CN111499334A - 用于结构表面防护的地聚物涂料组合物的制备和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于结构表面防护的地聚物涂料组合物的制备和使用方法，涉及地聚物涂料技术领域。该用于结构表面防护的地聚物涂料组合物的制备方法，所述地聚物涂料组合物由铝硅酸盐先导材料、碱性激发剂与任选的功能性添加剂组成，其中，所述铝硅酸盐先导材料与所述碱性激发剂的质量比例在0.47至0.80之间。本发明中，制备的地聚物涂料，一方面可以消纳固废、节能利废，制备绿色环保的新型建材；另一方面可以借助地聚物的多种优势，弥补传统有机高分子涂料和水泥基无机涂料的诸多不足，从而更好地提高土木建筑结构的耐久性和长期性能，它不易老化、耐候性高、附着力强、无毒无害的性能特点，势必带来不可估量的应用潜力。

Description

用于结构表面防护的地聚物涂料组合物的制备和使用方法

技术领域

本发明涉及地聚物涂料技术领域，具体为用于结构表面防护的地聚物涂料组合物的制备和使用方法。

背景技术

表面防护涂料是混凝土表面处理的最常用材料，被广泛用于提高混凝土结构的耐久性，对预防和控制近海、濒海等含氯盐服役环境中混凝土结构耐久性弊病的效果尤为显著。它经涂覆和固化形成的薄层能为混凝土、钢筋提供防护作用，能改善较好地改善混凝土结构的耐久和长期性能。

以无机胶凝材料为主要粘结剂，辅以水、颜料、填料和添加剂调配而成的涂料称为无机涂料。就土木建筑领域而言，与传统惯用的有机涂料相比，无机涂料具有耐久性高、耐候性好、透气性好、不易老化、粘结强度高和与基层兼容性佳等优势，从而获得越来越高的关注度和越来越多的实际应用。

用于调配无机涂料的无机胶凝材料有多种，水泥、石灰、石膏、水玻璃、菱苦土都位列其中。新型无机胶凝材料也不断涌现，其中地聚物的发展和应用方兴未艾。

地聚物(geopolymer)，全称地质聚合物，主要以工业副产品和废弃物为原料，在碱的激发作用下，由[AlO₄]和[SiO₄]四面体缩聚而成具有三维空间结构的铝硅酸盐无机聚合物。

“地聚物”和“地聚物涂料”并非全新事物。

一方面，地聚物以高强度、高抗渗性、高耐热性、高抗侵蚀性、高粘结性和与无机非金属材质基体的高兼容性而具备作为涂料和修复材料的良好应用潜力。

另一方面，与传统无机胶凝材料相比，地聚物的碳足迹(carbon footprint)和经济成本优势显著，符合可持续发展和绿色经济理念。

再一方面，与传统有机高分子或高聚物涂料和以水泥为主要胶凝组分的无机涂料相比，地聚物防护涂料的绝大多数制备原料属于工业副产品、工业废料或者地方特色材料，总体上而言，具有节能、降耗、减排、环保的优势。更重要的是，地聚物基无机涂料与基体(特别是混凝土基体)在材质上更兼容、物理力学性能和耐久性更佳、使用寿命可望延长5～10年。

截止目前，国内外关于地聚物的研究开展较多，聚焦于以地聚物为主要胶凝成分制备无机建筑涂料的工作尚不多见。其中，《一种地质聚合物干粉涂料及制备方法和使用方法》(申请号：201310491341.9)和《一种以地质聚合物材料为成膜物质的无机涂料》(申请号：201110127465.X)公开了以偏高岭土为地聚物合成原料制备及使用无机涂料的方法。这两项专利虽然保护了以偏高岭土基地聚物为主要成膜物质的建筑物墙面用装饰涂料的技术创新，但将地聚物无机涂料用于结构表面防护，特别是混凝土结构，尤其是用于恶劣服役环境中混凝土结构(如海工混凝土结构)表面防护的相关研究尚鲜有报道。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了用于结构表面防护的地聚物涂料组合物的制备和使用方法，解决了现有技术中存在的缺陷与不足。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：用于结构表面防护的地聚物涂料组合物的制备方法，所述地聚物涂料组合物由铝硅酸盐先导材料、碱性激发剂与任选的功能性添加剂组成，其中，所述铝硅酸盐先导材料与所述碱性激发剂的质量比例在0.47至0.80之间；

所述铝硅酸盐先导材料由以下质量分数材料组成：粉煤灰45％～78％、粒化高炉矿渣微粉21％～33％、偏高岭土16％～28％和普通硅酸盐水泥6％～12％；

所述碱性激发剂由以下质量分数材料组成：水23％～38％、水玻璃46％～73％、碱金属氢氧化物18％～32％和碳酸钠9％～17％；

其中，所述地聚物涂料组合物的制备方法包括以下步骤：

1)将组成所述铝硅酸盐先导材料的各个成分予以计量，在15～35℃的温度下拌合均匀，形成的铝硅酸盐先导材料组分作为固相部分；

2)按既定比例称量碱性激发剂、功能性添加剂和水，提前至少24h将碳酸钠、碱金属氢氧化物溶解于水玻璃中，然后将功能性添加剂及水混入其中，在15～35℃的温度下拌合至均匀一致，搅拌时间不少于5min，得到液相部分；

3)按设计的比例，对固、液两大部分予以拌合均匀，可采用强制式搅拌设备，拌合得时间应不少于5min，直至混料的颜色均匀一致、无颗粒结团现象停止搅拌，即得地聚物涂料组合物。

优选的，所述水玻璃为钠水玻璃或钾水玻璃或钠水玻璃与钾水玻璃的混合物。

优选的，所述碱金属氢氧化物为氢氧化钠或氢氧化钾。

优选的，所述功能性添加剂包含减水剂、聚合物纤维、减缩剂和/或膨胀剂、调凝剂、骨料、耐碱惰性颜料，其中，减水剂可选为聚羧酸高性能减水剂，聚合物纤维可选为聚丙烯纤维，骨料可选为纳米碳酸钙和/或石英细砂。

用于结构表面防护的地聚物涂料组合物的使用方法，所述地聚物涂料组合物的使用方法包括以下步骤：

1)选择刷涂、辊涂或者喷涂工艺中的一种进行涂覆，在涂覆施工时，应避免大风天气，基层须事先充分润湿并达到表干状态，特别光滑的表面须作粗糙化处理，可使用地聚物涂料进行甩浆毛化；

2)可多遍分层涂覆，待下层表干后涂覆上层，其涂覆层总厚度控制在1.5～3.0mm；

3)涂覆完毕之后，待涂覆面层终凝后可洒水或喷雾进行养护。

(三)有益效果

本发明提供了用于结构表面防护的地聚物涂料组合物的制备和使用方法。具备以下有益效果：

1、本发明中，通过碱激发工业副产品、固废物和地方特色材料，制备地聚物涂料，一方面可以消纳固废、节能利废，制备绿色环保的新型建材；另一方面可以借助地聚物的多种优势，弥补传统有机高分子涂料和水泥基无机涂料的诸多不足，从而更好地提高土木建筑结构的耐久性和长期性能，它不易老化、耐候性高、附着力强、无毒无害的性能特点，势必带来不可估量的应用潜力。

2、本发明中，该涂料组合物主要用于混凝土和金属表面防护，能防止材料腐蚀并延长其使用寿命，适用于土木工程和工业与民用建筑工程领域，特别适用于恶劣服役环境中的混凝土结构及其内部配筋的表面防护，这种涂料由固、液两大组分构成，经现场混匀、调配后，采用刷涂、辊涂或喷涂方式施工，硬化后即与基体紧密结合并形成能长期抵御外部物理、化学及生物作用的“第一道防线”。

3、本发明中，与一般意义上的装饰涂料有较大区别，主要适用于恶劣服役环境中结构实体的保护，从而延长结构的服役寿命，就原料而言，地聚物涂料的原料非常多，多数研究和应用都以单组分为主，本申请基于优势互补的设计思路，采用多种铝硅酸盐原料的组合方式制备地聚物，通过多种添加剂和助剂对地聚物涂料加以改性，使得地聚物涂料组合物流变性能好、凝结时间合适、强度高、附着力好、适用于结构表面防护；通过掺入多种添加剂，还可以优化地聚物涂料的工作性、抗裂性能、固化时间、微观结构、色泽观感等。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供用于结构表面防护的地聚物涂料组合物的制备方法，该地聚物涂料组合物由铝硅酸盐先导材料、碱性激发剂与任选的功能性添加剂组成，其中，铝硅酸盐先导材料与碱性激发剂的质量比例在0.47至0.80之间；

铝硅酸盐先导材料由以下质量分数材料组成：粉煤灰45％～78％、粒化高炉矿渣微粉21％～33％、偏高岭土16％～28％和普通硅酸盐水泥6％～12％；

碱性激发剂由以下质量分数材料组成：水23％～38％、水玻璃46％～73％、碱金属氢氧化物18％～32％和碳酸钠9％～17％；

其中，地聚物涂料组合物的制备方法包括以下步骤：

1)将组成铝硅酸盐先导材料的各个成分予以计量，在15～35℃的温度下拌合均匀，形成的铝硅酸盐先导材料组分作为固相部分；

2)按既定比例称量碱性激发剂、功能性添加剂和水，提前至少24h将碳酸钠、碱金属氢氧化物溶解于水玻璃中，然后将功能性添加剂及水混入其中，在15～35℃的温度下拌合至均匀一致，搅拌时间不少于5min，得到液相部分；

3)按设计的比例，对固、液两大部分予以拌合均匀，可采用强制式搅拌设备，拌合得时间应不少于5min，直至混料的颜色均匀一致、无颗粒结团现象停止搅拌，即得地聚物涂料组合物。

水玻璃为钠水玻璃或钾水玻璃或钠水玻璃与钾水玻璃的混合物；碱金属氢氧化物为氢氧化钠或氢氧化钾；功能性添加剂包含减水剂、聚合物纤维、减缩剂和/或膨胀剂、调凝剂、骨料、耐碱惰性颜料，其中，减水剂可选为聚羧酸高性能减水剂，聚合物纤维可选为聚丙烯纤维，骨料可选为纳米碳酸钙和/或石英细砂。

用于结构表面防护的地聚物涂料组合物的使用方法，该地聚物涂料组合物的使用方法包括以下步骤：

1)选择刷涂、辊涂或者喷涂工艺中的一种进行涂覆，在涂覆施工时，应避免大风天气，基层须事先充分润湿并达到表干状态，特别光滑的表面须作粗糙化处理，可使用地聚物涂料进行甩浆毛化；

2)可多遍分层涂覆，待下层表干后涂覆上层，其涂覆层总厚度控制在1.5～3.0mm；

3)涂覆完毕之后，待涂覆面层终凝后可洒水或喷雾进行养护。

本发明中，涂覆地聚物涂层执行多次方法循环的方法中，在每次方法循环之前和/或之后施加一个或多个有机涂层以形成复合多层涂层，其有机涂层优选选自硅烷或硅氧烷涂层。

本发明，通过碱激发作用，主要以无机质工业副产品或废料为原料制备一种水性地聚物无机涂料，该涂料具有耐久性、耐候性、安全性、无污染、不易脱落、不易与外部环境发生化学反应且对人体无害等应用优势，特别适用于土木工程与建筑结构的表面防护、处理和修复。

在碱金属硅酸盐、碱金属氢氧化物及碱金属碳酸盐等水溶液的激发下，粉煤灰、粒化高炉矿渣微粉、偏高岭土等富含铝硅酸盐的原料发生缩合反应，生成主要由AlO₄和SiO₄单体构成且具有三维稳定结构的高聚物，不同于有机高分子涂料，本发明中的新型无机地聚物涂料，更适用于土木建筑结构的表面防护和修复，它不易老化、耐候性高、附着力强、无毒无害的性能特点，势必带来不可估量的应用潜力。

经过反复试验论证，本发明通过钠(钾)水玻璃、氢氧化钠(钾)和碳酸钠激发由粉煤灰、粒化高炉矿渣微粉、偏高岭土及普通硅酸盐水泥构成的多组分铝硅酸盐先导体系，通过优化和调整配合比，可以得到流变性能好、凝结时间合适、强度高、附着力好的适用于结构表面防护的地聚物涂料，通过掺入多种添加剂，可以优化地聚物涂料的工作性、抗裂性能、固化时间、微观结构、色泽观感等。

实施例一：

原材料及配合比(重量比)：铝硅酸盐先导材料(即固相组分)的总量按100份计，其中偏高岭土占25份，粉煤灰占45份，粒化高炉矿渣微粉占25份，普通硅酸盐水泥占5份；液相组分由碱性激发剂溶液和功能性添加剂构成；碱性激发剂溶液的总量按100份计，其中钠水玻璃(二氧化硅含量为27.5％，氧化钠含量为8.7％)占90份，氢氧化钠占4份，水占6份；功能性添加剂为聚羧酸高性能减水剂和聚丙烯纤维，分别占碱性激发剂溶液总量的1.55％和0.05％，其中固相组分与液相组分之比为0.775:1。

主要性能指标：初凝时间为65min，终凝时间为126min，3d标养抗压强度16.8MPa，28d标养抗压强度为38.4MPa，28d标养粘结强度2.48MPa，水渗透系数为0.24×10^-8cm/s(被保护混凝土的水渗透系数为0.83×10^-8cm/s)。由于该地聚物涂料的各项指标符合使用要求和相关标准规定，尤其是渗透系数较被保护混凝土低得多，故前者能为后者提供较为可靠的保护，使之免受海水侵蚀。

用途：用于海防工程混凝土表面防护。

实施例二：

原材料及配合比(重量比)：铝硅酸盐先导材料由偏高岭土、粉煤灰和普通硅酸盐水泥构成，三者的占比依次为45％、45％和10％，液相组分由碱性激发剂溶液和功能性添加剂构成，碱性激发剂包括水、氢氧化钾和钾水玻璃(二氧化硅含量为24.6％，氧化钾含量为12.7％)。

碱性激发剂和铝硅酸盐先导材料的比例通过控制关键氧化物的总摩尔比计算确定，其中，氧化硅与氧化铝的总摩尔比为2.9，氧化钾与氧化硅的总摩尔比为0.27，水与氧化钾的总摩尔比为11.5。

以高效减水剂和聚丙烯纤维作为添加剂，石英砂(细度模数为1.2)作为骨料，骨料用量为铝硅酸盐先导材料、碱性激发剂和添加总量的2倍，高效减水剂的掺量为铝硅酸盐先导材料总量的1％，聚丙烯纤维的体积掺量为铝硅酸盐先导材料总量的0.2％。

主要性能指标：初凝时间为78min，终凝时间为135min，28d标养抗压强度为42.6MPa、粘结强度为2.46MPa，56d标养电通量为523C(混凝土的电通量为915C)，由于该地聚物涂料的物理力学性能符合应用要求，且达到相关国标规定，特别是抵抗氯离子渗透的能力比混凝土高得多，能较好地保护混凝土内部钢筋免受腐蚀。

用途：用于混凝土结构内部配筋防腐。

本发明中，在以上实施例中的一些物理性能指标是通过以下描述的方法测定的。

凝结固化时间是通过维卡仪法方法测定的。

标养抗压强度是通过20mm立方体抗压方法测定的。

地聚物涂层的标养电通量是通过快速法测定的。

水渗透性和氯离子渗透性是通过抗渗仪方法测定的。

地聚物涂层与混凝土服役环境相适应的耐久性是通过人工加速老化方法测定的。

粘结强度是通过拉拔方法测定的。

体积稳定性是通过比长仪测试方法测定的。

柔韧性是通过断后伸长率测试方法测定的。

流变性能是通过粘度计测试方法测定的。

工作性是通过流动度方法(跳桌法)测定的。

抗裂性能是通过约束开裂方法测定的。

色泽观感是通过肉眼观察方法测定的。

微观结构是通过扫描电子显微镜方法测定的。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.用于结构表面防护的地聚物涂料组合物的制备方法，其特征在于：所述地聚物涂料组合物由铝硅酸盐先导材料、碱性激发剂与任选的功能性添加剂组成，其中，所述铝硅酸盐先导材料与所述碱性激发剂的质量比例在0.47至0.80之间；

所述铝硅酸盐先导材料由以下质量分数材料组成：粉煤灰45％～78％、粒化高炉矿渣微粉21％～33％、偏高岭土16％～28％和普通硅酸盐水泥6％～12％；

所述碱性激发剂由以下质量分数材料组成：水23％～38％、水玻璃46％～73％、碱金属氢氧化物18％～32％和碳酸钠9％～17％；

其中，所述地聚物涂料组合物的制备方法包括以下步骤：

1)将组成所述铝硅酸盐先导材料的各个成分予以计量，在15～35℃的温度下拌合均匀，形成的铝硅酸盐先导材料组分作为固相部分；

2)按既定比例称量碱性激发剂、功能性添加剂和水，提前至少24h将碳酸钠、碱金属氢氧化物溶解于水玻璃中，然后将功能性添加剂及水混入其中，在15～35℃的温度下拌合至均匀一致，搅拌时间不少于5min，得到液相部分；

3)按设计的比例，对固、液两大部分予以拌合均匀，可采用强制式搅拌设备，拌合得时间应不少于5min，直至混料的颜色均匀一致、无颗粒结团现象停止搅拌，即得地聚物涂料组合物。

2.根据权利要求1所述的用于结构表面防护的地聚物涂料组合物的制备方法，其特征在于：所述水玻璃为钠水玻璃或钾水玻璃或钠水玻璃与钾水玻璃的混合物。

3.根据权利要求1所述的用于结构表面防护的地聚物涂料组合物的制备方法，其特征在于：所述碱金属氢氧化物为氢氧化钠或氢氧化钾。

4.根据权利要求1所述的用于结构表面防护的地聚物涂料组合物的制备方法，其特征在于：所述功能性添加剂包含减水剂、聚合物纤维、减缩剂和/或膨胀剂、调凝剂、骨料、耐碱惰性颜料，其中，减水剂可选为聚羧酸高性能减水剂，聚合物纤维可选为聚丙烯纤维，骨料可选为纳米碳酸钙和/或石英细砂。

5.用于结构表面防护的地聚物涂料组合物的使用方法，其特征在于：所述地聚物涂料组合物的使用方法包括以下步骤：

1)选择刷涂、辊涂或者喷涂工艺中的一种进行涂覆，在涂覆施工时，应避免大风天气，基层须事先充分润湿并达到表干状态，特别光滑的表面须作粗糙化处理，可使用地聚物涂料进行甩浆毛化；

2)可多遍分层涂覆，待下层表干后涂覆上层，其涂覆层总厚度控制在1.5～3.0mm；

3)涂覆完毕之后，待涂覆面层终凝后可洒水或喷雾进行养护。