CN116332575A - 一种海下聚合物水泥基砂浆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海下聚合物水泥基砂浆及其制备方法，属于海洋工程海床平整和修复技术领域。其中聚合物水泥基砂浆由水泥、细砂、絮凝剂、速凝剂和粉状减水剂制备而成。所述絮凝剂为聚丙烯单体等成份合成的，所述速凝剂为水性环氧等成份合成的速凝剂。该聚合物水泥砂浆及其制备方法，通过絮凝剂、速凝剂的设置，提高了聚合物水泥砂浆在海洋环境中的流动度和各项力学性能，同时降低了聚合物水泥砂浆的水下分散的特性，具有良好的海床面平整和修复的作用。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程海床平整和修复技术领域，具体为一种海下聚合物水泥基砂浆及其制备方法。
背景技术
由水泥颗粒、砂和水的混合物加入聚合物材料叫聚合物水泥砂浆。聚合物水泥砂浆是一种新型的砂浆材料，与传统水泥砂浆相比，聚合物水泥砂浆具有更好的粘结性和耐久性，能够提高砂浆的抗拉强度、抗压强度和耐久性。同时，由于聚合物的加入，聚合物水泥砂浆具有更好的柔韧性和韧性，能够适应不同的温度和湿度条件下的变化。另外，聚合物水泥砂浆具有较好的施工性能，易于施工和维护，减少了施工成本和工期。
在试验本申请的过程中，发明人发现该技术至少存在如下问题，目前水泥砂浆在海下使用存在的缺陷主要包括以下几个方面：1.强度不足，易产生龟裂；2.耐久性差，易受海水腐蚀；3.施工难度大，需要采用高强度钢模板。这些缺陷的存在是由于海洋环境的复杂性和水泥砂浆本身的性质造成的。海洋环境中存在盐分、海水浪潮、海水侵蚀等因素，这些因素会对水泥砂浆的性能产生一定的影响。同时，水泥砂浆本身存在的孔隙和微裂缝也容易受到海水的侵蚀，导致强度降低和耐久性下降。而聚合物够有效提高海洋环境中砂浆可施工性能，同时保证海洋环境中的水泥砂浆强度。聚合物水泥砂浆的制备过程较为复杂，需要严格控制材料的配比和混合过程以达到使用要求，故而需要进一步的改进。
发明内容
本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题，提供了一种海下聚合物水泥基砂浆及其制备方法，提高了聚合物水泥砂浆在海洋环境中的施工性能和力学性能。
本发明采用以下技术方案：一种海下聚合物水泥基砂浆，包括以下原料：水泥、细砂、絮凝剂、速凝剂和粉状减水剂；
所述絮凝剂至少包括以下成分：聚丙烯单体、过硫酸铵和聚丙烯酰胺；所述速凝剂至少包括：水性环氧树脂、丙酮、聚乙烯醇和聚胺硬脂酸酯。
在进一步的实施例中，所述原料按照质量份数如下：
水泥100～200份、细砂150～300份、絮凝剂15～35份、速凝剂9～18份和粉状减水剂1～2份。
在进一步的实施例中，所述聚丙烯单体和过硫酸铵的质量分数配比为1:0.01～0.05，聚丙烯酰胺的用量为聚丙烯单体的1wt％～3wt％。
在进一步的实施例中，所述丙酮的含量不超过15wt％，聚乙烯醇含量不超过1wt％，改性水性环氧树脂和聚胺硬脂酸酯的质量分数配比为1:1.5～3。
一种海下聚合物水泥基砂浆的制备方法，至少包括以下步骤：
步骤一、预先配制絮凝剂和速凝剂，将所述絮凝剂和速凝剂搅拌混合得到混合液；
步骤二、按照预定份数比将水泥和细砂进行混合搅拌至均匀，并加入步骤一制备得到的混合液混合搅拌；
步骤三、缓慢加入粉状减水剂和水进行混合，充分搅拌均匀直至水泥无结团状。
在进一步的实施例中，所述絮凝剂的制备流程如下：
将聚丙烯单体和过硫酸铵加入反应釜中，于75～85℃中反应9～11小时后，将聚丙烯酰胺加入至反应釜中进行混合直至混合物中无聚集和结块现象；
对所述混合物进行过滤、干燥处理，得到改性的絮凝剂颗粒；将所述改性的絮凝剂颗粒和水按照质量分数配比为2:5的比例混合制成絮凝剂。
在进一步的实施例中，所述速凝剂的制备方法如下：将水性环氧树脂、丙酮和聚乙烯醇加入反应釜中，并在恒温搅拌下混合均匀，加入聚胺硬脂酸酯，与改性的水性环氧树脂充分混合形成速凝剂。
在进一步的实施例中，所述步骤二中的混合搅拌时长为20～30分钟。
本发明的有益效果：本发明通过配制絮凝剂和速凝剂，使聚合物水泥基砂浆在海洋环境中的不分散性得到显著提升，同时保留聚合物水泥基砂浆的流动性足以满足施工需求。在此基础之上，本发明制备得到的聚合物水泥基砂浆的其他力学性能均有显著的提升，如抗剪强度、抗压强度以及粘接强度。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的描述。
实施例1
本实施例公开了一种海下聚合物水泥基砂浆，包括以下原料：水泥、细砂、絮凝剂、速凝剂和粉状减水剂。在本实施例中，原料按照质量份数如下：水泥100～200份、细砂150～300份、絮凝剂15～35份、速凝剂9～18份和粉状减水剂1～2份。
具体的，絮凝剂包括以下成分：聚丙烯单体、过硫酸铵和聚丙烯酰胺；聚丙烯单体和过硫酸铵的质量分数配比为1:0.01～0.05，聚丙烯酰胺的用量为聚丙烯单体的1wt％～3wt％。
速凝剂包括：水性环氧树脂、丙酮、聚乙烯醇和聚胺硬脂酸酯；其中，丙酮的含量不超过15wt％，聚乙烯醇含量不超过1wt％，改性水性环氧树脂和聚胺硬脂酸酯的质量分数配比为1:1.5～3。
需要说明的是，絮凝剂的主要成分为聚丙烯单体，改性后的聚丙烯单体为一种聚合物乳液，具有良好的分散性和稳定性，能够在水泥砂浆中形成均匀的分散体系，降低砂浆的粘度和表面张力，从而提高砂浆的流动性和施工性能。另外，聚丙烯单体能够与水泥胶体形成复合物，改善水泥颗粒间的结合力，提高砂浆的抗拉强度、抗压强度和耐久性；同时填充水泥砂浆中的毛细孔隙，减少渗水、渗气，提高砂浆的耐水性和耐久性。
速凝剂的主要成分为水性环氧树脂，与絮凝剂混合后形成一种复合改性剂，复合改性剂进一步改善水泥、砂浆的性能。换言之，水性环氧树脂是是一种优良的固化剂，具有优异的耐水性、耐候性和耐腐蚀性等性能；将其与絮凝剂混合后，可以形成复合改性体系，不仅提高了砂浆的抗拉强度、抗压强度和硬度等机械性能，还提高了其耐水、耐久性等性能。
粉状减水剂能够有效提升水泥砂浆的流动性，使改性水泥砂浆施工性能大幅提升，具备优秀的水下施工性能和工作性能。
实施例2
为了制备实施例1中的海下聚合物水泥基砂浆，本实施例提供了一种海下聚合物水泥基砂浆的制备方法，包括以下步骤：
材料的配制：选取聚丙烯单体、过硫酸铵和聚丙烯酰胺作为絮凝剂的原料，其中聚丙烯单体和过硫酸铵的质量分数配比为1:0.01～0.05，聚丙烯酰胺的用量为聚丙烯单体的1wt％～3wt％。选取水性环氧树脂、丙酮、聚乙烯醇和聚胺硬脂酸酯作为速凝剂的原料，其中，丙酮的含量不超过15wt％，聚乙烯醇含量不超过1wt％，改性水性环氧树脂和聚胺硬脂酸酯的质量分数配比为1:1.5～3。水泥为52.5R以上级普通硅酸盐水泥。
步骤二、确定材料的配比：水泥100份、细砂150份、絮凝剂15份、速凝剂9份和粉状减水剂1份。
步骤三、按照步骤一中的配比配制絮凝剂和速凝剂，将所述絮凝剂和速凝剂搅拌混合得到混合液；
将水泥和砂浆按照1:15的质量份数比进行称重，将称好的水泥和细沙进行混合搅拌至均匀，混合搅拌时长为20～30分钟。复合改性剂充分包裹水泥砂浆颗粒，使水泥砂浆具有良好的耐水、耐久性。
步骤四、缓慢加入粉状减水剂和水进行混合，充分搅拌均匀直至水泥无结团状。
需要说明的是，配制的聚合物水泥砂浆需在5h内用完，当聚合物水泥砂浆内部出现大颗粒凝结物后需停止使用。
本发明制备得到的絮凝剂由于其分子结构中含有大量的可弯曲链段，这些链段能够在聚合物链间发生摩擦和变形，从而提高了聚合物的柔韧性，同时，该絮凝剂的柔韧性也有利于与水泥颗粒充分混合，并在砂浆中形成致密的骨架结构，提高砂浆的强度，可在水泥砂浆中形成柔韧性的凝胶体系。而速凝剂分子结构中含有交联结构或具有一定的分子量分布，这些结构能够使聚合物分子在形成聚合物网络时具有一定的弹性，，从而提高砂浆的弹性。将二者混合后，可以形成一种既具有柔韧性又具有弹性的复合胶凝体系，从而提高砂浆的耐冲击性和耐震性。
因此，本发明中的絮凝剂的制备方法如下：将聚丙烯单体和过硫酸铵加入反应釜中，于75～85℃中反应9～11小时后，优选为于80℃中反应10小时。将聚丙烯酰胺加入至反应釜中进行混合直至混合物中无聚集和结块现象；对所述混合物进行过滤、干燥处理，得到改性的絮凝剂颗粒；将所述改性的絮凝剂颗粒和水按照质量分数配比为2:5的比例混合制成絮凝剂。
速凝剂的制备方法如下：将水性环氧树脂、丙酮和聚乙烯醇加入反应釜中，并在恒温搅拌下混合均匀，加入聚胺硬脂酸酯，与改性的水性环氧树脂充分混合形成速凝剂。
实施例3
为了制备实施例1中的海下聚合物水泥基砂浆，本实施例提供了一种海下聚合物水泥基砂浆的制备方法，包括以下步骤：
材料的配制：选取聚丙烯单体、过硫酸铵和聚丙烯酰胺作为絮凝剂的原料，其中聚丙烯单体和过硫酸铵的质量分数配比为1:0.01～0.05，聚丙烯酰胺的用量为聚丙烯单体的1wt％～3wt％。选取水性环氧树脂、丙酮、聚乙烯醇和聚胺硬脂酸酯作为速凝剂的原料，其中，丙酮的含量不超过15wt％，聚乙烯醇含量不超过1wt％，改性水性环氧树脂和聚胺硬脂酸酯的质量分数配比为1:1.5～3。水泥为52.5R以上级普通硅酸盐水泥。
步骤二、确定材料的配比：水泥150份、细砂225份、絮凝剂27份、速凝剂13份和粉状减水剂1.5份。
步骤三、按照步骤一中的配比配制絮凝剂和速凝剂，将所述絮凝剂和速凝剂搅拌混合得到混合液；
将水泥和砂浆按照1:15的质量份数比进行称重，将称好的水泥和细沙进行混合搅拌至均匀，混合搅拌时长为20～30分钟。复合改性剂充分包裹水泥砂浆颗粒，使水泥砂浆具有良好的耐水、耐久性。
步骤四、缓慢加入粉状减水剂和水进行混合，充分搅拌均匀直至水泥无结团状。
需要说明的是，配制的聚合物水泥砂浆需在5h内用完，当聚合物水泥砂浆内部出现大颗粒凝结物后需停止使用。
本发明制备得到的絮凝剂具有较好的柔韧性，可在水泥砂浆中形成柔韧性的凝胶体系，而速凝剂则具有较好的弹性，进一步提高砂浆的弹性。将二者混合后，可以形成一种既具有柔韧性又具有弹性的复合胶凝体系，从而提高砂浆的耐冲击性和耐震性。
因此，本发明中的絮凝剂的制备方法如下：将聚丙烯单体和过硫酸铵加入反应釜中，于75～85℃中反应9～11小时后，优选为于80℃中反应10小时。将聚丙烯酰胺加入至反应釜中进行混合直至混合物中无聚集和结块现象；对所述混合物进行过滤、干燥处理，得到改性的絮凝剂颗粒；将所述改性的絮凝剂颗粒和水按照质量分数配比为2:5的比例混合制成絮凝剂。
速凝剂的制备方法如下：将水性环氧树脂、丙酮和聚乙烯醇加入反应釜中，并在恒温搅拌下混合均匀，加入聚胺硬脂酸酯，与改性的水性环氧树脂充分混合形成速凝剂。
实施例4
为了制备实施例1中的海下聚合物水泥基砂浆，本实施例提供了一种海下聚合物水泥基砂浆的制备方法，包括以下步骤：
材料的配制：选取聚丙烯单体、过硫酸铵和聚丙烯酰胺作为絮凝剂的原料，其中聚丙烯单体和过硫酸铵的质量分数配比为1:0.01～0.05，聚丙烯酰胺的用量为聚丙烯单体的1wt％～3wt％。选取水性环氧树脂、丙酮、聚乙烯醇和聚胺硬脂酸酯作为速凝剂的原料，其中，丙酮的含量不超过15wt％，聚乙烯醇含量不超过1wt％，改性水性环氧树脂和聚胺硬脂酸酯的质量分数配比为1:1.5～3。水泥为52.5R以上级普通硅酸盐水泥。
步骤二、确定材料的配比：水泥200份、细砂300份、絮凝剂32份、速凝剂18份和粉状减水剂2份。
步骤三、按照步骤一中的配比配制絮凝剂和速凝剂，将所述絮凝剂和速凝剂搅拌混合得到混合液；
将水泥和砂浆按照1:15的质量份数比进行称重，将称好的水泥和细沙进行混合搅拌至均匀，混合搅拌时长为20～30分钟。复合改性剂充分包裹水泥砂浆颗粒，使水泥砂浆具有良好的耐水、耐久性。
步骤四、缓慢加入粉状减水剂和水进行混合，充分搅拌均匀直至水泥无结团状。
需要说明的是，配制的聚合物水泥砂浆需在5h内用完，当聚合物水泥砂浆内部出现大颗粒凝结物后需停止使用。
本发明制备得到的絮凝剂具有较好的柔韧性，可在水泥砂浆中形成柔韧性的凝胶体系，而速凝剂则具有较好的弹性，进一步提高砂浆的弹性。将二者混合后，可以形成一种既具有柔韧性又具有弹性的复合胶凝体系，从而提高砂浆的耐冲击性和耐震性。
因此，本发明中的絮凝剂的制备方法如下：将聚丙烯单体和过硫酸铵加入反应釜中，于75～85℃中反应9～11小时后，优选为于80℃中反应10小时，充分引发聚合反应。将聚丙烯酰胺加入至反应釜中进行混合直至混合物中无聚集和结块现象；对所述混合物进行过滤、干燥处理，得到改性的絮凝剂颗粒；将所述改性的絮凝剂颗粒和水按照质量分数配比为2:5的比例混合制成絮凝剂。
速凝剂的制备方法如下：将水性环氧树脂、丙酮和聚乙烯醇加入反应釜中，并在恒温搅拌下混合均匀，加入聚胺硬脂酸酯，与改性的水性环氧树脂充分混合形成速凝剂。
依据《水工混凝土试验规程》(SL352-2020)制备聚合物水泥砂浆。将新拌的聚合物水泥砂浆置于跳桌上的截锥状试模中，依据《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)测量该配比的聚合物水泥砂浆流动度。依据《水下不分散混凝土试验规程》(DL/T 5117-2021)进行水下不分散性能试验。
改性聚合物水泥砂浆施工性能如下：
实验数据显示改性聚合物水泥砂浆的流动度均在220mm以上，且无泌水现象，可以实现水下自流平，具有高流动性。同时具有良好的水下不分散性能，悬浊物含量低于80mg/L。
依据《水工混凝土试验规程》(SL352-2020)测量聚合物水泥砂浆粘接强度，依据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671-2021)测量聚合物水泥砂浆的抗折、抗压强度，其中试件均采用水下成型养护方式。
改性聚合物水泥砂浆施工性能如下：
实验数据显示改性聚合物水泥砂浆1d抗剪强度均在4MPa以上，抗压强度大于18MPa，与基底粘接强度大于2.3MPa，早期工作性能良好。
Claims (8)
1.一种海下聚合物水泥基砂浆，其特征在于，包括以下原料：水泥、细砂、絮凝剂、速凝剂和粉状减水剂；
所述絮凝剂至少包括以下成分：聚丙烯单体、过硫酸铵和聚丙烯酰胺；所述速凝剂至少包括：水性环氧树脂、丙酮、聚乙烯醇和聚胺硬脂酸酯。
2.根据权利要求1所述一种海下聚合物水泥基砂浆，其特征在于，所述原料按照质量份数如下：
水泥100~200份、细砂150~300份、絮凝剂15~35份、速凝剂9~18份和粉状减水剂1~2份。
3.根据权利要求1所述一种海下聚合物水泥基砂浆，其特征在于，所述聚丙烯单体和过硫酸铵的质量分数配比为1:0.01~0.05，聚丙烯酰胺的用量为聚丙烯单体的1wt%~3wt%。
4.根据权利要求1所述一种海下聚合物水泥基砂浆，其特征在于，所述丙酮的含量不超过15wt%，聚乙烯醇含量不超过1wt%，改性水性环氧树脂和聚胺硬脂酸酯的质量分数配比为1:1.5~3。
5.一种海下聚合物水泥基砂浆的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
步骤一、预先配制絮凝剂和速凝剂，将所述絮凝剂和速凝剂搅拌混合得到混合液；
步骤二、按照预定份数比将水泥和细砂进行混合搅拌至均匀，并加入步骤一制备得到的混合液混合搅拌；
步骤三、缓慢加入粉状减水剂和水进行混合，充分搅拌均匀直至水泥无结团状。
6.根据权利要求5所述的一种海下聚合物水泥基砂浆的制备方法，其特征在于，所述絮凝剂的制备流程如下：
将聚丙烯单体和过硫酸铵加入反应釜中，于75~85℃中反应9~11小时后，将聚丙烯酰胺加入至反应釜中进行混合直至混合物中无聚集和结块现象；
对所述混合物进行过滤、干燥处理，得到改性的絮凝剂颗粒；将所述改性的絮凝剂颗粒和水按照质量分数配比为2:5的比例混合制成絮凝剂。
7.根据权利要求5所述的一种海下聚合物水泥基砂浆的制备方法，其特征在于，所述速凝剂的制备方法如下：将水性环氧树脂、丙酮和聚乙烯醇加入反应釜中，并在恒温搅拌下混合均匀，加入聚胺硬脂酸酯，与改性的水性环氧树脂充分混合形成速凝剂。
8.根据权利要求5所述的一种海下聚合物水泥基砂浆的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的混合搅拌时长为20~30分钟。
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| CN103570298A (zh) * | 2013-09-30 | 2014-02-12 | 郑州大学 | 一种高强聚丙烯纤维聚合物水泥砂浆及其制备方法 |
| CN110304872A (zh) * | 2019-08-16 | 2019-10-08 | 陈晓星 | 一种纳米改性水泥基水下不分散材料及其制备方法 |
| CN115321885A (zh) * | 2022-08-04 | 2022-11-11 | 临沂天元混凝土工程有限公司 | 一种海工混凝土用聚合物改性水泥基修补砂浆及其制备方法 |
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