一种适用于重载铁路轨道与桥梁快速修复的超高性能地聚物混凝土及其制备方法

本发明涉及建筑材料，尤其提供一种适用于重载铁路轨道与桥梁快速修复的超高性能地聚物混凝土及其制备方法。所制备的材料具有优异力学性能、高韧性，并利用工业副产物和环保配方，属于绿色、低碳的新型建筑材料。

背景技术：

1、重载铁路其轨道结构与桥梁结构在长期服役过程中持续承受高轴重、高频次列车荷载及环境侵蚀作用，轨道部件（如轨道板、道床、扣件区、轨枕支承部位）易出现裂缝、碎裂、磨损及界面脱空；桥梁结构（如桥面板、梁端、支座垫石、桥墩表层及新旧混凝土界面）也常发生裂缝、剥落、局部压碎及界面松动等损伤。地震或恶劣气候条件下，上述损伤可能加剧。需要修复材料具有较好的早期强度、施工流动性、界面粘结性能和抗裂韧性，以满足抢修施工和快速恢复结构使用功能的要求。传统硅酸盐水泥基修复材料存在硬化慢、早期强度不足、收缩开裂风险较高以及与旧混凝土界面协同变形能力不足等问题；超高性能混凝土虽具有较高强度和耐久性，但水泥熟料用量较大，碳排放和自收缩问题仍较突出；地聚物混凝土以矿渣粉、硅灰等工业副产物为主要胶凝材料，通过碱激发反应形成胶凝体系，具有早期强度发展快、耐久性好和低碳环保等优势。但矿渣基地聚物体系反应速度较快，施工窗口较短；同时，超高性能地聚物基体脆性较大，单靠基体强度难以满足修复层对抗裂韧性、界面粘结和疲劳损伤抵抗能力的综合要求。纤维增强是改善高强修复材料韧性和抗裂性能的重要手段。钢纤维具有较高抗拉强度和弹性模量，适于宏观裂缝桥联和裂后承载；pva纤维直径较小、数量多，适于微裂缝控制和早期收缩裂缝抑制。但普通pva纤维表面亲水性较强，在无机胶凝基体中容易形成较强化学粘结，裂缝扩展过程中可能出现纤维提前拉断而非稳定滑移和拉拔耗能的问题。因此，有必要对pva纤维界面进行调控，并与钢纤维形成多尺度复合增韧体系，以兼顾快速修复材料的早期强度、施工性能、界面粘结、抗裂韧性和体积稳定性。

2、现有技术中，cn108892424a公开了一种纳米sio2和pva纤维增强地聚合物砂浆，该技术通过将pva纤维和纳米sio2加入地聚物砂浆体系中，以改善材料的抗折强度、韧性和裂缝控制性能。

3、cn106380147b公开了一种耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，该材料以水泥基胶凝体系为基础，增强纤维至少包含玄武岩纤维，用于改善材料的耐高温性能和延性。

4、cn108892424a中的pva纤维与纳米sio2主要作为独立增强组分加入，该技术未公开改性pva纤维与钢纤维按特定比例复配的复合纤维体系，也未针对重载铁路轨道与桥梁快速修复场景下的早期强度、施工流动性保持、界面斜剪粘结性能和低收缩性能进行协同优化。cn106380147b该技术主要针对水泥基复合材料体系，并非针对矿渣-硅灰高碱地聚物体系；因此，现有技术仍难以同时解决重载铁路轨道与桥梁快速修复材料中早期强度发展、施工可操作性、界面粘结性能、抗裂韧性和低收缩性能之间难以兼顾的问题，亟需一种适用于重载铁路轨道与桥梁快速修复的超高性能地聚物混凝土及其制备方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于重载铁路轨道与桥梁快速修复的超高性能地聚物混凝土及其制备方法。该材料通过控制矿渣粉、硅灰、级配细砂、碱激发剂溶液、外加水和改性减水剂的比例，并采用改性pva纤维与钢纤维组成的复合纤维体系，使材料兼具施工流动性、早期强度、界面粘结、抗裂韧性和低收缩性能。

2、具体地，所述基体材料按矿渣粉为1重量份计，由以下重量份原料组成：矿渣粉1份；硅灰0.26～0.34份；中砂1.05～1.25份；碱激发剂溶液0.28～0.38份；改性减水剂0.012～0.030份和水0.06～0.10份；所述复合纤维由改性pva纤维和钢纤维组成；以所述超高性能地聚物混凝土拌合物总体积计，所述复合纤维总体积掺量为1.5％～2.0％，其中改性pva纤维体积掺量为0.3％～0.5％，钢纤维体积掺量为1.2％～1.5％。

3、进一步地，所述矿渣粉为s95级高炉矿渣粉，比表面积为420～450m2/kg，密度为2.8～3.0g/cm3，其中cao含量为38%～42%，sio2含量为32%～36%；

4、所述硅灰的sio2含量≥92%，平均粒径为0.1～0.5μm，比表面积为18000～22000m2/kg，需水量比≤105%；

5、所述中砂为经过筛分的天然河砂，细度模数为2.6～2.8，含泥量＜1.0%，泥块含量＜0.5%，含水率＜0.1%。

6、进一步地，所述碱激发剂溶液由以下步骤配制而成：

7、向50ml纯水中分三次搅拌加入20～30g氢氧化钠，400r/min搅拌至氢氧化钠完全溶解后，静置冷却至25℃，再向其中倒入150～160g液体硅酸钠(模数为3.32、固含量为39.99%)，400r/min搅拌20～30min直至溶液呈透明均一状态，完毕后，常温下静置24h，得到碱激发剂溶液。

8、进一步地，所述改性减水剂包括以下重量份原料：脂肪族减水剂：25～30份；羟丙基甲基纤维素：2～3份；缓凝剂：4～5份。

9、进一步地，所述脂肪族减水剂由以下步骤制备：

10、步骤a1、向反应器中加入200ml的纯水，再向纯水中搅拌加入8.0～10.0g的亚硫酸钠(ar；纯度为97%)，反应器升温至50～60℃，恒温搅拌至固体组分完全溶解；

11、步骤a2、再向反应器中搅拌加入20.0～22.0g的环己酮(ar；纯度为99.5%)，继续在45～55℃下恒温搅拌磺化50～60min；

12、步骤a3、磺化完毕后，再向反应器中滴加90～110ml的质量分数为35~40%的甲醛溶液，滴加完毕后，反应体系升温至85～90℃，恒温搅拌缩合反应2～4h，反应完毕后，出料并冷却至室温，最终得到脂肪族减水剂。

13、进一步地，所述改性减水剂由以下步骤制备：

14、将按重量份称取的脂肪族减水剂、羟丙基甲基纤维素和缓凝剂混合后，以60～80r/min的转速进行搅拌混合20～30min，完毕后，得到改性减水剂。

15、进一步地，所述羟丙基甲基纤维素的型号为hd6100；所述缓凝剂为柠檬酸。

16、进一步地，复合纤维由改性pva纤维和钢纤维组成，pva纤维长度为9～12mm，单丝直径均为15～30μm，抗拉强度≥1000mpa；钢纤维长度10～13mm，直径0.2～0.3mm，抗拉强度为≥2000mpa。

17、进一步的，所述改性pva纤维的制备步骤如下：

18、步骤b1：将pva纤维浸泡在质量分数为0.5％～1.0％的氢氧化钠溶液中进行轻度表面活化处理3～6min，随后用去离子水洗至中性并烘干；

19、步骤b2：将硅烷偶联剂kh-550与体积分数为95%的乙醇按质量比1: 45～55混合，预水解20～40min，得到kh-550水解液；将步骤b1所得轻度活化pva纤维加入所述kh-550水解液中，于25～40℃条件下处理20～60min，取出并干燥，得到kh-550底涂pva纤维；

20、步骤b3：将平均粒径为10～50nm的疏水纳米二氧化硅分散于体积分数为95%的乙醇溶液中，超声分散10～30min，得到疏水纳米二氧化硅分散液；将步骤b2所得kh-550底涂pva纤维加入所述疏水纳米二氧化硅分散液中处理10～30min，使疏水纳米二氧化硅负载于pva纤维表面；

21、步骤b4：取出纤维，40～60℃条件下干燥，得到改性pva纤维。

22、作为本发明的进一步方案，本发明还提供了一种适用于重载铁路轨道与桥梁快速修复的超高性能地聚物混凝土的制备方法，包括以下步骤：

23、步骤s1、按重量份称取各原料，将矿渣粉，硅灰和中砂放入水泥胶砂搅拌机50～70r/min搅拌2～5min，使其充分搅拌均匀，得到混合干料；

24、步骤s2、向上述混合干料中加入碱激发剂溶液和水，110～130r/min搅拌1～2min，再向其中加入改性减水剂，110～130r/min搅拌1～2min，再向其中加入复合纤维，110～130r/min搅拌2～5min，完毕后，得到拌合物；

25、步骤s3、将所述拌合物浇筑成型后，在温度20±2℃、养护湿度≥90％的条件下养护至预定龄期，得到所述适用于重载铁路轨道与桥梁快速修复的超高性能地聚物混凝土。

26、本发明的有益效果：

27、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

28、1、本发明以矿渣粉和硅灰作为主要胶凝材料，通过碱激发形成地聚物胶凝体系，减少水泥熟料用量，实现工业副产物的资源化利用，具有绿色低碳和二次利用价值。

29、2、本发明采用改性pva纤维与钢纤维复配形成复合纤维增强体系，改性pva纤维既避免界面过弱导致纤维过早脱粘，又降低pva纤维因过强化学粘结而提前拉断的概率，使pva纤维主要发挥微裂缝桥联、滑移和拉拔耗能作用，钢纤维主要发挥宏观裂缝桥联和承载作用，二者协同提高材料的抗折强度、抗裂性能和韧性。

30、3、本发明采用脂肪族减水剂、羟丙基甲基纤维素和柠檬酸复配形成改性减水剂，可改善高碱地聚物体系的流动性保持、保水性和凝结时间，降低复合纤维团聚风险，提高材料的施工适用性。

31、4、本发明材料具有较高的早期强度、界面粘结强度和较低的干燥收缩率，适用于重载铁路轨道与桥梁快速修复，可减少修复层开裂和二次损伤风险，延长既有轨道与桥梁结构服役寿命。