在50~200nm的細小(xiao)顆粒,在(zai)24h時已經固化(hua)并(bing)成(cheng)膜,初步(bu)形成(cheng)了穩定的(de)水(shui)泥固化(hua)物[3、5];對比圖2和圖3,可以得出HCC型修(xiu)補劑從水化到后期形成密實水泥基修(xiu)補材料的過(guo)程(cheng)。M40砂(sha)漿為(wei)PO42.5水(shui)泥的(de)ISO法(fa)標準(zhun)1:3水泥(ni)砂(sha)漿試(shi)件,抗壓強(qiang)度為(wei)47Mpa,圖4為修補劑(ji)對M40砂(sha)漿(jiang)的實際粘結后拉拔圖(tu),破損的界(jie)面(mian)為M40砂漿,這(zhe)充(chong)分說明HCC型修(xiu)補(bu)劑對(dui)水泥基材料具(ju)有(you)(you)非常(chang)好(hao)的粘結性(xing)能(neng)和滲透(tou)能(neng)力,通過(guo)納米(mi)級材料的滲透(tou)并(bing)水化,實現界面的粘接,當(dang)用于(yu)破(po)損砂漿混凝土的修(xiu)補(bu)時,具(ju)有(you)(you)比(bi)本體材料更好(hao)的力學性(xing)能(neng),不會產生再破(po)損[6]。
圖2. 修補劑(ji)水化物第12h(左×50k)和第24h(右×10k) FSEM
圖3. 修補(bu)劑水化物第7d(左×10k)和第(di)28d(右×5k) FSEM
圖(tu)4. 修補劑對M40級(ji)砂漿28d粘(zhan)結(jie)拉拔破壞
4結(jie)語
1)該修補料通(tong)過(guo)水泥、硅粉、膠粉、奈系減水劑(ji)、CMC、納米材(cai)料和砂(sha)等(deng)配制而成的單(dan)組份HCC水(shui)泥基滲透型(xing)流體(ti)(ti)修補(bu)砂漿(jiang)。體(ti)系中的活性(xing)成分滲(shen)透到(dao)原破損砂漿混(hun)凝土的微孔或毛細孔中,形(xing)成(cheng)牢固的(de)粘結力,從而實現修(xiu)補。
2) 當(dang)水泥(ni)用量(liang)為42.0%、硅粉為2.5%、膠粉(fen)為4.0%、減水劑為0.84%、CMC為0.1%、納米(mi)物質為0.03%、憎水(shui)劑為0.08%,其余為砂時,可以實現(xian)抗壓、抗折的7d-28d強度分別為:38.9Mpa-55.2Mpa、7.23Mpa-12.41Mpa,28d粘結強度2.20Mpa,浸(jin)水和凍融后為2.15Mpa、2.14Mpa。
3) HCC型(xing)修(xiu)補劑可(ke)以廣泛(fan)的(de)用(yong)于混凝(ning)土和砂漿的(de)高(gao)粘結的(de)滲(shen)透修(xiu)補,與有(you)機修(xiu)補材料相比,具有(you)成本(ben)低(di)、兼容(rong)性好的(de)特點。
參(can)考文(wen)獻:
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作者簡介:柴石(shi)明,男,吉林松原(yuan)人,(1984-),助(zhu)理工程師,從事水泥(ni)建(jian)材的開發與應用。
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