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一种结构加固用地聚合物基粘结材料及其制备方法和应用

文献发布时间：2023-06-19 18:34:06

技术领域

本发明涉及无机复合材料技术领域，尤其涉及一种结构加固用地聚合物基粘结材料及其制备方法和应用。

背景技术

由于环境腐蚀、超载、使用等级提升等问题，我国有非常多的老旧危桥需要加固。FRP网格加固技术是一种新型加固技术，其采用高性能FRP网格和无机粘结材料共同作为加固层，克服了纤维布加固技术面临的耐高温不足、低温难以施工、以及树脂导致的混凝土表面透气性低等问题，是一种非常有前景的加固技术。

目前，FRP网格加固技术中常用的粘结材料为聚合物水泥砂浆(polymer cementmortar，即PCM)，是通过在普通水泥砂浆中添加一定量的聚合物乳液得到的。尽管PCM与混凝土间具有良好的粘结性能，但是，受限于其基体材料仍为水泥基材料，养护时间至少7d，难以满足现代交通快速通车的迫切需求。同时，由于PCM中含有有机聚合物，在40～60℃环境下，界面粘结强度会发生退化，这对在海洋腐蚀环境中的桥梁、房屋等结构非常不利。因此，有必要开发一种能解决上述问题的无机粘结材料。

地聚合物或地质聚合物(Geopolymer，即GP)是指采用天然矿物或固体废弃物及人工硅铝化合物为原料，制备的硅氧四面体与铝氧四面体三维网格聚合物凝胶材料，具有稳定的力学性能和优异的耐腐蚀以及耐高温性。目前，地聚合物的研究多处于理论阶段，且早强型地聚合物的研究集中在道路修补方面，难以满足FRP网格加固用粘结材料对于力学性能和工作性能的要求。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明的目的是提供一种结构加固用地聚合物基粘结材料及其制备方法和应用，该结构加固用地聚合物基粘结材料具有快硬、早强、高粘结、易于施工、能快速恢复交通、综合成本较低的特点。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种结构加固用地聚合物基粘结材料，由如下质量份的组分构成：粉煤灰12.6～18份、矿粉14.2～18份、硅粉3.6～5.4份、氢氧化镁1.3～2.6份、纳米二氧化钛0.18～0.2份、组合级配骨料40～45份、碱激发剂溶液15～20份、减水剂0.05～1份、消泡剂0.05～1份。

在一些具体的技术方案中，所述的粉煤灰为一级低钙粉煤灰，SiO

在一些具体的技术方案中，所述的矿粉为S105磨碎高炉矿渣微粉，氧化钙含量大于40wt％，氧化铁含量小于1wt％，平均粒径为10～20μm。

在一些具体的技术方案中，所述的硅粉为SF93工业级硅灰，比表面积＞15m

在一些具体的技术方案中，所述的氢氧化镁为工业级一类氢氧化镁，烧失量＞30％。实际使用中，也可以根据需要采用分析纯级氢氧化镁替代工业级一类氢氧化镁。

在一些具体的技术方案中，所述的纳米二氧化钛为分析纯级，比表面积＞50m

在一些具体的技术方案中，所述的组合级配骨料为10～40目的石英砂，其中，10～20目颗粒级配为70wt％，20～40目颗粒级配为30wt％。实际使用中，也可以根据需要采用同级配的河砂替代石英砂。

在一些具体的技术方案中，所述的碱激发剂溶液为氢氧化钠溶液和硅酸钠溶液混合得到，溶液中的氧化硅和氧化钠的摩尔比Ms为0.8～1.5。在此范围可以保证粘结材料获得更好的性能。实际使用中，也可以根据需要采用氢氧化钾替代氢氧化钠，硅酸钾替代硅酸钠。

在一些具体的技术方案中，氢氧化钠溶液由分析纯级别的氢氧化钠固体颗粒和水混合得到，浓度为8～12mol/L；硅酸钠溶液中固体含量不少于35wt％。

在一些具体的技术方案中，所述的减水剂为高效聚羧酸类减水剂。实际使用中，减水剂的有效固含量大于40％，减水效率不低于30％。

优选的，具体的减水剂可选用液体高效聚羧酸减水剂、Sika375减水剂。

在一些具体的技术方案中，所述的消泡剂为商用混凝土消泡剂。实际使用中，消泡剂的消泡率不低于50％。

优选的，具体的消泡剂可选用昕马特DF770DD消泡剂、TDS-PVA770DD自流平消泡剂。

第二方面，本发明提供了上述的结构加固用地聚合物基粘结材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氢氧化钠溶液和硅酸钠溶液搅拌均匀，于20～30℃环境静置24小时以上，得到碱激发剂溶液；

(2)将粉煤灰、矿粉、硅粉、氢氧化镁、纳米二氧化钛、组合级配骨料、消泡剂搅拌均匀，搅拌速度不大于200r/min，搅拌时间不少于1分钟，得到干拌料；

(3)将碱激发剂溶液、干拌料搅拌混合后，加入减水剂继续搅拌均匀，搅拌速度不小于400r/min，搅拌时间不少于3分钟，得到所述结构加固用地聚合物基粘结材料。

在一些具体的技术方案中，步骤(3)中所加入的减水剂为液体状态。或者，当采用干粉状态的减水剂时，将减水剂在步骤(2)中加入，即当现场施工条件有限时，可在步骤(2)中加入粉体减水剂来代替步骤(3)中的液体减水剂，如此，可在现场预制搅拌得到干拌料，留待现场直接使用。

此外，当混合后的碱激发剂溶液用量较多，且由于时间限制无法提前24小时制备，可采用冷水制备；氢氧化钠固体颗粒分多次加入，防止溶于水时产生过高热量；待氢氧化钠溶液冷却至室温后，再与硅酸钠溶液混合均匀，静置备用。

第三方面，本发明还提供了上述的结构加固用地聚合物基粘结材料在结构加固上的应用。

具体的，采用本发明的结构加固用地聚合物基粘结材料在结构加固时，加固后12小时恢复使用，之后1～3天洒水养护。

优选的，被加固的结构为混凝土结构，如混凝土桥梁等，且不限于应用于FRP网格、纤维编织网、格栅等网格状FRP材料加固混凝土。

本发明结构加固用地聚合物基粘结材料中含有矿粉，矿粉中含有大量的氧化钙，在强碱作用下，氧化钙快速反应生成水化硅酸钙，砂浆快速硬化，降低砂浆的凝结时间，同时大量的水化硅酸钙能够提供早期抗压强度。因此，矿粉的用量是该结构加固用地聚合物基粘结材料实现快硬、早强的核心组分。碱激发剂溶液的用量也是决定地聚合物凝结时间和早期抗压强度的重要因素。在矿粉用量一定时，提高碱激发剂溶液用量可以延长凝结时间和降低早期抗压强度。

本发明结构加固用地聚合物基粘结材料，在砂浆养护后期，矿粉和粉煤灰中的氧化硅和氧化铝持续与砂浆内部剩余的碱反应，生产致密稳定的硅-铝-氧四面体地聚合物，进一步提高砂浆的长期抗压强度。在地聚合反应后期，通过采取特定的组合级配骨料填充在地聚合物骨架中，保证强度的稳定性。

本发明结构加固用地聚合物基粘结材料，通过加入特定的氢氧化镁可以生成M-A-S-H胶体结构，降低结构加固用地聚合物基粘结材料的收缩开裂的风险；通过加入特定的纳米二氧化钛，可填充在地聚合物中的孔隙，优化孔结构分布，提高抗压强度的同时，也能增强地聚合物的抗干缩能力，提高粘结材料的长期性能。

本发明结构加固用地聚合物基粘结材料与混凝土的粘结作用包括两方面：一是粉煤灰和矿粉中氧化硅和氧化铝的含量远高于氧化钙，在非常短的时间内，氧化钙反应完全，生成的水化硅酸钙晶体伸入老混凝土表面的晶体孔隙中，形成机械咬合力；二是氧化硅和氧化铝生成的硅氧四面体中会吸附金属阳离子，老混凝土中的游离钙离子会吸附在硅氧四面体中，形成稳定的离子键。

与现有技术相比，本发明提供了一种结构加固用地聚合物基粘结材料及其制备方法和应用，具备以下有益效果：

(1)本发明制备得到的结构加固用地聚合物基粘结材料的1天抗压强度最高可以达到60MPa，不使用界面剂时与使用界面剂的聚合物砂浆在7天的粘结强度相近；

(2)本发明制备得到的结构加固用地聚合物基粘结材料不需要使用界面剂，施工简便，易于推广；

(3)本发明采用了工业废弃物，在降低材料成本的同时，降低了CO

(4)本发明具有快硬、早强、高粘结、易于施工、能快速恢复交通、综合成本较低的特点，可用于快速加固混凝土结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例4～8矿粉用量和地质聚合物性质的相关实验结果；

图2为实施例9～11碱激发剂用量和地质聚合物性质的相关实验结果，其中，横坐标的“碱/胶”的值是指碱激发剂溶液的用量与粉煤灰、矿粉、硅粉三者总用量的比值。

具体实施方式

下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面通过详细的实施例并结合附图对本发明作进一步详细描述，以说明本发明制备的结构加固用地聚合物基粘结材料的工作性能和力学性能。

实施例所用的原料均可通过商业途径获得。其中，粉煤灰选用一级低钙粉煤灰，SiO

流动性按照GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行，凝结时间按照GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法标准》第8条进行，抗压强度按照JCJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》第8条进行，粘结强度按照GB50550-2010《建筑结构加固工程施工质量验收规范》附录S进行。

实施例1

本实施例提供了一种结构加固用地聚合物基粘结材料，由如下质量份的组分构成：14份一级低钙粉煤灰、18份S105矿粉、4份SF93硅粉、1.3份工业级一类氢氧化镁、0.2份纳米二氧化钛、43份组合级配骨料、18份碱激发剂溶液、0.8份液体高效聚羧酸减水剂、0.7份昕马特DF770DD消泡剂。

其中，18份碱激发剂溶液由10.8份Na

该结构加固用地聚合物基粘结材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将NaOH溶液和Na

(2)将粉煤灰、矿粉、硅粉、氢氧化镁、纳米二氧化钛、组合级配骨料、消泡剂混合后在行星搅拌机中进行慢速机械搅拌1分钟至均匀，搅拌速度不大于200r/min，得到干拌料；

(3)将提前准备的碱激发剂溶液分多次加入到干拌料中搅拌30s混合，加入减水剂继续搅拌4分钟至均匀，搅拌速度不小于400r/min，得到结构加固用地聚合物基粘结材料。

对所制备得到的结构加固用地聚合物基粘结材料进行测试其工作性能，以及浇筑、振捣，在标准条件下养护等操作。测试结果如下表1所示：

表1实施例1的工作性能

实施例2

本实施例提供了一种结构加固用地聚合物基粘结材料，由如下质量份的组分构成：16份一级低钙粉煤灰、15份S105矿粉、5份SF93硅粉、1.5份工业级一类氢氧化镁、0.2份纳米二氧化钛、42份组合级配骨料、19.5份碱激发剂溶液、0.5份液体高效聚羧酸减水剂、0.3份昕马特DF770DD消泡剂。

其中，19.5份碱激发剂溶液由13份Na

该结构加固用地聚合物基粘结材料的制备方法参考实施例1。

对所制备得到的结构加固用地聚合物基粘结材料进行测试其工作性能，以及浇筑、振捣，在标准条件下养护等操作。测试结果如下表2所示：

表2实施例2的工作性能

实施例3

本实施例提供了一种结构加固用地聚合物基粘结材料，由如下质量份的组分构成：13份一级低钙粉煤灰、18份S105矿粉、5份SF93硅粉、2.6份工业级一类氢氧化镁、0.2份纳米二氧化钛、42.6份组合级配骨料、18份碱激发剂溶液、0.2份液体高效聚羧酸减水剂、0.4份昕马特DF770DD消泡剂。

其中，18份碱激发剂溶液由10.8份K

该结构加固用地聚合物基粘结材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将KOH溶液和K

对所制备得到的结构加固用地聚合物基粘结材料进行测试其工作性能，以及浇筑、振捣，在标准条件下养护等操作。测试结果如下表3所示：

表3实施例3的工作性能

对比实施例1～3中的结构加固用地聚合物基粘结材料的粘结强度和抗压强度的关系可以发现，当结构加固用地聚合物基粘结材料的1天抗压强度超过30MPa，其粘结强度就可以达到2.0MPa，达到聚合物水泥砂浆在7天粘结强度的90％以上(2.2MPa)，实现与混凝土的有效粘结。

实施例4

本实施例提供了一种结构加固用地聚合物基粘结材料，由如下质量份的组分构成：28.47份一级低钙粉煤灰、3.56份S105矿粉、3.6份SF93硅粉、1.4份工业级一类氢氧化镁、0.18份纳米二氧化钛、43份组合级配骨料、19.6份碱激发剂溶液、0.14份Sika375减水剂、0.05份TDS-PVA770DD自流平消泡剂。

其中，19.6份碱激发剂溶液由14份Na

该结构加固用地聚合物基粘结材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将NaOH溶液和Na

(2)将粉煤灰、矿粉、硅粉、氢氧化镁、纳米二氧化钛、组合级配骨料、消泡剂、减水剂混合后在行星搅拌机中进行慢速机械搅拌1分钟至均匀，搅拌速度不大于200r/min，得到干拌料；

(3)将提前准备的碱激发剂溶液分多次加入到干拌料中搅拌4分钟至均匀，搅拌速度不小于400r/min，得到结构加固用地聚合物基粘结材料。