一种水泥砂浆及其制备方法和应用与流程

本发明属于混凝土及铁路建筑材料领域，具体涉及一种用于无砟轨道铁路轨道板用封端锚固水泥砂浆及其制备方法和应用。

背景技术：

1、板式无砟轨道是我国高速铁路轨道结构的主要结构形式之一，其以预制轨道板为结构核心。预制轨道板主要可分为crtsⅰ型、crtsⅱ型和crtsⅲ型，其中又以crtsⅲ型为主。crtsⅰ型、crtsⅲ型轨道板预应力处理后需要采用封锚砂浆对预应力钢筋所处的锚穴进行封锚作业，以保证轨道板的预应力钢筋结构免于腐蚀。crtsⅲ型轨道板的锚穴直径约为24mm。为了保证轨道板的施工质量和服役性能，各研发单位和公司做出了大量的努力，但现有封锚用砂浆的综合性能还不是很理想。

2、如公开号cn101508547a(公开日2009年8月19日)的中国发明专利申请“一种无砟铁路轨道板用早强快硬封端锚固砂浆材料”中公开的干粉砂浆，是一种由水泥、砂、多孔细砂、磨细钢渣粉、粉煤灰、早强剂、胶粉、硅灰、减水剂和激发剂拌合而成的可手握成团的干硬性的砂浆，施工时逐层向锚穴中填充，通过气锤振捣成型。该砂浆难以同时兼顾砂浆的施工性能与施工效率，严重影响了轨道板的施工效率。而且锚穴内砂浆容易出现填充不密实、易脱落等问题。

3、再如公开号cn104150836a(公开日2014年11月19日)的中国发明专利申请“一种轨道板封锚砂浆及其制备方法”披露了一种可挤出式封锚砂浆，由水泥、粉煤灰、聚合物乳液、细骨料、膨胀剂、引气剂、减水剂、水、消泡剂、流变改性剂、促凝剂和缓凝剂构成。其较好地解决了前期封锚砂浆在crtsⅲ型轨道板制备过程中施工效率低、封锚后表面不美观等问题。但该封锚砂浆收缩率较大，在352-380×10-6之间。锚穴中的封锚砂浆如果体积收缩较大，在高低温、冻融的长时间作用下会导致封锚砂浆与轨道板混凝土之间出现缝隙，外界的腐蚀介质就会进入锚穴内部，造成预应力钢筋腐蚀，从而降低了轨道板的使用寿命。

4、再如公开号cn113816688a(公开日2021年12月21日)的中国发明专利申请“一种封锚砂浆及其制备方法”披露的封锚砂浆含有单组分水固化聚氨酯防水涂料和碳纳米管改性矿物掺合料。该封锚砂浆在相对稳定的环境下具有较好的施工性能，而且一定程度上增强了砂浆的自身防水性。但在实际工程应用过程中，该砂浆的可施工性能受温度影响大，砂浆的拌和性能、施工性能、体积稳定性能等无法实现较好的兼顾。当温度较高时，聚氨酯材料交联反应速度加剧，为了保证砂浆的施工性能，必须增加拌和用水量。而用水量的增大又会导致砂浆硬化后的干缩变大，增大了锚穴中封锚砂浆与轨道板混凝土之间界面裂缝的可能性，不利于轨道板的服役耐久性。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于混凝土轨道板封锚的水泥砂浆。本发明的砂浆具有施工简便，界面粘结性和匹配性好，硬化后干缩小、体积稳定性高，抗抗渗性能、抗冻性能、疲劳性能和耐久性能好等优点。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

3、一种水泥砂浆，包括水和固体原料，所述固体原料和水的质量比为100∶(10-20)；所述固体原料由如下质量份的组分构成：

4、水泥400～600份，细骨料400～600份，改性介孔沸石粉5～45份，阳离子表面活性剂处理的天然沥青粉5～20份，可分散乳胶粉3～15，减水剂0.4～8份，膨胀剂0.3～6份，塑性剂0.1～1.2份，早强剂0.1～1.5份和缓凝剂0.3～10份；

5、其中，所述改性介孔沸石粉通过如下工艺制备：

6、i.将zsm-5沸石研磨成300～400目的粉末，加入0.15～0.25mol/l的氢氧化钠溶液加热处理，过滤，得到碱处理后的zsm-5沸石粉；其中，沸石和氢氧化钠溶液的质量体积为1g∶(25～35)ml；

7、ii.将步骤i得到的碱处理后zsm-5沸石粉与质量百分比浓度30％～45％的mcm-41的凝胶搅拌混合，调ph值至10.0～11.0；

8、iii.继续搅拌均匀后与硅酸盐水溶液、硝酸铝、助剂、氟硅酸盐和模板剂充分搅拌混合均匀后，将所得混合物转入带四氟乙烯衬里的反应釜中，放置在110～170℃的烘箱中晶化反应3～7h；其中，助剂选自尿素、氢氧化钠和酒石酸中的一种或者任意比例的多种；所述模板剂选自十六烷基三甲基溴化铵，聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷嵌段共聚物中的一种或者任意比例的两种；

9、iv.将所得产物用去离子水洗至不含氯离子，干燥、研磨后即得。

10、其中，所述zsm-5是索科尼美孚沸石第5号分子筛(zeolite socony mobil-5，zsm-5)，是一种孔径介于2～50nm之间称为介孔材料。mcm-41是美孚公司的第41号材料(mobilcomposition of matter-41，mcm-41)，是以季铵盐型阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵为模板剂，以沸石溶解液含有的硅铝源为前驱体的一种有序介孔材料，孔径在2-10nm。

11、优选地，所述步骤i中的加热温度为70～80℃。

12、优选地，所述步骤i中的加热处理时间为3～5h。

13、优选地，所述步骤ii中zsm-5沸石与mcm-41的质量比为1∶(1～3)。

14、优选地，所述步骤ii中，用2mol/l的硫酸溶液调节ph值。

15、进一步优选地，所述步骤ii中，ph值调至10.5。

16、优选地，所述步骤iii中，所述硅酸盐溶液为质量百分比浓度25％～40％的硅酸钠溶液或硅酸钾溶液。

17、更优选地，所述硅酸盐溶液浓度为35％～40％。

18、优选地，所述步骤iii中，所述氟硅酸盐为氟硅酸钠或氟硅酸镁。

19、优选地，所述步骤iii中，所述硅酸盐水溶液、硝酸铝、助剂、氟硅酸盐和模板剂与zsm-5沸石粉的质量比为(35～50)∶(10～20)∶(5～10)∶(6～12)∶(2～7)∶300。

20、更优选地，所述硅酸盐水溶液、硝酸铝、助剂、氟硅酸盐和模板剂与zsm-5沸石粉的质量比为(40～45)∶(12～16)∶(6～9)∶(7～11)∶(4～6)∶300。

21、进一步优选地，所述步骤iii中，晶化反应的温度为130～150℃。

22、进一步优选地，所述步骤iii中，晶化反应时间为4～5h。

23、还优选地，所述步骤iv中，干燥温度为400～500℃。

24、还优选地，所述步骤iv中，研磨至全部通过300目筛。

25、作为一个优选的实施方案，本发明提供一种水泥砂浆，固体原料由如下质量份的组分构成

26、水泥450～570份，细骨料430～550份，所述改性介孔沸石粉10～30份，阳离子表面活性剂处理的天然沥青粉8～18份，可分散乳胶粉5～13份，减水剂3～7份，膨胀剂0.3～1.2份，塑性剂0.3～0.8份，早强剂0.2～0.9份和缓凝剂0.5～0.9份。

27、优选地，所述水泥选自硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥的一种或任意比例的多种。

28、更优选地，所述的硫铝酸盐水泥选自42.5级、52.5级硫铝酸盐水泥中的一种或任意比例的多种；所述硅酸盐水泥选自42.5级、52.5级、62.5级硅酸盐水泥中的一种或任意比例的多种。

29、优选地，所述细骨料为连续颗粒级配的40～120目，且含水率不大于0.5％的石英砂、河砂和山砂中的一种或任意比例的多种。

30、优选地，所述阳离子表面活性剂处理的天然沥青粉选自阳离子表面活性剂处理的岩沥青、湖沥青和海底沥青中的一种或任意比例的多种。

31、进一步优选地，所述阳离子表面活性剂处理的天然沥青粉的细度为120目～300目，更优选为200目～300目，软化点140℃以上。

32、优选地，所述阳离子表面活性剂选自胺盐型、季铵盐型阳离子表面活性剂的一种或任意比例的两种。

33、优选地，所述可分散乳胶粉选自醋酸乙烯酯-乙烯共聚胶粉、苯乙烯-丁二烯共聚胶粉和丙烯酸酯-苯乙烯共聚胶粉中的一种或任意比例的多种。

34、优选地，所述减水剂选自氨基羧酸减水剂、聚羧酸减水剂和萘系减水剂中的一种或任意比例的多种。

35、更优选地，所述减水剂是高性能聚羧酸减水剂。

36、优选地，所述膨胀剂选自为塑性膨胀剂、铝粉、uea膨胀组分、csa膨胀组分、氧化钙膨胀组分和氧化镁膨胀组分中的一种或任意比例的多种。

37、优选地，所述塑性剂选自膨润土、羟丙基甲基纤维素醚、卡波姆树脂和改性淀粉的一种或任意比例的多种。

38、更优选地，所述塑性剂选自膨润土、羟丙基甲基纤维素醚和改性淀粉中的一种或任意比例的多种。

39、优选地，所述早强剂选自甲酸钙、三乙醇胺、碳酸锂、硫酸锂和氢氧化锂中的一种或多种。

40、优选地，所述缓凝剂选自葡萄酸钠、硼砂、胺化木质素、柠檬酸钠、硼酸和酒石酸中的一种或任意比例的多种。

41、本发明还有一个目的在于提供上述水泥砂浆的制备方法，包括按照配比将所述固体原料的各组分混合均匀，得到固体原料，然后将所述固体原料与水按照质量百分比混合均匀，即得。

42、所述固体原料的制备，可以在施工现场临时制备，也可以预先制备。显然，预制固体原料更便于施工。

43、优选地，所述固体原料和水混合时，搅拌速度不低于120r/min，搅拌时间不短于60s。

44、本发明的第三个目的在于提供所述水泥砂浆或者通过上述制备方法制备得到的水泥砂浆作为封锚砂浆在封闭混凝土轨道板的锚穴中的应用。

45、本发明根据板式无砟轨道混凝土预制件服役性能以及施工工序衔接要求，通过改性沸石粉，阳离子表面活性剂处理的天然沥青粉，可分散乳胶粉，减水剂，膨胀剂，塑性剂，早强剂，缓凝剂，消泡剂等组分的复配，使得砂浆具有施工简便，界面粘结性和匹配性好，硬化后干缩体积小、稳定性高，抗抗渗性能、抗冻性能、疲劳性能和耐久性能俱佳等优点。

46、具体而言，本发明所述的改性介孔沸石粉是晶化处理的具有纳米与微米复合分子筛结构，其具有如下多重作用：1)晶化后的改性介孔沸石粉自身含有的活性二氧化硅和三氧化二硅，能够与水泥水化产物进一步反应，改善了砂浆拌合物的和易性和硬化后砂浆的密实性，从而起到提高砂浆力学性能和耐久性能的作用；2)改性介孔沸石粉具有的多孔结构，使其具有较大的比表面积和较强的携载能量，不仅能够使物料吸附在其表面，而且还能够将物料吸附到孔穴和通道内，在毛细作用下大大延长了吸附物料的解吸时间；3)改性介孔沸石粉改性过程中，硅酸盐水溶液，硝酸铝，助剂，氟硅酸盐、模板剂等在密闭晶化、干燥等作用下充分地契合在介孔沸石孔道结构内部，在拌和作用下随着沸石粉末均匀的分散在砂浆结构体系内部，通过缓释作用。一方面能够持续长久的降低孔隙结构内部残留液相的表面张力，从而有效的减少固化后的干缩，保持体积稳定性；另一方面吸附在孔隙结构内部的物质能够阻止和延缓预应力锚穴内部钢结构部件的锈蚀，保证了钢筋混凝土预制件的服役性能。

47、阳离子表面活性剂处理的天然沥青粉末对硅酸岩、石英岩等具有强吸附力和良好的抗剥落能力，其附着在水泥水化产物的骨架结构上，能够在一定程度上增强砂浆的弹韧性。这样既减弱了砂浆的温度应力和变形、减少了界面裂纹的产生概率，又改善砂浆的抗震和抗疲劳性能。沥青粉末还能够部分填充在砂浆的孔隙结构中，提高结构体系的致密性，减少了贯通孔结构通道形成几率，进一步改善了砂浆的体积稳定性和抗渗性能。此外，体系添加沥青粉末还辅助起到了调节制得砂浆颜色的作用，使得封锚砂浆与混凝土基体具有较好的一致性。

48、加入可分散胶粉，能够使砂浆浆体具有较高粘结性能，有助于提高砂浆与界面的粘结力。而且砂浆固化与聚合物成膜同步进行，显著提高了砂浆的密实性，进而改善了砂浆的抗渗性和抗冻性能等。不同膨胀剂的复配显著改善了封锚砂浆施工和硬化过程中各个阶段的体积稳定性，28d的砂浆收缩率小于0.01％，有效降低了砂浆与轨道板基体之间的界面应力，从而保证了封锚效果的耐久性。塑性剂与减水剂的配合则在有效地改善砂浆的和易性的同时，增强了砂浆的保塑性，有效地降低了施工难度，提高了工作效率。

49、本说明书中，所述各组分的质量份数，不是实际的质量数，而是表示各组分之间的用量配比。根据实际情况，1质量份可以是任意质量单位的任意质量数，例如1质量份可以是1kg、2kg、10kg、100kg、1吨、1g、2g、10g、20g、50g、250g、500g，等等。