锥套连接预制拼装桥墩湿接区接缝材料的制作方法

1.本发明涉及一种水泥基建筑材料，具体涉及一种锥套连接预制拼装桥墩湿接区接缝材料。


背景技术：

2.近年来，我国大力发展预制混凝土构件进行基础设施建设。在桥梁领域，越来越多的部位也开始使用预制混凝土构件进行建设。预制构件相比传统现场进行混凝土浇筑具有极大优势，包括无需支模、且无需现场浇筑混凝土进行28 天养护，从而提高效率和施工质量。预制构件之间的连接方式决定了最终混凝土建筑物的承载力和强度。其中，预制桥墩中的钢筋可以通过锥套的方式进行连接，从而获得很好的性能。在使用锥套连接的方式时，预制桥墩之间仍需使用水泥基材料进行灌注以填满预制构件之间的缝隙。这种用于填充预制构件缝隙的水泥基材料对最终连接强度起到了决定性的作用，也极大的影响着锥套的使用效果和受力情况。
3.现有的水泥基材料一般用于传统的现场浇筑施工，并不涉及锥套连接操作，也并不适用于预制拼装施工的领域。
4.通过锥套连接钢筋进行预制桥墩拼装施工时，锥套作为强有力的连接相比于传统的现浇混凝土桥墩，可以很好的提高桥墩的抗震性能和承载力，从而提高桥梁的承载能力和使用寿命。为了配合锥套连接预制桥墩发挥最好的拼装效果和实现快捷拼装施工，可使用早强型高韧性水泥基材料进行接缝填充；为保证接缝部位和预制桥墩在拼装完后整体延性一致，接缝填充材料的28天抗压强度必须控制到和c40预制桥墩基本一致，否则接缝界面易成为脆性连接，影响后期桥梁服役时桥墩的抗疲劳性能；由于锥套连接预制桥墩外露钢筋后，接缝区域内锥套、钢筋分布紧密，缝隙小，接缝填充材料浇筑后无法振捣，所以填充材料必须流动性好，自流平自密实；为保证接缝填充材料和预制桥墩界面粘接的可靠性，填充材料必须收缩小，且与c40混凝土的界面粘接拉伸强度要大于c40混凝土的抗拉强度。通常使用的接缝填充材料为纤维增强混凝土。普通的混凝土体系由水泥、沙子、石子、粉煤灰、矿粉等构成，强度虽然可以到较高，但是相对应的抗折强度和抗拉强度低，亦即韧性差，脆性高。其中，沙子和石子作为整个体系的“骨骼”来提供主要的抗压的强度，水泥、粉煤灰、矿粉作为胶凝材料成为沙子和石子之间的“胶水”将各个颗粒粘结在一起，来提供主要抗折的强度。而通过向混凝土体系添加聚合物纤维或钢纤维等可以有效地提高抗拉强度和抗折强度以增加混凝土的韧性、减低脆性。
5.纤维增强混凝土虽然可以通过掺加纤维改善混凝土的韧性，但是混凝土本身的脆性来源，即沙子、石子仍在体系中起到限制最终韧性峰值的作用。其中粗骨料
‑‑
石子因其粒径大，硬度大，占比大，直接带来了各种各样的问题。例如，石子的表面容易与水泥等胶凝材料产生过渡界面区，这部分区域的粘结力较差是整个混凝土体系中的薄弱环节，过渡界面区越多，整体的强度就越低，对抗折抗拉强度的影响尤为显著。而水泥、沙子、石子的配比也决定了过渡界面区的多少。纤维本身的长短、直径、材质、掺量决定了整个混凝土体系韧性
的提升。当纤维掺量过多时，会发生纤维分散不均、结团而降低混凝土流动性，纤维掺量过少时无法提升抗折抗拉强度。因此，材料体系中去除粗骨料
‑‑
石子，并选择合适的纤维及其掺量是纤维增强混凝土适合于锥套连接预制拼装桥墩接缝填充的关键。目前，各类正在研究的及市场上已有的纤维增强混凝土种类丰富，但存在三个技术缺陷亟待解决和弥补：一)高韧性(抗折抗拉强度高)的产品，流动性差，不能实现自流平自密实；二)流动性好可以实现自流平自密实的产品，韧性差(抗拉抗折强度低)；三)早强型的产品，脆性相对大，而后期28天强度升高幅度大且无法准确控制最终强度范围，导致预制桥墩拼装施工完后整体性差。如1天抗压强度》25mpa时，则28天抗压强度》60mpa。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种锥套连接预制拼装桥墩湿接区接缝材料，通过调节水泥、掺合料和外加剂的品种，制备得到早强、高韧性、与混凝土粘接拉伸强度高、收缩小、28天抗压强度可控(c45～55)和高流动性(自流平自密实) 的纤维增强水泥基材料，更适用于锥套连接预制拼装桥墩的接缝填充施工，解决现有纤维增强水泥基材料不能满足锥套连接预制拼装桥墩接缝填充施工要求的技术问题。
7.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
8.锥套连接预制拼装桥墩湿接区接缝材料，所述材料由以下重量份的原料制备而成：
9.硅酸盐水泥
ꢀꢀ
15-23份；
10.40-70目石英砂
ꢀꢀ
30-40份；
11.70-140目石英砂
ꢀꢀ
32-45份；
12.早强剂
ꢀꢀ
5-12份；
13.镀铜钢纤维
ꢀꢀ
3-5份；
14.抗裂剂
ꢀꢀ
0.3-1.2份；
15.胶粉
ꢀꢀ
0.01份-0.03份；
16.重钙粉
ꢀꢀ
5-10份；
17.减水剂
ꢀꢀ
0.3-1.0份；
18.水
ꢀꢀ
10-15份。
19.进一步地，所述硅酸盐水泥为42.5级硅酸盐水泥。
20.进一步地，所述早强剂为含钙、含晶核复合型早强剂。
21.进一步地，所述抗裂剂为短切纤维和合成高性能表面活性剂的混合物；
22.所述短切纤维为聚合物纤维、玻璃纤维或无机纤维，直径为10微米至100 微米，长度100微米至2000微米；
23.所述合成高性能表面活性剂为烷基胺、卤代烃或甲醛或二胺的合成物。
24.进一步地，所述胶粉为砂浆用可分散胶粉。
25.进一步地，所述减水剂为液态聚羧酸型高效减水剂。
26.进一步地，所述材料由以下重量份的原料制备而成：
27.硅酸盐水泥
ꢀꢀ
17份；
28.40-70目石英砂
ꢀꢀ
40份；
29.70-140目石英砂
ꢀꢀ
37份；
30.早强剂
ꢀꢀ
6份；
31.镀铜钢纤维
ꢀꢀ
3份；
32.抗裂剂
ꢀꢀ
0.8份；
33.胶粉
ꢀꢀ
0.01份；
34.重钙粉
ꢀꢀ
7份；
35.减水剂
ꢀꢀ
0.7份。
36.水
ꢀꢀ
13份。
37.如所述的锥套连接预制拼装桥墩湿接区接缝材料的施工方法，所述方法包括：
38.1)按质量份称取各原料；
39.2)将硅酸盐水泥、40-70目石英砂、70-140目石英砂、早强剂、抗裂剂、胶粉、重钙粉加入搅拌机进行混拌，混拌均匀后加入镀铜钢纤维搅拌均匀，得干料；
40.3)使用时将锥套连接预制拼装桥墩湿接区接缝材料的干料、减水剂和水在搅拌机中进行混拌，出料即得。
41.所述搅拌机为立轴强制式搅拌机或者卧式双轴强制式搅拌机。
42.如所述材料在锥套连接预制拼装桥墩湿接区接缝施工中的应用。
43.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
44.1)高流动性，高流动度保持性：
45.通过采用聚羧酸系高性能减水剂，并添加重钙粉，降低石英砂掺量，且抗裂剂中短切纤维和高性能表面活性剂的复合使用带来的纤维良好的分散性，实现了接缝材料的粘度适中，流动性好，可现浇灌注，可利用泵送进行现浇施工，无需振捣达到自密实效果，建筑结构填充效果饱满，可满足锥套连接预制桥墩接缝区域锥套、钢筋分布紧密工况下的填充材料的高流动度要求；
46.2)早期强度高，后期28天抗压强度可控(c45～55)：
47.采用含钙、含晶核复合型早强剂，可以促进材料1天的抗压强度显著上升(达到28天抗压强度的45～55％)，且28天抗压强度可控(c45～55)，保证了材料用于锥套连接预制拼装桥墩湿接区接缝填充施工的快捷性和将c40预制桥墩拼装后桥墩整体的延性(如接缝填充材料28天抗压强度比c40预制桥墩的28 天抗压强度高出多，则桥墩整体的延性差，接缝部位成为薄弱部位，降低了桥墩整体的抗震性能和抗动载荷疲劳性能)。
48.3)高韧性：
49.本发明中石英砂、早强剂、抗裂剂、重钙粉及胶粉等合理的配比，大幅提升了材料的密实度和韧性，使得接缝材料的变形能力远高于普通混凝土，可以大幅提升预制桥墩拼装后桥墩整体的延性，从而提高桥墩整体的抗震性能和承载能力。
50.4)低收缩，不开裂：
51.本发明中抗裂剂和镀铜钢纤维的使用，在提升材料韧性的同时，抑制了因掺加早强剂导致材料早期强度上升快而引起的收缩加大和开裂的发生。
52.5)与预制混凝土构件的界面的粘接劈裂抗拉强度高：
53.本发明中可分散胶粉的使用提高了接缝材料和预制混凝土构件界面的粘接劈裂抗拉强度，是c40常规混凝土粘接劈裂抗拉强度的2～3倍，保证了粘接界面的牢固可靠性，
从而提高了桥墩整体的延性，桥墩的抗震性能和承载能力也会随之改善。
54.综上所述，本发明锥套连接预制拼装桥墩湿接区接缝材料适用于锥套连接预制混凝土构件方式的接缝填充施工，弥补了常规纤维增强水泥基材料的三个技术缺陷，改善了纤维增强水泥基材料的流动性、韧性、与混凝土的粘接劈裂抗拉强度及早期强度高、后面准确控制28天抗压强度，实现了预制桥墩拼装施工的快捷性，提高了预制拼装桥墩拼装后结构的整体抗震性能和承载能力，接缝材料本身变形能力远高于普通混凝土，大幅提升了材料的韧性和桥墩结构整体的延性。
具体实施方式
55.为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
56.本专利的描述中，需要理解的是，使用的所有技术以及科学术语具有与本专利所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，实施例中所用的试剂为市售商品，实施例中采用的装置为现有装置，对手段、试剂或装置的限定不能理解为对本专利的限制，同类型解决相同技术问题的手段、试剂或装置均在本专利的保护范围之内。
57.在本专利的描述中，需要理解的是，当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
58.在本专利的描述中，需要理解的是，在描述方法的过程中涉及了多个步骤，不应理解为对方法步骤顺序的限制，在解决相同技术问题时仅通过改变步骤顺序获得的技术方案也在本专利的保护范围之内。
59.本发明提供的一种锥套连接预制拼装桥墩湿接区接缝材料，专属适用于锥套连接预制拼装桥墩的接缝填充施工，所述材料由以下重量份的原料制备而成：
60.硅酸盐水泥
ꢀꢀ
15-23份；
61.40-70目石英砂
ꢀꢀ
30-40份；
62.70-140目石英砂
ꢀꢀ
32-45份；
63.早强剂
ꢀꢀ
5-12份；
64.抗裂剂
ꢀꢀ
0.3-1.2份；
65.镀铜钢纤维
ꢀꢀ
3-5份；
66.胶粉
ꢀꢀ
0.01份-0.03份；
67.重钙粉
ꢀꢀ
5-10份；
68.减水剂
ꢀꢀ
0.3-1.0份；
69.水
ꢀꢀ
10-15份。
70.所述硅酸盐水泥为42.5级硅酸盐水泥。
71.所述早强剂为含钙、含晶核复合型早强剂(如北京中新纳米科技有限公司生产)，可以促进材料1-3天的抗压强度显著上升，同时改善了材料的韧性，实现对材料的抗压强度和抗拉抗折强度的双重促进，且28天抗压强度可控(c45～ 55)。
72.所述抗裂剂为短切纤维和合成高性能表面活性剂的混合物(如陕西龙宾立德新材料科技有限公司生产)；短切纤维为聚合物纤维、玻璃纤维或无机纤维，直径为10微米至100微米，长度100微米至2000微米；合成高性能表面活性剂为烷基胺、卤代烃或甲醛或二胺等的合成物。短切纤维在材料体系中可通过表面活性剂组分达到良好的分散性，从而有效提升材料的强度和韧性且不影响材料浆体的流动性。复合短切纤维通过不同的纤维级配可以充分的将材料体系组合为致密的整体，避免出现收缩和裂缝。
73.所述胶粉为砂浆用可分散胶粉。
74.所述减水剂为液体聚羧酸型高效减水剂。
75.助剂品种均可市购，原料廉价易得，来源广泛。
76.本发明以硅酸盐水泥作为主要胶凝材料，并辅以石英砂提高材料的力学性能，为避免石英砂掺量过高导致的混凝土粘度提高流动性变差，添加部分重钙粉作为胶凝材料，从而降低石英砂掺量。重钙粉的加入可以对沙子提供良好的浆体包裹性从而改善浆体的流动性，并且提升体系的密实度。可分散胶粉在体系中可增强水泥与沙子过渡界面区，优化混凝土体系的薄弱环节，同时也可增加接缝材料和预制混凝土构件界面的粘接拉伸强度。胶粉独特的聚合物结构可在水泥的微观结构中形成更致密的网状连接，从而增加体系的韧性及防水抗渗性能。
77.本发明优先采用液态高性能聚羧酸系减水剂提高浆料流动性和力学性能，更优选的，通过采用缓释型聚羧酸减水剂，其以聚乙二醇二丙烯酸酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸作为不饱和单体聚合而成，高酯基含量的聚羧酸减水剂大分子在水泥水化产生的强碱性条件下发生酯基逐步水解，释放出具有吸附性的小分子从而提高材料的流动性保持性能。
78.本发明中采用的抗裂剂为聚合物纤维、玻璃纤维、无机纤维等短切纤维和合成高性能表面活性剂的复合材料。纤维的直径为10微米至100微米，长度100 微米至2000微米。短切纤维在材料体系中可通过表面活性剂组分达到良好的分散性，从而有效提升材料的强度和韧性且不影响材料浆体的流动性。复合短切纤维通过不同的纤维级配可以充分的将材料体系组合为致密的整体，避免出现收缩和裂缝。
79.本发明优先采用的早强剂为含钙、含晶核复合型早强剂，可以促进材料1-3 天的抗压强度显著上升，同时改善了材料的韧性，实现对材料的抗压强度和抗拉抗折强度的双重促进，且28天抗压强度可控(c45～55)。本发明材料28天抗压强度可控是指：通常混凝土的28天强度由水泥标号、砂石料级配、水灰比、搅拌工艺、浇筑环境及养护条件等决定，但混凝土体系复杂，多种因素协同影响混凝土的28天强度。为保证28天强度，常规做法是调高预设目标的强度，以防止因水泥或级配等问题导致强度不达标，因此常规混凝土产品28天强度会落在在一较大的区间内，如28天抗压强度：40-60mpa。本发明材料通过水灰比、沙子级配与复合型早强剂协同作用，可将目标抗压强度控至在预设范围，而无需担心其他因素带来的影响。另外，常规混凝土产品的一天抗压强度无法达到28天强度的50％以上，即便达到也会因强度增长过快而产生后期开裂。本发明材料通过控制复合型早强剂、抗裂剂和镀铜钢纤维的掺量可以消除后期开裂问题。配方中复合型早强剂可与普通硅酸盐水泥协同作用
达到极高的1天抗压强度(达到28天抗压强度的45～55％)，随后强度正常增长且不影响后期耐久性。通常的含钙离子早强剂可将普通硅酸盐水泥一天的抗压强度提升20％左右，但对抗折强度无法提升至20％，而抗压强度与抗折强度的比值(压折比)指示了水泥的脆性，压折比高则材料脆性大，压折比低则材料韧性好，因此含钙早强剂通常会导致水泥脆性增大。主要原因为含钙早强剂在水泥水化诱导期通过释放钙离子发挥作用，其释放的钙离子使得孔隙液中的钙离子溶度可以提前达到过饱和状态，从而激活水泥水化提前从诱导期进入水化加速期。换言之，含钙早强剂通过对体系补充钙离子提升早期强度，但补充的钙离子主要为产生较多的氢氧化钙晶体来产生强度，主要为抗压强度。因此导致早期抗压强度升高快，但抗折强度无法等比例提升。材料的抗折、抗拉强度更多的来自于其水化产物水化硅酸钙的贡献。过多的外部钙离子会导致水化硅酸钙的韧性无法提升。晶核型早强剂主要成分为水化硅酸钙晶核，其早强原理为提供水泥水化产物的活化晶核位点，从而是水泥水化过程可以提前越过表面吉布斯自由能，进而提前发生水化、从诱导期进入加速期。此过程中，晶核作为一个活跃的“种子”，以水泥为原料，迅速生成水泥水化产物，进而促进更多的水泥反应。此过程中，既促进氢氧化钙生成，也促进水化硅酸钙生成。晶核早强剂的主流产品中，水化硅酸钙晶核的钙离子和硅酸根离子摩尔量比值(钙硅比)是1.5至1.7。虽然此比值被认为是水泥水化产物的最佳比值，但是此比值下其促进水泥水化产物的能力却并非最佳状态。主要原因为各家厂商生产中所用原材料不同，最重要的钙硅比测定却没有合适的方法去测量，只能通过原材料进行测算。因此实际的钙硅比有很大出入。本发明中，优选的，选取含晶核早强剂与含钙早强剂复配，可达到对材料早期的抗压强度和抗折抗拉强度的双重提升，实现早期1天抗压强度达到28天强度值的45～55％，后期28天抗压强度可控(c45～55)；同时结合抗裂剂和镀铜钢纤维的使用，避免了因早期强度上升快导致的收缩大及开裂情况的出现。
80.实施例1：
81.所述材料由以下重量份的原料制备而成：
82.硅酸盐水泥
ꢀꢀ
19份；
83.40-70目石英砂
ꢀꢀ
32份；
84.70-140目石英砂
ꢀꢀ
35份；
85.早强剂7份，西安天坤科技有限公司生产；
86.镀铜钢纤维
ꢀꢀ
3份；
87.抗裂剂
ꢀꢀ
0.8份，陕西龙宾立德新材料科技有限公司生产；
88.胶粉
ꢀꢀ
0.015份
89.重钙粉
ꢀꢀ
7份；
90.减水剂
ꢀꢀ
0.5份；
91.水
ꢀꢀ
11份。
92.实施例2：
93.所述材料由以下重量份的原料制备而成：
94.硅酸盐水泥
ꢀꢀ
15份；
95.40-70目石英砂
ꢀꢀ
37份；
96.70-140目石英砂
ꢀꢀ
35份；
97.早强剂
ꢀꢀ
5份，西安天坤科技有限公司生产；
98.镀铜钢纤维
ꢀꢀ
3份；
99.抗裂剂
ꢀꢀ
1.1份，陕西龙宾立德新材料科技有限公司生产；
100.胶粉
ꢀꢀ
0.013份
101.重钙粉
ꢀꢀ
5份；
102.减水剂
ꢀꢀ
0.8份；
103.水
ꢀꢀ
10份。
104.实施例3：
105.所述材料由以下重量份的原料制备而成：
106.硅酸盐水泥
ꢀꢀ
23份；
107.40-70目石英砂
ꢀꢀ
31份；
108.70-140目石英砂
ꢀꢀ
32份；
109.早强剂
ꢀꢀ
10份，西安天坤科技有限公司生产；
110.镀铜钢纤维
ꢀꢀ
3份；
111.抗裂剂
ꢀꢀ
0.5份，陕西龙宾立德新材料科技有限公司生产；
112.胶粉
ꢀꢀ
0.02份；
113.重钙粉
ꢀꢀ
9份；
114.减水剂
ꢀꢀ
0.9份；
115.水
ꢀꢀ
13份。
116.实施例4：
117.所述材料由以下重量份的原料制备而成：
118.硅酸盐水泥
ꢀꢀ
21份；
119.40-70目石英砂
ꢀꢀ
35份；
120.70-140目石英砂
ꢀꢀ
33份；
121.早强剂
ꢀꢀ
9份，西安天坤科技有限公司生产；
122.镀铜钢纤维
ꢀꢀ
3份；
123.抗裂剂
ꢀꢀ
0.7份，陕西龙宾立德新材料科技有限公司生产；
124.胶粉
ꢀꢀ
0.01份；
125.重钙粉
ꢀꢀ
8份；
126.减水剂
ꢀꢀ
1.0份；
127.水
ꢀꢀ
12份。
128.实施例1-4，均采用如下步骤制备锥套连接预制拼装桥墩湿接区接缝材料：
129.1)按质量份称取各原料；
130.2)将硅酸盐水泥、40-70目石英砂、70-140目石英砂、早强剂、抗裂剂、胶粉、重钙粉加入搅拌机进行混拌，混拌均匀后加入镀铜钢纤维搅拌均匀，得干料；
131.3)使用时将锥套连接预制拼装桥墩湿接区接缝材料的干料、减水剂和水在搅拌机中进行混拌，出料即得。
132.所述搅拌机为立轴强制搅拌机或卧式双轴强制型搅拌机，可使锥套连接预制拼装桥墩湿接区接缝材料充分分散。原料混合过程中存在结团时，应适当延长搅拌时间。生产过
程不宜采用单轴卧式搅拌机，不利于各原料充分分散。
133.采用卧式双轴强制型搅拌机，减水剂为缓释型液态聚羧酸型高效减水剂，由聚乙二醇二丙烯酸酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸作为不饱和单体聚合而成，通过调整各原料添加比例，制备成为混凝土相关检测标准要求的规格的试块进行测试，测试结果见表一。
134.表一 实施例1-4配比最终性能测试结果
[0135][0136]
为探寻最佳配比及早强组分对最终强度的贡献及影响，本发明材料在配比调试阶段进行了对照组实验，通过调整早强剂的比例最终确定最佳配比范围。对照组实验中早强剂的掺量为1％，3％，5％，8％，10％，15％及20％。通过力学性能测试发现，早强剂掺量为1％-20％范围内，材料养护1天后强度随掺量上升而提高，但上升速率在早强剂掺量10％以上明显减缓，可见早强剂掺量大于10％后对力学性能提升不如10％以下掺量效果良好。早强剂掺量在1％-5％范围内，压折比略低，可见早强剂掺入一定程度上对抗压强度提升更为明显，但当掺量低于 5％时，抗压强度无法达到预期效果，原因可能为低掺量范围时，早强剂体积浓度较低无法发挥最大作用。最终，经过实验将早强剂掺量确定在5％-10％范围内效果最佳。
[0137]
试验结果表明本发明材料的性能指标(如表一)可以满足锥套连接预制拼装桥墩湿接区接缝填充材料的力学性能及施工性能的要求，相比于其他产品具有综合优势(如表二所示)。
[0138]
表二力学性能及施工性能的要求比较
[0139][0140]
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。