本發(fā)明屬于復合材料領域，尤其涉及一種水下不分散速凝快硬的水泥基復合材料及其制備方法和應用。

背景技術：

隨著社會的不斷發(fā)展，越來越多的水工工程相繼展開。工程使用的傳統(tǒng)混凝土在水下澆筑時，膠凝材料與骨料容易發(fā)生嚴重的離析，產(chǎn)生泌水浮漿現(xiàn)象，甚至被水沖走，導致混凝土強度及耐久性下降，并且對工程周邊水域造成嚴重的污染。因此，在施工時需要盡量避免混凝土與水的接觸，比如采用圍堰排水法、疊袋法、預填集料灌漿法，或者用導管、底開口容器等施工工具進行施工。然而，上述方法雖然可以保證混凝土的質量，但存在工程量大、工期長、造價高、工藝復雜等缺點。

近年來，研究發(fā)現(xiàn)在水下不分散混凝土中加入絮凝劑（具有長鏈結構和高吸附能力的水溶性高分子化合物），可以將混凝土中的膠凝材料與骨料吸附在一起，從而提高凝聚力，避免膠凝材料的流失，保證混凝土強度。目前，應用最廣泛的兩種絮凝劑，分別是水溶性纖維素醚類（scr）和水溶性丙烯酸類聚合物（uwb）。因絮凝劑的加入，水下不分散混凝土的很多性能指標與普通混凝土相比也會發(fā)生了改變，例如初凝時間會相對延遲等。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，摻入等量scr的水下不分散混凝土與普通混凝土相比，初凝時間會延遲1-3h；加入等量uwb的水下不分散混凝土與普通混凝土相比，初凝時間會延遲6h；并且初凝時間會隨著絮凝劑添加量的增加而延長。如果遇到需要混凝土快速凝結的工程，例如橋墩或水庫大壩經(jīng)常會出現(xiàn)裂縫、沖坑、蜂窩，或是海上修補作業(yè)時遇到較大波浪等情況，則需要能夠快速凝結并且快速提高強度的材料，上述方法就不再適用；如2013年青島百年標志性建筑棧橋被一場臺風襲擊后，橋面出現(xiàn)大面積坍塌，而維修隊為了修補則將坍塌的棧橋徹底挖斷，造成文物的損壞，棧橋坍塌的原因主要是混凝土橋墩長期受到海水的浸泡，在海水的沖刷下產(chǎn)生破損，海水中的氯離子滲透進橋墩銹蝕鋼筋，又未對破損部位及時修補，最后在臺風的強大作用力之下發(fā)生徹底的破壞，倘若能夠及時對橋墩進行應急修補則不會發(fā)生棧橋坍塌事件。

綜上所述，研制一種能夠在緊急條件下，滿足水利工程修補水泥建筑需求的復合材料，顯得尤為重要。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供一種水下不分散速凝快硬的水泥基復合材料及其制備方法和應用，該材料可以用于水利工程中的水泥建筑的快速修補，修補材料可以迅速凝結，并可以保證初期強度。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的水下不分散速凝快硬的水泥基復合材料，是由以下重量百分比的原料組成：硅酸鹽水泥32%-34%，鋁酸鈣8.8%-9%，氧化鎂5%-7%，三氧化硫0.5%-2%，聚羧酸高性能減水劑0.2%-0.3%，絮凝劑0.3%-0.7%，速凝劑0.05%-0.2%，引氣劑0.05%-0.2%，阻銹劑0.05%-0.3%，細骨料26%-31%，粗骨料13%-18%，水8.4%-8.5%。

所述的硅酸鹽水泥優(yōu)選為普通硅酸鹽42.5r水泥。

所述的絮凝劑為丙烯酸類絮凝劑，優(yōu)選為uwb-ⅱ。

所述的速凝劑可選用碳酸鋰、硅酸鈉或鋁酸鉀，優(yōu)選為碳酸鋰。

所述的引氣劑可選用木質素磺酸鈣或烷基苯酸，優(yōu)選為jm2000新型混凝土引氣劑。

所述的阻銹劑可選用亞硝酸鹽類、氨基醇或氨基羧酸類阻銹劑，本材料優(yōu)選為亞硝酸鈣。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種該水泥基復合材料的制備方法，具體如下，按原料所需配比依次稱取鋁酸鈣、硅酸鹽水泥、氧化鎂、三氧化硫、聚羧酸高性能減水劑、速凝劑、絮凝劑、引氣劑、阻銹劑、細骨料及粗骨料，置于攪拌筒內(nèi)，勻速攪拌5-10分鐘，待材料攪拌均勻后，將所需配比重量的水緩慢加入到攪拌筒內(nèi)，持續(xù)攪拌1-2分鐘，直至材料均勻黏稠為止。

本發(fā)明的有益效果。

本發(fā)明所用的鋁酸鈣水化反應迅速并釋放大量水化熱使的早期強度提高迅速，且在水化過程中生成氫氧化鋁凝膠在混凝土顆粒表面形成保護膜，使得混凝土結構致密，具有很強的抗硫酸鹽侵蝕性能，因此非常適合水下混凝土建筑的搶修工程；本發(fā)明的水泥基復合材料性能優(yōu)越，各原料之間相互作用，采用優(yōu)選的al2o3含量大于53%,cao含量為29%-31%的優(yōu)質鋁酸鈣，其與普硅發(fā)生反應可以使材料初凝時間短，并提高材料的初期強度；三氧化硫與水反應可以放出大量水化熱，促進材料早期反應，提高材料凝結速度；氧化鎂水化反應生成氫氧化鎂引起材料體積膨脹，提高材料強度及抗裂性能；普通硅酸鹽42.5r水泥，作為膠凝材料供應量充足，方便購買，具有強度高、水化熱大水化反應速度快等特點；絮凝劑摻入新拌混凝土中，可以保證混凝土在水中澆筑過程中具有抑制水泥流失和骨料離析的特性，通過添加丙烯酸類絮凝劑，其中的水溶性高分子化合具有很強的吸附能力可以將水泥顆粒集料吸附在一起，更有效的提高混凝土抗離析抗水洗能力；減水劑可以保證在混凝土和易性及水泥用量不變的條件下，減少拌合用水量提高混凝土強度，可在和易性及強度不變的條件下，節(jié)約水泥用量，聚羧酸高性能減水劑可以硬化水泥漿體的孔結構，延緩鋁酸鈣產(chǎn)生的水化物進一步轉化成介穩(wěn)相水化產(chǎn)物（cah10c2ah8），進而保證材料的后續(xù)強度；速凝劑，作為外加劑可以加速水泥的水化硬化，在短時間內(nèi)形成足夠強度，滿足施工需求；速凝劑則可以是材料在極短時間內(nèi)形成漿體并凝聚成晶體結構，增加其初始結構強度；粗骨料的性能指標對混凝土強度起著重要作用，本發(fā)明采用具有連續(xù)級配，骨料粒徑在5-30mm之間的碎石；細骨料采用連續(xù)級配骨料粒徑在1-3mm中砂；引氣劑提高混凝土流動性改善泵送性能、減少混凝土泌水離析、提高混凝土抗凍性抗?jié)B性及耐久性；阻銹劑可以有效抑制延緩混凝土中鋼筋被氯鹽銹蝕。

本發(fā)明的水泥基復合材料在滿足水下不分散的情況下，與普通水下不分散混凝土初凝時間需要幾小時相比，本發(fā)明在空氣中的初凝時間為六分鐘，水下為七分鐘，初凝時間短。并且早期強度可以達到兩小時15mpa，24小時30mpa。在快速修補工程中，目前被廣泛應用的普通水下不分散混凝土需要大量的時間進行初凝并且上強度速度緩慢，無法滿足工程要求，甚至會延誤施工時間，發(fā)生較大險情；而本材料所具有的快凝早強的特點，則可以完美解決這一需求。這是目前國內(nèi)所有水下不分散材料都無法做到的。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

實施例1。

一種水下不分散速凝快硬修補水泥基復合材料及其制備方法，所采用的材料包括鋁酸鈣、普通硅酸鹽水泥、氧化鎂、三氧化硫、高效減水劑、速凝劑碳酸鋰、jm2000新型混凝土引氣劑、亞硝酸鈣、丙烯酸類絮凝劑、細骨料、粗骨料、水。

其各種材料的配比及制備方法如下。

先按配比將8.8%鋁酸鈣，32%的普通硅酸鹽42.5r水泥，5%的氧化鎂，1.2%的三氧化硫，0.3%的聚羧酸高性能減水劑，0.2%的碳酸鋰，0.7%的丙烯酸類絮凝劑uwb-ⅱ，0.2%jm2000新型混凝土引氣劑，0.3%亞硝酸鈣，26%的細骨料，16.8%的粗骨料；稱量好加入攪拌筒內(nèi)，開動攪拌機將材料攪拌均勻；然后把8.5%的水緩慢加入攪拌筒中，待水全部加入后持續(xù)攪拌；直至材料均勻黏稠為止。

一、實施例1中水泥基復合材料的測試結果。

1.凝結時間。

實驗儀器采用gb1346《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢測方法》中所規(guī)定的儀器及器具；將按配比制出的材料立即倒入圓模，分為兩組，振動數(shù)次并刮去多余稠漿，抹干后，一個置于空氣中，一個置于水下；最終測定空氣中材料初凝時間為6分鐘，水下初凝時間為7分鐘。

2.抗壓強度。

將水下不分散水泥基復合材料按比例共計2000g倒入攪拌筒內(nèi)，加入固定比例的水，攪拌均勻后立即倒入4×4×16cm3試模中，用搗棒夯實20次，并將試模在地面振動2-3分鐘，同時用抹子抹去表面溢出的多余材料，將同一試模中的三個試件條編號，標記齡期等。兩小時后測定材料抗壓強度，取三個試件的平均值，最終測得強度為15mpa。

3.實施例1性能檢測結果，見表1。

表1實施例1水泥基復合材料的性能檢測結果。

二、本發(fā)明水泥基復合材料的使用方法-導管法。

1.準備工作：檢查制備的水泥基材料材料的均勻性，流動性，應無明顯泌水離析現(xiàn)象，塌落度控制在180-220mm之間；計算導管作用半徑，將導管進行詳細布置。

2.直升導管法澆筑：采用密封性能較強的導管，頂部安裝漏斗并系牢，導管底部用隔水塞塞住，隔水塞用鐵絲吊?。粷仓_始前，將水中導管注滿塌落度良好的水泥基復合機材料，確保打開漏斗后沖出的材料足以將導管底端封住，使水不能進入導管；滿足要求后，將鐵絲剪斷，開始進行澆筑。

在澆筑過程中，應保持裝料漏斗時刻加滿材料，并進行連續(xù)澆筑，連續(xù)澆筑可以保證導管內(nèi)時刻充滿材料，且導管下端口必須保證進入澆筑材料內(nèi)深度不小于1m，防止水流向上逆流現(xiàn)象的出現(xiàn)。

澆筑過程中導管盡量不要水平移動，一邊澆筑一邊將導管緩緩提起，直至澆筑完成。

實施例2。

水下不分散速凝快硬的水泥基復合材料，是由以下重量百分比的原料組成：硅酸鹽水泥32.5%，鋁酸鈣9%，氧化鎂5%，三氧化硫0.5%，聚羧酸高性能減水劑0.2%，丙烯酸類絮凝劑uwb-ⅱ0.3%，碳酸鋰0.15%，jm2000新型混凝土引氣劑0.05%，亞硝酸鈣0.3%，細骨料28.5%，粗骨料15%，水8.5%。

對比例1。

8.8%粉煤灰，32%的普通硅酸鹽42.5r水泥，5%的氧化鎂，0.3%的聚羧酸高性能減水劑，0.2%的碳酸鋰，0.7%的丙烯酸類絮凝劑uwb-ⅱ，0.2%jm2000新型混凝土引氣劑，0.3%亞硝酸鈣，27%的細骨料，17%的粗骨料，8.5%的水。

經(jīng)測試該材料將實施例1中的鋁酸鈣替換為普通水下混凝土常用粉煤灰，且不添加三氧化硫，初凝時間為8h，終凝時間為24h，1d強度為8.3mpa。

對比例2。

8.8%鋁酸鈣，32%的普通硅酸鹽42.5r水泥，5%的氧化鎂，1.2%的三氧化硫，0.2%的碳酸鋰，0.7%的丙烯酸類絮凝劑uwb-ⅱ，0.2%jm2000新型混凝土引氣劑，0.3%亞硝酸鈣，26%的細骨料，16.8%的粗骨料，8.8%的水。

經(jīng)測試該材料不添加減水劑的情況下，28d強度為42.8mpa。