CN112745078A - 防水性地聚合物材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防水性地聚合物材料及其制备方法。本发明由飞灰，普通硅酸盐水泥等原材料，通过内掺纳米氧化镁等外加剂组成，且该地聚合物具有良好的施工性能，同时具有抗压强度，粘结强度发展好，收缩性能好，抗渗性能好等特点。本发明可以充分利用飞灰固体废弃物，不仅可以解决固体废弃物堆放的问题，变废为宝，而且制备的一种防水性地聚合物材料能用于隧道衬砌裂缝修补等部位。本发明的防水性地聚合物材料省略了碱激发溶液的配置过程，实现了常温制备，且制备方法简单，成本较低，易于推广。

Description

防水性地聚合物材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及地聚合物基材料技术领域，具体涉及一种防水性地聚合物材料及其制备方法。
背景技术
“十隧九裂”描述的是当今隧道存在裂缝的普通情况，隧道裂缝是引发隧道漏水以及其他病害的主要原因，也是隧道施工及运营中参见的病害。在隧道中众多的病害问题中，隧道衬砌结构裂缝是较为常见的，并且其危害性较大，裂缝的产生以及发展不仅与渗漏水，衬砌区域性劣化等问题相互促进，而且直接影响到隧道衬砌结构的安全承载，形成恶性循环，加快了衬砌结构的破坏过程。目前隧道衬砌裂缝的整治措施包括两方面，一是提高隧道围岩的稳定性，如深孔注浆和锚固注浆等；二是加强衬砌自身的强度，如碳纤维加固等。但上述很多裂缝修补材料的价格相对昂贵，而且耐久性非常差，难以推广和使用。
地聚合物是一种通过硅铝酸盐材料和硅酸盐溶液或高溶度碱金属氢氧化物反应，生成的一种由硅氧四面体和铝氧四面体合成的无定型三维网状结构的碱铝硅酸盐胶凝材料，属于无机聚合物。因其地聚合物胶凝材料的内部结构是一种无规则的网状结构，使其拥有很多优良的性能，比如耐久性好，抗辐射，快硬早强，抗收缩性好，抗渗性优良等优点。因它在很多传统的建筑材料和修补材料中有着不可比拟的优势，近些年来成为研究的热点。在快速修补材料，密封核废料和耐高温材料等方面具有良好的应用前景。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种防水性地聚合物材料及其制备方法，该材料具有良好的施工性能，同时具有抗压强度，粘结强度发展好，抗折强度高，抗渗性能好等特点。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种防水性地聚合物材料，由以下重量份的原料制成：飞灰35-45份，磷渣26-29份，普通硅酸盐水泥10-20份，钠基膨润土6-8份，水6-10份，氢氧化钠4-6份，硅酸钠5-9，改性纳米氧化镁0.06-0.08份，外加剂0.01-0.05份，分散剂0.08-0.09份。
作为优选方案，所述飞灰为高钙飞灰：CaO的含量为20-30％，粒径小于2.7um；
所述磷渣平均粒径为(30-50)um，其氮吸附测定的比表面积为(1000-2100)m2/kg，质量系数K为1.5-1.8；
所述普通硅酸盐水泥为42.5R级普通硅酸盐水泥或52.5R级普通硅酸盐水泥；
所述钠基膨润土为：平均粒径为200-300nm；
所述外加剂为聚丙烯盐酸，聚丙烯酰胺，丙烯酸，丙烯酰胺等高吸水性树脂的一种或者多种；
所述纳米氧化镁为：平均粒径为20-30nm；
所述氢氧化钠为颗粒状，纯度大于99％；
所述硅酸钠为速溶型固体粉料。
进一步地，所述改性纳米氧化镁的制备过程为：将纳米碳纤维置于稀硝酸和KH570硅烷偶联剂的混合溶液中，其中纳米氧化镁的混合溶液的质量比为1/900-1/1000，稀硝酸和硅烷偶联剂的体积比为1/10-1/15，然后充分搅拌，在30-40℃下超声震荡3-4小时后静置，接着用去离子水进行稀释，离心分离，得到的沉淀再采用此方法直至所得溶液的PH值大于12，最后将所得的溶液在60-70℃，100-200Pa的真空环境中进行干燥，得到初步改性的纳米碳纤维，接着将初步改性的纳米碳纤维加入到一定量的氯化亚砜溶剂中(质量比为1:500)，滴加10-16滴N,N-二甲基甲酰胺作为催化剂，接着在400-500W的功率下超声0.6-0.7小时，然后在60-70℃的条件下回流15-25小时，即得到改性纳米氧化镁。
第二方面，本发明提供一种制备上述防水性地聚合物材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)以质量份数计，称取飞灰35-45份，磷渣26-29份，普通硅酸盐水泥10-20份，钠基膨润土6-8份，水6-10份，氢氧化钠4-6份，硅酸钠5-9份，改性纳米氧化镁0.06-0.08份，外加剂0.01-0.05份，分散剂0.08-0.09份。
(2)将改性纳米氧化镁和分散剂置于水中，搅拌120-240s，然后置于700-800W的功率下超声0.5-0.8h，即得均匀的混合溶液；
(3)将飞灰，磷渣，普通硅酸，钠基膨润土进行研磨2-3小时，接着倒入搅拌机搅拌60-90s，得到混合料微粒，然后将混合料微粒，固体氢氧化钠，固体硅酸钠，外加剂和助熔剂加入到马弗炉(设定温度为800-900℃)煅烧5-6小时，冷却后过筛，得到地聚合物胶体粉末；
(4)然后加入步骤(2)所得的均匀的混合溶液，搅拌200-240秒，接着浇筑，振捣成型，在常温下养护即得隧道衬砌修补材料。
本发明具有以下主要优点和有益效果：
1、本发明的隧道衬砌裂缝修补材料采用的是飞灰，磷渣等工业废弃物，可以有效地解决工业废弃物堆放等问题，变废为宝；
2、本发明的隧道衬砌裂缝修补材料利用的是价格低廉的飞灰，磷渣等工业废弃物，降低工程造价；
3、本发明的隧道衬砌裂缝修补材料具有良好的抗收缩特性，即使不可避免地因为地聚合物收缩产生裂缝，纳米氧化镁也会因为其优异的纳米填充效应，成核效应和火山灰效应等优点弥补产生的裂缝，从而阻止水分的进入，较大幅度地提高其抗渗性；
4、磷渣中含有的特殊结构P205和高吸水性树脂能够抑制普通硅酸盐水泥的早期水化，使得缩聚产物和水化产物紧密结合，从而使得整体内部孔隙率下降，抗压强度提高；
5、通过掺入普通硅酸盐水泥等原材料，实现路面修补材料的常温制备，初凝时间和终凝时间很大程度地减小。且本发明制备的28天的抗渗压力达到6.2MPa，远远大于国家标准JC T984-2011规定的1.5MPa。
6、本发明的防水性地聚合物材料省略了碱激发溶液的配置过程，实现了常温制备，且制备方法简单，成本较低，易于推广。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1：
本实施例中防水性地聚合物材料制备过程如下：
将0.06份改性纳米氧化镁和0.08份分散剂置于9份水中，搅拌240s，然后置于700W的功率下超声0.5h，得到均匀的混合溶液；然后将称量的40份飞灰，26份磷渣，10份普通硅酸盐水泥，7份钠基膨润土倒入搅拌锅内，搅拌90s得到混合料微粒，然后将得到的混合料微粒，0.01份外加剂，4份氢氧化钠固体和5份硅酸钠固体加入到马弗炉中(设定温度为800℃)，煅烧5小时，冷却后过筛，得到地聚合物胶体粉末；接着将上述得到的均匀混合溶液加入上述地聚合物胶体粉末中搅拌240s，得到地聚合物浆体，接着浇筑，振捣，在自然条件下养护即得到所述的隧道衬砌裂缝修补材料。
对比例1：在实施例1的基础上除去改性纳米氧化镁和分散剂，其它原材料的种类，数量和添加顺序与实施例保持一致。
对比例2：在实施例1的基础上除去磷渣和外加剂，把其它原材料的掺加量成比例扩大，其它原材料的种类，和添加顺序与实施例保持一致。
实施例2：
本实施例中防水性地聚合物材料制备过程如下：
将0.07份改性纳米氧化镁和0.08份分散剂置于10份水中，搅拌240s，然后置于700W的功率下超声0.5h，得到均匀的混合溶液；然后将称量的39份飞灰，26份磷渣，10份普通硅酸盐水泥，6份钠基膨润土倒入搅拌锅内，搅拌90s得到混合料微粒，然后将得到的混合料微粒，0.01份外加剂，5份氢氧化钠固体和5份硅酸钠固体加入到马弗炉中(设定温度为900℃)，煅烧6小时，冷却后过筛，得到地聚合物胶体粉末；接着将上述得到的均匀混合溶液加入上述地聚合物胶体粉末中搅拌120s，得到地聚合物浆体，接着浇筑，振捣，在自然条件下养护即得到所述的隧道衬砌裂缝修补材料。
实施例3：
本实施例中防水性地聚合物材料制备过程如下：
将0.06份改性纳米氧化镁和0.08份分散剂置于9份水中，搅拌240s，然后置于700W的功率下超声0.5h，得到均匀的混合溶液；然后将称量的40份飞灰，26份磷渣，10份普通硅酸盐水泥，7份钠基膨润土倒入搅拌锅内，搅拌90s得到混合料微粒，然后将得到的混合料微粒，0.01份外加剂，4份氢氧化钠固体和5份硅酸钠固体加入到马弗炉中(设定温度为800℃)，煅烧5小时，冷却后过筛，得到地聚合物胶体粉末；接着将上述得到的均匀混合溶液加入上述地聚合物胶体粉末中搅拌240s，得到地聚合物浆体，接着浇筑，振捣，在自然条件下养护即得到所述的隧道衬砌裂缝修补材料。
实施例4：
本实施例中防水性地聚合物材料制备过程如下：
将0.06份改性纳米氧化镁和0.08份分散剂置于9份水中，搅拌240s，然后置于700W的功率下超声0.5h，得到均匀的混合溶液；然后将称量的35份飞灰，27份磷渣，11份普通硅酸盐水泥，8份钠基膨润土倒入搅拌锅内，搅拌90s得到混合料微粒，然后将得到的混合料微粒，0.01份外加剂，5份氢氧化钠固体和6份硅酸钠固体加入到马弗炉中(设定温度为800℃)，煅烧5小时，冷却后过筛，得到地聚合物胶体粉末；接着将上述得到的均匀混合溶液加入上述地聚合物胶体粉末中搅拌120s，得到地聚合物浆体，接着浇筑，振捣，在自然条件下养护即得到所述的隧道衬砌裂缝修补材料。
实施例5：
本实施例中防水性地聚合物材料制备过程如下：
将0.06份改性纳米氧化镁和0.09份分散剂置于10份水中，搅拌120s，然后置于700W的功率下超声0.8h，得到均匀的混合溶液；然后将称量的37份飞灰，26份磷渣，10份普通硅酸盐水泥，7份钠基膨润土倒入搅拌锅内，搅拌90s得到混合料微粒，然后将得到的混合料微粒，0.02份外加剂，5份氢氧化钠固体和5份硅酸钠固体加入到马弗炉中(设定温度为800℃)，煅烧5小时，冷却后过筛，得到地聚合物胶体粉末；接着将上述得到的均匀混合溶液加入上述地聚合物胶体粉末中搅拌240s，得到地聚合物浆体，接着浇筑，振捣，在自然条件下养护即得到所述的隧道衬砌裂缝修补材料。
本发明采用国家“JCJ70-2009”，“JTGE30-2005”和“GB/T50081-2002”标准，来对上述实施例所述材料进行了测试，其测试结果请见表1。
表1一种防水性地聚合物材料及其制备方法
Figure BDA0002896100700000061
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽些的，并且也不局限于所纰漏的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更是显而易见的。

Claims (5)

1.一种防水性地聚合物材料，其特征在于：按质量分数计，包含如下组分：飞灰35-45份，磷渣26-29份，普通硅酸盐水泥10-20份，钠基膨润土6-8份，水6-10份，氢氧化钠4-6份，硅酸钠5-9，改性纳米氧化镁0.06-0.08份，外加剂0.01-0.05份，分散剂0.08-0.09份，助熔剂0.02-0.04份。
2.根据权利要求1所述防水性地聚合物材料，其特征在于：
所述飞灰为：CaO的含量为20-30％，粒径小于2.7um；
所述磷渣平均粒径为30-50um，其氮吸附测定的比表面积为1000-2100m2/kg，质量系数K为1.5-1.8；
所述普通硅酸盐水泥为42.5R级普通硅酸盐水泥或52.5R级普通硅酸盐水泥；
所述钠基膨润土为：平均粒径为200-300nm；
所述外加剂为聚丙烯盐酸、聚丙烯酰胺、丙烯酸或丙烯酰胺中任一种或者多种组合物；
所述纳米氧化镁为：平均粒径为20-30nm；
所述氢氧化钠为颗粒状，纯度大于99％；
所述硅酸钠为速溶型固体粉料。
3.根据权利要求1或2所述防水性地聚合物材料，其特征在于：
所述改性纳米氧化镁由以下过程制作而成：
将纳米碳纤维置于稀硝酸和KH570硅烷偶联剂的混合溶液中，其中纳米氧化镁的混合溶液的质量比为1/900-1/1000，稀硝酸和硅烷偶联剂的体积比为1/10-1/15，然后充分搅拌，在30-40℃下超声震荡3-4小时后静置，接着用去离子水进行稀释，离心分离，得到的沉淀再采用此方法直至所得溶液的PH值大于12，最后将所得的溶液在60-70℃，100-200Pa的真空环境中进行干燥，得到初步改性的纳米碳纤维；接着以质量比1:500将初步改性的纳米碳纤维加入到氯化亚砜溶剂中，滴加10-16滴N,N-二甲基甲酰胺作为催化剂，接着在400-500W的功率下超声0.6-0.7小时，然后在60-70℃的条件下回流15-25小时，即得到改性纳米氧化镁。
4.一种制备如权利要求1或2所述防水性地聚合物材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)以质量份数计，称取飞灰35-45份，磷渣26-29份，普通硅酸盐水泥10-20份，钠基膨润土6-8份，水6-10份，氢氧化钠4-6份，硅酸钠5-9份，改性纳米氧化镁0.06-0.08份，外加剂0.01-0.05份，分散剂0.08-0.09份；
(2)将改性纳米氧化镁和分散剂置于水中，搅拌120-240s，然后置于700-800W的功率下超声0.5-0.8h，即得均匀的混合溶液；
(3)将飞灰，磷渣，普通硅酸，钠基膨润土进行研磨2-3小时，接着倒入搅拌机搅拌60-90s，得到混合料微粒，然后将混合料微粒，固体氢氧化钠，固体硅酸钠，外加剂和助熔剂加入到马弗炉，煅烧温度为800-900℃，煅烧5-6小时，冷却后过筛，得到地聚合物胶体粉末；
(4)然后加入步骤(2)所得的均匀的混合溶液，搅拌200-240秒，接着浇筑，振捣成型，在常温下养护即得到防水性地聚合物材料。
5.一种制备如权利要求3所述防水性地聚合物材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)以质量份数计，称取飞灰35-45份，磷渣26-29份，普通硅酸盐水泥10-20份，钠基膨润土6-8份，水6-10份，氢氧化钠4-6份，硅酸钠5-9份，改性纳米氧化镁0.06-0.08份，外加剂0.01-0.05份，分散剂0.08-0.09份；
(2)将改性纳米氧化镁和分散剂置于水中，搅拌120-240s，然后置于700-800W的功率下超声0.5-0.8h，即得均匀的混合溶液；
(3)将飞灰，磷渣，普通硅酸，钠基膨润土进行研磨2-3小时，接着倒入搅拌机搅拌60-90s，得到混合料微粒，然后将混合料微粒，固体氢氧化钠，固体硅酸钠，外加剂和助熔剂加入到马弗炉，煅烧温度为800-900℃，煅烧5-6小时，冷却后过筛，得到地聚合物胶体粉末；
(4)然后加入步骤(2)所得的均匀的混合溶液，搅拌200-240秒，接着浇筑，振捣成型，在常温下养护即得到防水性地聚合物材料。
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