CN115820062B - 一种防水抗渗高韧型薄喷材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种防水抗渗高韧型薄喷材料及其制备方法与应用。以重量份计，所述薄喷材料至少含有组分：水泥18.0～23.0份、硅氧烷改性聚丙烯酸酯55.0～69.0份、滑石粉35.0～45.0份、钛白粉30.0～42.0份。其中，所述硅氧烷改性聚丙烯酸酯是包括聚丙烯酸酯胶粉、硅烷基憎水剂和水混合形成的液态组分，且所述聚丙烯酸酯和硅烷基憎水剂以该硅烷基憎水剂上的憎水性硅氧烷基团取代所述聚丙烯酸酯表面的亲水性羟基的方式化学键合连接。本发明的硅氧烷改性聚丙烯酸酯能够与水泥发生反应，生成稳定的防水层，形成致密连续的网状结构均匀三维憎水网络结构的分布在材料内部，从而使本发明的薄喷材料兼具柔韧性和防水抗渗性。
Description
技术领域
本发明涉及矿用支护材料技术领域，具体涉及一种防水抗渗高韧型薄喷材料及其制备方法与应用。
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。
在矿下巷道中由于夏季地面空气温度升高，在空气进入井下后，因气温逐渐降低而饱和能力变小，矿井空气中的一部分水会在支架或井壁上凝结成水珠，因而沿途井巷壁显得潮湿。当巷壁潮湿含有大量水分时，巷道围岩吸收空气中的水分，产生岩体吸水软化的现象，使岩体软化崩解。因此巷道支护材料的防水抗渗性尤为重要，这是巷道支护存在的一个关键问题。另外还有一个关键问题是巷道围岩的微运动会造成支护材料的开裂，一旦开裂就无法达到封闭瓦斯的目的，将带来巨大安全隐患。因此支护材料增韧也是矿下巷道支护中必须要关注的。
由于传统喷射混凝土支护材料防水抗渗性能差，通常需要再设计防水倒流装置以延长支护结构的寿命，但是即使有排水装置也会有一定水分渗入支护材料，无法从根本上解决巷道的防水抗渗问题。并且传统的喷射混凝土为脆性材料，延展率为零，还存在施工速度慢、材料消耗大、辅助运输量大的缺点。而且这类喷射混凝土难以深入岩石缝隙，粘接强度较差。
基于上述的问题，薄喷材料逐渐兴起，薄喷材料的喷射厚度远小于传统喷射混凝土，浆料用量也显著降低，解决了传统喷射混凝土施工速度慢、材料消耗大、辅助运输量大的缺点。另外，薄喷材料还可以深入岩石缝隙，解决了喷射混凝土存在的粘结强度较差的问题。然而，本发明发现，现有薄喷材料的防水抗渗效果不好，而且韧性较差，无法解决巷道围岩的微运动会造成支护材料开裂的问题。
发明内容
本发明提供一种防水抗渗高韧型薄喷材料及其制备方法与应用，该材料以硅氧烷改性聚丙烯酸酯胶粉(SEAL-PAE)和水泥为基体，兼具柔韧性和防水抗渗性。为实现上述目的，具体地，本发明的技术方案如下所示。
在本发明的第一方面，提供一种防水抗渗高韧型薄喷材料，以重量份计，其组成至少含有如下组分：
其中，所述硅氧烷改性聚丙烯酸酯(SEAL-PAE)是包括聚丙烯酸酯(PAE)胶粉、硅烷基憎水剂(SEAL)和水混合形成的液态组分，且所述PAE和SEAL以该SEAL上的憎水性硅氧烷基团取代所述PAE表面的亲水性羟基的方式化学键合连接。
进一步地，所述聚丙烯酸酯胶粉和硅烷基憎水剂的重量份比分别为25.0～30.0：2.5～4.5，所述水的质量与聚丙烯酸酯胶粉为1：0.9-1.1。所述SEAL-PAE表面为憎水基团，为稳定的憎水层，掺入水泥基材料中形成致密连续的网状结构均匀三维憎水网络结构的分布在材料内部，且材料表面为裸露的憎水基团，具有很强的憎水性。
进一步地，所述硅烷基憎水剂包括道康宁SHP-50憎水剂、德国瓦克PULVER D憎水剂、易来泰SEAL80憎水剂等中的任意一种。
进一步地，所述水泥包括普通硅酸盐水泥、白水泥中的任意一种。所述SEAL-PAE分散乳化以后，乳液粒子沉积或凝聚在水泥水化产物及骨料颗粒表面并形成聚合物薄膜。随着水化作用的完成，这层薄膜会形成互穿网络结构并填充在水泥毛细孔中，从而终止微裂的产生，保证了薄喷材料的韧性。
进一步地，所述滑石粉的粒径为200～400目，所述钛白粉的粒径为400～600目，且所述滑石粉的粒径选择始终小于钛白粉粒径。
进一步地，所述防水抗渗高韧型薄喷材料中还包括助剂。可选地，所述助剂包括消泡剂、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、减水剂、早强剂。
可选地，以重量份计，所述消泡剂为0.18～0.54份，PVP为0.6～2.1份，减水剂为0.08～0.25份，早强剂为0.26～0.8份。上述的助剂可根据实际工程需要选择适当掺量。
优选地，所述消泡剂包括聚醚型消泡剂(GPE)、聚二甲基硅氧烷消泡剂、聚醚改性有机硅型消泡剂等中的任意一种。该消泡剂可以消除本发明材料内部的气泡，降低孔隙使材料结构致密度提高，并且与硅氧烷改性聚丙烯酸酯胶粉可以很好的共容。
优选地，所述减水剂包括萘系高效减水剂、氨基高效减水剂、聚羧酸高性能减水剂等中的任意一种。该减水剂可以提高浆体流动度，便于喷射。
优选地，所述早强剂包括亚硝酸钙、三乙醇胺、尿素等中的任意一种。该早强剂可以提高材料早期强度，可根据工程需要在所述掺量范围内选择适当掺量。
进一步地，所述助剂中还包括颜料。可选地，所述颜料为0.06～0.15重量份。
进一步地，所述颜料包括蓝绿颜料、橙黄色颜料等中的任意一种。当加入颜料后可改变薄喷料的颜色，用于巷道美化。
在本发明的第二方面，提供所述防水抗渗高韧型薄喷材料的制备方法，包括步骤：将所述水泥、滑石粉、钛白粉和助剂混合均匀，将得到的混合料与所述硅氧烷改性聚丙烯酸酯混合均匀，即得所述防水抗渗高韧型薄喷材料。
在本发明的第三方面，提供所述防水抗渗高韧型薄喷材料在隧道、地下工程等领域中需要的应用。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下有益效果：
本发明的硅氧烷改性聚丙烯酸酯能够与水泥发生反应，生成稳定的防水层，形成致密连续的网状结构均匀三维憎水网络结构的分布在材料内部，从而使本发明的薄喷材料兼具柔韧性和防水抗渗性。其原因在于：首先，所述SEAL-PAE中的聚丙烯酸酯胶粉和硅烷基憎水剂通过化学键结合的形式聚合：所述聚丙烯酸酯表面为亲水性羟基基团，加入硅氧烷憎水剂(SEAL)后在高温下其憎水性硅氧烷基团取代聚丙烯酸酯(PAE)表面的亲水性羟基基团，反应原理如下式所示：
薄喷材料表面由亲水性羟基基团变为硅氧烷憎水基团，反应原理如图8所示。由此就形成了聚合物SEAL-PAE，聚合物SEAL-PAE再分散乳化以后可以均匀分散到本发明的薄喷材料的各个区域。如果不提前将PAE和SEAL聚合，而是将所有物料共混后加入水，那么同样含有亲水性基团的水泥将会和PAE争夺SEAL上的憎水基团。但是由于SEAL上的憎水基团数量有限，会导致没有足够的憎水基团与PAE聚合，这样就无法形成致密连续的三维憎水网络结构，使薄喷材料整体的憎水率降低。
同时，本发明的薄喷材料以SEAL-PAE为主要组分，其分散乳化以后，乳液粒子沉积或凝聚在水泥水化产物及骨料颗粒表面并形成聚合物薄膜。随着水化作用的完成，这层聚合物薄膜形成互穿网络结构并填充在水泥毛细孔中，非常有助于终止薄喷材料中微裂纹的产生，从而在提高薄喷材料防水抗渗性的同时保证了优异的柔韧性。
试验结果显示，本发明的防水抗渗高韧型薄喷材料的360h透水仅为0.21～036ml，且断裂伸长率高达170％～200％，韧性高且不易弯折破裂。另外，本发明的薄喷材料的成膜时间大幅度降至20min左右，相对于传统的薄喷材料有了显著的性能提升。
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。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1为本发明实施例3、实施例4分别制备的薄喷材料的效果图。其中：左图为实施例3，右图为实施例4。
图2为本发明实施例3、实施例5分别制备的薄喷材料的效果图。其中：左图为实施例3，右图为实施例5。
图3为本发明实施例3、实施例6分别制备的薄喷材料的效果图。其中：左图为实施例3，右图为实施例6。
图4为本发明实施例3制备的薄喷材料的扫描电镜(SEM)图。
图5为本发明实施例4制备的薄喷材料的扫描电镜(SEM)图。
图6为本发明实施例5制备的薄喷材料的扫描电镜(SEM)图。
图7为本发明实施例6制备的薄喷材料的扫描电镜(SEM)图。
图8为本发明反应原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
除非另行定义，本发明中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。本发明中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
下列实施例中，所述水泥为普通白色硅酸盐水泥，标号为42.5，其细度(200目筛余)约为2.0％，其白度为90.5％。
下列实施例中，所述聚丙烯酸酯胶粉为市售产品，其最低成膜温度为0°，细度为250目(筛余≤4％)，水溶性良好(常温下几乎可以完全溶解)。
下列实施例中，所述硅烷基憎水剂为市售产品，细度为250目(筛余≤4％)，水溶性良好(常温下几乎可以完全溶解)。
下列实施例中，所述滑石粉为市售产品，其细度(150目筛余)约为2.0％，要求SiO2含量为76.4％。
下列实施例中，所述的钛白粉为市售产品，其细度(250目筛余)约为2.0％。
实施例1
一种防水抗渗高韧型薄喷材料的制备，包括如下步骤：
(1)将聚丙烯酸酯胶粉和易来泰SEAL80憎水剂按照27重量份：3重量份的比例混合均匀后加入水，加入水的质量占比为水：聚丙烯酸酯胶粉+SEAL 80憎水剂＝1：1。然后在90℃的加热的条件下搅拌60min进行物理聚合，得到含有硅氧烷改性聚丙烯酸酯的液态组分，记为A组分，备用。
(2)称取以下重量份的原料：白水泥20份、本实施例制备的硅氧烷改性聚丙烯酸酯(A组分)60份、400目的滑石粉39份、600目钛白粉35份。
(3)将所述水泥、滑石粉、钛白粉混合后搅拌均匀，将形成组分记为B组分，备用。
(4)在进行支护作业时，将所述A组分和B组分混合后搅拌均匀，即得可用于喷射的薄喷材料。
实施例2
一种防水抗渗高韧型薄喷材料的制备，包括如下步骤：
(1)将聚丙烯酸酯胶粉和德国瓦克PULVER D憎水剂按照25重量份：2.5重量份的比例混合均匀后加入水，加入水的质量占比为水：聚丙烯酸酯胶粉+PULVER D憎水剂＝1：1。然后在85℃的加热的条件下搅拌60min进行物理聚合，得到含有硅氧烷改性聚丙烯酸酯的液态组分，记为A组分，备用。
(2)称取以下重量份的原料：白水泥18份、本实施例制备的硅氧烷改性聚丙烯酸酯(A组分)55份、200目的滑石粉35份、400目的钛白粉30份、有机硅消泡剂0.18份、PVP 0.6份、聚羧酸减水剂0.08份。
(3)将所述水泥、滑石粉、钛白粉和消泡剂等其他助剂混合后搅拌均匀，将形成组分记为B组分，备用。
(4)在进行支护作业时，将所述A组分和B组分混合后搅拌均匀，即得可用于喷射的薄喷材料。
实施例3
一种防水抗渗高韧型薄喷材料的制备，包括如下步骤：
(1)将聚丙烯酸酯胶粉和易来泰SEAL80憎水剂按照30重量份：4.5重量份的比例混合均匀后加入水，加入水的质量占比为水：聚丙烯酸酯胶粉+SEAL 80憎水剂＝1：1。然后在85℃的加热的条件下搅拌60min进行物理聚合，得到含有硅氧烷改性聚丙烯酸酯的液态组分，记为A组分，备用。
(2)称取以下重量份的原料：白水泥23份、本实施例制备的硅氧烷改性聚丙烯酸酯(A组分)69份、350目的滑石粉45份、500目的钛白粉42份、有机硅消泡剂0.54份、PVP 2.1份、聚羧酸减水剂0.25份。
(3)将所述水泥、滑石粉、钛白粉和有机硅消泡剂混合后搅拌均匀，将形成组分记为B组分，备用。
(4)在进行支护作业时，将所述A组分和B组分混合后搅拌均匀，即得可用于喷射的薄喷材料。
实施例4
一种防水抗渗高韧型薄喷材料的制备，包括如下步骤：
(1)称取以下重量份的原料：白水泥20份、聚丙烯酸酯胶粉27份、易来泰SEAL80憎水剂3份、水30份、400目的滑石粉39份、600目的钛白粉35份。
(2)将所述白水泥、滑石粉、钛白粉混合后搅拌均匀，将形成组分记为B组分，备用。
(3)在进行支护作业时，将所述B组分、聚丙烯酸酯胶粉、SEAL、水混合后搅拌均匀，即得可用于喷射的薄喷材料。
实施例5
一种防水抗渗高韧型薄喷材料的制备，包括如下步骤：
(1)将聚丙烯酸酯胶粉和水按照1:1重量份的比例混合均匀。然后在90℃的加热的条件下搅拌60min，得到的液态组分记为A组分，备用。
(2)称取以下重量份的原料：白水泥20份、本实施例制备A组分60份、400目的滑石粉39份、600目的钛白粉35份。
(3)将所述白水泥、滑石粉、钛白粉混合后搅拌均匀，将形成组分记为B组分，备用。
(4)在进行支护作业时，将所述A组分和B组分混合后搅拌均匀，即得可用于喷射的薄喷材料。
实施例6
一种防水抗渗高韧型薄喷材料的制备，包括如下步骤：
(1)将易来泰SEAL80憎水剂和水按照1:1重量份的比例混合均匀。然后在90℃的加热的条件下搅拌60min进行物理聚合，得到含有硅氧烷液态组分，记为A组分，备用。
(2)称取以下重量份的原料：白水泥20份、本实施例制备的硅氧烷液态组分(A组分)60份、400目的滑石粉39份、600目的钛白粉35份。
(3)将所述水泥、滑石粉、钛白粉混合后搅拌均匀，将形成组分记为B组分，备用。
(4)在进行支护作业时，将所述A组分和B组分混合后搅拌均匀，即得可用于喷射的薄喷材料。
性能测试
1、对上述各实施例制备的薄喷材料的各项性能指标进行测试，其中：透水性测试依据标准GB/T 9779-2015《复层建筑涂料》对涂层的透水性进行表征。接触角测试采用上海中晨数字技术设备有限公司生产的光学接触角测量仪(JC2000D3A)对本发明的材料进行接触角的测量。采用五点拟合法对图片进行分析。测量过程中使用的水滴大小为4uL，并取五个测量结果求平均值。断裂伸长率测试依据ASTM D-638的规定进行测试。粘结强度测试依据标准GB/T 23445-2009进行测试。抗压强度测试依据标准GB/T17671-1999进行测试。
测试结构结果如下表所示，可以看出，实施例1、实施例2和实施例3制备的薄喷材料的各项性能指标明显优于其他实施例。其中，实施例4没有预先将聚丙烯酸酯胶粉和易来泰SEAL80憎水剂进行化学键合，而是将其和其他原料直接混合。这导致同样含有亲水性基团的水泥将会和聚丙烯酸酯争夺SEAL上的憎水基团。但是由于SEAL上的憎水基团数量有限，会导致没有足够的憎水基团与聚丙烯酸酯聚合，这样就无法形成致密连续的三维憎水网络结构，使薄喷材料整体的憎水率降低。而实施例5制备的薄喷材料中没有采用硅烷基憎水剂进行改性对聚丙烯酸酯进行改性，导致该薄喷材料的防水抗渗性能指标明显较差。
2、对上述各实施例制备的薄喷材料的宏观疏水性能进行测试，结果如图1至图3所示。其中：
图1为本发明实施例3、实施例4分别制备的薄喷材料的效果图。其中：左图为实施例3，右图为实施例4。可以看出，实施例4制备薄喷材料的憎水性较实施例3差。
图2为本发明实施例3、实施例5分别制备的薄喷材料的效果图。其中：左图为实施例3，右图为实施例5。可以看出，实施例5制备的薄喷材料无憎水性。
图3为本发明实施例3、实施例6分别制备的薄喷材料的效果图。其中：左图为实施例3，右图为实施例6。可以看出，实施例6制备的薄喷材料虽然有憎水性，但由于出现了表面微龟裂的现象(图7的SEM图可更加直观的观察到此现象)，没有形成致密结构，不具备防水抗渗性。
3、利用扫描电镜对上述实施例制备的薄喷材料的微观形貌进行观测，结果如图4至图7所示。其中：图4至图7分别为本发明实施例3、实施例4、实施例5、实施例6制备的薄喷材料的SEM图。
从图4可以看出，实施例3制备的薄喷材料形成了致密的三维疏水网络。从图5可以看出，实施例4制备的薄喷材料的结构并不致密，并且疏水基团分散不均，有些包覆团聚在一起，有些为小颗粒，导致实施例4制备的薄喷材料的疏水效果不佳，这从上述的测试数据也得到了印证。由于实施例5制备的薄喷材料的表面无憎水基团，从图6可以看出，实施例5制备的薄喷材料的仅为填料和胶凝材料堆叠包覆在一起，这说明该薄喷材料确实无憎水性。从图7可以看出，实施例6制备的薄喷材料表面龟裂严重，结构不致密，虽有一定的憎水性，但不具备防水抗渗能力。
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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (9)
1.一种防水抗渗高韧型薄喷材料，其中，以重量份计，该薄喷材料的组成至少含有如下组分：水泥 18.0~23.0份；硅氧烷改性聚丙烯酸酯55.0~69.0份；滑石粉35.0~45.0份；钛白粉 30.0~42.0份；
其中，所述硅氧烷改性聚丙烯酸酯是包括聚丙烯酸酯胶粉、硅烷基憎水剂和水混合形成的液态组分，且所述聚丙烯酸酯和硅烷基憎水剂是在加热条件下以该硅烷基憎水剂上的憎水性硅氧烷基团取代所述聚丙烯酸酯表面的亲水性羟基的方式化学键合连接；所述聚丙烯酸酯胶粉和硅烷基憎水剂的重量份比为25.0~30.0：2.5~4.5；
所述水的质量为聚丙烯酸酯胶粉和硅烷基憎水剂总质量的一半；
所述水泥包括普通硅酸盐水泥、白水泥中的任意一种；
所述硅烷基憎水剂包括道康宁SHP-50憎水剂、德国瓦克PULVER D憎水剂、易来泰SEAL80憎水剂中的任意一种；
所述薄喷材料还包括助剂，所述助剂包括消泡剂0.18~0.54份、聚乙烯吡咯烷酮0.6~2.1份、减水剂0.08~0.25份、早强剂0.26~0.8份。
2.根据权利要求1所述的防水抗渗高韧型薄喷材料，其特征在于，所述消泡剂包括聚醚型消泡剂、聚二甲基硅氧烷消泡剂、聚醚改性有机硅型消泡剂中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的防水抗渗高韧型薄喷材料，其特征在于，所述减水剂包括萘系高效减水剂、氨基高效减水剂、聚羧酸高性能减水剂中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的防水抗渗高韧型薄喷材料，其特征在于，所述早强剂包括亚硝酸钙、三乙醇胺、尿素中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的防水抗渗高韧型薄喷材料，其特征在于，所述助剂中还包括颜料。
6.根据权利要求5所述的防水抗渗高韧型薄喷材料，其特征在于，所述颜料为0.06~0.15重量份。
7.根据权利要求6所述的防水抗渗高韧型薄喷材料，其特征在于，所述颜料包括蓝绿颜料、橙黄色颜料中的任意一种。
8.权利要求1-7任一项所述的防水抗渗高韧型薄喷材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：将所述水泥、滑石粉、钛白粉和助剂混合均匀，将得到的混合料与所述硅氧烷改性聚丙烯酸酯混合均匀，即得所述防水抗渗高韧型薄喷材料。
9.权利要求1-7所述的防水抗渗高韧型薄喷材料或者权利要求8所述的制备方法得到的防水抗渗高韧型薄喷材料在隧道、地下工程领域中的应用。
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