一种高韧性抗裂灌浆水泥砂浆及其制备方法 |
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| 申请号 | CN201511010951.8 | 申请日 | 2015-12-30 | 公开(公告)号 | CN105621990A | 公开(公告)日 | 2016-06-01 |
| 申请人 | 福建江夏学院; | 发明人 | 蒋国平; 肖三霞; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于 水 泥 砂浆 的制备领域，具体涉及一种高韧性灌浆 水泥 砂浆及其制备方法。该砂浆包括以下组分：水泥80-100份、50～200目细沙120-180份、水20-50份、聚 氨 酯溶液5-10份、环 氧 树脂 乳液5-10份、增韧 复合材料 10-15份、早强剂1.5-6份、甲基 丙烯酸 2-9份、 甲酸 钙 2-6份、新戊二醇2-8份、十二烷基苯磺酸钠0.2-0.8份、 减水剂 0.9-2.4份。通过在水泥砂浆中添加增韧复合材料，赋予 混凝土 整体具有良好的韧性、各向同性和抗疲劳性，更加有利于灌浆沙浆的抗裂性，增加韧性，减少工程后期维护 费用 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高韧性抗裂灌浆水泥砂浆，其特征在于：按重量份计，包括以下组分：水泥80- |
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| 说明书全文 | 一种高韧性抗裂灌浆水泥砂浆及其制备方法技术领域背景技术[0002] 普通砂浆因拉压比低，干缩变形大，抗渗性、抗裂性、耐腐蚀性差，密度大，其使用范围受到很大的限制。随着工业的发展，要进一步提砂浆的性能，就要改进胶结材料的性能，因此出现了聚合物砂浆。利用聚合物对水泥砂浆进行改性使之在保持水泥原有的无机材料抗压强度、抗折强度、耐老化的优点时，增加了有机材料粘结力大、变形性好、密封性强的特点，从而使水泥砂浆的粘结力、抗冻性和抗渗力都有了较大的提高。目前应用比较多的灌浆水泥砂浆主要有两种：一种是环氧树脂灌浆水泥砂浆，另外一种是聚氨酯灌浆水泥砂浆，然而采用单一的环氧树脂灌浆水泥砂浆其韧性较差，采用单一的聚氨酯灌浆水泥砂浆其强度又不够，确定一种高性能的灌浆水泥砂浆是建筑工程迫切需要解决的问题。环氧树脂具有许多优点，如优异的化学稳定性，耐腐蚀性，电器绝缘性以及收缩率低等。然而由于单一环氧树脂固化后交联密度高，呈三维网状结构，存在内应力大，质脆，耐冲击性差，容易开裂等缺点，难以满足混凝土增韧的工程技术要求，使其应用受到一定的限制。 [0003] 长期以来，对环氧树脂进行增韧改性一直是一个重要的研究内容。聚氨酯是一类性能优良的高分子，有高耐冲击强度和优异的耐低温性能，用聚氨酯改性环氧树脂可以使两者优势互补。本发明的混凝土增韧用复合材料，采用增韧效能优异的改性二氧化硅纳米管、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和木粉纤维，通过增溶剂和硅烷偶联剂的表面改性作用将三种增韧材料有效结合，形成一种独特的复合增韧体系，制备出的复合材料能够在混凝土中充分分散，有效发挥材料协同增韧的效果，赋予混凝土整体具有良好的韧性、各向同性和抗疲劳性，是一种高性能混凝土增韧材料，更加有利于灌浆沙浆的抗裂性，增加韧性，减少工程后期维护费用。 发明内容[0004] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高韧性灌浆水泥砂浆及其制备方法。通过在水泥砂浆中添加增韧复合材料，赋予混凝土整体具有良好的韧性、各向同性和抗疲劳性，更加有利于灌浆沙浆的抗裂性，增加韧性，减少工程后期维护费用。 [0005] 为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种高韧性抗裂灌浆水泥砂浆，按重量份计，包括以下组分：水泥80-100份、50～200目细沙120-180份、水20-50份、聚氨酯溶液5-10份、环氧树脂乳液5-10份、增韧复合材料10-15份、早强剂1.5-6份、甲基丙烯酸 2-9份、甲酸钙 2-6份、新戊二醇2-8份、十二烷基苯磺酸钠 0.2-0.8份、减水剂0.9-2.4份；所述的增韧复合材料，按重量份计，原料组成为：改性二氧化硅纳米管1.2-1.8份、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物22-28份、活化木粉纤维46-50份、硅烷偶联剂3.5-5份、增溶剂3.0-3.5份、填料4-6份和水180-220份。 [0006] 所述改性二氧化硅纳米管的制备方法包括以下步骤：（1）在两个相同的5 L尼龙罐中各装入30颗直径为10 mm的不锈钢球和45颗直径为5 mm的不锈钢球，然后分别加入0.9 kg二氧化硅纳米管，再分别滴加90 ml无水乙醇，并用尼龙盖密封；将两个球磨罐对称地放入球磨机中，在转速为400 rpm、且每30分钟自动转换旋转方向的条件下球磨处理48 h； （2）取步骤（1）处理后的二氧化硅纳米管加入到pH为8、20wt%吐温20水溶液中，超声18 h，过滤，用水洗净后，于55-57℃下真空干燥15 h； （3）取步骤（3）处理后的二氧化硅纳米管在40L、35wt%氢氧化钠水溶液中搅拌48小时，过滤，将粉末用纯水洗净后，于58-60℃下真空干燥18 h； （4）取步骤（3）处理后的二氧化硅纳米管在35L、20wt%双氧水中搅拌72小时，过滤，将粉末用纯水洗净后，于50-52℃下真空干燥48 h，得到1.52-1.60kg表面带羟基的二氧化硅纳米管； （5）取步骤（4）制备的表面带羟基的二氧化硅纳米管1.5kg，加入到40L二氯甲烷中，在氮气保护下室温超声处理3h后，加入110ml三氟化硼-乙醚络合物并室温搅拌3h；再在-13~- 15℃和搅拌条件下，缓慢滴加570 ml 3-甲基-3-羟甲基氧杂环丁烷，控制滴加时间为6 h； 滴加完毕后于-11~-13℃继续搅拌1h；然后加入550ml无水甲醇，按5500-6000rpm的转速离心处理20-25min，分离回收溶剂，粉末经无水甲醇洗净并在室温下真空干燥24 h后，得到 1.77-1.86 kg改性二氧化硅纳米管； 步骤（1）所述的二氧化硅纳米管纯度>96%，长度为2-4μm，管径为150-300 nm，比表面积>500 m2/g。 [0007] 所述活化木粉纤维的制备方法为：室温下将木粉纤维45 kg，在136 L 20wt%的氢氧化钠水溶液中搅拌36小时后，过滤，将木粉纤维用水洗至中性；然后，将木粉纤维在90L 18wt% 双氧水溶液中搅拌30小时，过滤并用水洗净；再将木粉纤维加入到pH为8、25wt%吐温 20水溶液中超声3 h、搅拌18小时后过滤，用水洗净后，于60-62℃下真空干燥24 h后待用。 [0008] 所述增韧复合材料的制备方法为：（1）取改性二氧化硅纳米管、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、活化木粉纤维、硅烷偶联剂、增溶剂、填料和水备用； （2）在室温下将硅烷偶联剂加入水中，搅拌至完全溶解，制得改性硅烷偶联剂水溶液； 然后将改性二氧化硅纳米管和活化木粉纤维加入到硅烷偶联剂水溶液中，超声3 h 后，搅拌5 h，再升温至59-61℃搅拌36 h，过滤，将粉末按500 r/min的转速离心处理35 min，再将粉末在53-55℃下真空干燥30小时待用； （3）将填料、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和步骤（2）制好的粉末装入高速混合机中，在350-400r/min转速下分散3-4 h后，升温至105-110℃，再加入增溶剂，在530-600 r/min转速下分散18-22 min后，放入冷混锅中冷却，待温度降到48-50℃时放料，得到初混料； （4）将步骤（3）制备好的初混料置于温度为175-190℃、转速为70-85 r/min 的双螺杆挤出机中混炼1-1.5 h后挤出，得到混炼料； （5）将步骤（4）制备好的混炼料粉碎处理，得到粒度为90-200目的混凝土增韧用复合材料。 [0010] 一种制备如上所述的高韧性抗裂灌浆水泥砂浆的方法，包括以下步骤：（1）将水泥和细沙混合均匀形成干粉料，然后加水搅拌均匀； （2）将早强剂和减水剂依次加入步骤（1）形成的混合物中，搅拌均匀，搅拌时间各为5～ 8分钟； （3）将其它材料同时加入步骤（2）制得的混合物中，快速搅拌均匀，然后通过压力泵泵送到指定工程位置即可。 [0011] 所述的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物的主要指标：密度：1.01 g/cm3；熔体流动速率：5.0 g/10min（200℃，5kg）；洛氏硬度：10；弯曲强度：21MPa；拉伸强度：18 MPa；断裂伸长率：250%；热变形温度：60℃（1.8Mpa，未退火）；所述的木粉纤维的粒径为100-230目； 所述的增溶剂为马来酸酐接枝共聚物，优选美国Kraton SEBS FG 1901X马来酸酐接枝三元共聚物，其主要指标：马来酸酐接枝物：1.5%；密度：0.91 g/ cm3；熔体指数：22g/ 10min；粘度：cps 5000（25℃，25%甲苯溶液）；断裂伸长率：500%； 所述的填料为针状硅灰石，填料的粒径为1-25μm； 所述的偶联剂为美国联碳公司市售的A-171或A-151硅烷偶联剂； 所述的双氧水为市售浓度为40%的过氧化氢水溶液； 所述的吐温20为市售的浅黄色粘稠液体，其主要物化指标：活性物：98-99%；皂化值(KOH mg/g)：40-50；羟值(KOH mg/g)：80-108；HLB值：16.7；酸值(KOHmg/g)：≤1.0；水份(%)：≤1.0。 [0012] 本发明增韧材料增韧的机理在于：本发明的混凝土增韧用复合材料首次采用了改性二氧化硅纳米管。二氧化硅纳米管具有力学性能优异的二维纳米管结构，是一种理想的混凝土增韧材料。由于二氧化硅纳米管比表面能高，比表面积大，容易团聚形成块状聚集体而丧失其优异的力学性能，本发明进一步对二氧化硅纳米管进行化学改性，通过在其表面构筑超支化高分子结构，显著增强纳米管之间的体积排斥作用。这种改性二氧化硅纳米管可以在混凝土体系中充分分散，更好地发挥不同增韧材料的协同效果。同时，本发明的增韧用复合材料采用了成本较低、来源广泛、易于加工且环境友好的木粉纤维。经化学活化处理的木粉纤维分子链中含有大量亲水性强的羟基活性基团，可以与混凝土成型过程中的水化产物，如硅酸钙凝胶、钙矾石和氢氧化钙等物质形成氢键等分子间作用力，从而提高混凝土的微观应力应变性能。 [0013] 本发明的有益效果在于：1）本发明的混凝土增韧用复合材料通过增溶剂和硅烷偶联剂的表面改性作用，首次将增韧效能优异的改性二氧化硅纳米管、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和木粉纤维这三种材料有效结合，形成了一种独特的复合增韧体系，制备出的复合材料可以在混凝土中充分分散，有效发挥材料协同增韧的效果，赋予混凝土整体具有良好的韧性、各向同性和抗疲劳性，是一种高性能混凝土增韧材料； 2）本发明水泥砂浆灌浆后具有很高的强度，可以得到40MPa以上的强度，很好的韧性与抗裂性，减少工程后期维护费用。 具体实施方式[0014] 本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。 [0016] 实施例1一种高韧性抗裂灌浆水泥砂浆，按重量份计，包括以下组分：水泥80份、100目细沙160份、水35份、聚氨酯溶液8份、环氧树脂乳液8份、增韧复合材料15份、早强剂3份、甲基丙烯酸 6份、甲酸钙 4份、新戊二醇5份、十二烷基苯磺酸钠0.5份、减水剂2份；所述的增韧复合材料，按重量份计，原料组成为：改性二氧化硅纳米管1.5份、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物25份、活化木粉纤维48份、硅烷偶联剂4份、增溶剂3.2份、填料5份和水200份。 [0017] 所述改性二氧化硅纳米管的制备方法包括以下步骤：（1）在两个相同的5 L尼龙罐中各装入30颗直径为10 mm的不锈钢球和45颗直径为5 mm的不锈钢球，然后分别加入0.9 kg二氧化硅纳米管，再分别滴加90 ml无水乙醇，并用尼龙盖密封；将两个球磨罐对称地放入球磨机中，在转速为400 rpm、且每30分钟自动转换旋转方向的条件下球磨处理48 h； （2）取步骤（1）处理后的二氧化硅纳米管加入到pH为8、20wt%吐温20水溶液中，超声18 h，过滤，用水洗净后，于56℃下真空干燥15 h； （3）取步骤（3）处理后的二氧化硅纳米管在40L、35wt%氢氧化钠水溶液中搅拌48小时，过滤，将粉末用纯水洗净后，于59℃下真空干燥18 h； （4）取步骤（3）处理后的二氧化硅纳米管在35L、20wt%双氧水中搅拌72小时，过滤，将粉末用纯水洗净后，于51℃下真空干燥48 h，得到1.56kg表面带羟基的二氧化硅纳米管； （5）取步骤（4）制备的表面带羟基的二氧化硅纳米管1.5kg，加入到40L二氯甲烷中，在氮气保护下室温超声处理3h后，加入110ml三氟化硼-乙醚络合物并室温搅拌3h；再在-14℃和搅拌条件下，缓慢滴加570 ml 3-甲基-3-羟甲基氧杂环丁烷，控制滴加时间为6 h；滴加完毕后于-12℃继续搅拌1h；然后加入550ml无水甲醇，按5800rpm的转速离心处理22min，分离回收溶剂，粉末经无水甲醇洗净并在室温下真空干燥24 h后，得到1.80 kg改性二氧化硅纳米管； 所述活化木粉纤维的制备方法为：室温下将木粉纤维45 kg，在136 L 20wt%的氢氧化钠水溶液中搅拌36小时后，过滤，将木粉纤维用水洗至中性；然后，将木粉纤维在90L 18wt% 双氧水溶液中搅拌30小时，过滤并用水洗净；再将木粉纤维加入到pH为8、25wt%吐温20水溶液中超声3 h、搅拌18小时后过滤，用水洗净后，于61℃下真空干燥24 h后待用。 [0018] 所述增韧复合材料的制备方法为：（1）取改性二氧化硅纳米管、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、活化木粉纤维、硅烷偶联剂、增溶剂、填料和水备用； （2）在室温下将硅烷偶联剂加入水中，搅拌至完全溶解，制得改性硅烷偶联剂水溶液； 然后将改性二氧化硅纳米管和活化木粉纤维加入到硅烷偶联剂水溶液中，超声3 h 后，搅拌5 h，再升温至60℃搅拌36 h，过滤，将粉末按500 r/min的转速离心处理35 min，再将粉末在54℃下真空干燥30小时待用； （3）将填料、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和步骤（2）制好的粉末装入高速混合机中，在370r/min转速下分散3.5 h后，升温至108℃，再加入增溶剂，在550 r/min转速下分散 20 min后，放入冷混锅中冷却，待温度降到49℃时放料，得到初混料； （4）将步骤（3）制备好的初混料置于温度为180℃、转速为80 r/min 的双螺杆挤出机中混炼1.2h后挤出，得到混炼料； （5）将步骤（4）制备好的混炼料粉碎处理，得到粒度为100目的混凝土增韧用复合材料。 [0019] 一种制备如上所述的高韧性抗裂灌浆水泥砂浆的方法，包括以下步骤：（1）将水泥和细沙混合均匀形成干粉料，然后加水搅拌均匀； （2）将早强剂和减水剂依次加入步骤（1）形成的混合物中，搅拌均匀，搅拌时间各为7分钟； （3）将其它材料同时加入步骤（2）制得的混合物中，快速搅拌均匀，然后通过压力泵泵送到指定工程位置即可。 [0020] 本实施例测得28天聚氨酯砂的抗压强度、抗折强度、粘结强度和吸水率和收缩率分别是 58.26MPa、19.4MPa、4.3MPa、0.23%和0.27%。 [0021] 实施例2一种高韧性抗裂灌浆水泥砂浆，按重量份计，包括以下组分：水泥80份、200目细沙180份、水20份、聚氨酯溶液10份、环氧树脂乳液5份、增韧复合材料15份、早强剂1.5份、甲基丙烯酸9份、甲酸钙 2份、新戊二醇8份、十二烷基苯磺酸钠0.2份、减水剂2.4份；所述的增韧复合材料，按重量份计，原料组成为：改性二氧化硅纳米管1.2份、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物28份、活化木粉纤维46份、硅烷偶联剂5份、增溶剂3.0份、填料6份和水180份。 [0022] 所述改性二氧化硅纳米管的制备方法包括以下步骤：（1）在两个相同的5 L尼龙罐中各装入30颗直径为10 mm的不锈钢球和45颗直径为5 mm的不锈钢球，然后分别加入0.9 kg二氧化硅纳米管，再分别滴加90 ml无水乙醇，并用尼龙盖密封；将两个球磨罐对称地放入球磨机中，在转速为400 rpm、且每30分钟自动转换旋转方向的条件下球磨处理48 h； （2）取步骤（1）处理后的二氧化硅纳米管加入到pH为8、20wt%吐温20水溶液中，超声18 h，过滤，用水洗净后，于55℃下真空干燥15 h； （3）取步骤（3）处理后的二氧化硅纳米管在40L、35wt%氢氧化钠水溶液中搅拌48小时，过滤，将粉末用纯水洗净后，于58℃下真空干燥18 h； （4）取步骤（3）处理后的二氧化硅纳米管在35L、20wt%双氧水中搅拌72小时，过滤，将粉末用纯水洗净后，于50℃下真空干燥48 h，得到1.60kg表面带羟基的二氧化硅纳米管； （5）取步骤（4）制备的表面带羟基的二氧化硅纳米管1.5kg，加入到40L二氯甲烷中，在氮气保护下室温超声处理3h后，加入110ml三氟化硼-乙醚络合物并室温搅拌3h；再在-13℃和搅拌条件下，缓慢滴加570 ml 3-甲基-3-羟甲基氧杂环丁烷，控制滴加时间为6 h；滴加完毕后于-11℃继续搅拌1h；然后加入550ml无水甲醇，按5500rpm的转速离心处理25min，分离回收溶剂，粉末经无水甲醇洗净并在室温下真空干燥24 h后，得到1.86kg改性二氧化硅纳米管； 所述活化木粉纤维的制备方法为：室温下将木粉纤维45 kg，在136 L 20wt%的氢氧化钠水溶液中搅拌36小时后，过滤，将木粉纤维用水洗至中性；然后，将木粉纤维在90L 18wt% 双氧水溶液中搅拌30小时，过滤并用水洗净；再将木粉纤维加入到pH为8、25wt%吐温20水溶液中超声3 h、搅拌18小时后过滤，用水洗净后，于62℃下真空干燥24 h后待用。 [0023] 所述增韧复合材料的制备方法为：（1）取改性二氧化硅纳米管、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、活化木粉纤维、硅烷偶联剂、增溶剂、填料和水备用； （2）在室温下将硅烷偶联剂加入水中，搅拌至完全溶解，制得改性硅烷偶联剂水溶液； 然后将改性二氧化硅纳米管和活化木粉纤维加入到硅烷偶联剂水溶液中，超声3 h 后，搅拌5 h，再升温至59℃搅拌36 h，过滤，将粉末按500 r/min的转速离心处理35 min，再将粉末在55℃下真空干燥30小时待用； （3）将填料、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和步骤（2）制好的粉末装入高速混合机中，在350r/min转速下分散4 h后，升温至105℃，再加入增溶剂，在530r/min转速下分散22 min后，放入冷混锅中冷却，待温度降到48℃时放料，得到初混料； （4）将步骤（3）制备好的初混料置于温度为175℃、转速为85 r/min 的双螺杆挤出机中混炼1 h后挤出，得到混炼料； （5）将步骤（4）制备好的混炼料粉碎处理，得到粒度为90目的混凝土增韧用复合材料。 [0024] 一种制备如上所述的高韧性抗裂灌浆水泥砂浆的方法，包括以下步骤：（1）将水泥和细沙混合均匀形成干粉料，然后加水搅拌均匀； （2）将早强剂和减水剂依次加入步骤（1）形成的混合物中，搅拌均匀，搅拌时间各为5分钟； （3）将其它材料同时加入步骤（2）制得的混合物中，快速搅拌均匀，然后通过压力泵泵送到指定工程位置即可。 [0025] 本实施例测得28天聚氨酯砂的抗压强度、抗折强度、粘结强度和吸水率和收缩率分别是 59.45MPa、19.8MPa、4.7MPa、0.25%和0.28%。 [0026] 实施例3一种高韧性抗裂灌浆水泥砂浆，按重量份计，包括以下组分：水泥100份、50目细沙120份、水50份、聚氨酯溶液5份、环氧树脂乳液10份、增韧复合材料10份、早强剂6份、甲基丙烯酸 2份、甲酸钙6份、新戊二醇2份、十二烷基苯磺酸钠0.8份、减水剂0.9份；所述的增韧复合材料，按重量份计，原料组成为：改性二氧化硅纳米管1.8份、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物22份、活化木粉纤维50份、硅烷偶联剂3.5份、增溶剂3.5份、填料4份和水220份。 [0027] 所述改性二氧化硅纳米管的制备方法包括以下步骤：（1）在两个相同的5 L尼龙罐中各装入30颗直径为10 mm的不锈钢球和45颗直径为5 mm的不锈钢球，然后分别加入0.9 kg二氧化硅纳米管，再分别滴加90 ml无水乙醇，并用尼龙盖密封；将两个球磨罐对称地放入球磨机中，在转速为400 rpm、且每30分钟自动转换旋转方向的条件下球磨处理48 h； （2）取步骤（1）处理后的二氧化硅纳米管加入到pH为8、20wt%吐温20水溶液中，超声18 h，过滤，用水洗净后，于57℃下真空干燥15 h； （3）取步骤（3）处理后的二氧化硅纳米管在40L、35wt%氢氧化钠水溶液中搅拌48小时， |
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