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浅析快干型修补砂浆FH-CR4

摘要

    钢筋混凝土因受环境的侵蚀,材料老化,或受到外力破坏,经常出现混凝土构件的剥落、露筋、结构破损等现象,需要及时修复混凝土并延长其寿命,混凝土修补材料存在的主要问题是养护期长、收缩大、与旧混凝土的粘结力差。上海法赫研发了一种快干型修补砂浆FH-CR4FH-CR4是由纤维改性的聚合物砂浆,与旧混凝土的粘结力强(28d粘结强度大于1.5Mpa)、低收缩(28d收缩率小于0.05)、抗折强度高(28d强度大于6Mp)、抗压强度高(28d强度大于30Mpa)初凝时间30min~40min,终凝时间小于2h,是一种新型高性能修补加固材料。

关键词混凝土修补、纤维改性、聚合物改性、快干砂浆、收缩率、粘结强度


1引言

桥隧中经常会遇到梁体出现裂缝,混凝土啃边、掉角、凹坑、孔洞、碎裂、锚固松动及梁体的各种损伤等一系列病害,因此我们需要对出现病害的桥隧进行及时修。

1.1混凝土修补材料概况

目前,中国工程中使用的修补材料主要有普通水泥砂浆、环氧树脂砂浆和聚合物改性水泥砂浆三大类。普通水泥砂浆早强强度发展较慢、粘结强度低、易收缩,修补效果不佳;环氧树脂砂浆施工现需要配制,成本高、与混凝土线膨胀牺牲差异较大,修补后易出现老化脱落现象;聚合物改性水泥砂浆大多采用普通水泥与高分子聚合物复合使用,强度发展慢,养护期长,延长了修补工期。这些常规修补材料均不能满足桥梁、机场、公路等交通基础设施快速修补在3h左右开放交通的要求,需要对水泥砂浆进行改性。普通水泥砂浆改性的一个主要途径就是在普通水泥砂浆中加入聚合物或纤维或两者的复合物,聚合物水泥砂浆能提高普通水泥砂浆的粘结性、抗裂性以及耐候性,降低脆性。


1.2.混凝土修补需要解决的关键技术问题

1.2.1超早强修补砂浆材料快硬而不速凝及高承载特性

为满足快速交通路面及梁面精准调平对超早强快速修补的需求,进一步缩短高速公路、机场跑道修复时的交通封闭时间,因此,超早强聚合物快速修补砂浆材料必须具有快硬而不速凝及高承载的特性,即有良好的施工和易性和保持性能,同时具有快速凝结硬化及超早强的功能。

1.2.2超早强修补砂浆材料和旧混凝土界面相容性

研究显示,混凝土修补失败的原因,绝大多数是因为新旧混凝土在界面脱落而导致修补失败。新混凝土或砂浆的100~200微米过渡层是粘结界面最薄弱层。

1.2.3超早强修补砂浆材料必须具有良好的抗开裂性

修补砂浆所形成的修补层是被置于混凝土表面,因此其抗开裂性能直接影响着修补效果。CussonMailvaganam论述了修补效果不好主要表现为修补材料的散列、开裂、脱落和强度损失。因此,用于修补的砂浆材料必须具有良好的开裂能力。

1.2.4超早强修补砂浆材料的粘结耐久性

在冻融循环条件下,修补材料与旧混凝土界面是否能保持良好的粘结直接决定着修补效果。研究显示聚合物能增强水泥基材料界面粘结性能,但对于超早强型砂浆材料在几小时之内水化产物已经基本充分水化,如何保证聚合物分子能在水泥石结构中发挥增黏的作用非常困难,必须从硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥矿物的水化产物晶体特征,调整超早强修补砂浆材料与普通混凝土线膨胀系数相统一,从而实现硫酸盐水泥基材料与硅酸盐水泥混凝土界面的高粘结耐久。


1.3研究方法

1)研究不同掺量聚合物胶粉对聚合物水泥砂浆的和易性、力学性能(抗折强度、抗压强度)的影响。

2)在聚合物以及掺量确定后,掺入纤维,研究纤维聚合物砂浆的和易性及力学性能。

3)纤维聚合物水泥砂浆的粘结性能

4)纤维聚合物水泥砂浆的干缩性能的研究,纤维不同掺量对砂浆干缩性能的影响

5)纤维聚合物水泥砂浆的抗冻性能的研究  在胶粉掺量一定,纤维不同掺量对砂浆抗冻性能的影响。

本文以快硬低碱度铝酸盐水泥作为主要胶凝材料,是在聚合物砂浆的基础上,加入纤维和高性能添加剂,进一步改善其性能,综合性能好,能应用于混凝土表面的修补和加固工程中。


2FH-CR4快干型修补砂浆试验

2.1原材料及性能指标

本实验选用快硬硫酸铝酸盐水泥;以纤维作为增强材料,纤维的主要特点是,直径小、分散、耐腐蚀、韧性好等;细骨料,选用河砂,细度模数2.8;减水剂采用萘系高效减水剂。


2.2试验仪器

压力试验机;抗折试验机;搅拌机;电子天平等。


2.3试验方法

2.3.1砂浆的物理性能测定方法

本研究中砂浆流动度的测定参照GB/T24192005《水泥胶砂流动度测定法》的规定进行。砂浆体积密度的测定参照JGJ70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》的规定进行。

2.3.2砂浆的抗折强度和抗压强度测定方法

DL/T51262001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》的规定成型和养护试件,按规范规定的试验步骤测定砂浆的抗折强度和抗压强度。

2.3.3砂浆的拉伸粘结强度测定方法

按《建筑砂浆基本性能试验方法》(JG70-2009)的规定成型和养护粘结抗拉试件,试件上部为聚合物改性砂浆,下部分为基底砂浆。

2.3.4根据JGJ70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》的规定分别测量砂浆的干缩性和抗冻性能。


3、试验结果

研究砂浆基本配比、掺加聚合物胶粉及复合纤维对砂浆物理性能及力学性能的影响。

3.1水灰比对砂浆和易性能的影响

结果表明,水灰比过大时,拌合料流动度大易成型,过多的水分将造成试样内部孔隙率增加,使试样强度降低;水灰比过小时,拌合体系粘度大,物料不易搅拌均匀,另外还有可能造成水泥后期水化不足,也使强度降低。


3.2 聚合物胶粉对砂浆性能的影响

在砂浆中掺加聚合物胶粉能够改善新拌砂浆的内聚力、粘聚力和结构强度,使砂浆具有较好的抹面施工性能。通过研究不同聚合物掺量对水泥砂浆的和易性、力学性能(抗折强度、抗压强度)的影响,确定胶粉的掺量。

3.2.1聚合物胶粉对砂浆和易性的影响

聚合物掺量对砂浆流动的影响见图1,随着聚合物胶粉的添加砂浆流动性减少。

图片1.png 

1胶粉掺量与流动度的关系

3.2.2聚合物胶粉对砂浆力学性能的影响

图片16.png图片3.png 

2、胶粉掺量与砂浆抗折强度、抗压强度关系

从图2可以看出,聚合物砂浆3d7d的抗折强度变化不大,28抗折强度明显增大,抗折强度的增长主要在后期。砂浆的抗压强度随着龄期的增长而增大的,胶粉的加入是砂浆的抗压强度有所减少。

图片4.png 

3、胶粉掺量与砂浆折压比的关系

韧性是反映砂浆柔韧变形性能好坏的指标,砂浆的韧性好坏是评价砂浆开裂性好坏的重要指标。砂浆韧性的好坏可以用砂浆抗折强度与抗压强度的比值来衡量,折压比越大,则砂浆韧性越好。从图3可以看出:

聚合物的掺入对砂浆的折压比有一定程度的提高,这是由于聚合物掺入提高了砂浆的韧性。在整个龄期,随着胶粉掺量的增加,聚合物砂浆的折压比增大。

当聚合物具有长链状的高分子物质加入到砂浆中以后,颗粒分散在胶凝材料中,在骨料周围形成硅酸钙粘结层和聚合物包裹层,水化、凝聚的胶体经干燥成为具有粘性和连续性的、丝状的微纤维薄膜。这种丝状膜层穿越硬化砂浆中的缺陷与微裂纹形成空间网状结构,使砂浆变形能力提高,韧性得以提高。


3.3复掺纤维和聚合物胶粉对砂浆性能的影响

在为了进一步提高砂浆性能,在加入聚合物胶粉提高砂浆性能基础上,在砂浆中掺加纤维,希望得到综合性能更优的砂浆。讨论了掺加纤维对聚合物砂浆和易性、抗折强度、抗压强度等的影响。

3.3.1 纤维对聚合物水泥砂浆的和易性的影响

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4、纤维掺量与砂浆流动度的关系

由图4可以看出,对不同聚胶比的砂浆,随着纤维掺量的增加,砂浆的流动度减小。这可能是由于在砂浆拌合物中水有一部分需要包裹在短纤维表面,从而导致流动度的降低。

3.3.2 纤维对聚合物水泥砂浆的抗压强度和抗折强度

力学性能是砂浆的一个最基本,最主要的技术指标,一个种类的砂浆只有在物理力学强度上达到使用要求之后才会考虑其它方面的性能是否满足使用要求。

在标准养护条件下,分别测试7d28d的抗折强度和抗压强度,纤维掺量对砂浆的抗折强度和抗压强度影响的结果见图5

图片7.png 图片8.png

5、纤维掺量与砂浆强度的关系

当纤维掺量在1%范围内,随着纤维掺量的增加,折压比增大:当纤维掺量为1%时,折压比最大,28d抗折相对不掺加纤维的聚合物砂浆提高了11%;当纤维掺量大于1%时,折压比降低,比较明显。折压比开始随着纤维掺量的增加,28d折压比增大,掺量为0.8%28d折压比最大;当纤维掺量大于0.8%时,随着纤维掺量的增加,28d折压比降低。综上,纤维最近掺量为1%,砂浆综合性能最好。


3.4纤维聚合物水泥砂浆的粘结性能

粘结强度是纤维聚合物砂浆最重要性能指标之一,纤维聚合物砂浆必须具有足够的粘结强度,保证砂浆与基层之间的粘结牢固,不致出现空鼓甚至脱落现象。对于纤维聚合物而言,如果粘结强度过低,很容易脱落,影响工程质量。在使用新砂浆进行补强修补时,新旧砂浆的粘结性能是非常重要的。

3.4.1单掺聚合物胶粉对砂浆粘结强度影响

在砂浆的基本配合比一定,通过改变聚合物掺量,测试聚合物砂浆与基体砂浆的28d界面粘结强度,试验结果见图6

图片9.png 

6、胶粉掺量与砂浆粘结强度的关系

有图6可以看出,随着聚合物掺量的增加,砂浆的拉伸粘结强度增大。

聚合物提高砂浆粘结强度的机理:

聚合物与水泥悬浮体的液相一起向基体的毛细管及孔隙内渗透,聚合物在孔隙及毛细管内成膜并牢固的吸附在基体表面,从而保证了胶结材料与基体之间的良好的粘结。聚合物以膜的形式和桥键形式分布在砂浆与基体之间吸收和传递能量,在宏观上表现为粘结力提高。

3.4.2复掺纤维和聚合物胶粉对砂浆粘结强度的影响

图片10.png 

7、纤维掺量与砂浆粘结强度的关系

由图7可以看出,三种聚胶比的纤维聚合物砂浆的拉伸粘结强度都随纤维掺量的增加而增大。当纤维掺量小于0.5%时,粘度强度变化缓慢,当纤维掺量大于0.8%时,粘结强度改善效果明显。复掺聚合物胶粉和纤维时,对纤维聚合物砂浆与基体界面粘结性能起到较好的改善效果,在聚胶比一定时,随着纤维掺量的增加作用越好。

纤维的掺入对聚合物砂浆起到了“侨联”作用,增强了硬化后砂浆的自身强度,掺加适量的纤维,可以有效阻止水泥砂浆塑性裂缝的产生,保持修补界面的整体性,一定程度上可以提高砂浆的粘结强度。


3.5纤维聚合物水泥砂浆的干缩性能和抗冻性能

3.5.1纤维聚合物水泥砂浆的干缩性能

通过试验发现单独掺加聚合物胶粉可以在一定程度减小砂浆试样的干缩率,胶粉掺量增加,干缩率降低,但降低的幅度不大,胶粉掺量1%1.5%的砂浆试样的收缩基本一致;同时掺加适量的纤维和聚合物胶粉,可以进一步减小砂浆试样的干缩率。

3.5.2纤维聚合物水泥砂浆的抗冻性能

聚合物胶粉和纤维可以提高砂浆的抗冻性能,经过30次冻融循环后,普通砂浆的抗折强度损失了28.9%,单掺聚合物胶粉1.5%,抗折强度损失了12.8%;双掺聚合物胶粉和纤维时,抗折强度损失了7.8%


4FH-CR4快干型修补砂浆的特点

1、操作简便,施工时只需在材料中加水搅拌即可;

2、材料进过高分子聚合物改性,对混凝土构件的结合力极强;

3、镘抹时不垂落,可用于构建的平面、立面及顶面;

4、硬化后不收缩、不开裂、强度高;

5、能恢复结构强度,防止外界因素对钢筋的侵蚀。


5FH-CR4快干型修补砂浆的应用

可用于混凝土结构的快速修补,例如用于桥梁隧道抹灰和修补。


6FH-CR4快干型修补砂浆的参数和技术数据

6.1FH-CR4快干型修补砂浆的参数

骨料粒度:0-2.3mm

抗折强度:8Mpa

抗压强度:45Mpa28d

拉伸胶粘结强度:1.2Mpa

抗渗压力:1.5Mpa


6.2FH-CR4快干型修补砂浆的主要技术数据

表一.FH-CR4主要技术数据

图片11.png 


7FH-CR4快干型修补砂浆的施工与注意事项

7.1FH-CR4快干型修补砂浆的施工

表面处理剔除待修补部位的混凝土面层或其它材质面层,剔除深度以见到混凝土新茬为准,如遇钢筋,要剔至钢筋后10mm,并在暴露的钢筋上涂刷水泥基钢筋阻锈剂,在钢筋阻锈剂表干后,即可进行修补施工)。清除基底所有杂物、灰尘、油污、油漆等,并固定松动的钢筋,确保基层清洁、稳固。剔除部位边界为直角,应尽量为方形,以免影响操作过程及完工后后美观度。施工前应在剔除部位表面喷水,水量以完全润湿基底,使基底达到饱和面干状态为准。如需要提高粘结效果,可使用本公司生产的混凝土界面剂。

 

 图片12.png图片13.png

图片17.png图片15.png

8FH-CR4快干型修补砂浆的现场施工

1、 混料在干净的容器中加入约4.2L清水,然后慢慢加入一袋(25kg)快速修补砂浆,用电动工具快速搅拌约2分钟,直至获得均匀、良好的混合物。以粉料全部润湿、纤维分散均匀为准。切记过分稀释,影响施工性。一次不要备料过多,以在15分钟内能用完为准。

2、 施工将拌合好的修补料用刮板、小铲或抹子等施工工具填补至修补区域,用抹子从修补区的中心开始向边缘进行修补,使之与原结构表面一致。随着修补砂浆的硬化,用抹子在修补砂浆抹层上刮抹,第一层 修补砂浆终凝后,抹第二层修补砂浆。每一层的厚度不要超过25mm.。照此方法,一层一层的抹下去,直至完工。

3、 养护正常情况下,材料硬化后要保证修补层表面湿润养护3天。在炎热(气候高于30℃)、干燥、多风的气候条件下,要及时浇水养护或用潮湿的麻袋片覆盖修补面,麻袋片上再覆盖厚的聚乙烯塑料薄膜。如天气过冷,可以用温水调和。

 

7.2、FH-CR4快干型修补砂浆的注意事项

1.拌制好的修补砂浆初凝后,不可再次使用;

2.施工后的机具及时用水清洗干净,以备下次使用;

3.不要在温度低于5℃时使用,不要在未稳定的裂缝及有明水处使用;

4.如工程有特殊要求(强度、凝结时间或粘结力等)请与我公司技术人员联系。


8、结论

FH-CR4快干型修补砂浆本产品是根据快速抢修混凝土结构破损、预制构件表面破损等技术要求而设计研制的,是一种由聚合物、高强增韧纤维和多种功能助剂改性的水泥基快干、不下垂的快速修补材料。通过研究纤维聚合物水泥砂浆的和易性及力学性能、粘结性能、干缩性能和抗冻性能,主要得到以下结论:

1、水灰比过大时,拌合料流动度大易成型,过多的水分将造成试样内部孔隙率增加,使试样强度降低;水灰比过小时,拌合体系粘度大,物料不易搅拌均匀。

2、聚合物胶粉能够明显改善新拌砂浆的施工和易性能,掺适量聚合物胶粉提高了砂浆抗折强度及柔韧性,抗压强度稍微降低。

3、在聚合物砂浆中加入纤维,可进一步改善新拌砂浆的施工和易性,随着纤维掺量的增加保水性更好。在适宜掺量范围内,纤维可以提高聚合物砂浆的抗折强度及柔韧性。

4、聚合物胶粉能够提高砂浆的粘结强度,适量的胶粉添加可明显提高其粘结强度。在聚胶比一定时,粘结强度随着纤维掺量的增加而增加。

5、聚合物胶粉和纤维可减小砂浆的干缩率和提高砂浆的抗冻性能。

 

 


参考文献

[1]沈荣熹,崔琪,李清海.新型纤维增强水泥基复合材料[M].中国建材工业出版社,2004:1~2

[2]林玉梅,罗伍文.聚合物改性抗裂防渗砂浆的试验[J].新型建筑材料.2007

[3]刘利,徐玲玲,花海东等.纤维对聚合物砂浆抗裂性能的影响[J],干混砂浆,200610):52-55


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