CN110424330B - 一种可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂及其制备方法与应用 - Google Patents

一种可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂及其制备方法与应用。该自修复剂的芯材为可化学固化Cl、Mg、S的活性无机复合组分，壁层为PMMA，界面改善层为水泥层。制备方法包括以下步骤：（1）将可固化侵蚀性离子的活性组分混合均匀，再填入直接压片模具中；（2）用压片机对直接压片模具加压、保压，脱模得到芯材；（3）将得到的芯材坯体投入PMMA丙酮溶液中进行包裹，取出干燥；（4）在丙酮完全挥发前再包覆一层水泥，得到自修复剂。本发明提出的自修复剂在水泥基体开裂后破裂，并与进入裂缝中的海水接触发生化学反应，实现裂缝自修复的同时固化随海水进入裂缝内部的侵蚀性离子，从而有效保护混凝土中的钢筋。

Description

一种可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂及其 制备方法与应用
技术领域
本发明涉及海工混凝土技术领域，具体涉及一种可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂及其制备方法与应用。
背景技术
水泥混凝土是全世界使用最广泛、产量最大的材料，是建设海工建筑物，如码头、桥梁、海底隧道等必不可少的材料。众所周知混凝土是一种脆性材料，抗拉强度低，在混凝土结构施工和服役过程中，受温湿度的变化、外部荷载等因素的影响，混凝土会产生不同尺寸的裂缝。而海洋是一个复杂的多离子环境，混凝土中的裂缝会为海洋环境中的侵蚀性离子（Cl-、SO4 2-、Mg2+等）的扩散提供通道，一方面加快了侵蚀性离子向混凝土内部的扩散速度，使混凝土本身的性能劣化。另一方面这些侵蚀性离子还会使钢筋发生锈蚀，从而让钢筋混凝土结构提前失效，甚至造成灾难性事故。为了延长钢筋混凝土结构服役寿命，通常对混凝土裂缝进行人工修复。然而由于人力、材料运输困难，水下修补工程操作难度大，导致人工修补并不适用于海工建筑物。
因此，有学者提出“混凝土自修复技术”，即在混凝土成型时内置修复剂，当结构服役时开裂，裂缝触发修复剂与外界环境接触发生反应，产生的修复产物封堵裂缝，从而阻止外界侵蚀性离子进入结构内部，延长结构服役寿命。现有的裂缝自修复剂大致可分为三种：
1. 基于微胶囊/玻璃纤维管的裂缝自修复技术：该技术通过向混凝土加入含粘结剂的玻璃纤维管或微胶囊，当结构发生开裂时，玻璃纤维管或微胶囊被裂缝贯穿，内含的粘结剂流出硬化，从而封堵裂缝。然而大部分粘结剂只能在空气中硬化，这并不适用于处于海水浸泡或经历干湿循环的混凝土自修复。
2. 基于微生物的裂缝自修复技术：该技术主要以微生物作为活性组分添加至水泥材料中，通过微生物的矿化作用诱导碳酸钙在裂缝中形成从而封堵裂缝。
3.基于添加活性组分的自修复技术：该方法以膨胀型矿物材料和结晶型矿物材料作为活性组分，利用它们的水化反应来实现裂缝自修复。
然而，上述的第2、3中裂缝自修复方法大多是研究活性组分在淡水条件下的自修复行为，能修复的裂缝最大宽度为300-500 μm，且所需的修复时间较长（28天以上）。在高浓度侵蚀离子的海洋环境下，钢筋可能在缓慢的自修复过程中已经发生锈蚀，使得自修复对于提高海洋环境中混凝土的耐久性效果严重受限。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术缺陷及技术空白，提供了一种可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂及其制备方法与应用。该自修复剂由可固化侵蚀性离子的活性组分芯材、壁层、界面改善层组成。采用直接压片法将可固化侵蚀离子的活性组分压制成芯材，再在其表面包覆若干层PMMA，最后包覆一层水泥粉体，制备出有一定强度的，防水的，与水泥基体有较好相容性的可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂，包括可固化侵蚀性离子的活性组分芯材、壁层和界面改善层；所述可固化侵蚀性离子的活性组分芯材为含钙无机物、含铝无机物和高分子吸水性树脂；所述壁层为PMMA层，包覆可固化侵蚀性离子的活性组分芯材；所述界面改善层为水泥层。
进一步地，所述含钙无机物与含铝无机物的摩尔比为3-5:1；所述高分子吸水性树脂的重量为含钙无机物与含铝无机物重量之和的0-10%。
进一步地，所述含钙无机物为氧化钙和氢氧化钙中的一种以上, 含铝无机物为偏铝酸钠和偏高岭土中的一种以上。
进一步地，所述自修复剂的粒径为4mm-8mm。
以上所述的可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂的制备方法，包括如下步骤：
（1）将可固化侵蚀性离子的活性组分混合均匀，再填入直接压片模具中；
（2）用压片机对直接压片模具加压、保压，脱模得到芯材；
（3）将得到的芯材坯体投入PMMA丙酮溶液中进行包裹，取出干燥；
（4）在丙酮完全挥发前再包覆一层水泥，得到可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂。
进一步地，步骤（1）中，以含钙无机物、含铝无机物和高分子吸水性树脂作为可固化侵蚀性离子的活性组分。
进一步地，步骤（1）中，所述物料混合是采用V型混料机混合。
进一步地，步骤（2）中，所述加压的压力为250~750 psi。
进一步地，步骤（2）中，所述保压的压力为250~750psi。
进一步地，步骤（2）中，所述保压的时间为30~60s。
进一步地，步骤（3）中，所述PMMA丙酮溶液的浓度为0.2~0.3g/mL。
进一步地，步骤（3）中，将得到的芯材坯体投入PMMA丙酮溶液中进行包裹，取出干燥，重复3-6次。
进一步地，步骤（3）中，所述的干燥是在通风橱中干燥。
以上所述的可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂应用于海工混凝土裂缝自修复及钢筋保护中。
进一步地，将自修复剂在水泥成型时掺入，制备出自修复水泥净浆。
更进一步地，自修复剂以水泥浆体体积分数的3%~8%掺入。
由上述技术方案可见，本发明的可固化侵蚀性离子自修复剂掺入到水泥浆体中，当基体开裂，自修复剂被裂缝贯穿，同时海水进入基体内部与自修复剂内部活性组分接触。活性组分采用含钙无机物、含铝无机物和高分子吸水树脂配合，通过与海水发生化学反应生成费里德尔盐、钙矾石、水滑石而达到化学固化海水中Cl-，SO4 2-，Mg2+目的。从而降低裂缝内部及钢筋附近的侵蚀性离子浓度，以实现保护钢筋，延长构件使用寿命的效果。
与现有技术相比，本发明具有如下效果：
本发明提出的自修复剂在水泥基体开裂后破裂，并与进入裂缝中的海水接触发生化学反应，实现裂缝自修复的同时固化随海水进入裂缝内部的侵蚀性离子（Cl-，SO4 2-，Mg2 +），从而有效保护混凝土中的钢筋。
附图说明
图1是本发明所制备的芯材示意图；
图2是本发明所制备的可固化侵蚀性离子水泥自修复剂示意图；
图3是本发明实施例1所制备的自修复水泥净浆裂缝愈合率曲线图；
图4是本发明实施例2所制备的自修复水泥浆体中钢筋的开路电位曲线图。
具体实施方式
以下结合具体实施例以及附图对本发明技术方案作进一步详细描述，但本发明的保护范围及实施方式不限于此。
本发明具体实施例中，采用的氧化钙的纯度为分析纯，粒度为200目；采用的偏铝酸钠的纯度为分析纯，粒度为200目；采用的偏高岭土的纯度为工业纯，粒度为3μm；采用的高分子吸水性树脂为工业级，粒度为50-60目。
实施例1
可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂，具体制备步骤如下：
（1）以氧化钙、偏铝酸钠、低交联型聚丙烯酸钠（高分子吸水树脂）作为可固化侵蚀性离子的活性组分。分别称量10g氧化钙、5g偏铝酸钠、1.5g低交联型聚丙烯酸钠，投入V型混料机中混合均匀，取适量混合物料填入直接压片模具中并组装好模具。
（2）用压片机对直接压片模具加压至750 psi，并保压30 s，随后脱模得到芯材，如图1所示。
（3）将芯材浸没在0.2g/mL的PMMA丙酮溶液中，待芯材表面充分润湿后取出芯材，并置于通风橱中干燥至丙酮完全挥发。反复浸没干燥6次，在最后一次丙酮完全挥发之前在其表面裹上一层水泥粉，最后得到尺寸为6 ± 1mm的自修复剂，如图2所示。
（4）将自修复剂以水泥净浆体积的5%掺入，当硬化浆体开裂时，结合图3可知，自修复剂使水泥试块快速封堵0.4 mm的裂缝，能有效阻挡环境侵蚀性离子进入基体内部。
实施例2
一种可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂，具体制备步骤如下：
（1）以氧化钙、偏高岭土、低交联型聚丙烯酸钠（高分子吸水树脂）作为可固化侵蚀性离子的活性组分。分别称量16g氧化钙、6g偏高岭土，投入V型混料机中混合均匀，取适量混合物料填入直接压片模具中并组装好模具。
（2）用压片机对直接压片模具加压至250 psi，并保压60 s，随后脱模得到芯材，如图1所示。
（3）将芯材浸没在0.3g/mL的PMMA丙酮溶液中，待芯材表面充分润湿后取出芯材，并置于通风橱中干燥至丙酮完全挥发。反复浸没干燥3次，在最后一次丙酮完全挥发之前在其表面裹上一层水泥粉，最后得到尺寸为6 ± 1mm的自修复剂，如图2所示。
（4）将自修复剂以水泥净浆体积的8%掺入，当硬化浆体开裂时，结合图4可知，自修复剂能有效降低基体中钢筋的开路电位，使钢筋锈蚀可能性减小，有一定的护筋性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂，其特征在于，包括可固化侵蚀性离子的活性组分芯材、壁层和界面改善层；所述可固化侵蚀性离子的活性组分芯材为含钙无机物、偏高岭土和高分子吸水性树脂；所述壁层为PMMA层，包覆可固化侵蚀性离子的活性组分芯材；所述界面改善层为水泥层；所述界面改善层包覆壁层外。
2.根据权利要求1所述的一种可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂，其特征在于，所述含钙无机物与偏高岭土的摩尔比为3-5:1；所述高分子吸水性树脂的重量为含钙无机物与偏高岭土重量之和的0-10%。
3.根据权利要求1所述的一种可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂，其特征在于，所述含钙无机物为氧化钙和氢氧化钙中的一种以上。
4.根据权利要求1所述的一种可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂，其特征在于，所述自修复剂的粒径为4mm-8mm。
5.权利要求1-4中任一项所述的可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将可固化侵蚀性离子的活性组分混合均匀，再填入直接压片模具中；
（2）用压片机对直接压片模具加压、保压，脱模得到芯材；
（3）将得到的芯材坯体投入PMMA丙酮溶液中进行包裹，取出干燥；
（4）在丙酮完全挥发前再包覆一层水泥，得到可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述加压的压力为250~750 psi。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述保压的压力为250~750psi，时间为30~60s。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述PMMA丙酮溶液的浓度为0.2~0.3g/mL。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，将得到的芯材坯体投入PMMA丙酮溶液中进行包裹，取出干燥，重复3-6次。
10.权利要求1-4中任一项所述的可固化海水侵蚀性离子的水泥基材料裂缝自修复剂应用于海工混凝土裂缝自修复及钢筋保护中。
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