CN1332199A - 一种高分子速凝固化充填材料及其配制工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高分子速凝固化充填材料及其配制工艺。是一种以高分子吸水树脂作为聚合物组分,与无机水泥材料复合组成的一种新型水硬性胶凝材料。其中超大分子量构成的功能基团,具有极强的快速吸水能力,由该材料调配的浆液能在很大的水固比条件下,可以控制在5－30分钟内产生凝固、硬化,最终变成一种较坚固高含水固体。用之作堵漏物资,堵管涌可随形成楔,严丝合缝;掺入沙袋内堆筑堤坝,可迅速胀满沙袋,获得事半功倍的效果;倒入堤坝裂缝,可快速弥合缝隙空间避免崩塌、滑坡事故的发生,可作为防汛抗洪工作的重要物资。

Description

一种高分子速凝固化充填材料及其配制工艺

(一)技术领域

本发明涉及一种高分子速凝固化充填材料及其配制工艺。是一种以高分子吸水树脂作为聚合物组分，与无机水泥材料复合组成的一种新型水硬性胶凝材料。属于采用高分子精细化工技术应用于水利、防汛抗洪新材料领域。

高分子速凝固化充填材料中超大分子量构成的功能基团，具有极强的快速吸水能力，通常情况下，遇水即迅速膨胀，胀后体积可达原体积的300—500倍，由该材料调配的浆液能在很大的水固比条件下，可以控制在5-30分钟内产生凝固、硬化，最终变成一种较坚固高含水固体。用之作堵漏物资，堵管涌可随形成楔，严丝合缝；掺入沙袋内堆筑堤坝，可迅速胀满沙袋，获得事半功倍的效果；倒入堤坝裂缝，可快速弥合缝隙空间避免崩塌、滑坡事故的发生，可作为防汛抗洪工作的重要物资。

我国位于世界最大海洋与最大陆地之间，全国大部分地区为季风气候区，受季风影响，极易形成暴雨洪水、融雪(融冰)洪水、冰凌洪水等多种形式的洪水。其中，经常发生并造成严重灾害的主要是暴雨洪水。我国暴雨洪水一般具有：季节性明显、洪水峰高量大、径流年内分配集中、洪水年际变化大等特点。

新中国成立以来，我国开展了大规模的江河整治工程建设。修筑水库拦蓄洪水，修筑堤防防止洪水泛滥。这些工程的修建，取得了显著的防洪效益，1949年到1987年的38年间防洪工程累计减淹成灾农田约6600万ha，加上减免的城市工业等其他损失，减少损失约3000亿元。然而，近十年来，随着我国社会经济的发展，特别是受洪水威胁区域内人口和资产的不断增长，洪水造成的损失有逐步增长的趋势。1991年，淮河、太湖流域洪水造成2100亿元损失；1998年长江大水经济损失约2500亿元。

50年来，通过大规模的水利工程建设，人们普遍增加了安全感，在河岸两侧开始大规模的建设，城市不断扩大，人口不断集中。然而，当下一次洪水泛滥发生时，人们发现洪水所造成的损失比以前有增无减，于是人们又要求提高江河的防洪标准……如此下去，便形成了防洪工程投入不断加大，而洪灾损失也不断增长的局面。专家呼吁这种情况不能再继续下去了。

洪灾险情中的管涌现象多为蝼蚁之穴所造成，正所谓“蝼蚁之穴，溃堤千里”。对于自然界这种生物现象的存在，包括它们挖提筑穴生物习性的不可改变，我们显然是无能为力的。但是，我们应该能够想出办法去扼制蝼蚁之穴的这种威胁。过去，科技不发达的年代，我们曾在紧急关头用成麻袋的大豆和粮食去堵管涌，这当然是很原始很笨拙的。现在，高新科技成果的不断问世，给了我们解决这一古老难题的可能，我们应该尽快改变这种落后的状态。

防汛季节里，每当洪峰到来的紧急关头，对加固加高堤坝与严防备类崩塌与滑坡的人们来说，分分秒秒都可能成为抗洪战役胜败的关键，这种时刻，在沙袋中掺入此产品可使沙土迅速胀大数十倍体积，从而，以有限的人力、运力，获得事半功倍乃至数倍、数十倍的效果，应该是非常具有战略意义的大好事。特别是发现堤坝出现裂缝，洪水正在不断灌入或渗出，很可能要导致决堤、崩坍或滑坡事故发生时，如果及时向裂缝中注入些可迅速弥合缝隙空间的物质，就可能阻止决堤、崩坍或滑坡事故发生的话，这种救命的物质——速凝固化充填材料产品是非常非常有开发必要的。

抗洪用高分子填充剂系列抗洪抢险专用产品就是具有上述各种功用的高科技型新产品。

(二)技术背景

国内外技术发展状况

以天然高分子与合成高分子进行有机耦合，开发超级吸水材料是美国农业部北方研究所的科学家在三十几年前率先进行的。二十世纪八十年代初，曾在西方各国掀起应用热潮。日本以重金购买了专利，对其进行了更广范的应用开发，但最初仅仅限于农林种植业抗旱保墒领域及日化工业领域，九十年代初，才尝试将其应用于抗洪抢险、防止堤坝崩坍、滑坡等水利工程领域，从此大大拓宽了其应用范围。

我国科学家对此项技术的关注与借鉴是二十世纪八十年代开始的，主要应用领域也是与保水蓄水、固沙造林、绿化美化有关的农、林、牧与生态环境建设各业，只有大庆等少数企业将其应用于石油钻井施工现场堵漏及泥浆增稠等作业，虽然效果甚佳，却未做大范围推广，只在本行业内应用。

目前，我国应用此项技术生产“保水剂”、“吸水剂”、“蓄水剂”等以储水为卖点的产品厂家约有40余家，但无一家专门生产抗洪抢险专用的阻水产品，因此便具有了独辟蹊径的新颖性、先进性与实用性，这对那些因市场一时难以导入而陷入尴尬的保水、蓄水产品生产厂家来说，其牵动意义是显而易见的。

(三)发明内容

本发明解决了国内外同类技术的配方与工艺生产出来的产品，虽具有超强吸水能力，但固化后的强度不足，无法满足抗洪抢险工程的多种需要的问题。使不同产品具有不同强度，适应了抗洪抢险的多种需要。对材料进行了系统、深入地研究。以溶胶-凝胶方法制备材料的工艺流程为基础，利用X射线衍射(XRD)、红外光谱(IR)、热分析技术(DTA-TG)、扫描电镜-能谱仪(SEM-EDS)、三甲基硅烷化-气相色谱法(TMS-GC)、固体核磁共振技术(NMR)、图象处理和相分析技术以及其他一些常规实验和测试方法，系统地研究了材料的制备过程及水化过程中物相间的化学反应、材料的工艺性能和水化性能、水化产物的结构及组成等。

在对材料制备过程的研究中，通过对溶胶-凝胶过程及干凝胶不同的物相变化的研究，结合热力学函数方法的计算结果，提出了多组份溶胶的形成过程、溶胶的干燥过程、凝胶的烧成过程中的主要物相的生成反应。在此基础上，引入硅酸盐水泥配料中的率值概念，以测定劈裂抗拉强度为依据，对材料制备过程中原料的化学成分和其他工艺参数进行选择。此后，对在最佳工艺参数下制得的材料的一系列工艺性能指标进行综合测试，发现这种材料的较高劈裂抗拉强度。其它力学性能也较好。

为了解释这种材料的工艺性能不同于传统水硬性胶凝材料的原因，对材料的水化性能也进行了详细地研究。在分析过程中，将这些性能与传统水泥或其主要矿物成分(C(下3)S，β-C(下2)S)的水化进行对比，其水化放热类型与β-C(下2)S相似。水化相同龄期时，[SiO(下4)](上4-)阴离子聚合度远高于β-C(下2)S或C(下3)S。

通过对硬化浆体的自然断口和抛光表面的形貌观察及成分分析，发现：在水化过程中，生成了两种不知名的新型水化碳酸钙，其化学组成分别为7CaO·3P(下2)O(下5)·xH(下2)O和6CaO·P(下2)O(下5)·yH(下2)O。从水化过程的总体来看，磷酸阴离子的聚合程度变化不大，而硅酸阴离子的结构变化极大。水化后期，甚至有77.28％的硅酸盐以三维架状结构的SiO(下2)形式存在。在水化后期的硬化浆体中，β-C(下3)P和β-C(下2)S相已消耗尽，OHAp和C(下7)P(下3)Hx相已长成大块的板片状，Ca(OH)(下2)或CaCO(下3)呈细碎的小颗粒，而凝胶态的C(下6)PHyC-S-H、SiO(下2)则填充在这些大块的板片及小颗粒中间，极大地提高了相间的粘结力，材料体正是通过这种相互贯穿的结构产生了优异的性能。

因而，本项目采用之配方及工艺既保留了国内通用配方与工艺的精华，从而使产品具有极强快速吸水能力，又对其不足做了必要的改进，使产品具有了相应的多种强度，所以，本项目的技术是有独创性的。同时，由于原料配方的改进与产品硬度的多样化，不仅比日本现有产品的功能大为增加，还使产品的生产成本也相应降低，因此也就具有了由此比较而来的先进性。

高分子速凝固化充填材料具有现有水泥不能实现的可贵特性。即由该材料调配的浆液能在很大的水固比(体积含水率为85％-90％)条件下，可以控制在5-30分钟内产生凝固、硬化，最终变成一种较坚固高含水固体。是以丙烯酸酯、丙烯、自由基共聚乳液水溶性高分子材料作为改性水泥的聚合物组分，与无机水泥材料复合组成的一种新型水硬性胶凝材料。与净水泥浆相比，此复合材料粘结强度、抗拉、抗压及抗折强度大大提高，抗腐蚀能力也明显上升，施工方便，性能优良。用它拌制的砂浆或混凝土具有较高的粘结性、抗渗性，砂浆的抗压强度达45MPa，粘结强度达2.0MPa，抗渗指标达S30以上，是一种优良的防水渗补强材料。可用于水工、港工、建工和地下等混凝土及钢筋混凝土建筑物的防渗、堵漏、补强加固工程。

高分子速凝固化充填材料是由下述重量配比的原料制成：

丙烯酸           10～20kg

水               30～60kg

氢氧化钠                    5～10kg

丙烯腈                      2.0～4.0kg

聚乙烯醇二丙烯酸脂          0.05～0.10kg

过硫酸铵                    0.30～0.60L

三乙醇胺                    0.30～0.60L

对甲苯亚磺酸                0.20～0.40kg

二甲基苯胺                  0.20～0.40kg

熟石膏粉                    2.5～5kg

水泥                        5～10kg

高分子速凝固化充填材料制备方法：

将丙烯酸、水、氢氧化钠混合，调PH值为10.2，再加入丙烯腈和聚乙烯醇二丙烯酸脂，在常温下真空脱氧5～10分钟。通氮气1小时，然后加入过硫酸铵和三乙醇胺，在40℃下搅拌反应4小时，反应完毕，生成物用水和甲醇的混合液洗涤，于50℃下采用热风循环吹扫式烘房干燥24小时，经通用旋片粉粹机粉碎后得得到不同颗粒度白色凝胶粉末。

将白色凝胶粉末与对甲苯亚磺酸、二甲基苯胺、熟石膏粉和水泥搅拌均匀即得到高分子速凝固化充填材料。

高分子速凝固化充填材料是一种较易吸潮变质的材料，所以在包装、运输和存放过程中特别注意在运输过程中不能与其它杂物混放。装运的车辆和器具保持干净和干燥。

(四)具体实施

按上述配制工艺制得高分子速凝固化充填材料后，包装袋采用两层袋。外层为塑料编织袋，内为纸质薄膜袋。将充填袋制成直径10～30公分，高度40～60公分的圆柱体、圆锥体和宽10～30公分，厚10～30公分，高度40～60公分的方形和楔型体，装满高分子速凝固化充填材料，每袋重均为10kg或25kg。使用时、去掉外层的塑料编织袋，用内层纸质薄膜袋及充填材料直接充填。

充填后效能指标如下：

1、凝结性：

在重量水固比为1.98∶1-3.0∶1范围内，5-30分钟之内迅速随型膨胀并凝固硬化。

2、凝固体强度：

用高分子速凝固化充填材料拌制的砂浆或混凝土具有较高的粘结性、抗渗性，其砂浆的抗压强度达45MPa，粘结强度达2.0MPa，抗渗指标达S30以上，

Claims (2)

1、一种高分子速凝固化充填材料及其配制工艺，其特征在于它是由下述重量配比的原料制成的高分子速凝固化充填材料：

丙烯酸                10～20kg

水                    30～60kg

氢氧化钠              5～10kg

丙烯腈                2.0～4.0kg

聚乙烯醇二丙烯酸脂     0.05～0.10kg

过硫酸铵              0.30～0.60L

三乙醇胺              0.30～0.60L

对甲苯亚磺酸          0.20～0.40kg

二甲基苯胺            0.20～0.40kg

熟石膏粉              2.5～5kg

水泥                  5～10kg

 2、根据权利要求1所述的高分子速凝固化充填材料制备方法，其特征在于：

(1)将丙烯酸、水、氢氧化钠混合，调PH值为10.2，再加入丙烯腈和聚乙烯醇二丙烯酸脂，在常温下真空脱氧5～10分钟。通氮气1小时，然后加入过硫酸铵和三乙醇胺，在40℃下搅拌反应4小时，反应完毕，生成物用水和甲醇的混合液洗涤，于50℃下干燥24小时，经粉碎后得白色凝胶粉末。

(2)将白色凝胶粉末与对甲苯亚磺酸、二甲基苯胺、熟石膏粉和水泥搅拌均匀即得到高分子速凝固化充填材料。