CN103253918B - 自修复抗收缩水泥基复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开自修复抗收缩水泥基复合材料由水泥、废弃物、砂、水、聚合物乳液、纤维及外加剂组成，聚合物乳液为水泥总重量的5％～10％；各原料重量配比如下：水泥：400～800重量份；废弃物：200～600重量份；砂：400～1000重量份；水：264～528重量份；纤维：10～70重量份；外加剂：4～10重量份。该材料具有很好的抗收缩、抗渗透及耐久性。产生裂缝后，在自然条件下可实现自我修复功能，可作为挡土墙、路罩面、混凝土管道、油气管道、大坝等修复材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种修复材料，特别涉及一种自修复抗收缩水泥基复合材料。
背景技术
混凝土由于其性能好、价格低廉，被广泛应用在建筑设施中。然而长期的使用及风化会造成混凝土开裂，裂缝宽度较大，有害物质(氯离子、硫酸根离子等)可快速侵入，在沿海地区更容易受到侵蚀，严重影响了混凝土结构的安全性和长期耐久性。实验证明普通砂浆作为修补材料效果较差，与混凝土粘结力较差，修复一段时间后，会出现开裂等现象。纤维增强水泥基复合材料作为修补材料，虽然增强了材料性能，提高了粘结性，然而骨料粒径的缩小会造成基体干缩性较大，而早期收缩的变大也是造成早期裂缝的主要原因。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种自修复抗收缩水泥基复合材料，该材料抗收缩，聚合物乳液的添加大大提高了材料粘结性及抗收缩性能，负载后裂缝宽度在微米级范围内，在自然条件下可实现自我修复功能，可作为挡土墙、路罩面、混凝土管道、油气管道、大坝等修复材料。
本发明的技术方案是这样实现的：
自修复抗收缩水泥基复合材料，由水泥、废弃物、砂、水、聚合物乳液、纤维及外加剂组成，聚合物乳液为水泥总重量的5％～10％。
上述自修复抗收缩水泥基复合材料，各原料重量配比如下：水泥：400～800重量份；废弃物：200～600重量份；砂：400～1000重量份；水：264～528重量份；纤维：10～70重量份；外加剂：4～10重量份。
上述自修复抗收缩水泥基复合材料，所述废弃物为粉煤灰或铁矿渣。
上述自修复抗收缩水泥基复合材料，所述纤维为聚乙烯醇纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、改性聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维中的一种或多种。
上述自修复抗收缩水泥基复合材料，所述纤维长度为3mm～20mm，直径为10μm～40μm，弹性模量为2000MPa～40GPa。
上述自修复抗收缩水泥基复合材料，对所述聚乙烯醇纤维表面进行亲油处理得改性聚乙烯醇纤维：将所述聚乙烯醇纤维浸泡在1％～5％硅烷偶联剂溶液，24～48小时后取出并室温晾干，在润滑油中浸泡12～24小时进行表面涂油处理后，取出晾干，放置备用。
上述自修复抗收缩水泥基复合材料，所述聚合物乳液为醋酸乙烯-乙烯共聚乳液、水性环氧乳液、丁苯乳液、丙烯酸乳液和苯丙乳液中的一种或多种。
上述自修复抗收缩水泥基复合材料，所述砂为中细砂，粒度为125～3000μm；优选粒度为125～200μm。
上述自修复抗收缩水泥基复合材料，所述水泥为普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的一种或两种混合，水泥强度等级≥42.5；所述外加剂为消泡剂、减水剂和固化剂中的一种或多种。
上述自修复抗收缩水泥基复合材料，所述粉煤灰为改性粉煤灰，粉煤灰改性方法如下：分别制备质量分数为1％～5％十六烷基三甲基溴化铵溶液和质量分数为1％～5％硅烷偶联剂溶液，先按照固液质量比(1～5)∶10，将粉煤灰加入到十六烷基三甲基溴化铵溶液中，搅拌24小时以上，水冲洗过滤，烘箱内烘干24h以上，然后按照固液质量比为(1～5)∶10加入到硅烷偶联剂溶液中，搅拌1h以上，再放入70℃～100℃烘箱中24～48h，即得改性粉煤灰。
本发明的有益效果是：。
1、本发明的产品抗裂性能强，负载后裂缝宽度小，具有长期耐久性，纤维的添加使其具有良好的韧性及抗拉性，是一种理想的建筑修复材料。
2、本发明中，可选择普通的聚乙烯醇纤维，结合了纤维脱粘拔出和纤维拉断破坏方式，对普通聚乙烯醇纤维表面进行亲油处理，使得纤维在拉拔过程中做出最大的功，达到最好的增强增韧的效果。
3、添加聚合物乳液提高了材料的柔韧性，聚合物乳液的添加不仅提高了基体本身的性能，而且提高了纤维与水泥基间的相互作用，材料的性能远高于普通混凝土的基本性能。
4、在负载力的作用下，当适当控制砂粒径，可以达到多缝开裂的效果；水泥基材料的弯曲强度提高3倍以上。即使在水泥基复合材料初次断裂后仍然能够呈现出优越的假应***化行为，显著的提高了水泥基的安全性和耐久性，该材料具有多缝开裂的效果，且抗弯曲效果好。
5、纤维的添加为材料的自修复提供了成核点，聚合物乳液增加了水泥与纤维间的结合力，未水化的水泥材料可在纤维周围凝聚，经过自然循环后，实现自修复。
具体实施方式
实施例1
本实施例自修复抗收缩水泥基复合材料的组成及各原料重量配比如下：52.5普通硅酸盐水泥650重量份，粉煤灰450重量份，砂650重量份，水390重量份，水性环氧乳液60重量份，固化剂6重量份，消泡剂2重量份，减水剂1重量份，聚乙烯醇纤维30重量份【例如：52.5普通硅酸盐水泥650千克，粉煤灰450千克，砂650千克，水390千克，水性环氧乳液60千克，固化剂6千克，消泡剂2千克，减水剂1千克，聚乙烯醇纤维30千克；即本发明中的重量份是指各物质按照相同的质量单位称取】。所述聚乙烯醇纤维长度为3mm～20mm，直径为10μm～40μm，弹性模量为2000MPa～40GPa；所述砂为细砂，粒度为125～200μm。
材料性能测试方法及依据：根据GB/T50082-2009测试自收缩率；通过弯曲负载试验检测试件在弯曲负载条件下产生裂缝的情况：根据GB17671-1999中的抗折性能测试方法对试件进行负载，并在卸载状态下用环境场扫描电镜观测裂缝宽度；拉伸试验：根据GB/T15231-2008抗拉强度方法对材料进行加载，当应变达到设定值时，撤去负载，用环境场扫描电镜观测裂缝宽度；采用干湿循环方法测试材料裂缝的自修复性能：每个干湿循环均是将带有裂缝的试件放置于水中24小时，然后取出放置于空气中24小时。
检测结果：180天自收缩率400×10-6。弯曲负载试验中的负载力为5000N，裂缝平均宽度45μm，最大裂缝宽度60μm。拉伸试验中预加应变为2％，3天龄期的裂缝平均宽度为30μm，最大裂缝为75μm；90天龄期的裂缝平均宽度为26μm，最大裂缝为50μm。宽度小于等于40μm的裂缝，经过40个干湿循环即可实现裂缝完全自修复。另外，试件在空气中放置两年无大于5μm的裂缝产生。
实施例2
本实施例自修复抗收缩水泥基复合材料的组成及各原料重量配比如下：52.5硫铝酸盐水泥600重量份，粉煤灰和铁矿渣共400重量份(粉煤灰和铁矿渣的质量之比为2∶3)，砂600重量份，水264重量份，丁苯乳液20重量份，固化剂4重量份，消泡剂1重量份，减水剂1重量份，芳纶纤维40重量份。所述芳纶纤维长度为3mm～20mm，直径为10μm～40μm，弹性模量为2000MPa～40GPa；所述砂为细砂，粒度为125～200μm。
材料性能测试方法及依据与实施例1相同。
检测结果：180天自收缩率380×10-6。弯曲负载试验中的负载力为5000N，裂缝平均宽度50μm，最大裂缝宽度75μm。拉伸试验中预加应变为2％，3天龄期的裂缝平均宽度为28μm，最大裂缝为70μm；90天龄期的裂缝平均宽度为24μm，最大裂缝为60μm。宽度小于等于35μm的裂缝，经过40个干湿循环即可实现裂缝完全自修复。另外，试件在空气中放置两年无大于5μm的裂缝产生。
实施例3
本实施例自修复抗收缩水泥基复合材料的组成及各原料重量配比如下：52.5R普通硅酸盐水泥800重量份，粉煤灰400重量份，砂500重量份，水552重量份，丙烯酸乳液80重量份，固化剂6重量份，聚酯纤维62重量份。所述聚酯纤维长度为3mm～20mm，直径为10μm～40μm，弹性模量为2000MPa～40GPa；所述砂为细砂，粒度为125～200μm。
材料性能测试方法及依据与实施例1相同。
检测结果：180天自收缩率390×10-6。弯曲负载试验中的负载力为5000N，裂缝平均宽度50μm，最大裂缝宽度75μm。拉伸试验中预加应变为2％，3天龄期的裂缝平均宽度为30μm，最大裂缝为75μm；90天龄期的裂缝平均宽度为26μm，最大裂缝为60μm。宽度小于等于30μm的裂缝，经过40个干湿循环即可实现裂缝完全自修复。另外，试件在空气中放置两年无大于5μm的裂缝产生。
实施例4
本实施例自修复抗收缩水泥基复合材料的组成及各原料重量配比如下：52.5普通硅酸盐水泥和52.5硫铝酸盐水泥共700重量份(52.5普通硅酸盐水泥和52.5硫铝酸盐水泥的质量比为1∶1)，铁矿渣400重量份，砂600重量份，水400重量份，丙烯酸乳液65重量份，固化剂5重量份，消泡剂2重量份，减水剂1重量份，聚丙烯纤维15重量份。所述聚丙烯纤维长度为3mm～20mm，直径为10μm～40μm，弹性模量为2000MPa～40GPa；所述砂为细砂，粒度为125～200μm。
材料性能测试方法及依据与实施例1相同。
检测结果：180天自收缩率400×10-6。弯曲负载试验中的负载力为5000N，裂缝平均宽度55μm，最大裂缝宽度70μm。拉伸试验中预加应变为2％，3天龄期的裂缝平均宽度为32μm，最大裂缝为77μm；90天龄期的裂缝平均宽度为26μm，最大裂缝为65μm。宽度小于等于30μm的裂缝，经过40个干湿循环即可实现裂缝完全自修复。另外，试件在空气中放置两年无大于5μm的裂缝产生。
实施例5
本实施例自修复抗收缩水泥基复合材料的组成及各原料重量配比如下：52.5R普通硅酸盐水泥和52.5R硫铝酸盐水泥共500重量份(52.5R普通硅酸盐水泥和52.5R硫铝酸盐水泥的质量比为1∶2)，粉煤灰350重量份，砂750重量份，水400重量份，醋酸乙烯-乙烯共聚乳液40重量份，固化剂4重量份，消泡剂1重量份，减水剂1重量份，聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维共50重量份(聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维质量比为1∶3)。所述聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维的长度为3mm～20mm，直径为10μm～40μm，弹性模量为2000MPa～40GPa；所述砂为细砂，粒度为125～200μm。
材料性能测试方法及依据与实施例1相同。
检测结果：180天自收缩率370×10-6。弯曲负载试验中的负载力为5000N，裂缝平均宽度40μm，最大裂缝宽度65μm。拉伸试验中预加应变为2％，3天龄期的裂缝平均宽度为25μm，最大裂缝为55μm；90天龄期的裂缝平均宽度为25μm，最大裂缝为48μm。宽度小于等于40μm的裂缝，经过35个干湿循环即可实现裂缝完全自修复。另外，试件在空气中放置两年无大于5μm的裂缝产生。
实施例6
本实施例自修复抗收缩水泥基复合材料的组成及各原料重量配比如下：52.5普通硅酸盐水泥和52.5R硫铝酸盐水泥共600重量份(52.5普通硅酸盐水泥和52.5R硫铝酸盐水泥的质量之比为1∶2)，粉煤灰570重量份，砂500重量份，水500重量份，醋酸乙烯-乙烯共聚乳液、水性环氧乳液、丁苯乳液、丙烯酸乳液和苯丙乳液60重量份(醋酸乙烯-乙烯共聚乳液、水性环氧乳液、丁苯乳液、丙烯酸乳液和苯丙乳液质量之比为5∶1∶3∶2∶6)，固化剂6重量份，消泡剂2重量份，减水剂1重量份，聚乙烯醇纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、改性聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维共70重量份(聚乙烯醇纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、改性聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维质量之比为1∶6∶3∶5∶2)。所述聚乙烯醇纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、改性聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维的长度为3mm～20mm，直径为10μm～40μm，弹性模量为2000MPa～40GPa；所述砂为细砂，粒度为125～200μm。对聚乙烯醇纤维表面进行亲油处理得改性聚乙烯醇纤维：将所述聚乙烯醇纤维浸泡在质量分数为1.6％硅烷偶联剂溶液，25小时后取出并室温晾干，在润滑油(10W/50)中浸泡18小时进行表面涂油处理后，取出晾干，放置备用。
材料性能测试方法及依据与实施例1相同。
检测结果：180天自收缩率370×10-6。弯曲负载试验中的负载力为5000N，裂缝平均宽度40μm，最大裂缝宽度75μm。拉伸试验中预加应变为2％，3天龄期的裂缝平均宽度为27μm，最大裂缝为65μm；90天龄期的裂缝平均宽度为25μm，最大裂缝为45μm。宽度小于等于40μm的裂缝，经过40个干湿循环即可实现裂缝完全自修复。另外，试件在空气中放置两年无大于5μm的裂缝产生。
实施例7
本实施例与实施例1的区别在于：所述聚乙烯醇纤维为改性聚乙烯醇纤维，对所述聚乙烯醇纤维表面进行亲油处理得改性聚乙烯醇纤维：将所述聚乙烯醇纤维浸泡在质量分数为1％硅烷偶联剂溶液，24小时后取出并室温晾干，在润滑油(10W/50)中浸泡12小时进行表面涂油处理后，取出晾干，放置备用。
检测结果：180天自收缩率390×10-6。弯曲负载试验中的负载力为5000N，裂缝平均宽度40μm，最大裂缝宽度55μm。拉伸试验中预加应变为2％，3天龄期的裂缝平均宽度为30μm，最大裂缝为70μm；90天龄期的裂缝平均宽度为18μm，最大裂缝为45μm。宽度小于等于40μm的裂缝，经过35个干湿循环即可实现裂缝完全自修复。另外，试件在空气中放置两年半无大于5μm的裂缝产生。
实施例8
本实施例与实施例5的区别在于：所述聚乙烯醇纤维为改性聚乙烯醇纤维，对所述聚乙烯醇纤维表面进行亲油处理得改性聚乙烯醇纤维：将所述聚乙烯醇纤维浸泡在质量分数为5％硅烷偶联剂溶液，48小时后取出并室温晾干，在润滑油(10W/50)中浸泡24小时进行表面涂油处理后，取出晾干，放置备用。
检测结果：180天自收缩率360×10-6。弯曲负载试验中的负载力为5000N，裂缝平均宽度36μm，最大裂缝宽度60μm。拉伸试验中预加应变为2％，3天龄期的裂缝平均宽度为23μm，最大裂缝为50μm；90天龄期的裂缝平均宽度为17μm，最大裂缝为43μm。宽度小于等于40μm的裂缝，经过33个干湿循环即可实现裂缝完全自修复。另外，试件在空气中放置两年半无大于5μm的裂缝产生。
实施例9
本实施例与实施例6的区别在于：所述聚乙烯醇纤维为改性聚乙烯醇纤维，对所述聚乙烯醇纤维表面进行亲油处理得改性聚乙烯醇纤维：将所述聚乙烯醇纤维浸泡在质量分数为3％硅烷偶联剂溶液，36小时后取出并室温晾干，在润滑油(10W/50)中浸泡18小时进行表面涂油处理后，取出晾干，放置备用。
检测结果：180天自收缩率365×10-6。弯曲负载试验中的负载力为5000N，裂缝平均宽度42μm，最大裂缝宽度70μm。拉伸试验中预加应变为2％，3天龄期的裂缝平均宽度为23μm，最大裂缝为60μm；90天龄期的裂缝平均宽度为18μm，最大裂缝为40μm。宽度小于等于40μm的裂缝，经过34个干湿循环即可实现裂缝完全自修复。另外，试件在空气中放置两年半无大于5μm的裂缝产生。
实施例10
本实施例与实施例7的区别在于：所述粉煤灰为改性粉煤灰，粉煤灰改性方法如下：分别制备质量分数为1％十六烷基三甲基溴化铵溶液和质量分数为1％硅烷偶联剂溶液，先按照固液质量比1∶10，将粉煤灰加入到十六烷基三甲基溴化铵溶液中，搅拌30小时，水冲洗过滤，烘箱内烘干30h，然后按照固液质量比为1∶10加入到硅烷偶联剂溶液中，搅拌2h，再放入70℃烘箱中48h，即得改性粉煤灰。
检测结果：180天自收缩率370×10-6。弯曲负载试验中的负载力为5000N，裂缝平均宽度34μm，最大裂缝宽度50μm。拉伸试验中预加应变为2％，3天龄期的裂缝平均宽度为26μm，最大裂缝为65μm；90天龄期的裂缝平均宽度为16μm，最大裂缝为40μm。宽度小于等于40μm的裂缝，经过32个干湿循环即可实现裂缝完全自修复。另外，试件在空气中放置三年无大于5μm的裂缝产生。
实施例11
本实施例与实施例8的区别在于：所述粉煤灰为改性粉煤灰，粉煤灰改性方法如下：分别制备质量分数为5％十六烷基三甲基溴化铵溶液和质量分数为5％硅烷偶联剂溶液，先按照固液质量比5∶10，将粉煤灰加入到十六烷基三甲基溴化铵溶液中，搅拌25小时，水冲洗过滤，烘箱内烘干26h，然后按照固液质量比为5∶10加入到硅烷偶联剂溶液中，搅拌1.5h，再放入100℃烘箱中24h，即得改性粉煤灰。
检测结果：180天自收缩率350×10-6。弯曲负载试验中的负载力为5000N，裂缝平均宽度30μm，最大裂缝宽度54μm。拉伸试验中预加应变为2％，3天龄期的裂缝平均宽度为20μm，最大裂缝为45μm；90天龄期的裂缝平均宽度为15μm，最大裂缝为40μm。宽度小于等于40μm的裂缝，经过30个干湿循环即可实现裂缝完全自修复。另外，试件在空气中放置三年无大于5μm的裂缝产生。
实施例12
本实施例与实施例9的区别在于：所述粉煤灰为改性粉煤灰，粉煤灰改性方法如下：分别制备质量分数为3％十六烷基三甲基溴化铵溶液和质量分数为3％硅烷偶联剂溶液，先按照固液质量比3∶10，将粉煤灰加入到十六烷基三甲基溴化铵溶液中，搅拌27小时，水冲洗过滤，烘箱内烘干30h，然后按照固液质量比为2.5∶10加入到硅烷偶联剂溶液中，搅拌2h，再放入80℃烘箱中24～48h，即得改性粉煤灰。
检测结果：180天自收缩率350×10-6。弯曲负载试验中的负载力为5000N，裂缝平均宽度40μm，最大裂缝宽度65μm。拉伸试验中预加应变为2％，3天龄期的裂缝平均宽度为20μm，最大裂缝为56μm；90天龄期的裂缝平均宽度为16μm，最大裂缝为38μm。宽度小于等于40μm的裂缝，经过32个干湿循环即可实现裂缝完全自修复。另外，试件在空气中放置三年无大于5μm的裂缝产生。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。
Claims (7)
1.自修复抗收缩水泥基复合材料，其特征在于，由水泥、废弃物、砂、水、聚合物乳液、纤维及外加剂组成，聚合物乳液为水泥总重量的5％～10％；各原料重量配比如下：水泥：400～800重量份；废弃物：200～600重量份；砂：400～1000重量份；水：264～528重量份；纤维：10～70重量份；外加剂：4～10重量份；所述纤维为改性聚乙烯醇纤维，对聚乙烯醇纤维表面进行亲油处理得改性聚乙烯醇纤维：将所述聚乙烯醇纤维浸泡在质量分数为1％～5％硅烷偶联剂溶液，24～48小时后取出并室温晾干，在润滑油中浸泡12～24小时进行表面涂油处理后，取出晾干，放置备用。
2.根据权利要求1所述的自修复抗收缩水泥基复合材料，其特征在于，所述废弃物为粉煤灰或铁矿渣。
3.根据权利要求1所述的自修复抗收缩水泥基复合材料，其特征在于，所述纤维长度为3mm～20mm，直径为10μm～40μm，弹性模量为2000MPa～40GPa。
4.根据权利要求1～3任一所述的自修复抗收缩水泥基复合材料，其特征在于，所述聚合物乳液为醋酸乙烯-乙烯共聚乳液、水性环氧乳液、丁苯乳液、丙烯酸乳液和苯丙乳液中的一种或多种。
5.根据权利要求1～3任一所述的自修复抗收缩水泥基复合材料，其特征在于，所述砂为中细砂，粒度为125～3000μm。
6.根据权利要求1～3任一所述的自修复抗收缩水泥基复合材料，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的一种或两种混合，水泥强度等级≥42.5；所述外加剂为消泡剂、减水剂和固化剂中的一种或多种。
7.根据权利要求2所述的自修复抗收缩水泥基复合材料，其特征在于，所述粉煤灰为改性粉煤灰，粉煤灰改性方法如下：分别制备质量分数为1％～5％十六烷基三甲基溴化铵溶液和质量分数为1％～5％硅烷偶联剂溶液，先按照固液质量比(1～5)∶10，将粉煤灰加入到十六烷基三甲基溴化铵溶液中，搅拌24小时以上，水冲洗过滤，烘箱内烘干24h以上，然后按照固液质量比为(1～5)∶10加入到硅烷偶联剂溶液中，搅拌1h以上，再放入70℃～100℃烘箱中24～48h，即得改性粉煤灰。
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