CN111454018A - 一种高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆，主要应用于水工建筑物过流部位的表面修补加固和防护，按重量份数由15‑20份的环氧树脂浆料、2‑4份活性稀释剂、6‑8份固化混合物、70‑80份填料混合物以及增韧改性材料混合拌制而成；填料混合物有以下重量百分比的原料混合而成：90%的级配SiC、3%‑5%的铸石粉、4%‑6%的石墨精粉、0.5%的气相白炭黑、0.5%的金红石钛白粉；增韧改性材料由以下原料混合而成：占环氧树脂聚合物砂浆总体质量的0.2‰‑0.4‰的SE1430型石墨烯、占环氧树脂聚合物砂浆总体质量的1.5‰‑2‰的5mm短切碳纤维丝、占环氧树脂聚合物砂浆总体质量的0.5‰的分散剂和5‰水；该环氧树脂聚合物砂浆在保证良好的抗压强度和粘接强度的基础上具有良好的韧性和抗冲磨性能。

Description

一种高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆及其应用方法

技术领域

本发明涉及环氧树脂砂浆技术领域，应用于水工建筑物过流部位的表面修补加固和防护，特别是一种高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆及其应用方法。

背景技术

水利工程建筑物的泄洪流道、消力池、护坦等过流部位经常受到高速含沙水流的冲刷，尤其是黄河中下游的水利枢纽，受高流速、高含沙水流影响，过流部位混凝土表面容易出现磨蚀、掉块、冲坑等缺陷，为保证水工建筑物的安全，需要使用修补材料及时对产生的缺陷进行修补，延长其使用寿命。

目前国内水利枢纽大多采用环氧砂浆作为修补材料，环氧砂浆材料具有高强度、抗冲磨、与原基础面粘接强度大等优点，广泛用于水工建筑物过流部位的修补和防护。国内现有的环氧砂浆种类较多，但基本都是以环氧树脂为主要成分，使用石英砂作为主要填料，添加增塑剂、稀释剂等辅料制作而成的聚合物砂浆，如中国发明专利CN201710041282.3提供了一种环氧砂浆的制备方法及采用该方法制备的环氧砂浆、中国发明专利CN201310256623.0提供了一种抗冲磨环氧砂浆及其制备方法。

国内现有的环氧砂浆种类虽然较多，即便是目前具有优良性能的环氧砂浆还普遍存在以下几方面不足之处：1.使用石英砂作为主要填料，利用环氧树脂固化粘接作用，虽然在一定程度上提升了修补材料的抗冲磨性能，但仍然不足，水工建筑物过流部位在高含沙（>200kg/m³）、高流速（>30m/s）水流作用下，修补表面经过6-8个汛期泄洪冲刷后，部分会被磨蚀掉，需要重新进行修补；2.现有环氧砂浆材料韧性和抗冲击变形能力较以往性能虽有大幅提升，但在受到推移质高速水流冲击和磨蚀作用下，会产生较严重的破坏，现有高性能环氧砂浆不能满足推移质高速水流冲刷运行要求：3.现有环氧砂浆材料受材料性能和施工工艺影响，修补厚度一般大于10mm，无法满足薄层修补需要。

发明内容

为了克服上述不足，本发明的目的是要提供一种高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆，该环氧树脂聚合物砂浆在保证良好的抗压强度和粘接强度的基础上具有良好的韧性和抗冲磨性能，同时材料和易性较好，能够满足在高含沙（>200kg/m³）、高流速（>30m/s），同时受推移质影响的工况下水工建筑物过流部位的修补和防护要求，也能够满足要求修补厚度小于5mm的闸门、门槽、底板等金属结构表面的防护要求。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆，按重量份数由15-20份的环氧树脂浆料、2-4份活性稀释剂、6-8份固化混合物、70-80份填料混合物以及增韧改性材料混合拌制而成；

所述填料混合物有以下重量百分比的原料混合而成：90%的级配SiC、3%-5%的铸石粉、4%-6%的石墨精粉、0.5%的气相白炭黑、0.5%的金红石钛白粉；采用级配SiC作为主要填料，填料在砂浆中起到填充、抗压、抗冲磨的作用，相比于普通环氧砂浆使用的石英砂，SiC具有更高的硬度，其外形为规则六方晶体，外观性能更加优异，采用经过精心优化的级配粒径配比，通过环氧树脂的固化作用形成稳定的三维网状结构，从而获得耐磨聚合物砂浆；

所述增韧改性材料由以下原料混合而成：占环氧树脂聚合物砂浆总体质量的0.2‰-0.4‰的SE1430型石墨烯、占环氧树脂聚合物砂浆总体质量的1.5‰-2‰的5mm短切碳纤维丝、占环氧树脂聚合物砂浆总体质量的0.5‰的分散剂和5‰水；掺入适量的SE1430型石墨烯，能增加粘接剂与骨料之间的黏结性，其桥联效应能够阻碍材料内部微观裂纹的发生和扩大、作为高硬度纳米材料能够进一步填充聚合物砂浆中的微小孔隙，通过多方面作用，整体改进环氧树脂聚合物砂浆的力学性能，达到增强增韧的作用；掺入适量的短切碳纤维丝，碳纤维丝具有抗拉强度高、化学稳定性好、质量轻、膨胀系数小等优点，在环氧树脂聚合物砂浆中掺入适量的碳纤维丝能够阻碍材料内部微观裂纹的发生和扩大，提升材料的抗折弯强度和整体稳定性；

优选的，所述环氧树脂浆料由以下重量百分比的原料混合而成：70%-80%的双酚A型环氧树脂E51、4%-8%的羟基液体丁腈橡胶、6%-8%的有机膨润土、8-10%的邻苯二甲酸二辛酯；

优选的，所述活性稀释剂由以下重量百分比的原材料混合而成：10%-14%的环氧氯丙烷、45%-55%的脂肪醇、6%-10%的多聚醚脂、25%-35%的三氯丙烷；

优选的，所述固化混合物由以下重量百分比的原料混合制成：40%-45%的改性酚醛胺、35%-40%的间苯二甲胺、5%的2-（3，4-环氧环乙烷基）乙基三乙氧基硅烷、5%的间苯二酚、10%的KH560偶联剂；

具体的，所述改性酚醛胺由以下重量百分比原料按以下方法得到：先将40%乙二胺、30%间苯二胺和30%硫脲混合，于50℃条件下搅拌溶解，然后加热至130℃，回流反应3h，反应结束后降温至50℃，回流反应1h，反应结束后，冷却得到硫脲改姓胺；将40%甲苯二甲胺、34%硫脲改性胺和20%长烷基链酚混合，于60℃条件下搅拌，搅拌过程中加入6%多聚甲醛，加热至100℃，回流反应3h，然后冷却，得到改性酚醛胺；

具体的，所述级配SiC各粒径所占重量比为：8目15%、24目20%、46目22.5%、80目22.5%、100目15%、200目5%；

一种高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆的应用方法，包括以下步骤：

（1）按重量百分比取70%-80%的双酚A型环氧树脂E51、4%-8%的羟基液体丁腈橡胶、6%-8%的有机膨润土、8-10%的邻苯二甲酸二辛酯，混合后搅拌均匀，得到环氧树脂浆料，备用；

（2）按重量百分比取10%-14%的环氧氯丙烷、45%-55%的脂肪醇、6%-10%的多聚醚脂、25%-35%的三氯丙烷，混合后搅拌均匀，得到活性稀释剂，备用；

（3）按重量百分比取40%-45%的改性酚醛胺、35%-40%的间苯二甲胺、5%的2-（3，4-环氧环乙烷基）乙基三乙氧基硅烷、5%的间苯二酚、10%的KH560偶联剂，混合后搅拌均匀，得到固化混合物，备用；

（4）按重量百分比取90%的级配SiC、3%-5%的铸石粉、4%-6%的石墨精粉、0.5%的气相白炭黑、0.5%的金红石钛白粉，混合后搅拌均匀，得到填料混合物，备用；

（5）按环氧树脂聚合物砂浆总重量的百分比取：0.2‰-0.4‰的SE1430型石墨烯、1.5‰-2‰的5mm短切碳纤维丝、0.5‰的分散剂和5‰的水，混合后搅拌均匀，使石墨烯和碳纤维丝完全分散，加热蒸发水分，晾干备用；

（6）施工前，使用电动工具对修补表面进行处理，清理表面的灰尘、乳皮、松动骨料等；

（7）按重量份数取65份环氧树脂浆料、10份活性稀释剂、25份固化混合物，混合搅拌均匀，制成环氧基液，均匀涂刷在修补表面，并陈化20-60min；

（8）按重量份数取15-20份的环氧树脂浆料、2-4份活性稀释剂、6-8份固化混合物、70-80份填料混合物以及微量增韧改性材料，混合搅拌均匀，制成环氧树脂聚合物砂浆；

（9）将环氧树脂聚合物砂浆均匀涂抹在修补表面，并使用工具压实抹平。

与现有技术相比，本发明的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆及其应用方法具备以下有益效果：

1. 本发明的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆与现有环氧树脂砂浆相比，除具有现有环氧砂浆强度高、粘接强度大、方便施工的优点外，还具有很好的韧性和抗冲耐磨性能，针对受高速含沙水流和推移质影响严重的水工建筑物过流部位，具有很好的修补和防护作用；同时本发明提供的环氧树脂聚合物砂浆为超耐磨修补材料，和易性较好，能够满足5mm以下的薄层修补和防护需要，适用于水工建筑物闸门、门槽、底板等金属结构表面的防护。

2. 本发明的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆采用级配SiC作为主要填料，填料在砂浆中起到填充、抗压、抗冲磨的作用，相比于普通环氧砂浆使用的石英砂，SiC具有更高的硬度，其外形为规则六方晶体，外观性能更加优异，采用经过精心优化的级配粒径配比，通过环氧树脂的固化作用形成稳定的三维网状结构，从而获得超耐磨聚合物砂浆。

3. 本发明的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆中掺入了适量的SE1430型石墨烯，石墨烯为非活性片状碳纳米材料，是目前已知强度最高的材料之一，同时具有良好的韧性，石墨烯纳米片材能增加粘接剂与骨料之间的黏结性，其桥联效应能够阻碍材料内部微观裂纹的发生和扩大、作为高硬度纳米材料能够进一步填充聚合物砂浆中的微小孔隙，通过多方面作用，整体改进环氧树脂聚合物砂浆的力学性能，达到增强增韧的作用，石墨烯还能够改善了环氧树脂聚合物砂浆的和易性，使材料流动性性能提高，方便施工，还能够保证压实效果，进一步提升修补质量。

4. 本发明的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆中掺入了适量的短切碳纤维丝，碳纤维丝具有抗拉强度高、化学稳定性好、质量轻、膨胀系数小等优点，在环氧树脂聚合物砂浆中掺入适量的碳纤维丝能够阻碍材料内部微观裂纹的发生和扩大，提升材料的抗折弯强度和整体稳定性。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1

（1）按重量百分比取70%的双酚A型环氧树脂E51、4%的羟基液体丁腈橡胶、6%的有机膨润土、8的邻苯二甲酸二辛酯，混合后搅拌均匀，得到环氧树脂浆料，备用；

（2）按重量百分比取10%的环氧氯丙烷、45%的脂肪醇、6%的多聚醚脂、25%的三氯丙烷，混合后搅拌均匀，得到活性稀释剂，备用；

（3）按重量百分比取40%的改性酚醛胺、35%的间苯二甲胺、5%的2-（3，4-环氧环乙烷基）乙基三乙氧基硅烷、5%的间苯二酚、10%的KH560偶联剂，混合后搅拌均匀，得到固化混合物，备用；

（4）按重量百分比取90%的级配SiC、3%的铸石粉、4%的石墨精粉、0.5%的气相白炭黑、0.5%的金红石钛白粉，混合后搅拌均匀，得到填料混合物，备用；

（5）按环氧树脂聚合物砂浆总重量的百分比取：0.2‰的SE1430型石墨烯、1.5‰的5mm短切碳纤维丝、0.5‰的分散剂和5‰的水，混合后搅拌均匀，使石墨烯和碳纤维丝完全分散，加热蒸发水分，晾干备用；

（6）按重量份数取15份的环氧树脂浆料、2份活性稀释剂、6份固化混合物、70份填料混合物以及微量增韧改性材料，混合搅拌均匀，制成环氧树脂聚合物砂浆；将得到的环氧树脂聚合物砂浆进行性能检测，结果如表1。

实施例2

（1）按重量百分比取75%的双酚A型环氧树脂E51、6%的羟基液体丁腈橡胶、7%的有机膨润土、9%的邻苯二甲酸二辛酯，混合后搅拌均匀，得到环氧树脂浆料，备用；

（2）按重量百分比取12%的环氧氯丙烷、50%的脂肪醇、8%的多聚醚脂、30%的三氯丙烷，混合后搅拌均匀，得到活性稀释剂，备用；

（3）按重量百分比取42%的改性酚醛胺、38%的间苯二甲胺、5%的2-（3，4-环氧环乙烷基）乙基三乙氧基硅烷、5%的间苯二酚、10%的KH560偶联剂，混合后搅拌均匀，得到固化混合物，备用；

（4）按重量百分比取90%的级配SiC、4%的铸石粉、5%的石墨精粉、0.5%的气相白炭黑、0.5%的金红石钛白粉，混合后搅拌均匀，得到填料混合物，备用；

（5）按环氧树脂聚合物砂浆总重量的百分比取：0.3‰的SE1430型石墨烯、1.7‰的5mm短切碳纤维丝、0.5‰的分散剂和5‰的水，混合后搅拌均匀，使石墨烯和碳纤维丝完全分散，加热蒸发水分，晾干备用；

（6）按重量份数取18份的环氧树脂浆料、3份活性稀释剂、7份固化混合物、75份填料混合物以及微量增韧改性材料，混合搅拌均匀，制成环氧树脂聚合物砂浆；将得到的环氧树脂聚合物砂浆进行性能检测，结果如表1所示。

实施例3

（1）按重量百分比取80%的双酚A型环氧树脂E51、8%的羟基液体丁腈橡胶、8%的有机膨润土、10%的邻苯二甲酸二辛酯，混合后搅拌均匀，得到环氧树脂浆料，备用；

（2）按重量百分比取14%的环氧氯丙烷、55%的脂肪醇、10%的多聚醚脂、35%的三氯丙烷，混合后搅拌均匀，得到活性稀释剂，备用；

（3）按重量百分比取45%的改性酚醛胺、40%的间苯二甲胺、5%的2-（3，4-环氧环乙烷基）乙基三乙氧基硅烷、5%的间苯二酚、10%的KH560偶联剂，混合后搅拌均匀，得到固化混合物，备用；

（4）按重量百分比取90%的级配SiC、5%的铸石粉、6%的石墨精粉、0.5%的气相白炭黑、0.5%的金红石钛白粉，混合后搅拌均匀，得到填料混合物，备用；

（5）按环氧树脂聚合物砂浆总重量的百分比取： 0.4‰的SE1430型石墨烯、2‰的5mm短切碳纤维丝、0.5‰的分散剂和5‰的水，混合后搅拌均匀，使石墨烯和碳纤维丝完全分散，加热蒸发水分，晾干备用；

（6）按重量份数取20份的环氧树脂浆料、4份活性稀释剂、8份固化混合物、80份填料混合物以及微量增韧改性材料，混合搅拌均匀，制成环氧树脂聚合物砂浆；将得到的环氧树脂聚合物砂浆进行性能检测，结果如表1所示。

表1

由表1可以看出，本发明的实施例1/2/3得到的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆在抗压强度上可以达到98MPa以上，粘接强度达到4.0MPa以上，抗冲磨强度达到418 h/（kg/m²）以上，抗折弯强度达到26.0MPa以上；通过表1还可以看出，本发明的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆的稳定性很高，各项数据均差距不大，可以大面积推广应用。

对比例

利用本发明提供的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆和中国发明专利号为CN201410510917.6提供的一种环氧树脂聚合物砂浆进行了材料对比试验。

在国内某水利枢纽排沙洞出水口进行了对比试验，本发明提供的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆，修补厚度为5mm，中国发明专利号为CN201410510917.6提供的一种环氧树脂聚合物砂浆，修补厚度为10mm。经过3个月的泄洪排沙运行，本发明提供的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆修补面未出现掉块、冲坑等缺陷，平均磨蚀厚度约0.5mm，中国发明专利号为CN201410510917.6提供的一种环氧树脂聚合物砂浆约1/2的修补层被完全冲掉，剩余1/2的修补层平均磨蚀厚度约4mm。

经对比本发明提供的环氧树脂聚合物砂浆与现有环氧树脂砂浆相比，除具有现有环氧砂浆强度高、粘接强度大、方便施工的优点外，还具有很好的韧性和抗冲耐磨性能，针对受高速含沙水流和推移质影响严重的水工建筑物过流部位，具有很好的修补和防护作用；同时本发明提供的环氧树脂修补材料为超耐磨修补材料，和易性较好，能够满足5mm以下的薄层修补和防护需要，适用于水工建筑物闸门、门槽、底板等金属结构表面的防护。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆，其特征在于，按重量份数由15-20份的环氧树脂浆料、2-4份活性稀释剂、6-8份固化混合物、70-80份填料混合物以及增韧改性材料混合拌制而成；

所述填料混合物有以下重量百分比的原料混合而成：90%的级配SiC、3%-5%的铸石粉、4%-6%的石墨精粉、0.5%的气相白炭黑、0.5%的金红石钛白粉；

所述增韧改性材料由以下原料混合而成：占环氧树脂聚合物砂浆总体质量的0.2‰-0.4‰的SE1430型石墨烯、占环氧树脂聚合物砂浆总体质量的1.5‰-2‰的5mm短切碳纤维丝、占环氧树脂聚合物砂浆总体质量的0.5‰的分散剂和5‰水。

2.根据权利要求1所述的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆，其特征在于，所述环氧树脂浆料由以下重量百分比的原料混合而成：70%-80%的双酚A型环氧树脂E51、4%-8%的羟基液体丁腈橡胶、6%-8%的有机膨润土、8-10%的邻苯二甲酸二辛酯。

3.根据权利要求1所述的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆，其特征在于，所述活性稀释剂由以下重量百分比的原材料混合而成：10%-14%的环氧氯丙烷、45%-55%的脂肪醇、6%-10%的多聚醚脂、25%-35%的三氯丙烷。

4.根据权利要求1所述的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆，其特征在于，所述固化混合物由以下重量百分比的原料混合制成：40%-45%的改性酚醛胺、35%-40%的间苯二甲胺、5%的2-（3，4-环氧环乙烷基）乙基三乙氧基硅烷、5%的间苯二酚、10%的KH560偶联剂。

5.根据权利要求4所述的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆，其特征在于，所述改性酚醛胺由以下重量百分比原料按以下方法得到：先将40%乙二胺、30%间苯二胺和30%硫脲混合，于50℃条件下搅拌溶解，然后加热至130℃，回流反应3h，反应结束后降温至50℃，回流反应1h，反应结束后，冷却得到硫脲改姓胺；将40%甲苯二甲胺、34%硫脲改性胺和20%长烷基链酚混合，于60℃条件下搅拌，搅拌过程中加入6%多聚甲醛，加热至100℃，回流反应3h，然后冷却，得到改性酚醛胺。

6.根据权利要求1所述的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆，其特征在于，所述级配SiC各粒径所占重量比为：8目15%、24目20%、46目22.5%、80目22.5%、100目15%、200目5%。

7.一种如权利要求6所述的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）按重量百分比取70%-80%的双酚A型环氧树脂E51、4%-8%的羟基液体丁腈橡胶、6%-8%的有机膨润土、8-10%的邻苯二甲酸二辛酯，混合后搅拌均匀，得到环氧树脂浆料，备用；

（2）按重量百分比取10%-14%的环氧氯丙烷、45%-55%的脂肪醇、6%-10%的多聚醚脂、25%-35%的三氯丙烷，混合后搅拌均匀，得到活性稀释剂，备用；

（3）按重量百分比取40%-45%的改性酚醛胺、35%-40%的间苯二甲胺、5%的2-（3，4-环氧环乙烷基）乙基三乙氧基硅烷、5%的间苯二酚、10%的KH560偶联剂，混合后搅拌均匀，得到固化混合物，备用；

（4）按重量百分比取90%的级配SiC、3%-5%的铸石粉、4%-6%的石墨精粉、0.5%的气相白炭黑、0.5%的金红石钛白粉，混合后搅拌均匀，得到填料混合物，备用；

（5）按环氧树脂聚合物砂浆总重量的百分比取：0.2‰-0.4‰的SE1430型石墨烯、1.5‰-2‰的5mm短切碳纤维丝、0.5‰的分散剂和5‰的水，混合后搅拌均匀，使石墨烯和碳纤维丝完全分散，加热蒸发水分，晾干备用；

（6）施工前，使用电动工具对修补表面进行处理，清理表面的灰尘、乳皮、松动骨料等；

（7）按重量份数取65份环氧树脂浆料、10份活性稀释剂、25份固化混合物，混合搅拌均匀，制成环氧基液，均匀涂刷在修补表面，并陈化20-60min；

（8）按重量份数取15-20份的环氧树脂浆料、2-4份活性稀释剂、6-8份固化混合物、70-80份填料混合物以及增韧改性材料，混合搅拌均匀，制成环氧树脂聚合物砂浆；

（9）将环氧树脂聚合物砂浆均匀涂抹在修补表面，并使用工具压实抹平。