能用于噴射的超高韌性水泥基復(fù)合材料及其噴射工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了能用于噴射的超高韌性水泥基復(fù)合材料及其噴射工藝，屬于超高韌性水泥基復(fù)合材料噴射【技術(shù)領(lǐng)域】。主要技術(shù)方案是基于流變學(xué)和微觀力學(xué)原理設(shè)計出能用于噴射的超高韌性水泥基復(fù)合材料，通過關(guān)鍵參數(shù)的確定和調(diào)控實(shí)現(xiàn)所述材料的噴射工藝，并實(shí)現(xiàn)待噴射加固的混凝土結(jié)構(gòu)的定量化增強(qiáng)和控裂。本發(fā)明解決了超高韌性水泥基復(fù)合材料噴射和定量化增強(qiáng)控裂問題，所公開的技術(shù)方案具有使用簡單、施工快速連續(xù)、適用性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)材料的最大效率利用等特點(diǎn)，可廣泛用于水利工程、港海工程、交通工程、橋隧工程、地下工程的建設(shè)以及既有結(jié)構(gòu)的修復(fù)加固。
【專利說明】能用于噴射的超高韌性水泥基復(fù)合材料及其噴射工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明專利屬于超高韌性水泥基復(fù)合材料噴射【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 超高韌性水泥基復(fù)合材料（UHTCC)是一種使用短纖維增強(qiáng)，且纖維摻量不超過復(fù) 合材料總體積的2. 5%，硬化后具有顯著應(yīng)變硬化特征，在拉伸荷載下呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)多縫開裂特 征，極限拉應(yīng)變穩(wěn)定達(dá)到3%以上的水泥基材料。該類材料具有的應(yīng)變硬化特征以及裂縫無 害化分散能力，從根本上改變了普通混凝土材料的脆性易裂的特征，實(shí)現(xiàn)了普通纖維混凝 土所不具備的應(yīng)變硬化特征和超高變形控裂能力，可廣泛用于水利工程、港海工程、交通工 程、橋隧工程、地下工程的建設(shè)以及既有結(jié)構(gòu)的修復(fù)加固。
[0003] 隨著工程建設(shè)的發(fā)展，噴射混凝土技術(shù)正日益受到關(guān)注，其具備的免振搗、適用性 強(qiáng)等特點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)特殊條件下的結(jié)構(gòu)快速加固修復(fù)提供了可能。如何實(shí)現(xiàn)一種簡單、快速的 超高韌性水泥基復(fù)合材料的噴射工藝并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的結(jié)構(gòu)定量化增強(qiáng)和控裂，已經(jīng)成 為亟待解決的問題?，F(xiàn)有技術(shù)未能解決的技術(shù)問題可以分為以下幾個方面：1)如何制備滿 足噴射工藝要求的超高韌性水泥基復(fù)合材料，使之具有拌合物狀態(tài)下良好的流變學(xué)性能， 并且噴射硬化后的保持原有的微觀力學(xué)性能；2)如何獲得和調(diào)控噴射工藝的關(guān)鍵參數(shù)，使 得噴射過程中纖維分散好、回彈率低、噴射連續(xù)性好；3)如何解決現(xiàn)有超高韌性水泥基復(fù)合 材料拌合物攪拌時間較長（15~20min以上）的問題，實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速施工；4)如何實(shí)現(xiàn)一種 無需改造噴射機(jī)來另噴速凝劑的噴射工藝；5 )如何使用噴射工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)的定量化增強(qiáng)控 裂，并實(shí)現(xiàn)材料的最大效率利用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明首先所要解決的技術(shù)問題是提供一種能用于噴射的超高韌性水泥基復(fù)合 材料。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案： 能用于噴射的超高韌性水泥基復(fù)合材料，其特征在于所述能用于噴射的超高韌性水 泥基復(fù)合材料的拌合物組成成分包括：普通硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、水、精細(xì)骨料、粉煤 灰、硅灰、偏高嶺土、可再分散乳膠粉、改性膨潤土、羥丙基甲基纖維素、聚羧酸系減水劑和 聚乙烯醇纖維；拌合物的組分質(zhì)量比為普通硅酸鹽水泥：鋁酸鹽水泥：水：精細(xì)骨料：粉煤 灰：硅灰：偏高嶺土 ：可再分散乳膠粉：改性膨潤土：羥丙基甲基纖維素：聚羧酸系減水劑 =(10%?15%):(0·1%?1%):(15%?20%):(10%?15%):(20%?55%) : (0·5%?1· 5%):(1%?2. 5%): (1. 5%?2. 5%): ((λ 02%?0· 15%): (0· 01%?05%): ((λ 05%?0· 2%)，所述精細(xì)骨料的最大粒徑不 大于0· 5mm ;所述聚乙烯醇纖維長度為8~12mm，聚乙烯醇纖維摻量為超高韌性水泥基復(fù)合 材料材料總體積的1. (Γ2. 5%。
[0005] 進(jìn)一步地，所述聚乙烯醇纖維可以從以下兩種中選擇：第一種纖維長度為8mm，直 徑為0. 039mm，抗拉強(qiáng)度為1620MPa，彈性模量為42. 8GPa，極限伸長率為6 %;第二種纖維長 度為12_，直徑為0. 026_，抗拉強(qiáng)度為1560MPa，彈性模量為36. 3GPa，極限伸長率為7 %。
[0006] 本發(fā)明另一個所要解決的技術(shù)問題是提供一種上述材料的噴射工藝。為此，本發(fā) 明采用以下技術(shù)方案： 所述的噴射工藝包括以下步驟： 1) 使用水槍對噴射面的混凝土進(jìn)行沖刷，除去表面混凝土的基體浮漿，使得混凝土粗 骨料露出，保證噴射材料與既有結(jié)構(gòu)的可靠粘結(jié)； 2) 提供能用于噴射的超高韌性水泥基復(fù)合材料新鮮拌合物，所述新鮮拌合物采用以下 步驟制備： 第一步，將普通硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、精細(xì)骨料、粉煤灰、硅灰、偏高嶺土和可再分 散乳膠粉根據(jù)權(quán)利要求1的所述質(zhì)量比加入攪拌機(jī)攪拌均勻，攪拌時間不超過1分鐘； 第二步，將水根據(jù)權(quán)利要求1的所述質(zhì)量比加入第一步的攪拌機(jī)中，攪拌均勻，攪拌時 間不超過1分鐘； 第三步，將改性膨潤土、羥丙基甲基纖維素和聚羧酸系減水劑根據(jù)權(quán)利要求1的所述 質(zhì)量比加入第二步的攪拌機(jī)中，攪拌均勻，攪拌時間不超過1分鐘； 第四步，將聚乙烯醇纖維根據(jù)權(quán)利要求1的體積比加入第三步的攪拌機(jī)中攪拌，攪拌 時間不超過1. 5分鐘，制備得到所述新鮮拌合物；所述拌合物新鮮拌合狀態(tài)下的坍落度為 12(T200mm，初凝時間為45-60min ;所述拌合物噴射硬化后在直接拉伸荷載下具有穩(wěn)態(tài)開 裂和應(yīng)變硬化特征，穩(wěn)態(tài)開裂階段最大裂縫寬度為0. 05~0. 2mm ; 3) 將上述超高韌性水泥基復(fù)合材料新鮮拌合物加入噴射機(jī)并進(jìn)行噴射，所述噴射工藝 為濕法噴射；噴射過程中，為了在保證纖維和材料的均勻分布、避免纖維在噴嘴處阻塞進(jìn)而 影響連續(xù)噴射、控制頂噴和側(cè)噴的回彈率的基礎(chǔ)上同時兼顧施工速度，其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)及 其參數(shù)如下：噴嘴處的拌合物與空氣的混合體積比為1/1〇〇~1/1〇〇〇,所述噴射機(jī)在噴嘴處 施加的空氣壓力為〇· 1、· 5MPa，空氣噴出速率為20(T800L/min，噴射口沿著噴射面受力主 筋方向往返移動，噴嘴距離噴射面50-200mm。
[0007] 所述噴射工藝可以針對既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)增強(qiáng)； 所述超高韌性水泥基復(fù)合材料的噴射厚度（?)滿足所述結(jié)構(gòu)增強(qiáng)需要的最小厚度 (匕），所述結(jié)構(gòu)增強(qiáng)所需要的噴射層最小厚度（G)由下式確定：

【權(quán)利要求】
1. 能用于噴射的超高韌性水泥基復(fù)合材料，其特征在于所述能用于噴射的超高韌性 水泥基復(fù)合材料的拌合物組成成分包括：普通硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、水、精細(xì)骨料、粉煤 灰、硅灰、偏高嶺土、可再分散乳膠粉、改性膨潤土、羥丙基甲基纖維素、聚羧酸系減水劑和 聚乙烯醇纖維；拌合物的組分質(zhì)量比為普通硅酸鹽水泥：鋁酸鹽水泥：水：精細(xì)骨料：粉煤 灰：硅灰：偏高嶺土 ：可再分散乳膠粉：改性膨潤土：羥丙基甲基纖維素：聚羧酸系減水劑 =(10%?15%):(0·1%?1%):(15%?20%):(10%?15%):(20%?55%):(0·5%?1· 5%):(1%?2· 5%): (1. 5%?2. 5%): ((λ 02%?0· 15%): (0· 01%?05%): ((λ 05%?0· 2%)，所述精細(xì)骨料的最大粒徑不 大于0· 5mm ;所述聚乙烯醇纖維長度為8~12mm，聚乙烯醇纖維摻量為超高韌性水泥基復(fù)合 材料材料總體積的1. (Γ2. 5%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能用于噴射的超高韌性水泥基復(fù)合材料，其特征在于所述 聚乙烯醇纖維可以從以下兩種中選擇：第一種纖維長度為8mm，直徑為0.039mm，抗拉強(qiáng) 度為1620MPa，彈性模量為42.8GPa，極限伸長率為6% ;第二種纖維長度為12mm，直徑為 0. 026mm，抗拉強(qiáng)度為1560MPa，彈性模量為36. 3GPa，極限伸長率為7%。
3. 權(quán)利要求1所述的能用于噴射的超高韌性水泥基復(fù)合材料的噴射工藝，其特征是， 所述的噴射工藝包括以下步驟： 1) 使用水槍對噴射面的混凝土進(jìn)行沖刷，除去表面混凝土的基體浮漿，使得混凝土粗 骨料露出； 2) 提供能用于噴射的超高韌性水泥基復(fù)合材料新鮮拌合物，所述新鮮拌合物采用以下 步驟制備： 第一步，將普通硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、精細(xì)骨料、粉煤灰、硅灰、偏高嶺土和可再分 散乳膠粉根據(jù)權(quán)利要求1的所述質(zhì)量比加入攪拌機(jī)攪拌均勻，攪拌時間不超過1分鐘； 第二步，將水根據(jù)權(quán)利要求1的所述質(zhì)量比加入第一步的攪拌機(jī)中，攪拌均勻，攪拌時 間不超過1分鐘； 第三步，將改性膨潤土、羥丙基甲基纖維素和聚羧酸系減水劑根據(jù)權(quán)利要求1的所述 質(zhì)量比加入第二步的攪拌機(jī)中，攪拌均勻，攪拌時間不超過1分鐘； 第四步，將聚乙烯醇纖維根據(jù)權(quán)利要求1的體積比加入第三步的攪拌機(jī)中攪拌，攪拌 時間不超過1. 5分鐘，制備得到所述新鮮拌合物；所述拌合物新鮮拌合狀態(tài)下的坍落度為 12(T200mm，初凝時間為45-60min ;所述拌合物噴射硬化后在直接拉伸荷載下具有穩(wěn)態(tài)開 裂和應(yīng)變硬化特征，穩(wěn)態(tài)開裂階段最大裂縫寬度為0. 05~0. 2mm ; 3) 將上述超高韌性水泥基復(fù)合材料新鮮拌合物加入噴射機(jī)并進(jìn)行噴射，所述噴射工藝 為濕法噴射；噴射時，噴嘴處的拌合物與空氣的混合體積比為1/1〇(Γ?/1〇〇〇,所述噴射機(jī) 在噴嘴處施加的空氣壓力為0. 1?0. 5MPa，空氣噴出速率為20(T800L/min，噴射口沿著噴射 面受力主筋方向往返移動，噴嘴距離噴射面50-200mm。
4. 如權(quán)利要求3的噴射工藝，其特征在于，所述噴射工藝是針對既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 進(jìn)行結(jié)構(gòu)增強(qiáng)； 所述超高韌性水泥基復(fù)合材料的噴射厚度（?)滿足所述結(jié)構(gòu)增強(qiáng)需要的最小厚度 (匕），所述結(jié)構(gòu)增強(qiáng)所需要的噴射層最小厚度（G)由下式確定：
〃是在既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)既有承載力基礎(chǔ)上需要提升的承載力百分比，是所述 拌合物噴射硬化后穩(wěn)態(tài)開裂階段達(dá)到目標(biāo)裂縫寬度（#_)的最大應(yīng)變，συΗ是所述拌合物噴 射硬化后穩(wěn)態(tài)開裂階段的應(yīng)力4是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的寬度，Α是所述既有鋼筋混 凝土結(jié)構(gòu)的高度，《是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受拉區(qū)鋼筋型心到所述既有鋼筋混凝土結(jié) 構(gòu)受拉區(qū)邊緣的距離，是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土抗壓強(qiáng)度，q是所述既有鋼 筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土壓應(yīng)力達(dá)到時所對應(yīng)的壓應(yīng)變，f ?是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 的混凝土極限壓應(yīng)變，/y是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受拉區(qū)鋼筋的屈服應(yīng)力，4是所述既 有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受拉區(qū)鋼筋的截面積之和，#是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗彎極限承載 力。
5. 如權(quán)利要求3的噴射工藝，其特征在于，所述噴射工藝是針對既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 進(jìn)行控裂，所述控裂所需要的噴射層最小厚度（? 2)由下式確定：
〃是在既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)既有承載力基礎(chǔ)上需要提升的承載力百分比，f 是所述 拌合物噴射硬化后穩(wěn)態(tài)開裂階段達(dá)到目標(biāo)裂縫寬度（#_)的最大應(yīng)變，συΗ是所述拌合物噴 射硬化后穩(wěn)態(tài)開裂階段的應(yīng)力4是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的寬度，Α是所述既有鋼筋混 凝土結(jié)構(gòu)的高度，《是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受拉區(qū)鋼筋型心到所述既有鋼筋混凝土結(jié) 構(gòu)受拉區(qū)邊緣的距離，是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土抗壓強(qiáng)度，％是所述既有鋼 筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土壓應(yīng)力達(dá)到時所對應(yīng)的壓應(yīng)變，f ?是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 的混凝土極限壓應(yīng)變，/y是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受拉區(qū)鋼筋的屈服應(yīng)力，4是所述既 有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受拉區(qū)鋼筋的截面積之和，#是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗彎極限承載 力。
6. 如權(quán)利要求3的噴射工藝，其特征在于，所述噴射工藝是針對既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 進(jìn)行控裂和結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，所述結(jié)構(gòu)增強(qiáng)和控裂需要的噴射層最小厚度?滿足? > maxh， t2)； G為結(jié)構(gòu)增強(qiáng)所需要的噴射層最小厚度，由下式確定：
?2為控裂所需要的噴射層最小厚度，由下式確定：
〃是在既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)既有承載力基礎(chǔ)上需要提升的承載力百分比，f 是所述 拌合物噴射硬化后穩(wěn)態(tài)開裂階段達(dá)到目標(biāo)裂縫寬度（#_)的最大應(yīng)變，συΗ是所述拌合物噴 射硬化后穩(wěn)態(tài)開裂階段的應(yīng)力4是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的寬度，Α是所述既有鋼筋混 凝土結(jié)構(gòu)的高度，《是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受拉區(qū)鋼筋型心到所述既有鋼筋混凝土結(jié) 構(gòu)受拉區(qū)邊緣的距離，/。是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土抗壓強(qiáng)度，q是所述既有鋼 筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土壓應(yīng)力達(dá)到時所對應(yīng)的壓應(yīng)變，f ?是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 的混凝土極限壓應(yīng)變，/y是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受拉區(qū)鋼筋的屈服應(yīng)力，4是所述既 有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受拉區(qū)鋼筋的截面積之和，#是所述既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗彎極限承載 力。
7. 如權(quán)利要求3、4、5或6所述的噴射工藝，其特征在于， 在頂噴情況下，當(dāng)所需噴射厚度大于20mm時進(jìn)行分層噴射，每層噴射材料的厚度為 15~20mm ; 在側(cè)面噴情況下，當(dāng)所需噴射厚度大于50mm時進(jìn)行分層噴射，每層噴射材料的厚度為 30?50mm ; 每層的噴射時間間隔為4~12小時，每層施工前用清水沖洗噴射面；在最后一層噴射完 成后對噴射面進(jìn)行抹平。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3、4、5或6所述的噴射工藝，其特征在于，噴射前可以在待噴射面布置 抗剪銷釘及鋼絲網(wǎng)、纖維編織網(wǎng)來提升噴射拌合物與噴射面的抗剪性能、粘結(jié)性能和增強(qiáng) 控裂效果。
【文檔編號】C04B14/04GK104150845SQ201410394916
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月12日
【發(fā)明者】徐世烺, 李慶華, 王激揚(yáng), 周斌, 黃博滔 申請人:杭州固華復(fù)合材料科技有限公司, 浙江大學(xué)