一种低粘度水泥基补浆料及其制备方法、施工工艺与流程

1.本发明涉及土木工程材料领域，尤其涉及一种低粘度水泥基补浆料及其制备方法、施工工艺，尤其适用于钢筋套筒内灌浆空洞（孔洞）修补、微细裂缝修复。


背景技术：

2.近年来，装配式混凝土建筑符合绿色低碳发展理念、建造速度快，在国内各类项目得以广泛推广，其建造方式主要是将工厂加工好的预制构件运到施工现场，通过现场可靠的连接方式装配而成，所以施工现场的构件连接质量是否达到规范要求将直接影响到装配式混凝土建筑的结构安全；而灌浆套筒作为一种主要的现场预制构件连接方式，其套筒内灌入浆体的饱满程度则是现场施工质量的主控项，而套筒灌浆质量又取决于操作工人的技能水平。但是新型的装配式混凝土建筑起步较晚，产业工人水平还参差不齐，导致灌浆质量因人而异，良莠不齐。工程中常出现灌浆料在套筒内饱满程度低，存在空洞（孔洞），大大降低了装配式结构节点连接质量，严重影响装配式结构安全。
3.目前针对灌浆料在套筒内饱满程度低或存在空洞（孔洞）时的修复方法，主要还是采用现有灌浆料进行充填，尚无针对性补浆料。但现有灌浆料主要是针对钢筋套筒初始灌浆设计，作为补浆料使用时，存在以下问题：（1）粘度太大，易产生“堵气”现象，不利于施工和完全充填套筒内空洞；（2）强度与原灌浆料相同，新老灌浆料粘接面强度较低，成为套筒内受力薄弱区；（3）竖向膨胀率相对较小，难以满足充填空洞和提高握裹钢筋力的要求；（4）对微小孔通过性差，难以修复微小空洞和裂纹。
4.综上可知，由于现有灌浆料性能有限，难以满足钢筋套筒内灌浆空洞（孔洞）修补、微细裂缝修复的需求，因此，需要针对钢筋套筒内灌浆空洞修补、微细裂缝修复需求，通过理论计算和大量试验，研发性能更优异的低粘度水泥基补浆料。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于钢筋套筒内灌浆空洞修补、微细裂缝修复的低粘度水泥基补浆料，该补浆料可以商品化供应，具有微膨胀（3h竖向膨胀率0.5~3.5%）、高充填性（可通过1mm以下孔隙）、超高强度（28d抗压强度100～125mpa），早期强度高（1d抗压强度大于30mpa）。
6.本发明的另一目的在于提供一种低粘度水泥基补浆料的制备方法。
7.本发明的再一目的在于提供一种低粘度水泥基补浆料的施工工艺。
8.上述目的可通过以下技术方案实现：根据本发明的一个方面，本发明提供一种低粘度水泥基补浆料，各组分按质量百分比计，包含：水泥
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30~50%矿物掺合料
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10~30%
细骨料
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15~30%功能材料
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0.4~2%复合外加剂
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4~9%拌合水
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15~18%。
9.本发明中，所述矿物掺合料包括如下质量百分比的复配原材料：粉煤灰
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55~70%玻璃微珠
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15~25%硅灰
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5~20%。
10.本发明中，所述粉煤灰为i级粉煤灰；所述玻璃微珠为空心玻璃微珠，粒径小于30μm；所述硅灰为sf93级及其以上，比表面积大于15m2/g。
11.本发明中，所述细骨料为粒径100~200目的石英砂。
12.本发明中，所述功能材料包括如下质量百分比的复配原材料：纳米碳酸钙
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5~15%纳米氧化铝
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5~15%硫酸钠
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40~65%二水石膏
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2~5%腐植酸钠
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5~15%滑石粉
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5~15%十二烷基硫酸钠
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1~5%。
13.本发明中，所述纳米碳酸钙为超微细碳酸钙，粒径小于30nm；所述纳米氧化铝粒径小于20nm；所述硫酸钠粒径小于100μm；所述二水石膏为一级；所述腐植酸钠纯度95%以上；所述滑石粉主要成分是含水硅酸镁，细度为1250目；所述十二烷基硫酸钠活性物含量大于90%。
14.本发明中，所述复合外加剂包括如下质量百分比的复配原材料：聚羧酸减水剂
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1.5~7.5%膨胀剂
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90~95%缓凝剂
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0~5%。
15.本发明中，所述聚羧酸减水剂为固体粉末聚羧酸减水剂，固含量大于98%；所述膨胀剂为钙矾石型膨胀剂、硫铝酸盐型膨胀剂、氧化钙型膨胀剂、氧化镁型膨胀剂或复合型膨胀剂中的一种或多种；所述缓凝剂为柠檬酸钠、葡萄糖酸盐、硼酸钠中的一种或多种。
16.根据本发明的另一个方面，提供所述低粘度水泥基补浆料的制备方法，包括：按原材料比例称量各材料；将所述复合外加剂、功能材料与矿物掺合料放入拌合仓内，搅拌至少2分钟；向搅拌仓中加入水泥、细骨料，搅拌至少3分钟；
形成低粘度水泥基补浆料干混料，可以采用袋装打包运输、罐车运输或水泥散装车运输；在施工现场按比例称量干混料和拌合水，搅拌2~3分钟即可制得所述低粘度水泥基补浆料。
17.根据本发明的再一个方面，提供所述低粘度水泥基补浆料的施工工艺，可采用如下方式中的任意一种：利用液面压力差导管自重自然灌注；直接采用压力泵灌注；采用螺旋输送管与压力泵组合灌注；先按配比单独湿搅拌均匀，再灌注；连续干搅、湿搅、灌注一体化施工。
18.相比于现有技术，本发明的有益效果如下：（1）低粘度，通过自重即可补浆，无需较高的补浆压力；（2）高流动性，在3mm超细管中也能轻松自由流动；（3）超细骨料、低粘度与高流动性带来高通过性，可通过管径在3mm以下的超细输送管，由超细输送管进行补浆，满足微小孔洞和微细裂纹的修补修复需求；（4）超早强和超高强，1d强度大于35mpa，28d强度达到100mpa~125mpa；具有微膨胀性，3h竖向膨胀率0.5~3.5%，24h与3h竖向膨胀率差值小于0.05%，长期变形性能稳定；（5）低粘度、高流动性与高通过性可实现无气、定量修补/修复，特别适用于钢筋套筒内灌浆空洞（孔洞）修补、微细裂缝修复等。
具体实施方式
19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
20.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括/包含”、“由
……
组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含
……”
、“由
……
组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
21.以下结合较佳的实施方式对本发明的实现进行详细的描述。
22.在对建筑、桥梁结构等空洞（孔洞）进行灌浆修复时，所使用的补浆料对强度要求较高，但强度高的补浆料粘度太大。实际补浆料施工时，不能加压施工，加压施工不利于空气排出，会在内部留下孔隙，效果不佳。因此，需要补浆料自行流动。粘度太大时，流动太慢，施工效率低，补浆效果差。另一方面，补浆料修补裂缝时，输入孔小，因此要求补浆料具有高通过性。鉴于此，本发明旨在保证强度的同时，解决粘度太大、流动差、通过性差的问题。
23.本发明首先提供一种低粘度水泥基补浆料，各组分按质量百分比计包括：水泥
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30~50%
矿物掺合料
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10~30%细骨料
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15~30%功能材料
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0.4~2%复合外加剂
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4~9%拌合水
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15~18%。
24.本发明中，水泥采用p
×
o 52.5普通硅酸盐水泥、p
×
ii 52.5硅酸盐水泥、p
×
o 52.5r早强型普通硅酸盐水泥、p
×
ii 52.5r早强型硅酸盐水泥中的一种。
25.本发明中，矿物掺合料包括如下质量百分比的复配原材料：粉煤灰
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55~70%玻璃微珠
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15~25%硅灰
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5~20%。
26.通过添加上述的矿物掺合料，能够节约水泥，降低水化热，减小早期开裂风险，提高密实度，提高后期强度。
27.另外，粉煤灰、玻璃微珠、硅灰这三类矿物颗粒均为“球形”，且粒径大小不同，经过级配优化设计，通过掺合料间的相互填充，形成良好的“滚珠效应”，降低补浆料的粘性，提高流动性。
28.本发明中，粉煤灰为i级粉煤灰；玻璃微珠为空心玻璃微珠，粒径小于30μm；硅灰为sf93级及其以上，比表面积大于15m2/g。
29.本发明中，细骨料为粒径100~200目的石英砂。
30.本发明中，功能材料包括如下质量百分比的复配原材料：纳米碳酸钙
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5~15%纳米氧化铝
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5~15%硫酸钠
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40~65%二水石膏
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2~5%腐植酸钠
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5~15%滑石粉
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5~15%十二烷基硫酸钠
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1~5%。
31.本发明的功能材料，借助纳米颗粒的纳米效应，降低新拌补浆料固体颗粒间溶液粘性，增大固体颗粒表面吸附层厚度，减小摩阻力，从而降低粘性，提供通过性。
32.另外，功能材料中含有碳酸钙、氧化铝、硫酸钠、石膏等适量的无机盐，加水搅拌后，这些无机盐溶解后的离子在新拌补浆料中具有一定的润滑作用；但溶液中不仅有无机盐溶解后的阴阳离子，还有聚羧酸减水剂这类的有机分子，无机盐离子对有机分子作用不同，不同无机盐间也存在相互作用，且过量的无机盐会严重影响浆料强度，因此需要从微观角度，通过化学理论计算和实验验证，确定无机盐合适的掺量，以达到最佳促进作用，即既不影响聚羧酸减水剂性能和补浆料强度，又能充分发挥无机盐的润滑作用。
33.本发明中，纳米碳酸钙为超微细碳酸钙，粒径小于30nm；纳米氧化铝粒径小于20nm；硫酸钠粒径小于100μm；二水石膏为一级；腐植酸钠纯度95%以上；滑石粉主要成分是含水硅酸镁，细度为1250目；十二烷基硫酸钠活性物含量大于90%。
34.本发明中，复合外加剂包括如下质量百分比的复配原材料：
聚羧酸减水剂
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1.5~7.5%膨胀剂
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90~95%缓凝剂
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0~5%。
35.本发明的复合外加剂中，添加减水剂能够降低用水量，提高补浆料强度。
36.正常水泥基材料硬化后都会收缩，为减小收缩或不收缩，需要通过膨胀剂来调控，膨胀剂用于调控补浆料收缩，但膨胀剂掺多了会延迟膨胀，就会产生膨胀，将结构胀坏。因此，膨胀剂掺量需要通过理论计算和实验验证，确定一个合适的掺量范围，使材料微膨胀，提高对钢筋握裹力，同时又不破坏结构。
37.另外，实际施工时，可能因施工时间较长，需要延长凝结时间；也有可能基于快速修复，需要加快凝结。本发明添加缓凝剂，根据实际施工需要确定合适的添加量，以调控补浆料凝结时间。
38.本发明中，聚羧酸减水剂为固体粉末聚羧酸减水剂，固含量大于98%；膨胀剂为钙矾石型膨胀剂、硫铝酸盐型膨胀剂、氧化钙型膨胀剂、氧化镁型膨胀剂或复合型膨胀剂中的一种或多种；缓凝剂为柠檬酸钠、葡萄糖酸盐、硼酸钠中的一种或多种。
39.实施例一水泥30%，矿物掺合料12%，细骨料35%，功能材料1.8%，复合外加剂4.2%，拌合水17%。其中，水泥为p
×
o52.5普通硅酸盐水泥，矿物掺合料中，粉煤灰55%、玻璃微珠25%、硅灰20%，硅灰为sf90级，功能材料中，纳米碳酸钙5%、纳米氧化铝15%、硫酸钠55%、二水石膏3%、腐植酸钠12%、滑石粉6%、十二烷基硫酸钠4%，复合外加剂中，聚羧酸减水剂2%、膨胀剂92.5%、缓凝剂5%。制备方法：按原材料比例称量各材料；将复合外加剂、功能材料与矿物掺合料放入拌合仓内，搅拌2分钟；向搅拌仓中加入水泥、细骨料，搅拌3分钟；形成低粘度水泥基补浆料干混料，采用袋装打包运输；在施工现场按比例称量干混料和拌合水，搅拌2分钟即可制得低粘度水泥基补浆料。
40.实施例二水泥35%，矿物掺合料11%，细骨料31%，功能材料1.4%，复合外加剂6.6%，拌合水17%。其中，水泥为p
×
o52.5r早强型普通硅酸盐水泥，矿物掺合料中，粉煤灰65%、玻璃微珠20%、硅灰15%，硅灰为sf93级，功能材料中，纳米碳酸钙10%、纳米氧化铝10%、硫酸钠65%、二水石膏3.5%、腐植酸钠6.5%、滑石粉3%、十二烷基硫酸钠2%，复合外加剂中，聚羧酸减水剂3.5%、膨胀剂94.2%、缓凝剂2%；将复合外加剂、功能材料与矿物掺合料放入拌合仓内，搅拌2分钟；向搅拌仓中加入水泥、细骨料，搅拌3分钟；形成低粘度水泥基补浆料干混料，采用袋装打包运输；在施工现场按比例称量干混料和拌合水，搅拌3分钟即可制得低粘度水泥基补浆料。
41.实施例三水泥40%，矿物掺合料10%，细骨料25%，功能材料2%，复合外加剂8%，拌合水15%。其中，水泥为p
×
ii52.5早强型普通硅酸盐水泥，矿物掺合料中，粉煤灰65%、玻璃微珠20%、硅灰15%，硅灰为sf95级，功能材料中，纳米碳酸钙15%、纳米氧化铝10%、硫酸钠45%、二水石膏3.5%、腐植酸钠6.5%、滑石粉15%、十二烷基硫酸钠5%，复合外加剂中，聚羧酸减水剂4.5%、膨胀剂95%、缓凝剂0.5%。制备方法：按原材料比例称量各材料；将复合外加剂、功能材料与矿物掺合料放入拌合仓内，搅拌2分钟；向搅拌仓中加入水泥、细骨料，搅拌3分钟；形成低粘度
水泥基补浆料干混料，采用袋装打包运输；在施工现场按比例称量干混料和拌合水，搅拌3分钟即可制得低粘度水泥基补浆料。
42.按《水泥基灌浆材料应用技术规范》（gb/t 50488
‑
2015）对上述各实施例的低粘度水泥基补浆料进行检测，所有实施例的各项性能指标如下表1所示。
43.表1 低粘度水泥基补浆料性能指标从上表1中可以看出，本发明提出的低粘度水泥基补浆料满足1d强度大于30mpa，28d强度达到100mpa~125mpa；3h竖向膨胀率0.5~3.5%，且24h与3h竖向膨胀率差值小于0.05%。
44.更重要的是，由表1可见，本发明的补浆料初始流动度不低于330mm，30min流动度不低于310mm，初始粘度仅22~31mpa
•
s，30min粘度在25~43mpa
•
s，而水的粘度约为1mpa
•
s，普通水泥净浆粘度约400
‑
900mpa
•
s，流动度表征材料能不能流得动，粘度可表现材料流得快慢，且强度越高，粘度越大，现有技术中的补浆料，达到本发明补浆料强度的，其粘度远大于本发明的粘度，在3mm超细管中流动地特别慢，极易发生管道堵塞；若粘度与本发明的粘度可比拟，其强度又不及本发明的强度。
45.综上可见，本发明特殊配置的低粘度水泥基补浆料具有低粘度高流动性和高通过性。一般补浆时，补浆压力大或者粘度大，排不出里面的空气，本发明补浆料粘度低，通过自重即可补浆，能在补浆过程中排出空气，减少由于粘度过大造成的“堵气”现象，提高饱满度。同时，补浆过程中能够排出里面的空气，就能够推算出空隙体积，进而掌握一共补了多少浆，实现了定量补浆。本发明尤其适用于管径在3mm以下的超细输送管进行补浆作业，实现了狭小空间二次灌浆、排气同步的可能性，填补了对灌浆料补浆的空白。本发明满足微小孔洞和微细裂纹的修补修复需求；同时在满足低粘度的前提下又能够提供超早强和超高强的性能，满足建筑结构修复的强度要求，适合工程推广使用。
46.本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
47.以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。