CN110436865A - 一种高强耐水岩土质古建筑修补材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强耐水岩土质古建筑修补材料的制备方法，属于建筑修补材料技术领域。本发明以羧甲基丁苯胶乳和丙烯酸树脂改性天然水硬性石灰为原料，沸石为骨料，玻璃纤维为增强剂，羧甲基纤维素为增稠剂，马来酸酐接枝淀粉作为增容剂，制备出一种高强耐水岩土质古建筑修补材料；马来酸酐接枝淀粉的加入，通过提高材料结构的密实性来改善材料的耐水性、耐冻性及抗渗性，且提高修补材料和基体的相容性；羧基丁苯胶乳属环保型产品，具有较高的粘结力和结膜强度，机械及化学稳定性好，流动性、贮存稳定性均佳，填充量大等优点；丙烯酸树脂具有良好的保光保色性、耐水耐化学性、干燥快等特点，使得改性天然水硬性石灰具有良好的强度和耐水性。

Description

一种高强耐水岩土质古建筑修补材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强耐水岩土质古建筑修补材料的制备方法，属于建筑修补材料技术领域。
背景技术
按照时间分类，建筑可分为时间较为久远的古代建筑和时间较近的现代建筑。古建筑因为环境的长时间影响和人为的损坏，会遭受到不同程度的破坏。我国遗存有大量种类丰富的岩土质文物建筑，如石窟寺、古城墙、古壁画、古陵墓和古城土建筑遗址等。这些承载着大量珍贵的历史文化信息的岩土质建筑，是极其脆弱的一类文物实体。现代的水泥等胶凝材料并不适用于这类建筑的修补，国内对于岩土类建筑修补材料的研究也比较少。
而在现代的建筑行业中，水泥混凝土是建筑工程中使用量最大、应用最广泛的建筑材料。一般情况下，混凝土结构具有较好的长期性和较高的耐久性。但随着使用年限的增加和一些其他的内部或外部因素，会使水泥混凝土材料的耐久性降低。如自然界各种物理、化学及生物因素作用，会加剧混凝土的破坏；甚至是有些新建落成的混凝土工程，如果设计、施工及养护方法不合理，也会导致裂缝、孔洞、蜂窝、脱皮麻面、啃边等病害，甚至发生倒塌。
建筑的损坏按照其损坏形式可分为结构性破坏和非结构性破坏两大类，所以根据建筑损害部位和修补要求的不同，建筑的修补可分为结构加固和表面修补两大类。对于像后者发生在局部或表面而并没有影响到结构的破坏，修补砂浆是较为适用的修补材料。
混凝土修补材料的分类方法有许多种。如果是按使用用途来分类，主要有裂缝修补材料、密封材料、灌浆材料、快速修补材料、表面防护材料等。从胶凝材料的性质来看，主要分为：水泥基胶凝材料、聚合物胶凝材料、聚合物增强水泥基胶凝材料、纤维增强聚合物胶凝材料等。
按照最本质的化学成分，水泥混凝土修补材料一般可分为无机类、有机类和有机无机复合类材料。
无机类如普通硅酸盐水泥和特种水泥（如快硬硅酸盐水泥、高铝水泥、磷酸镁水泥等），具有成本低、环保、价廉等优点，而且与旧混凝土性能一致。但普通硅酸盐水泥的修补周期较长，粘结强度低，容易造成新旧界面粘结不牢、开裂，从而导致混凝土出现再度损坏等质量问题。而特种水泥的水化凝结机理、施工性能、力学性能及耐久性等与旧混凝土有较大差异，还有待进一步研究。像高铝水泥还会因为水化产物晶型转化而存在长期强度倒缩的问题。
有机类是指以高分子聚合物如环氧树脂、丙烯酸、聚酯树脂等各种树脂为主要原料，加入一定量的填料、固化剂、增塑剂等进行改性的修补材料，这类材料具有耐化学腐蚀、抗冲击、粘结强度高等优点。这类材料适用于混凝土结构的裂缝修补、加固补强、耐腐蚀修补、接缝损坏修补等。缺点是树脂材料的早期发热量大，硬化浆体脆性大，收缩也比较大，稀释剂、固化剂等外加剂因有毒性还可能造成环境的污染。而且聚合物与基材的相容性较差，如热膨胀系数和弹性模量都与基材相差较大，在发生热变形时会在界面过渡区产生高的剪力和拉力而引起修补材料的脱落。同时有机类材料在环境作用下易于老化，降低了耐久性能。
有机无机复合类是以有机聚合物和无机胶凝材料结合而成的一种新型复合修复材料，如各类聚合物水泥混凝土和聚合物水泥砂浆等。有机无机复合修补材料结合了有机聚合物和无机胶凝材料的优点，越来越多地应用于修补、耐腐蚀和装饰等工程领域。聚合物的价格要远高于水泥，而且往往有机无机复合材料中聚合物的掺量偏高，所以这类材料的价格较昂贵。此外，当采用大量的水溶性聚合物时，还容易出现收缩开裂。
现代的水泥胶凝材料和单纯的气硬性石灰并不能满足修补要求，水泥会有与岩土类材料相容性不好的问题，气硬性石灰又存在强度低、凝结硬化慢、不耐水等自身的弱点。而水泥混凝土因为受到各种环境条件，如大气、水等物理和化学因素或是生物侵蚀作用，在服役期间也会受到不同程度的破坏，这些破坏可能会带来影响美观、造成经济损失等问题，给人们的日常生活和生产造成不便，甚至也会带来安全隐患。如混凝土路面和车间地面的薄层病害，如果用普通的水泥基材料进行修补，会因为养护周期较长而造成交通的不便和停工停产。因此，研究开发适用于特定修补条件的建筑修补材料是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对现有水泥修复材料耐水性较差的问题，提供了一种高强耐水岩土质古建筑修补材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
（1）取羧甲基丁苯胶乳、天然水硬性石灰、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、丙烯酸丁酯、过硫酸铵、去离子水，将羧甲基丁苯胶乳和去离子水混合，搅拌处理，即得反应液A，在反应液中加入天然水硬性石灰，继续搅拌5～10min，即得反应液B，在反应液B中加入过硫酸铵，在搅拌速度为400～500r/min下搅拌5～10min后，加入甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸和丙烯酸丁酯，继续搅拌6～8h，即得基体液，调节基体液的pH值，即得改性天然水硬性石灰；
（2）将过氧化二异丙苯、马来酸酐和丙酮混合均匀，即得混合溶液，将淀粉和混合溶液混合，加热搅拌处理，即得混合物料，将混合物料置于双螺杆挤出机中挤出，即得增容剂；
（3）取改性天然水硬性石灰、沸石、玻璃纤维、羧甲基纤维素、增容剂、去离子水，将改性天然水硬性石灰、沸石和去离子水混合，搅拌处理，即得基体物料，在基体物料中加入玻璃纤维、羧甲基纤维素和增容剂，高速搅拌处理，即得高强耐水岩土质古建筑修补材料。
步骤（1）所述的羧甲基丁苯胶乳、天然水硬性石灰、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、丙烯酸丁酯、过硫酸铵、去离子水之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取10～15份羧甲基丁苯胶乳、20～40份天然水硬性石灰、5～10份甲基丙烯酸甲酯、10～15份丙烯酸、1～10份丙烯酸丁酯、1～3份过硫酸铵、40～50份去离子水。
步骤（1）所述的搅拌处理步骤为：将羧甲基丁苯胶乳和去离子水混合，在温度为60～70℃，搅拌速度为200～300r/min下搅拌10～20min。
步骤（1）所述的调节基体液的pH值步骤为：用质量分数为25%氨水调节基体液的pH值为7～8。
步骤（2）所述的过氧化二异丙苯、马来酸酐和丙酮之间的质量比为1∶10∶20。
步骤（2）所述的加热搅拌处理步骤为：按质量比1∶3将淀粉和混合溶液混合，在温度为80～90℃，搅拌速度为800～900r/min下加热搅拌3～5min。
步骤（2）所述的挤出步骤为：将混合物料置于双螺杆挤出机中，在温度为170～180℃，喂料转速为10～20r/min，双螺杆转速为30～40r/min下挤出。
步骤（3）所述的改性天然水硬性石灰、沸石、玻璃纤维、羧甲基纤维素、增容剂、去离子水之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取40～50份改性天然水硬性石灰、20～30份沸石、5～15份玻璃纤维、1～5份羧甲基纤维素、1～10份增容剂、100～120份去离子水。
步骤（3）所述的搅拌处理步骤为：将改性天然水硬性石灰、沸石和去离子水混合，在搅拌速度为100～200r/min下搅拌1～3min。
步骤（3）所述的高速搅拌处理步骤为：在基体物料中加入玻璃纤维、羧甲基纤维素和增容剂，在搅拌速度为1000～1200r/min下高速搅拌90～120s。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明以羧甲基丁苯胶乳和丙烯酸树脂改性天然水硬性石灰为原料，沸石为骨料，玻璃纤维为增强剂，羧甲基纤维素为增稠剂，马来酸酐接枝淀粉作为增容剂，制备出一种高强耐水岩土质古建筑修补材料；马来酸酐接枝淀粉的加入，通过提高材料结构的密实性来改善材料的耐水性、耐冻性及抗渗性，且提高修补材料和基体的相容性；羧基丁苯胶乳属环保型产品，具有较高的粘结力和结膜强度，机械及化学稳定性好，流动性、贮存稳定性均佳，填充量大等优点；丙烯酸树脂具有良好的保光保色性、耐水耐化学性、干燥快等特点，使得改性天然水硬性石灰具有良好的强度和耐水性；
（2）本发明采用沸石为骨料，玻璃纤维为增强剂，使得玻璃纤维增强修补材料能减小塑性收缩并提高修补材料的耐久性，添加的沸石组分进一步提高了修补材料的力学性能，添加玻璃纤维可以有效地提高修补材料与基体间的连接，从而提高基体的密实度；沸石的添加可使水硬性石灰密度减小，强度增加，提高了修补材料的耐酸性、耐冻融性及抗硫酸盐性能；此外，沸石对玻璃纤维有表面改性作用，添加玻璃纤维及沸石改性玻璃纤维后固化砂浆抗折强度有较大幅度提高，添加减水剂则有利于修补材料分散均匀，可提高具体的抗压强度与抗折强度；采用沸石替代部分水硬性石灰时，可以减少原料的总使用量，尤其是水硬性石灰的使用量减少，同时制备出轻质修补材料，当轻质修补材料用于建筑物的内外墙体、露面等建筑结构时，建筑结构的重量会降低，而其承载能力、抗震能力将增强；
（3）本发明中天然水硬性石灰（NHL2）的主要成分为Ca(OH)2、C2S、方解石晶型CaCO3与少量SiO2，其中起水硬作用的物质为C2S，而起气硬作用的物质为Ca(OH)2；水硬性石灰浆液的碳酸化作用能促进其水化反应，水硬性石灰浆液与外界接触充分时，其水化反应在前28天养护龄期内完成，3天养护龄期内浆液中氢氧化钙基本完成碳酸化反应，水化硅酸钙在14天养护龄期时出现比较明显的碳酸化反应，并且随其碳酸化反应的发生硅酸盐的聚合度不断提高；在水硬性砂浆中，在水化硅酸钙数量相同的情况下，丝状水化硅酸钙与基体的接触面积将更大，从而可能会提高砂浆试样的强度。
具体实施方式
按重量份数计，分别称取10～15份羧甲基丁苯胶乳、20～40份天然水硬性石灰、5～10份甲基丙烯酸甲酯、10～15份丙烯酸、1～10份丙烯酸丁酯、1～3份过硫酸铵、40～50份去离子水，将羧甲基丁苯胶乳和去离子水混合，在温度为60～70℃，搅拌速度为200～300r/min下搅拌10～20min，即得反应液A，在反应液中加入天然水硬性石灰，继续搅拌5～10min，即得反应液B，在反应液B中加入过硫酸铵，在搅拌速度为400～500r/min下搅拌5～10min后，加入甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸和丙烯酸丁酯，继续搅拌6～8h，即得基体液，用质量分数为25%氨水调节基体液的pH值为7～8，即得改性天然水硬性石灰；按质量比1∶10∶20将过氧化二异丙苯、马来酸酐和丙酮混合均匀，即得混合溶液，按质量比1∶3将淀粉和混合溶液混合，在温度为80～90℃，搅拌速度为800～900r/min下加热搅拌3～5min，即得混合物料，将混合物料置于双螺杆挤出机中，在温度为170～180℃，喂料转速为10～20r/min，双螺杆转速为30～40r/min下挤出，即得增容剂；按重量份数计，分别称取40～50份改性天然水硬性石灰、20～30份沸石、5～15份玻璃纤维、1～5份羧甲基纤维素、1～10份增容剂、100～120份去离子水，将改性天然水硬性石灰、沸石和去离子水混合，在搅拌速度为100～200r/min下搅拌1～3min，即得基体物料，在基体物料中加入玻璃纤维、羧甲基纤维素和增容剂，在搅拌速度为1000～1200r/min下高速搅拌90～120s，即得高强耐水岩土质古建筑修补材料。
实施例1
按重量份数计，分别称取10份羧甲基丁苯胶乳、20份天然水硬性石灰、5份甲基丙烯酸甲酯、10份丙烯酸、1份丙烯酸丁酯、1份过硫酸铵、40份去离子水，将羧甲基丁苯胶乳和去离子水混合，在温度为60℃，搅拌速度为200r/min下搅拌10min，即得反应液A，在反应液中加入天然水硬性石灰，继续搅拌5min，即得反应液B，在反应液B中加入过硫酸铵，在搅拌速度为400r/min下搅拌5min后，加入甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸和丙烯酸丁酯，继续搅拌6h，即得基体液，用质量分数为25%氨水调节基体液的pH值为7，即得改性天然水硬性石灰；按质量比1∶10∶20将过氧化二异丙苯、马来酸酐和丙酮混合均匀，即得混合溶液，按质量比1∶3将淀粉和混合溶液混合，在温度为80℃，搅拌速度为800r/min下加热搅拌3min，即得混合物料，将混合物料置于双螺杆挤出机中，在温度为170℃，喂料转速为10r/min，双螺杆转速为30r/min下挤出，即得增容剂；按重量份数计，分别称取40份改性天然水硬性石灰、20份沸石、5份玻璃纤维、1份羧甲基纤维素、1份增容剂、100份去离子水，将改性天然水硬性石灰、沸石和去离子水混合，在搅拌速度为100r/min下搅拌1min，即得基体物料，在基体物料中加入玻璃纤维、羧甲基纤维素和增容剂，在搅拌速度为1000r/min下高速搅拌90s，即得高强耐水岩土质古建筑修补材料。
实施例2
按重量份数计，分别称取12份羧甲基丁苯胶乳、30份天然水硬性石灰、8份甲基丙烯酸甲酯、12份丙烯酸、5份丙烯酸丁酯、2份过硫酸铵、45份去离子水，将羧甲基丁苯胶乳和去离子水混合，在温度为65℃，搅拌速度为250r/min下搅拌15min，即得反应液A，在反应液中加入天然水硬性石灰，继续搅拌8min，即得反应液B，在反应液B中加入过硫酸铵，在搅拌速度为450r/min下搅拌8min后，加入甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸和丙烯酸丁酯，继续搅拌7h，即得基体液，用质量分数为25%氨水调节基体液的pH值为7，即得改性天然水硬性石灰；按质量比1∶10∶20将过氧化二异丙苯、马来酸酐和丙酮混合均匀，即得混合溶液，按质量比1∶3将淀粉和混合溶液混合，在温度为85℃，搅拌速度为850r/min下加热搅拌4min，即得混合物料，将混合物料置于双螺杆挤出机中，在温度为175℃，喂料转速为15r/min，双螺杆转速为35r/min下挤出，即得增容剂；按重量份数计，分别称取45份改性天然水硬性石灰、25份沸石、10份玻璃纤维、3份羧甲基纤维素、5份增容剂、110份去离子水，将改性天然水硬性石灰、沸石和去离子水混合，在搅拌速度为150r/min下搅拌2min，即得基体物料，在基体物料中加入玻璃纤维、羧甲基纤维素和增容剂，在搅拌速度为1100r/min下高速搅拌105s，即得高强耐水岩土质古建筑修补材料。
实施例3
按重量份数计，分别称取15份羧甲基丁苯胶乳、40份天然水硬性石灰、10份甲基丙烯酸甲酯、15份丙烯酸、10份丙烯酸丁酯、3份过硫酸铵、50份去离子水，将羧甲基丁苯胶乳和去离子水混合，在温度为70℃，搅拌速度为300r/min下搅拌20min，即得反应液A，在反应液中加入天然水硬性石灰，继续搅拌10min，即得反应液B，在反应液B中加入过硫酸铵，在搅拌速度为500r/min下搅拌10min后，加入甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸和丙烯酸丁酯，继续搅拌8h，即得基体液，用质量分数为25%氨水调节基体液的pH值为8，即得改性天然水硬性石灰；按质量比1∶10∶20将过氧化二异丙苯、马来酸酐和丙酮混合均匀，即得混合溶液，按质量比1∶3将淀粉和混合溶液混合，在温度为90℃，搅拌速度为900r/min下加热搅拌5min，即得混合物料，将混合物料置于双螺杆挤出机中，在温度为180℃，喂料转速为20r/min，双螺杆转速为40r/min下挤出，即得增容剂；按重量份数计，分别称取50份改性天然水硬性石灰、30份沸石、15份玻璃纤维、5份羧甲基纤维素、10份增容剂、120份去离子水，将改性天然水硬性石灰、沸石和去离子水混合，在搅拌速度为200r/min下搅拌3min，即得基体物料，在基体物料中加入玻璃纤维、羧甲基纤维素和增容剂，在搅拌速度为1200r/min下高速搅拌120s，即得高强耐水岩土质古建筑修补材料。
对照例：东莞某公司生产的岩土质古建筑修补材料。
将实施例及对照例制备得到的岩土质古建筑修补材料进行检测，具体检测如下：
凝结时间：参照GB/T1346-2011水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法，先测定胶凝材料的标准稠度，然后在标准稠度下测定初凝、终凝时间。
强度：抗折强度、抗压强度均按JGJ/T70-2009《建筑砂浆强度检验方法》规定的方法进行测定。分别利用辰鑫DKZ-5000型电动抗折试验机和100KN液压万能试验机WE-10测定试件的抗折和抗压强度。
吸水率：将28d龄期的试件在105℃下烘干至恒重，测定质量，然后泡水至恒重，测定质量，最后根据公式计算吸水率。
具体测试结果如表1。
表1性能表征对比表
检测项目 实施例1 实施例2 实施例3 对照例
初凝时间/h 5.5 5.8 5.2 12.0
终凝时间/h 12.0 12.5 12.3 24.0
抗折强度/MPa 2.95 2.91 3.03 0.95
抗压强度/MPa 10.76 10.88 10.92 5.3
吸水率/% 1.6 1.5 1.3 14.0
由表1可知，本发明制备的岩土质古建筑修补材料具有良好的凝结时间、力学性能和耐水性。

Claims (10)

1.一种高强耐水岩土质古建筑修补材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）取羧甲基丁苯胶乳、天然水硬性石灰、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、丙烯酸丁酯、过硫酸铵、去离子水，将羧甲基丁苯胶乳和去离子水混合，搅拌处理，即得反应液A，在反应液中加入天然水硬性石灰，继续搅拌5～10min，即得反应液B，在反应液B中加入过硫酸铵，在搅拌速度为400～500r/min下搅拌5～10min后，加入甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸和丙烯酸丁酯，继续搅拌6～8h，即得基体液，调节基体液的pH值，即得改性天然水硬性石灰；
（2）将过氧化二异丙苯、马来酸酐和丙酮混合均匀，即得混合溶液，将淀粉和混合溶液混合，加热搅拌处理，即得混合物料，将混合物料置于双螺杆挤出机中挤出，即得增容剂；
（3）取改性天然水硬性石灰、沸石、玻璃纤维、羧甲基纤维素、增容剂、去离子水，将改性天然水硬性石灰、沸石和去离子水混合，搅拌处理，即得基体物料，在基体物料中加入玻璃纤维、羧甲基纤维素和增容剂，高速搅拌处理，即得高强耐水岩土质古建筑修补材料。
2.根据权利要求1所述的一种高强耐水岩土质古建筑修补材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的羧甲基丁苯胶乳、天然水硬性石灰、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、丙烯酸丁酯、过硫酸铵、去离子水之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取10～15份羧甲基丁苯胶乳、20～40份天然水硬性石灰、5～10份甲基丙烯酸甲酯、10～15份丙烯酸、1～10份丙烯酸丁酯、1～3份过硫酸铵、40～50份去离子水。
3.根据权利要求1所述的一种高强耐水岩土质古建筑修补材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的搅拌处理步骤为：将羧甲基丁苯胶乳和去离子水混合，在温度为60～70℃，搅拌速度为200～300r/min下搅拌10～20min。
4.根据权利要求1所述的一种高强耐水岩土质古建筑修补材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的调节基体液的pH值步骤为：用质量分数为25%氨水调节基体液的pH值为7～8。
5.根据权利要求1所述的一种高强耐水岩土质古建筑修补材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的过氧化二异丙苯、马来酸酐和丙酮之间的质量比为1∶10∶20。
6.根据权利要求1所述的一种高强耐水岩土质古建筑修补材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的加热搅拌处理步骤为：按质量比1∶3将淀粉和混合溶液混合，在温度为80～90℃，搅拌速度为800～900r/min下加热搅拌3～5min。
7.根据权利要求1所述的一种高强耐水岩土质古建筑修补材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的挤出步骤为：将混合物料置于双螺杆挤出机中，在温度为170～180℃，喂料转速为10～20r/min，双螺杆转速为30～40r/min下挤出。
8.根据权利要求1所述的一种高强耐水岩土质古建筑修补材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的改性天然水硬性石灰、沸石、玻璃纤维、羧甲基纤维素、增容剂、去离子水之间的比例分别为：按重量份数计，分别称取40～50份改性天然水硬性石灰、20～30份沸石、5～15份玻璃纤维、1～5份羧甲基纤维素、1～10份增容剂、100～120份去离子水。
9.根据权利要求1所述的一种高强耐水岩土质古建筑修补材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的搅拌处理步骤为：将改性天然水硬性石灰、沸石和去离子水混合，在搅拌速度为100～200r/min下搅拌1～3min。
10.根据权利要求1所述的一种高强耐水岩土质古建筑修补材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的高速搅拌处理步骤为：在基体物料中加入玻璃纤维、羧甲基纤维素和增容剂，在搅拌速度为1000～1200r/min下高速搅拌90～120s。
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