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CN117024086A - 一种柔性增强注浆材料及其制备方法 - Google Patents

一种柔性增强注浆材料及其制备方法 Download PDF

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CN117024086A CN202311094757.7A CN202311094757A CN117024086A CN 117024086 A CN117024086 A CN 117024086A CN 202311094757 A CN202311094757 A CN 202311094757A CN 117024086 A CN117024086 A CN 117024086A
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Abstract

本发明涉及一种柔性增强注浆材料及其制备方法，柔性增强注浆材料包括聚乙烯醇纤维和浆体，浆体包括以下质量份的各组分：胶凝材料1000份，醋酸乙烯‑乙烯共聚物乳液150‑250份，水470‑530份，促凝剂30‑50份，早强剂3‑5份，减水剂2‑3份，消泡剂2‑4份，膨胀剂3‑5份；所述聚乙烯醇纤维与所述浆体的体积比为(3‑5)：1000。与现有技术相比，本发明中的柔性增强注浆材料具有高流态、模量匹配以及界面粘结强度高等特点，且制备方法简单，施工便捷，对水泥稳定碎石基层的破坏修复效果更好。

Description

一种柔性增强注浆材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及道路基层修复和注浆材料技术领域，尤其是涉及一种柔性增强注浆材料及其制备方法。
背景技术
水泥稳定碎石基层是我国道路广泛采用的基层形式，其具有较高的承载能力、出色的耐久性以及较低的生产成本。然而，水稳基层在道路长期荷载作用下，易产生疲劳破开裂和脱空等病害。此外，温度收缩以及干燥收缩等现象也使得基层裂缝进一步发展，最终反射到面层，引起严重的道路损坏。
注浆可以有效修复水泥稳定碎石基层的裂缝及脱空病害，属于道路非开挖方法。对于水稳基层的修复，需要注浆材料脆性较小，柔性较高，强度适中，高流态且界面粘结较强。柔性较高意味着注浆材料弹性模量接近基层模量的较低值(14-28GPa)。此时，注浆部位在道路荷载作用下可以产生一定的变形来抵消应力和吸收能量，从而避免应力集中进而导致二次开裂。高流态意味着材料更易于注入基层的微裂缝中。界面粘结较强可以避免注浆修复后材料从破坏界面脱离，从而提高材料的协同工作能力。
目前注浆材料主要分为水泥基注浆材料、地聚物注浆材料以及高聚物注浆材料。水泥基材料结构简单，使用历史较长，成本较低且易于改性，但存在凝结时间较长、脆性较大和容易收缩等问题；地聚物注浆材料利用工业废弃物替代水泥，可减少资源浪费和环境污染，耐久性较好，但强度较高而不适用于道路基层修复，且受养护环境影响大；以聚氨酯为主的高聚物注浆材料凝结时间短，膨胀性好，可注入修复部位的微小裂缝中，但存在成本较高和易污染环境的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种柔性增强注浆材料及其制备方法，提供了一种柔性增强注浆材料及其制备方法，所提供的注浆材料为聚合物与纤维改性的水泥基注浆材料，相较于传统水泥基材料，其具有高流态、模量与基层匹配、界面粘结强、干燥收缩小和耐久性好等特点。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
本发明第一方面提供一种柔性增强注浆材料，包括聚乙烯醇纤维和浆体，所述浆体包括以下质量份的各组分：
胶凝材料1000份，
醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液150-250份，
水470-530份，
促凝剂30-50份，
早强剂3-5份，
减水剂2-3份，
消泡剂2-4份，
膨胀剂3-5份；
所述聚乙烯醇纤维与所述浆体的体积比为(3-5)：1000。
进一步地，所述柔性增强注浆材料流动度为260-290mm；终凝时间为550-700min；二十八天抗压强度、抗折强度以及压折比分别为25-35MPa，5.5-7.0MPa和4.0-5.5；二十八天弹性模量为11-15MPa。
进一步地，所述柔性增强注浆材料的模量与注浆部位的水泥稳定碎石基层匹配，能够通过产生的变形以抵消应力，避免二次破坏。
进一步地，所述胶凝材料包括以下质量份的各组分：超细水泥740份、粉煤灰200份、硅灰60份。
进一步地，所述超细水泥为1000目超细硅酸盐水泥；
所述粉煤灰为Ⅰ级F类粉煤灰；
所述硅灰比表面积为15000-25000m2/kg，SiO2含量>85wt％。
进一步地，所述醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液的pH为4.0-6.0；
所述促凝剂的成分包括硫铝酸盐水泥熟料。
进一步地，所述早强剂的成分包括碳酸锂；
所述减水剂的成分包括聚羧酸。
进一步地，所述消泡剂的成分包括有机聚硅氧烷；
所述膨胀剂的成分包括硫铝酸钾。
进一步地，所述聚乙烯醇纤维的长度为3mm，密度为1.28-1.31g/cm3。
本发明第二方面提供一种如上述柔性增强注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照配方量将胶凝材料、聚乙烯醇纤维、促凝剂、早强剂、减水剂、消泡剂和膨胀剂混合，并进行低速搅拌60-120s，得到混合材料A；
(2)将水与醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液按配方混合形成溶液，并加入所述混合材料A中，先低速搅拌120-180s，再高速搅拌120-180s，得到混合材料B；
(3)将所述混合材料B振捣60-120s以消除内部气泡，得到柔性增强注浆材料成品。
进一步地，步骤(1)中低速搅拌下，搅拌叶的公转速度为62±5r/min，自转速度为140±5r/min。混合材料A的形态为固体干粉，采用低速搅拌可以将各组分均匀混合，且避免转速过快导致干粉飞散。
进一步地，步骤(2)中低速搅拌下，搅拌叶的公转速度为62±5r/min，自转速度为140±5r/min。采用低速搅拌可以将干粉与溶液逐渐混合，且避免转速过快导致浆体飞溅。高速搅拌下，搅拌叶的公转速度为125±10r/min，自转速度为285±10r/min。在低速搅拌一段时间后，材料已成为水泥浆体，可以进行高速搅拌使各组分混合更加均匀。
与传统注浆材料相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过使用超细水泥、粉煤灰、硅灰、醋酸乙烯-乙烯共聚乳液和聚乙烯醇纤维，对所制备的水泥基注浆材料性能进行提高。超细水泥拥有更小的粒径，易于注入基层的微小裂缝中；粉煤灰具有滚珠效应且粒径较小，可提高浆体流动性和耐久性；硅灰中二氧化硅含量较高，且粒径在胶凝材料中最小，可促进水泥二次水化，提高材料后期强度和致密性；醋酸乙烯-乙烯共聚乳液可与水泥颗粒以及水化产物形成空间网状弹性结构，进而提高材料的柔性及界面粘结强度，降低弹性模量；聚乙烯醇纤维在浆体中起桥接作用，可阻止裂缝的产生发展，提高材料韧性，并减小干燥收缩。上述材料中均为工程常用材料，对环境污染较小。
(2)除上述主要成分外，促凝剂、早强剂、减水剂、消泡剂和膨胀剂等改性剂也以适当掺量加入提高柔性增强注浆材料的性能表现。
(3)本发明提供的柔性增强注浆材料属于水泥基材料，其原材料成本低于高聚物注浆材料。
(4)本发明提供的柔性增强注浆材料流动度为260-290mm；终凝时间为550-700min；二十八天抗压强度、抗折强度以及压折比为25-35MPa，5.5-7.0MPa和4.0-5.5；二十八天弹性模量为117-15MPa。整体而言，柔性增强注浆材料强度适中，模量与水泥稳定碎石基层匹配，柔韧性较强，可以产生一定的变形以抵消应力，避免二次破坏。此外，材料的粘结性能较好，干燥收缩较小。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，但绝不是对本发明的限制。本技术方案中如未明确说明的制备手段、材料、结构或组成配比等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
下述实施例中使用的主要材料如下：水泥为1000目超细水泥；粉煤灰为Ⅰ级F类粉煤灰；硅灰比表面积为21000m2/kg，SiO2含量为98.4％；醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液pH为4.9；聚乙烯醇纤维密度为1.29g/cm3。
实施例1
本实施例中，除聚乙烯醇纤维外，其余原料按质量份混合而成：胶凝材料1000份(超细水泥740份，粉煤灰200份，硅灰60份)，醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液200份，水500份，促凝剂30份，早强剂5份，减水剂2.5份，消泡剂4份，膨胀剂5份；聚乙烯醇纤维按照与浆体(前述原料混合而成)体积比为4：1000添加。
上述柔性增强注浆材料的制备方法如下：
(1)按照配方量将超细水泥、粉煤灰、硅灰、聚乙烯醇纤维、促凝剂、早强剂、减水剂、消泡剂和膨胀剂等干组分混合，加入搅拌锅中并进行低速搅拌60s。低速搅拌下，搅拌叶的公转速度为62±5r/min，自转速度为140±5r/min。
(2)将水与醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液按配方混合形成的溶液加入前述混合物中，先低速搅拌120s，再高速搅拌120s。低速搅拌下，搅拌叶的公转速度为62±5r/min，自转速度为140±5r/min；高速搅拌下，搅拌叶的公转速度为125±10r/min，自转速度为285±10r/min。
(3)将搅拌得到的材料倒入模具，放到振捣台上振捣60s以消除内部气泡，得到柔性增强注浆材料。
实施例2
本实施例所用材料与实施例1完全相同，区别在于水更多，而醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液和聚乙烯醇纤维更少。除聚乙烯醇纤维外，其余原料按质量份混合而成：胶凝材料1000份(超细水泥740份，粉煤灰200份，硅灰60份)，醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液160份，水530份，促凝剂30份，早强剂5份，减水剂2.5份，消泡剂4份，膨胀剂5份；聚乙烯醇纤维按照与浆体(前述原料混合而成)体积比为3：1000添加。
上述柔性增强注浆材料的制备方法同实施例1。
实施例3
本实施例所用材料与实施例1完全相同，区别在于水更多，聚乙烯醇纤维更少。除聚乙烯醇纤维外，其余原料按质量份混合而成：胶凝材料1000份(超细水泥740份，粉煤灰200份，硅灰60份)，醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液200份，水530份，促凝剂30份，早强剂5份，减水剂2.5份，消泡剂4份，膨胀剂5份；聚乙烯醇纤维按照与浆体(前述原料混合而成)体积比为3：1000添加。
上述柔性增强注浆材料的制备方法同实施例1。
对比例1
以不添加醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液和聚乙烯醇纤维的注浆材料为对比例。相较于前述实施例，该对比例强度和弹性模量更高，但柔韧性和流动性能较差。具体掺量如下：胶凝材料1000份(超细水泥740份，粉煤灰200份，硅灰60份)，水500份，促凝剂30份，早强剂5份，减水剂2.5份，消泡剂4份，膨胀剂5份。
上述柔性增强注浆材料的制备方法同实施例1。
实施例1-3及对比例1所用原料用量如表1所示。
表1各组分及其用量(g)
测试实施例1-3及对比例1注浆材料的流动度、终凝时间、二十八天抗压/抗折强度、二十八天压折比以及二十八天弹性模量。其中，流动度试验参照GB/T8077-2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》；凝结试件参照GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性试验方法》；抗压/抗折强度试验参照GB/T17671-2021《水泥胶砂强度检验方法》；压折比为抗压强度与抗折强度比值；弹性模量参照GB/T 7897-2008《钢丝网水泥用砂浆力学性能试验方法》。试验结果如表2所示。
表2实施例1-3及对比例1试验结果
由表2可以看出，相较于对比例的注浆材料，实施例1-3的柔性增强注浆材料流动度提高了8.26-16.94％，抗压强度降低了44.02-53.09％，抗折强度几乎不变，压折比降低了48.03-51.76％，弹性模量降低了35.58-45.99％，凝结时间延长了46.38-54.75％。流动度的提高意味着注浆材料在对破损部位尤其是微裂缝的填充效果更强；通过降低抗压强度但不降低抗折强度，压折比得到显著降低，意味着材料具有更强的韧性，在变形时可以吸收更多能量，以免断裂。与此同时，材料的抗压强度也保持在合理范围，能够承受荷载而不发生破坏；弹性模量降低且与水泥稳定基层匹配(14-28Gpa)意味着材料的柔性更强，在承受荷载时可产生一定的变形来抵消应力，防止出现脆性破坏，并与基层协同工作，防止二次开裂。凝结时间相对延长，一方面是由于醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液和水的增加使浆体内自由水含量较大，水化产物被稀释，另一方面是由于醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液中的固体颗粒会包裹水泥颗粒，影响水化进程和水化产物之间的连接。然而，上述作用也会使得材料流动性增加，便于施工。24小时后，柔性增强注浆材料仍具有足够的强度。以实施例1来说，其一天抗压强度为8.28MPa，抗折强度为2.27MPa，故凝结时间的延长是可以接受的。
综上，本发明提供的柔性增强注浆材料相比传统水泥基注浆材料具有高流态、模量匹配以及界面粘结强等特征，针对水泥稳定碎石基层修复场景的适应性更强，可有效修复破损部位并防止二次开裂。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性增强注浆材料，其特征在于，包括聚乙烯醇纤维和浆体，所述浆体包括以下质量份的各组分：
胶凝材料1000份，
醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液150-250份，
水470-530份，
促凝剂30-50份，
早强剂3-5份，
减水剂2-3份，
消泡剂2-4份，
膨胀剂3-5份；
所述聚乙烯醇纤维与所述浆体的体积比为(3-5)：1000。
2.根据权利要求1所述的一种柔性增强注浆材料，其特征在于，所述柔性增强注浆材料流动度为260-290mm；终凝时间为550-700min；二十八天抗压强度、抗折强度以及压折比分别为25-35MPa，5.5-7.0MPa和4.0-5.5；二十八天弹性模量为11-15MPa。
3.根据权利要求1所述的一种柔性增强注浆材料，其特征在于，所述柔性增强注浆材料的模量与注浆部位的水泥稳定碎石基层匹配，所述柔性增强注浆材料能够通过产生的变形以抵消应力，避免二次破坏。
4.根据权利要求1所述的一种柔性增强注浆材料，其特征在于，所述胶凝材料包括以下质量份的各组分：超细水泥740份、粉煤灰200份、硅灰60份。
5.根据权利要求4所述的一种柔性增强注浆材料，其特征在于，所述超细水泥为1000目超细硅酸盐水泥；
所述粉煤灰为Ⅰ级F类粉煤灰；
所述硅灰比表面积为15000-25000m2/kg，SiO2含量>85wt％。
6.根据权利要求1所述的一种柔性增强注浆材料，其特征在于，所述醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液的pH为4.0-6.0；
所述促凝剂的成分包括硫铝酸盐水泥熟料。
7.根据权利要求1所述的一种柔性增强注浆材料，其特征在于，所述早强剂的成分包括碳酸锂；
所述减水剂的成分包括聚羧酸。
8.根据权利要求1所述的一种柔性增强注浆材料，其特征在于，所述消泡剂的成分包括有机聚硅氧烷；
所述膨胀剂的成分包括硫铝酸钾。
9.根据权利要求1所述的一种柔性增强注浆材料，其特征在于，所述聚乙烯醇纤维的长度为3mm，密度为1.28-1.31g/cm3。
10.一种如权利要求1至9中任意一项所述柔性增强注浆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照配方量将胶凝材料、聚乙烯醇纤维、促凝剂、早强剂、减水剂、消泡剂和膨胀剂混合，并进行低速搅拌60-120s，得到混合材料A；
(2)将水与醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液按配方混合形成溶液，并加入所述混合材料A中，先低速搅拌120-180s，再高速搅拌120-180s，得到混合材料B；
(3)将所述混合材料B振捣60-120s以消除内部气泡，得到柔性增强注浆材料成品。
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