CN117881641A - 起源于生物灵感可用于水泥混凝土的化学添加剂和解决方案以及它的制作方法 - Google Patents

Abstract

仿生化学添加剂,涂层或/和溶液,用于模拟骨骼的生物矿化过程,有助于提高水泥混凝土的强度并降低其开裂失败的风险,包括以微/纳米/纹理双疏松点域为核心层,水凝胶聚合物作为壳层,由水和矿物油作为溶剂经表面活性剂/乳化剂作为中间层包封在乳液中，与水泥,细砂和砂料按重量百分比混合，混合比为0.00001/99.99999至10.0/90，其中水与水泥的比例为0.2到0.80(W/C),水泥的体积分数占固体总体积分数的5％到50％，细砂占40％到90％,水干燥时骨料占比40％到90％，用水泥基材料比如微晶硅砂，微凝胶,和膨胀粘土代替水泥，其重量百分比范围为水泥的0.01％至75％，浇注成混凝土块，24小时内抗压强度超过4000(PSI)的早期年龄，在28天内巴西劈裂抗拉强度超过1000(PSI),在环境条件下暴露超过一年半后,极限抗压强度超过7500(PSI),增加韧性大于900(％),弹性模量大于1300(％),通过预裂解试验方法的自愈能力超过80(％),密度范围为1.90至2.55(g/cm³),水分含量损失小于3.0％，这是因为在30到200^°F温度下，蛋白质、蜡和水凝胶聚合物的微/纳米/纹理水双疏导域与混合混凝土成分的放热水化过程中，分散和非共价键的可调节自组装的贡献所致。

Description

起源于生物灵感可用于水泥混凝土的化学添加剂和解决方案 以及它的制作方法

交叉引用相关应用文件

本申请是2019年4月26日提交的先前美国临时申请(provincial application)63/179，634的延续，特此通过引用并入其实体。

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关于联邦赞助的声明

沒有

通过引用并入

引用的所有专利、专利申请和出版物均通过引用并入，以用于描述截至本文所述发明之日，本领域技术人员已知的技术状态。

联合研究协定缔约方名称

沒有

披露

沒有

发明领域

本发明涉及化学添加剂和溶液，可用于提高基础设施工业中混凝土材料的早熟强度和耐久性以及延长水泥混凝土产品的服务寿命。受生物骨折恢复和生物矿化启发，所公开的技术实践表明，该化学添加剂和溶液功能化为水解双疏水域，能有效填充微裂纹断裂，降低混凝土材料的脆性，增强粘弹性和粘性可塑性，提出一种以可调聚合物分子可调取向为自活化愈合的机理，通过凝胶聚合物的相过渡水化启动，在水和矿物油的刺激下，产生适用于建筑工业应用的水泥混凝土产品。

发明背景

波特兰水泥自推出以来一直是建筑行业中广泛使用的建筑材料之一。它也是第二大最常用的材料，同时具有显著的环境成本。每生产一吨水泥熟料，就有大约一吨二氧化碳排放到大气中¹，约占全球二氧化碳排放量的4-8％。减少水泥的使用和其他环保的无机聚合物或有机聚合物建筑材料替代水泥是非常可取的，特别是考虑到当前可持续经济增长的零碳释放目标。最近欧洲、中国洪水，加利福尼亚最近受破坏的森林大火和美国强大的艾达飓风造成的巨大破坏，为遏制全球变暖发出了紧迫的呼吁和要求。

粉煤灰作为关键的胶凝材料，粉煤灰替代水泥熟料的重量百分比高达75％，但由于燃煤发电污染严重，发电厂和煤炭开采业迟早将被淘汰。粉煤灰的可用性将变得稀缺。寻求其他粉煤灰替代品以满足混凝土性能要求的需求是有紧急需求的(Rodriguez等，2020)。

在产品性能方面，混凝土的抗压强度(CS)被认为是最重要的，被列为ACI设计手册的第一标准，由结构工程师确定，通过实践中指定的适当评估测试结果获得和验证。如表1所示，结构应用需要至少2500(PSI)的抗压强度。

事实上，各种因素会影响混凝土强度(Moehle，2019)。水泥混凝土的一个缺点是抗拉强度差，其钢筋等增强元素，非铁类材料，有机或无机成分的材料必须包括在水泥混凝土内，以防止混凝土结构开裂失效。由于地下室混凝土结构，构件的开裂失效，迈阿密冲浪城高耸的住宅建筑坍塌是一个典型的惊人失败例子。

¹https://www.theguardian.com/cities/2019/feb/25/concrete-the-most-destrcutive-material-on-earth

表1.符合ACI 318建筑规范的混凝土产品性能规范

受大自然的启发，设计和制造自愈合混凝土的概念一直是混凝土研究界的重中之重，特别是生物材料，作为防止结构失效未来修复和减轻混凝土结构开裂失效发生的可能解决方案，开发有效混凝土产品的策略包括将高吸水性聚合物与波特兰水泥混合；将生物酶掺入水泥浆料中；应用包封的反应性聚合物或无机材料对固井材料进行原位固化，并掺入增强纤维以降低混凝土的应力集中。

高吸水性聚合物(SAP)：高吸水性聚合物(SAP)材料已被用作混凝土中的固化添加剂。它可以通过膨胀作为水库提供充足的水。它可以在干燥的空气中缓慢释放水，作为自生自愈合剂，用于增强工程水泥复合材料(ECC)产品的性能(Li等人，2007)。它还通过在湿/干燥循环环境条件下向开裂混凝土供水来有效提高胶凝材料的自愈合性能(Chen，1999，Kyoshi等人，2002，Shim等人，2018，Ma等人，2019)。通过使用带有疏水膜的移动注入疏水层，声称具有高自愈合效率(Aizenberg等人，2017)。SAP的成功受限制于水凝胶聚合物的柔软性(Dang，J.等人，2017)。

酶促生物混凝土：用于自生固化和水泥开裂修复的酶自愈合剂已被广泛研究。据称，酶蛋白可以以极快的速度催化化学反应(Rosawitz等人，2021)。碳酸水合酶(CA)催化水，钙离子(Ca²⁺)和CO₂之间的反应，产生碳酸钙(CaCO₃)。混凝土中宽度为400(微米)的预切割裂缝可以愈合。选择一种新型温泉菌，菌株可以将水泥材料的抗压强度提高23％以上(Biswas，et al.2010)。对胶凝材料离散裂纹中自动愈合剂毛细管流动的模拟表明，由于砂浆微观结构通过连续水化而改变，粘滑参数从7d试样的0.12降低到28d试样的0.01。随着水凝胶的干涸，粘合剂的附着力变得很强(Gardner D.等人，2014)。

封装固化剂：在1990年初已经探索了填充有超级胶水(即氰基丙烯酸乙酯)作为愈合剂的中空和易碎玻璃管。愈合剂一旦达到某些负载并且玻璃管破裂，就会释放到胶凝基质的裂缝中。紫外荧光固化环氧树脂也用于研究仿生学。其他愈合剂，如双环戊二烯，聚醚胺，NaSiO₃凝胶等，已经与脲醛，三聚氰胺甲醛，异氰酸酯和聚(亚甲基丙烯酸酯)(PMMA)封装成微球形壳，但是，这些愈合剂的成本相对较高，其中一些可能不是环境友好的(Li，2007)。

其他：为了降低水泥化学外加剂在水泥混凝土应用中的成本，在常规水泥砌块中添加了用过的发动机油，此外，生物衍生油产品如菜籽油，煤油和瓦斯油作为水泥/骨料键的化学添加剂，也添加到水泥材料中以提高性能，但是，在测试的试样中同时遭受了抗压强度和抗弯强度(Zena，2016，Almabrok，M.H.，et al.2019，Yaphary，et al.2020)，α淀粉酶淀粉已被用作生物填料，以定制具有亲水功能的生物降解和生物活性行为(Boesel等人，2006)。生物分子对硅酸钙水合物(CSH)的纳米结构和纳米力学性质的影响已经报道(Kamali等人，2013，Kamada等人，2021)。封装产品的缺点是水泥基质内部存在许多未愈合的裂缝，或者许多引入大量空隙的微胶囊，导致愈合效率差(Li等人，2013)。

从逻辑上讲，必须开发一种能够满足所有特殊要求的自愈混凝土产品，并考虑到具有成本效益的解决方案。受骨生物矿化机理的启发，在这一公开的先进混凝土技术中，液压水力压裂作业中使用的特殊涂料，化学添加剂或/和化学溶液(美国申请号：16,600,278，于2019年11月10日提交)已直接应用于水泥/沙子/骨料混合物作为外加剂。研究发现，化学添加剂/溶液不仅可以提高产品的早期强度，还可以提高其长期耐久性，延长使用寿命，增强压缩混凝土产品的韧性和柔韧性，这可能归因于大豆蛋白/甜米和凝胶聚合物的分子可调重定向和自组装所公开的非共价键的贡献。

发明概述

受骨生物矿化启发，所公开的化学组合物由以下部分组成：

a)大豆蛋白分离物(SPI)或其它生物衍生物如改性SPI，甜米，糯米，由异氰酸酯交联或其它交联剂作为氢双疏聚域，其重量百分比范围为0.001(％)至40(％)，

b)水凝胶聚合物作为悬浮剂的重量百分比范围为0.001(％)至35(％)，

c)支持SPI与水凝胶聚合物悬浮和相互作用的表面活性剂/乳化剂，重量百分比范围为0.0001至20.0％，

d)矿物油作为疏水溶剂的重量百分比范围为0.001至50％，

e)作为平衡，水的重量百分比范围为1.0％至99.0％，

f)(a)+(b)+(c)+(d)+(e)的总重量百分比为100(％)。

在一些具体实施方式中，制备高分子材料的制造工艺包括将疏水性溶剂(如单链和矿物油)装入容器中，然后，同时将化学添加剂和溶液作为混合物加入水泥中，或者将砂或聚集材料涂有化学添加剂，或者替代地，将化学添加剂与水泥材料直接在现场混合。

在一些具体实施方式中，配制的涂料具有30至90(度)的静态接触角；和倾斜接触角(固定角和动态角度)大于30(度)作为光滑和/或疏水/亲水双域涂层，通过在涂层的扁平固体表面上沉积水滴来测量，总重量为0.1(mg)至500(mg)。

在一些具体实施方式中，发明的化学添加剂或溶液与水泥，水，细沙和骨料的混合物可以产生对住宅或/和商业建筑材料都有用的混凝土阻挡产品。研究发现，用开发配方制造的产品具有出色的早期抗压强度和高韧性，通过微毛细管作用驱动的自活化初始化的长期最终抗压强度，不仅来自水合钙-硅酸-水合物(CSH)键，还来自大豆蛋白和聚合物材料的β片的氢键，以响应涂层材料的放热水吻合变从-25℃到90℃。涂层总重量与水泥，细砂，骨料和水的总重量之比范围为0.0001/99.9999至5.0/95。

在一些具体实施方式中，可以作为常规溶液施加具有混合作用的涂层或喷涂在砂或骨料产品的固体表面上以产生涂层砂或骨料产品。喷涂在沙子上的涂料的剂量水平范围为0.01％至10.0％，优选低于水泥，细砂和骨料总重量的3.0％。与未处理的试样相比，包覆的颗粒可抑制，可吸入微晶硅粉尘浓度95.0％以上，优选97.0％，99.0％，99.5％，99.95％。

在一些具体实施方式中，化学添加剂可以与水泥混合，以在现场施工直接作为外加剂在混合物中产生水泥浆和/或水泥砂浆剂。混合水可以先稀释化学添加剂，然后在计算混合时间之前加入所有剩余的水。混合化学添加剂的配料部分对水泥，细砂和补充胶凝材料等混凝土材料总重量的用量水平，范围为0.01(％)至15.0％重量百分比，优选少于5.0％，或0.5％。

在一些具体实施方式中，包覆的化学添加剂的核心材料包括改性的大豆蛋白，甜米或糯胺，氧化石蜡，水凝胶聚合物粉末，或它们与异氰酸酯或环氧树脂的共混，从膨胀的水凝胶滑层移动到混凝土结构的裂缝中。这些双疏水材料的用量范围为总涂层材料重量百分比的0.1(％)至40.0％。

在一些实施方案中，水凝胶聚合物和大豆蛋白分离物或其修饰与其结构中的双重疏避结构域可以在其分子取向上进行调整/调谐。溶液浓度可以在0.001％至50％的范围内。配制好的溶液可以喷洒在砂和骨料表面，或在3～15(分钟)内直接掺入水泥基体中剪切混入。

在一些具体实施方式中，混合水泥浆料和/或砂浆，以及砖石混合物具有优异的可加工性，工作时间为10至120(分钟)。水与水泥的比例可以在0.20至0.80的范围内，优选0.44以下，或0.40，0.36。

在一些具体实施方式中，除了这里使用的化学添加剂外，还可以添加增强纤维元素，包括钢晶须，玻璃纤维，聚乙烯醇纤维等，以减轻裂纹，以增强自愈合。纤维长度与直径的比率可以在10到100的范围内。钢筋和玻璃纤维等钢筋组件的体积分数占砂和水泥，细砂和骨料总体积的百分比范围为混凝土构件总体积的0.0001/99.9999至5.0/95。

在一些具体实施方式中，胶凝材料，如粉煤灰，微二氧化硅，硅胶，南方粘土，水玻璃(硅酸钠)和磨料颗粒，砂子或支撑剂材料颗粒，选择用于水力压裂应用的粒度划分为100目、40/70、30/50和20/40，或通过合同协商规定，可以按重量百分比在水泥总重量百分比的0.001至75％的范围内添加，以部分取代水泥材料或添加作为原料砂，部分代替细砂或骨料超过细砂，骨料和加水泥的总重量。

在一些具体实施方式中，根据ASTM C 39或/和测试标准，如ASTM C109(2”x2”块)的被测样品的最小极限抗压强度大于2500(PSI)，更优选在28天凝固时间成型后测量的4000(PSI)，特别是超过7000(PSI)用于高性能混凝土结构应用，巴西的劈裂抗拉强度(theBrazilian splitting tensile strength)大于600(PSI)，特别是大于1000(PSI)。这些产品可用于住宅和商业市场，高速公路的混凝土板以及高上升建筑的高强度混凝土混合物。

在一些实施方案中，通过自愈效率(SHE)测定，用于自愈的测试样品的回收率百分比可以超过80(％)。并通过巴西劈裂拉伸强度测试方法测定，通过透水性测试超过100(％)。

在一些具体实施方式中，所公开的液压水泥混凝土制品的韧性值是其原始产品的9倍，并且在弹性模量方面是其13倍，也称为材料的柔韧性。

在一些实施方案中，被测样品的密度具有大于1.90(g/cm³)的值，特别是大于2.20、2.40(g/cm³)和2.55(g/cm³)，孔隙率小于0.15，更具体地小于0.07。

在一些实施方案中，化学添加剂在与其它水泥组分混合并在绝热或等温条件下固化后，具有30°F以上和200°F以下的相变温度。

为了更好地描述所公开的发明，下一节使用图形和图纸。

附图和图片的详细描述

图1.化学添加剂和溶液与水泥和砂/骨料材料的自活化愈合机制的模拟示意图：100-化学溶液/涂层乳液；101-来自水泥，细砂，骨料和胶凝材料(如粉煤灰，微二氧化硅，硅胶)的固体表面；102-轻密度溶剂(矿物油)；103-水合水凝胶聚合物；104-SPI核心层颗粒的球形；105-SPI片状或圆盘形。化学添加剂通过以下加工步骤与其他组分相互作用：1)在水合环境条件下与暴露在空气或水中的核心层进行密集剪切后分解乳液；2)SPI和水凝胶聚合物由自活化非极性溶剂定制，在不同的温度和渗透压力下与水泥表面紧密接触；步骤3：化学添加剂与水泥元素的互动紧密反应，参与各种分子键合机制，包括CSH阳离子键，螯合，胺化，疏水性和分散性，CSH内电位插层的氢键；步骤4：用硬化混凝土结构形成固定化界面相间。

图2.用公开的化学溶液和添加剂提出的混凝土自愈合过程的示意图：201-水泥，沙子，骨料或其他胶凝颗粒的固体表面；202-涂层；203-混凝土结构的裂缝；204-自愈合剂填充混凝土裂缝；205-SPI/甜米芯层。

图3.压应力和应变(以％为单位)的图，作为示例3中测试的圆柱形样品的注册采样时间的函数。

图4.所选样品中3、4、5个试样的抗压强度图，作为所选圆柱形测试样品的应变函数。

图5.直接改编自出版物的改良直径拉伸试验的试样几何形状(Singh和Pathan1988)。

图6.水从样品的创建微裂纹中渗出的图像起源于示例8a和8c，两者在水盘中浸泡约15(分钟)后。所有边缘都用蜡密封，除了上下表面与水盘中的自来水接触(参考ASTM C1585-04实验设置)。

图7.从标记为检查8a、8b、8c、8d和8e的样品制备的测试样品的透水性图。

图8.用实施例1所公开的薄涂层涂覆后放置在平板玻璃板固体表面上的测量水微滴的静态接触角和倾斜接触角的图。

图9.根据表15中的选定数据，极限抗压强度(UCS)和巴西分裂拉伸强度(BSTS)作为样品老化在自然对数中的函数的曲线。

图10.标本在水盘中浸泡一小时后水印的成像照片。可以清楚地观察到阻止渗出的部分水的进入。9a和9b的标本均在水盘中浸泡一个月，然后取出进行重复的水浸泡试验。

图11.9a和9b自愈合标本中的透水率图作为采样时间图的函数。

图12.不同化学添加剂混合物绝热条件下真空咖啡杯中水泥固化温度图：示例19：记录ID：11102019-1(蜡)，示例20：示例ID：11102019-2(SPI/蜡/SR)；示例21：11102019-3(对照)；示例22：11102019-4(快速设置)。

图13.从示例19，20，21和22的混合中选出的测试混凝土棱柱条样品的重量百分比减少图作为环境温度为70°F的采样时间的函数。

发明详述

水泥混凝土的自愈机理：混凝土结构中经常发生开裂。由于受限制的热收缩或温差产生的拉伸应变超过了混凝土结构的拉伸应变能力，因此将开始开裂。当混凝土在固化的最初几个小时内仍然柔软时，自生收缩仅限于水泥水化驱动的化学变化，但是，在前24小时后的后期阶段，自生收缩的风险很高。高水分蒸发率和随后的高收缩率是开裂的最常见原因。自生自愈被认为是解决混凝土开裂问题的一个有希望的解决方案。自生自愈的主要原因归因于碳酸钙的形成，混凝土结构中经常发生开裂，由以下两个简单的化学反应表示水泥混凝土的自愈机理：

如方程式(1)所示，二氧化碳从空气环境或溶解的化学反应物中吸收，阴离子氢氧化物碳酸氢根离子在方程右侧产生。氢氧化物碳酸氢根离子可进一步与钙阳离子反应，导致碳酸钙重结晶析出(等式2)。对旧水泥混凝土结构的观察表明，一些裂缝是这些白色结晶材料归因于氧化钙结晶度的形成。

除了上述CaCO₃阳离子键外，二氧化硅还可以具有与钙连接的阳离子共价键，定义为CSH键，发生在氧化钙和氧化硅接口处，广泛分布在地球上。CS在其接口的顶表面上与羟基连接，在CSH键中产生与-OH的水合键。

同样，骨作为一种高度专业化的有机无机结构，在其矿化基质中可归类为微纳米复合组织，由有机相组成(主要由胶原蛋白组成)，干重35％，以液晶结构用磷酸钙增强，负责其刚性，粘弹性和韧性，65％干重的碳酸羟基磷灰石用于结构增强刚度和矿物质均匀性。其他形成微环境的非胶原蛋白刺激细胞功能。与其他人体组织相比，骨组织能够真正生成，即在不形成纤维化组织的情况下愈合(Henkel，J.，2013)。在我们公开的添加剂中，申请人认为SPI及其修饰可以被认为是一种植物基胶原蛋白(蛋白质)，在用异氰酸酯或环氧聚合物等交联剂修饰后，可以通过物理插层和非共价氢键膨胀并插入水泥基质结构。乳液中壳层的水凝胶聚合物可以被认为是软凝胶，其提供所需的保护，以防止SPI和改性SPI的内核心层受损。矿物油和水可以被认为是等离子体和润湿剂，作为自活化催化剂或潜在的传感剂。

与生物矿化一样，在本公开中如图1所示，不言而喻的是，乳液或化学添加剂颗粒101与水泥基体表面102接触。在步骤1中，数以百万计的类似乳液颗粒水泥/沙子/骨料通过碰撞，相互剪切以及相互反弹来接触亲密接触。轻密度溶剂(102)如矿物油或低碳烷基分子从覆盖涂层顶面的水凝胶聚合物网络中被挤出，导致溶剂/水/水凝胶，聚合物体系的光滑混合层，更具体地说，含有水合水的水凝胶聚合物(103)，导致对剪切颗粒的摩擦力小得多，这使得整个混合成分蓬松而不粘连。然而，就软材料的行为而言，它可以被定义为湿的，而不是粘性现象。

类似的情况也存在于食肉猪笼草中。猪笼草叶子的表面粘稠，像白色粘糊糊的粘液一样，是一种超级亲水材料；然而，当涂层被剪切时，它也很滑(Hirscher，2007)，其特征在于超疏水材料。与莲花叶不同，与捕虫笼表面有亲密接触的液体或水滴不会从其叶面滚落。它将具有大于90(度)的破碎接触角，固定在叶表面上而不会掉落。水和矿物油作为双溶剂体系浸泡在水凝胶网络和SPI核心层中，等待叶面上吸收的液体之间的吸引力。液体流体中含有的乳液将在所公开的液体中做出明智的选择，即核心层中的功能化大豆蛋白如何与其他组分相互作用以做出选择。申请人认为，核心层颗粒104，如粉末状大豆分离蛋白(SPI)和改性水凝胶聚合物，或用异氰酸酯改性的甜米等，会将其疏水基团暴露在空气中。方案(a)中的SPI呈球形，而方案(b)中的SPI呈圆盘状，其结构可能源于大豆蛋白二级结构中的β-同甘霉素7S(19-20％)。反之，SPI的疏水基团将朝向带有硅氧烷基团的沙面。另外，Ca²⁺和/或镁会部分附着在SPI表面。这种SPI或改性SPI的分子构型使大豆蛋白在固体表面可控自组装成高性能多功能纳米结构薄膜成为现实。

当SPI被加热到90℃时，蛋白质将表现出低含量的分子间β片结构，高含量的无规卷曲和螺旋二级结构。将大豆蛋白冷却后至20℃后，如果将蛋白质溶解在适当的溶剂中，分子间β片的含量将逐渐增加25％。SPI组分的加热可以在20℃至90℃的温度之间大大改变其溶解度与其变性特性(Lan Q.，et al.2019)。申请人认为，由于乳液的芯层和表层都被加热或置于不同的溶剂中，二次分子间结构随之变化，以增强SPI和水凝胶聚合物与水泥和聚集体的相互作用，不仅在离子键中作为CSH键，而且在氢键，螯合键(Ca²⁺)中，导致蛋白质分子插入CSH接口。

在步骤2中，想象SPI颗粒可能通过水泥基质微通道中的旋转或/和平移模式改变其配置，大豆蛋白球形颗粒在角度上旋转90(度)，从完美的球形形状旋转到图2(a')中的椭圆形。在(b')项中，豆蛋白大颗粒/纳米颗粒的圆盘型不仅旋转角度90(度)，而且变得椭圆形和扁平化。从根本上说，配置角度可以根据环境条件进行调节。场景(b')中的亲密接触表面积远高于(a')。申请人认为，情景(b')中非共价键中出现的频率远高于(a')。在情景(c')的情况下，增加的液压可能会增加α螺旋卷取蛋白或/和β片状蛋白与水泥元素的接口粘附的机会。这里提出的想法和制造策略是为了说明大豆蛋白或甜米可能作为纤维蛋白原或胶原蛋白作为凝血蛋白排列在一起，以增强有机-无机相互作用在液压水泥混凝土颗粒的固体表面上的键。在步骤2中，想象SPI颗粒可能通过水泥基质微通道中的旋转或/和平移模式改变其配置，大豆蛋白球形颗粒在角度上旋转90(度)，从完美的球形形状旋转到图2(a')中的椭圆形。在(b')项中，豆蛋白大颗粒/纳米颗粒的圆盘型不仅旋转角度90(度)，而且变得椭圆形和扁平化。从根本上说，配置角度可以根据环境条件进行调节。场景(b')中的亲密接触表面积远高于(a')。申请人认为，情景(b')中非共价键中出现的频率远高于(a')。在情景(c')的情况下，增加的液压可能会增加α螺旋卷取蛋白或/和β片状蛋白与水泥元素的接口粘附的机会。这里提出的想法和制造策略是为了说明大豆蛋白或甜米可能作为纤维蛋白原或胶原蛋白作为凝血蛋白排列在一起，以增强有机-无机相互作用在液压水泥混凝土颗粒的固体表面上的键。

在步骤3中，这里可能出现一个复杂的相互渗透的网络场景。与目前广泛接受的CSH键的描述不同，螯合，脱氨，来自聚脲和聚氨酯的胺化，以及来自大豆蛋白，甜米或水凝胶聚合物的矿物油与烷基官能团的疏水，分散键，特别是聚氨酯，胺和羟基之间的广泛非共价氢键，羟基官能团可能参与接口，导致大豆蛋白和其他有机物的潜在插层分子间聚合物与水泥基体或-OSiO-无机表面。申请人认为，树枝状，指纹印刷和/或缝合类型的粘结线可能以微毛细管压力驱动作用和施加在纳米级球形颗粒接口上的压缩或拉伸力，如图1(a”)和(b”)所示，存在于砂，骨料和水泥基质的无机地质材料的接口之间。

在步骤4中，SPI，水凝胶聚合物，矿物油，表面活性剂/乳化剂和水完全包装在一起，或没有包裹的气泡。液体和涂层颗粒从水泥基体的微通道中流出的驱动力是混合液体流体的表面张力与粘度的比值，它决定了流体从一侧到另一侧的渗透速率。由于微通道的微毛细管作用，随着水或/和矿物油通过蒸发而不是冷凝被挤出界面键合线，相邻固体表面之间的粘合线的厚度进一步缩小。进一步降低部件(ε)的孔隙率。混凝土砌块的密度随着进一步的加固而增加。此外，值得注意的是，由于水凝胶聚合物和大豆蛋白分离物的孔隙度(ε)不为零，因此如果考虑凝胶惯性和通道半径的变化，则SPI作为微通道中的凝胶颗粒以非常复杂的方式行进。申请人认为，无机有机颗粒的粘附主要由这些非共价键代替硅酸钙水合物(CSH)键主导。孔隙率的降低可能会进一步巩固混凝土，并具有卓越的耐久性。

混凝土制品的耐久性与开裂性：研究表明，如果混凝土裂缝的宽度小于50(微米)，基于等式2和3所示的CSH键的自愈合可以潜在地降低裂缝的风险，裂缝的闭合间隙为100(％)回收率，但是，如果裂缝的宽度小于150(微米)，则在水中重新固化3天后，裂缝宽度可以100％自封，其宽度从220(微米)减少到160(微米)在复发7天后，需要33天才能完全愈合宽度为160(微米)的裂缝，主要归因于膨胀效应，膨胀效应和通过土料裂纹自愈合行为重新结晶(Tae-Hoshn&T.Kishi，2010)。宽度超过150(微米)的大裂缝需要特殊的战略方法来愈合裂缝(Yang等人，2009)。ACI 224委员会指出，宽度为180(mm)或更大的裂缝会导致与耐久性相关的混凝土结构构件的劣化。ACI 224R-01(2008)表中公布的允许裂缝宽度表明，允许的裂缝宽度在很大程度上取决于具体的应用场景。在保水结构中，它只允许宽度小于100(微米)的裂纹，然而，在干燥空气操作中，它允许裂纹宽度小于410(微米)。

如图2(a)所示，201的固体表面在其表面涂有常规涂层(202)。如果固体表面内的应力超过固体混凝土的抗拉强度，则会产生203的裂缝，就像一个悬挂的倒置树干一样。水泥结构表面将出现裂纹或裂缝，如图2(b)所示。如果使用化学溶液，则在宽度超过160(微米)的裂缝的情况下，所公开的化学添加剂或涂层会膨胀并填充倒置树干的间隙和裂缝，如图2(c)所示，膨胀的颗粒和水凝胶聚合物的运动可以处于旋转或平移模式，以回应水份含量和溶液温度的变化。如图2(e)所示，通过冷凝或蒸发，蒸发或冷凝。

水凝胶聚合物和SPI核心材料一旦接触到水或矿物油，可能会首先肿胀。水凝胶聚合物和SPI颗粒都可能跳跃，跳跃或落入裂缝或裂缝谷的底部，如图2(d)所示，在粘滑运动中，其特征在于接触线上成对的销钉-除冰事件。封装的SPI可以吸收水分含量，并将水分从暂时阻碍运动但不会永久停止的通道中蒸发出来。SPI成分的固体也可能积聚在图2(e)中的接触线上，导致瞬时局部凝固和暂时固定(粘附)到通道上，导致接口粘合网络的随机拼接和指纹图案中的界面粘合线的复杂动态行为，而不是液体流体的简单移动运动。最后，裂纹将填充新的添加剂和微小的杂质或碎屑颗粒，使裂纹具有理想的恢复强度，如图2(f)所示。

申请人认为，所公开的缝合和粘滑键的自愈机制促进了混凝土的自启动恢复能力。大多数情况下，由于化学添加剂被添加到水泥基质中，它会抑制水泥与砂子或胶凝材料反应的水化。在快速凝固水泥产品中，由于阳离子钙与羟基阴离子基团的放热反应，在20分钟内加入水泥混合物中的水会产生广泛的热量，从而导致水泥组分的快速胶凝。这些快速固化水泥配方的缺点是，由于在混合组分冷凝之前引入了结构缺陷，固化产品的早期老化强度较低，并且后持久强度较差。

与此相反，申请人认为SPI中的α-螺旋盘旋蛋白和β-片层蛋白有可能嵌入水泥基质中，系在砂子和集料的相间区上，从而将粘弹性弹簧-底盘连接到水泥基质中。粘弹性复合材料由蛋白质的螺旋缠绕尾部和β板组成，作为构建块，在图2(g)中以海绵形式围绕水泥，沙子和骨料的固体表面，以随机分布模式提出。受骨折恢复的启发，SPI蛋白可以被认为是骨结构中的胶原蛋白(长链棒型蛋白质)和凝血剂，而SPI的海绵形式是水力水泥混凝土一体化结构中的松质结构。为了长期耐久，如果环境条件合适，SPI和甜米组分或其修饰可能会分解，从而导致更多的CSH类型的键。这可以作为混凝土产品的潜在，潜伏自愈剂，而无需维修。

综上所述，所提出的机理旨在解决与水力水泥混凝土结构早期强度和耐久性相关的开裂问题。对所公开的涂层中所提出的机理以及部件的益处和优点的概念证明进行了进一步的详细说明。

微/纳米结构双疏水域：对于如图1和图2所示的所公开的化学组合物和乳液涂层，通过在固体表面上掺入纳米纹理的双界面点域中，可以创建随机分布的微/纳米纹理双疏界面点域材料。涂层不是具有光滑的表面，而是具有不均匀和粗糙的表面。球形无机矿物填料或有机纳米级或微量级填料材料，通过简单的自组装在固体表面上，有可能被制成双界面原始点状域。

已确定的具有成本效益的化学添加剂之一是石油石蜡。其他的，如大豆蛋白分离物(SPI)，也是作为纳米纹理结构域材料的首选者。形态学纹理的粗糙，凹，凸和谷的涂层特征可用于构建由蜡状球体和/或点产生的微尖端和凸起的所公开涂层材料，以在涂层砂或骨料或水泥浆上产生增强的疏水性和抗阻塞能力。

蜡质材料的另一个好处是，蜡作为疏水域材料具有成本效益，并且易于乳化成涂料或溶液化学品。它具有多种有机化合物，这些化合物在环境温度附近具有亲脂性，可延展性固体，包括较高的烷烃和脂质，熔化以产生低粘度液体。蜡不溶于水，但可溶于有机和非极性溶剂。不同类型的天然蜡由环保植物生产。例如，巴西棕榈蜡，也称为巴西蜡和棕榈蜡，最初来自棕榈树的叶子，主要由脂肪族链(40重量％)，4-羟基肉桂酸(21.0重量％)，ω-羟基羟酸(13.0wt.％)和脂肪醇(12.0wt.％)组成。这些化合物主要来自C26-C30范围内的酸和醇。巴西棕榈蜡的独特之处在于二酯以及甲氧基肉桂酸的高含量。²

²https://en.wik.pedia.org/wiki/carnaubia-wax

石蜡是烃类，烷烃的混合物通常以同源链长系列的形式存在。它们是饱和正链烷烃和异构烷烃，萘以及烷基和萘取代的芳香族化合物的混合物。典型的烷烃石蜡的化学组合物包括通式为C_nH_2n+2和C₃₂H₆₄的碳氢化合物。分支程度对属性有重要影响。微晶蜡是一种产量较少的石油基蜡，含有较高百分比的异石蜡(支化)烃和环烷烃。蜡烛和石蜡在商品市场上有售。

合成蜡主要通过乙烯聚合而得。α烯烃具有化学反应性，因为它们含有第一个碳上的双键。最新的合成石蜡是经过水处理的α烯烃，可去除双键，形成高熔点，窄切口和坚硬的石蜡。蜡是一种非常疏水的材料。它的熔点一般在35℃以上。更具体地说，蜡的熔点在55℃以上。它测量的水接触角在108和116(度)之间(Mdsalih，et al.2012)。添加到指定配方混合物中的蜡量百分比应在0.01％至15.0％的范围内，更优选小于5.0％。其他典型的合成蜡包括活性蜡，如乙烯硬脂酰胺，双乙烯硬脂酰胺，以及它们与其他具有润滑剂和滑溜特性的蜡或固体润滑剂材料的混合物。

除蜡外，其他纳米颗粒，如聚乳酸聚合物，SPI，纳米填充剂，脂质，甜米和其他生物衍生物，可用作与蜡混合的宏观/纳米纹理材料，以实现理想的疏水性和亲水性。水对偶疏水域材料是指可以被描述为具有疏水性的材料，也具有双重疏水性的亲水性材料。它可以是通过协同混合物的两个系统，也可以是一个具有多功能属性的化学修饰固体表面的系统。例如，硅烷偶联剂表面处理将使改性碳的表面变得亲水或疏水，从而导致疏水双属性。由于改性表面与水接触，因此往往会暴露自己具有亲水性。由于它与非极性溶剂附着，因此倾向于将其蜡和烷基官能团暴露在周围环境中。因此，涂层分子组分可以，以智能方式适应水性溶剂或空气，并与系统适当配合。

与蜡质颗粒材料不同，大豆蛋白分离物(SPI)在其表面上含有多功能部分，可提供广泛的反应性和与其他材料的相互作用。一个典型的特征是，生物聚合物颗粒如大豆分离蛋白和甜米粉的表面可以用异氰酸酯聚合物官能团或其它功能联剂进行化学接枝，以达到理想的疏水域和亲水域不同。从大豆分离蛋白(SPI)的肽分子结构。或者，粉末中水解聚丙烯酸酯丙烯酰胺钠(HPAM)聚合物的水凝胶聚合物可以通过异氰酸酯作为交联剂与大豆分离蛋白共聚。其他替代蛋白质可以作为大豆蛋白浓缩物(70％)和大豆粉(50％蛋白质)包含在粉末中，以获得疏水性物质。也就是说，SPI和HPAM在粉末或颗粒中都可以交联在一起，以达到协同效应。申请人认为，通过聚氨酯和酰胺官能团进行SPI和HPAM化学反应的共聚物是独一无二的，由于在HPAM聚合物表面引入多功能反应位点，混合组分的粘度有可能增强，因为混合组分被添加到溶液中。

利用大豆蛋白分离物(SPI)的另一个好处是SPI处于多孔网络结构中。潜在的是，位于SPI颗粒表面或内部的羟基，酰胺和胺官能团很容易相互作用，以物理方式在HPAM和SPI凝胶颗粒之间产生氢和离子键，从而导致混合组分粘度增强的凝胶聚合物。

由于SPI是由去性质化的大豆蛋白片制成的，这些大豆蛋白片已在酒精或水中洗涤以去除糖和膳食纤维，因此基于美国农业部国家营养数据库发布(2004年)的1次普通粉末中的典型SPI营养成分的总脂肪成分：2.0(％)；饱和脂肪：0.0％；总碳水化合物1(％)；蛋白质：46.0％；胆固醇：0.00(％)；钠12.0(％)；膳食纤维：6.0(％)；钙：5.0(％)；钾：1.0(％)；磷：22.0(％)；叶酸：13.0(％)。大豆分离蛋白(SPI)的主要成分由大豆制品制成，而大豆含量丰富、价格低廉、可再生、可生物降解且具有芳香气味。这提供了丰富的成分作为水泥外加剂类型的产品。成本较低的大豆蛋白浓缩物(70％)也是与HPAM共聚的良好原料。将大豆加工成SPI的方法至少有三种：1)水性蛋白质；2)酸处理；3)热变性/水洗法。

通过变性，大豆被分离出来，含有伯胺(-NH₂-)，仲胺(-NH-)和酸性羧基官能团(-COOH-)。这些官能团与聚酰胺I和聚酰胺II键提供了广泛的网络连接点。从一个角度来看，所公开的配方提供了包含SPI加聚合物或预聚物的混合物的化学组合物，其反应性异氰酸酯、多元醇、多肽或氧化物环氧树脂。多肽的剂量水平范围为约10.0％至90％(重量/重量)。

所述有机聚异氰酸酯可以选自含有聚合物二异氰酸酯(对MDI)，2、4-亚甲基二苯基二异氰酸酯的基团。在某些条件下，这些聚异氰酸酯聚合物具有一个或两个或三官能反应基团，与源自SPI的多肽键反应。术语蛋白质和多肽是同义词，指的是含有连接在一起的氨基酸的聚合物。

例如，肽键或其它键可含有天然存在的氨基酸或修饰氨基酸。多肽可以从天然来源中分离出来，也可以使用标准化学或通过化学修饰技术通过接枝合成，包括环化，二硫化，去甲基化，共价交联的脱氨形成，焦谷氨酸的形成，甲酰化，γ-羧化，糖基化。术语分离是指从其自然环境中去除的材料，如果它是自然发生的。

SPI和异氰酸酯之间的潜在键可能包括酰胺和羧酸酯，以及具有SPI和异氰酸酯交联的酰亚胺键。HPAM可以通过多组分的反应掺入SPI分子链和网络结构中。申请人认为，改性HPAM与SPI与异氰酸酯或环氧聚合物交联的粘度增加可能源于SPI对其与阳离子(如钠，钙和镁)和三氯化铁的强键的耐盐性。

与其他化学键相比，多肽非常强，因此在变性和脱硫大豆材料的加工中可以抵抗高达130℃的加热温度。在图1中，产生100个乳液颗粒的核心层的程序首先将润滑剂(如矿物油)装入反应性油轮中。随后，可以将SPI和/或HPAM添加到油轮或集装箱中。然后，将p-MDI的交联剂加入到反应器中。加热反应器中的混合组分允许溶剂/润滑剂在规定的时间内在冷凝器中回流(例如在60℃下至少5分钟)。除了来自p-MDI的异氰酸酯(-NCO)官能团外，其他交联剂如氧化物环氧树脂，胺，醛，羧酸，硅烷偶联剂可用于修饰SPI表面或将SPI与HPAM交联。

在图1中，SPI_HPAM和异氰酸酯/润滑剂体系共混或反应，作为乳液结构设计100中的乳液核心层。然后，具有用纳米纹理图案定制所形成薄膜粘度的优异能力的核心层，这些图案用乳化剂/表面活性剂包封在矿物油的一相聚合中。反应温度可低至常温；然而，优选的反应温度可以高达130℃或更低，优选60℃或更低。在p-MDI与SPI或HPAM完全反应后，可以在混合组分中添加乳化剂等壳层材料并进一步优化。

或者，来自反应核层的剩余水凝胶聚合物可以用作壳层作为悬浮剂。还可以添加更多的水凝胶聚合物，以在壳层上产生具有特殊电子电荷的特殊壳层。

此外，SPI属于一种有吸引力的构建块材料，可以从天然来源获得，使其适用于制造可生物降解材料。蛋白质具有分子自组织和自组装的倾向，具有显著的性能，可用于创建特殊的纳米纹理结构域模式。过去通过控制组装产生蛋白质基薄膜主要集中在使用合成肽，天然动物源性蛋白质，如蚕丝，牛白蛋白，纤维蛋白原，β乳球蛋白，血红蛋白和溶菌酶或通过蛋白质工程。已经回顾了衍生自蛋白质与其他涂层和高分子材料相互作用的多孔结构的制备(Wei，Q.等人，2014)。然而，由大豆蛋白分离物(SPI)等植物蛋白制备纳米纹理图案用于混凝土混合，与高吸水性聚合物结合使用，以达到协同效应，因为强度增强剂和开裂愈合剂与多层水凝胶剂尚未在公共领域发现或公开。

此外，来自SPI的多孔纹理图案也可以通过葡萄糖-δ-内酯诱导的大豆蛋白分离物(SPI)在水泥基质和砂表面的美拉德(Maillard)反应的来制备，尽管可溶性大豆多糖(SSPS)的浓度可以显著影响纹理图案的形成(Lan等人，2019)。变性SPI和SPI凝胶中的巯基含量均已增加，这可归因于蛋白质结构硬度增强的主要贡献者。最近，通过使用植物蛋白制备了纳米微尺度图案化。暴露于高温下，蛋白质展开并部分水解，使它们更容易形成新的分子间相互作用，缓慢降低溶液温度有助于在涂层上形成自组装纹理图案(Kamali等人，2021)。SSPS与SPI的优选相对剂量水平范围为0.1/99.9至30/70重量百分比。

大豆植物蛋白主要包括7s糖蛋白，占种子总蛋白的20-50％。它是一个由三个主要亚基组成的三聚体。7s珠蛋白通常没有二硫键。β-聚乙二醇在100℃加热下形成透明，柔软但相当有弹性的凝胶，并且可以在80至90℃下变性。变性温度在60-70℃左右开始。从一个角度来看，它由许多胺类功能组成，它是高度疏水的。另一方面，它具有相当比例的极性和带电层，这导致良好的水溶性，并通过静电吸引和氢键促进与生物活性化合物的结合。X射线结晶度和CD研究表明，β-聚甘油素由5-10螺旋结构，33-35％的β片结构，58(％)的随机结构组成。具有高11s/7s比率的大豆蛋白凝胶显示出更高程度的大相分离和具有大孔隙的更粗糙的网络(Wu，C.等人，2016)。

此外，谷氨酸和蛋白质的强相互作用，CSH键的Ca/Si比例从0.7增加到1.5，归因于硅的-O-Si-O与蛋白质的-OCO^-羧基官能β团之间的强氢键，特别是通过螯合蛋白质分子与SSPS或硅离子的螯合功能连接来桥接Ca²⁺群。水泥浆料的相间刚度降低表明CSH键和蛋白质超级分子之间可能发生插层(Kamali等人，2018)。

此外，生物衍生物的甜米是另一个很好的候选者，作为乳液的核心材料。甜米富含支链淀粉，而不是淀粉等直链淀粉。它也被称为糯米，意思是煮熟后粘稠。像蛋白质一样，人们认为，如果掺入乳液中，它应该是优良的生物衍生物之一。

乳化剂/表面活性剂：乳化剂是一种表面活性剂化学品。它可以是阳离子的，阴离子的，两性离子的，具有线性的长链，具有双功能，三功能，多功能的恒星结构，由亲水性头部和亲油性疏水尾巴组成。亲水头是水相的方向，疏水尾部是油相。乳化剂将自己定位在油/水或空气/水接口处，通过降低表面张力，对乳液具有稳定作用。它可以与其他成分相互作用。通过这种方式，可以通过与蛋白质或碳水化合物的相互作用来获得各种功能化，以在化学和物理上产生连接的簇。

通常，乳化剂包括硬脂酸氧化物乙烯酯，山梨醇脂肪酸酯，硬脂酸甘油酯，十八烷酸酯，这些酯的组合，脂肪胺的化学添加剂和化合物，烷基酚聚氧乙烯醚如DOWTergential^NP系列表面活性剂，乙二醇单十二烷基醚，乙基化胺和脂肪酸酰胺。例如，SPAN60 Polyisorbitan 60(MS)和PEG100硬脂酸甘油酯MS是化妆品行业中使用的两种典型乳化剂。典型的乳化剂是支化为多氧乙烯部分，在分子中发现的基团如单月桂酸酯20，单脂胺酸盐40，单硬脂酸酯80等，HLB从4.0到20.0，优选从10到17.0。

在乳液中添加乳化剂的剂量水平可以在涂料总重量百分比的0.001％至5.0％之间，更具体地说小于3.0％(重量/重量)。所述乳化剂不溶于水，只有部分水溶性，分散性。它只溶解在热水中。SPI和蜡或其他多羟基成分的材料，如甜米粉，可以作为核心材料包含在胶束结构中。相反，乳化剂只能用作胶束结构中的壳或中间壳材料。

所公开的添加剂中的乳化剂是关键组分。它具有亲水性，朝向外部亲水相和/或与水溶剂产生强烈的相互作用。同时，它具有疏水性长链尾部朝向蜡质或SPI球体，作为胶束的核心材料。SPI球体或SPI_异氰酸酯，SPI_异氰酸酯_HPAM交联球体可能被密封在胶束中。此外，来自HPAM和SPI的制成和胺对于定制最终乳液性能可能至关重要，因为它具有电泳功能性能，尽管可能不了解反应机理。申请人认为，这些化学物质之间的相互作用使得混合到水中的化学添加剂非常复杂，具有前所未有的未知属性。

交联剂：为增强胶束芯层或壳层的刚度，可选择交联剂制造胶束和水凝胶聚合物结构。优选交联剂的反应方案在前面的章节中以p+MDI异氰酸酯官能团树脂聚合物为例进行了讨论。p-MDI与SPI反应的目的是增强SPI的疏水性，可能具有扩展的疏水链来定制最终乳液的粘度和纹理双疏水域图案。或者，交联剂的反应可以与自然界中的不可逆连接发生化学交联，或者与氢键发生可逆反应，这取决于混合组分的条件。此外，聚氨酯分散体可以掺入在其分子链中具有紫外光固化部分的涂料中。或者，也可以使用含有环氧树脂，胺，酰胺，羰基，醛，六胺和羟基，胺官能团的聚合物的化学品。交联剂对整个涂料配方的优选剂量水平应小于10.0％重量百分比。SPI或SPI+HPAM或SPI加甜米加上HPAM与异氰酸酯的共聚物的比例应在0.0000/100.00至40/60之间。

抗菌剂：由于大豆蛋白分离物(SPI)和甜米粉是生物衍生物，它们往往会在环境条件下自行分解。如果在储存或运输过程中将微生物和真菌用于水和水基配方中，它们可能会生长。因此，配方中需要抗菌剂，以防止生物材料免受细菌或微生物发酵。常见的防腐添加剂有戊二醛、甲醛、六胺、苄基氯化铵、甲基异噻唑啉酮、2-苯氧乙醇，硫酸铜，氧化铜粉，脂肪胺等。添加的抗微生物剂的剂量水平范围为1.0％或优选小于整个涂层总重量百分比的0.10％。抗菌材料与SPI或甜米或其组合的比例应在0.01/99.9999至5/95重量百分比的范围内。该抗微生物剂可以作为部分替代涂料中使用的生物衍生物按重量百分比添加。

水凝胶聚合物：在水泥浆和混凝土配方中，水凝胶聚合物用作多功能材料。它们是作为壳层的悬浮剂，用于在满足特殊条件之前将核心层球体封装在外层环境中。此外，它是减水剂，可以在其基质中保持水分所需的时间，并在施工作业期间增强水泥浆料的可加工性。它还可以作为强度增强剂，促进水泥混合料的早期强度和自生自愈，以增强混凝土的耐久性，降低维护成本。

如图1所示，乳液包衣颗粒100悬浮在水性溶剂中，更具体地说是水/矿物油混合物，在粉末或液体中加入壳层上的水凝胶聚合物被功能化为壳层放置在SPI或其改性材料的核球上，通过调节乳化剂可能将核层材料完整地封装在外壳层中，以产生稳定的动态壳/核结构。它用作润滑剂/爽滑剂。它还可以作为超级吸收剂，并且在其网络结构中可以容纳超过10倍重量百分比的水。加入水溶液中的水凝胶聚合物的剂量水平范围为0.00001％至2.000(％)重量百分比至包衣总重量百分比。这些涂料可以添加到每千加仑水中0.2至2.0加仑的涂料中。混合水溶液的水合粘度范围可以从3(cps)到5000(cps)，取决于剂量水平和期望的性能。

目前公开的制造技术的常见做法是使用水凝胶聚合物，例如聚乙二醇，聚丙烯酸酯和聚丙烯酰胺聚合物和/或其共聚物加入到水溶液中，其中涉及使用额外的表面活性剂。粉末聚合物通常用于这些应用，因为与溶液聚合物相比，该形式的聚合物浓度更高，运输成本更低。水凝胶聚合物在市场上有售。例如，有几种品牌的SNF产品，如FLOPAM DR 6000和DR7000，可以直接掺入水溶液中。这两种聚合物都是阴离子聚丙烯酰胺聚合物。或者，沈阳聚方科技有限公司生产的FTZ2620、FTZ610和LX641聚丙烯酸酯丙烯酰胺钠聚合物也是有用的聚合物，作为减摩剂聚合物和涂层成分的替代品。其他具有阳离子和非离子分子结构的聚丙烯酸酯和丙烯酰胺聚合物也是水凝胶聚合物的潜在候选者。水解聚丙烯酸酯丙烯酰胺钠的结构可以与具有超支化聚酯酰胺结构的树枝状共聚物成线性或支链，混合阳离子和阴离子聚合物也具有潜力，其他水溶性聚合物，如聚乙烯醇(PVOH)和聚乙二醇，也是作为HPAM替代聚合物的潜在候选者。这些水凝胶聚合物的剂量水平以水凝胶聚合物与涂层的托拉重量之比为范围为0.00001/99.99999至40/60重量百分比。

润滑剂：HPAM聚合物的合成过程参与倒置乳液。矿物油或饱和烃(煤油)通常用作制备HPAM减摩剂乳液的关键溶剂。结果，HPAM水凝胶聚合物在润滑剂中是可分散的。润滑剂或油由石油原油的衍生物组成，含有饱和烃基和烷基。或者，润滑剂也可以来自生物衍生物资源，如玉米、大豆、向日葵、亚麻籽油中含有长链烷基组分。所述润滑剂还可以是由活性酯或羟基官能烷基链或饱和烃与硅烷偶联剂或具有硅官能团的硅制成的合成油化学品。

润滑剂的广泛定义可以在URL链接中找到³。它被定义为一种物质，通常是有机的，引入以减少表面之间相互接触的摩擦，最终减少表面移动时产生的热量。润滑剂化学组合物中应用的剂量水平在1.0至90(％)的范围内添加。可以使用的典型矿物油是一种白色矿物油，标记为70Crystal Plus白色矿物油，由美国德克萨斯州STE石油公司制造。它是一系列石油原油衍生品。或者，大豆油和亚麻籽油或合成硅油也可以用作润滑剂。其它润滑剂的例子包括乙烯双硬脂酸，酰胺，氧硬脂酸，酰胺，硬脂酸，硬脂酸偶联剂，如氨基硅烷型，环氧硅烷型和乙烯基硅烷型以及钛酸酯类偶联剂。

水：水被认为是制备乳液的关键成分，作为介质和稀释剂，以水合并将涂层调节成适当的粘度和pH值。最终涂层的粘度可以在3至5000(cps)的范围内，优选5至100(cps)。pH值从6.0到9.0，优选在6.8到7.6左右。最终涂层产品的浓度可以在40.0(％)至0.0001

³https://en.wiki.pedia.org/wiki/lubricant.(％)的范围内，超过涂层总重量百分比，优选浓度小于15.0(％)，更优选小于10(％)，或5.0(％)。

本文公开的制备化学组分和溶液的程序与多功能涂层的配方有关，包括多层或混合壳体和核心结构，对水泥浆料和砂型涂层具有理想的协同效应。申请人认为，在特殊程序之后添加的组分形成混合和未定义的多层和微胶束结构，可以响应特殊产品的性能要求，提供特殊的多功能性能。涂层化学组合物可以描述为，当混合组分的温度低于混合组分的熔融温度时，可以通过加热溶解或分散在矿物油中，将相变材料，以及SPI颗粒，生物材料和/或颗粒材料，直径从0.00001(微米)到1000(微米)不等，通过加热溶解或分散在矿物油中，重新凝结并结晶回固体凸块和颗粒组件。

矿物油和烷基等非极性润滑剂溶剂是C8至C18范围内的饱和碳，和不饱和烃。此外，配方中还包括C12至C26范围内的饱和碳，主要是烷烃，环烷烃和各种芳香烃。它可以分为石蜡，环烷和芳香。混合化学品的优选加热温度可高达140°F，然后，可以将表面活性剂或乳化剂添加到混合溶液中，从而产生具有多层壳/芯结构的均匀乳液。

随后，将水凝胶聚合物和交联剂加入到溶液中。这里公开的胶束结构只是演示。实际的胶束结构可能是具有模糊中间层或接口的混合结构，而不是清晰的胶束和核心结构。作为胶束核心球体的SPI或蜡颗粒被封装在乳化剂分子中。乳化剂胶束与向水相延伸的水凝胶HPAM聚合物杂化。乳化剂分子在暂时分散水凝胶聚合物和溶液中的蜡或SPI或其他微纳米，纹理颗粒和纤维材料方面起着至关重要的作用。同时，它还允许蜡或其他纹理颗粒迁移并悬浮在涂膜层的顶部。因此，疏水涂层和凹凸点和结构域可以通过多孔相互渗透的网络产生。

混合5(分钟)后，混合组分可充入水等极性溶剂中。混合物料的Brookfield粘度可以在主轴转速为6，12，30，60(RPM)时测定。然后，将涂层材料密封在包装中以备后期使用。

制造的涂层既可以作为常规涂层直接喷涂在砂子或骨料表面上，以减轻沙尘的风险，也可以直接混合到水泥基质中作为糊状成分。用水稀释后也可加入水泥混合料中，在固井作业的共混中加入涂料作为水溶液化学外加剂。

混凝土混合：如图101中的图1所示，水泥，沙子，骨料(石头)和水混合形成混凝土。从细砂颗粒到小到大的石头，骨料尺寸范围允许更致密的填料和最小的空气滞留，从而获得更大的强度。水与水泥的比例W/C是混凝土中混合水的重量除以混凝土中水泥的重量。W/C的首选设计范围为0.20至0.72。它是混凝土制品浇注中应控制的最重要参数之一。更少的水使混凝土的可加工性降低，尽管它使混凝土具有更高的抗压强度。相比之下，更多的水使混凝土更弱。

为了解决平衡可加工性和混凝土复合性能的困境，化学外加剂自古以来就被认为是用于提高其性能的混凝土的重要组成部分。事实上，牛奶是罗马人使用的，欧洲中世纪的鸡蛋，糯米被确定为2000年前中国科学家发现的中国长城建造的秘密成分(Yang，etal.2010)。美国混凝土协会(ACI)将化学外加剂定义为“除水，骨料，水力水泥和纤维增强剂以外的材料，用作水泥基混合物的成分，以改变其新鲜混合，凝固或硬化的性能，并在搅拌之前或期间添加到批次中。显然，所公开的涂料符合上述规格和性能标准。

混凝土的机械性能和成分：根据英语词典，混凝土是水泥，沙子，砾石和水的混合物干燥时形成的坚硬，紧凑的建筑材料：用于建造桥梁，路面等。在环境温度下烧结的压实颗粒的性能可以用简单的混合定律来预测。美国混凝土协会(ACI)开发了一个方便的表格作为用户/工程师设计的参考指南，以选择其水泥产品的目标抗压强度，然后，什么样的混合比例(水泥，沙子，骨料和水)。此处根据ACI建筑规范举例说明了范例混合设计：第1章。也就是说，要求在28天内的最低抗压强度为f_c＝4000(PSI)。应用领域：地基，桥墩，地基墙；空气含量：6.0％+/-1.5％，目标水/水泥比例：0.40作为首选配方要求。

我们所有的混合配方都是基于上述建议的w/c比例；但是，它不限于上述情况。除了所披露产品的性能外，还考虑根据原材料性能，工程应用以及ASTM C标准和ACI规范特定要求进行调整。

波特兰水泥：在这些混凝土材料中，波特兰水泥被认为是一项重要的发明。它可以被认为是沙子和骨料的胶合剂。通过水化或/和火山灰反应，形成刚性和强离子键强度，具有出色的抗压强度。28天的固化时间表已被改编为全球标准，以确定水泥抗压强度(无限抗压强度)。在水泥固化后的14天内，水泥试块预计将达到其最大抗压强度的90％左右。ASTM1157标准定义了水泥的类型，ASTM C219也定义了什么是水力水泥，一种通过与水的化学相互作用而凝固和硬化的水泥，并且可以在水下做到这一点。它被归类为：

波特兰水泥：

a.I型：普通，通用

b.II型：中硫酸盐，低水合热

c.II型:(MH)：适度的水化热和适度的硫酸盐耐受性

d.III型-高早期强度

e.V-型–高耐硫酸盐性

混合液压水泥(ASTM C595)

a)ggbf/矿渣

b)飞灰(fly ash)

c)硅粉(fumed silica)

d)煅烧页岩(calcined shale)

e)其他波佐兰(Pozzolans)

f)石灰石(limestone)

ASTM C1157将高性能水泥定义为：

GU-一般用途

HE-高早期强度

MS-中度硫酸盐耐药性

HS-高耐硫酸盐性

MH-适度的水合作用热

LH-低水合作用热

ASTM C1157是一个基于性能的标准。如果产品可以达到这些性能，PLC的组件中可以含有任意数量的石灰石。ASTM C91定义了砌体水泥标准：它主要用于砌体和抹灰施工，由波特兰或混合液压水泥和塑化材料(如石灰石，水合物或水力石灰石)的混合物以及引入的其他材料组成，以增强一种或多种性能，例如凝结时间和可加工性。

ASTM C1329定义了砂浆水泥标准，它分为：N型，S型，M型。它就像使用的砖石水泥；但是，该规范包括柔性粘合强度要求。一般用途(I/II型)水泥是从当地建筑供应商分销商处购买的。它的密度为3.15(g/cm³)。此外，白色波特兰石灰水泥也用于制备混凝土砌块并评估其可能用作建筑石材和建筑墙护套的可能性。水泥材料的推荐剂量水平从水泥，细砂和骨料的体积分数的5.0(％)到90.0(％)不等。可以加入石灰(CaO)或氢氧化钙以加速水合反应作为部分替代水泥，优选的用量范围为总硅酸盐水泥重量百分比的0至20％。

骨料和砂料：大尺寸骨料优选具有高抗压强度。另一方面，小尺寸的沙子可以填料更致密，最终可以承受沉重的压缩负荷，并具有紧密的填料和低孔隙率。小型砂或骨料的抗剪切能力将得到提高。因此，需要进行实验室测试和现场测试，以确保制造的混凝土产品符合工程设计要求，但是，在本公开中，所有演示示例中应用的化学添加剂仅是说明。本公开中未规定具体的工程参数。所有测试样品均使用尺寸非常细且无灰尘的游乐场砂。就骨料而言，通用沙子是从按原样使用的家得宝(home depot)购买的。标称粗骨料尺寸范围为3/4“至1–1/2”。常规细砂加骨料的总量按体积分数从5(％)到95(％)不等。

水：就水而言，优选不含Ca²⁺和Mg²⁺离子的纯净水。水与水泥的比例从0.20到0.72不等，这取决于最终的混合物和所需的产品，然而，0.40是测试样品中最常用的标准W/C。首选W/C级别应为0.45或更低，更优选的应小于0.4、0.38、0.36、0.30。

胶凝材料：就胶凝材料而言，所称胶凝材料被定义为任何无机土工地材料，如特殊砂，二氧化硅钠，微二氧化硅，硅胶地聚合物，膨胀粘土，粉状高岭土粘土等，加水泥将促进火山灰反应。W/Cm比是混凝土中混合水的重量除以胶凝材料的重量，其中胶凝材料是水泥和火山灰的组合。化学添加剂与胶凝材料的共混比例范围小于30.0％，更可能，超过总胶凝材料的重量百分比小于5.0％。压裂砂或支撑剂材料也称为石英砂，含有高达99.80(％)的SiO₂是胶凝材料的极好候选材料，其粒径为0.038(mm)至2.0(mm)，定义为100目和40/70目，30/50，20/40，16/12，在公开中被选中以确定这些材料是否可以用作粉煤灰的直接替代品，微硅胶，二钛氧化，硅砂或其他土工聚合物材料。由于这些材料使用较少的能量进行开采，因此用压裂砂替换粉煤灰为减少全球CO₂排放提供了极好的选择。

可加工性：一旦样品与公开的化学添加剂混合，所有配方的适用期或工作窗口约为20至120(分钟)，在添加添加剂的保水力方面没有检测到任何问题。根据剩余的残留物，这些材料可在24小时内重复使用，并显著聚结并，相互烧结。

混合：沙子或骨料可以喷洒或与化学添加剂预混合，然后与水泥一起加入混合物中。或者，可以在与水和化学品混合之前对砂，水泥和骨料的所有成分进行预称重。其中，化学品总是与部分水预混合以进一步稀释化学品，然后再加入粉末混合物中，以达到增强的分布。大多数情况下，大约40％至50％的添加水用于与化学添加剂预混合，以使化学品与其他组分更好地分布。或者，化学添加剂首先与稀水部分混合，并首先装入混合器中。然后，将沙子和骨料顺序加入。加入水泥后，注册混合定时器。1-2(分钟)后，将剩余的水加入混合器中。混合过程中的高剪切力是优选的。似乎剪切良好的混合，和混合可以产生更好的抗压强度和柔性拉伸。混合时间约为3至5.0(分钟)。优选具有剪切和相对快速混合约1.0-2.0(分钟)左右。实现涂料与砂/骨料体系的兼容性。大多数时候，混合和混合操作可以在使用批量混合材料之前长达10(分钟)。

抑尘：在建筑领域，可吸入粉尘是一个很大的安全问题，特别是微晶二氧化硅的粉尘，因为它引发硅肺病的风险很高。所公开的化学组合物和技术方案很好地定位为通过喷涂或与所公开的化学品混合来抑制水泥，细砂和骨料的粉尘，其重量百分比为0.1-3.0％。基于总颗粒固体重量。

增强：使用长度为12(mm)且直径为0.40(mm)的短切玻璃纤维与石灰石波特兰水泥混合。化学添加剂似乎与玻璃纤维具有优异的混合能力。当然，可以添加其他增强元素并与化学添加剂混合，以达到理想的性能。在混凝土混合料中加入的增强纤维元素的掺量水平在小于5.0(％)的范围内，按体积分数计，到水泥基材料加固纤维增强的总值，更具体地说小于2.5(％)。

性能测试：水泥材料非常脆。与陶瓷一样，它需要按照公认的测试标准和协议对特殊应用进行特殊的资格测试。拉伸失效通常归因于临界拉伸裂纹的不稳定延伸(Li，2007)。在公开的测试中，对所有样品选择了ASTM C39标准，其中铸造了圆柱形样品，然后，按照标准测试协议确定无侧限抗压强度(UCS)。或者，ASTM C109可用于进行初步筛选测试。对于拉伸失效，遵循ASTM C496标准，确定透米拉试验方法在最大力作用下的裂解拉伸强度。其它性能参数如透水性，密度，孔隙率也为实施例中公开的制备样品确定。用于增强早期强度和促进混凝土耐久性自愈性的化学添加剂和配方的各种优点将在解释性示例1至24中进一步讨论。

解释性示例

实施例1.化学添加剂和溶液配方和组成：化学添加剂组合物溶液按照以下程序制备：预混合1.60(g)的FTZ620，水解聚丙烯酸酯丙烯酰胺钠聚合物粉末，与0.8(g)甜米，从可用的公开市场购买，然后，将27.26(g)的70T矿物油装入1000(mL)玻璃烧杯中并用磁力搅拌棒搅拌。3.21(g)蜡烛蜡加入烧杯中，将混合物搅拌并加热至140°F或更高。将蜡烛蜡在矿物油中完全溶解5(分钟)后，将4.18(g)的聚欧比坦60MS NF和0.25(g)的PEG100硬脂酸甘油酯装入混合物中再混合5(分钟)，然后，将预混合的FTZ620和甜米装入加热的烧杯中再充入加热的烧杯中2～5分钟。混合后的组分具有超过150°F的溶液温度，然后，充入220(g)纯化水，溶液温度下降，连续混合组分，直至溶液温度降至室温。将剩余的纯净水(122.80克)加入烧杯中。样品显示白色乳液的颜色。产品ID标记为3-100-1a，3-100b。使用相同的程序进行的第二批用于获得标记为4-178-1a的乳液。表2中列出了组件和过程。

将3-100-1a和3-100-1b组合在一起，用Brookfield粘度计(USS-DVT4数字旋转粘度计)在以下主轴杆NO 1上以6，12，30和60(RPM)的旋转速率测定混合溶液的粘度。下面实施例1制备的涂料的测定粘度列于表3中。

此外，上述溶液的测量pH值为6.90。溶液的颜色是白色的浑浊。溶液的固体含量为9.04(％)。然后，将样品储存起来供以后使用。

实施例2.向1000(mL)的烧杯中，先将38.96(g)的70T矿物油装入烧杯中，然后，将2.89(g)具有90％蛋白质含量的大豆蛋白分离物(SPI)装入烧杯中，加入3.85(g)油基聚合物p-MDI溶液(50％浓度)进行初步聚合反应，以修饰SPI表面。使用磁力搅拌棒将混合组分混合，同时，将混合组分加热至溶液温度达到140°F或更高。从公开市场购买的2.40(g)FTZ620，一种水解的聚丙烯酸酯聚丙烯酰胺钠粉末聚合物与1.20(g)甜米粉的混合物预混合，被装入烧杯中的加热混合物中。混合物温度连续升高至150°F左右。然后，将6.27(g)聚咲比坦60MS NF、PEG100硬脂酸甘油酯表面活性剂再充入混合组分至少5(分钟)。然后，将整个混合物组分缓慢冷却至室温。然后，向544.05(g)的纯化水中装入以稀释溶液至目标粘度。将获得的溶液标记为ID：PSMI_3-136的样品。化学添加剂的制备组分和程序的摘要列于表4中，测定的粘度列于表5。

实施例3(对照混凝土样品的制备):将732(克)由TXI制造的波特兰水泥(I/II GU型)称重，装在容器中，然后，首先将300(克)纯化水装入霍巴特搅拌机。从家得宝购买的984(克)细砂(最大长度<0.50毫米)和984(g)粗骨料砂(最大长度<8.0毫米)被添加到搅拌机中。将容器中称重的波特兰水泥转移到搅拌机中。首先将整个混合器组分缓慢搅拌，然后缓慢增加混合速率，最后以最大速度设定速率7，混合约3-5分钟。

混合组分的最终水/水泥比为0.410。形成的水泥浆屑是光滑的，并创造了一个可以成功建立水泥块的良好锥体。在45-75分钟内，将混合组分用不同尺寸的PVC管材制备，不同圆柱形尺寸为3“x6”，1“x2”，2“x4”，将混合组分浇注到混凝土试样中。将铸造的样品立即用铝箔密封超过24小时，然后放入水箱中7天，然后在空气中放置365天，然后，再置于水中100天，再次暴露在空气中38天，然后跟随ASTM C39和ASTM C 496的标准进行压缩试验测试。样本标签为4-168-1、4-168-2及4-179-2c-1。压应力与位移(4-179-2c-1)的函数关系图如图3所示。

表2用于改性水泥砂浆和混凝土骨料表面的化学添加剂

表3.实施例1制备的化学添加剂溶液的粘度测定

在制备的三个铸件样品中，测试的抗压强度样品的平均实际长度尺寸：直径3.06”，高度：5.17”，长度/直径比：1.90，实际断裂载荷：36610(磅)，极限压应力：500天后4995(PSI)，调整抗压度强4921(PSI)。测试样品的弹性模组为437579(PSI)，劈裂张力强度：1298(PSI)。测试样品的平均密度为2.276(g/cm³)。如果假设颗粒密度为2.65(g/cm³)，则测试样品的孔隙率为0.141。

实施例4：用化学添加剂制备混凝土圆柱形样品，实施例1掺入：将732(克)由TXI制造的波特兰水泥(I/II GU型)称重，放在容器中，然后将约220(g)的280.2(g)纯化水首先与21.98(g)化学溶液和/或来自示例1的添加剂混合，然后，用剩余的水冲洗装有示例1中的化学溶液的容器壁。最后，将所有21.98(g)化学溶液与水混合并装入霍巴特混合器中。从家得宝购买的984(克)细砂(最大长度<0.50毫米)和984(克)粗骨料砂(最大长度<10.0毫米)被添加到搅拌机中。将容器中称重的波特兰水泥转移到搅拌机中。然后，先将整个混合器各组分缓慢搅拌，然后，增加速度，最后以最大速度设定为7，混合约3-5(分钟)。化学溶液的测量pH值为7.5，溶液密度为0.99(g/cm³)。

混合组分的最终水/水泥比为0.410。形成的水泥浆坍落度很光滑，形成了一个良好的锥体。将混合的部件浇铸成由不同尺寸的PVC管制备的混凝土试样模具，这些PVC管具有不同圆柱形尺寸为3”x6”，1”x2”，2”x4”，作为铸造试样样品的成型框架。为了使坍落均匀地分布到试管中，使用斜坡骑对每个制备的样品的混合水泥组分致密化25次。然后，将铸造的样品立即用铝箔密封24小时，放入水箱中7天，然后在空气中放置365天，再在水中放置100天，再次暴露在空气中38天，然后按照ASTM C39和ASTM C 496的巴西分裂张力测试标准提交压缩测试。

在制备的两个铸件样品(4-179-2C-7，4-179-2C-10)中，平均两个制备的抗压强度样品的平均实际长度尺寸：直径3.08”，高度：5.99”，长度/直径比：1.99，实际断裂载荷：50705(磅)，限极应力：6924天后(PSI)，500调整张力：6895(PSI)。测试样品的弹性模组为437579(PSI)。测试样本的分裂抗拉强度为1338(PSI)。测试样品的平均密度为2.297(g/cm³)。如果假设颗粒密度为2.65(g/cm³)，则测试样品的孔隙率为0.1333。

实施例5：用实施例2掺入的化学添加剂制备的混凝土样品：将730(克)由TXI制造的波特兰水泥(I/II GU型)称重，放在容器中，然后将约220(g)的300(g)纯化水首先与21.98(g)化学溶液和/或来自示例2的添加剂混合，然后，使用剩余的水冲洗装有示例2中的化学溶液的容器壁。最后，将所有21.98(g)化学溶液与水混合并装入霍巴特混合器中。从家得宝购买的984(克)河细砂(最大长度<0.50毫米)和984(克)粗骨料砂(最大长度<10.0毫米)被添加到搅拌机中。将容器中称重的波特兰水泥转移到搅拌机中。然后，先将整个混合器各组分缓慢搅拌，然后，增加速度，最后以最大速度设定为7，混合约3-5(分钟)。

混合组分的最终水/水泥比为0.410。形成的水泥浆坍落度很光滑，形成了一个良好的锥体。将混合的部件浇注到不同尺寸的PVC管材中，这些PVC管具有不同圆柱形尺寸为3”x6”，1”x2”，2”x4”，用于铸造试样。为了使坍落均匀地分布到试管中，使用斜坡杆对每个制备的样品的混合水泥组分致密化至少25次。然后，将铸造的样品立即用铝箔密封超过24小时，然后放入水箱中7天，然后在空气中放置365天，然后，再在水中放置100天，再次暴露在空气中38天，然后按照ASTM C39和ASTM C496的巴西分裂张力测试标准提交测试压缩。

在平均4个制备的铸件样品(4-179-1c-1、4-179-1c-2、4-179-1c-4、4-168-3)中，测试的抗压强度样品的平均实际长度尺寸：直径3.07”，高度：5.81”，实际断裂载荷：56914(磅)，极限压应力：7738(PSI)和调整后的抗压强度7640(PSI)。测试样本的弹性模块为44525(PSI)。巴西分裂张力为1453(PSI)。测试样品的平均密度为2.280(g/cm³)。如果假设颗粒密度为2.65(g/cm³)，则测试样品的孔隙率为0.140。

表4用于改性水泥砂浆和混凝土骨料表面的化学添加剂

实施例6：测试样品的机械性能评估实施例3，4，5：在测试样品中，极限抗压强度(UCS)通过最大断裂力除以圆柱形样品的ASTM C39压缩试样的面积来计算。压应力作为对照混凝土圆柱形样品中(in/in)应变函数的曲线如图3所示。在初始线性部分持续高达1500(PSI)应力载荷后，曲线变得非线性，在1500(PSI)和4000(PSI)之间略大的应变，并且小的，记录的应力增加。非线性度被认为主要是粘贴-聚集体接口处微裂纹聚结的函数。极限应力达到6000(PSI)。测试结果符合预期的性能值。申请人认为，在6000(PSI)的应力下，混凝土形成了一个大的裂缝网络。4000(PSI)时应变为0.10(％)，6000(PSI)时为0.15(％)，符合常规混凝土产品性能的预期平均值。

在4000(PSI)时，混凝土中的第一个裂缝被初始化，而在6000(PSI)处，由于测试样品的显著失效，产生了扩展的裂缝网络。根据被测样本的特殊处理条件，测试样品中似乎存在一些自体恢复。由于所有样品均在水盘中放置7天，然后置于空气中365天。样本只在最佳波佐兰条件下完全固化了7天。因此，它有一个4000(PSI)的初步UCS。从4000(PSI)到6000(PSI)，达到的2000(PSI)强度可能来自样品在水盘中停留一年后在空中停留超过100天后自然水泥恢复的自生自愈后。

表5实施例2制备的化学添加剂和溶液的粘度测定

相反，压应力图作为示例4、6的应变函数，显示出与示例3控制的应力和应变曲线的明显差异。在实施例4和5中掺混了化学添加剂的混凝土显示出其对制品应变破坏的很大优势。没有一个样本在4000(PSI)左右失败。它在4000(PSI)的压力水平下具有完全的自愈性。来自示例5的测试样品将承受应力高达大于1.6(％)的应变(％)，比示例3中的对照样品的10倍。SPI样品中的断裂应变大于2.3(％)，是示例3中的对照样品的15.0倍。

高抗应变性符合粘弹性材料的特征特性。实际上，在示例5中开发的UCS可以作为高强度混凝土材料的构建块。对表6中列出的测试样品的单因子方差分析进行的进一步统计研究表明，在95％的置信区间内，与示例2配方相结合的示例5的样品在统计学上显著优于示例3的控制样品的极限抗压强度。相比之下，与对照样品相比，用示例1制备的配方的样品显示出一些增强，但没有统计学意义。

根据表1中列出的产品规格分类，利用示例1的配方交付的产品可用于住宅和商业市场，示例2在高强度建筑项目中。

表6.通过ASTM C39测量的圆柱形样品上测得的极限压应力(UCS)的单向方差分析

除了抗压强度外，弹性模量也是重要的参数，它定义了材料可以吸收的每单位体积的应变能量(即应变能密度)，而不会导致结构失效的永久变形。它可以表示为等式3：

弹性模(MOR)＝屈服应力平方/{2X杨氏模量}……(3)

韧性是另一种重要材料的特性；它被定义为材料吸收能量和塑性变形而不破裂的能力。也就是说，材料在破裂前每单位体积可以吸收的能量。这种韧性测量与稍后在应用中用于断裂韧性的测量不同，后者描述了有缺陷的材料的承载能力。它也被定义为材料在受力时对断裂的抵抗力。

表7列出了每个测试样品的弹性和韧性的计算模量，以及每个测试样品的相对比较。实施例4的圆柱形试样材料的屈服抗压强度提高了84％，回弹性模量比普通标准混凝土提高了42倍，韧性提高了9倍。更具体地说，例5中，抗压强度提高200(％)，MOR(弹性模量)提高52倍，相对韧性提高15倍。

表7.所选混凝土试样的测量性能特征

结果，添加的化学添加剂显著降低了规定混凝土材料的脆性，从而在样品4和5中材料被灾难性破坏之前，并增加了其弹性和塑化能力。申请人认为，正如所提出的自愈合机制中所公开的，大豆蛋白的粘弹性特性及其α螺旋卷曲和β片状的聚甘油素组分成功地与混凝土进行了脆性杂交。

实施例7：评估测试样品的抗断裂性：制备铸件尺寸为2”x4”的混凝土圆柱形样品。制备测试样品的程序如实施例4和5包括称量352(克)的波特兰水泥(I/II型GU)，细砂678(克)，骨料砾石1205(克)，自来水141(克)，22.0克化学添加剂从实施例1或2混合到一半的自来水。然后，将含有化学添加剂的水倒入搅拌机中，首先加入所有水泥，然后，加入细砂和砾石骨料混合2分钟，将所有剩余的水和化学添加剂或溶液加入混合机中，并用足够的剪切混合组分混合3-4分钟。然后，将混合的组件模塑成2”x4”PVC渠道。将所有样品密封在铝箔中，并在室温下风干24小时，然后放入水罐中，直到样品准备好进行测试。所有样本均浸入水罐超过365天。然后，将所有样品干燥至少一天，然后使用特殊的改良裂缝测试程序进行测试，以获得其临界应力强度因子(SIF)，作为确定样品自愈能力的替代方法。

如图5所示，通过在圆盘试样上携带截然相反的集中载荷，将预先确定的样品提交进行改良的巴西分裂张力测试。使用改进的巴西拉伸几何构型对断裂韧性(K_IC)和拉伸强度进行了评估。该测试包括使具有深度为a₀的凹槽的缺口样品沿着加载轴通过圆盘的一个面打开。临界断裂应力强度因子(SIF)可以使用基于参考的以下等式(4)计算(Singh和Pathan1988)：

其中K_IC是被测样品的临界强度因子(SIP)，F是放置在改良的巴西圆盘样品的一个扁平面上的力，a₀是z轴上的缺口深度，t是圆盘的厚度，D是圆盘的直径。

用实施例2和3的配方制备的试样的断裂临界应力强度因子(SIF)计算结果列于表8中。似乎K_IC是角度β的函数。在4-179-1T和2T的两个样品中，在β＝30(度)下，K_IC对于大豆蛋白分离物和甜米封装水凝胶乳液的最大值为5.967(MPam^1/2)，对于蜡和甜米封装的水凝胶乳液，K_IC的最大值为6.802(MPam^1/2)。由于样品的缺口尺寸，密度的变化，被测样品的断裂韧性显示出很大的变化。从统计学上讲，用表8中列出的示例1与示例2的配方制备的样品的断裂韧性差异很小。

除断裂韧性外，还通过使用等式5和被测样品的校正系数来确定被测样品的巴西抗拉强度(Yue等人，2006):

其中Y_c＝0.2621(t/D)+1，D是圆盘的直径，t是圆盘的厚度，P_max是放置在被测样品平面上的最大断裂力，σ_t是根据巴西试验方法计算的抗拉强度。

从示例5制备的样品的巴西抗拉强度(σ_t)的抗拉强度为9.891(Mpa)，在其配方中掺入大豆蛋白分离物和甜米(示例2)。相比之下，巴西的裂解抗拉强度(BSTS)示例1配方仅为5.275(Mpa)。因此，用实施例2制备的配方的BSTS比表9中列出的用实施例1制备的配方好187(％)。可能的解释是，SPI/SR配方中的非共价氢键主要考虑了示例5中性能的增强。

表8.根据改良巴西试验法确定临界应力强度系数(SIF-K_α)的改良直径抗压试验

表9.使用如图5所示的改良巴西测试参数测量的样品的巴西抗拉强度(σ_t)

实施例8：所选示例的透水性：渗透率是用于表征混凝土产品性能的重要参数(Yang，2019)。一般来说，高渗透性混凝土材料意味着混凝土具有高收缩性，抗压强度低，结构应用的使用寿命缩短。因此，对检验7中试验的样品也进行了吸水性和渗透性试验，其中2“x2”圆盘试样在所有表面上涂有蜡，只将底面浸入与水面深度接触1-2mm的水罐中。在0.5、5、10、20、40、60、120、......1000(分钟)的特殊时间间隔内取出样品，用精度为0.001(克)的天平测量，从而确定测试样品的吸水或渗水量。如图7所示，增水的三个阶段似乎不言而喻：1)遵循卢卡斯·沃什伯恩方程的扩散；2)随着水泥基体的膨胀而过渡；3)水泥的吸水率按照第一阶的吸水率线性进行。

在初始扩散过程中，采样时间的平方根应与每平方米吸收的水量成正比，可以表示为等式(6):

其中L是多孔微管结构中从水泥表面进入多孔体的水分子渗透距离，r是微毛细管的半径，μ是溶液的粘度，θ是固体水泥与微毛细管中液体的接触角，t是液态水渗透到水泥多孔介质中的时间，γ是液体的表面张力。

对于长期吸水率，拟合模型可以表示为L与采样时间成正比，如等式(7)：

l＝at+b (7)

由于液体质量可以表示为m＝Lsρ，因此可以从方程(8)和(9)中获得渗透率K，并将其简化为以下两个拟合模型方程：

P₂＝K₂t+B₂ (9)

其中，P₁是微毛细管压力驱动渗透率质量获得的渗透率，K₁是渗透率的拟合常数，B₁是与扩散相关的渗透率的截留，P₂是长期扩散速率，K₂是长期扩散常数，B₂是被测样品长期扩散的常数。

表10测量的水泥样品表面的吸水性和渗透性

在过渡阶段，水浸泡试验80(分钟)后水质量急剧增加。吸收质量增加的机制尚不清楚，可能是由于惯性和多孔结构影响，或者可能是由于水泥微毛细管在浸泡足够长后膨胀。因此，从75(分钟)到100(分钟)的数据被排除在建模方程之外。120(分钟)后，浸入水箱中的样品的品质增益遵循1级反应，而不是卢卡斯·沃什伯恩扩散过程。常见的共识是，在实施例8b中应该发生更多的自体自愈反应。来自实施例8b的化学添加剂与二氧化碳或钙离子的相互作用比来自实施例8a的强。

如图7所示，如果表10中列出的共关系(r²)作为确定样品是否遵循特殊芯吸过程的标准，则由示例2配方制成的核心和水凝胶聚合物作为壳的样品(实施例8a，8b和8c)似乎比实施例8d更接近Lucas-Washburn扩散，8e在渗透率测试的初始阶段。相比之下，由实施例8d，8e制成的样品在初始阶段具有疏水性，耐润湿水泥基体材料。它更紧密地遵循一阶反应模型。

实施例9：预裂样本自愈性评估：自愈合能力对于提高混凝土制品的耐久性至关重要。在例8、样品8a和8c的5个样本中，选择并在特殊校样载荷下进行预破解。破解后的样本被定义为样品9a和9b。检查8b，8d和8e的其他样品用巴西测试标准完全分解，并确定其最大拉伸强度。测试样品的BSTS结果列于表8中。在本公开中，通过测定两种样品的透水性和巴西分裂拉伸强度(BSTS)来评估这些预裂解样品的自愈合能力。

自愈能力由透水性决定：如图6所示，从样品9a和9b的浸没式水罐渗出的水线清楚地表明，沿着整个截面存在的显著裂纹在预开裂后垂直于扁平边缘截面的样品表面。如果两款样本均进行透水性测试，结果表明，预裂后的样品在其微毛细管中填充水分的速度要快得多。在10(分钟)内，扩散控制的芯吸过程主导该过程。卢卡斯·沃什伯恩方程可用于获得可渗透水量与时间的平方根的线性图。在120(分钟)内，将样品用水浸泡穿过其微观结构。

如图8所示，如果最初的芯吸过程被认为是控制自愈过程的关键透水性，那么与样品9b样品相比，用CO₂和阳离子(如钙)溶解的水将很容易穿透微毛细管。预开裂后两个样品的透水性测试结果列于表11中。

在透水性的初始阶段，预裂解样品的例子：

P(实施例9a)＝120.59K1+6.5。

P(实施例9b)＝152.74K1+65.7。

预裂纹(预裂％)可按下式(10)计算：

其中K1(之前)是预裂解前被测样品的透水率；K1(之后)是预裂化试验后被测样品的透水率。

d.K1(实施例8a)＝13.73(表10)；K1(实施例9a)＝120.59(见表11)

e..预破裂纹(％)(实施例9a)＝(120.59/13.73)＝8.78

f.K1(实施例8c)＝37.54(表10)；K1(实施例9b)＝152.73(见表11)

g.预破裂纹(％)(实施例9b)＝4.06

有趣的是，尽管样本9a的透水率比样本9b高出两倍，但它在整个总吸水率中仍然低于样本9b，因为：

K1(实施例9a的渗透性)＝120.59(克/米²分钟)，

K1(实施例9b的渗透性)＝152.73(克/米²分钟)。

上述结果清楚地表明，在开裂之前，涂有大豆蛋白的混凝土块比蜡质混凝土块更耐水，因为它的微观结构收紧，孔隙率更小。

表13列出了将两个试样放入水罐中在室温下自愈30天后的透水性试验结果。经过水浸泡处理后，两者都置于室外状态下超过15天，然后再次通过简单的重量法测量其透水性。申请人认为，样本的预破解标本9a和9b在水罐内进行了广泛的水合作用，以自我修复其裂缝。大豆蛋白和甜米和水凝胶聚合物在提高穿过水泥和沙子/骨料的受损相间区的恢复方面起着至关重要的作用。

表11.自修复前预裂试样的透水性测量值(2021年8月5日)

表12.测量的巴西拉伸强度(σt)，以实现部分失效的预裂纹，而不会使被测样品完全泄露

从数量上讲，表13中列出的计算渗透率参数K₁相当于样本9a的6.401(g/m²分钟)和5.529(g/m²分钟)for样本9b。由于K₁与多孔介质的孔隙率成正比(Yang，2019)，因此闭合通道可以被认为是测试样品的自愈效率百分比(SHE)，估计为：

SHE(实施例9a)＝(1-6.401/13.73)×100+100＝151.6(％)，用于大豆配方。

SHE(实施例9b)＝(1-5.529/37.54)×100+100＝185.3(％)，用于基于蜡/糯米的配方。

基于上述分析，不言而喻，裂解的样品放入水罐一个月后，实施例9a和9b的样品都密封，孔隙率较小，微观结构更紧。

图9显示了测试标本(实施例9a和实施例9b)的成像照片，两者都浸泡在水罐中一个多小时以后进行透水性研究。在水罐中水自愈之前，两个试样表面沿着裂纹线的浮图6所示的预裂解相同试样要小得多，强度也低得多。显然，被水泥和沙子/骨料上的自启动键合界面，能有效地阻挡水通过开放的，微裂纹通道穿透自身的入口和途径。

总之，如果将透水率用作评估工具，SPI/SR/PU配方(示例2)和蜡/SR/PU配方(示例1)9a和9b样品中预裂开的裂纹完全闭合，并拧紧了被测样品的微观结构，都为裂解样品提供了超过150(％)的自愈能力。

由巴西劈裂拉伸强度(BSTS)确定的自愈能力：就自愈的机械性能而言，表14总结了将裂解样品放入水罐中一个月(30天)内回收后的平均抗拉强度。测试结果具有以下巴西分裂拉伸强度(BSTS)：BSTS(实施例9a)＝8.75(MPa)和BSTS(实施例9b)＝6.01(Mpa)。

虽然不完全了解，但据信，配方中的大豆蛋白和甜米成分及其与其他化学添加剂的相互作用是提高最终混凝土产品性能的关键因素。基于巴西劈裂拉伸强度(BSTS)的自愈效率(SHE)(δ)可以定义如下式(11)所示：

其中δ_m是每个机械性能的自愈效率(SHE)；愈合后的σ是被测样品在水箱中愈合28天后的拉伸强度；σ(virgin)是被测样品在被(Virgin)样品开裂前的拉伸强度。

如果将表9中列出的BSTS数据用作9a和9b的原始拉伸强度，则可以使用等式(11)计算两个样品的自愈效率，如：

δ_m(实施例9a)＝8.75(MPa)/9.891(MPa)＝88.5(％)

δ_m(实施例9b)＝6.01(MPa)/5.275(MPa)＝114.0(％)

表14列出了实施例9a和9b的SHE汇总。

实施例10：固态表面涂层薄膜的纳米水质/纹理和/或双疏水点域的特征：将实施例1中选择的涂层的液滴剂量水平铺展在具有薄层涂层的玻璃板上。在78°F的室温下干燥超过一周左右后，通过液滴法表征薄膜涂层，其中首先将纯化的瓶水泵入微型注射器中，然后用微量天平测量水微滴的质量(0.001克)。液滴的质量在测试中用作可控变数。如果假设水滴是完美的球形，则可以计算水滴的大小。此外，液滴(θ)与固体表面接口的静态接触是通过用iPhone图像拍摄实时照片来确定的。然后，通过分析图像的液滴形状来确定液滴的接触角。此外，一旦液滴被放置在涂层表面上，它就会以(α)的角度倾斜，该角度可以通过与玻璃平板运动同步的角度计进行记录。倾斜角也称为固定角，它是粘附在玻璃板表面或从玻璃板表面滚出的液滴破碎过渡角。

表13.样品自溶一个月后的透水性

表14在水盘中自愈一个月后测得的分裂拉伸强度(BSTS)极限抗压强度

测量的静态接触角和倾斜角均列于表15中。静态角度和倾斜角度作为液滴质量的函数图如图10所示。在测量的20个接触角中，涂层的平均静态接触角为51(度)。静态接触角的标准偏差约为6(度)。静电接触的变化与基于图10所示的水微滴的大小无关。根据目前的工业定义，该涂层是亲水性的或疏水性的，介于两者之间作为中间体。然而，由于倾斜角被绘制为水微滴质量的函数，因此它是水微滴品质和尺度在维度上的函数。

由于水滴小于30(mg)，的球形半径尺寸约1.0(mm)，倾斜的接触角显著增加而不会破裂或固定在小于0.5(微米)的水滴半径处。涂层具有超疏水性，接触角大于130(度)。暴露在空气中的比表面积显著增加。涂层倾向于向水滴提供更多的疏水纹理多孔表面，从而导致超疏水性。但是，它不允许微滴从涂层表面脱落。这与荷叶型润湿现象的机制有根本的不同。在这种情况下，涂层表面是超疏水性的，因为接触角大于90(度)。说130(度)。

叶片表面微滴的驱动因素是叶片微观结构中的低表面能气泡。因此，微滴会立即从荷叶的涂层固体表面滚落。然而，在所公开的涂层中，由于水微滴的尺寸小于0.50(微米)，微滴的倾斜角度为180或更大，水微滴不会从玻璃板上滚落下来。相比之下，它将自己悬浮在叶片或玻璃板上，因为半径内水滴的大小小于1.0(mm)。涂层以优异的亲水性方式在叶子上吸收，尽管它具有超过180(度)的倾斜接触角。

另一方面，随着微滴尺寸增加超过30(mg)，颗粒尺寸半径超过1.00(mm)，它具有45-50(度)左右的断裂和固定接触角。它的性能就像常规的静态接触角和从玻璃板上滚下来一样。涂层不会容纳过多的水。涂层具有滑爽性优越性。根据当前的润湿性定义，它以优异的疏水方式表现；然而，它本质上是亲水性的。

在结构上，在微/纳米尺度上，与荷叶不同，该涂层在其多孔网络下使用构思的水或非极性溶剂作为亲密接触接口。水和非极性溶剂沉降在纳米/纹理口袋或山谷中，而不是在荷叶中捕获气泡。大豆蛋白或改性大豆蛋白和蜡作为疏水结构域，具有纳米纹理脊和用于涂层的多孔框架。SPI和甜米官能团的重新定位或转换可能会使涂层从疏水性转变为亲水性，而不是亲水性，以响应环境条件改变。

因此，根据微滴的大小和尺寸，SPI和甜米组分作为疏水性双点域材料，以响应其润湿对环境条件的适应性。如图2(g)所示，砂/骨料和水泥基体的间相带周围的微空隙可以潜在地减少施加在混凝土上的冲击力，从而实现即时高的早期抗压强度。涂层可以定义为其静态接触角大于30(度)和小于90(度)且倾斜角大于20(度)的涂层表面。优选的倾斜角度大于45(度)作为滑溜涂层和水微滴的大小为半径从0.1(mm)至5.00(mm)。

为了评价化学添加剂对混凝土性能的提高，采用普通水泥，细砂，骨料，化学添加剂，按目标水泥配比与水混合，分别在1，3，7，14，28d，2个月和3个月等不同固化时间下制备了一系列实验拌合料和混凝土砌块。还探讨了不同的水泥和用硅石英替换粉煤灰，或水力压裂作业中使用的压裂砂。这些水泥组合的益处在实施例11至18中简要解释。

实施例11：以公开的化学添加剂为关键成分的杂项水泥混凝土产品：将TXI制造的730(克)硅酸盐水泥(I/II GU型)称重，放在容器中，然后将约300(克)纯净水首先装入霍巴特搅拌机。随后，从家得宝(Home Depot)购买的984(克)细砂(最大长度<0.50毫米)和984(g)粗骨料(最大长度<10.0毫米)被添加到搅拌机中。将容器中称重的波特兰水泥转移到搅拌机中。首先将整个混合器组分缓慢搅拌，然后，加速混合，最后以最大速度设定为7，混合约3-5(分钟)。

混合组分的最终水/水泥比为0.41。形成的水泥浆坍落度很光滑，形成了一个良好的锥体。将混合的部件浇铸成由不同尺寸的PVC管制备的混凝土试样模具，这些PVC管具有不同的圆柱形尺寸为1”x2”，1.5”x3”，作为浇注样品的框架。制备的样品总数为32个。为了使坍落均匀地分布到试管中，使用斜坡骑对每个制备的样品的混合水泥组分致密化25次。然后，立即用铝箔密封24小时，然后，在水中放置1天，7天，14天和28天，然后，提交测试。

表15.从平板玻璃板上的涂膜测量静态接触角(θ)和动态倾斜接触角(ɑ)

使用微型英斯特朗实验室试验机以35(PSI)/秒的固定位移速率确定被测样品的总力。无限极限抗压强度(UCS)是根据等式12计算得出的：

其中F_t是放置在被测圆柱形样品顶面上的总力；A为横截面的表面积；σ圆柱形样品破碎时的极限抗压强度(UCS)。

测试样本的记事本ID为90A-1。所有测试样本的直径均为1”，长度约为2”。来自三个单独测试样品的极限抗压强度(UCS)平均值报告如下：1天时为1904(PSI)，7天时为4572(PSI)；3358(PSI)@14天；4823(PSI)@28天。

此外，样品的拉伸强度也是通过打破至少三个具有巴西拉伸试验方案的单个样品来确定的，并按照公式3计算，仅使用巴西圆盘而没有缺口槽几何形状。测试结果的平均值列于此处：344(PSI)@1天；726(PSI)@7天，936(PSI)@14天，1084(PSI)@28天.

实施例12.730(克)的硅酸盐水泥(I/II GU型)，由TXI制造，称重，装在容器中，然后将21.98(g)的3-100-1化学添加剂与150(g)水混合，然后，加入约150(g)的纯化水装入霍巴特混合机中。从家得宝购买的984(克)细砂(最大长度<0.50毫米)和984(克)粗骨料砂(最大长度<10.0毫米)随后被添加到混合器中。将容器中称重的波特兰水泥转移到搅拌机中。然后，先将整个混合器各组分缓慢搅拌，然后，加速，最后以最大速度设定为7，混合约3-5(分钟)。

混合组分的最终水/水泥比为0.41。形成的水泥浆坍落度很光滑，形成了一个良好的锥体。将混合元件浇铸成由不同尺寸的PVC管制备的混凝土试样模具，这些PVC管具有不同的圆柱形尺寸为1”x2”，1.5”x3”，作为浇注试样，样品的成型框架。制备的样品总数为32个。为了使坍落均匀地分布到试管中，使用斜坡骑对每个制备的样品的混合水泥组分致密化25次。然后，将铸造的样品立即用铝箔密封24小时，然后，放入水箱中7天，然后在水中放置1天，7天，14天和28天，然后，提交测试。

极限抗压强度的实测平均值为4198(PSI)@1天；4687(PSI)@7天；3632(PSI)@14天；3754(PSI)@48天。测得的巴西劈裂抗拉强度为999(PSI)@1天；909(PSI)@7天；962(PSI)@14天；和668(PSI)@28天，437(PSI)@70天。样品的密度为2.414(g/cm³)，孔隙率为0.089。

实施例13：称取由TXI制造的730(克)波特兰水泥(I/II GU型)，装在容器中，然后，首先将约300(克)纯化水装入霍巴特混合器中。从家得宝购买的984(克)细砂(最大长度<0.50毫米)和984(克)粗骨料砂(最大长度<10.0毫米)随后被添加到混合器中。将容器中称重的波特兰水泥转移到搅拌机中。然后，先将整个混合器各组分缓慢搅拌，然后，加速，最后以最大速度设定为7，混合约3-5(分钟)。

混合组分的最终水/水泥比为0.41。形成的水泥浆坍落度很光滑，形成了一个良好的锥体。将混合的部件浇注到不同尺寸的PVC管材中，这些PVC管材具有不同圆柱形尺寸为1”x2”，1.5”x3”。制备的样品总数为32个。为了使坍落均匀地分布到试管中，使用斜坡骑对每个制备的样品的混合水泥组分致密化25次。将铸造的样品立即用铝箔密封超过24小时，在水中放置3天，38天，45天，52天，提交测试。

极限抗压强度的测量平均值为3279(PSI)@3天；3851(PSI)@38天；3088(PSI)@45天；5055(PSI)@52天。测得的巴西劈裂抗拉强度为971(PSI)@3天；1439(PSI)@38天；900(PSI)@45天；和1000@52天。样品的密度为2.356(g/cm³)，孔隙率为0.111。

实施例14：将730(克)的波特兰水泥(I/II GU型)由TXI制造，称重，装在容器中，然后，将约150(g)的280(克)纯化水首先与实施例1中的21.98(g)化学溶液和/或添加剂混合，然后，使用剩余的水冲洗装有实施例1中的溶液化学的容器壁。最后，所有21.98(g)化学溶液将与水混合并装入霍巴特混合器中。从家得宝(Home Depot)购买的519.3(克)细砂(最大长度<0.50毫米)和563.9(g)粗骨料砂(最大长度<10.0毫米)被添加到混合机中，然后，从High Roller Corporate的工厂捐赠的276.7(g)标准压裂砂和608.1(克)的100mesh压裂砂，被添加到混合器中。将容器中称重的波特兰水泥转移到搅拌机中。然后，先将整个混合器各组分缓慢搅拌，然后，加速，最后以最大速度设定为7，混合约3-5(分钟)。

混合组分的最终水/水泥比为0.41。形成的水泥浆坍落度很光滑，形成了一个良好的锥体。将混合的部件浇注到由不同尺寸PVC管制备的混凝土试样模具中，这些PVC管具有不同圆柱形尺寸为1”x2”，1.5”x3”。制备的样品总数为32个。为了使坍落均匀地分布到试管中，使用斜坡骑对每个制备的样品的混合水泥组分致密化25次。将铸造的样品立即用铝箔密封24小时，然后放入水箱中7天，然后在水中放置1天，7天，14天和28天，然后提交测试。

3个测试样品的极限抗压强度平均值为3962(PSI)@3天；4091(PSI)@35天；4098(PSI)@45天；4325(PSI)@52天。测试的三个样品的平均巴西抗拉强度为714(PSI)@3天；1100(PSI)@38天；1204(PSI)@45天；和708(PSI)@52天。样品的平均密度为2.273(g/cm³)。被测样品的孔隙率为0.142。

实施例15：将453(克)的波特兰石灰石水泥(I型))称重，装在容器中，然后，将10(克)白石灰(CaO)，然后，将约100(g)的153(g)纯化水首先与37.0(g)化学溶液和/或添加剂混合，然后，用剩余的水冲洗装有实施例1中化学溶液的容器壁。最后，所有37.0(g)化学溶液将与水混合并装入霍巴特混合器中。将609(克)40/70的压裂砂，617(g)100目压裂砂和200目来自Covia公司捐赠的超细砂加入混合机中，加入到混合机中。将容器中称重的波特兰水泥转移到搅拌机中。然后，先将整个混合器各组分缓慢搅拌，然后，加速，最后以最大速度设定为7，混合约3-5(分钟)。

混合组分的最终水/水泥比为0.41。形成的水泥浆坍落度很光滑，形成了一个良好的锥体。将混合的部件浇注到由不同尺寸PVC管制备的混凝土试样模具中，这些PVC管具有不同圆柱形尺寸为1”x2”，1.5”x3”。制备的样品总数为24个。为了使坍落均匀地分布到试管中，使用斜坡骑对每个制备的样品的混合水泥组分致密化25次。然后，将铸造的样品立即用铝箔密封24小时，然后放入水箱中7天，然后在水中放置1天，7天，14天和28天，然后提交测试。

3个测试样品的极限抗压强度平均值为2447(PSI)@1天；4498(PSI)@7天；2977(PSI)@14天；3050(PSI)@28天。测试样品的平均巴西抗拉强度为919(PSI)@1天；1000(PSI)@7天；2050(PSI)@14天；2405(PSI)@28天。样品的密度为2.172(g/cm³)。孔隙率为0.180。

实施例16：将731(克)由TXI制造的波特兰水泥(I/II GU型)称重，装在容器中，然后用Chemstar制造的38(克)石灰(CaO)进行称重。首先将192(克)纯化水中的约150(g)与示例1中的9.42(g)化学溶液和/或添加剂混合，然后，使用剩余的水冲洗装有示例1中的化学溶液的容器壁。最后，所有9.42(g)化学溶液将与水混合并装入霍巴特混合器中。然后将Covia公司捐赠的527(g)40/70标准压裂砂和269(克)100目压裂砂和192(g)200目石英砂加入混合机中。最后，将40(克)具有切割长度<12(mm)和直径为20(微米)的短切玻璃纤维加入到混合的混合组分中，以制成最终的混合组分。然后，先将整个混合器各组分缓慢搅拌，然后，加速，最后以最大速度设定为7，混合约3-5(分钟)。

混合组分的最终水/水泥比为0.26。将混合的部件浇注到由不同尺寸PVC管制备的混凝土试样模具中，这些PVC管具有不同圆柱形尺寸为1”x2”，1.5”x3”。制备的样品总数为32个。为了使坍落均匀地分布到试管中，使用斜坡骑对每个制备的样品的混合水泥组分致密化25次。然后，将铸造的样品立即用铝箔密封24小时，然后放入水箱中7天，然后在水中放置1天，7天，14天和28天，然后提交测试。

三个单独测试样品在不同固化时间下的极限抗压强度为2258(PSI)@1天；3179(PSI)@7天；3168(PSI)@14天；3900(PSI)@28天。测试样品的平均巴西拉伸强度为1565(PSI)@1天；2492(PSI)@7天；2504(PSI)@14天；2208(PSI)@28天。样品的孔隙率为0.177。样品的密度为2.18(g/cm³)。

实施例17：将432(克)由TXI制造的硅酸盐水泥(I GU型)称重，装在容器中，然后，93(克)石灰(CaO)，由Chemstar制造。首先将278(克)纯化水中的约150(g)与实施例1中的37(g)化学溶液和/或添加剂混合，然后，使用剩余的水冲洗装有示例1中的化学溶液的容器壁。最后，将所有37(g)化学溶液与水混合并装入霍巴特混合器中。然后将Covia公司捐赠的581(g)40/70标准压裂砂和589(克)100目压裂砂和593(g)200mesh石英砂加入混合机中。最后，先将整个混合器组分缓慢搅拌，然后，加速，最后以最大速度设定为7，混合约3-5(分钟)。

混合组分的最终水/水泥比为0.59。将混合的部件浇注到由不同尺寸PVC管制备的混凝土试样模具中，这些PVC管具有不同圆柱形尺寸为1”x2”，1.5”x3”。制备的样品总数为32个。为了使坍落均匀地分布到试管中，使用斜坡骑对每个制备的样品的混合水泥组分致密化25次。然后，将铸造的样品立即用铝箔密封24小时，然后放入水箱中7天，然后在水中放置1天，7天，14天和28天，然后提交测试。

对于不同的固化时间，三个单独测试样品的极限抗压强度的平均值为1310(PSI)@1天；1809(PSI)@7天；2151(PSI)@14天；1827(PSI)@28天。测试样品的平均巴西拉伸强度为427(PSI)@1天；1695(PSI)@7天；1500(PSI)@14天；2165(PSI)@28天。样品的孔隙率为0.185。样品的密度为2.161(g/cm³)。

实施例18：由以下组分制备砂浆配方：将1880.8(克)由TXI制造的波特兰水泥(I/II GU型)称重，装在容器中，然后，将约50(g)的112(克)纯化水首先与实施例1中的3.1(克)化学溶液和/或添加剂混合，然后，使用剩余的水冲洗装有实施例1中的化学溶液的容器壁。最后，将所有3.1(g)化学溶液+其余的纯化水混合并装入霍巴特混合器中。然后，将Covia公司捐赠的200目石英砂中的282.1(g)添加到混合器中。最后，先将整个混合器各组分缓慢搅拌，然后，加速，最后以最大速度设定为7，混合约3-5(分钟)后转移，制成试样。

混合组分的最终水/水泥比为0.61。将混合的部件浇注到由不同尺寸PVC管制备的混凝土试样模具中，这些PVC管具有不同圆柱形尺寸为1”x2”，1.5”x3”。制备的样品总数为32个。为了使坍落均匀地分布到试管中，使用斜坡骑对每个制备的样品的混合水泥组分致密化25次。然后，将铸造的样品立即用铝箔密封24小时，然后放入水箱中7天，然后在水中放置1天，7天，14天和28天，然后提交测试。

测试样品的极限抗压强度(UCS)的平均值为499(PSI)@1天；1612(PSI)@7天；1927(PSI)@14天；4246(PSI)@28天。来自三个单独测试样品的巴西抗拉强度平均值为367(PSI)@1天，1443(PSI)@7天，1705(PSI)@14天，2208(PSI)@28天。

表16中列出的这些测试结果的概述表明，根据ACI建筑规范表1，所有测试样品的极限抗压强度(UCS)高于压缩测试中所需的最低1750(PSI)，并且高于ACI标准规定的分裂拉伸强度要求的600(PSI)。源自示例17的UCS是由于高W/C＝0.59并在波特兰石灰水泥中添加了过量的4.0％石灰而获得的最低水平。它的UCS值仍相当于1827(PSI)@28天。示例17样品的巴西劈裂拉伸为1215(PSI)@28天。它是每个砂浆或砌体规格所需的600(PSI)@28天的两倍。表16中列出的最高平均极限抗压强度(UCS)是7738(PSI)@500(天)，从示例5和巴西平均拉伸强度1458(PSI)开始一年半后。以实施例2配方制备了以0.097(％)活性成分为混凝土材料(水泥+砂+骨料)总固体含量的特殊化学添加剂。采用来自北白砂的100目、40/70和30/50压裂砂制备产品样品，因为壁护套在28天时也显示出2050(PSI)的优异UCS，在28天时的分裂拉伸强度为2475(PSI)。

在实施例16中，在波特兰石灰水泥/北白压裂砂混合物中添加了约2.0％的短切玻璃纤维，以证明用于建筑类型建筑和施工的化学添加剂的潜力。在所选择的实例18中，探讨了以硅砂作为波特兰水泥中Pozzolan反应性组分和化学添加剂作为增强其可加工性的特种剂的砂浆和砌体类型的应用。在示例18中，UCS@28天达到4000天以上(PSI)，满足结构混凝土要求大于2500最小值(PSI)。此外，巴西的劈裂抗拉强度为2208(PSI)，远高于所需的600(PSI)。

表16.掺入仿生化学添加剂/溶液的混凝土测试样本性能汇总

在比较实施例15与16的机械性能时，在实施例15中加入10(克)的石灰，在实施例16中加入92(克)。似乎添加过量的石灰会增加示例16的28天的UCS，此外，UCS@7天，但是，在示例16中，它将在1天内创建略低于示例15的UCS。另一方面，实施例16中28天的巴西劈裂拉伸强度(the Brazilian splitting tensile strength)低于实施例15。

如图11所示，根据实施例3、4、11、12、13中的测试数据对被测样品的机械性能的概述表明，与化学添加剂混合的样品(实施例4，12，13)比对照样品(实施例3和11)具有许多优势。实施例12和13的样品在第一天的UCS和巴西劈裂抗拉强度值均高于普通混凝土对照样品(实施例11)。将普通波特兰水泥与实施例1中的化学添加剂混合后，其UCS可从2000(PSI)倍增至约4000(PSI)，BSTS可从500(PSI)倍增至1000(PSI)。对于波特兰石灰水泥与北方白砂的混合，UCS在24小时的早期大于2500(PSI)。相比之下，对于常规水泥混合物(样品11)，UCS(图11中带有断点线的填充菱形)在7天进行测试之前不会达到与考试12相同的水平。如实施例3所示，在环境中放置500天后，样品在14天后会失去一些强度，28天后强度趋于平稳，UCS为5000(PSI)，此后强度没有任何变化。

虽然UCS起源于实施例12，但28天低于实施例11的ctrl样本，实施例12的UCS不断增加，直到达到7700(PSI)左右。如前所述，实施例12UCS与混凝土常规自生自愈合中的实施例3不同，因为实施例4中的应变破坏百分比是实施例3中的10倍，这归因于示实施例4样品中增强的粘弹性或粘性可塑性。

从根本上说，申请人认为，大豆蛋白和蜡质材料的自活化非共价和疏水分散键主要占所公开混凝土产品长期性能增强的原因。申请人还认为，水和非极性溶剂可能作为刺激剂和传感剂，响应环境湿度和温度循环，使聚合物的迁移率进行自我调节，以减轻内部和外部收缩的风险。潜在地，大豆蛋白分子作为连接结，并作为水凝胶聚合物中交联网络的中心点作为水分储库，这可以防止混凝土结构免于开裂和灾难性破坏。直观地说，对水泥与其他组分的放热水合反应的研究将使我们更深入地了解活化能如何与混合组分的行为相关，详情如下。

实施例19：使用保温咖啡杯进行水工水泥混凝土养护的热量计测试：向霍巴特搅拌机(5点)装入549(克)硅酸盐水泥(I/II型GU)，然后，将738(克)通用砂(骨料)加入搅拌机，738(克)细砂。将16.5(克)用实施例1制备的化学添加剂配制成塑料杯中称量。然后，将100(g)纯净水加入到含有化学添加剂的塑料杯中。将稀释的化学添加剂随后与混合的固体颗粒混合3分钟，再向混合器中装入120(g)，再混合2分钟。然后，使用混合组分制备测试样品。将约392.0(克)水泥混合物包装并密封在咖啡杯中。通过在密封的咖啡杯中插入温度计来测量混合水泥的温度。除了内部混合水泥温度外，咖啡杯的环境温度也用单独的温度计监测，作为采样时间的函数。

实施例20：向霍巴特搅拌机(5点)中装入549(克)的硅酸盐水泥(I/II型GU)，然后，将738(克)的通用砂(骨料)加入到搅拌机中，738(克)细砂也加入到搅拌机中。将16.5(克)用实施例2制备的化学添加剂配制成塑料杯中称量。然后，在含有化学添加剂的塑料中加入100(克)纯净水。将稀释的化学添加剂与混合的固体颗粒共混3分钟，再向混合器中装入120(克)，随后再混合2分钟。然后，使用混合组分制备测试样品。将约274.5(克)水泥混合物包装并密封在咖啡杯中。通过在密封的咖啡杯中插入温度计来测量混合水泥的温度。除了内部混合水泥温度外，咖啡杯的环境温度也用单独的温度计监测，作为采样时间的函数。

实施例21：向霍巴特搅拌机(5点)中装入549(克)的硅酸盐水泥(I/II型GU)，然后，将738(克)的通用砂(骨料)加入到搅拌机中，然后，将738(克)细砂加入到搅拌机中，随后，将100(克)纯净水加入到含有化学添加剂的塑料杯中，将所有混合的固体颗粒混合至少3分钟，再充入120(克)纯化后放入混合器中，最后再混合2分钟。然后，使用混合组分制备测试样品。将约225.4(克)水泥混合物包装并密封在咖啡杯中。通过在密封的咖啡杯中插入温度计来测量混合水泥的温度。除了内部混合水泥温度外，咖啡杯的环境温度也作为采样时间的函数进行监测。

实施例22：向霍巴特混合机(5点)中装入549(克)预混合的石灰硅酸盐水泥，按照商业说明，然后，将738(克)万能砂(骨料)加入到混合器中，将738(克)细砂也加入到混合器中，随后，向含有化学添加剂的塑料杯中加入100(克)纯净水，将所有混合的固体颗粒混合至少3分钟，再充入120(克)纯化后放入混合器中，最后再混合2分钟。然后，使用混合组分制备测试样品。将约225.4(克)水泥混合物包装并密封在咖啡杯中。通过在密封的咖啡杯中插入温度计来测量混合水泥的温度。除了内部混合水泥温度外，咖啡杯的环境温度也作为采样时间的函数进行监测。

实施例23：确定水力-水泥混合物的热力学反应：由于水泥组分与化学添加剂和水的反应是放热的，因此通常可以在绝热条件下进行。因此，可以通过测量混合组分上的温度变化来监测产生的热能。假设水泥混合物的质量为m，杯壁具有完全真空的双层薄层，由水泥组分的反应驱动的内能可以通过公式13计算如下：⁴

ΔE_i＝∫₀ ^tα_nnRT(0){T(t)-T(0)}dt (13)

其中ΔE_i是混合水泥组分在咖啡杯中与化学添加剂混合前后的内能的微分，α_n是自由度数除以2，n是摩尔数，R是通用气体常数(8.315J/mol)，T(0)是凯文的环境温度，T(t)是混合水泥组分的温度，通过样品时间t插入咖啡杯中的热耦合探头测量。

绝热量热仪测试中混凝土的固化温度可以说是对水化速率影响最大的一个变量。在图12中绘制的作为采样时间函数的实施例19、20、21、22中测量的热探针温度显示出非常有趣的水合反应。首先，在45(分钟)左右，在示例22中存在最大放热反应峰。在商业产品的快速凝固水泥中，Ca(OH)₂或/和CaO是用于加速水泥固化的催化剂。显然，这种混合物中的水泥成分在1小时内固化。与水混合后，实施例22样品的固化温度急剧升高，

⁴https://en.wikipedia.org/wiki/Adiabatic_process

直到47(min.)内达到其最高温度95°F。很明显，该测试组CaO与水发生碳酸化反应，并在形成的基质中产生CaCO₃离子键。一般来说，快速固化的样品将具有更好的早期抗压强度，但是，它的耐久性较差。

其次，在前4小时内，在实施例20的测试样品中发生高级放热固化反应，直到它在固化时间t＝4.7小时时达到88°F的第一最高峰值温度。然后，固化速率在5小时的采样时间附近短时间内趋于平缓。固化反应速率不断提高，直到在6(h)左右达到固化温度95°F的第2个最大放热峰，然后才减慢。然后，水化过程遵循与示例21中的原始水泥混合物类似的趋势。与骨折恢复中的炎症一样，人们发现热转变可能归因于大豆蛋白的α螺旋线圈和β片过渡，其促进蛋白质与非共价水凝胶键的排列。当大豆蛋白(例20)肿胀以促进其自身与水泥基质元素的亲密接触时发生放热反应。

据信，在88°F的温度下，与水凝胶聚合物的亲密接触是带正电荷的。在88°F左右，核心层中的SPI或其他封装材料突然暴露于水和矿物油溶剂体系中。大豆蛋白内发生更广泛的溶胀，导致大豆蛋白分子在88°F至95°F的温度范围内与水泥(-OSiO-)更紧密地接触。大豆蛋白可能会在裂缝的侧壁上形成所需的凝块，以愈合水泥裂缝的损伤。由于混合水泥的温度高于95°F，因此固化曲线遵循与常规水泥混合物相同的趋势，如例21所示。建议在最初的6小时左右，尽管大豆蛋白在碱性条件下具有高度流动性和可溶性，但芯层中的大豆蛋白可能插层在水泥和聚集体裂缝的山谷中。该热力学数据有力地支持了混合水泥复合粘结中提出的粘结机理；然而，这种类型的热力学行为以前从未被报道过。

第三，与示例20略有不同，当混合组分的温度低于72(度)时，示例19的水泥温度的升高远小于示例21(ctrl.)。在固化时间约3.75(小时)时观察到混合组分的急剧增加。混合组分的温度在5到10(分钟)内从72到790F左右变化，这归因于蜡的熔化并经历了相变。在固化组分高于79°F的温度下，蜡完全溶解在混合溶剂中，释放出较新和新鲜的砂和骨料表面，这些砂和骨料可以与水泥组分相互作用，导致示例19的样品中的广泛水化。最高固化温度达到101°F约8小时。示例18样品中的优势相互作用主要参与非极性色散力贡献的粘接过程。同样，蜡的熔化或其与聚合物的组合以塑化水泥接口是新颖的，然而，从未报道过抗压强度和巴西劈裂拉伸强度对水泥产品的促进。其中，申请人发现非共价氢键或/和分散键对于增强的早期抗压强度和长期耐久性可能更为关键，而不是在当前水泥研究界广泛推广的CSH键。假设示例21(对照)的内能ΔE(ctrl.)是所有测试样品的基础，则使用Excel电子表格程序计算每个测试样品中每个绝热过程的相对内能积分，从示例19，20，21，22计算出每个测试样品的相对内能可以表示为等式(14)。一般来说，相对水合度(α)是作为时间t演化的热量与可用热量总量的比值(14)

其中ΔE(ctrl.)是基于等式14计算的实例21的内能，等式中的i是18、19、20、21源自实施例18、19、20、21，(％)是基于图12所示的测量温度曲线数据从方程(14)获得的相对能量百分比。

假设来自示例19、20、21和22的1(g)个样品混合在一起，并且每个样品中颗粒的键合将彼此独立，则基于表17中列出的测试样品计算的相对内能，可以计算出定义为色散力，非共价氢键，常规水合阳离子键和特殊CaO离子键的键合贡献。

表17根据实施例21的计算相对能量作为基础分类的键合类型贡献

显然，根据表16中计算的分类键贡献，大约有14.0(％)来自SPI，20.0％来自色散力；25.0％来自硅酸钙水合物，14.0％来自石灰水合反应。潜在地，仍然有28.0％的非反应性表面或分区可以水合或回收以进行进一步的自我修复，这将支持所公开的先进配方中存在的拟议结合机制。或者，如果可以在不同的等温温度条件下使用Arrhenius方程分别进行一系列实验测试，则可以使用示例19，20，21，22配方进行一系列实验测试，则可以确定活化能(Ea)(Poole等人，2007)。计算出的水合物反应总速率可用于进一步确定水泥浆的迁移率和分子相变。因此，用于增强混凝土产品的早期和晚期强度的自愈合机制通过本文所示的公开实验在概念上证明了这一点。

实施例24：受测混凝土棱柱体的吸湿和解吸情况：在实施例19、20、21、22的共混材料中，在实验室中制备两根棱镜杆，用于每个设定条件，尺寸为1”x1”x12”，在实验室中密封在铝箔中过夜。24小时后，对样品进行脱模和称重。铝箔被取下。样品将其所有表面暴露在环境温度下，并置于环境干燥条件下两个多月。每个棱镜样品的重量损失被记录为采样时间的函数(以天为单位)。作为采样时间函数的水分百分比损失图如图13所示。显然，示例21和22中的水分损失是相同的，在两个月的时间里比其原始重量高出约5.0％，可以将其视为常规的正常样品。相反，示例19的水分损失小于2.0％。这意味着蜡质层可能是对底层水分子的超级保护。示例20的水分损失略高于2.0(％)。可以肯定的是，它在将水分和水保持在多功能涂层下方面也非常出色。

基于此处的公开内容，因此证明本发明的目的是通过物质的化学组合物和添加溶液的化学物质和方法实现的，这些化学组合物和溶液化学品可用于水泥基建筑材料作为特殊的早期强度和长期耐久性增强剂，通过自愈合和生物矿化功能化改进，可以应用于住宅和商业建筑，以及高上升住宅和高强度建筑应用的潜力。通过将化学添加剂与其它工程增强材料如玻璃纤维、钢棒纤维和其他生物工程增强元素材料相结合，其应用和确定的益处对于增强水泥的早期强度和耐久性以减轻混凝土结构中裂纹裂纹的风险作为自活化愈合剂，已在此公开。结果表明，选用所公开的润滑剂、微纳质状，双疏聚域颗粒和相变材料，乳化剂，水凝胶聚合物和交联剂的多功能涂料和添加剂组分，并按重量百分比和/或体积百分比制备水/极性溶剂百分比，按重量和/或体积百分比对上述化学添加剂与水泥组分的砂，骨料和水混合物进行混合处理，可以由具有本领域普通技术人员在不背离本发明精神的情况下进行安装工作。因此应当理解，本发明不限于上述具体实施方式，而是包括由以下权利要求书定义的变更，修改和等效实施例声称里面。

Claims (27)

1.仿生自愈合化学添加剂和溶液，包括按重量百分比：

a.大豆分离蛋白(SPI)作为微纳米/纹理点双界面结构点域，从0.001(％)到40％，

b.矿物油作为液体润滑剂或/和非极性溶剂，从0.01％到50％，

c.水解聚丙烯酸酯丙烯酰胺钠聚合物作为悬浮剂，从0.00001(％)至35％，

d.聚山梨醇酯作为表面活性剂/和乳化剂：0.0001o20.0％，

e.水：1.0％至99.0％作为平衡剂，

f.(a)+(b)+(c)+(d)+(e)的组合相当于100重量百分比，作为水工水泥混凝土的掺和物，由自活化聚合物从30到200°F的相变驱动，产生超过3000(PSI)的早期压缩强度，7000(PSI)的极限抗压强度(UCS)，80.0％的裂缝自愈性，韧性比原始混凝土高9倍，弹性模量高13倍，其特征在于，通过在薄膜固体表面测量的动态倾斜接触角大于30(度)和静态接触角从30和90(度)，表征为双疏水域涂层。

2.权利要求1所述的化学组合物，其中，所述微纳米/质状点状和双域的化学组合物为蜡烛蜡，石蜡，滑石蜡或乙烯流线型合成蜡，氨基甲酸酯蜡，熔点至少为35℃或以上的天然有机和有机合成蜡，和/或生物材料或生物衍生物，如甜米粉，大豆蜡，大豆蛋白分离颗粒，大豆浓缩蛋白，或/和其来自SPI的衍生物，用与胺或羟基，羟基和醛酯，酰胺和聚酰胺功能化，或/和石油基或生物基材料，聚乳酸酯，无机二氧化硅颗粒等的组合，这些疏水/亲水结构材料的剂量水平从0.01％至40.00％，基于权利要求1的总重量百分比。

3.权利要求1所述的化学组合物，其中润滑剂或/和非极性溶剂为矿物油，饱和烃，乙烯碳烷基链，液体石蜡，煤油，石油蒸馏物，以及高级烷烃，环烷烃，烷基碳链C6至C20，所述润滑剂或/和非极性溶剂或化学品的用量水平为权利要求1的总重量百分比的1％至50％。

4.权利要求1所述的化学组合物，其特征在于，所述水凝胶聚合物为聚丙烯酸酯阴离子聚合物，或阳离子聚合物，或非离子聚合物或水解丙烯酸酯丙烯酰胺钠聚合物，这些聚合物及其共聚物的混合组合，其官能团为胺，羟基和羧基以及醛，磺酸盐和环胺和乙烯基官能团，具有线性，或/和支链或/和树枝状共聚物的结构。水凝胶聚合物的剂量水平范围为权利要求1所述总重量百分比的0.001～35％，优选小于15.0％，更优选小于5.0％。

5.权利要求1所述的化学组合物，其特征在于，所述乳化剂为线状，二支，三支或多支链表面活性剂，与阳离子，阴离子，两性离子，非离子和两性离子表面活性剂和/或它们的组合，表面活性剂/乳化剂的总用量水平在权利要求1的重量百分比为0.0001％至20.0％，优选小于3.0％。

6.权利要求1所述的混合的化学组合物，其中，所述组合(a)+(b)+(c)+(d)+(e)与水泥，细砂，骨料和胶凝材料的总组合组分的混合比例为0.00001/99.99999至10/90重量百分比。

7.权利要求3或/及其与权利要求4的组合的化学组合物，其特征在于，通过含有反应性官能团的交联剂改性，如异氰酸酯，环氧树脂，不饱和乙烯双键，酰胺，亚胺硅烷、醛、胺和羧酸等，即能将水凝胶聚合物交联成具有柔性和弹性的网状结构，将聚酰胺胺环氧氯丙烷(PAE)转化为湿强度聚合物网状，交联添加剂可与其它添加剂混合或预加；同时或后添加；交联剂的剂量水平范围为0.0001/99.9999至60/40，以权利要求3或/和权利要求4为基重，以部分替代权利要求3或/和权利要求4中的材料计算。

8.权利要求3所述的化学组合物，其中，它与含有抗菌剂和化合物，和/或抗发酵剂的添加剂混合，如戊二醛，碳酸氢钠，脂肪胺，或两性离子表面活性剂，苄基-c12-16-二甲基氯化铵，杀菌剂2，2-二溴-3-硝基丙酮(DBNPA)，氧化铜，硫酸铜钠，所述抗微生物剂的用量范围为0/100至5.0/95.0，以权利要求3所述的添加剂为基重，以部分替代权利要求3的材料。

9.权利要求1所述的化学组合物，其中，首先将水或其它极性溶剂加入到容器中，然后，将权利要求3所述的组合物按照预先确定的重量百分比充入容器中，将混合的润滑剂组分与领域材料搅拌并加热至140°F或以上，或者，将权利要求6所述的交联剂或/或7所述的抗微生物剂加入到矿物油的混合组分中。

10.权利要求8所述的化学组合物，其特征在于，根据权利要求4所述的水凝胶聚合物和权利要求5所述的表面乳化剂，在高于140°F左右的溶液温度下均匀混合后，按顺序或同时加入到权利要求8的混合组分中。

11.权利要求9或10所述的化学组合物，其特征在于，加入水或其它极性溶剂以调节混合组分的粘度，使其在1.0(cps)至50，000(cps)的范围内的水合粘度，优选小于100.0(CPS)，更优选小于20.0(cps)，通过将水或其他极性溶剂与其它主要成分以按溶剂1.0％至30.0％的比例混合，更优选小于15.0％。

12.根据权利要求11所述的化学组合物，其中，包括非极性溶剂的主要成分按重量百分比范围为95％以下，更优选50.0％以下，25.0％，或/和混合组分的固体含量在0.05％至60.0％、优选小于30％、更优选小于5.0％、更优选小于5.0％的范围内，小于3.0％。

13.权利要求12所述的化学组合物，其中，其被水稀释至用于水泥或水泥浆或混合物的成分散剂，或自愈合剂，其中，疏水域或点状球被被表面活性剂包封，分散，或均匀悬浮到水稀释溶液中，在权利要求12范围内，以水泥水基准的0.0001(％)至95(％)，优选低于50.0(％)，更优选小于10.0(％)，0.10(％)固体含量。

14.根据权利要求12所述的化学组合物，其中，将其加入到容器中，然后，将水泥或硅酸盐水泥材料加胶凝材料混合到浆料中，在权利要求12的化学品与水泥+凝胶材料加砂和骨料的重量百分比范围为0.0001％至5.0％，优选1.00％、0.75％，至0.5％，0.01％，更优选小于0.005％。

15.根据权利要求12所述的化学组合物，其特征在于，细砂或大颗粒材料可以与权利要求12所述的稀释化学添加剂或溶液喷洒或混合，以部分或全部涂覆砂子或骨料表面。施加在砂或/和骨料表面的剂量水平在0.05％至10.0％的范围内，以降低或消除建筑工作环境中的微晶二氧化硅粉尘浓度95％，或更优选99.0％，或99.95％。

16.权利要求13和14、15化学组合物，和/或它们的组合，其中上述组分的混合物按体积分数的百分比范围为：

(a)水泥：5％至95％

(b)细砂颗粒：5％至90％

(c)大型砂或骨料：0.0001至90％

(d)增强元素如玻璃纤维，钢筋，钢须：小于5.0％。

17.权利要求16所述的化学组合物，其中，其水泥或波特兰水泥可以部分地被凝胶材料取代，如粉煤灰，微硅石，硅胶，水合粘土，微颗粒地质聚合物颗粒，氧化镁、氧化锂、碳酸氢钙、氧化钙和碳酸钙，用于控制水硬性水泥混凝土的性能，所述用量范围为在权利要求16(a)总重量的0.0001(％)至75(％)之间。

18.权利要求16所述的化学组合物，其中，权利要求16中加入水与水泥的比例范围为0.20至0.80重量百分比，更优选小于0.45、0.40和0.30。

19.权利要求16所述的化学组合物，其中，权利要求12所述的化学组合物与水泥、砂和骨料的重量百分比范围为0.0001/99.9999至5.0/95。

20.权利要求12-19的化学组合物的混合物，其中，由该混合物制成的水硬性水泥混凝土制品在24小时内其早衰抗压强度高于2500(PSI)、4500(PSI)。

21.权利要求20所述的化学组合物，其中，所制成的水硬性水泥混凝土在其寿命期内的抗压强度高于6000(PSI)，更优选高于7000(PSI)，或高于7500(PSI)。

22.权利要求20所述的化学组合物，其中，所述共混产品具有从30°F到200°F的热转变温度，可促进了水化和早期抗压强度以及巴西劈裂抗拉强度。

23.根据权利要求20所述的化学组合物，其中，由权利要求20制备的产品作为自愈合混凝土产品，具有80％以上的自愈效率，其定义是通过对裂缝测试样品与其原始产品进行比较而测得的透水性和巴西劈裂抗拉强度。

24.权利要求20所述的化学组合物，其中，由权利要求20功能化为自愈合混凝土的产品比其没有添加权利要求12的化学添加剂的原生产品具有超过9倍的韧性，在增强粘弹性和粘塑性的情况下减少产品的脆性，其相对韧性是原生混凝土产品的5至100倍。。

25.权利要求20所述的化学组合物，其中，由权利要求20制备的功能化为双疏水域的产品，其弹性模量是其原始产品的5倍以上，优选9.0倍以上。

26.根据权利要求20-25所述的水泥产品，以及它们与这些权利要求的组合，其中，它可用作用于制造住宅、商业、高层建筑和工业市场的混凝土结构构件的掺合料，

也可用作水泥砂浆、砌筑水泥添加剂及溶液。

27.权利要求12的化学组合物，其中，在玻璃滑动基板上的干燥涂层，作为亲水涂层，具有大于30(度)的动态针刺和剥离接触角，不滚下瓦片平整表面，作为疏水/亲水涂层，静态接触角在30(度)和90(度)之间，用重量为0.1(mg)至500(mg)的水微滴测量。