一种适用于严寒环境的混凝土快速修复施工方法

本发明涉及混凝土路面及机场道面的修复施工领域，具体涉及一种适用于严寒环境的混凝土快速修复施工方法。

背景技术：

1、磷酸镁水泥(mpc)的组成材料通常包括重烧氧化镁、酸式磷酸盐和缓凝剂。mpc具有凝结硬化速度快、早期强度高、与普通混凝土粘结性能好等优点，具体表现为：(1)小时强度高，mpc的1h抗压强度可达20mpa以上，1h抗折强度可达3.5mpa以上，可以满足混凝土结构快速加固的要求；(2)养护简单，mpc不需要保湿养护措施，自然养护即可，作为胶黏剂用于加固混凝土结构时无需养护；(3)流动性好，mpc具有良好的填充性能，便于施工操作；(4)与普通混凝土粘结性能好，通过mpc的物理和化学结合双效应作用，使mpc与普通混凝土具有较高的粘结强度。由于具有优异的力学性能和粘结性能，尤其是小时强度高的特性，mpc已经被广泛的用于混凝土道路和机场跑道的快速修复。

2、mpc的应用领域非常广泛，尤其是在混凝土道路和机场跑道的快速修复方面具有显著的优势。除了常温环境，mpc还可以用于负温甚至严寒环境下的混凝土快速修复施工。严寒环境下，mpc修复材料依然可以浇筑施工并获得较高的早期强度，在环境温度–20 ℃时，mpc的2h抗压强度依然可以超过20mpa。因此，在严寒环境下采用mpc修复材料修复机场道面或混凝土路面，可以充分发挥mpc凝结硬化速度快，早期强度高，且无需养护即可保证强度发展，获得良好的长期力学性能。

3、在严寒环境下实施混凝土路面和机场道面的快速修复具有较高的挑战性，尤其是机场道面的快速修复。因为机场道面的快速修复施工窗口期非常短，通常只有4-6 h，且施工质量要求高，如果mpc修复材料与混凝土基层的粘结强度低，将会导致修复体及其与混凝土的界面区域在巨大的冲击荷载作用下开裂甚至破损，导致修复体服役寿命降低。因此，严寒环境下实施机场道面和混凝土路面快速修复，不仅需要提高mpc修复材料的抗压强度，还需要提高mpc修复材料与混凝土的粘结强度。

4、但是混凝土基体在严寒环境下表面温度比气温更低，且通常处于被冻结状态。这样当磷酸镁修复材料浇筑到修补位置之后，待修补的混凝土基体会快速吸收磷酸镁水泥修复材料的水化热，导致界面处的磷酸镁水泥修复材料温度降低，从而影响两者之间的界面粘结强度。此外，由于混凝土基体和磷酸镁修复材料的温差较大，由于温度差异产生的热胀冷缩变形也会导致两者之间的界面粘结强度降低，两者之间存在薄弱界面将会严重影响磷酸镁水泥修复材料与混凝土粘结体的服役性能，缩短修复后路面的使用寿命。

5、现有技术中，为了提高严寒环境下混凝土基体和磷酸镁水泥修复材料之间的界面粘结强度，通常是借鉴增强普通硅酸盐水泥混凝土和磷酸镁修复材料之间界面粘结强度的方式。例如：混凝土凿毛，混凝土切割开槽，在混凝土基层植钢筋或抗剪栓钉，热养护，或者采用环氧树脂等有机胶黏剂作为界面过渡层。此外，即使采用上述增强和养护措施，磷酸镁水泥修复材料浇筑前仍然需要采用柴油喷灯等加热待修补的混凝土基体。例如cn201910591456.2 曾公开的低温环境下机场混凝土道面薄层修补装置及控制评价方法，即是采用修补时对道面进行局部加热的方式提高修补层粘结效果。

6、但是即使采用上述界面处理方式，当环境温度为-20℃时，磷酸镁水泥修复材料和混凝土之间的粘结强度极低，1d龄期的弯曲抗拉粘结强度通常仅为0.2~0.5 mpa，难以满足机场道面和混凝土路面修复施工对修复体早期粘结强度的要求。此外，由于严寒环境下混凝土基层温度低，且机场跑道和混凝土路面的修复施工窗口期很短，采用上述提高磷酸镁水泥修复材料和混凝土基体之间粘结强度的施工方法，将会导致施工效率严重降低，施工周期显著延长，难以满足应急抢修施工的要求。

7、由于现有的混凝土界面处理方式难以显著增强严寒环境下磷酸镁水泥修复材料与混凝土之间的界面粘结强度，严重制约了磷酸镁水泥修复材料在机场道面和混凝土路面快速工程中的应用。因此，如何采用简单的方式显著改善磷酸镁水泥修复材料与混凝土的界面粘结强度是促进磷酸镁水泥修复材料在机场道面和混凝土路面快速修复工程中应用首先需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种能够更好地在严寒环境下改善磷酸镁水泥修复材料与混凝土的界面粘结强度，提高修复效果的适用于严寒环境的混凝土快速修复施工方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、一种适用于严寒环境的混凝土快速修复施工方法，在待修补的混凝土基层清理干净（清理灰尘、渣土和冰粒）之后，在待修补混凝土基层表面涂刷界面剂，然后再浇筑磷酸镁水泥修复材料实现修复，其特征在于，所述界面剂通过相变蓄热功能使磷酸镁水泥修复材料和混凝土基层的界面处温度在早龄期（2~3h）能够保持在0℃以上。

4、这样，本方案中，采用的界面剂通过的相变蓄热功能使修复界面处的温度在早龄期能够保持在0℃以上，以满足界面处磷酸镁水泥修复材料正常凝结硬化所需的局部温度要求，极大地提高严寒环境下磷酸镁水泥修复材料与混凝土的界面粘结强度，提高了修复效果。

5、其中，所述待修补的混凝土基层是指采用普通水泥混凝土为结构材料施工而成的混凝土基层；优选地适用于机场道面或混凝土路面。所述界面是指混凝土基层表面待修复的破损位置和磷酸镁水泥修复材料之间的界面。

6、进一步地，所述界面剂为相变蓄热型磷酸镁界面剂。

7、相变蓄热型磷酸镁界面剂是一种基于相变蓄热材料吸收氧化镁和可溶性磷酸盐的酸碱反应产生的大量热量使使磷酸镁水泥修复材料和混凝土的界面处的温度在早龄期（2~3h）能够保持在0℃以上的界面粘结剂。

8、作为优选，相变蓄热型磷酸镁界面剂是指3h抗压强度大于30mpa、抗弯强度大于5mpa的高性能磷酸镁水泥界面剂。这样可以更好地提高严寒环境下待修复混凝土与磷酸镁水泥修复材料之间的界面粘结强度。

9、进一步地，相变蓄热型磷酸镁界面剂由包括以下质量比例成分的物质得到：重烧氧化镁100份，轻烧氧化镁（5~20）份，可溶性磷酸盐（20~30）份，十水硼砂（1~3）份，海藻酸钠（1~2）份，填料（5~10）份，硅藻土（10~20）份，十二水磷酸氢二钠（5~15）份，三水合醋酸钠（5~15）份，乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（0.5~2）份，羟丙基甲基纤维素醚（0.1~0.5）份，有机硅消泡剂（0.1~0.5）份和拌合水（15~25）份。

10、实施时，在上述配比范围内，可以根据混凝土强度等级以及磷酸镁水泥修复材料与混凝土的粘结强度设计要求来调节重烧氧化镁，轻烧氧化镁，可溶性磷酸盐，十水硼砂，海藻酸钠：填料，硅藻土，十二水磷酸氢二钠，三水合醋酸钠，乙烯-乙酸乙烯酯共聚物，羟丙基甲基纤维素醚，有机硅消泡剂，水的具体质量比，可通过具体试验检验其粘结效果选择更优的具体配比。

11、上述界面剂的组成物质配比的原理如下：相变蓄热磷酸镁界面剂基于重烧氧化镁和可溶性磷酸盐的酸碱反应速度快，主要生成以鸟粪石结晶体（六水磷酸铵镁）为主的产物，从而使界面剂具有较高的早期强度。同时，重烧氧化镁和可溶性磷酸盐的水化反应会释放出大量热量，磷酸镁修复材料的温升可以超过70摄氏度，界面剂中掺加的相变蓄热材料——多孔的硅藻土负载十二水磷酸氢二钠，三水合醋酸钠，可以吸收反应释放出的热量。由于十二水磷酸氢二钠，三水合醋酸钠属于低温相变材料，当水化温升增加或降低到20~40摄氏度范围内时，十二水磷酸氢二钠，三水合醋酸钠通过升温和降温过程中的液固相变延缓混凝土界面处的温度升降，使混凝土界面处的温度在较长时间内保持在0摄氏度以上，保证拌合水不会冻结，从而保证磷酸镁界面剂可以正常凝结硬化，以提高磷酸镁水泥修复材料和混凝土之间的界面粘结强度。采用上述配比的磷酸盐界面剂，具有成分简单，粘结性好，易于制备的特点，同时具有较高的早期强度和良好的体积稳定性，尤其适用于严寒环境下混凝土路面和机场跑道的快速修复施工。

12、作为优选，上述材料配比中，制备相变蓄热磷酸镁界面剂采用的重烧氧化镁比表面积200~300 m2/kg，煅烧温度不低于1700℃，mgo含量不低于85%。重烧氧化镁是界面剂中的碱性组分，上述参数的重烧氧化镁能够具有更好的粘结效果。

13、作为优选，上述材料配比中，可溶性磷酸盐优选采用工业级磷酸二氢钾和/或磷酸二氢钠，纯度不小于98%。这是因为可溶性磷酸盐是磷酸镁界面剂中的酸性组分，上述材料的可溶性磷酸盐遇水后能够快速电离，溶液ph值3~4，呈酸性，产生更好的增强粘结的效果。

14、其次，磷酸镁界面剂中掺加有适量轻烧氧化镁，轻烧氧化镁水化活性高，水化速度快，在mpc凝结硬化初期可以释放大量的热量，有助于显著提高磷酸镁水泥修复材料与混凝土的粘结强度。

15、进一步地，填料优选采用硅灰，硅灰的比表面积应不小于15000 m2/kg。硅灰的作用是改善磷酸镁界面剂流变性能，增强其粘聚性。采用上述参数限定的掺合料可以更好的达成效果。

16、其中，采用了工业级的十水硼砂和海藻酸钠作为缓凝剂。可以更好地调控磷酸镁界面剂的凝结硬化时间。

17、进一步地，作为多孔负载材料的硅藻土，硅藻土比表面积为40000~65000 m2/kg。

18、硅藻土属于多孔无机材料，上述参数的硅藻土，能够利用其吸附性能好的特点，将十二水磷酸氢二钠和三水合醋酸钠吸附进入硅藻土的多孔基体中，使十二水磷酸氢二钠和三水合醋酸钠这两种低温相变材料可以发挥蓄热作用，从而调节混凝土界面处的温度变化。

19、进一步地，十二水合磷酸氢二钠选用工业级，纯度不低于98%。

20、十二水合磷酸氢二钠是典型的无机水合盐相变材料，相变温度适中（35℃左右）、潜热值高（约为256.6kj/kg），在磷酸镁界面剂中可以发挥蓄热与延缓混凝土界面处温度降低的作用。

21、进一步地，三水合醋酸钠选用试剂级，纯度不低于99%。

22、三水合醋酸钠是无机水合盐相变材料，相变温度适中（58℃左右）、潜热值高（约为255kj/kg）。三水合醋酸钠在磷酸镁界面剂中可以发挥蓄热与延缓混凝土界面处温度降低的作用。

23、其中，乙烯-乙酸乙烯酯共聚物和羟丙基甲基纤维素醚主要作为增稠剂作用参与反应。

24、进一步地，所述有机硅消泡剂的主要成分为硅油有机硅。

25、这样可以消除超细粉体搅拌过程中产生的气泡，从而提高磷酸镁界面剂的密实度和粘结强度。

26、进一步地，所述相变蓄热型磷酸镁界面剂的制备和涂刷使用过程包括以下步骤：a将硅藻土、十二水磷酸氢二钠和三水合醋酸钠加入部分水拌合制备硅藻土负载相变蓄热材料；b将重烧氧化镁、轻烧氧化镁、磷酸二氢铵、十水硼砂、海藻酸钠、硅灰、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物和羟丙基甲基纤维素醚搅拌均匀之后加入剩余的水拌合制备磷酸镁粘结剂；c将a步骤和b步骤产物混合制得相变蓄热型磷酸镁界面剂；d涂刷制得的相变蓄热型磷酸镁界面剂。

27、这样采用上述各步骤可以更好地保证严寒环境下混凝土快速修复施工时的界面处理效果。各步骤中，制备硅藻土负载相变蓄热材料需要采用抽真空措施，使使十二水磷酸氢二钠和三水合醋酸钠这两种低温相变材料进入硅藻土的孔隙中，不仅可以调节磷酸镁界面剂的温升变化，也可以增强磷酸镁界面剂的早期力学性能，从而提高磷酸镁水泥修复材料和破损混凝土基体之间的界面粘结强度，同时提高修复后的混凝土基体的服役寿命。

28、优选地，a步骤具体可以为，将硅藻土、十二水磷酸氢二钠和三水合醋酸钠加入部分拌合水后在磁力搅拌器中快速搅拌均匀，磁力搅拌器转速不低于1000 r/min，搅拌时间3~4min，然后放入真空饱水箱中放置24h待用。这样可以提高混合效果。

29、优选地，b步骤具体可以为，将重烧氧化镁、轻烧氧化镁、磷酸二氢铵、十水硼砂、海藻酸钠、硅灰、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、羟丙基甲基纤维素醚搅拌均匀之后加入剩余的水搅拌成浆体，搅拌机转速不低于1600 r/min，搅拌时间2~3min。可以更好地提高混合效果。

30、优选地，c步骤具体可以为，将a步骤和b步骤得到的混合物混合并加入有机硅消泡剂搅拌均匀，形成流动性良好的粘稠浆体。有机硅消泡剂最后加入，有利于更好地消泡。

31、优选地，d步骤具体可以为，将c步骤制得的相变蓄热型磷酸镁界面剂涂刷在待修复的混凝土基体表面，涂刷1遍，涂刷厚度0.5~2mm，相变蓄热型磷酸镁界面剂涂刷完成3分钟后即可进行磷酸镁水泥修复材料的浇筑施工。可以更好地保证相变蓄热型磷酸镁界面剂的涂刷效果和反应效果。

32、本发明中采用相变蓄热型磷酸镁界面剂处理混凝土基体，利用相变蓄热材料吸收磷酸镁水泥水化过程中释放的大量水化热，结合磷酸镁界面剂的酸碱反应，使混凝土基体在浇筑磷酸镁水泥修复材料之前形成粗糙的界面，同时保持界面处的温度在浇筑修复材料后2h内处于0摄氏度以上，从而保证磷酸镁界面剂和磷酸镁水泥修复材料在界面处的正常凝结硬化，从而显著改善磷酸镁水泥修复材料及其与混凝土的界面粘结强度，实现严寒环境下破损混凝土路面和机场道面的快速修复施工，为严寒环境下混凝土路面和机场道面的快速修复施工和有效利用磷酸镁水泥修复材料提供了新的技术途径和技术保障。

33、采用以上技术方案后，本发明的优点在于：（1）利用低温相变蓄热材料吸收磷酸镁水泥水化过程中释放的热量，条件磷酸镁界面剂的温度变化；（2）磷酸镁界面剂凝结硬化速度快，硬化后形成粗糙表面，可以提高混凝土表面粗糙度，从而保证磷酸镁修复材料和混凝土之间的界面粘结强度和抗剪切剥离性能显著提高；（3）简化混凝土基体的表面处理工艺和构造措施，显著提高磷酸镁修复材料和混凝土之间的粘结强度，从而实现严寒环境下混凝土路面和机场道面的快速修复施工。

34、综上所述，本发明操作简单，采用本发明对混凝土表面进行处理，磷酸镁水泥修复材料与混凝土之间的2h弯曲粘结强度就可以达到1.2 mpa以上，从而保证磷酸镁水泥修复材料和混凝土之间均有良好的粘结性能，实现严寒环境下破损混凝土路面或机场道面的快速修复施工。