CN109608148B - 刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料及其制备方法和应用，涉及建筑灌浆料技术领域。本发明的刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料，包括以下重量份的原料：胶凝材料70.5～88.5份，石英砂55～74份，轻质碳酸钙0.08～0.12份，纳米碳酸钙0.06～0.12份，纳米粉末橡胶0.05～0.1份，助剂0.4～0.9份。该灌浆料的制备方法包括：改性纳米粉末橡胶的制备、灌浆料干粉的制备、灌浆料的制备等。本发明的刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料，改变了灌浆料的界面结构和硬化后的基体结构，使其具有优异的施工性能、抗压强度、抗裂性和耐腐蚀性能，能适应更加恶劣的环境和复杂的工况。

Description

刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及建筑灌浆料技术领域，特别是涉及刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料及其制备方法和应用。

背景技术

灌浆材料最早是在二战中由于军事需要而出现的，到20世纪50年代，开始应用于工业部门的机械设备安装中。灌浆料最早是粘土和石灰类，逐渐发展为水泥类灌浆材料和化学类灌浆材料，到目前应用最多的是水泥基类灌浆料。水泥基类灌浆料是以高强度材料作为骨料，以水泥作为外加剂或助剂，辅以高流态、微膨胀、放离析等物质配制而成，在施工现场加水搅拌均匀后即可使用。相比于化学类灌浆材料，毒副作用小、污染小。

目前，水泥基灌浆料的抗折强度比较低，韧性较差，抗侵蚀能力比较差，难以适应恶劣的环境。

发明内容

基于此，有必要针对现有的水泥基灌浆料的抗折强度低、韧性较差、抗侵蚀能力差的技术问题，提供一种刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料及其制备方法和应用。

一种刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料，包括以下重量份的原料：

上述刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料，以0.1μm以下的纳米碳酸钙和纳米粉末橡胶分别作为刚性和弹性微粒进行增强和增韧，改变了灌浆料的界面结构和硬化后的基体结构，使得硬化后的灌浆料的具有优异的施工性能、抗压强度、抗裂性和耐腐蚀性能，能适应更加恶劣的环境和复杂的工况，甚至可以适应海底的环境。

在其中一个实施例中，所述胶凝材料由以下原料组成：

在其中一个实施例中，所述石英砂由以下重量份的原料组成：

该颗粒级配的石英砂，与胶凝材料组成的基质配合，组成的具有的特定粒度堆积的结构，产品流变性能好、颗粒分散性佳，使用时气泡产生率低，硬化后内部结构紧密。

在其中一个实施例中，所述助剂由以下重量份的原料组成：

硅烷偶联剂 0.00025～0.0008份，

羟丙基甲基纤维素 0.1～0.3份，

减水剂 0.3～0.5份。

在其中一个实施例中，所述硅酸盐水泥为52.5和/或52.5R。

在其中一个实施例中，所述石膏粉的硫酸钙含量≥90％，其粒径小于44μm。

在其中一个实施例中，所述硅微粉中的SiO₂含量≥94％，其中位径d₅₀为0.3～0.6μm。

在其中一个实施例中，所述矿渣粉为S95和/或S105，其比表面积为2100～2500m²/kg。

在其中一个实施例中，所述羟丙基甲基纤维素的粘度为3500～4000mPa·s。

在其中一个实施例中，所述减水剂为聚羧酸减水剂，其减水效率为28～30％。

在其中一个实施例中，所述轻质碳酸钙的纯度大于99％，其粒径为10～15μm。

在其中一个实施例中，所述偶联剂为KH560。

在其中一个实施例中，所述石英砂中SiO₂的含量≥99.5％。

在其中一个实施例中，所述纳米碳酸钙的纯度大于99％。

在其中一个实施例中，所述纳米粉末橡胶为纳米丁氰橡胶，粒径为40～60nm。

本发明还包括，上述刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、制备改性纳米粉末橡胶：将硅烷偶联剂与水混合，使硅烷偶联剂溶解，再加入纳米粉末橡胶，混合均匀后，得到改性纳米粉末橡胶；

步骤2、制备灌浆料干粉：将石英砂混合均匀，加入胶凝材料、轻质碳酸钙和其它助剂，继续混合均匀，然后再加入纳米碳酸钙和步骤1中得到的改性纳米粉末橡胶，混合后得到灌浆料干粉；

步骤3、制备灌浆料：向步骤2得到的灌浆料干粉中加水，其中水胶比为0.3～0.5，混合均匀，即得刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料。水胶比为：加水量和胶凝材料的用量比值。

上述制备方法，使用偶联剂对纳米粉末橡胶改性，改性纳米粉末橡胶提高了其自身在无机材料体系中的分散度的同时，提高了与无机材料间的牢固程度，能加强增韧效果；以纳米碳酸钙和改性纳米粉末橡胶分别作为刚性和弹性微粒进行增强和增韧，改变了灌浆料的界面结构和硬化后的基体结构，使得硬化后的灌浆料的具有优异的施工性能、抗压强度、抗裂性和耐腐蚀性能，能适应更加恶劣的环境和复杂的工况，甚至可以适应海底的环境。

在其中一个实施例中，所述步骤1中：水的温度为75～80℃；将纳米粉末橡胶加入到硅烷偶联剂溶液中混合均匀后，微波干燥3～5min，微波频率为5000～6000MHz，微波干燥温度为30～40℃；得到的改性纳米粉末橡胶的固含量为15～20％；

所述步骤2中：石英砂混合搅拌的时间为2～3min，加入胶凝材料、轻质碳酸钙和其它助剂后的混合搅拌的时间为2～5min，加入纳米碳酸钙和改性纳米粉末橡胶后混合搅拌的时间为2～5min，搅拌的速率均为300～1000r/min；

所述步骤3中，灌浆料和水的混合在超声搅拌锅中进行，搅拌转速为1000～1200r/min，搅拌时间为3～5min，得到的刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料。

本发明还包括，上述刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料在建筑物结构的补强和加固中的应用。

本发明的刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料，以纳米碳酸钙和改性纳米粉末橡胶分别作为刚性和弹性微粒进行增强和增韧，改变了灌浆料的界面结构和硬化后的基体结构，使得硬化后的灌浆料的具有优异的施工性能、抗压强度、抗裂性和耐腐蚀性能，能适应更加恶劣的环境和复杂的工况，甚至可以适应海底的环境。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、本发明的刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料，以纳米碳酸钙和改性纳米粉末橡胶分别作为刚性和弹性微粒进行增强和增韧，改变了灌浆料的界面结构和硬化后的基体结构，使得硬化后的灌浆料的具有优异的施工性能、抗压强度、抗裂性和耐腐蚀性能，能适应更加恶劣的环境和复杂的工况，甚至可以适应海底的环境。

二、纳米碳酸钙与轻质碳酸钙配合使用，作为早强剂，促进灌浆料早期强度的提高的同时，促进了后期强度的发展。

三、改性纳米粉末橡胶提高了其自身在无机材料体系中的分散度的同时，提高了与无机材料间的牢固程度，能加强增韧效果。

四，具有颗粒级配的石英砂，与胶凝材料组成的基质配合，组成的具有的特定粒度堆积的结构，产品流变性能好、颗粒分散性佳，使用时气泡产生率低，硬化后内部结构紧密。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合较佳的实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1

一种刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料，通过以下方法制备得到：

步骤1、制备改性纳米粉末橡胶：将硅烷偶联剂(KH560)0.0005份加入到80℃的水中，使其溶解，然后再加入纳米粉末橡胶0.1份，该纳米粉末橡胶为纳米丁氰橡胶，粒径为60nm，搅拌均匀后，微波干燥4min，微波频率为5000MHz，微波干燥温度为35℃，得到改性纳米丁氰橡胶；

步骤2、制备灌浆料干粉：将1180～600μm的石英砂10份、600～300μm的石英砂10份、300～150μm的石英砂22份、150～44μm的石英砂16份、44μm以下的石英砂6份混合搅拌3min，然后加入硅酸盐水泥55份、石膏粉8份、硅微粉4份、矿渣粉12份、羟丙基甲基纤维素0.2份、减水剂0.4份、轻质碳酸钙0.1份，混合搅拌3min，加入纳米碳酸钙0.1份和步骤1中得到的改性纳米丁氰橡胶，然后混合搅拌的时间为3min，搅拌的速率均为600r/min，得到灌浆料干粉；

步骤3、制备灌浆料：向步骤2得到的灌浆料干粉中加水，其中水胶比为0.4，搅拌混合均匀，搅拌转速为1100r/min，搅拌时间为4min，即得。

实施例2

一种刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料，通过以下方法制备得到：

步骤1、制备改性纳米粉末橡胶：将硅烷偶联剂(KH560)0.00025份加入到80℃的水中，使其溶解，然后再加入纳米粉末橡胶0.1份，该纳米粉末橡胶为纳米丁氰橡胶，粒径为60nm，搅拌均匀后，微波干燥3min，微波频率为6000MHz，微波干燥温度为30℃，得到改性纳米丁氰橡胶；

步骤2、制备灌浆料干粉：将1180～600μm的石英砂9份、600～300μm的石英砂12份、300～150μm的石英砂20份、150～44μm的石英砂18份、44μm以下的石英砂4份混合搅拌3min，然后加入硅酸盐水泥50份、石膏粉8.5份、硅微粉3份、矿渣粉15份、羟丙基甲基纤维素0.1份、减水剂0.5份、轻质碳酸钙0.08份，混合搅拌3min，加入纳米碳酸钙0.06份和步骤1得到的改性纳米丁氰橡胶，然后混合搅拌的时间为3min，搅拌的速率均为600r/min，得到灌浆料干粉；

步骤3、制备灌浆料：向步骤2得到的灌浆料干粉中加水，其中水胶比为0.3，搅拌混合均匀，搅拌转速为1000r/min，搅拌时间为5min，即得。

实施例3

一种刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料，通过以下方法制备得到：

步骤1、制备改性纳米粉末橡胶：将硅烷偶联剂(KH560)0.0008份加入到80℃的水中，使其溶解，然后再加入纳米粉末橡胶0.05份，该纳米粉末橡胶为纳米丁氰橡胶，粒径为60nm，搅拌均匀后，微波干燥3min，微波频率为5500MHz，微波干燥温度为40℃，得到改性纳米丁氰橡胶；

步骤2、制备灌浆料干粉：将1180～600μm的石英砂11份、600～300μm的石英砂8份、300～150μm的石英砂25份、150～44μm的石英砂14份、44μm以下的石英砂8份混合搅拌2min，然后加入硅酸盐水泥60份、石膏粉7.5份、硅微粉5份、矿渣粉10份、羟丙基甲基纤维素0.3份、减水剂0.3份、轻质碳酸钙0.12份，混合搅拌5min，加入纳米碳酸钙0.12份和步骤1得到的改性纳米丁氰橡胶，然后混合搅拌的时间为2min，搅拌的速率均为1000r/min，得到灌浆料干粉；

步骤3、制备灌浆料：向步骤2得到的灌浆料干粉中加水，其中水胶比为0.5，搅拌混合均匀，搅拌转速为1200r/min，搅拌时间为3min，即得。

实施例4

一种刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料，与实施例1的制备方法基本相同，区别在于，1180～600μm的石英砂9份、600～300μm的石英砂8份、300～150μm的石英砂20份、150～44μm的石英砂14份、44μm以下的石英砂4份。

实施例5

一种灌浆料，与实施例1的制备方法基本相同，区别在于，石英砂替换为300～150μm石英砂66份。

为了与上述实施例形成对比，设置以下对比例。

对比例1

一种灌浆料，与实施例1的制备方法基本相同，区别在于，纳米丁氰橡胶的粒径为200nm。

对上述实施例和对照例得到的灌浆料进行性能测试，包括流动度、抗压强度、抗折强度、竖向膨胀率、泌水率等参数。

实验例

各性能参数测试的方法如下：

(1)流动度、强度、竖向膨胀率的试验应采用JG/T 408的附录有关规定执行；

(2)泌水率试验按照GB/T 50080进行。

测试结果如下表所示：

表1灌浆料性能测试结果

由以上测试结果可知，以本发明中选取的纳米碳酸钙和改性纳米粉末橡胶分别作为刚性和弹性微粒进行增强和增韧，使得硬化后的灌浆料的具有更好的施工性能、抗压强度、抗裂性和耐腐蚀性能。采用颗粒级配的石英砂，相对于没有采用颗粒级配的石英砂，得到的产品性能更好。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料，其特征在于，包括以下重量份的原料：

所述纳米粉末橡胶为纳米丁氰橡胶，粒径为40～60nm；

所述胶凝材料由以下原料组成：

所述石英砂由以下重量份的原料组成：

所述助剂由以下重量份的原料组成：

硅烷偶联剂 0.00025～0.0008份，

羟丙基甲基纤维素 0.1～0.3份，

减水剂 0.3～0.5份。

2.根据权利要求1所述的刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料，其特征在于，所述硅酸盐水泥为52.5和/或52.5R；所述石膏粉的硫酸钙含量≥90％，其粒径小于44μm；所述硅微粉中的SiO₂含量≥94％，其中位径d₅₀为0.3～0.6μm；所述矿渣粉为S95和/或S105，其比表面积为2100～2500m²/kg。

3.根据权利要求1所述的刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料，其特征在于，所述羟丙基甲基纤维素的粘度为3500～4000mPa·s；所述减水剂为聚羧酸减水剂，其减水效率为28～30％；所述轻质碳酸钙的纯度大于99％，其粒径为10～15μm；所述偶联剂为KH560。

4.根据权利要求1～3任一项所述的刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料，其特征在于，所述石英砂中SiO₂的含量≥99.5％；所述纳米碳酸钙的纯度大于99％。

5.一种权利要求4所述的刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、制备改性纳米粉末橡胶：将硅烷偶联剂与水混合，使硅烷偶联剂溶解，然后再加入纳米粉末橡胶，混合均匀后，得到改性纳米粉末橡胶；

步骤2、制备灌浆料干粉：将石英砂混合均匀，加入胶凝材料、轻质碳酸钙和其它助剂，混合均匀，再加入纳米碳酸钙和步骤1中得到的改性纳米粉末橡胶，混合后得到灌浆料干粉；

步骤3、制备灌浆料：向步骤2得到的灌浆料干粉中加水，其中水胶比为0.3～0.5，混合均匀，即得刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料。

6.根据权利要求5所述的刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料的制备方法，其特征在于，

所述步骤1中：水的温度为75～80℃；将纳米粉末橡胶加入到硅烷偶联剂溶液中混合均匀后，微波干燥3～5min，微波频率为5000～6000MHz，微波干燥温度为30～40℃；得到的改性纳米粉末橡胶的固含量为15～20％；

所述步骤2中：石英砂混合搅拌的时间为2～3min，加入胶凝材料、轻质碳酸钙和其它助剂后的混合搅拌的时间为2～5min，加入纳米碳酸钙和改性纳米粉末橡胶后混合搅拌的时间为2～5min，搅拌的速率均为300～1000r/min；

所述步骤3中，灌浆料和水的混合在超声搅拌锅中进行，搅拌转速为1000～1200r/min，搅拌时间为3～5min，得到的刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料。

7.一种权利要求1～4任一项所述的刚弹性纳米粉协同增强增韧灌浆料在建筑物结构的补强和加固中的应用。