负温环境下水泥复合基快速修补材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及道路修补材料，尤其涉及一种负温环境下水泥复合基快速修补材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、我国路桥面铺装层大多采用沥青混凝土，沥青混凝土抗拉变形能力差，在温差、收缩和车辆荷载等因素综合作用下，混凝土铺装层会出现不同程度的开裂损伤。这种路桥面铺装层病害的出现，一方面会导致雨水中有害离子通过裂缝下渗到桥梁钢筋混凝土主梁等下部结构中，影响桥梁服役寿命；另一方面会严重影响行车舒适度及路桥面外观。同样的，如桥梁伸缩缝两边混凝土受冲击时，易产生应力集中而造成破坏，伸缩缝破坏的主要形式包括伸缩缝两侧混凝土损坏以及混凝土与钢板、旧混凝土之间粘结失效，由此会引起伸缩缝钢板裸露、钢筋断裂等进一步的破坏，最终导致路面与桥面的衔接不畅，产生早期破坏，影响交通运行。所以，如何修补路桥面和/或伸缩缝处的混凝结构，延长其服役寿命和服役质量是当前公共交通领域面临的最主要问题之一。

2、针对上述问题，目前普遍采用水泥基材料进行修补，而随着经济的快速发展与生活节奏的加快，对混凝结构修复工程的时效性要求越来越高，对开放交通的时间要求越来越短，对修补材料的耐久性要求也越来越高。目前快速修补材料的研究主要集中在常温环境，但在我国60％以上的地区冬季温度都在零下，负温施工时间长达4个月，因此，在进入冬季施工期后，寒冷的气候环境导致施工成本和难度大幅度增加的同时，路面快速修补的缺陷也更为突出和难以克服。现有的水泥基修补材料在使用时，存在以下缺陷和不足：

3、1、伸缩缝维修和桥面铺装维修属于养护工程，需要封闭交通，造成道路通行率降低，对于高速公路来说，由此带来的损失更为严重。常规的水泥混凝土材料养护周期较长，需要封闭道路时间长，尤其是在冬季环境下，施工过程中接触的路面处于负温状态，水泥基修补材料的水化活性明显降低，凝结硬化慢，从而致使强度发展偏慢、最终强度偏低，收缩较大，无法满足在冬季快速修复并恢复交通的抢修抢建工程要求。

4、2、修补后的混凝土材料由于模量偏高，易在冲击荷载作用下造成二次破坏。此外，目前修补材料与原路面和伸缩缝的粘结性存在一定的问题，导致修补材料容易脱落，影响行车安全。

5、3、水泥基修补材料的干缩和热缩是引起早期裂缝的主要原因之一。由于外界环境的湿度降低和水泥自身水化所产生的耗水速率大于其外部水分迁移速率，导致毛细孔内产生负压，形成收缩，最终导致裂缝的形成和有害物质的入侵，严重影响了混凝土的耐久性。而目前的常规修补材料是水泥基材料，均存在干缩和热缩问题。

6、目前，负温环境下的工程施工主要采取原材料预热、辅助保温加热养护等方法来提高物料温度以保证水泥的正常水化。而在负温环境下进行抢修抢建工作时，此类方法繁琐、耗时，因此，开发一种在负温环境下能够正常水化硬化的水泥基快速修补材料就具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明提供一种凝结速度快，与基层材料的相容性和粘结性好，免加热养护，施工性能佳，耐久性能优异，适用于常温及负温下路桥面/伸缩缝的快速修补，在常温及负温环境下均可满足2h快速修复并通车的负温环境下水泥复合基快速修补材料及其制备方法和应用。

2、为实现上述目的，本发明提供一种负温环境下水泥复合基快速修补材料，包括：35～45％的混合水泥和55～65％的辅料；其中，混合水泥包括：350～400重量份的快硬硫铝酸盐水泥和18～28重量份的普通硅酸盐水泥；辅料包括：20～33重量份的硅灰、520～580重量份的石英砂、1～3重量份的聚丙烯纤维、15～25重量份的胶粉、0.5～2.0重量份的炭黑、2～4重量份的减水剂、0.2～1.5重量份的碳酸锂、0.5～1.0重量份的消泡剂、0.3～1.5重量份的保水剂、0.1～0.8重量份的膨胀剂、0.2～1.0重量份的纳米二氧化硅、0.5～3.5重量份的亚硝酸钠。

3、本发明的快速修补材料由快硬硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅灰多元体系提供材料的早期强度，并利用其他辅料提高其施工性能，改善其流动性能和延展性，改善其内聚强度，提高可变形性，减小弹性模量，同时混合水泥与辅料能形成良好的空间结构，提供优越的耐久性能，并使其施工时间满足《公路水泥混凝土路面养护技术规范》要求，在常温及负温环境下(尤其适用于-5～-10℃的环境条件)均可满足2h快速修复并通车的要求。

4、根据本发明，快速修补材料包括：37～42％的混合水泥和58～63％的辅料；其中，混合水泥包括：355～385重量份的快硬硫铝酸盐水泥和20～25重量份的普通硅酸盐水泥；辅料包括：25～30重量份的硅灰、530～570重量份的石英砂、2～3重量份的聚丙烯纤维、15～20重量份的胶粉、0.5～1.5重量份的炭黑、2.5～3.5重量份的减水剂、0.4～1.0重量份的碳酸锂、0.3～1.0重量份的消泡剂、0.3～1.0重量份的保水剂、0.1～1.0重量份的膨胀剂、0.2～0.5重量份的纳米二氧化硅、0.8～2.8重量份的亚硝酸钠。

5、快速修补材料内添加的各种辅料(如属于活性纳米材料的纳米二氧化硅，能致使水化放热速率增加，有利于材料在负温环境中凝结硬化)，能改善水泥水化过程中放热造成的开裂情况，使其具有较高的抗裂性，以延长其使用寿命和提升其耐久性；同时该材料的凝结速度快，强度增长迅速，与基层材料的相容性和粘结性好，能够在早期就产生较高的粘结强度，满足快速修补的要求。

6、根据本发明，快硬硫铝酸盐水泥为r.sac42.5或r.sac52.5；普通硅酸盐水泥为p.o.42.5或p.o.52.5。普通硅酸盐水泥因其性能可靠、价格低廉的优势得到了广泛应用，但也存在养护时间长、早期强度发展慢、流动性差、结实率低等问题，而快硬硫铝酸盐水泥不仅具有凝结硬化快、水化放热集中、早期强度高等优点外，而且还具有良好的低温水化与硬化性能，显示出用作低温或负温环境胶凝组分的潜力，通过将普通硅酸盐水泥掺入硫铝酸盐水泥，有效降低了混合水泥的凝结时间，实现修补材料凝结时间可控，也提高了混合水泥砂浆的各时期强度，特别是大幅提高了后期强度，满足快速修补的要求。

7、根据本发明，石英砂的粒径分级为10～20目、20～40目、70～140目；其中，10～20目的石英砂的重量份为360～375份，20～40目的石英砂的重量份为85～100份，70～140目的石英砂的重量份为85～95份。石英砂不同粒径之间的级配越合理，快速修补材料的结构就越密实，同样的，采用不同粒径的石英砂颗粒与硅灰配合能提高快速修补材料微观结构的致密性，提高修补混凝土的密实度，有利于新旧材料之间的咬合和粘结力，提高修补后的混凝土力学性能和耐久性能。

8、根据本发明，胶粉为乙烯-醋酸乙烯共聚物胶粉、丙烯酸类聚合物胶粉、聚氧化乙烯胶粉、苯丙胶粉、丁苯胶粉中的至少一种。

9、优选地，胶粉为乙烯-醋酸乙烯共聚物胶粉。

10、根据本发明，硅灰的比表面积为20000m2/kg。

11、根据本发明，减水剂为聚羧酸高效减水剂。采用聚羧酸高效减水剂能够对水泥颗粒进行分散，且具有良好的空间位阻效应，使得快速修补材料具有最佳的施工性能。

12、根据本发明，聚丙烯纤维的长度规格为3mm、6mm或9mm。

13、优选地，聚丙烯纤维长度为6mm。掺加聚丙烯纤维能提升快速修补材料的抗开裂性能。

14、根据本发明，保水剂为羟丙基甲基纤维素和吸水树脂按(0.5～1.5):1的重量比复配而成。

15、优选地，羟丙基甲基纤维素和吸水树脂按1:1的重量比复配。羟丙基甲基纤维素和吸水树脂的存在能在修补时给快速修补材料提供内部固化水，并保持水泥基材料内部相对湿度，有利于缓解快速修补材料早期的自收缩，并补偿混凝土的急剧收缩，从而减少修补后的裂缝形成，耐久性增强。

16、根据本发明，膨胀剂为氧化钙膨胀剂和氧化镁膨胀剂按1:(0.5～1.5)的重量比复配而成。

17、优选地，氧化钙膨胀剂和氧化镁膨胀剂按1:1的重量比复配。氧化钙膨胀剂和水之间的快速反应可以补偿早期收缩，而氧化镁膨胀剂的延迟膨胀适合减少后期收缩，复配后的膨胀剂能有效补偿快速修补材料的早期收缩，降低使用后的开裂风险。

18、根据本发明，辅料中的碳酸锂和亚硝酸钠的重量比为(0.4～0.6):1。碳酸锂在快速修补材料用于修补后，其中的li+会形成强碱lioh，使得水泥水化反应的碱度增加，加速al3+的溶解，从而促进钙矾石的生成；li+还能破坏水泥水化过程形成的保护膜来缩短诱导期，提高了快速修补材料的早期水化程度，双重作用最终缩短了混合水泥的凝结时间。亚硝酸钠能降低负温环境下水化反应中液相的凝固点，在负温下仍能存在足量的液相保证水泥的继续水化，使得水化产物aft的量大幅增加，水化程度和速率大幅提高，水化产物之间互相搭接形成稳定的网络结构，获得更高的强度，保证快速修复材料能正常凝结硬化；同时还能改善形成的水泥石孔结构，大孔减少小孔增加(未掺亚硝酸钠水泥石孔径大于500a的孔占量56％以上，掺加亚硝酸钠的孔占量能降至为47.36％)，含冰量也变小，液相结冰造成的破坏作用减弱。

19、本发明中在快速修补材料中添加特殊比例的碳酸锂和亚硝酸钠，利用两种成分参与水化的方式不同来最大程度地保证了水化反应有充足的液相水，进而促进水化反应，还能相互协同提高水泥矿物的早期水化，提高了混合水泥在负温状态下凝结硬化的速度，降低凝结时间和提升早期强度，使得本发明水泥复合基材料完全适应在负温环境中应用(尤其适用于-5～-10℃的环境条件)，并能实现2h通车的工程要求。

20、本发明还提供一种负温环境下水泥复合基快速修补材料的制备方法，包括以下步骤：

21、1)将快硬硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅灰、石英砂、聚丙烯纤维、胶粉、炭黑、减水剂按重量份混合后，以120～300r/min的速率搅拌2～5min，得到a组份；

22、2)将碳酸锂、消泡剂、保水剂、膨胀剂、纳米二氧化硅、亚硝酸钠按重量份混合后，以140～200r/min的速率搅拌2～5min，得到b组份；

23、3)将a组分和b组份混合，并以100～200r/min的速率匀速搅拌5～10min，混合均匀后，封存于防潮包装袋中，即得前述的负温环境下水泥复合基快速修补材料。

24、根据本发明，快速修补材料中包括：350～400重量份的快硬硫铝酸盐水泥、18～28重量份普通硅酸盐水泥、20～33重量份的硅灰、520～580重量份的石英砂、1～3重量份的聚丙烯纤维、15～25重量份的胶粉、0.5～2.0重量份的炭黑、2～4重量份的减水剂、0.2～1.5重量份的碳酸锂、0.5～1.0重量份的消泡剂、0.3～1.5重量份的保水剂、0.1～0.8重量份的膨胀剂、0.2～1.0重量份的纳米二氧化硅、0.5～3.5重量份的亚硝酸钠。

25、本发明制备的快速修补材料通过各组分协同控制水化反应进程，使得其能够满足常温及负温环境下的使用要求，实现在常温及负温环境中的直接拌合、浇筑并免加热养护，适用于常温及负温下路桥面/伸缩缝的快速修补，尤其适用于-5～-10℃的环境条件，短期强度提高快，负温下不影响施工，适用于负温环境下的快速抢修，修补施工时间满足《公路水泥混凝土路面养护技术规范》要求，在常温及负温环境下均可满足快速修复通车的要求。

26、此外，本发明还提供一种负温环境下水泥复合基快速修补材料在路桥面及伸缩缝修补中的应用，该快速修补材料为前述的负温环境下水泥复合基快速修补材料；该快速修补材料在负温环境下，免加热养护，2h开放交通。

27、本发明的快速修补材料在常温及负温环境下能实现快速凝结硬化和免加热养护，尤其适用于-5～-10℃的环境条件，其早期强度发展快，后期强度稳定增长，界面粘结性和抗疲劳性能佳，能短时间通车，收缩率低且不易开裂，耐久性好，降低了维护成本，从而更加适于实用。

28、本发明提供的负温环境下水泥复合基快速修补材料在常温及负温环境下均能保持短的凝结时间，尤其适用于-5～-10℃的环境条件，早期强度发展快，后期强度稳定增长，且体积稳定性好，28天收缩率不超过0.02％，具有良好的抗裂、抗渗和防水性能；

29、本发明的快速修补材料在应用于路桥面及伸缩缝修补时，施工简便快捷，即使冬季施工也无需采用特殊的保温措施，能实现免加热养护，在负温环境下也能保持高力学性能发展，用于修补路桥面后2h即可通车，大大缩短了开放交通时间，实用性佳，有效地提高了路桥面及伸缩缝的抗损害性能，延长其使用寿命。

30、本发明的快速修补材料通过各种原料的组合、配比和协同作用，利用其流动性和延展性实现自密实成型，且与基层材料(如混凝土、石材、金属)的粘结性能和协同受力性能均表现良好，低收缩不开裂，可负温下施工，负温下正常凝结，强度增长不受影响，用于道路修复而不影响工程进展。