一种粉煤灰基地聚合物砂浆修补材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种粉煤灰基地聚合物砂浆修补材料及其制备方法 (Fly ash-based polymer mortar repair material and preparation method thereof ) 是由 吴大志 陈柯宇 易鸣 余璐 张振营 于 2020-06-02 设计创作，主要内容包括：本发明属于道路修补材料技术领域,具体涉及一种粉煤灰基地聚合物砂浆修补材料及其制备方法以重量份数计,包括如下组分：低钙粉煤灰32-45份,水玻璃溶液8-12份,NaOH 3-4份,纳米二氧化硅凝胶1-2份,钢纤维1.6-2.5份,碳酸钙晶须0.2-0.3份,纯水8-11份,中砂64-90份。本发明的地质聚合物砂浆修补材料具有清洁绿色、强度高、开放交通时间短、耐久性好、新旧混凝土界面作用强及收缩性能好的特点。(The invention belongs to the technical field of road repairing materials, and particularly relates to a fly ash-based polymer mortar repairing material and a preparation method thereof, wherein the fly ash-based polymer mortar repairing material comprises the following components in parts by weight: 32-45 parts of low-calcium fly ash, 8-12 parts of water glass solution, 3-4 parts of NaOH, 1-2 parts of nano silica gel, 1.6-2.5 parts of steel fiber, 0.2-0.3 part of calcium carbonate whisker, 8-11 parts of pure water and 64-90 parts of medium sand. The geopolymer mortar repair material has the characteristics of cleanness, greenness, high strength, short open traffic time, good durability, strong interface effect of new and old concrete and good shrinkage performance.)
技术领域
本发明属于道路修补材料技术领域，具体涉及一种粉煤灰基地聚合物砂浆修补材料及其制备方法。
背景技术
我国的道路交通基础建设得到长足发展，公路总里程位居世界首位，截止目前，我国公路总里程超过四百万公里，其中半数以上公路路面都是水泥混凝土路面。由于交通量及路面荷载增大，传统早期的水泥混凝土公路出现不同程度的破坏，例如麻面、错台、裂缝、脱皮等。这些破坏会对道路交通造成较为严重的影响。
传统的水泥基修补材料存在新旧水泥混凝土界面粘结性能弱、耗能大等问题，逐渐不满足快速绿色修补的要求，限制其进一步应用。因此亟需一种性能优异、早期强度高、界面结合好、收缩率小的道路修补材料。
地聚合物是一种新型无机胶凝材料。其反应机理为：硅铝质氧化物在碱性环境下发生铝氧键（Al-O）与硅氧键（Si-O）的断裂，生成物在介质水中通过断开氧桥形成低聚结构单元。产物具备凝结硬化快、早强高、粘结强度高、耐久性好等优势，是一种很优异的修补材料。粉煤灰是原煤高温煅烧后从烟气中捕获下来的细灰，据统计全球粉煤灰的有效利用率只达20-30%，多作为矿物组分与硅酸盐水泥协同作用。其余的粉煤灰则被丢弃于垃圾填埋场中，造成土壤、水和空气的污染。但从绿色环保的角度看，粉煤灰具有良好的火山灰效应，碱激发过程中不需要消耗大量的能源，并减少了不必要的二氧化碳排放，符合建筑业对可持续发展的趋势。因而制备利用粉煤灰制备地聚合物砂浆修补材料能较好的发挥材料的潜力，将其优势充分利用。
如何设计一种粉煤灰基地聚合物砂浆修补材料来替代传统的水泥修补材料成为了本领域技术人员面临的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明目的是提供一种粉煤灰基地聚合物砂浆修补材料。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种粉煤灰基地聚合物砂浆修补材料，以重量份数计，包括如下组分：
低钙粉煤灰32-45份，水玻璃溶液8-12份，NaOH 3-4份，纳米二氧化硅凝胶1-2份，钢纤维1.6-2.5份，碳酸钙晶须0.2-0.3份，纯水8-11份，中砂64-90份。
优选的，所述水玻璃为建筑用水玻璃，波美度35-40,水玻璃的模数为3.0-3.3。
优选的，NaOH为固体分析纯，纯度为99.5%。
优选的，所述低钙粉煤灰粉末包括 Al2O3和SiO2；且所述低钙粉煤灰的粒径在0.1μm-50μm范围内。
优选的，所述中砂粒径在0.25mm-0.5mm范围内，细度模数为1.6-3.7。
优选的，胶态纳米二氧化硅平均粒径在8 mm -14mm范围内，固体含量为30%-35%，PH值为7-7.5。
优选的，其中钢纤维的长度为10 mm -15mm，直径为0.08mm-0.12mm，抗拉强度大于1200MPa；碳酸钙晶须长度为3 mm -5mm，直径为2μm -3μm，抗拉强度大于2200MPa。
本发明还提供一种上述粉煤灰基地聚合物砂浆修补材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、以重量份数计，准备低钙粉煤灰32-45份，水玻璃溶液8-12份，NaOH 3-4份，纳米二氧化硅凝胶1-2份，钢纤维1.6-2.5份，碳酸钙晶须0.2-0.3份，纯水8-11份，中砂64-90份；
S2、将水玻璃溶液和NaOH混合后，得到碱激发剂，静置24小时；
S3、将低钙粉煤灰和中砂混合后，干拌3-5分钟，得到预混料；
S4、往步骤S3中得到的预混料中加入步骤S2中得到的碱激发剂、胶态纳米二氧化硅和纯水后，继续搅拌3-5分钟；
S5、待搅拌均匀后，逐渐加入钢纤维和碳酸钙晶须，再搅拌3分钟，得到均匀浆体。
较之现有技术，本发明的优点在于：
1、本发明的地质聚合物砂浆修补材料具有清洁绿色、强度高、开放交通时间短、耐久性好、新旧混凝土界面作用强及收缩性能好的特点。
2、本发明采用了胶态纳米二氧化硅与多尺度纤维，充分发挥两者对地聚合物混凝土试块性能的协同优化作用：胶态纳米二氧化硅填充一部分地聚合物孔隙，且在聚合过程中的反应生成了大量的硅铝酸盐凝胶和主要原料的反应产物，使得基体更加密实。钢纤维与碳酸钙晶须尺寸、长度差异较大，形成多尺度纤维体系，其能进一步增加地聚合物砂浆的韧性，约束了材料的塑性变形，承担了一部分内力。上述材料的添加在降低了施工的成本的同时，还提高了材料的性能和施工性。
3、本发明的一种复掺胶态纳米二氧化硅和多尺度纤维的粉煤灰基砂浆修补材料制备工艺简单，易于推广。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。
实施例1：
一种粉煤灰基地聚合物砂浆修补材料，以重量份数计，包括如下组分：
低钙粉煤灰32份，水玻璃溶液8份，NaOH 3份，纳米二氧化硅凝胶1份，钢纤维1.6份，碳酸钙晶须0.2份，纯水8份，中砂64份。
其中，所述水玻璃为建筑用水玻璃，波美度35-40,水玻璃的模数为3.0-3.3。
采用胶态纳米二氧化硅被添加到砂浆混合物中可以获得更好的性能；这归结于胶态纳米二氧化硅的分散性更好，比表面积大，团聚程度大大降低。纳米颗粒更多地填充进孔隙中和参与反应。胶态纳米二氧化硅细小颗粒填充一部分地孔隙，减小孔隙率。在聚合过程中的反应生成了大量的硅铝酸盐凝胶和主要原料的反应产物，使得基体中的无定形化合物转变为晶态化合物；
多尺度纤维通过地聚合物胶凝材料的包裹分布于骨料结合面之间，显著改善了砂浆中最为薄弱区域的应力分布，减少了裂缝的产生；纤维在砂浆受外力作用时承担了大部分力，从而提高基体的韧性和抗裂能力。且不同尺度纤维的混杂会产生不同于单一纤维的混杂效应。
本实施例中，NaOH为固体分析纯，纯度为99.5%。
所述低钙粉煤灰粉末包括 Al2O3和SiO2；且所述低钙粉煤灰的粒径在0.1μm-50μm范围内。
所述中砂粒径在0.25mm-0.5mm范围内，细度模数为1.6-3.7。
胶态纳米二氧化硅平均粒径在8 mm -14mm范围内，固体含量为30%-35%，PH值为7-7.5。
钢纤维的长度为10 mm -15mm，直径为0.08mm-0.12mm，抗拉强度大于1200MPa；碳酸钙晶须长度为3 mm -5mm，直径为2μm -3μm，抗拉强度大于2200MPa。
上述粉煤灰基地聚合物砂浆修补材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、以重量份数计，准备以下材料：
主要成分为Al2O3和SiO2，且粒径在0.1μm-50μm范围内的低钙粉煤灰32份；
波美度35-40,模数为3.0-3.3水玻璃溶液8份；
纯度为99.5%的NaOH 3份；
平均粒径在8 mm -14mm范围内，固体含量为30%-35%，PH值为7-7.5的纳米二氧化硅凝胶1份；
长度为10 mm -15mm，直径为0.08mm-0.12mm，抗拉强度大于1200MPa的钢纤维1.6份；
长度为3 mm -5mm，直径为2μm -3μm，抗拉强度大于2200MPa的碳酸钙晶须0.2份；
纯水8份；
粒径在0.25mm-0.5mm范围内，细度模数为1.6-3.7的中砂64份。
S2、将水玻璃溶液和NaOH混合后，得到碱激发剂，静置24小时。
S3、将低钙粉煤灰和中砂混合后，干拌3-5分钟，得到预混料。
S4、往步骤S3中得到的预混料中加入步骤S2中得到的碱激发剂、胶态纳米二氧化硅和纯水后，继续搅拌3-5分钟。
S5、待搅拌均匀后，逐渐加入钢纤维和碳酸钙晶须，再搅拌3分钟，得到均匀浆体。
使用时，依据不同用处选择直接利用浆体涂抹至裂缝处或注入模具，进行养护。
实施例2
一种粉煤灰基地聚合物砂浆修补材料，以重量份数计，包括如下组分：
低钙粉煤灰45份，水玻璃溶液12份，NaOH 4份，纳米二氧化硅凝胶2份，钢纤维2.5份，碳酸钙晶须0.3份，纯水11份，中砂90份。
其中，所述水玻璃为建筑用水玻璃，波美度35-40,水玻璃的模数为3.0-3.3。
NaOH为固体分析纯，纯度为99.5%。
所述低钙粉煤灰粉末包括 Al2O3和SiO2；且所述低钙粉煤灰的粒径在0.1μm-50μm范围内。
所述中砂粒径在0.25mm-0.5mm范围内，细度模数为1.6-3.7。
胶态纳米二氧化硅平均粒径在8 mm -14mm范围内，固体含量为30%-35%，PH值为7-7.5。
钢纤维的长度为10 mm -15mm，直径为0.08mm-0.12mm，抗拉强度大于1200MPa；碳酸钙晶须长度为3 mm -5mm，直径为2μm -3μm，抗拉强度大于2200MPa。
上述粉煤灰基地聚合物砂浆修补材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、以重量份数计，准备以下材料：
主要成分为Al2O3和SiO2，且粒径在0.1μm-50μm范围内的低钙粉煤灰45份；
波美度35-40,模数为3.0-3.3水玻璃溶液12份；
纯度为99.5%的NaOH 4份；
平均粒径在8 mm -14mm范围内，固体含量为30%-35%，PH值为7-7.5的纳米二氧化硅凝胶2份；
长度为10 mm -15mm，直径为0.08mm-0.12mm，抗拉强度大于1200MPa的钢纤维2.5份；
长度为3 mm -5mm，直径为2μm -3μm，抗拉强度大于2200MPa的碳酸钙晶须0.3份；
纯水11份；
粒径在0.25mm-0.5mm范围内，细度模数为1.6-3.7的中砂90份。
S2、将水玻璃溶液和NaOH混合后，得到碱激发剂，静置24小时。
S3、将低钙粉煤灰和中砂混合后，干拌3-5分钟，得到预混料。
S4、往步骤S3中得到的预混料中加入步骤S2中得到的碱激发剂、胶态纳米二氧化硅和纯水后，继续搅拌3-5分钟。
S5、待搅拌均匀后，逐渐加入钢纤维和碳酸钙晶须，再搅拌3分钟，得到均匀浆体。
使用时，依据不同用处选择直接利用浆体涂抹至裂缝处或注入模具，进行养护。
实施例3
一种粉煤灰基地聚合物砂浆修补材料，以重量份数计，包括如下组分：
低钙粉煤灰40份，水玻璃溶液10份，NaOH 3.5份，纳米二氧化硅凝胶1.5份，钢纤维2份，碳酸钙晶须0.25份，纯水10份，中砂75份。
其中，所述水玻璃为建筑用水玻璃，波美度35-40,水玻璃的模数为3.0-3.3。
NaOH为固体分析纯，纯度为99.5%。
所述低钙粉煤灰粉末包括 Al2O3和SiO2；且所述低钙粉煤灰的粒径在0.1μm-50μm范围内。
所述中砂粒径在0.25mm-0.5mm范围内，细度模数为1.6-3.7。
胶态纳米二氧化硅平均粒径在8 mm -14mm范围内，固体含量为30%-35%，PH值为7-7.5。
钢纤维的长度为10 mm -15mm，直径为0.08mm-0.12mm，抗拉强度大于1200MPa；碳酸钙晶须长度为3 mm -5mm，直径为2μm -3μm，抗拉强度大于2200MPa。
上述粉煤灰基地聚合物砂浆修补材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、以重量份数计，准备以下材料：
主要成分为Al2O3和SiO2，且粒径在0.1μm-50μm范围内的低钙粉煤灰40份；
波美度35-40,模数为3.0-3.3水玻璃溶液10份；
纯度为99.5%的NaOH 3.5份；
平均粒径在8 mm -14mm范围内，固体含量为30%-35%，PH值为7-7.5的纳米二氧化硅凝胶1.5份；
长度为10 mm -15mm，直径为0.08mm-0.12mm，抗拉强度大于1200MPa的钢纤维2份；
长度为3 mm -5mm，直径为2μm -3μm，抗拉强度大于2200MPa的碳酸钙晶须0.25份；
纯水10份；
粒径在0.25mm-0.5mm范围内，细度模数为1.6-3.7的中砂75份。
S2、将水玻璃溶液和NaOH混合后，得到碱激发剂，静置24小时。
S3、将低钙粉煤灰和中砂混合后，干拌3-5分钟，得到预混料。
S4、往步骤S3中得到的预混料中加入步骤S2中得到的碱激发剂、胶态纳米二氧化硅和纯水后，继续搅拌3-5分钟。
S5、待搅拌均匀后，逐渐加入钢纤维和碳酸钙晶须，再搅拌3分钟，得到均匀浆体。
使用时，依据不同用处选择直接利用浆体涂抹至裂缝处或注入模具，进行养护。
以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围。