专利名称：膨胀剂、后张法预应力混凝土孔道压浆剂及压浆料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种膨胀剂、后张法预应力混凝土孔道压浆剂及压浆料，属于建筑材料领域。
背景技术：
预应力混凝土构件具有刚度大、强度高、抗剪能力强和抗疲劳性能好的特点，可有效减小结构截面尺寸、降低自重、防止开裂和减少挠度，在公路大跨径混凝土桥梁结构设计中得到广泛的应用。预应力混凝土构件在加工时需要预留孔道，用以使预应力钢筋穿过， 在对预应力钢筋施以预应力后在孔道内填充压浆料，以使得预应力钢筋与结构混凝土相结合，可以充分发挥各自所长，获取优良的力学性能和结构性能，但其前提条件之一是预应力筋必须与结构混凝土共同作用，且得到良好的防腐蚀保护。
在后张法预应力混凝土施工中，为了达到这一目的，通常在普通硅酸盐水泥中加入含有UEA型膨胀剂等的压浆剂，制备压浆料。加入膨胀剂的目的是提高压浆料硬化后的膨胀应力，使预应力钢筋与结构混凝土形成共同作用效果并得到防腐蚀保护。但目前的施工中常出现的问题是，压浆料与预应力钢筋和结构混凝土的紧密贴合性不好，导致构件的性能不稳定或不达标。出现这些问题应该与膨胀剂难以产生持续且稳定的膨胀效果有密切关系。具体地，硅酸盐水泥水化后，容易产生化学收缩和塑性收缩，导致膨胀应力降低，影响了膨胀剂膨胀效能的发挥；另外，膨胀剂需要在硅酸盐水泥水化体系中与水化产物发生化学反应才能产生膨胀作用，在硬化压浆料浆体强度较低(或未形成有效强度阶段)的情况下膨胀剂发生膨胀仍然无法形成较大的膨胀应力而使硬化压浆料浆体密实，进而无法与结构混凝土形成共同作用，而在硬化浆体强度较高时，水泥的水化过程已经消耗了大量的水，形成了大量的水化产物，此时膨胀剂则失去了发生反应所必须的条件和生成钙矾石等膨胀产物所需的空间。
因此，在后张法预应力混凝土施工中，压浆剂起到的膨胀作用能与硬化压浆料浆体的强度发展相一致，以实现压浆料与预应力钢筋和结构混凝土的紧密贴合，消除影响应力的传递因素，在工程施工中具有重要的意义。 发明内容
本发明提供一种膨胀剂，该膨胀剂可用于后张法预应力混凝土孔道压浆剂，在后张法预应力混凝土施工中能够发挥持续且稳定的膨胀功效。
本发明提供一种后张法预应力混凝土孔道压浆剂，使用膨胀效果更加持续和稳定的膨胀剂，提高了所制备的压浆料与预应力钢筋和结构混凝土的紧密贴合性能，降低或消除混凝土施工中对应力传递的影响。
本发明提供一种后张法预应力混凝土孔道压浆料，用于后张法预应力混凝土施工，能与预应力钢筋和结构混凝土紧密贴合，保证应力的有效传递。
本发明提供的膨胀剂，其组成包括氮气型膨胀剂、石膏和氧化镁，且氮气型膨胀剂、石膏和氧化镁的质量比为O. 3-0. 6 30 :3-15。
根据本发明提供的膨胀剂，所述石膏可以为二水石膏；更佳为纯度大于85%的二水石膏，其细度一般约为200目。对于所述二水石膏的来源和获得方法，本发明没有特别限定，作为工业应用，通常是选择天然二水石膏。
根据本发明提供的膨胀剂，氧化镁可以为轻烧氧化镁，可以是满足轻烧氧化镁特性的材料，可以商购，也可以自行加工。例如，使用方镁石经950-1050°C煅烧后形成的轻烧氧化镁，细度约为200目。上述氮气型膨胀剂、石膏(二水石膏)均可为商购产品。
本发明还提供了后张法预应力混凝土孔道压浆剂(以下称为“压浆剂”)，其组成包括
减水剂5-12质量份、稳定剂O. 3-0. 7质量份、矿物掺合料18_60质量份、早强剂 0-15质量份和本发明提供的膨胀剂35-50质量份。
根据本发明提供压浆剂，所述减水剂可以选择为聚羧酸类或聚醚类减水剂，更佳为减水率大于35%的聚羧酸类或聚醚类高效减水剂，如粉体聚羧酸减水剂等。所述减水率的定义为塌落度基本相同时，基准混凝土和受检混凝土单位用水量之差与基准混凝土单位用水量之比。选择上述减水剂可在维持较低水胶比的情况下，显著改善压浆料的流动性，使压浆料在硬化前快速填充孔道，以保证浆体密实。
根据本发明提供的压浆剂，其组成还可选择性包括早强剂，所述早强剂的加入量一般不高于15质量份。早强剂的加入利于进一步调整压浆剂的硬化凝结时间，并提高压浆料的早期强度，但对后期强度无显著影响。在低温施工以及其他需要高早期强度的施工中一般需要加入早强剂，例如我国北方等地区的冬季混凝土施工。本发明中的早强剂可以使用亚硝酸盐类或甲酸盐类早强剂，纯度为工业级，其中优选亚硝酸盐类，例如亚硝酸钠、亚硝酸钙等。早强剂的使用与否和用量可以按照目前制备压浆剂的原则来确定，并根据所选择的早强剂种类来调整。例如，当使用早强剂时，根据具体施工条件一般可以按照I重量份或以上加入，即，按照上述压浆剂组成，早强剂的含量可以为1-15重量份。
根据本发明提供的压浆剂，稳定剂的加入可以保证获得的压浆料无泌水沉降分层等现象的出现，保证压浆料浆体的均匀性。所述的稳定剂可以选择纤维素醚类化合物，例如甲基羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素等。在具体实施方案中选用了羟丙基甲基纤维素作为稳定剂，其粘度为100-400mPa · s，纯度为工业级。
根据本发明提供的压浆剂，矿物掺合料可以替代部分水泥，降低成本；并且调整混凝土塑性粘度，改善混凝土强度和表面质量。本发明的压浆剂中，对矿物掺合料的具体选择没有特殊限定，例如可以为粉煤灰、硅灰或石灰石粉中的一种或几种，例如可以使用石灰石粉作为矿物掺合料，事先加工成适当的细度，可以为800-1200目。
本发明还提供一种后张法预应力混凝土压浆料(以下称为“压浆料”)，其组成包括硅酸盐水泥、水和本发明提供的压浆剂。其中硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥，即根据国家标准《GB175-2007》中的规定由硅酸盐水泥熟料、质量分数为5-20%的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。
在配制压浆料的 过程中，要依据各种原料的比例准确配制。在投放压浆料原料时， 对上述三种原料的投料顺序不做限制，但更佳为按照水一压浆剂一硅酸盐水泥的顺序进行投料。投料过程中搅拌机始终处于工作状态，维持料液的均匀，根据料液的性状，搅拌机的转速一般不低于1000r/min ;叶片的线速度不小于10m/s,且更佳为限制在10_20m/s的范围内，搅拌时间不小于5分钟。压浆料的浆液需要现配现用，并应及时灌浆。压浆料的配制及灌浆施工过程应在适当的环境温度下完成，环境温度过低(例如低于5°C )，应采取保温措施，但不宜在35°C以上的高温下施工(当环境温度高于35°C时，压浆宜夜间进行)。所述压浆料中，本发明提供的压浆剂与硅酸盐水泥的质量比为10-20 :80-90，水胶比(即水/硅酸盐水泥与压浆剂的总质量)控制范围为O. 26-0. 28 :1。
本发明方案的实施，至少具有以下优点
1、本发明提供的膨胀剂可以发挥持续稳定的膨胀作用，在压浆料硬化期间的早期、中期和后期均起到一定的膨胀作用，并且在浆体硬化后无收缩，维持稳定的膨胀效果；
2、相比传统的膨胀剂，本发明提供的膨胀剂在发挥可持续稳定膨胀效果的同时， 用量更少；
3、本发明提供的压浆料在较低水胶比的情况下，可以保持高流动性，使压浆料在硬化前快速填充孔道，以保证浆体密实；
4、将低粘度水溶性高分子纤维素醚类与高性能减水剂复合使用，获得的孔道压浆剂及压浆料在施工中基本无沉降。
具体实施方式
以下结合具体实施例来更充分地说明本发明的实施方案和技术效果。然而，本发明可以许多不同形式来体现，不应理解为限于本文陈述的实施例。
以下实施例中，使用方镁石经950-1050 °C煅烧后形成的轻烧氧化镁,细度约为 200 目。
实施例1
膨胀剂的组成为氮气型膨胀剂O. 5质量份，天然二水石膏30质量份以及轻烧氧化镁10质量份。将上述各组分进行干拌，混合均匀后得到膨胀剂。
用于后张法预应力混凝土施工中的孔道压浆剂，其组成如下粉体聚羧酸减水剂 8质量份，羟丙基甲基纤维素O. 5质量份，石灰石粉51质量份以及上述膨胀剂40. 5质量份。 将各组分物料进行干拌，混合均匀后得到压浆剂。
在进行预应力孔道压浆前，对预应力孔道进行清洁处理，并对压浆设备进行清洗， 清洗后的设备内不应有残渣和明显的积水。将压浆所需的各原材料按比例称量，各组分的掺配比例为上述压浆剂10质量份、硅酸盐水泥90质量份以及水27质量份，制备的压浆料水胶比为O. 27:1。在投放压浆原材料时按照水一压浆剂一水泥的顺序进行。投放过程中搅拌机的转速为1000r/min，叶片的线速度控制在10_20m/s的范围内，搅拌时间为6分钟， 将压浆料搅拌均匀后停止。
对制备的压浆料的性能指标进行分析，结果如表I所示。由表I中本实施例1对应的数据结果可知，压浆料在28天、60天和90天的限制膨胀率分别为O. 025%,O. 024%和 O. 027%，可以看出在不同时期本实施例制备的压浆料均有一定的微膨胀效果。
实施例2
膨胀剂的组成为氮气型膨胀剂O. 5质量份，天然二水石膏30质量份以及轻烧氧化镁10质量份。将上述各组分进行干拌，混合均匀后得到膨胀剂。
压浆剂的组成如下粉体聚羧酸减水剂8质量份，亚硝酸钙6质量份，羟丙基甲基纤维素O. 5质量份,石灰石粉45质量份以及上述膨胀剂40. 5质量份。将各组分物料进行干拌，混合均匀后得到压浆剂。
压浆料的组分和制备工艺与实施例1中相同。
对制备的压浆料的性能指标进行分析，结果如表I所示。由表I中实施例2对应的数据结果可知，压浆料在28天、60天和90天的限制膨胀率分别为O. 027%,O. 027%和 O. 029%，可以看出在不同时期本实施例制备的压浆料均有一定的微膨胀效果。
另外，本实施例中加入了亚硝酸钙作为早强剂，由表I可知，凝结时间相比实施例1明显缩短，适合在温度较低时进行施工。
实施例3
膨胀剂的组成为氮气型膨胀剂O. 5质量份，天然二水石膏30质量份以及轻烧氧化镁10质量份。将上述各组分进行干拌，混合均匀后得到膨胀剂。
压浆剂的组成如下粉体聚羧酸减水剂8质量份，亚硝酸钙10质量份，羟丙基甲基纤维素O. 5质量份,石灰石粉41质量份以及上述膨胀剂40. 5质量份。将各组分物料进行干拌，混合均匀后得到压浆剂。
压浆料的组成和制备工艺与实施例1中相同。
对制备的压浆料的性能指标进行分析，结果如表I所示。由表I中实施例3对应的数据结果可知，可以看出本实施例制备的压浆料达到60分钟内流动度小于17秒，压力泌水率小于1%，90天内限制膨胀率持续稳定，即压浆料在28天、60天和90天的限制膨胀率分别为 O. 029%、O. 031% 和 O. 030%。
另外，本实施例中加入的早强剂亚硝酸钙增加至10质量份，由表I可知，凝结时间相比实施例2进一步缩短，适合在温度较低时进行施工。
实施例4
膨胀剂的组成为氮气型膨胀剂O. 5质量份，天然二水石膏30质量份以及轻烧氧化镁10质量份。将上述各组分进行干拌，混合均匀后得到膨胀剂。
压浆剂的组成如下减水剂8质量份，亚硝酸钠10质量份，羟丙基甲基纤维素O. 7 质量份，石灰石粉40. 8质量份以及上述膨胀剂40. 5质量份。将各组分物料进行干拌,混合均匀后得到压浆剂。
在制备压浆料时，各组分的掺配比例为上述压浆剂15质量份、硅酸盐水泥85质量份以及水26质量份，制备的压浆料水胶比为O. 26 :1。其余步骤和工艺与实施例1相同。
对制备的压浆料的性能指标进行分析，结果如表I所示。由表I中实施例4对应的数据结果可知，在本实施例中水胶比降低至O. 26时，压浆料在28天、60天和90天的限制膨胀率分别为O. 023%,O. 027%和O. 027%，在不同时期本实施例制备的压浆料依然表现出一定 的微膨胀效果。
实施例5
膨胀剂的组成为氮气型膨胀剂O. 3质量份，天然二水石膏30质量份以及轻烧氧化镁10质量份。将上述各组分进行干拌，混合均匀后得到膨胀剂。
压浆剂的组成如下减水剂8质量份，亚硝酸钠10质量份，羟丙基甲基纤维素O. 5 质量份，石灰石粉41. 2质量份以及上述膨胀剂40. 3质量份。将各组分物料进行干拌，混合均匀后得到压浆剂。
在制备压浆料时，各组分的掺配比例为上述压浆剂15质量份、硅酸盐水泥85质量份以及水28质量份，制备的压浆料的水胶比为O. 28 :1。其余步骤和工艺与实施例1相同。
对制备的压浆料的性能指标进行分析，结果如表I所示。由表I中实施例4对应的数据结果可知，在本实施例中水胶比为O. 28时，压浆料在28天、60天和90天的限制膨胀率分别为O. 024%,O. 024%和O. 029%，在不同时期本实施例制备的压浆料依然表现出一定的微膨胀效果。
实施例6
膨胀剂的组成为氮气型膨胀剂O. 5质量份，天然二水石膏30质量份以及轻烧氧化镁5质量份。将上述各组分进行干拌，混合均匀后得到膨胀剂。
压浆剂的组成如下减水剂8质量份，亚硝酸钠10质量份，羟丙基甲基纤维素O. 5 质量份，石灰石粉46质量份以及上述膨胀剂35. 5质量份。将各组分物料进行干拌,混合均匀后得到压浆剂。
在制备压浆料时，各组分的掺配比例为上述压浆剂15质量份、硅酸盐水泥85质量份以及水28质量份，制备的压浆料的水胶比为O. 28 :1。其余步骤和工艺与实施例1相同。
对制备的压浆料的性能指标进行分析，结果如表I所示。由表I中实施例6对应的数据结果可知，压浆料在28天、60天和90天的限制膨胀率分别为O. 017%, O. 019%和 O. 018%，在不同时期本实施例制备的压浆料依然表现出一定的微膨胀效果。
实施例7
膨胀剂的组成为氮气型膨胀剂O. 5质量份，天然二水石膏30质量份以及轻烧氧化镁15质量份。将上述各组分进行干拌，混合均匀后得到膨胀剂。
压浆剂的压浆剂的组成如下减水剂8质量份，亚硝酸钠10质量份，羟丙基甲基纤维素O. 5质量份，石灰石粉36质量份以及上述膨胀剂45. 5质量份。将各组分物料进行干拌，混合均匀后得到压浆剂。
在制备压浆料时， 各组分的掺配比例为上述压浆剂15质量份、硅酸盐水泥85质量份以及水28质量份，制备的压浆料的水胶比为O. 28 :1。其余步骤和工艺与实施例1相同。
对制备的压浆料的性能指标进行分析，结果如表对制备的压浆料的性能指标进行分析，结果如表I所示。由表I中实施例6对应的数据结果可知，在本实施例中水胶比为 O. 28时，压浆料在28天、60天和90天的限制膨胀率分别为O. 035%、O. 037%和O. 038%，在不同时期本实施例制备的压浆料依然表现出一定的微膨胀效果。
对比例1:
膨胀剂使用UEA型膨胀剂。
压浆剂的组成如下减水剂8质量份，羟丙基甲基纤维素O. 5质量份，UEA膨胀剂 40质量份以及石灰石粉41. 5质量份。将各组分物料进行干拌，混合均匀后得到压浆剂。
在制备压浆料时，各组分的掺配比例为压浆剂10质量份、硅酸盐水泥90质量份以及水27质量份，制备的压浆料水胶比为O. 27 :1。其与步骤和工艺与实施例1相同。
由表I中对比例I对应的数据结果可知，压浆料在28天、60天和90天的限制膨胀率分别为-O. 015%、-O. 020%和-O. 022%。可以看出，UEA膨胀剂的作用不能得到有效发挥， 压浆料在浆体硬化初期(28天)中期(60天)和后期(90天)都会有一定的收缩，因此压浆料在浆体硬化后不能与预应力钢筋和结构混凝土紧密贴合，从而影响应力传递。
对比例2
膨胀剂使用UEA型膨胀剂。
压浆剂的配方如下减水剂8质量份，UEA膨胀剂60质量份，羟丙基甲基纤维素 O. 5质量份，石灰石粉21. 5质量份。将各组分物料进行干拌，混合均匀后得到压浆剂。在进行孔道压浆处理时，各组分的掺配比例为压浆剂10质量份、硅酸盐水泥90质量份以及水 27质量份，制备的压浆料水胶比为O. 27。其与步骤和工艺与实施例1相同。
由表I中对比例2对应的数据结果可知，压浆料在28天、60天和90天的限制膨胀率分别为O. 005%、O. 005%和-O. 003%。可以看出，UEA膨胀剂增加至60质量份时，压浆料在浆体硬化初期(28天)和中期(60天)具有微膨胀的效果，但是在后期(90天)会有一定的倒缩，因此压浆料在整个浆体硬化阶段的膨胀效果很小，而且这种膨胀效果不能稳定存在。因此在UEA型膨胀剂的用量增大至60质量份时，本对比例制备的压浆料在浆体硬化后也不能与预应力钢筋和结构混凝土紧密贴合，从而影响应力传递。
对预应力孔道压浆料性能指标的分析，应综合考虑流动度、泌水率、膨胀率、凝结时间和强度等。上述实施例及对比例实施情况如表I所示。
表I
权利要求
1.一种膨胀剂，其特征在于，包括氮气型膨胀剂、石膏和氧化镁，且所述氮气型膨胀齐U、石膏和氧化镁的质量比为O. 3-0. 6 30 :3-15。
2.根据权利要求1所述的膨胀剂，其特征在于，所述石膏为二水石膏。
3.根据权利要求1所述的膨胀剂，其特征在于，所述氧化镁为轻烧氧化镁。
4.根据权利要求1或3所述的膨胀剂，其特征在于，所述氧化镁为方镁石经950-1050 0C煅烧后的氧化镁。
5.一种后张法预应力混凝土孔道压浆剂，其特征在于，包括 减水剂5-12质量份、稳定剂O. 3-0. 7质量份、矿物掺合料18-60质量份、早强剂0_15质量份和权利要求1-4任一项所述的膨胀剂35-50质量份。
6.根据权利要求5所述的后张法预应力混凝土孔道压浆剂，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸类或聚醚类减水剂。
7.根据权利要求5所述的后张法预应力混凝土孔道压浆剂，其特征在于，所述的早强剂是亚硝酸盐类或甲酸盐类早强剂。
8.根据权利要求5或6所述的后张法预应力混凝土孔道压浆剂，其特征在于，所述稳定剂为纤维素醚类化合物。
9.根据权利要求5-8任一项所述的后张法预应力混凝土孔道压浆剂，其特征在于，所述矿物掺合料为粉煤灰、硅灰或石灰石粉中的一种或几种。
10.一种后张法预应力混凝土压浆料，其特征在于，包括硅酸盐水泥、水和权利要求5-9任一项所述的后张法预应力混凝土孔道压浆剂，所述压浆料组成包括权利要求5-9任一项所述的后张法预应力混凝土孔道压浆剂10-20质量份，硅酸盐水泥80-90质量份，且该后张法预应力混凝土压浆料的水胶比为O. 26-0. 28 :1。
全文摘要
本发明涉及一种膨胀剂、后张法预应力混凝土孔道压浆剂及压浆料。所述膨胀剂包括氮气型膨胀剂、石膏和氧化镁，且所述氮气型膨胀剂、石膏和氧化镁的质量比为0.3-0.6303-15。后张法预应力混凝土孔道压浆剂包括减水剂5-12质量份、稳定剂0.3-0.7质量份、矿物掺合料18-60质量份、早强剂0-15质量份和本发明提供的膨胀剂35-50质量份。本发明还提供一种后张法预应力混凝土压浆料，包括硅酸盐水泥、水和本发明提供的压浆剂，其中所述压浆剂和硅酸盐水泥的质量比为10-2080-90，水胶比的范围为0.26-0.28。在压浆料浆体硬化的过程中产生持续且稳定的膨胀效果，使其能与预应力钢筋和结构混凝土紧密贴合，保证应力的有效传递。
文档编号C04B22/14GK103030321SQ201210575139
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者王稷良, 柯国炬, 吴方政, 周天笑, 田波, 牛开民, 彭鹏, 宋敬亮, 侯荣国, 刘 英, 孙宏峰, 何哲 申请人:交通运输部公路科学研究所