CN111960784B - 高强度混凝土快速加固修补材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高强度混凝土快速加固修补材料及其制备方法，由包含以下组分及其重量份含量的原料制备而成：无机胶凝粉料100份，矿物掺合料10‑50份，促粘乳胶粉10‑30份，改性分散触变剂1‑5份，砂100‑300份、短纤维8‑15份以及水50‑90份。与现有技术相比，本发明修补材料具有修补、加固、防渗、防护等作用，凝结固化时间短，且凝固时间可根据需要调整，凝结后强度发展快，适用于快速修补，具有很好的应用前景。

Description

高强度混凝土快速加固修补材料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种高强度混凝土快速加固修补材料及其制备方法。

背景技术

在现今的城市建设中，由于混凝土具有良好的力学性能及耐久性能被广泛应用于港口、大坝、公路、桥梁、市政等现代化工程建设中。但在混泥土结构的服役过程中，经常会受到各种环境因素的影响，例如大气、水等物理、化学或生物的侵蚀作用以及因温度和湿度变化而引起的收缩和膨胀作用，还要经受着多种动荷载和静荷载的作用，这会使混凝土产生裂缝、脱落、渗漏以及腐蚀破坏，会对混凝土结构的承载能力和抗渗透性能产生极大的负面影响，造成巨大的安全隐患。因此，对于受损混凝土结构，常需进行快速加固维修，才能保证建筑工程的持续安全和有效运行。

在众多修补材料中，普通硅酸盐水泥砂浆或混凝土作为常规的修补材料，其存在以下技术问题：凝结时间较长，强度发展慢，粘结强度低，且对一些酸和盐类的耐侵蚀性差，不适用于快速修补、尤其是对有较高耐蚀性要求的工程的修补。不同于上述普通硅酸盐水泥砂浆或混凝土，基于有机树脂的修补材料通常具有粘结强度高、耐腐蚀性良好的特点，这类材料的发展已受到了业内的广泛关注。目前，较为常用的基于有机树脂的修补材料多为环氧树脂类修补材料，这类材料在实际使用时通常存在脆性大、耐老化性能差的缺点，而且其对温度较为敏感，当作业温度较低时，其固化时间较长且强度增长较慢，不适用于要求能实现快速修补的结构中，使用范围大大受限。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种受温度影响程度低，具有良好耐水、酸和盐类侵蚀性，且具有优良的抗压强度和粘结强度的高强度混凝土快速加固修补材料。

本发明的另一目的在于提供上述混凝土快速加固修补材料的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

高强度混凝土快速加固修补材料，由包含以下组分及其重量份含量的原料制备而成：

无机胶凝粉料100份，矿物掺合料10-50份，促粘乳胶粉10-30份，改性分散触变剂1-5份，砂100-300份、短纤维8-15份以及水50-90份。

所述的无机胶凝粉料包含硅酸盐水泥、铝酸盐水泥或硫铝酸盐水泥中的至少一种。

所述的矿物掺合料为勃氏比表面积大于450 m²/kg的水淬高炉矿渣粉。

所述的促粘乳胶粉包含醋酸乙烯酯与乙烯共聚胶粉、醋酸乙烯酯均聚胶粉、丙烯酸酯与苯乙烯共聚胶粉或苯乙烯与丁二烯共聚胶粉中的至少一种。

所述的改性分散触变剂为功能化石墨烯改性的膨润土。

所述的功能化石墨烯改性的膨润土的制备方法如下：

S1：将适量的膨润土与无水乙醇混合后均匀，配制成膨润土与无水乙醇的混合溶液；

S2：将功能化石墨烯分散于无水乙醇中，再加入至膨润土与无水乙醇的混合溶液中，采用稀硝酸调节溶液pH为3-4，于70-90℃下反应2-5小时，后经冷却、过滤、洗涤，再干燥至恒重，研磨后制得功能化石墨烯改性的膨润土。

S1中所述膨润土与无水乙醇的用量关系为：每100 mL无水乙醇中加入2-6 g膨润土；

S2中功能化石墨烯在无水乙醇中的质量分数为5-30%；

功能化石墨烯的用量为膨润土投料量的0.1-10 wt%。

所述功能化石墨烯为采用硅烷偶联剂对石墨烯表面进行修饰而获得。

所述功能化石墨烯的制备方法可以为：首先采用Hummers方法来制备氧化石墨烯，然后采用硅烷偶联剂对氧化石墨烯表面进行改性，制得功能化的氧化石墨烯，最后再将功能化的氧化石墨烯还原，即制得功能化的石墨烯。有关功能化的石墨烯的具体制备步骤，将在具体实施方式中举例说明。

作为优选的技术方案，所述硅烷偶联剂可选自市售的KH-570、KH-560或KH-550。

作为优选的技术方案，所述砂包含天然河砂、水洗砂或石英砂中的至少一种，且砂的粒径不大于2mm。

作为优选的技术方案，所述短纤维的长度不大于50 mm，且直径为10-60μm。

作为优选的技术方案，所述短纤维可选择为芳纶纤维或芳香族聚酰胺纤维中的一种或两种。

高强度混凝土快速加固修补材料的制备方法，包含以下步骤：

I）：按重量份将无机胶凝粉料、矿物掺合料、砂混合均匀，制得第一预混料；

II）：按重量份将促粘乳胶粉、短纤维和改性分散触变剂混合均匀，制得第二预混料；

III）：将第一预混料与第二预混料混合均匀，再按重量份加入水，边加入边搅拌，直至搅拌均匀即可。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1）本发明材料在拌合后可形成具有很强胶结能力的浆体，硬化后可产生很高强度，能与混凝土结构中的老混凝土基体紧密凝结形成整体，由于材料体系中引入了功能化石墨烯改性的膨润土作为改性分散触变剂，功能化石墨烯表面具有活性官能团，不仅可与促粘乳胶粉发生化学反应，而且还有利于彼此形成氢键，可形成三维网状结构，赋予材料体系优异的触变性能，可有效改善材料的施工性及抗流挂性，而膨润土经功能化石墨烯改性后，可显著改善膨润土在材料体系中的分散性，可有效防止膨润土颗粒之间发生团聚，有利于膨润土在材料体系中发挥触变剂的作用；另外，功能化石墨烯的引入还可有效增强材料体系的耐高温性和抗寒性，可减少材料体系对温度的敏感性，即可降低材料体系因温度变化而发生自身收缩或膨胀的程度，这样也有利于延长材料体系自身的使用寿命，保证对混凝土结构的修补质量；

2）本发明材料体系中短纤维的使用，其与改性分散触变剂可发挥协同增效的作用，有利于提高材料体系在浆体状态的稳定性，提高材料硬化后的抗折强度、改善材料的韧性和抗裂性；

3）本发明材料体系中砂和矿物掺合料的使用，在短纤维、改性分散触变剂的协同作用下，有利于维持材料的体积稳定性，降低材料的收缩性，进一步提高材料的抗裂性；

4）本发明材料具有修补、加固、防渗、防护等作用，凝结固化时间短，且凝固时间可根据需要调整，凝结后强度发展快，适用于快速修补。

具体实施方式

发明人经过广泛而深入的研究，发现在基于无机胶凝粉料、矿物掺合料和砂的混凝土修补材料中引入功能化石墨烯改性的膨润土作为改性分散触变剂可有效改善材料的施工性及抗流挂性，还可减少材料体系对温度的敏感性，即可降低材料体系因温度变化而发生自身收缩或膨胀的程度，这样也有利于延长材料体系自身的使用寿命，保证对混凝土结构的修补质量。

在此基础上，完成了本发明。

下面将结合具体实施方案对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方案仅仅是本发明一部分实施方案，而不是全部的实施方案。本实施方案以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施方案。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它实施方案，都属于本发明保护的范围。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。在本文中，采用术语“约”来修饰数值时，表示该数值±5%以内测量的误差容限。

下面通过具体实施例对本发明技术方案进一步进行阐述，本发明若无特殊说明，所用原料均为市售产品。

下表1示出了实施例1-5和对比例修补材料的原料组分及其重量份含量。

表1 实施例1-5和对比例修补材料的原料组分配方

下表2示出了实施例1-5和对比例修补材料的原料组分的种类。

表2 实施例1-5和对比例修补材料的原料组分的种类

注：表2中实施例1和2所采用的功能化石墨烯改性的膨润土中，功能化石墨是采用KH-560对石墨烯表面进行修饰而获得；实施例3和4所采用的功能化石墨烯改性的膨润土中，功能化石墨是采用KH-570对石墨烯表面进行修饰而获得；实施例5所采用的功能化石墨烯改性的膨润土中，功能化石墨是采用KH-550对石墨烯表面进行修饰而获得。

上述实施例中有关改性分散触变剂的制备方法如下：

S1：将适量的膨润土与无水乙醇混合后均匀，配制成膨润土与无水乙醇的混合溶液；

S2：将功能化石墨烯分散于无水乙醇中，再加入至膨润土与无水乙醇的混合溶液中，采用稀硝酸调节溶液pH为3-4，于70-90℃下反应2-5小时，后经冷却、过滤、洗涤，再干燥至恒重，研磨后制得功能化石墨烯改性的膨润土。

其中，S1中所述膨润土与无水乙醇的用量关系为：每100 mL无水乙醇中加入2-6 g膨润土。

在上述实施例中，所使用的功能化石墨烯的制备方法如下：

[氧化石墨烯的制备]

可采用Hummers方法来制备氧化石墨烯，例如可采用以下步骤：

将2 g石墨、1 g NaNO₃、46 ml 98%浓硫酸混合置于冰水浴中，搅拌30分钟，使其充分混合，称取6 g KMnO₄分次加入上述混合液中继续搅拌2小时后，移入35℃温水浴中继续搅拌30分钟；再缓慢加入蒸馏水92 ml，并将反应液控制在98℃左右达15分钟，再加入适量30% H₂O₂除去过量的氧化剂，然后加入蒸馏水140 mL稀释，趁热过滤，依次用0.01 mol/LHCl、无水乙醇和去离子水洗涤直到滤液中无SO₄ ^2-存在为止，制得氧化石墨；然后将氧化石墨超声分散在水中，制得氧化石墨烯的分散液；将氧化石墨烯的分散液在60℃真空干燥箱中干燥48小时，得到氧化石墨烯样品，保存备用。

[功能化氧化石墨烯的制备]

以硅烷偶联剂KH-570为例，来制备功能化的氧化石墨烯，例如可采用以下步骤：

称取100 mg氧化石墨烯于60 mL无水乙醇中，超声分散1小时后形成均匀分散液；再加入一定量的HCl，调节分散液的pH为3-4；然后将10 mL含有0.3 g KH-570的95%的乙醇溶液在搅拌下缓慢加入，在60℃下继续反应24小时，离心分离，再用无水乙醇和去离子水洗涤多次，以除去未反应的KH-570，并使洗涤液至中性，即制得功能化氧化石墨烯。

[功能化石墨烯的制备]

可采用合适的还原剂（例如，水合肼）将功能化氧化石墨烯还原成功能化石墨烯，例如可采用以下步骤：

将洗涤后未烘干的功能化氧化石墨烯分散于60 mL无水乙醇中，超声分散1小时，形成均匀稳定的功能化氧化石墨烯分散液，然后加入1 g水合肼，于60℃下还原24小时；再用无水乙醇和去离子水洗涤所得产物至中性，将产物于60℃真空干燥箱中干燥48小时，即制得功能化石墨烯，保存备用。

应当理解的是，本发明有关功能化石墨烯的制备方法并不局限于上述示例中的描述，也可以采用其它合适的方法以对石墨烯的表面进行修饰。

上述实施例1-5修补材料的制备方法如下：

I）：按重量份将无机胶凝粉料、矿物掺合料、砂混合均匀，制得第一预混料；

II）：按重量份将促粘乳胶粉、短纤维和改性分散触变剂混合均匀，制得第二预混料；

III）：将第一预混料与第二预混料混合均匀，再按重量份加入水，边加入边搅拌，直至搅拌均匀即可。

对比例则采用与上述方法相同的步骤，制成修补材料。

上述实施例1-5和对比例制得的修补材料的性能测试如下表3所示：

表3 实施例1-5和对比例制得的修补材料的性能测试结果

项目

初凝时间（/min）

终凝时间（/min）

硬化后3天抗压强度（/MPa）

硬化后3天抗折强度（/MPa）

硬化后28天抗压强度（/MPa）

硬化后28天抗折强度（/MPa）

实施例1

约60

约84

约30.4

约4.7

约83.9

约9.4

实施例2

约45

约79

约56.1

约10.6

约96.7

约14.9

实施例3

约32

约46

约49.7

约8.9

约90.6

约12.4

实施例4

约48

约67

约53.9

约10.1

约93.3

约13.6

实施例5

约40

约63

约51.2

约9.4

约89.5

约12.8

对比例

约75

约126

约20.6

约2.6

约53.8

约6.1

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出多种修改或变型，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.高强度混凝土快速加固修补材料，其特征在于，由包含以下组分及其重量份含量的原料制备而成：

无机胶凝粉料100份、矿物掺合料10-50份、促粘乳胶粉10-30份、改性分散触变剂1-5份、砂100-300份、短纤维8-15份以及水50-90份;

所述的改性分散触变剂为功能化石墨烯改性的膨润土；

所述的功能化石墨烯改性的膨润土的制备方法如下：

S1：将适量的膨润土与无水乙醇混合后均匀，配制成膨润土与无水乙醇的混合溶液；

S2：将功能化石墨烯分散于无水乙醇中，再加入至膨润土与无水乙醇的混合溶液中，采用稀硝酸调节溶液pH为3-4，于70-90℃下反应2-5小时，后经冷却、过滤、洗涤，再干燥至恒重，研磨后制得功能化石墨烯改性的膨润土；

所述功能化石墨烯为采用硅烷偶联剂对石墨烯表面进行修饰而获得；

S1中所述膨润土与无水乙醇的用量关系为：每100 mL无水乙醇中加入2-6 g膨润土；

S2中功能化石墨烯在无水乙醇中的质量分数为5-30%；

功能化石墨烯的用量为膨润土投料量的0.1-10 wt%。

2.根据权利要求1所述的高强度混凝土快速加固修补材料，其特征在于，所述的无机胶凝粉料包含硅酸盐水泥、铝酸盐水泥或硫铝酸盐水泥中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的高强度混凝土快速加固修补材料，其特征在于，所述的矿物掺合料为勃氏比表面积大于450 m²/kg的水淬高炉矿渣粉。

4.根据权利要求1所述的高强度混凝土快速加固修补材料，其特征在于，所述的促粘乳胶粉包含醋酸乙烯酯与乙烯共聚胶粉、醋酸乙烯酯均聚胶粉、丙烯酸酯与苯乙烯共聚胶粉或苯乙烯与丁二烯共聚胶粉中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的高强度混凝土快速加固修补材料，其特征在于，所述砂包含天然河砂、水洗砂或石英砂中的至少一种，且砂的粒径不大于2mm；

所述短纤维的长度不大于50 mm，且直径为10-60μm。

6.如权利要求1至5任一项所述的高强度混凝土快速加固修补材料的制备方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

I）：按重量份将无机胶凝粉料、矿物掺合料、砂混合均匀，制得第一预混料；

II）：按重量份将促粘乳胶粉、短纤维和改性分散触变剂混合均匀，制得第二预混料；

III）：将第一预混料与第二预混料混合均匀，再按重量份加入水，边加入边搅拌，直至搅拌均匀即可。