CN116891374B - 一种基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土技术领域，具体涉及一种基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料。该修补材料的原料包括改性纳米纤维、重烧氧化镁、磷酸二氢钾、硼砂、填料、减水剂和水。其中，改性纳米纤维的制备经过多个步骤，包括预处理、磷酸化和硼酸改性。本发明提供的基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料在高温环境的修补具有显著优势，有望广泛应用于高温环境下混凝土结构的修复和维护，提升结构的性能和延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料。
背景技术
目前我国无时无刻都在进行着工程建设，随着国内道路桥梁、高铁机场、城市开发和其它工程项目的建设，混凝土消耗量巨大。我国许多混凝土建筑，一方面由于已经到达使用年限，已经面临老化的问题；另一方面，由于地理环境、自然灾害和人为因素等影响，混凝土结构耐久性也受到了影响。为了避免混凝土结构破坏造成经济损失和人身安全等问题，对混凝土结构进行修补加固是相当有必要的。
相对于传统的混凝土修复材料，磷酸镁修补材料是一种特种修补材料，凝结硬化快，强度高，不收缩，低温下强度稳定增长，长期强度稳定增长，耐久性好等优点。投入使用后几分钟至1小时内快速凝固，早期1至3小时内强度超过40MPa，产品性能稳定，后期强度可达到60至100MPa。但是，在高温作业环境中，其凝结速度会进一步加快，给现场施工带来困难。并且，高温下磷酸镁修补材料中水分的挥发会进一步导致微空隙的形成，降低磷酸镁修补材料的强度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料，以解决磷酸镁混凝土修补材料在高温环境中凝结速度过快，施工难度较大的问题。
基于上述目的，本发明提供了一种基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料，其特征在于，包括以下重量份数的原料：重烧氧化镁30-60份、磷酸二氢钾8-17份、硼砂2-4份、改性纳米纤维1-5份，填料5-15份、减水剂2-5份和水4-10份。
其中，所述改性纳米纤维的制备步骤如下：
S1：将纳米纤维素加入到15-20wt%的过氧化氢溶液中，于50-60℃下搅拌70-90min，洗涤，干燥，得到预处理的纳米纤维素；
S2：将磷酸氢二铵和尿素溶解于去离子水中，混合均匀后加入预处理的纳米纤维素，于室温下搅拌1-2h，然后于70-80℃下真空干燥12-16h，再将其研磨10-15min，最后于160-170℃下处理30-50min，冷却后，洗涤，干燥，得到磷酸化纳米纤维；
S3：将磷酸化纳米纤维加入80-90wt%的乙醇溶液中，再加入硅烷偶联剂KH-550和硼酸，于室温下，搅拌反应1-2h，得到改性纳米纤维。
优选的，所述重烧氧化镁的比表面积为300-400m2/kg，成分为MgO≥95wt%，Fe2O3≤0.2wt%，SiO2≤2wt%，CaO≤0.2wt%，Al2O3≤1wt%和杂质余量。
优选的，所述磷酸二氢钾为低粒度磷酸二氢钾和高粒度磷酸二氢钾按重量比1-2:8-15的混合物；所述低粒度磷酸二氢钾的平均粒度为10-20μm，所述高粒度磷酸二氢钾的平均粒度为100-150μm；所述低粒度磷酸二氢钾和高粒度磷酸二氢钾的纯度≥95wt%。
优选的，所述硼砂的纯度≥98wt%。
优选的，所述填料为石英砂、粉煤灰和高岭土中的一种或几种的混合物。
优选的，所述纳米纤维素的直径为20-80nm，长度为1-2μm。
优选的，所述步骤S1中纳米纤维素和15-20wt%的过氧化氢溶液的重量比为1-5:30-200；所述步骤S2中磷酸氢二铵、尿素、去离子水和预处理的纳米纤维素的重量比为0.25-1.25:3-15:10-50:1-5；所述步骤S3中磷酸化纳米纤维、80-90wt%的乙醇溶液、硅烷偶联剂KH-550和硼酸的重量比为1-5:10-50:0.05-0.25:0.01-0.05。
优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
进一步的，所述高强度混凝土修补材料的制备步骤如下：
（1）将重烧氧化镁、磷酸二氢钾、硼砂、填料依次加入混合釜中，然后搅拌2-4min，得到混合料；
（2）将水加入到混合料中，搅拌3-5min，然后加入改性纳米纤维和减水剂，再搅拌5-7min，得到高强度混凝土修补材料。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料，该修补材料主要由传统磷酸镁修复材料的原料和改性纳米纤维组成，其中改性纳米纤维是由纳米纤维素通过磷酸化和硼酸改性得到，将其添加到磷酸镁修复材料中，可以降低修复材料的在高温下的凝结速度，方便施工，并且可以参与磷酸镁修复材料水化凝固过程，实现与磷酸镁修复材料的高强度结合，进一步提高其强度。
本发明提供了一种基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料，该修补材料中的磷酸二氢钾采用低粒度磷酸二氢钾和高粒度磷酸二氢钾复配的混合物，通过粒度调节体系的凝结速度，再通过与改性纳米纤维的复配，实现了在高温下合适的凝结速度和较高的早期强度。
综上所述，本发明提供的基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料在高温环境的修补具有显著优势，有望广泛应用于高温环境下混凝土结构的修复和维护，提升结构的性能和延长使用寿命。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例和对比例中所用原料的来源或性质如下：重烧氧化镁的比表面积为337.4m2/kg，成分为96.32wt%MgO，0.15wt%Fe2O3，0.18wt%SiO2，0.09wt%CaO，0.82wt%Al2O3和杂质余量；磷酸二氢钾购买于廊坊乾耀科技有限公司，纯度为97.8wt%，通过研磨得到低粒度磷酸二氢钾和高粒度磷酸二氢钾，低粒度磷酸二氢钾的平均粒度为14μm，高粒度磷酸二氢钾的平均粒度为125μm；硼砂的纯度为99.2wt%；粉煤灰为一级粉煤灰；聚羧酸减水剂购买于武汉华轩高新技术有限公司，型号为PCE-1011；纳米纤维素购买于浙江金加浩绿色纳米材料股份有限公司，平均直径为50μm，平均长度为1.4μm。
实施例1：一种基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料，其制备方法如下：
S1：将1g纳米纤维素加入到30g18wt%的过氧化氢溶液中，于50℃下搅拌90min，洗涤，干燥，得到预处理的纳米纤维素；
S2：将0.25g磷酸氢二铵和3g尿素溶解于10g去离子水中，混合均匀后加入1g预处理的纳米纤维素，于室温下搅拌1h，然后于70℃下真空干燥16h，再将其研磨10min，最后于160℃下处理50min，冷却后，洗涤，干燥，得到磷酸化纳米纤维；
S3：将1g磷酸化纳米纤维加入10g85wt%的乙醇溶液中，再加入0.05g硅烷偶联剂KH-550和0.01g硼酸，于室温下，搅拌反应1h，得到改性纳米纤维；
S4：将30g重烧氧化镁、1g低粒度磷酸二氢钾、8g高粒度磷酸二氢钾、2g硼砂、5g粉煤灰依次加入混合釜中，然后搅拌2min，得到混合料；
S5：将4g水加入到混合料中，搅拌3min，然后加入1g改性纳米纤维和2g聚羧酸减水剂，再搅拌5min，得到高强度混凝土修补材料。
实施例2：一种基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料，其制备方法如下：
S1：将2.5g纳米纤维素加入到120g18wt%的过氧化氢溶液中，于55℃下搅拌80min，洗涤，干燥，得到预处理的纳米纤维素；
S2：将0.75g磷酸氢二铵和9g尿素溶解于30g去离子水中，混合均匀后加入3g预处理的纳米纤维素，于室温下搅拌1.5h，然后于75℃下真空干燥14h，再将其研磨12min，最后于165℃下处理40min，冷却后，洗涤，干燥，得到磷酸化纳米纤维；
S3：将3g磷酸化纳米纤维加入30g85wt%的乙醇溶液中，再加入0.15g硅烷偶联剂KH-550和0.03g硼酸，于室温下，搅拌反应1.5h，得到改性纳米纤维；
S4：将45g重烧氧化镁、1.5g低粒度磷酸二氢钾、11g高粒度磷酸二氢钾、3g硼砂、10g粉煤灰依次加入混合釜中，然后搅拌3min，得到混合料；
S5：将7g水加入到混合料中，搅拌4min，然后加入3g改性纳米纤维和3.5g聚羧酸减水剂，再搅拌6min，得到高强度混凝土修补材料。
实施例3：一种基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料，其制备方法如下：
S1：将5g纳米纤维素加入到200g18wt%的过氧化氢溶液中，于60℃下搅拌70min，洗涤，干燥，得到预处理的纳米纤维素；
S2：将1.25g磷酸氢二铵和15g尿素溶解于50g去离子水中，混合均匀后加入5g预处理的纳米纤维素，于室温下搅拌2h，然后于80℃下真空干燥12h，再将其研磨15min，最后于170℃下处理30min，冷却后，洗涤，干燥，得到磷酸化纳米纤维；
S3：将5g磷酸化纳米纤维加入50g85wt%的乙醇溶液中，再加入0.25g硅烷偶联剂KH-550和0.05g硼酸，于室温下，搅拌反应2h，得到改性纳米纤维；
S4：将60g重烧氧化镁、2g低粒度磷酸二氢钾、15g高粒度磷酸二氢钾、4g硼砂、15g粉煤灰依次加入混合釜中，然后搅拌4min，得到混合料；
S5：将10g水加入到混合料中，搅拌5min，然后加入5g改性纳米纤维和5g聚羧酸减水剂，再搅拌7min，得到高强度混凝土修补材料。
对比例1：
对比例1与实施例2的区别在于：步骤S5中改性纳米纤维替换为磷酸化纳米纤维。
对比例2：
对比例2与实施例2的区别在于：步骤S5中改性纳米纤维替换为纳米纤维素。
对比例3：
对比例3与实施例2的区别在于：步骤S5中没有添加改性纳米纤维；
对比例4：
对比例4与实施例2的区别在于：步骤S4中没有添加低粒度磷酸二氢钾，添加的高粒度磷酸二氢钾重量为17g。
性能测试：
凝结时间测试：根据GB/T1346-2011对实施例1-3以及对比例1-4中样品的终凝时间进行测试，测试温度50℃，相对湿度40%，结果如表1所示；
抗压强度测试：根据JTG E30-2005对实施例1-3以及对比例1-4中样品的3h抗压强度以及3d抗压强度进行测试，测试温度50℃，相对湿度40%，结果如表1所示。
干缩率测试：根据JC/T2537-2019对实施例2以及对比例1-4中样品的1d、3d、7d、14d、28d的干缩率进行测试，测试温度50℃，相对湿度40%，结果如表2所示。
表1 凝结时间和抗压强度的测试结果
| 终凝时间/min | 3h抗压强度/MPa | 3d抗压强度/MPa | |
| 实施例1 | 15.4 | 32.5 | 43.2 |
| 实施例2 | 17.8 | 35.2 | 48.7 |
| 实施例3 | 18.9 | 38.9 | 51.2 |
| 对比例1 | 12.4 | 28.3 | 43.4 |
| 对比例2 | 10.1 | 24.1 | 36.8 |
| 对比例3 | 7.2 | 19.2 | 27.2 |
| 对比例4 | 21.3 | 28.4 | 40.5 |
数据分析：从实施例1-3和对比例3可以看出，本发明制备的高强度混凝土修补材料相对于不添加改性纳米纤维的混凝土修补材料在凝结时间上有所增加，其3h的抗压强度和3d的抗压强度大大提高。从实施例2和对比例1-2可以看出，本发明的纤维改性工作对于混凝土修补材料的强度提升至关重要，单纯的添加纳米纤维在强度方面提升较小，这主要是由于纳米纤维与磷酸镁基体之间的相容性较差且改性纤维上的硼酸基团和磷酸基团可以参与混凝土修补材料的水化过程。
表2 干缩率的测试结果
数据分析：从实施例2可以看出，本发明制备的高强度混凝土修补材料干缩率满足JC/T2537-2019《磷酸镁修补砂浆》中规定的28d干缩率≤5×10-4的标准。从实施例2和对比例1-3可以看出，本发明中的纤维改性工作大大降低了混凝土修补材料的干缩率，这可能是由于纤维上的硼酸和磷酸基团鳌合于氧化镁表面，降低了前期的水化速度，并且改性纳米纤维也具有一定的吸水能力，防止水分的快速蒸发散失，导致干缩率增大。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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)
1.一种基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料，其特征在于，包括以下重量份数的原料：重烧氧化镁30-60份、磷酸二氢钾8-17份、硼砂2-4份、改性纳米纤维1-5份，填料5-15份、减水剂2-5份和水4-10份；
所述改性纳米纤维的制备步骤如下：
S1：将纳米纤维素加入到15-20wt%的过氧化氢溶液中，于50-60℃下搅拌70-90min，洗涤，干燥，得到预处理的纳米纤维素；
S2：将磷酸氢二铵和尿素溶解于去离子水中，混合均匀后加入预处理的纳米纤维素，于室温下搅拌1-2h，然后于70-80℃下真空干燥12-16h，再将其研磨10-15min，最后于160-170℃下处理30-50min，冷却后，洗涤，干燥，得到磷酸化纳米纤维；
S3：将磷酸化纳米纤维加入80-90wt%的乙醇溶液中，再加入硅烷偶联剂KH-550和硼酸，于室温下，搅拌反应1-2h，得到改性纳米纤维。
2.根据权利要求1所述的基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料，其特征在于，所述重烧氧化镁的比表面积为300-400m2/kg，成分为MgO≥95wt%，Fe2O3≤0.2wt%，SiO2≤2wt%，CaO≤0.2wt%，Al2O3≤1wt%和杂质余量。
3.根据权利要求1所述的基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料，其特征在于，所述磷酸二氢钾为低粒度磷酸二氢钾和高粒度磷酸二氢钾按重量比1-2:8-15的混合物；所述低粒度磷酸二氢钾的平均粒度为10-20μm，所述高粒度磷酸二氢钾的平均粒度为100-150μm；所述低粒度磷酸二氢钾和高粒度磷酸二氢钾的纯度≥95wt%。
4.根据权利要求1所述的基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料，其特征在于，所述硼砂的纯度≥98wt%。
5.根据权利要求1所述的基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料，其特征在于，所述填料为石英砂、粉煤灰和高岭土中的一种或几种的混合物。
6.根据权利要求1所述的基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料，其特征在于，所述纳米纤维素的直径为20-80nm，长度为1-2μm。
7.根据权利要求1所述的基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料，其特征在于，所述步骤S1中纳米纤维素和15-20wt%的过氧化氢溶液的重量比为1-5:30-200；所述步骤S2中磷酸氢二铵、尿素、去离子水和预处理的纳米纤维素的重量比为0.25-1.25:3-15:10-50:1-5；所述步骤S3中磷酸化纳米纤维、80-90wt%的乙醇溶液、硅烷偶联剂KH-550和硼酸的重量比为1-5:10-50:0.05-0.25:0.01-0.05。
8.根据权利要求1所述的基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
9.根据权利要求1-8任一项所述的基于纳米纤维的高强度混凝土修补材料，其特征在于，所述高强度混凝土修补材料的制备步骤如下：
（1）将重烧氧化镁、磷酸二氢钾、硼砂、填料依次加入混合釜中，然后搅拌2-4min，得到混合料；
（2）将水加入到混合料中，搅拌3-5min，然后加入改性纳米纤维和减水剂，再搅拌5-7min，得到高强度混凝土修补材料。
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