CN115260814A - 一种改性水泥基涂层材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种改性水泥基涂层材料及其制备方法和应用。所述改性水泥基涂层材料由包括如下组分的原料制备得到：水泥、纳米改性材料和疏水剂；所述水泥为硅酸盐水泥；所述纳米改性材料和所述疏水剂的质量比为(1～3)：(2～3)。纳米改性材料虽然能提升水泥基涂层的密实性、力学性能和耐久性，但是其对于水泥基材料涂层的防水性能提升较小，难以满足要求；本发明针对这一问题提出一种复合水泥、纳米改性材料和疏水剂的改性水泥基涂层材料，其在具有理想的力学性能的情况下还具有较高的疏水性能。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种改性水泥基涂层材料及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，纳米材料改性涂层逐渐被广泛应用于沿海建筑、桥梁、管道、水工混凝土结构等领域的表面防护中。纳米材料独特的微观结构在纳米尺度上改变原有水泥基材料的粘结性能及化学硬化特性，此外，纳米材料的填充效应和尺寸效应削弱了涂层对温度和湿度的敏感性，从而增强了水泥基涂层的密实性、力学性能和耐久性。
虽然纳米材料也可以提高水泥基材料的疏水性以增强抗腐蚀防水作用，但是仅依靠纳米材料难以到达疏水甚至是超疏水混凝土的疏水效果。传统的防水涂料或者(超)疏水水泥基涂料都具有较高防水抗渗作用，而防水涂料其成本较高且封层易被破坏，(超)疏水水泥基涂料表现出较低的力学性能。
因此，开发一种新型廉价性能优异的水泥基涂料是目前建筑材料技术领域的热门研究方向之一。随着研究深入，将纳米技术与混凝土疏水材料技术融合生产新型的疏水纳米改性水泥基材料为提高水泥基材料耐久性和功能性提供了新的思路。
疏水纳米改性水泥基涂料既拥有高疏水性以进一步增强单一纳米改性材料的防水抗渗性，又具有理想的力学性能以弥补疏水材料强度低的缺点。疏水纳米改性水泥基涂层由于其优异的功能性能并且价格低廉，在水泥基材料的保护方面具有广阔的应用前景。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种改性水泥基涂层材料及其制备方法和应用，通过复合水泥、纳米改性材料和疏水剂得到一种同时兼具较高的力学性能和疏水性能的改性水泥基涂层材料。
第一方面，本发明提供一种改性水泥基涂层材料，由包括如下组分的原料制备得到：水泥、纳米改性材料和疏水剂；所述水泥为硅酸盐水泥；所述纳米改性材料和所述疏水剂的质量比为(1～3)：(2～3)。
疏水剂提高防水效果，但是降低力学性能；纳米改性材料显著提高力学性能，可略微提高防水效果但是无法达到疏水效果。本发明在改性水泥基涂层材料中同时使用纳米改性材料和疏水剂，发现其并非是在纳米改性材料和疏水剂的作用下，达到疏水性能和力学性能的平衡点(例如疏水性能高于单独使用纳米改性材料但是低于疏水剂)，而是在疏水性能和力学性能上均超过两者单独使用时的水平，这说明了两者间可能存在协同作用。
疏水剂和纳米材料的配合使用即显著提高防水性能有提高力学性能。
进一步地，所述纳米改性材料包括：凹凸棒石纳米黏土、纳米SiO2、纳米TiO2、纳米CaCO3、纳米Al2O3、碳纳米管或者石墨烯中的一种或多种；和/或，所述疏水剂包括：辛基三乙氧基硅烷、聚甲基氢硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、硅氧基烷、正十二烷基三乙氧基硅烷、烷基三乙氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、水性硬脂酸乳液或硬脂酸中的一种或多种。
所述纳米改性材料优选为硅粉，所述疏水剂优选为辛基三乙氧基硅烷。
进一步地，所述水泥为P.I 52.5硅酸盐水泥。
进一步地，所述改性水泥基涂层材料以重量份计，包括：
水泥90～100份、纳米改性材料0.5～1.5份和疏水剂1～1.5份。
进一步地，以重量份计，还包括：辅助胶凝材料3～9份、粘接剂0.03～0.045份、减水剂1.5～3份、消泡剂0.03～0.15份、细骨料125～135份和去离子水30～45份。
进一步地，所述辅助胶凝材料包括粉煤灰、硅灰、石灰石粉、天然火山灰、高炉矿渣及磷渣粉中的一种或多种；
所述粘接剂包括：淀粉醚、甲基纤维素醚、可分散乳胶粉、淀粉、羟甲基纤维素中的一种或者几种；
所述减水剂包括聚羧酸减水剂、三聚氧胺减水剂或木质素磺酸盐减水剂中的一种或多种；
所述消泡剂为聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂；
所述细骨料包括石英砂和/或河砂。
进一步地，所述辅助胶凝材料选用粉煤灰和/或硅灰；和/或，
所述粘接剂选用淀粉酶和甲基纤维素醚；和/或，
所述减水剂为聚羧酸型减水剂。
进一步地，所述细骨料的细度模数为1.6～2.2，平均粒径为0.25～0.35mm；
所述减水剂的固含量为35～45％，减水率大于30％；和/或，
所述淀粉醚的细度小于500μm，粘度为400～1200mpas；和/或，
所述甲基纤维素醚的粘度为50～400mpas。
本发明中辅助胶凝材料优选粉煤灰和/或硅灰，粉煤灰选用粒径为1～100μm，表观密度2.2g/cm3的一级粉煤灰。粉煤灰的微集料效应，能明显提高密实性从而改善增强水泥基涂层的强度。粉煤灰的形态效应能改变涂层的流变性质，对泵送涂料能起到良好的润滑作用。粉煤灰的活性效应增强水泥基涂料的抗腐蚀性能；选用的硅灰粉比表面积为9000～30000m2/kg，粒径为0.1～0.3μm，硅灰粉可使涂层的抗压、抗折强度、耐磨性提高。
本发明中纳米材料优选凹凸棒石纳米黏土，纳米黏土是一种镁铝硅酸盐粘土，它具有较高的比表面积，平均比表面积为50000m2/kg，粒径为10～100nm。在胶凝材料中添加纳米粘土可增加静、动屈服应力，增加了表观粘度和黏聚力，可以减轻新鲜水泥砂浆中的砂粒迁移，抑制了涂层在应力作用下的相变，从而增强了涂层与防护结构的粘结性能。同时，它可填充材料表面的微孔隙和增加微粗糙度进而改善有机成膜涂层的疏水性和力学性能。
本发明中粘接剂优选淀粉酶和/或甲基纤维素醚，淀粉醚为白色精细粉末，细度小于500μm，粘度为400～1200mpas；甲基纤维素醚选用低粘度50～400mpas的HT-E型号。淀粉醚与甲基纤维素醚配合使用，可提高砂浆的抗垂性和抗滑移性。
本发明疏水剂优选为辛基三乙氧基硅烷，此疏水混合物相对比较环保且成本较低。
第二方面，本发明提供所述的改性水泥基涂层材料的制备方法，包括：
按照比例混合水泥、辅助胶凝材料、纳米材料、粘接剂和细骨料得到混料A；
按照比例混合减水剂、疏水剂和部分去离子水得到混料B；混合剩下的去离子水和消泡剂得到混料C；
先混合所述混料A和所述混料B，再混合所述混料C。
本发明进一步提供所述的改性水泥基涂层材料在提高水泥基材料的防水性和力学性能中的应用。
本发明具备如下有益效果：
本发明通过复合水泥、纳米改性材料和疏水剂得到一种同时兼具较高的力学性能和疏水性能的改性水泥基涂层材料，其具备如下优异的性能：
(1)本发明提供的疏水纳米改性水泥基涂层相对于其他类型涂料的优势在于具有较高的机械性能，因此其既可以涂覆于沿海建筑、桥梁、管道、水工混凝土结构等进行表面防护，提供结构稳定性，又可以整体浇筑作为建筑物结构部件支撑外部荷载，纳米改性疏水混凝土的适应性广，有利于推广使用。
(2)本发明提供的疏水纳米改性水泥基材料的流变学表征表明，它在铸造过程中具有良好的流动性，在静止状态下又具有良好的刚性，这有利于涂层的形成。同时，疏水纳米改性水泥基材料拥有高疏水性、抗渗透性、机械性能、良好的流动性以及粘结性能，它克服了单一纳米改性混凝土所欠缺的高疏水性及抗渗性能的局限性，突破了疏水混凝土低力学性能的限制。
(3)本发明提供的疏水纳米改性水泥基材料的使用寿命较长，其微观结构和性能可以满足抗渗透性、抗氯离子侵蚀性要求，显著提高水泥基材料对不同环境的适应性和可持续性，从而有效地保护水泥基材料免受各种不利因素的影响。
(4)本发明提供的疏水纳米改性水泥基材料具有变化的结构和构象，使改性涂料具有新颖的功能，使混凝土表面具有防水、防腐、碳化、耐渗、耐老化等功能。同时，它们还具有自洁作用、抗菌作用。
附图说明
图1为本发明试验例1提供的粘接性测试试验示意图；
图2为本发明试验例1提供的疏水纳米改性水泥基试件表面疏水自清洁效果检测示意图；
图3为本发明试验例1提供的实施例1-4的水滴接触角示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供的疏水纳米改性水泥基涂层材料的原料组成如下：
制备方法如下：
(1)按重量份数比例，将100份水泥、6份粉煤灰、3份硅灰、1.5份纳米黏土、0.03份淀粉醚、0.015份甲基纤维素醚、135份石英砂混合搅拌均匀，得到干燥的A混合材料。
(2)按重量份数比例，所述去离子水需分为两部分，35份去离子水与3份聚羧酸型高效减水剂、1.5份辛基三乙氧基硅烷疏水剂混合溶液搅拌，制得均质混合B溶液；剩余的10份去离子水与0.15份聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂混合得到C溶液。
(3)将所述干燥A混合材料与B混合溶液混合搅拌，得到水泥基混合物后再掺加C溶液，最终得到水泥基涂层材料。
(4)将水泥基涂层喷涂于结构物表面进行硬化、干燥处理。
实施例2
本实施例提供的疏水纳米改性水泥基涂层材料的原料组成如下：
制备方法如下：
(1)按重量份数比例，将90份水泥、4份粉煤灰、2份高炉矿粉、0.5～1.5份纳米SiO2、0.03份可分散性乳胶粉、125份石英砂混合搅拌均匀，得到干燥的A混合材料。
(2)按重量份数比例，所述去离子水需分为两部分，30份去离子与3份聚羧酸型高效减水剂、1份辛基三乙氧基硅烷疏水剂混合溶液搅拌，制得均质混合B溶液；剩余的5份去离子水与0.1份聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂混合得到C溶液。
(3)将所述干燥A混合材料与B混合溶液混合搅拌，得到水泥基混合物后再掺加C溶液，最终得到水泥基涂层材料。
(4)将水泥基涂层喷涂于结构物表面进行硬化、干燥处理。
实施例3
本实施例提供的疏水纳米改性水泥基涂层材料的原料组成如下：
制备方法如下：
(1)按重量份数比例，将100份水泥、6份粉煤灰、2份石灰石粉、1.5份纳米TiO2、0.03份可分散性乳胶粉、130份石英砂混合搅拌均匀，得到干燥的A混合材料。
(2)按重量份数比例，所述去离子水需分为两部分，40份去离子水与3份三聚氧胺减水剂、1.0份聚甲基氢硅氧烷疏水剂混合溶液搅拌，制得均质混合B溶液；剩余的5份去离子水与0.05份聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂混合得到C溶液。
(3)将所述干燥A混合材料与B混合溶液混合搅拌，得到水泥基混合物后再掺加C溶液，最终得到水泥基涂层材料。
(4)将水泥基涂层喷涂于结构物表面进行硬化、干燥处理。
实施例4
本实施例提供的疏水纳米改性水泥基涂层材料的原料组成如下：
制备方法如下：
(1)将碳纳米管进行分散处理，保持分散状态而不重聚
(2)按重量份数比例，将100份水泥、5份硅灰、2份石灰石、1.5份碳纳米管、0.03份淀粉、120份河砂混合搅拌均匀，得到干燥的A混合材料。
(3)按重量份数比例，所述去离子水需分为两部分，35份去离子水与3份三聚氧胺减水剂、1.5份硬脂酸疏水剂混合溶液搅拌，制得均质混合B溶液；剩余的10份去离子水与0.15份聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂混合得到C溶液。
(4)将所述干燥A混合材料与B混合溶液混合搅拌，得到水泥基混合物后再掺加C溶液，最终得到水泥基涂层材料。
(5)将水泥基涂层喷涂于结构物表面进行硬化、干燥处理。
试验例1
本发明针对实施例1-4提供的改性混凝土进行多方面性能的检测，具体如下：
参照国家标准GB/T 2419《水泥胶砂流动度测定方法》对实施例材料进行流动性测试；参照JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》对实施例材料进行抗压强度测试；参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》对实施例材料进行抗折强度测试；参照GB/T 31586.1-2015《防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护涂层附着力/内聚力(破坏强度)的评定和验收准则》，进行新鲜砂浆内聚力粘结测试以量化粘结性能；疏水性能测试则从吸水率和水滴接触角两方面评测，参照GB/T 11970-1997《加气混凝土体积密度、含水率和吸水率试验方法》对实施例材料进行吸水率测试，水滴接触角依据水滴在水泥基材料表面形貌进行表征。
结果如下表和图1-图3所示：
表1 疏水纳米改性水泥基材料性能测试结果
注：吸水率为砂浆试块浸泡168h后的测试结果
表2 水滴接触角试验
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | |
| 水滴接触角 | 128.9° | 118.6° | 106.6° | 115.6° |
试验例2
本试验例进一步对比不同组成的改性水泥基涂层材料的效果，具体如下：
对照组1：和实施例1的组分相同，区别在于不含有纳米材料和疏水剂；
对照组2：和实施例1的组分相同，区别在于不含有疏水剂；
对照组3：和实施例1的组分相同，区别在于不含有纳米材料。
本发明进行和试验例1相同的检测试验，结果如下表3所示：
表3 对照组水泥基材料性能测试结果
结果显示：对照组2的力学性能显著提高，其防水性能有所提高但达不到疏水效果。对照组3较对照组1的力学性能略微降低，但其防水效果提升明显。而实施例1和对照组2和3相比，可以看出，实施例1中同时包含疏水剂和纳米材料，其疏水效应和力学性能均要更高，说明这两者间存在一定的协同。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种改性水泥基涂层材料，其特征在于，由包括如下组分的原料制备得到：水泥、纳米改性材料和疏水剂；所述水泥为硅酸盐水泥；所述纳米改性材料和所述疏水剂的质量比为(1～3)：(2～3)。
2.根据权利要求1所述的改性水泥基涂层材料，其特征在于，所述纳米改性材料包括：凹凸棒石纳米黏土、纳米SiO2、纳米TiO2、纳米CaCO3、纳米Al2O3、碳纳米管或者石墨烯中的一种或多种；和/或，所述疏水剂包括：辛基三乙氧基硅烷、聚甲基氢硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、硅氧基烷、正十二烷基三乙氧基硅烷、烷基三乙氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、水性硬脂酸乳液或硬脂酸中的一种或多种，优选为辛基三乙氧基硅烷。
3.根据权利要求1所述的改性水泥基涂层材料，其特征在于，所述水泥为P.I 52.5硅酸盐水泥。
4.根据权利要求1所述的改性水泥基涂层材料，其特征在于，以重量份计，包括：
水泥90～100份、纳米改性材料0.5～1.5份和疏水剂1～1.5份。
5.根据权利要求4所述的改性水泥基涂层材料，其特征在于，以重量份计，还包括：辅助胶凝材料3～9份、粘接剂0.03～0.045份、减水剂1.5～3份、消泡剂0.03～0.15份、细骨料125～135份和去离子水30～45份。
6.根据权利要求5所述改性水泥基涂层材料，其特征在于，所述辅助胶凝材料包括粉煤灰、硅灰、石灰石粉、天然火山灰、高炉矿渣及磷渣粉中的一种或多种；
所述粘接剂包括：淀粉醚、甲基纤维素醚、可分散乳胶粉、淀粉、羟甲基纤维素中的一种或者几种；
所述减水剂包括聚羧酸减水剂、三聚氧胺减水剂或木质素磺酸盐减水剂中的一种或多种；
所述消泡剂为聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂；
所述细骨料包括石英砂和/或河砂。
7.根据权利要求6所述的改性水泥基涂层材料，其特征在于，所述辅助胶凝材料选用粉煤灰和/或硅灰；和/或，
所述粘接剂选用淀粉酶和/或甲基纤维素醚；和/或，
所述减水剂为聚羧酸型减水剂。
8.根据权利要求7所述的改性水泥基涂层材料，其特征在于，所述细骨料的细度模数为1.6～2.2，平均粒径为0.25～0.35mm；
所述减水剂的固含量为35～45％，减水率大于30％；和/或，
所述淀粉醚的细度小于500μm，粘度为400～1200mpas；和/或，
所述甲基纤维素醚的粘度为50～400mpas。
9.权利要求1-8任一项所述的改性水泥基涂层材料的制备方法，其特征在于，包括：
按照比例混合水泥、辅助胶凝材料、纳米材料、粘接剂和细骨料得到混料A；
按照比例混合减水剂、疏水剂和部分去离子水得到混料B；混合剩下的去离子水和消泡剂得到混料C；
先混合所述混料A和所述混料B，再混合所述混料C。
10.权利要求1-8任一项所述的改性水泥基涂层材料在提高水泥基材料的防水性和力学性能中的应用。
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