CN115073082B - 用于流水环境下水泥基材料微裂缝自修复的微胶囊及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于流水环境下水泥基材料微裂缝自修复的微胶囊及其制备方法，该微胶囊的芯材包含以下成分：螯合高吸水性树脂，水泥渗透结晶防水材料和高性能膨胀剂；采用圆锅造粒法制备芯材颗粒，高吸水性树脂作为膨胀堵漏组分，水泥渗透结晶防水材料和高性能膨胀剂作为结晶修复组分，膨胀堵漏组分遇水先发生膨胀堵住裂缝，结晶修复组分进一步修复裂缝；采用硅酸盐水泥对芯材颗粒进行裹壳，裹壳时喷洒再分散性乳胶粉水溶液进行粘结，裹壳工艺可以防止微胶囊芯材在浇筑过程与拌和水发生接触并反应；本发明用于具有水压的流水环境中水泥基材料裂缝的自修复，应用范围更广。
Description
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，尤其指一种用于流水环境下水泥基材料微裂缝自修复的微胶囊及其制备方法。
背景技术
水泥基材料是土木工程领域中应用最为广泛的材料，但是由于其抗拉性能差，在服役过程中极易发生开裂，因此水泥基材料通常会带裂缝服役。然而，裂缝的存在会极大的影响水泥基材料的服役性能和寿命，后期需要人为对此维护、维修甚至重建，将造成人力物力的大量消耗。
虽然水泥基材料自身具备一定的裂缝自修复能力，但自然的修复是一个十分缓慢的过程且修复程度有限。因此，水泥基材料自修复技术已成为土木工程材料领域新兴的研究方向之一。常见的水泥基材料裂缝自修复方法有：空心管自修复、微生物自修复和微胶囊自修复等。中国专利CN109336525A公布了一种具有自修复效果的桥梁裂缝修复材料及其制备方法，该修复材料中以纳米氧化锌基沥青作为有机体系，利用其渗透性能使裂缝位置产生自修复的效果，并且加入了博耐特用于提升水泥和原有桥梁的连接强度，主要用于高速公路的桥墩。该专利利用了修复材料渗透性使其在裂缝位置产生自修复效果，主要成分是憎水性有机物，在流水环境中显然会丧失修复效果。中国专利CN110372310A公开了一种抗裂自修复混凝土及其制备方法，抗裂自修复混凝土成分包括粉煤灰、半水石膏、硅灰、聚丙烯纤维、氧化钙、氯化铵、八水氢氧化钡、硅烷偶联剂等；将装有修复剂的玻璃纤维管掺入混凝土中，制备抗裂自修复混凝土。该专利自修复材料在流水环境下自修复效果并未涉及。中国专利CN204529127A公布了一种用于水泥基材料开裂自修复的微生物复合外加剂，该复合外加剂由菌液、修复营养组分及辅助组分混合而成。流水环境是否会危及该专利中微生物的生存条件以及损害其自修复效果未经实例证明。中国专利CN106082893A公布了一种渗漏自修复砂浆及其制备方法，该砂浆主要成分包括硫铝酸盐水泥、高吸水性聚合物、二氧化硅和氢氧化钙等，主要用于混凝土面层的防水工程。该砂浆中的修复材料在拌和过程中由于没有较为致密的包裹，会与水快速反应，导致后期的修复效果降低；并且由于高吸水性聚合物与拌和水反应，使得砂浆的强度下降。
上述专利另一个问题是专利实施时存在造价较高、影响混凝土力学性能以及微生物在高碱环境下难生存等问题。并且，目前水泥基材料的自修复技术多是在静水条件下实现。但是一些工程实际中的水泥基材料需满足一定的抗渗要求，或者是在水流条件下服役。在水压作用下，裂缝中生成的修复物质极易被水流冲走，无法达到预想的修复效果。所以自修复技术应当与工程实际结合，考虑水流对修复效果的影响，实现水流作用下水泥基材料裂缝的自修复。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种开裂后能在流水环境中自行修复的、能实现防漏或者堵漏的自修复微胶囊。
本发明采用膨胀堵漏和结晶修复相结合的方式，将鳌合处理过的高吸水性树脂作为膨胀组分，水泥渗透结晶防水材料及混凝土高性能膨胀剂作为结晶修复组分，在圆锅造粒时喷洒溶胀性树脂水溶液，起到粘接粉末和一定的防水作用，所得到的颗粒干燥后，用硅酸盐水泥裹壳并喷洒可再分散性乳胶粉水溶液，防止在水泥基材料制备过程中修复物质与水直接接触和反应。
本发明的技术方案如下：
一种用于流水环境下水泥基材料微裂缝自修复的微胶囊，由以下质量百分比的原料制成：
优选的，所述用于流水环境下水泥基材料微裂缝自修复的微胶囊由以下质量百分比的原料制成：
同样优选的，所述用于流水环境下水泥基材料微裂缝自修复的微胶囊由以下质量百分比的原料制成：
本发明中：
所述的螯合高吸水性树脂为白色粉末，粒径为80目及以下，经鳌合处理后的高吸水性树脂遇水时不会吸水膨胀，解鳌合后高吸水性树脂可恢复吸水膨胀功能；
所述的水泥渗透结晶防水材料为粉末状固体，细度在80目及以下；其主要成分包括硅酸盐水泥、细砂、柠檬酸钠和碳酸钠等；
所述的高性能膨胀剂为粉末状固体，是钙矾石类膨胀剂，细度在80目及以下；
所述的溶胀性树脂为聚乙烯醇粉末，醇解度为99％，粒径为100目及以下；
所述的可再分散性乳胶粉为白色粉末，主要成分为醋酸乙烯酯/乙烯共聚胶粉，粒径在400μm以下；
所述的普通硅酸盐水泥为灰色粉末，主要成分有硅酸盐水泥熟料、石膏等。
一种用于流水环境下水泥基材料微裂缝自修复的微胶囊的制备方法，包括以下步骤(按照上述配方准备原料)：
A.将溶胀性树脂加入水中，加热至80～85℃，搅拌使其充分溶解分散，得到溶胀性树脂水溶液；
B.将螯合高吸水性树脂、水泥渗透结晶防水材料和高性能膨胀剂混合均匀后倒入圆锅造粒机中，控制圆锅以35～45r/min的转速旋转，同时喷入溶胀性树脂水溶液，使潮湿的粉末之间发生粘结形成颗粒，烘干(100℃)后过筛选择0.25mm及以下的粒径，得到自修复芯材；
C.将可再分散性乳胶粉加入水中，加热至70～80℃，搅拌使其溶解分散，得到可再分散性胶粉水溶液；
D.将自修复芯材和普通硅酸盐水泥混合均匀后倒入圆锅造粒机中，控制圆锅以35～45r/min的转速旋转，同时喷入可再分散性乳胶粉水溶液，使水泥附着在芯材上形成外壳；
E.将裹壳的芯材放在室温20℃，湿度70％以下的条件下养护7天，过筛选择0.25～1.18mm的粒径，得到裂缝自修复微胶囊。
相对于现有技术，本发明的优势在于：
本发明研制了膨胀堵漏和结晶修复相结合的能够在开裂渗流状态下自主修复裂缝的微胶囊，可解决水流作用下水泥基材料裂缝的修复问题。本发明所用的鳌合高吸水性树脂，在自修复微胶囊制备过程中不吸水膨胀。水泥基材料开裂后，水流渗入裂缝，微胶囊中水泥渗透结晶防水材料中的碳酸盐溶解，使高吸水树脂解鳌合并吸水膨胀，快速封堵裂缝，缓解渗漏。而后，水泥渗透结晶防水材料和高性能膨胀剂通过化学反应生成修复物质进一步修复裂缝。
本发明所述的螯合高吸水性树脂具有大量亲水基团和低交联度的三维网络结构，是一种能够大量吸收水分只膨胀而不溶解，又能锁住水分而不外流的新型功能高分子材料。这种材料可以吸收相当于本身体积100倍以上的水分，最高的吸水率甚至可达1000倍以上，作为自修复材料时，能够在水泥基材料开裂后发生膨胀，对裂缝进行快速堵漏。
本发明所述螯合高吸水性树脂经过螯合处理(C-SAP)，其吸水能力大幅降低，当其与碳酸盐接触时，吸水能力可快速恢复。螯合处理能防止高吸水性树脂在水泥基材料制备时吸收拌和用水，影响水泥基材料的工作性能和力学性能，同时防止其在裂缝修复前丧失膨胀能力。
本发明所述的水泥渗透结晶防水材料中的活性物质能够与水泥材料中的钙离子发生反应，并且渗透到水泥基材料的毛细孔道或微裂缝中。在潮湿的环境下，这些活性物质能够与水泥水化产物Ca(OH)2、Ca+反应生成难溶性钙盐，对毛细管道和裂缝进行填补，同时使得水泥基材料变得更加致密。
本发明所用高性能膨胀剂是一种常见的建筑材料外加剂，在水泥基材料体系中，加入高性能膨胀剂可以促进钙矾石的生成。钙矾石可填充于裂缝中，修复裂缝。
本发明所述的溶胀性树脂为聚乙烯醇(PVA)，醇解度99％，溶于水后具有一定得黏性，可以黏结芯材的粉末，还能起到缓释芯材的作用。
本发明所述的可再分散性乳胶粉，具有良好的可再分散性，加水后仍可再乳化成稳定的聚合物乳液，是一种常用的防水材料，具有突出的防水性能，粘结强度好。
本发明所述的一种用于流水环境下水泥基材料微裂缝自修复的微胶囊，采用等质量代替细集料的方式掺入水泥基材料中。
附图说明
图1为一种用于流水环境下水泥基材料微裂缝自修复的微胶囊的制备流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
以下实施例中用到的原料来源及其相关参数如下表：
实施例1
本实施例各组分配比如下：
上述自修复微胶囊的制备方法如下：
按溶胀性树脂:水＝1:99的比例配置溶胀性树脂水溶液，倒入喷壶中；将螯合高吸水性树脂、水泥渗透结晶防水材料和高性能膨胀剂混合，搅拌均匀后倒入圆锅造粒机中以35r/min的转速旋转，同时喷洒溶胀性树脂水溶液制造粒芯材；所得芯材颗粒烘干后，过筛选择0.25mm及以下的粒径；按可再分散性乳胶粉:水＝1:9的比例配置可再分散性乳胶粉水溶液，倒入喷壶中；按芯材:硅酸盐水泥＝1:2的比例混合均匀，倒入圆锅造粒机中35r/min的转速旋转，并喷洒可再分散性乳胶粉水溶液制造粒自修复微胶囊，将微胶囊置于室温20℃，湿度70％的条件下养护7天，选取粒径为0.25～1.18mm的自修复颗粒。
修复性能：使用修复性能事前评价装置(详见CN202110449200.5)，控制水头高度在50mm，进行渗水试验，掺入体积掺量20％的微胶囊，41.7小时可修复0.5mm的裂缝。
实施例2
本实施例各组分配比如下：
上述自修复微胶囊的制备方法参见实施例1。
修复性能：使用修复性能事前评价装置(详见CN202110449200.5)，控制水头高度在50mm，进行渗水试验，掺入体积掺量30％的微胶囊，35.4小时可修复0.6mm的裂缝。
以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，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 (3)
1.一种用于流水环境下水泥基材料微裂缝自修复的微胶囊，其特征在于，由以下质量百分比的原料制成：
其中，
螯合高吸水性树脂为白色粉末，粒径为80目及以下，经鳌合处理后的高吸水性树脂遇水时不会吸水膨胀，解鳌合后高吸水性树脂可恢复吸水膨胀功能；
水泥渗透结晶防水材料为粉末状固体，细度在80目及以下；其主要成分包括硅酸盐水泥、细砂、柠檬酸钠和碳酸钠；
可再分散性乳胶粉为白色粉末，主要成分为醋酸乙烯酯/乙烯共聚胶粉，粒径在400μm以下；
所述的用于流水环境下水泥基材料微裂缝自修复的微胶囊的制备方法包括以下步骤：
A.将溶胀性树脂加入水中，加热至80～85℃，搅拌使其充分溶解分散，得到溶胀性树脂水溶液；
B.将螯合高吸水性树脂、水泥渗透结晶防水材料和高性能膨胀剂混合均匀后倒入圆锅造粒机中，控制圆锅以35～45r/min的转速旋转，同时喷入溶胀性树脂水溶液，使潮湿的粉末之间发生粘结形成颗粒，烘干后过筛选择0.25mm及以下的粒径，得到自修复芯材；
C.将可再分散性乳胶粉加入水中，加热至70～80℃，搅拌使其溶解分散，得到可再分散性胶粉水溶液；
D.将自修复芯材和普通硅酸盐水泥混合均匀后倒入圆锅造粒机中，控制圆锅以35～45r/min的转速旋转，同时喷入可再分散性乳胶粉水溶液，使水泥附着在芯材上形成外壳；
E.将裹壳的芯材放在室温20℃，湿度70％以下的条件下养护7天，过筛选择0.25～1.18mm的粒径，得到裂缝自修复微胶囊。
2.如权利要求1所述的用于流水环境下水泥基材料微裂缝自修复的微胶囊，其特征在于，由以下质量百分比的原料制成：
3.如权利要求1所述的用于流水环境下水泥基材料微裂缝自修复的微胶囊，其特征在于，由以下质量百分比的原料制成：
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