CN106673527A - 一种水泥基无机胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

一种水泥基无机胶凝材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种水泥基无机胶凝材料及其制备方法，其中，按重量份计，包括以下组分：水泥1份、水0.3~0.7份、硅粉0.1~0.3份、高分子聚合物0.1~0.5份、塑化剂0.004~0.01份、减水剂0.002~0.030份和碳纤维丝0.005~0.03份。按照本发明配方，制得的水泥基无机胶凝材料可导电、耐久性好及粘接强度高。该材料作为粘结剂，可以与CFRP布一起制作成适用于ICCP‑SS体系的辅助阳极材料，能够取得保护钢筋的效果。本发明的无机粘结剂具有更好的耐久性，遇水后不易与混凝土产生界面失效等优点。

Description

一种水泥基无机胶凝材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，尤其涉及一种水泥基无机胶凝材料及其制备方法。
背景技术
钢筋混凝土结构是土木工程中最主要的结构形式，其安全性与国民经济健康发展紧密相关。然而，随着使用年限的增加和使用环境的变化，钢筋混凝土结构的劣化和功能失效较为普遍和严重，引起了科研学者对混凝土结构耐久性问题的关注。简而言之，混凝土的耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力。
从材料学的角度来看，钢筋混凝土结构耐久性劣化的最主要原因是内部钢筋的锈蚀。钢筋在混凝土内部的锈蚀机理研究得较为成熟。目前，混凝土自身携带或外部侵入的氯离子被认为是造成钢筋腐蚀问题的最主要原因。抑制钢筋锈蚀的手段很多，例如涂敷防腐层和缓蚀剂等，其中外加电流阴极保护技术已被证明是最有效的方法之一，在某些情况下甚至是唯一的解决方法。外加电流阴极保护技术是基于pH-电位图原理提出来的，认为通过向钢筋施加阴极电流而使钢筋电位落在免蚀区，进而达到保护钢筋的目的。辅助阳极是外加电流阴极保护系统的重要组成部分。
从结构设计的角度来看，混凝土结构耐久性劣化具体表现为构件力学性能的劣化。因此各国学者进行了广泛的研究，利用钢板和纤维增强聚合物（Fiber ReinforcedPolymer，简称FRP）等结构增强和加固材料，提出了增大截面和外部粘贴等多种结构加固技术，并已应用到工程实践。结构加固材料通常通过胶凝材料（如环氧树脂）与混凝土结构共同承担荷载作用，可视为混凝土结构的附加保护层，并在一定程度隔绝外部环境介质对内部结构的侵蚀。但是施工工艺的缺陷和误差、结构服役过程中加固材料的劣化和损耗都会破坏这个保护层，导致混凝土结构的二次腐蚀。更重要的是，结构加固技术无法解决混凝土内部有害元素（如海沙混凝土中的氯化物和硫酸盐等）对钢筋的继续侵蚀。实际工程中已有很多结构不止一次地进行加固，经常出现屡修屡坏的情况。
因此，在工程实践中往往需要同时进行结构加固与阴极保护，以达到标本兼治的结构修复和加固效果。截至目前，大多数工程进行修复时需要独自考虑对结构分别进行加固和保护。这势必给业主造成高昂的经济负担。针对目前这两大领域的研究和应用现状，申请人尝试寻求一种合适的工程材料，采用同一种工艺争取能同时实现结构加固和阴极保护，力求降低成本、劳动力和时间。
基于上述的解决思路，申请人展开了广泛而深入的调研。结合结构加固体系和外加电流阴极保护系统的组成，申请人发现两者间可能存在的交叉部分为结构加固体系的加固材料和外加电流阴极保护系统的辅助阳极。这意味着，一旦找到了一种能够满足力学性能良好，又符合辅助阳极要求的材料，就有可能实现上述提到的解决思路。基于材料的力学性能和电化学特性的考虑，分析和比较了各种加固材料和辅助阳极材料，申请人发现目前广泛用于结构加固领域的碳纤维增强复合材料（CFRP材料）不仅具备良好的力学性能，而且作为主要成分的碳纤维导电性良好，电极电位接近贵金属的电化学特性。
要想使CFRP材料能成为连接结构加固和阴极保护两大领域的纽带，必须先解决CFRP材料作为辅助阳极的可行性问题。结合CFRP材料在结构加固中成熟的研究成果，CFRP材料能发挥其同时作为加固材料和辅助阳极的双重用途。也就是说，采用CFRP材料对结构进行修复时，CFRP材料一方面用作加固材料与结构工程共同受力，提高结构的力学性能；另一方面作为辅助阳极对结构施以外加电流阴极保护从而保护结构。
基于相同的思路，这种CFRP的双重用途也能引入到ＦＲＰ-混凝土组合结构中去，这样就形成了带阴极防护功能的新型CFRP-钢筋-混凝土组合结构体系。该新型结构体系具有传统FRP-混凝土组合结构的优点，如改善力学性能、无需额外的施工模板、耐久性好等。由于在结构从一开始就可以对其通过阴极防护电流，对结构的钢筋腐蚀进行主动干预，使钢筋极化，并从混凝土钢筋表面向外撵走有害的腐蚀介质，如氯离子等，从而达到防护钢筋的目的。
为了实现这种新型修复体系，申请人提出了一些相应的施工方法及产品。申请人首先尝试寻求在该体系中粘接FRP和混凝土结构的胶凝材料，该胶凝材料必须具备导电、耐久性能好、且力学强度达到结构加固要求等特点。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种水泥基无机胶凝材料及其制备方法，旨在解决现有钢筋混凝土结构阴极保护的辅助阳极的缺陷的问题。
本发明的技术方案如下：
一种水泥基无机胶凝材料，其中，按重量份计，包括以下组分：水泥1份、水0.3~0.7份、硅粉0.1~0.3份、高分子聚合物0.1~0.5份、塑化剂0.004~0.01份、减水剂0.002~0.030份和碳纤维丝0.005~0.03份。
所述的水泥基无机胶凝材料，其中，按重量份计，包括以下组分：水泥1份、水0.4~0.6份、硅粉0.1~0.3份、高分子聚合物0.2~0.4份、塑化剂0.006~0.009份、减水剂0.003~0.030份和碳纤维丝0.01~0.02份。
所述的水泥基无机胶凝材料，其中，按重量份计，包括以下组分：水泥1份、水0.5~0.6份、硅粉0.1~0.3份、高分子聚合物0.3~0.4份、塑化剂0.008~0.009份、减水剂0.004~0.030份和碳纤维丝0.015~0.02份。
所述的水泥基无机胶凝材料，其中，包括以下组分：水泥1份、水0.5份、硅粉0.1份、高分子聚合物0.3份、塑化剂0.008份、减水剂0.005份和碳纤维丝0.015份。
所述的水泥基无机胶凝材料，其中，包括以下组分：水泥1份、水0.3份、硅粉0.2份、高分子聚合物0.1份、塑化剂0.01份、减水剂0.002份和碳纤维丝0.03份。
所述的水泥基无机胶凝材料，其中，包括以下组分：水泥1份、水0.7份、硅粉0.1份、高分子聚合物0.5份、塑化剂0.004份、减水剂0.008份和碳纤维丝0.005份。
所述的水泥基无机胶凝材料，其中，所述高分子聚合物为可再分散粉或丁苯乳胶。
所述的水泥基无机胶凝材料，其中，所述碳纤维丝的尺寸为0.5-5毫米。
所述的水泥基无机胶凝材料，其中，所述碳纤维丝的尺寸为0.5-3毫米。
一种如上任一所述的水泥基无机胶凝材料的制备方法，其中，包括步骤：按照上述配方，将水泥、水、硅粉、高分子聚合物、塑化剂、减水剂和碳纤维丝混合，然后搅拌均匀，即制得水泥基无机胶凝材料。
有益效果：本发明按照上述配方，制得的水泥基无机胶凝材料可导电、耐久性好及粘接强度高。该材料作为粘结剂，可以与CFRP布一起制作成适用于ICCP-SS体系的辅助阳极材料，能够取得保护钢筋的效果。另外，本发明的无机粘结剂具有更好的耐久性，遇水后不易与混凝土产生界面失效等优点。
具体实施方式
本发明提供一种水泥基无机胶凝材料及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的一种水泥基无机胶凝材料，其中，按重量份计，包括以下组分：水泥1份、水0.3~0.7份、硅粉0.1~0.3份、高分子聚合物0.1~0.5份、塑化剂0.004~0.01份、减水剂0.002~0.030份和碳纤维丝0.005~0.03份。
按照上述配方，制得的水泥基无机胶凝材料可导电、耐久性好及粘接强度高。该材料作为粘结剂，可以与CFRP布一起制作成适用于ICCP-SS体系的辅助阳极材料，能够取得保护钢筋的效果。传统有机粘结剂，如环氧树脂等存在易老化、遇水容易产生有机-无机界面失效等缺陷，而本发明的无机粘结剂具有更好的耐久性，遇水后不易与混凝土产生界面失效等优点。
优选的是，本发明的水泥基无机胶凝材料，按重量份计，包括以下组分：水泥1份、水0.4~0.6份、硅粉0.1~0.3份、高分子聚合物0.2~0.4份、塑化剂0.006~0.009份、减水剂0.002~0.030份和碳纤维丝0.01~0.02份。
按照上述优选配方，制得的水泥基无机胶凝材料的性能更佳。
优选的是，本发明的水泥基无机胶凝材料，按重量份计，包括以下组分：水泥1份、水0.5~0.6份、硅粉0.1~0.3份、高分子聚合物0.3~0.4份、塑化剂0.008~0.009份、减水剂0.002~0.030份和碳纤维丝0.015~0.02份。
按照上述优选配方，制得的水泥基无机胶凝材料的性能得到进一步提高。
优选的是，本发明的水泥基无机胶凝材料，包括以下组分：水泥1份、水0.5份、硅粉0.1份、高分子聚合物0.3份、塑化剂0.008份、减水剂0.005份和碳纤维丝0.015份。
优选的是，本发明的水泥基无机胶凝材料，包括以下组分：水泥1份、水0.3份、硅粉0.2份、高分子聚合物0.1份、塑化剂0.01份、减水剂0.002份和碳纤维丝0.03份。
优选的是，本发明的水泥基无机胶凝材料，包括以下组分：水泥1份、水0.7份、硅粉0.1份、高分子聚合物0.5份、塑化剂0.004份、减水剂0.008份和碳纤维丝0.005份。
优选的是，本发明所述高分子聚合物可以为可再分散粉或丁苯乳胶。
优选的是，本发明所述碳纤维丝的尺寸为0.5-5毫米。更优选的是，所述碳纤维丝的尺寸为0.5-3毫米，例如尺寸为2毫米。
本发明的一种如上任一所述的水泥基无机胶凝材料的制备方法，其中，包括步骤：按照上述配方，将水泥、水、硅粉、高分子聚合物、塑化剂、减水剂和碳纤维丝混合，然后搅拌均匀，即制得水泥基无机胶凝材料。
具体包括步骤：按照上述配方，先将一部分水、碳纤维丝混合搅拌1~3分钟（如2分钟），然后将水泥、剩下的水、硅粉、高分子聚合物、塑化剂和减水剂混合，然后搅拌4~6分钟(如5分钟)至均匀，即制得水泥基无机胶凝材料。按照本发明配方，将水泥、水、硅粉、高分子聚合物、塑化剂、减水剂经过混合和机械搅拌，即可制备得到本发明的水泥基无机胶凝材料。另外，本发明制备工艺简单，与CFRP以及混凝土材料粘接强度高，导电性能良好，流动性好，具有显著的经济效益和社会效益；此外，可以有效地节约水泥用量，缓解我国的资源危机，并可降低工程造价，符合可持续发展的思路。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
水泥基无机胶凝材料，按重量份计，由以下组分组成：
水泥90 kg/m3、水45 kg/m3、硅粉10 kg/m3、高分子聚合物27 kg/m3、塑化剂0.48 kg/m3、减水剂0.3 kg/m3和碳纤维丝1.35 kg/m3。
上述水泥基无机胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
按照上述配方，先将一部分水、碳纤维丝混合搅拌2分钟，然后将水泥、剩下的水、硅粉、高分子聚合物、塑化剂和减水剂混合，然后搅拌5分钟至均匀，即制得水泥基无机胶凝材料。
测试结果：制备得到的水泥基无机胶凝材料的抗压强度可以达到50MPa，抗折强度可达到8MPa，导电率低于0.1S/m，基本满足ICCP-SS系统中对胶凝材料的基本要求。
综上所述，本发明提供的一种水泥基无机胶凝材料及其制备方法，按照本发明配方，制得的水泥基无机胶凝材料可导电、耐久性好及粘接强度高。该材料作为粘结剂，可以与CFRP布一起制作成适用于ICCP-SS体系的辅助阳极材料，能够取得保护钢筋的效果。本发明的无机粘结剂具有更好的耐久性，遇水后不易与混凝土产生界面失效等优点。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种水泥基无机胶凝材料，其特征在于，按重量份计，包括以下组分：水泥1份、水0.3~0.7份、硅粉0.1~0.3份、高分子聚合物0.1~0.5份、塑化剂0.004~0.01份、减水剂0.002~0.030份和碳纤维丝0.005~0.03份。
2.根据权利要求1所述的水泥基无机胶凝材料，其特征在于，按重量份计，包括以下组分：水泥1份、水0.4~0.6份、硅粉0.1~0.3份、高分子聚合物0.2~0.4份、塑化剂0.006~0.009份、减水剂0.003~0.030份和碳纤维丝0.01~0.02份。
3.根据权利要求1所述的水泥基无机胶凝材料，其特征在于，按重量份计，包括以下组分：水泥1份、水0.5~0.6份、硅粉0.1~0.3份、高分子聚合物0.3~0.4份、塑化剂0.008~0.009份、减水剂0.004~0.030份和碳纤维丝0.015~0.02份。
4.根据权利要求1所述的水泥基无机胶凝材料，其特征在于，包括以下组分：水泥1份、水0.5份、硅粉0.1份、高分子聚合物0.3份、塑化剂0.008份、减水剂0.005份和碳纤维丝0.015份。
5.根据权利要求1所述的水泥基无机胶凝材料，其特征在于，包括以下组分：水泥1份、水0.3份、硅粉0.2份、高分子聚合物0.1份、塑化剂0.01份、减水剂0.002份和碳纤维丝0.03份。
6.根据权利要求1所述的水泥基无机胶凝材料，其特征在于，包括以下组分：水泥1份、水0.7份、硅粉0.1份、高分子聚合物0.5份、塑化剂0.004份、减水剂0.008份和碳纤维丝0.005份。
7.根据权利要求1所述的水泥基无机胶凝材料，其特征在于，所述高分子聚合物为可再分散粉或丁苯乳胶。
8.根据权利要求1所述的水泥基无机胶凝材料，其特征在于，所述碳纤维丝的尺寸为0.5-5毫米。
9.根据权利要求8所述的水泥基无机胶凝材料，其特征在于，所述碳纤维丝的尺寸为0.5-3毫米。
10.一种如权利要求1~9任一所述的水泥基无机胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：按照上述配方，将水泥、水、硅粉、高分子聚合物、塑化剂、减水剂和碳纤维丝混合，然后搅拌均匀，即制得水泥基无机胶凝材料。
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