CN113816703B - 一种高固废含量的纤维聚合物修复材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高固废含量的纤维聚合物修复材料及其制备方法，按重量份计，包括基体材料70～85份，优化剂2～5份，水15～25份；基体材料，按重量份计，由以下组分组成：水泥10～20份，石英砂20～30份，粉煤灰20～30份，高炉矿渣20～30份，合成纤维0.5～2份，聚合物乳液5～10份；优化剂，按重量份计，由以下组分组成：减水剂1.0～2.5份、消泡剂0.05～0.15份、增稠剂0.05～0.15份和碱激发剂1.5～4.0份。本发明提供的高固废含量的纤维聚合物修复材料具有较高的柔韧性、粘结性能和抗渗性能，且利用粉煤灰矿渣代替部分水泥，有利于实现大宗固废的资源化利用。

Description

一种高固废含量的纤维聚合物修复材料及其制备方法
技术领域
本发明属于运营隧道病害治理材料技术领域，涉及一种高固废含量的纤维聚合物修复材料及其制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
隧道衬砌普遍存在渗漏水、衬砌开裂、破损等现象，给隧道的运营带来极大的安全隐患。发明人研究了解，隧道结构修复后，存在修复材料易开裂、粘结强度低、易剥落等问题，且缺乏较好的韧性来适应与隧道结构协调变形的能力，修复材料面临再次破坏的风险。研发具有高柔韧性、与被修复结构粘结性能好、抗渗性强的修复材料具有重要意义。发明人研究发现，现有纤维增强水泥基材料、聚合物改性材料都不能兼具以上性能，且纤维聚合物成本较高。考虑到工程实用效益和经济效益，亟需提供一种性能优良、成本低的新型修复材料。
发明内容
为了解决现有技术的不足，进一步提高材料性能、降低材料成本，本发明提出了一种高固废含量的纤维聚合物修复材料及其制备方法。该材料具有较高的柔韧性、粘结性能和抗渗性能，且利用粉煤灰矿渣代替部分水泥，有利于实现大宗固废的资源化利用。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一方面，一种高固废含量的纤维聚合物修复材料，按重量份计，包括基体材料70～85份，优化剂2～5份，水15～25份；
所述基体材料，按重量份计，由以下组分组成：水泥10～20份，石英砂20～30份，粉煤灰20～30份，高炉矿渣20～30份，合成纤维0.5～2份，聚合物乳液5～10份；
所述优化剂，按重量份计，由以下组分组成：减水剂1.0～2.5份、消泡剂0.05～0.15份、增稠剂0.05～0.15份和碱激发剂1.5～4.0份。
本发明通过碱激发剂使粉煤灰和高炉矿渣产生凝胶硬化特性，从而使得粉煤灰和高炉矿渣能够代替水泥。本发明通过合成纤维桥连作用可以控制裂缝的扩展，使得材料获得高柔韧性。本发明添加聚合物乳液，首先与合成纤维从宏微观协同提高材料韧性；其次，在修补界面缝隙、孔洞中成膜发挥填充的架桥的用途，提高材料粘结特性；再次，形成聚合物薄膜阻断了毛细管道，提高材料的抗渗性能。
本发明中优化剂中采用聚羧酸减水剂就能有效改善浆液流动性能，消泡剂可以消除聚合物乳液产生的气泡，减少乳液对强度的影响。增稠剂增加浆液的内粘聚力，使纤维分散均匀。碱激发剂使得固废材料在前期就有充分的活性。
另一方面，一种上述高固废含量的纤维聚合物修复材料的制备方法，包括如下步骤：
将优化剂与水、聚合物乳液混合制成液体组分；
将水泥、石英砂、粉煤灰、高炉矿渣混合制成固体组分；
将液体组分与固体组分混合均匀后，加入合成纤维，搅拌至合成纤维分散均匀。
第三方面，一种上述高固废含量的纤维聚合物修复材料在运营隧道病害治理中应用。
第四方面，一种运营隧道病害治理的方法，将上述高固废含量的纤维聚合物修复材料注入运营隧道的病害处，然后进行养护；在运营隧道的病害处为渗漏水处、衬砌开裂处和/或破损处。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的高固废含量的纤维聚合物修复材料，具有较高的韧性和初裂应变，适应隧道结构缓慢持续的破坏特征，受力后材料呈现出“裂而不碎”的效果，具有良好的与隧道结构协调变形的能力，避免脆性破坏而导致的修复结构失效。
(2)本发明的修复材料与旧混凝土界面具有高的粘结性能，减少修复界面易开裂、易剥落的问题。且本发明的材料具有较高的抗渗性能，在地下工程富水的条件下，显著提高防水性能。
(3)本发明减少水泥用量，提高粉煤灰和高炉矿渣的含量。利用碱激发剂有效激发了工业固废材料的活性保证了一定的强度。不仅提高了大宗固废材料回收利用，也降低了材料的成本。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的修复材料实施例与普通砂浆受压破坏形态对比图。
图2为本发明的修复材料微观扫描电镜图；a为实施例1，b为实施例5。
图3为本发明的修复材料实施例表面憎水效果对比图；a为实施例1，b为实施例2，c为实施例3，d为实施例4，e为实施例5。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
鉴于现有修复材料无法使柔韧性、粘结性、抗渗性及成本兼顾，本发明提出了一种高固废含量的纤维聚合物修复材料及其制备方法。
本发明的一种典型实施方式，提供了一种高固废含量的纤维聚合物修复材料，按重量份计，包括基体材料70～85份，优化剂2～5份，水15～25份；
所述基体材料，按重量份计，由以下组分组成：水泥10～20份，石英砂20～30份，粉煤灰20～30份，高炉矿渣20～30份，合成纤维0.5～2份，聚合物乳液5～10份；
所述优化剂，按重量份计，由以下组分组成：减水剂1～2份、消泡剂0.05～0.1份、增稠剂0.05～0.1份和碱激发剂1.5～3份。
传统掺加固废的水泥基材料，固废材料的活性较低，形成的结石体强度低。不论是粉煤灰还是高炉矿渣，都很难与水发生胶凝反应，但是可以在激发剂的作用下被激发，使固废材料具有胶凝硬化特性。纤维的桥连作用可以控制裂缝的扩展，使得材料获得高柔韧性。PTB乳液充斥着聚合物颗粒，产生的聚合物膜减慢微裂缝的扩展速度，与纤维从宏微观协同提高材料韧性。乳液能在修补界面缝隙、孔洞中成膜发挥填充的架桥的用途，提高材料粘结特性。PTB乳液形成的聚合物薄膜阻断了毛细管道，提高材料的抗渗性能。
选择这粉煤灰和高炉矿渣的原因：粉煤灰是具有一定活性的混合材料，又能变废为宝，降低修复材料的成本。高炉矿渣具有一定的水硬凝胶性能，也是工业固体废弃物，加以利用有利于环境保护，也是确保修复材料经济实用性的有效途径。
聚羧酸减水剂就能有效改善浆液流动性能，消泡剂可以消除聚合物乳液产生的气泡，减少乳液对强度的影响。增稠剂增加浆液的内粘聚力，使纤维分散均匀。碱激发剂使得固废材料在前期就有充分的活性。
该实施方式的一些实施例中，减水剂1.0～2.0份、消泡剂0.05～0.10份、增稠剂0.05～0.10份和碱激发剂1.5～3.0份。
该实施方式的一些实施例中，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。聚羧酸高效减水剂为液态。与其他减水剂相比，该减水剂能够进一步提高流动性。
该实施方式的一些实施例中，所述消泡剂为磷酸三丁酯。磷酸三丁酯(C4H9O3PO)，无色无味液体。
该实施方式的一些实施例中，所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚。该增稠剂能够进一步增加浆液的内粘聚力，增强纤维的分散，使纤维分散更均匀。
该实施方式的一些实施例中，所述碱激发剂为氢氧化钠或硅酸钠溶液。
该实施方式的一些实施例中，所述聚合物乳液为PTB乳液。PTB乳液(COMPAKTUNA.PRO)，是比利时王国精细化工控股有限公司生产的万能乳液，化学学名为氯乙烯－乙烯－乙烯酯三元共聚乳液，属于热塑性树脂。
本发明的另一种实施方式，提供了一种上述高固废含量的纤维聚合物修复材料的制备方法，包括如下步骤：
将优化剂与水、聚合物乳液混合制成液体组分；
将水泥、石英砂、粉煤灰、高炉矿渣混合制成固体组分；
将液体组分与固体组分混合均匀后，加入合成纤维，搅拌至合成纤维分散均匀。
该实施方式的一些实施例中，将减水剂、消泡剂、增稠剂和碱激发剂按比例混合，并搅拌均匀，得到优化剂。
该实施方式的一些实施例中，加入合成纤维后，搅拌4～6分钟。使砂浆体具有良好的流动性和适宜的粘聚性，纤维无明显结团现象。
本发明的第三种实施方式，提供了一种上述高固废含量的纤维聚合物修复材料在运营隧道病害治理中应用。
本发明的第四种实施方式，提供了一种运营隧道病害治理的方法，将上述高固废含量的纤维聚合物修复材料注入运营隧道的病害处，然后进行养护；在运营隧道的病害处为渗漏水处、衬砌开裂处和/或破损处。
该实施方式的一些实施例中，在90～98％湿度下进行养护。养护温度为15～25℃。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
以下实施例中，减水剂为聚羧酸高效减水剂(液态，采购自湖南中岩建材科技有限公司)，消泡剂为磷酸三丁酯，增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚，碱激发剂为硅酸钠溶液，合成纤维为聚乙烯醇(PVA)纤维，聚合物乳液为PTB乳液。
实施例1
一种高固废含量的纤维聚合物修复材料及制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将原材料中粉煤灰和高炉矿渣使用球磨机和研磨机分别研磨至细度大于400目，再用筛分机筛分后实验备用；
步骤二：按质量份计配置性能优化剂，包括以下组分：减水剂1.2份、消泡剂0.08份、增稠剂0.08份和碱激发剂2份。
步骤三：按质量份计称取原材料，包括基体材料75份，优化剂3.36份，水24份。
其中基体材料，按重量份计，包括以下组分：水泥20份，石英砂20份，粉煤灰15份，高炉矿渣20份，合成纤维0份，聚合物乳液0份。
步骤四：将上述称取的原材料按复合材料的制备方法顺序充分搅拌。
步骤五：将搅拌之后的材料成型，置于95％湿度、20℃环境下养护至28天。
对本实施例制备的高固废含量的纤维聚合物修复材料的韧性指数、粘结强度、抗渗强度表1所示；其中，抗压强度采用GB/T 17671-2020推荐的方法；抗渗强度采用JGJ/T70-2009推荐的方法；拉伸粘结强度采用JGJ/T 70-2009推荐的方法；韧性指数依据抗压的应力-应变曲线计算。
表1产品性能
Figure BDA0003216181480000071
实施例2
一种高固废含量的纤维聚合物修复材料及制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将原材料中粉煤灰和高炉矿渣使用球磨机和研磨机分别研磨至细度大于400目，再用筛分机筛分后实验备用；
步骤二：按质量份计配置性能优化剂，包括以下组分：减水剂1.2份、消泡剂0.08份、增稠剂0.08份和碱激发剂2份。
步骤三：按质量份计称取原材料，包括基体材料79份，优化剂3.36份，水22.5份。
其中基体材料，按重量份计，包括以下组分：水泥20份，石英砂20份，粉煤灰20份，高炉矿渣15份，合成纤维1.5份，聚合物乳液2.5份。
步骤四：将上述称取的原材料按复合材料的制备方法顺序充分搅拌。
步骤五：将搅拌之后的材料成型，置于95％湿度、20℃环境下养护至28天。
对本实施例制备的高固废含量的纤维聚合物修复材料的韧性指数、粘结强度、抗渗强度表2所示：
表2产品性能
Figure BDA0003216181480000081
实施例3
一种高固废含量的纤维聚合物修复材料及制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将原材料中粉煤灰和高炉矿渣使用球磨机和研磨机分别研磨至细度大于400目，再用筛分机筛分后实验备用；
步骤二：按质量份计配置性能优化剂，包括以下组分：减水剂1.2份、消泡剂0.08份、增稠剂0.08份和碱激发剂2份。
步骤三：按质量份计称取原材料，包括基体材料81份，优化剂3.36份，水21.5份。
其中基体材料，按重量份计，包括以下组分：水泥15份，石英砂20份，粉煤灰15份，高炉矿渣25份，合成纤维1份，聚合物乳液5份。
步骤四：将上述称取的原材料按复合材料的制备方法顺序充分搅拌。
步骤五：将搅拌之后的材料成型，置于95％湿度、20℃环境下养护至28天。
对本实施例制备的高固废含量的纤维聚合物修复材料的韧性指数、粘结强度、抗渗强度表3所示：
表3产品性能
Figure BDA0003216181480000091
实施例4
一种高固废含量的纤维聚合物修复材料及制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将原材料中粉煤灰和高炉矿渣使用球磨机和研磨机分别研磨至细度大于400目，再用筛分机筛分后实验备用；
步骤二：按质量份计配置性能优化剂，包括以下组分：减水剂1.2份、消泡剂0.08份、增稠剂0.08份和碱激发剂2份。
步骤三：按质量份计称取原材料，包括基体材料83份，优化剂3.36份，水20.5份。
其中基体材料，按重量份计，包括以下组分：水泥15份，石英砂20份，粉煤灰20份，高炉矿渣20份，合成纤维0.5份，聚合物乳液7.5份。
步骤四：将上述称取的原材料按复合材料的制备方法顺序充分搅拌。
步骤五：将搅拌之后的材料成型，置于95％湿度、20℃环境下养护至28天。
对本实施例制备的高固废含量的纤维聚合物修复材料的韧性指数、粘结强度、抗渗强度表4所示：
表4产品性能
Figure BDA0003216181480000101
实施例5
一种高固废含量的纤维聚合物修复材料及制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将原材料中粉煤灰和高炉矿渣使用球磨机和研磨机分别研磨至细度大于400目，再用筛分机筛分后实验备用；
步骤二：按质量份计配置性能优化剂，包括以下组分：减水剂1.2份、消泡剂0.08份、增稠剂0.08份和碱激发剂2份。
步骤三：按质量份计称取原材料，包括基体材料87份，优化剂3.36份，水19份。
其中基体材料，按重量份计，包括以下组分：水泥15份，石英砂20份，粉煤灰25份，高炉矿渣15份，合成纤维2份，聚合物乳液10份。
步骤四：将上述称取的原材料按复合材料的制备方法顺序充分搅拌。
步骤五：将搅拌之后的材料成型，置于95％湿度、20℃环境下养护至28天。
对本实施例制备的高固废含量的纤维聚合物修复材料的韧性指数、粘结强度、抗渗强度表5所示：
表5产品性能
Figure BDA0003216181480000102
图1为本发明实施例5的材料与普通水泥材料(仅有硅酸盐水泥、石英砂和水，且添加比例与实施例5相同)在相同位移条件下(3mm)的破坏形态，表明实施例5制备的材料的抗破坏性能更显著。
实施例1的材料与实施例5的材料的微观结构对比，如图2所示，实施例5的材料中聚合物的成膜作用将水泥水化产物连接为整体，表明聚合物对水泥微观结构的改变导致宏观性能变化。
随PTB乳液含量逐渐增加，材料表面显示出的憎水性的变化，如图3所示，表明随着PTB乳液含量，材料抗渗性逐渐增加，PTB乳液对材料的抗渗能力有提高。
由实施例1-5可知，纤维含量对韧性指数具有很大影响，PTB乳液在对材料的抗渗和粘结性能有很大提高。提高固废含量材料强度一定程度降低但是降低不多。综上所述本发明的修复材料具有较好的性能，可以作为修复材料。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种高固废含量的纤维聚合物修复材料，其特征是，按重量份计，包括基体材料70～85份，优化剂2～5份，水15～25份；
所述基体材料，按重量份计，由以下组分组成：水泥10～20份，石英砂20～30份，粉煤灰20～30份，高炉矿渣20～30份，合成纤维0.5～2份，聚合物乳液5～10份；
所述优化剂，按重量份计，由以下组分组成：减水剂1～2份、消泡剂0.05～0.1份、增稠剂0.05～0.1份和碱激发剂1.5～3份；
所述聚合物乳液为PTB乳液，所述PTB乳液为氯乙烯－乙烯－乙烯酯三元共聚乳液。
2.如权利要求1所述的高固废含量的纤维聚合物修复材料，其特征是，减水剂1.0～2.0份、消泡剂0.05～0.10份、增稠剂0.05～0.10份、碱激发剂1.5～3.0份。
3.如权利要求1所述的高固废含量的纤维聚合物修复材料，其特征是，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
4.如权利要求1所述的高固废含量的纤维聚合物修复材料，其特征是，所述消泡剂为磷酸三丁酯。
5.如权利要求1所述的高固废含量的纤维聚合物修复材料，其特征是，所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚。
6.如权利要求1所述的高固废含量的纤维聚合物修复材料，其特征是，所述碱激发剂为氢氧化钠或硅酸钠溶液。
7.一种权利要求1～6任一所述的高固废含量的纤维聚合物修复材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
将优化剂与水、聚合物乳液混合制成液体组分；
将水泥、石英砂、粉煤灰、高炉矿渣混合制成固体组分；
将液体组分与固体组分混合均匀后，加入合成纤维，搅拌至合成纤维分散均匀。
8.如权利要求7所述的高固废含量的纤维聚合物修复材料的制备方法，其特征是，将减水剂、消泡剂、增稠剂和碱激发剂按比例混合，并搅拌均匀，得到优化剂。
9.如权利要求7所述的高固废含量的纤维聚合物修复材料的制备方法，其特征是，加入合成纤维后，搅拌4～6分钟。
10.一种权利要求1～6任一所述的高固废含量的纤维聚合物修复材料在运营隧道病害治理中的应用。
11.一种运营隧道病害治理的方法，其特征是，将权利要求1～6任一所述的高固废含量的纤维聚合物修复材料注入运营隧道的病害处，然后进行养护；运营隧道的病害处为渗漏水处、衬砌开裂处和/或破损处。
12.如权利要求11所述的运营隧道病害治理的方法，其特征是，在90～98％湿度下进行养护。
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