1.本发明涉及深海灌浆领域，具体涉及一种深海混凝土缺陷修补的灌浆材料及其制备方法和灌浆方法。


背景技术：

2.随着海洋资源的开发应用，水下工程建设也越来越多，深海混凝土建筑由于海水冲刷和侵蚀等会产生大量缺陷，混凝土的缺陷会损害混凝土的强度，影响混凝土的耐久性，严重的甚至会造成重大经济损失和产生安全隐患，因此水下混凝土的修补就显得尤为重要。
3.目前，应用较为广泛的修补方法就是灌浆处理法。但与普通水泥基灌浆处理法相比，深海操作环境恶劣，不仅需要考虑灌浆材料在水下分散性，而且深海中巨大的水压力不可忽视，灌浆材料灌浆难度大，对灌浆材料的要求也更为严格。水下灌浆材料应当有较好的抗渗、耐磨和抗离子侵蚀能力，由于水下混凝土不可避免会在表面吸附大量水分子，因此灌浆材料还应具有一定亲水性。另外，深海灌浆人工操作复杂且危险，效率低，目前正在向智能化方向发展。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种深海混凝土缺陷修补的灌浆材料及其制备方法和灌浆方法，改善目前水下灌浆材料强度和耐久性不足，修补材料易脱落和深海灌浆工艺复杂难操作等技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种深海混凝土缺陷修补的灌浆材料，包括以下重量份数的原料：
6.50份抗侵蚀水泥、86～116份海砂、0～30份珊瑚砂、15份硅灰、5份石膏、20～25份钢纤维、5～15份聚乙烯醇微纤维、1份絮凝剂、1份膨胀剂和2份减水剂。
7.优选地，所述抗侵蚀水泥为p.o52.5水泥加掺量为1-3％的纳米二氧化硅；所述海砂的粒径小于2.5mm。
8.优选地，所述硅灰中sio2含量≥95％，火山灰活性指数≥95％，比表面积不小于20000m2/kg，烧失量≤5％。所述硅灰为从脱硅锆厂收集到的烟道灰加工形成的具有火山灰性质无定形超细活性硅灰，可明显改善灌浆材料的力学性能、抗渗、耐侵蚀和耐磨性。
9.优选地，所述絮凝剂为聚丙烯类阴离子型有机高分子絮凝剂，其分子链很长，表面带有大量活性官能团，和水泥砂浆中的微粒相互吸引排斥，絮凝剂分子起连接作用，形成稳定的絮状结构，在水下不易分散。
10.所述膨胀剂为钙质膨胀剂cma，淡黄色粉末，耐久性良好，膨胀性能稳定，水中限制膨胀率28d≤0.08％，掺量为8～12％，加入砂浆在水化过程中产生的限制性膨胀有利于加强和混凝土基体的粘结。
11.优选地，所述钢纤维为表面涂覆有二氧化铈修饰氧化石墨烯-纳米二氧化硅/环氧
防腐涂层的平直型钢纤维，纤维长度为5mm，纤维直径为0.1～0.3mm；二氧化铈修饰氧化石墨烯-纳米二氧化硅/环氧防腐涂层，按组份包括二氧化铈1～4份、氧化石墨烯1～6份、纳米二氧化硅2～10份，环氧树脂80～96份，用水热合成法或化学气象沉积法制备二氧化铈修饰氧化石墨烯，与纳米二氧化硅共同掺入环氧树脂，制备得到二氧化铈修饰氧化石墨烯-纳米二氧化硅/环氧防腐涂层。
12.优选地，所述聚乙烯醇微纤维是从废旧轮胎再加工得到的水溶性有机高分子：将破碎的轮胎块浸入氯化锌/氯化钾溶液中，在800℃的高温下热解，得到烯烃类聚合物，再将其置于碱性体系中水解：采用4wt％～10wt％的naoh的水溶液，在200℃、1.5mpa～2.0mpa下反应4h，在-15℃下冷冻干燥可回收得到聚乙烯醇，将产物通过湿法纺丝得到聚乙烯醇微纤维。
13.所述聚乙烯醇微纤维长径比大，耐磨、抗侵蚀性能好，且与水泥砂浆粘结性好，易于分散。将其加入灌浆材料中一方面减轻了废旧轮胎对环境造成的压力，是一种生态友好型增强体，另一方面减少原造纤维的生产，节约资源。
14.所述的珊瑚砂的使用有效的控制混凝土的ph值，珊瑚砂不断释放碱金属离子，使混凝土内部碱度稳定，一定程度上保护了掺入的钢纤维。
15.所述的水泥基材料仅使用海砂、珊瑚砂，并采用粒度较小的硅灰作为掺合料，不加入石子等粗骨料，使材料内部缺陷减到最少，混凝土的抗渗、抗冻、力学性能和耐久性能显著提高，在产生二次裂缝时，还能达到自修复的目的。
16.本发明还提供上述的深海混凝土缺陷修补的灌浆材料的制备方法，包括：将聚乙烯醇微纤维超声分散后，按上述重量份配置抗侵蚀水泥、海砂、珊瑚砂、硅灰、石膏、钢纤维、聚乙烯醇微纤维加入到强制式搅拌机中搅拌均匀，再加入水搅拌，最后加入絮凝剂、膨胀剂、减水剂搅拌均匀，制得深海混凝土缺陷修补的灌浆材料。
17.本发明还提供一种深海混凝土缺陷灌浆方法，包括：
18.将上述制备得到的灌浆材料装入水下机器人浆料储存室；水下机器人配备有超声检测设备，用于储存灌浆材料储存室，机械手臂上有用于清理缺陷表面的刷子，用于阻隔海水的球状空腔，空腔内侧有用于输送灌浆材料的灌浆管，空腔外侧连接有用于封堵的玻璃板；
19.采用地面控制系统控制水下机器人潜入海水中，并通过摄像头反馈的海底图像实时监控水下机器人的位置；
20.机器人到达定位点，先开启超声装置进行混凝土缺陷检测，再进行定位；
21.机械手操纵刷子对缺陷表面进行清理去除表面杂质；
22.将连接在机械手上的半球状空腔扣于缺陷处挡住水流，将灌浆材料通过金属管与空腔内的灌浆管相连，空腔随缺陷形状不同带动灌浆管移动，在移动同时，已经完成修补部分用阻隔板进行封堵。
23.水下灌浆操作由水下机器人基于地面控制系统自动式进行，水下机器人的定位，混凝土缺陷的检测和修复过程以及灌浆结果反馈由电脑程序进行观察控制。
24.优选地，所述水下机器人的外形采用仿生鱼类的流线型，且在其外壳涂敷上聚酰亚胺泡沫材料，聚酰亚胺泡沫材料可减小水下机器人在水下移动受到的阻力，聚酰亚胺的多孔结构还可以起到隔热保温的作用，减少水下温度对灌浆材料的影响。
25.用于阻隔海水的半球状空腔内侧有用于将灌浆材料直接涂覆在缺陷表面的灌浆管，阻隔海水和灌浆同时进行，解决灌浆过程可能出现的灌浆料浪费和污染。
26.优选地，所述半球状空腔和封堵板的材质为玻璃，以便水下机器人通过摄像机将灌浆操作情况实时传递到地面，保证灌浆的质量，且机械手臂和空腔皆可拆卸。
27.本发明所达到的有益效果：
28.(1)钢纤维和聚乙烯醇微纤维的掺杂作用，由废旧轮胎等再加工得到的聚乙烯醇微纤维长度更短，长径比更大，和钢纤维混杂添加，更小的聚乙烯醇微纤维搭接在钢纤维上，形成更加紧密的增强网络，微纤维的加入有效增加灌浆材料的耐磨性，其再次断裂后的残余载荷能力也有明显提高。钢纤维和聚乙烯醇微纤维的混杂效果不仅提高了砂浆的抗压、抗弯强度，而且对砂浆的耐磨性能和裂后残余载荷能力有显著改善，另外，废旧轮胎的再生利用得到的聚乙烯醇微纤维虽然对强度的贡献比较有限，但微纤维效应对砂浆耐磨性能有显著改善，而且一定程度上缓解了废弃物不当处置对环境造成的压力，是一种生态友好型增强材料。
29.(2)珊瑚砂代替部分海砂可以很好地保持水泥基材料内部的碱度，防止钢筋锈蚀，增加钢纤维的使用寿命，另外，珊瑚砂不断释放的碱金属离子改善了水泥基材料的力学性能。本发明制备的灌浆材料强度和抗侵蚀、抗冲击和耐磨性能都明显改善，耐久性提高，灌浆部分不易脱落，使用寿命长，可用于南海工程建设中。
30.(3)采用机器人水下灌浆避免了深海恶劣的施工环境，节省人力，提高施工效率，而且将灌浆材料放进水下机器人的储存室中，避免长距离管道运输，高效方便。用于阻隔海水的空腔和阻隔板采用透明玻璃制品以便将灌浆过程实时反馈到地面控制系统。
31.(4)对水下机器人的外形加以改造，减少其在水下运行收到的阻力，也降低了水下温度变化对灌浆料产生的影响。
32.(5)上述灌浆工艺不仅可以用来修补混凝土裂缝缺陷，还可以用来修补蜂窝等缺陷。
附图说明
33.图1为本发明机器人内部构造。
34.图2为本发明机器人机械手上连接的用于封堵的封堵空腔。
35.图示标记的含义：1-连接在机械手上的封堵空腔；2-可伸缩机械手仓；3-工具箱及控制装置；4-浆料输送管；5-浆料储存室；6-封堵空腔入浆管；7-封堵空腔出浆管。
具体实施方式
36.下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
37.实施例1
38.一种深海混凝土缺陷修补的灌浆材料，包括以下重量份的原料：50份抗侵蚀水泥、116份海砂、15份硅灰、5份石膏、25份钢纤维、5份聚乙烯醇微纤维、1份絮凝剂、1份膨胀剂和2份减水剂。
39.一种深海混凝土缺陷修补的灌浆材料的制备方法，包括：将聚乙烯醇微纤维超声
分散后，按上述重量份配置抗侵蚀水泥、海砂、珊瑚砂、硅灰、石膏、钢纤维、聚乙烯醇微纤维加入到强制式搅拌机中搅拌均匀，再加入水搅拌，最后加入絮凝剂、膨胀剂、减水剂搅拌均匀，制得深海混凝土缺陷修补的灌浆材料。
40.浇模24h后待混凝土固结成型后拆除模具，对灌浆料进行一定条件的蒸汽养护，采用箱梁蒸汽法，将其置于80℃的箱梁内养护70h，其中升温和降温速度不得超过10℃/h，测试其耐磨性能。
41.实施例2
42.一种深海混凝土缺陷修补的灌浆材料，包括以下重量份的原料：50份抗侵蚀水泥、96份海砂、20份珊瑚砂、15份硅灰、5份石膏、25份钢纤维、15份聚乙烯醇微纤维、1份絮凝剂、1份膨胀剂和2份减水剂。
43.一种深海混凝土缺陷修补的灌浆材料的制备方法，包括：将聚乙烯醇微纤维超声分散后，按上述重量份配置抗侵蚀水泥、海砂、珊瑚砂、硅灰、石膏、钢纤维、聚乙烯醇微纤维加入到强制式搅拌机中搅拌均匀，再加入水搅拌，最后加入絮凝剂、膨胀剂、减水剂搅拌均匀，制得深海混凝土缺陷修补的灌浆材料。
44.浇模24h后待混凝土固结成型后拆除模具，对灌浆料进行一定条件的蒸汽养护，将其置于80℃的烘箱内养护70h，其中升温和降温速度不得超过10℃/h，测试其耐磨性能。
45.实施例3
46.一种深海混凝土缺陷修补的灌浆材料，包括以下重量份的原料：50份抗侵蚀水泥、86份海砂、30份珊瑚砂、15份硅灰、5份石膏、20份钢纤维、10份聚乙烯醇微纤维、1份絮凝剂、1份膨胀剂和2份减水剂。
47.一种深海混凝土缺陷修补的灌浆材料的制备方法，包括：将聚乙烯醇微纤维超声分散后，按上述重量份配置抗侵蚀水泥、海砂、珊瑚砂、硅灰、石膏、钢纤维、聚乙烯醇微纤维加入到强制式搅拌机中搅拌均匀，再加入水搅拌，最后加入絮凝剂、膨胀剂、减水剂搅拌均匀，制得深海混凝土缺陷修补的灌浆材料。
48.浇模24h后待混凝土固结成型后拆除模具，对灌浆料进行一定条件的蒸汽养护，将其置于80℃的烘箱内养护70h，其中升温和降温速度不得超过10℃/h，测试其耐磨性能。
49.对比例1
50.一种深海混凝土缺陷修补的灌浆材料，包括以下重量份的原料：50份抗侵蚀水泥、116份海砂、15份硅灰、5份石膏、1份絮凝剂、1份膨胀剂和2份减水剂。
51.一种深海混凝土缺陷修补的灌浆材料的制备方法，包括：按上述重量份配置抗侵蚀水泥、海砂、珊瑚砂、硅灰、石膏加入到强制式搅拌机中搅拌均匀，再加入水搅拌，最后加入絮凝剂、膨胀剂、减水剂搅拌均匀，制得深海混凝土缺陷修补的灌浆材料。
52.浇模24h后待混凝土固结成型后拆除模具，对灌浆料进行一定条件的蒸汽养护，采用箱梁蒸汽法，将其置于80℃的箱梁内养护70h，其中升温和降温速度不得超过10℃/h，测试其耐磨性能。
53.各实施例测得耐磨性能列于下表：
54.表1.灌浆料耐磨性能(g/cm2)
55.实施例1实施例2实施例3对比例0.130.1560.1590.05
56.由表1可知，与对比例1相比，实施例1-实施例3制备的灌浆材料的耐磨性能显著提高。钢纤维和聚乙烯醇微纤维的掺杂作用，由废旧轮胎等再加工得到的聚乙烯醇微纤维长度更短，长径比更大，和钢纤维混杂添加，更小的聚乙烯醇微纤维搭接在钢纤维上，形成更加紧密的增强网络，聚乙烯醇微纤维的加入有效增加灌浆材料的耐磨性。
57.实施例4
58.一种深海混凝土缺陷修补的灌浆方法，包括：
59.将制备得到的灌浆材料装入水下机器人浆料储存室5，对需要进行混凝土检测修补的部位进行定位，采用电脑程序控制让机器人潜入海水中，并通过摄像头反馈的海底图像实时监控水下机器人的位置。
60.机器人到达定位点，先开启超声装置进行混凝土缺陷检测，再进行定位。
61.机械手操纵刷子对缺陷表面进行清理去除表面杂质，由于深海海水有一定流速，为防海水将灌浆料冲走，将连接在机械手上的半球状封堵空腔1扣于缺陷处挡住水流，将灌浆料通过浆料输送管4与封堵空腔内的灌浆管相连，封堵空腔1设有入浆管6和出浆管7，封堵空腔1可随缺陷形状不同带动浆料输送管4移动，在移动同时，已经完成修补部分用阻隔板进行封堵。
62.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。