CN114773791A - 一种自监测型混凝土用修复材料及其制备和应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自监测型混凝土用修复材料及其制备和应用方法，其特征在于：按质量份计，包括如下材料组分：碳材料1‑10份，粘结剂1‑20份，环氧树脂100‑200份，稀释剂10‑50份，固化剂10‑80份，固化促进剂1‑10份；改性脂肪胺组分为脂肪胺100‑150份，乙醚100‑150份。本发明利用导电碳材料包覆的空心玻璃微珠作为环氧树脂修复材料的轻质导电填料，不仅具备轻质特征且能形成阻隔结构的导电网络，显著降低导电填料的用量，同时能够通过检测电阻率变化值实现修复材料薄弱环节的健康监测，且具有较高灵敏度。

Description

一种自监测型混凝土用修复材料及其制备和应用方法
技术领域
本发明属于混凝土修复技术领域，具体涉及一种自监测型混凝土用环氧树脂修复材料及其制备和应用方法。
背景技术
混凝土是当今土木工程领域最普遍的工程材料之一，广泛应用于机场、桥梁、高铁、大坝、水电站、地铁、隧道等重大工程中，然而，由于混凝土内部存在孔隙与微裂缝，混凝土材料通常表现出抗拉强度低、抗裂性差等不足，在服役过程中由于载荷作用、环境腐蚀、疲劳损伤等因素不可避免产生裂缝，而混凝土裂缝会为水分或侵蚀性介质的侵入提供了渠道，进而诱发混凝土的劣化，影响其耐久性及安全性，甚至会引发灾难性的事故。因此，如何对裂缝进行及时修复对于提高其耐久性、延长服役寿命同样具有显著的经济及社会意义。
环氧树脂是目前使用量较大的混凝土裂缝修复材料之一，目前存在的问题在于：由于环氧树脂的交联密度大而脆性较大，而在具有动载荷情况下，如地铁隧道大坝等重大工程中，树脂的脆性大也导致易开裂，因而裂缝修复处恰好是整体修复后混凝土的薄弱环节,同时如地下空间常常处于有高水压渗漏水的长期冲蚀情况下，环氧树脂修复材料也较为容易出现再次破坏现象，导致整体混凝土的劣化及耐久性下降。因此有必要对修复材料处薄弱环节进行实时自监测其变形、裂纹及失效等，对混凝土进行实时的健康监测和安全预警对提高结构的安全性和可靠性具有重要的意义。
公开号为CN106433536B的专利公开了一种用于地下工程裂缝堵漏补强的双固化环氧树脂-乙烯基酯树脂胶粘剂，不但具有乙烯基酯树脂超快速固化的特点，且具有环氧树脂耐老化、柔韧性好、断裂伸长率高；公开号为CN108395137A的专利公开了一种电磁诱导水泥混凝土裂缝自修复环氧树脂型微胶囊及其制备方法，所述环氧树脂微胶囊，能赋予混凝土更强的裂缝自修复能力，延长混凝土的服役寿命，但上述专利均无自监测功能。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种自监测型混凝土用环氧树脂修复材料，其特征在于：按质量份计，包括如下材料组分：碳材料1-10份，粘结剂1-20份，环氧树脂100-200份，稀释剂10-50份，固化剂10-80份，固化促进剂1-10份；改性脂肪胺组分为脂肪胺100-150份，乙醚100-150份。
一种自监测型混凝土用环氧树脂修复材料的制备方法，包括如下步骤:
步骤1、将不同质量分数的导电碳材料置于装有粘结剂的水溶液中超声分散均匀得到导电碳材料的悬浮液；
步骤2、将空心玻璃微珠置于经步骤1得到的导电碳材料的悬浮液充分搅拌均匀，过滤，烘干得到导电碳材料包覆的空心玻璃微珠；
步骤3、将10-50份经步骤2导电碳材料包覆的空心玻璃微珠置于100份环氧树脂和10-30份活性稀释剂的混合液中进行行星式搅拌充分分散均匀，加入30-80份固化剂和2-4份固化促进剂后通过机械搅拌充分混合均匀固化即得到自监测型混凝土用环氧树脂修复材料；
所述步骤1中碳材料为碳黑、纳米碳纤维、碳纳米管、石墨烯的一种或者几种。
所述步骤1中粘结剂为羧甲基纤维素、阳离子淀粉、聚乙烯醇的一种。
所述步骤1中粘结剂的水溶液的质量分数为1％-5％。
所述步骤1中导电碳材料的质量分数为0.5-10％。
所述步骤2中环氧树脂为双酚A型环氧树脂E51或双酚F型170环氧树脂的一种或两种。
所述步骤3中活性稀释剂为苯基缩水甘油醚、丙烯基缩水甘油醚、丁基缩水甘油醚、二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、丁二醇二缩水甘油醚、新戊二醇二缩水甘油醚中的一种或几种。
所述步骤3中固化促进剂为壬基酚、2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚和甲醇的一种。
所述步骤3中固化剂为酚醛胺、聚酰胺、聚醚胺和改性脂肪胺的一种或几种；其中改性脂肪胺的制备方法为：
将质量份100份的脂肪胺与100份的乙醚加入三口烧瓶中，通过水浴加热至40℃，机械搅拌使得脂肪胺充分溶于乙醚中，然后以10份/min的滴加速度加入30-60份丙烯腈至脂肪胺的乙醚溶液中，之后升高温度至60℃不断搅拌反应2h，最后通过减压蒸馏，脱除乙醚，即可得到丙烯腈改性的脂肪胺；
所述的脂肪胺为为乙二胺、二乙烯三胺、己二胺的一种；
所述减压蒸馏条件为温度80℃、压力-0.1MPa下2h。
一种自监测型混凝土用环氧树脂修复材料的应用方法为：
利用高压灌浆将混凝土用自监测环氧树脂修复材料注入混凝土裂缝内，预埋不锈钢网电极，待到固化后，对修复材料在非破坏循环压缩荷载、非破坏递增循环压缩荷载、破坏递增压缩载荷作用下的应力/应变和电阻率变化(FCR)进行同步测试，得出应力应变与电阻率变化(FCR)之间的关系，通过电阻率变化(FCR)实时检测修复材料的应力、应变及失效情况；
当最大FCR小于或者等于8％，说明了基体中的导电网络受到应力作用下未产生不可逆破坏，环氧树脂修复材料处于未破坏状态，当最大FCR大于8％且小于等于100％时，说明环氧树脂修复材料中产生了微裂纹，当最大FCR大于100％时，环氧树脂修复材料发生不可逆破坏而失效。
本发明具有如下优点：
1、利用导电碳材料包覆的空心玻璃微珠作为环氧树脂修复材料的轻质导电填料，不仅具备轻质特征且能形成阻隔结构的导电网络，显著降低导电填料的用量，同时能够通过检测电阻率变化值实现修复材料薄弱环节的健康监测，且具有较高灵敏度；
2、环氧树脂修复材料中有极性羟基以及醚键的存在，与混凝土具有极强的界面粘结性能，同时具备较高的力学强度，结合赋予的自监测性能，显著提高了混凝土结构的耐久性；
3、环氧树脂修复材料中采用活性稀释剂，可以调控修复材料的黏度及流变性能从而满足可灌性，且能够常温固化，具备优良的施工性能。
附图说明
图1为实施例1-4在不同应力作用下电阻率变化；
图2为实施例5-7在不同应力作用下电阻率变化。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，本发明将不同质量分数的导电碳材料置于装有粘结剂的水溶液中超声分散均匀得到导电碳材料的悬浮液；将空心玻璃微珠置于导电碳材料的悬浮液中搅拌，过滤干燥得到导电碳材料包覆的空心玻璃微珠；将导电碳材料包覆的空心玻璃微珠置于环氧树脂和活性稀释剂的混合液中进行行星式搅拌充分分散均匀，加入固化剂和固化促进剂后通过机械搅拌充分混合均匀固化即得到自监测型混凝土用环氧树脂修复材料；将混凝土用自监测环氧树脂修复材料利用高压灌浆注入混凝土裂缝内，预埋不锈钢网电极，待到固化后，利用万能材料试验机和数字源表对修复材料在非破坏循环压缩荷载、非破坏递增循环压缩荷载、破坏递增压缩载荷作用下的应力/应变和电阻率变化(FCR)进行了同步测试，得出应力应变与电阻率变化(FCR)之间的关系，通过电阻率变化(FCR)实时检测修复材料的应力、应变以及失效情况。
实施例1
(1)将碳黑置于装有质量分数为5％羧甲基纤维素的水溶液中超声分散均匀得到碳黑的悬浮液，所述碳黑质量分数为10％；
(2)将空心玻璃微珠置于经步骤(1)得到碳黑的悬浮液充分搅拌均匀，过滤，烘干得到碳黑包覆的空心玻璃微珠；
(3)将50份经步骤(1)碳黑包覆的空心玻璃微珠置于100份双酚A环氧树脂E51和10份苯基缩水甘油醚的混合液中进行行星式搅拌充分分散均匀，加入30份酚醛胺和2份壬基酚后通过机械搅拌充分混合均匀即得到自监测型混凝土用环氧树脂修复材料；
(4)将混凝土用自监测环氧树脂修复材料利用高压灌浆注入混凝土裂缝内，预埋电极，待到固化后，对修复材料在非破坏循环压缩荷载、非破坏递增循环压缩荷载、破坏递增压缩载荷作用下的应力/应变和电阻率变化(FCR)进行了同步测试，得出应力应变与电阻率变化(FCR)之间的关系，通过电阻率变化(FCR)实时检测修复材料的应力、应变及失效情况。
实施例2
(1)将纳米碳纤维置于装有质量分数为1％聚乙烯醇的水溶液中超声分散均匀得到纳米碳纤维的悬浮液，所述纳米碳纤维质量分数为5％；
(2)将空心玻璃微珠置于经步骤(1)得到纳米碳纤维的悬浮液充分搅拌均匀，过滤，烘干得到纳米碳纤维包覆的空心玻璃微珠；
(3)将20份经步骤(1)纳米碳纤维包覆的空心玻璃微珠置于100份双酚A环氧树脂E51和15份活性丙烯基缩水甘油醚的混合液中进行行星式搅拌充分分散均匀，加入80份聚酰胺和3份2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚后通过机械搅拌充分混合均匀即得到自监测型混凝土用环氧树脂修复材料。
(4)同实施例1(4)。
实施例3
(1)将碳纳米管置于装有质量分数为3％阳离子淀粉的水溶液中超声分散均匀得到碳纳米管的悬浮液，所述碳纳米管质量分数为3％；
(2)将空心玻璃微珠置于经步骤(1)得到碳纳米管的悬浮液充分搅拌均匀，过滤，烘干得到碳纳米管包覆的空心玻璃微珠；
(3)10份将经步骤(1)碳纳米管包覆的空心玻璃微珠置于100份双酚A环氧树脂E51和15份丁基缩水甘油醚的混合液中进行行星式搅拌充分分散均匀，加入65份聚醚胺和4份甲醇后通过机械搅拌充分混合均匀即得到自监测型混凝土用环氧树脂修复材料；
(4)同实施例1(4)。
实施例4
(1)将石墨烯置于装有质量分数为3％阳离子淀粉的水溶液中超声分散均匀得到导电碳材料的悬浮液，所述石墨烯质量分数为0.5％；
(2)将石墨烯置于经步骤(1)得到石墨烯的悬浮液充分搅拌均匀，过滤，烘干得到石墨烯包覆的空心玻璃微珠；
(3)将20份经步骤(1)石墨烯包覆的空心玻璃微珠置于100份双酚F 170环氧树脂和20份二缩水甘油醚的混合液中进行行星式搅拌充分分散均匀，加入54份酚醛胺和3份2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚后通过机械搅拌充分混合均匀即得到自监测型混凝土用环氧树脂修复材料。
(4)同实施例1(4)。
实施例5
(1)将石墨烯置于装有质量分数为5％羧甲基纤维素的水溶液中超声分散均匀得到石墨烯的悬浮液，所述石墨烯质量分数为1％；
(2)将石墨烯置于经步骤(1)得到碳纳米管的悬浮液充分搅拌均匀，过滤，烘干得到石墨烯包覆的空心玻璃微珠；
(3)将10份经步骤(1)石墨烯包覆的空心玻璃微珠置于50份双酚AE51环氧树脂、50份双酚F 170环氧树脂和20份乙二醇二缩水甘油醚的混合液中进行行星式搅拌充分分散均匀，加入35份改性乙二胺和3份2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚后通过机械搅拌充分混合均匀固化即得到自监测型混凝土用环氧树脂修复材料；
所述改性乙二胺的制备步骤为：
将质量份100份的乙二胺与100份的乙醚加入三口烧瓶中，通过水浴加热至40℃，机械搅拌使得乙二胺充分溶于乙醚中，然后以10份/min的滴加速度加入30份丙烯腈至乙二胺的乙醚溶液中，之后升高温度至60℃不断搅拌反应2h，最后通过减压蒸馏，脱除乙醚，即可得到丙烯腈改性的乙二胺；
所述减压蒸馏条件为温度80℃、压力-0.1MPa下2h；
(4)同实施例1(4)。
实施例6
(1)将石墨烯置于装有质量分数为5％羧甲基纤维素的水溶液的水溶液中超声分散均匀得到导电碳材料的悬浮液，所述石墨烯质量分数为0.5％；
(2)将石墨烯置于经步骤(1)得到的悬浮液充分搅拌均匀，过滤，烘干得到石墨烯包覆的空心玻璃微珠；
(3)将30份经步骤(1)石墨烯包覆的空心玻璃微珠置于100份双酚F 170环氧树脂和20份丁二醇二缩水甘油醚的混合液中进行行星式搅拌充分分散均匀，加入38份改性二乙烯三胺和3份2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚后通过机械搅拌充分混合均匀即得到自监测型混凝土用环氧树脂修复材料；
所述改性乙二胺的制备步骤为：
将质量份100份的乙二胺与100份的乙醚加入三口烧瓶中，通过水浴加热至40℃，机械搅拌使得二乙烯三胺充分溶于乙醚中，然后以10份/min的滴加速度加入45份丙烯腈至二乙烯三胺的乙醚溶液中，之后升高温度至60℃不断搅拌反应2h，最后通过减压蒸馏，脱除乙醚，即可得到丙烯腈改性的二乙烯三胺；
所述减压蒸馏条件为温度80℃、压力-0.1MPa下2h；
(4)同实施例1(4)。
实施例7
(1)将石墨烯置于装有质量分数为5％羧甲基纤维素的水溶液的水溶液中超声分散均匀得到导电碳材料的悬浮液，所述石墨烯质量分数为2％；
(2)将石墨烯置于经步骤(1)得到的悬浮液充分搅拌均匀，过滤，烘干得到石墨烯包覆的空心玻璃微珠；
(3)将30份经步骤1)石墨烯包覆的空心玻璃微珠置于100份双酚F 170环氧树脂和30份新戊二醇二缩水甘油醚的混合液中进行行星式搅拌充分分散均匀，加入15份酚醛胺、15份改性己二胺和3份2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚后通过机械搅拌充分混合均匀即得到自监测型混凝土用环氧树脂修复材料；
所述改性己二胺的制备步骤为：
将质量份100份的乙二胺与100份的乙醚加入三口烧瓶中，通过水浴加热至40℃，机械搅拌使得己二胺充分溶于乙醚中，然后以10份/min的滴加速度加入30份丙烯腈至己二胺的乙醚溶液中，之后升高温度至60℃不断搅拌反应2h，最后通过减压蒸馏，脱除乙醚，即可得到丙烯腈改性的己二胺；
所述减压蒸馏条件为温度80℃、压力-0.1MPa下2h；
(4)同实施例1(4)；
表1各实施例环氧树脂修复材料测试数据
Figure BDA0003625454410000091
Figure BDA0003625454410000101
本发明与混凝土具有极强的界面粘结性能，同时具备较高的力学强度，结合赋予的自监测性能，显著提高了混凝土结构的耐久性；环氧树脂修复材料中采用活性稀释剂，可以调控修复材料的黏度及流变性能从而满足可灌性，且能够常温固化，具备优良的施工性能。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种自监测型混凝土用环氧树脂修复材料，其特征在于：按质量份计，包括如下材料组分：碳材料1-10份，粘结剂1-20份，环氧树脂100-200份，稀释剂10-50份，固化剂10-80份，固化促进剂1-10份；改性脂肪胺组分为脂肪胺100-150份，乙醚100-150份。
2.如权利要求1所述的一种自监测型混凝土用环氧树脂修复材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:
步骤1、将不同质量分数的导电碳材料置于装有粘结剂的水溶液中超声分散均匀得到导电碳材料的悬浮液；
步骤2、将空心玻璃微珠置于经步骤1得到的导电碳材料的悬浮液充分搅拌均匀，过滤，烘干得到导电碳材料包覆的空心玻璃微珠；
步骤3、将10-50份经步骤2导电碳材料包覆的空心玻璃微珠置于100份环氧树脂和10-30份活性稀释剂的混合液中进行行星式搅拌充分分散均匀，加入30-80份固化剂和2-4份固化促进剂后通过机械搅拌充分混合均匀固化即得到自监测型混凝土用环氧树脂修复材料。
3.如权利要求2所述的一种自监测型混凝土用环氧树脂修复材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中碳材料为碳黑、纳米碳纤维、碳纳米管、石墨烯的一种或者几种。
4.如权利要求2所述的一种自监测型混凝土用环氧树脂修复材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中粘结剂为羧甲基纤维素、阳离子淀粉、聚乙烯醇的一种，所述步骤1中粘结剂的水溶液的质量分数为1％-5％。
5.如权利要求2所述的一种自监测型混凝土用环氧树脂修复材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中导电碳材料的质量分数为0.5-10％。
6.如权利要求2所述的一种自监测型混凝土用环氧树脂修复材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中环氧树脂为双酚A型环氧树脂E51或双酚F型170环氧树脂的一种或两种。
7.如权利要求2所述的一种自监测型混凝土用环氧树脂修复材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3中活性稀释剂为苯基缩水甘油醚、丙烯基缩水甘油醚、丁基缩水甘油醚、二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、丁二醇二缩水甘油醚、新戊二醇二缩水甘油醚中的一种或几种；
所述步骤3中固化促进剂为壬基酚、2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚和甲醇的一种。
8.如权利要求2所述的一种自监测型混凝土用环氧树脂修复材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3中固化剂为酚醛胺、聚酰胺、聚醚胺和改性脂肪胺的一种或几种，其中改性脂肪胺的制备方法为：
将质量份100份的脂肪胺与100份的乙醚加入三口烧瓶中，通过水浴加热至40℃，机械搅拌使得脂肪胺充分溶于乙醚中，然后以10份/min的滴加速度加入30-60份丙烯腈至脂肪胺的乙醚溶液中，之后升高温度至60℃不断搅拌反应2h，最后通过减压蒸馏，脱除乙醚，得到丙烯腈改性的脂肪胺。
9.如权利要求8所述的一种自监测型混凝土用环氧树脂修复材料的制备方法，其特征在于：所述的脂肪胺为为乙二胺、二乙烯三胺、己二胺的一种；所述减压蒸馏条件为温度80℃、压力-0.1MPa下2h。
10.如权利要求1所述的一种自监测型混凝土用环氧树脂修复材料的应用方法为，其特征在于：利用高压灌浆将混凝土用自监测环氧树脂修复材料注入混凝土裂缝内，预埋不锈钢网电极，待到固化后，对修复材料在非破坏循环压缩荷载、非破坏递增循环压缩荷载、破坏递增压缩载荷作用下的应力/应变和电阻率变化进行同步测试，得出应力应变与电阻率变化之间的关系，通过电阻率变化实时检测修复材料的应力、应变及失效情况；
当最大电阻率变化小于或者等于8％，说明了基体中的导电网络受到应力作用下未产生不可逆破坏，环氧树脂修复材料处于未破坏状态，当最大电阻率变化大于8％且小于等于100％时，说明环氧树脂修复材料中产生了微裂纹，当最大电阻率变化大于100％时，环氧树脂修复材料发生不可逆破坏而失效。
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