CN113683350B - 一种用于地下空间充填防灭火型强加固材料、制备方法及应用 - Google Patents

一种用于地下空间充填防灭火型强加固材料、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于地下空间充填防灭火型强加固材料、制备方法及应用，属于建筑材料技术领域，该加固材料以质量份计，包括以下组分：瓜尔胶0.2‑0.6份，丙烯酸0.8‑2.0份，引发剂0.05‑0.15份，N‑N亚甲基双丙烯酰胺0.1‑0.5份，水泥15‑25份，沙子50‑70份，加固剂2.0‑3.0份，灭火剂0.6‑1.0份，水10‑18份；该材料极大地提高了其自身的加固性和灭火性能，可以更好地修补裂隙，同时吸收大量的水分起到灭火作用。

Description

一种用于地下空间充填防灭火型强加固材料、制备方法及 应用
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别是涉及一种用于地下空间充填防灭火型强加固材料、制备方法及应用。
背景技术
目前，随着城市的发展，人们逐步向地下空间进行发展。地下空间在建设、运行等过程中存在着多方面的威胁，常存在因火灾导致的地下空间塌陷等问题，给人们的安全及出行带来巨大的安全隐患。地下空间火灾造成的大量人员伤亡和巨大经济损失，已经使许多国家和地区开始重视地下空间火灾的防治与控制。地下空间存在空间狭小和空气流通性较差的缺陷，在地下空间发生火灾时，温度和烟气聚集无法快速分散，从而导致地下空间中的防护支撑结构被迅速破坏，极易发生地下空间坍塌等地质危害，这对地下空间火灾的救援工作造成了极大的阻碍，因此对于地下空间防火的一个关键性技术是要对地下空间的防护结构进行保护，延长地下空间支护结构的破坏时间，为救援工作争取更多的有利时间。
目前主要是采用防火材料(防火衬层)对地下空间支撑结构进行阻燃防护。地下空间防火领域内的学者在地下空间火灾升温和防火保护方面做了大量研究，尤其是对膨胀型防火衬层的研究，目前已取得较大进展。膨胀型防火衬层主要由胶凝材料(普通硅酸盐水泥、MgCl2等)、骨料、化学添加剂(硬化剂，防水剂等)和水组成。在受热过程中，膨胀体系受热迅速膨胀，形成多孔的碳层结构，从而降低材料的导热率，达到防火的目的。E.Well等以普通硅酸盐水泥、轻质CaCO3、蛭石、珍珠岩等为主要成分研制了一种无机防火衬层；KidderCheng X W、Bugajny M、Bertell G、马道贞等研究了以OPC水泥、粉煤灰等胶结材料作为粘结剂，以膨胀蛭石或膨胀珍珠岩等受热膨胀的无机材料为膨胀剂和无机纤维为增韧剂制备了耐火性能较好的防火衬层。但防火阻燃衬层在受热过程中易膨胀，从而导致衬层断裂，失去隔热阻燃性能。因此，针对地下空间中发生的火灾问题，以及同时引起的加固不稳定出现裂隙等问题，我们需要研究适合应对火灾及兼备加固性的材料用于充填地下空间裂隙，以达到更好的防火加固的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于地下空间充填防灭火型强加固材料、制备方法及应用，以解决上述现有技术存在的问题，使其可以修补加固地下空间中的裂缝，同时起到防灭火的作用。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种用于地下空间充填防灭火型强加固材料，以质量份计，包括以下组分：
瓜尔胶0.2-0.6份，丙烯酸0.8-2.0份，引发剂0.05-0.15份，N-N亚甲基双丙烯酰胺0.1-0.5份，水泥15-25份，沙子50-70份，加固剂2.0-3.0份，灭火剂0.6-1.0份，水10-18份。
进一步地，以质量份计，包括以下组分：
瓜尔胶0.4份，丙烯酸1.6份，引发剂0.1份，N-N亚甲基双丙烯酰胺0.3份，水泥20份，沙子60份，加固剂2.0-3.0份，灭火剂0.6-1.0份，水10-18份。
瓜尔胶是改性生物基材料，具有高分子结构，来源广泛且合成简单，而且具有极好的生物降解性能，是一种很好的环保型生物材料，将其作为接枝共聚的主要载体，利用丙烯酸在引发剂的引发下产生断键能力，因为它们都具有不稳定的活性位点，在引发剂的引发下，活泼的电子会主动脱离分子形成不饱和的断键，利用这些不饱和的断键，在微波振动下，使它们的不饱和键相互结合，形成新的键，从而得到一种新的产物。为了进一步提高生物基材料的强度，通过在反应过程中添加少量的加固剂，使其具备低粘度性和更加紧密的空间结构。
进一步地，所述加固剂为纳米二氧化硅和膨润土，所述灭火剂为硼酸。
纳米二氧化硅是一种无机化工材料，能提高材料抗老化、强度和耐化学性能，其微结构为球形，可以有效的深入地下空间微小裂缝起到修补的作用。另外，膨润土具有良好的粘性和离子交换性，可以和纳米二氧化硅相互构建更加稳定的空间结构，起到良好的加固作用。膨润土还具有良好的吸水性，可以在发生火灾时快速的吸收水分。另外。硼酸具有良好的耐火性，也可以起到灭火的作用。
进一步地，所述纳米二氧化硅和膨润土的质量比为3:4。
进一步地，所述灭火剂的用量与加固剂的质量比为7:2。
进一步地，所述引发剂为硝酸铈铵。
本发明还提供一种上述的用于地下空间充填防灭火型强加固材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将瓜尔胶加入水中，在70-90℃下，糊化处理，得到第一溶液；
(2)待第一溶液糊化完成后，调整温度至30-70℃，边搅拌边加入丙烯酸，待完全溶解后，加入引发剂，再加入N-N亚甲基双丙烯酰胺，混合搅拌均匀，得到第二溶液；
(3)将水泥、沙子、加固剂和灭火剂混合，得第一混合物，将第二溶液加入所述第一混合物，混合均匀，得到第二混合物；
(4)将第二混合物在微波振动的条件下，合成反应，得到所述用于地下空间充填防灭火型强加固材料。
进一步地，所述糊化处理在惰性气体氛围下进行。
进一步地，所述微波振动的功率比为40％，所述合成反应的时间为30min。
本发明还提供一种上述的用于地下空间充填防灭火型强加固材料在地下空间施工、密闭和/或加固中的应用。
本发明公开了以下技术效果：
本发明用于地下空间充填防灭火型强加固材料，采用自由基聚合方法改性瓜尔胶，将丙烯酸接枝到瓜尔胶上，然后复配加固剂和灭火剂进一步提高产物的性能，最终生成一种用于地下空间充填防灭火型强加固材料。该材料极大地提高了其自身的加固性和灭火性能，可以更好地修补裂隙，同时吸收大量的水分起到灭火作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明用于地下空间充填防灭火型加强材料的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
称量2g瓜尔胶装入有70ml蒸馏水的三口烧瓶中，并通入氮气，在80℃糊化1.5h。糊化后将温度调到60℃，边搅拌边加入8g的丙烯酸，待其完全溶解后，再加入0.5g的硝酸铈铵，保持水浴加热；随后加入1.5g的N-N亚甲基双丙烯酰胺，混合搅拌溶解1h，然后倒入到100g水泥、300g沙子、6g纳米二氧化硅、8g膨润土和4g硼酸的混合材料中进行搅拌，使其混合均匀；再采用微波振动器，在室温25℃下将功率比设置为40％进行振动合成，得到用于地下空间充填防灭火型强加固材料。最终测试相关性能。
实施例2
称量2g瓜尔胶装入有70ml蒸馏水的三口烧瓶中并通入氮气，在80℃糊化1.5h。糊化后将温度调到60℃，边搅拌边加入4g的丙烯酸，待其完全溶解后，再加入0.5g的硝酸铈铵，保持水浴加热；随后加入1.5g的N-N亚甲基双丙烯酰胺，混合搅拌溶解1h，然后倒入到100g水泥、300g沙子、6g纳米二氧化硅、8g膨润土和4g硼酸的混合材料中进行搅拌，使其混合均匀；再采用微波振动器，在室温25℃下将功率比设置为40％进行振动合成，得到所述用于地下空间充填防灭火型强加固材料。最终测试相关性能。
实施例3
称量2g瓜尔胶装入有70ml蒸馏水的三口烧瓶中并通入氮气，在80℃糊化2h。糊化后将温度调到30℃，边搅拌边加入8g的丙烯酸，待其完全溶解后，再加入0.5g的硝酸铈铵，保持水浴加热；随后加入1.5g的N-N亚甲基双丙烯酰胺，混合搅拌溶解1h，然后倒入到100g水泥、300g沙子、6g纳米二氧化硅、8g膨润土和4g硼酸的混合材料中进行搅拌，使其混合均匀；再采用微波振动器，在室温25℃下将功率比设置为40％进行振动合成，得到所述用于地下空间充填防灭火型强加固材料。最终测试相关性能。
实施例4
称量2g瓜尔胶装入有70ml蒸馏水的三口烧瓶中并通入氮气，在80℃糊化1h。糊化后将温度调到60℃，边搅拌边加入8g的丙烯酸，待其完全溶解后，再加入0.5g的硝酸铈铵，保持水浴加热；随后加入1.5g的N-N亚甲基双丙烯酰胺，混合搅拌溶解0.5h，然后倒入到100g水泥、300g沙子、6g纳米二氧化硅、8g膨润土和4g硼酸的混合材料中进行搅拌，使其混合均匀；再采用微波振动器，在室温25℃下将功率比设置为40％进行振动合成，得到所述用于地下空间充填防灭火型强加固材料。最终测试相关性能。
实施例5
称量2g瓜尔胶装入有70ml蒸馏水的三口烧瓶中并通入氮气，在80℃糊化1.4h。糊化后将温度调到60℃，边搅拌边加入8g的丙烯酸，待其完全溶解后，再加入0.5g的硝酸铈铵，保持水浴加热；随后加入1.5g的N-N亚甲基双丙烯酰胺，混合搅拌溶解0.8h，然后倒入到100g水泥、300g沙子、6g纳米二氧化硅、8g膨润土和4g硼酸的混合材料中进行搅拌，使其混合均匀；再采用微波振动器，在室温25℃下将功率比设置为40％进行振动合成，得到所述用于地下空间充填防灭火型强加固材料。最终测试相关性能。
实施例6
称量3g瓜尔胶装入有50ml蒸馏水的三口烧瓶中并通入氮气，在90℃糊化1.6h。糊化后将温度调到30℃，边搅拌边加入10g的丙烯酸，待其完全溶解后，再加入0.25g的硝酸铈铵，保持水浴加热；随后加入2.5g的N-N亚甲基双丙烯酰胺，混合搅拌溶解1h，然后倒入到75g水泥、350g沙子、4.5g纳米二氧化硅、6g膨润土和5g硼酸的混合材料中进行搅拌，使其混合均匀；再采用微波振动器，在室温25℃下将功率比设置为40％进行振动合成，得到所述用于地下空间充填防灭火型强加固材料。最终测试相关性能。
实施例7
称量1g瓜尔胶装入有90ml蒸馏水的三口烧瓶中并通入氮气，在70℃糊化1.8h。糊化后将温度调到70℃，边搅拌边加入4g的丙烯酸，待其完全溶解后，再加入0.75g的硝酸铈铵，保持水浴加热；随后加入0.5g的N-N亚甲基双丙烯酰胺，混合搅拌溶解1h，然后倒入到125g水泥、250g沙子、6g纳米二氧化硅、8g膨润土和3g硼酸的混合材料中进行搅拌，使其混合均匀；再采用微波振动器，在室温25℃下将功率比设置为40％进行振动合成，得到所述用于地下空间充填防灭火型强加固材料。最终测试相关性能。
对比例1
与实施例1的不同之处在于，对比例1的加固剂中纳米二氧化硅与膨润土的质量比为1:1。
对比例2
与实施例1的不同之处在于，对比例2的加固剂为纳米二氧化钛与膨润土，且质量比为4:3。
对比例3
与实施例1的不同之处在于，对比例3的灭火剂为4g的聚磷酸铵。
对比例4
与实施例1的不同之处在于，对比例4中的引发剂为过硫酸铵。
对比例5
与实施例1的不同之处在于，对比例5将丙烯酸替换为丙烯酸丁酯。
对比例6
与实施例1的不同之处在于，对比例6将N-N亚甲基双丙烯酰胺替换为N-N二甲基乙酰胺。
首先对该材料的加固效果进行检测。不同时间形成块状体的强度，保证填充剂具有良好的固化作用，在一定的时间内可以有效固化，起到填充作用。结果如表1所示，可以看出，该加固材料在24h时，就已具备了良好的硬度，且随着时间的推迟，材料的抗压强度均有所增加，最大抗压强度可以达到51MPa，加固效果良好。
表1
Figure BDA0003238259050000091
Figure BDA0003238259050000101
材料良好的吸水性，不仅能够延迟加固材料出现干裂的时间，且具有良好的吸水性和溶胀性的加固材料，也有利于隔绝空气并起到阻燃防火的效果。结果如表2所示，可以看出，当吸水时间达到8h时，材料开始逐渐达到最大吸水倍率，其中，实施例1在12h时达到最大的78倍吸水率，良好的吸水性有效的提高了破裂水泥的吸水性，同时利用膨润土体积的膨胀性，填充覆盖隔绝火源，从而得到良好的阻燃效果。
表2
Figure BDA0003238259050000102
Figure BDA0003238259050000111
通过程序升温实验，对该加固材料的CO产生量进行了实验分析，结果如表3所示，可以看出，在燃烧5-15min时生成的CO量急剧增加，在20min之后，该材料燃烧生成的CO量迅速下降，并持续控制在600ppm以下，并不再反弹，这说明此时该加固材料已经对外界空气起到了有效地绝缘，能够起到很好的阻燃灭火效果。
表3
Figure BDA0003238259050000112
Figure BDA0003238259050000121
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于地下空间充填防灭火型强加固材料，其特征在于，以质量份计，包括以下组分：
瓜尔胶0.2-0.6份，丙烯酸0.8-2.0份，引发剂0.05-0.15份，N-N亚甲基双丙烯酰胺0.1-0.5份，水泥15-25份，沙子50-70份，加固剂2.0-3.0份，灭火剂0.6-1.0份，水10-18份；
所述加固剂为纳米二氧化硅和膨润土，所述灭火剂为硼酸；
所述纳米二氧化硅和膨润土的质量比为3:4；
所述灭火剂的用量与加固剂的质量比为7:2；
所述引发剂为硝酸铈铵；
其中，所述瓜尔胶、丙烯酸、引发剂和N-N亚甲基双丙烯酰胺先混合反应，再与其他原料进行混合；其中，所述瓜尔胶、丙烯酸、引发剂和N-N亚甲基双丙烯酰胺的混合反应具体如下：
(1)将瓜尔胶加入水中，在70-90℃下，糊化处理，得到第一溶液；
(2)待第一溶液糊化完成后，调整温度至30-70℃，边搅拌边加入丙烯酸，待完全溶解后，加入引发剂，再加入N-N亚甲基双丙烯酰胺，混合搅拌均匀，得到第二溶液。
2.根据权利要求1所述的用于地下空间充填防灭火型强加固材料，其特征在于，以质量份计，包括以下组分：
瓜尔胶0.4份，丙烯酸1.6份，引发剂0.1份，N-N亚甲基双丙烯酰胺0.3份，水泥20份，沙子60份，加固剂2.0-3.0份，灭火剂0.6-1.0份，水10-18份。
3.一种权利要求1-2任一项所述的用于地下空间充填防灭火型强加固材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将瓜尔胶加入水中，在70-90℃下，糊化处理，得到第一溶液；
(2)待第一溶液糊化完成后，调整温度至30-70℃，边搅拌边加入丙烯酸，待完全溶解后，加入引发剂，再加入N-N亚甲基双丙烯酰胺，混合搅拌均匀，得到第二溶液；
(3)将水泥、沙子、加固剂和灭火剂混合，得第一混合物，将第二溶液加入所述第一混合物，混合均匀，得到第二混合物；
(4)将第二混合物在微波振动的条件下，合成反应，得到所述用于地下空间充填防灭火型强加固材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述糊化处理在惰性气体氛围下进行。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述微波振动的功率比为40％，所述合成反应的时间为30min。
6.一种权利要求1-2任一项所述的用于地下空间充填防灭火型强加固材料在地下空间施工、密闭和/或加固中的应用。
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