CN108840586A - 适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶及制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶及制备方法及应用，制备为：配置含多羟基络合结构的生物凝胶水溶液；在搅拌下，将生物凝胶水溶液滴入二价阳离子凝固浴中，放置，干燥，即得。本发明水为溶剂，污染少，成本低，方法简单。离子响应型凝胶基于吸水膨胀和与二价离子的沉积反应适用于多种自修复环境，对外界修复条件依赖性低。通过离子响应行为，在水化初始阶段膨胀性低，大大减少了水泥基体机械性能的损失；通过内部交联二价阳离子与周围环境的沉积反应，加速自修复产物的沉积，增加了自修复凝胶与水泥基体的界面粘合性。裂缝密封及自修复产物沉积使得修复的主体时间缩短，可适应短时间的修复作业。可独立使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶及制备方法及应用，属于水泥自修复领域。
背景技术
基于水泥石的脆性本质，由内部结构收缩及外部载荷引起的裂缝不可避免。裂缝的产生加剧了侵蚀性物质进入水泥基材内部，降低了基础设施的稳定性和功能性。尽管增韧材料的使用可降低开裂，但仍无法避免其产生，即使是在成型初期。裂缝的检测和修补过程往往耗时耗力，特别是对于高速公路和隧道等处于持续服务阶段的大型基础设施，这种修复几乎无法实现。基于生物系统自我修复功能的启发，无需任何人工干预情况下恢复基质材料的结构完整性，从而改善受损结构性能的自修复水泥的研发迫在眉睫。
超吸水树脂的遇水膨胀特性使其作为裂缝的封堵剂，然而由于其在拌浆过程中易膨胀，在固化水泥基体中易引起孔洞，降低水泥的机械性能。且对于裂缝的封堵并不能实现自修复，超吸水树脂于水泥基体的界面粘合性差，该暂堵区极易发展成为二次裂缝多发区。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种二次水化的产物沉积能力高，对机械强度损伤较小的适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶。
本发明的第二个目的是提供适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶的制备方法。
本发明的第三个目的是提供适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶的应用。
本发明的技术方案概述如下：
适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)配置质量分数为0.5％-2％的含多羟基络合结构的生物凝胶水溶液；
(2)在搅拌下，按体积比1:2-4的比例，将步骤(1)获得的生物凝胶水溶液滴入0.02-0.5mol/L二价阳离子凝固浴中，放置至少12h，冷冻干燥，得到适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶。
所述含多羟基络合结构的生物凝胶为海藻酸钠，果胶，卡拉胶或壳聚糖。
所述二价阳离子凝固浴为氯化镁水溶液，氯化钙水溶液或氯化铜水溶液。
上述方法制备的适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶。
适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶在修复水泥基体中的应用。
本发明的优点：
1.以可膨胀含多羟基络合的生物凝胶为原料，水为溶剂，污染少，成本低，配制方法简单。
2.本发明的适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶基于吸水膨胀和与二价离子的沉积反应适用于多种自修复环境，对外界修复条件的依赖性低。
3.本发明的适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶通过离子响应行为，在水化初始阶段膨胀性低，大大减少了水泥基体机械性能的损失。
4.本发明的适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶通过内部交联二价阳离子与周围环境的沉积反应，可加速自修复产物的沉积，增加了自修复凝胶与水泥基体的界面粘合性，优于简单的裂缝密封。
5.本发明的适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶结合裂缝密封及自修复产物沉积使得修复的主体时间缩短，可适应短时间的修复作业。
6.本发明的适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶可独立使用，不会对其他水泥外加剂产生不良影响。
附图说明
图1为二价阳离子与含多羟基络合结构的高分子反应的机理图。
图2为实施例1制备的适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶表面及断面的扫描电镜谱图(a)表面；(b)断面。
图3为实施例1制备的适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶在不同阳离子浓度水溶液中的吸水率图。
图4为实施例1制备的适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶对水泥抗压强度的影响。
图5为实施例1制备的适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶在硅酸钠水溶液中的沉积反应产物的扫描电镜及元素分布图。
图6为实施例1制备的适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶在硅酸盐自修复体系中对裂缝的修复效果图，图6a为修复前的裂缝，图6b为修复后的状态。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)配置质量分数为1％的壳聚糖水溶液；
(2)在搅拌下，按体积比1:2的比例，将步骤(1)获得的壳聚糖水溶液滴入0.25mol/L氯化镁水溶液中，放置24小时，冷冻干燥，得到适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶。
将2.5g本实施例获得的适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶，掺入500g嘉华G级油井水泥粉末中，按水灰质量比0.44加入水，均匀拌浆后室温养护7d得到水泥块，通过抗压测试得到宽度约120μm的裂缝，在裂缝中注入质量分数为3％的硅酸钠水溶液，用保鲜膜密封样品，室温下养护7d既得自修复样品。见图6.图6a为修复前的裂缝，图6b自修复后的裂缝。
实施例2
适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)配置质量分数为0.5％的卡拉胶水溶液；
(2)在搅拌下，按体积比1:2的比例，将步骤(1)获得的卡拉胶水溶液滴入0.02mol/L氯化钙水溶液中，放置12h，冷冻干燥，得到适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶。
修复实验同实施例1，效果与实施例1的效果相似。
实施例3
适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)配置质量分数为2％的海藻酸钠水溶液；
(2)在搅拌下，按体积比1:4的比例，将步骤(1)获得的海藻酸钠水溶液滴入0.5mol/L氯化钙水溶液中，放置24h，冷冻干燥，得到适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶。
用果胶替代本实施例中的海藻酸钠，其它同本实施例，得到适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶。
修复实验同实施例1，效果与实施例1的效果相似。
实施例4
实施例1制备的适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶(简称离子响应型凝胶)修复性能的测试:
离子响应型凝胶的测试以凝胶本身的膨胀性及其在对水泥裂缝自愈合性为主，通过扫描电镜表征其表面及断面由此来证明该凝胶储水结构的存在；通过其在不同浓度二价阳离子溶液中的膨胀性能评价验证其离子响应行为；修复性能的测试从凝胶在硅酸钠溶液中自修复产物的沉积作用及其对120μm裂缝的修复性来表征。
多羟基基团的凝胶与二价阳离子交联，形成网络结构，见图1，该网络结构使其具备储水的潜力。
图2为实施例1制备的适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶表面及断面的扫描电镜谱图(a)表面；(b)断面。从图2可以看出实施例1制备离子响应型凝胶表面比较光滑；断面可以看出具有二级精细化结构，为良好的储水结构。
先配制不同浓度的氯化钙水溶液(二价阳离子水溶液)，浓度分别为：0.02、0.025、0.05、0.1、0.15、0.2mol/L，将实施例1制备的离子响应型凝胶分别浸入其中，放置24小时，让其充分膨胀，过滤，测凝胶吸水量(肿胀能力)。
从图3可以看出实施例1制备离子响应型凝胶在不同浓度凝固浴中随着溶液中二价阳离浓度升高，膨胀能力下降，因此其具有良好的离子响应行为，且该行为大大减少了由于拌浆过程中过度吸水引起的抗压强度的损失，同时可通过后期吸水膨胀堵塞裂缝。
分别将2.5g和5g实施例1制备的离子响应型凝胶分别加入到500g嘉华G级油井水泥粉末中，按水灰质量比0.44加入水，均匀拌浆后室温养护7d得到水泥块，测试抗压能力，见图4，加量2.5g时，其对于抗压强度的损害可以忽略，当加量5g时，抗压强度出现一定程度的降低，但仍优于商业化的超吸水树脂。
实施例5
适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)配置质量分数为1％的壳聚糖水溶液；
(2)在搅拌下，按体积比1:2的比例，将两份步骤(1)获得的壳聚糖水溶液分别滴入0.25mol/L氯化镁水溶液和0.5mol/L氯化镁水溶液中，放置24小时，冷冻干燥，得到两份适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶。
将两份离子响应型凝胶各0.1g分别加入到100mL0.2mol/L的硅酸钠水溶液中，放置6h,干燥，进行扫描电镜能谱测试，见图5，图5a是0.25mol/L凝固浴下制备的离子响应型凝胶；图5b是0.5mol/L凝固浴下制备的离子响应型凝胶；图5c是图5b沉积物钙元素分布图；图5d是图5b沉积物硅元素分布图。离子响应型凝胶具有很好的结构保持性且当所含二价阳离子浓度较大时会促进自修复产物在其表面的沉积，通过沉积物元素分析，得知该产物为水合硅酸钙。
实验证明实施例2、3制备的离子响应型凝胶与实施例1制备离子响应型凝胶的效果相似。
Claims (5)
1.适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶的制备方法，其特征包括如下步骤：
(1)配置质量分数为0.5％-2％的含多羟基络合结构的生物凝胶水溶液；
(2)在搅拌下，按体积比1:2-4的比例，将步骤(1)获得的生物凝胶水溶液滴入0.02-0.5mol/L二价阳离子凝固浴中，放置至少12h，冷冻干燥，得到适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述含多羟基络合结构的生物凝胶为海藻酸钠，果胶，卡拉胶或壳聚糖。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述二价阳离子凝固浴为氯化镁水溶液，氯化钙水溶液或氯化铜水溶液。
4.权利要求1-3之一的方法制备的适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶。
5.权利要求4的适用于水泥硅酸盐自修复体系的离子响应型凝胶在修复水泥基体中的应用。
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