一种自修复地聚合物基渗透结晶防水材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种地聚合物防水材料及其制备方法，尤其涉及一种自修复地聚合物基渗透结晶防水材料及其制备方法。

背景技术：

2.在桥梁、隧道、道路工程中，绝大部分的病害都与水的侵蚀有关，水的侵蚀是缓慢而持久的，构筑物会在水、温度、湿度等因素的影响下，逐渐产生现有检测仪器难以发现的微小裂缝，因此，构筑物在施工、养护、修复过程中，防水作业刻不容缓。传统防水材料常采用沥青类、橡胶类、水泥类等，前两者存在窜水、分层、鼓包、耐久性差等问题，水泥类防水材料在成膜后韧性差，会随着构筑物沉降和错位影响防水效果；并且沥青类、橡胶类、水泥类防水材料能耗高，在生产过程中会产生大量的温室气体，严重污染环境；具有强度高、韧性好、耐久性好、结构致密、自修复性强的防水材料是未来的发展趋势。
3.地聚合物是由硅铝质原材料通过化学激发制备而成，具有硅氧四面体和铝氧四面体组成的三维立体网络结构，并有能耗低、污染性小、耐高温、耐酸碱、高强度等特点；碱激发地质聚合物材料二氧化碳排放量低，仅为普通硅酸盐水泥的1/5，具有广阔的发展前景。
4.针对传统防水材料的缺陷，结合地聚合物材料的优势，本发明创新性地提出一种有效解决防水、自修复微裂缝、低能耗的地聚合物防水材料。

技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种自修复地聚合物基渗透结晶防水材料及其制备方法，具有高渗透、高活性、高强度、自愈合、韧性好等特点，主要提高构筑物的防水、渗透和自愈合的能力，也可应用于裂缝的修复、填充，提高构筑物的抗渗、抗开裂、自愈合等性能。
6.本发明为实现上述技术目标而采用的技术方案是提供一种自修复地聚合物基渗透结晶防水材料，包含如下组分：偏高岭土20-50份、磨细矿渣微粉10-30份、粉煤灰5-8份、熔融硅微粉3-5份、碱性激活剂20-30份、表面改性剂2-5份、硅烷浸渍剂2-10份、渗透剂2-3份、减水剂0.5-2份、膨胀剂5-15份、缓凝剂0.1-1份、早强剂0.1-0.5份。
7.进一步的，所述表面改性剂由水溶性的聚乙烯醇粉末和水溶性偶联剂复配而成，其中水溶性聚乙烯醇粉末重量含量为20-60％，水溶性偶联剂重量含量为30-80％；水溶性聚乙烯醇粉末的粘度为20.0-55.0mpa
·
s，细度为80-200目，水溶性偶联剂种类为铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂和硼酸酯偶联剂中的一种或多种。
8.进一步的，所述渗透剂由脂肪醇聚氧乙烯醚、氨基硫酸钠和烷基磺酸钠组成，其中脂肪醇聚氧乙烯醚重量含量为50-60％，氨基硫酸钠重量含量为20-30％，烷基磺酸钠重量含量为20-30％。
9.进一步的，所述缓凝剂按重量组分由20-40％的三聚磷酸钠、10-30％的六偏磷酸钠、30-50％的蔗糖复配而成；纯度为98-100％。
10.进一步的，所述硅烷浸渍剂具有水溶性，由磷酸盐、铵盐、异辛基三乙氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、硅酸乙酯和乳化剂中的两种或多种复配而成。
11.进一步的，所述早强剂由三乙醇胺、甲酸钙、硫酸钠复配而成，其中三乙醇胺重量含量占50-60％，甲酸钙重量含量占15-20％，硫酸钠重量含量占20-30％；纯度为98-100％。
12.进一步的，所述熔融硅微粉由天然石英砂经950-1050℃的高温熔炼，冷却后形成非晶态的二氧化硅，再经破碎、粉磨、浮选、提纯、高纯水处理加工而成；d50 粒径分布为6.50-9.50μm，d90粒径分布为16.50-20.50μm，sio2重量含量为98-100％，烧失量为0-0.50％，物理减水率为2-3％。
13.进一步的，所述膨胀剂为复合膨胀剂，比表面积为250-380m2/kg，主要化学组成按重量占比为：硫酸铝钾10-30％、氧化铝25-35％、氧化钙10-30％、氧化镁10-25％、硫铝酸钙25-40％。
14.进一步的，所述碱性激活剂为钠水玻璃、钾水玻璃、锂水玻璃、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钠中的一种或多种，控制水玻璃的模数在1.2-2.4之间。
15.本发明为实现上述技术目标还提供一种上述自修复地聚合物基渗透结晶防水材料的制备方法，包括如下步骤：
16.s1)确定水料比为0.35-0.55，首先配制混合液a，准确称取碱性激活剂20-30 份、表面改性剂2-5份、硅烷浸渍剂2-10份、渗透剂2-3份、早强剂0.1-0.5份和总用水量的1/3，将其投入行星式搅拌机，搅拌至溶质完全溶解且混合液均匀为止，搅拌完成后置于烧杯中冷却备用，备用混合液a的温度与室温相当；
17.s2)然后配制混合液b，准确称取偏高岭土20-50份、磨细矿渣微粉10-30份、粉煤灰5-8份、熔融硅微粉3-5份、减水剂0.5-2份、膨胀剂5-15份、缓凝剂0.1-1 份和总用水量的2/3，将称取的原材料投放至行星式搅拌机中，搅拌3-5min至均匀，得到混合液b；
18.s3)其次一边缓慢搅拌混合液b，一边将混合液a徐徐倒入行星式搅拌机中，在1-2min倾倒完毕，继续搅拌2-3min至均匀，得到自修复地聚合物基渗透结晶防水浆液；
19.s4)最后将搅拌均匀的自修复地聚合物基渗透结晶防水浆液装入试模中，拆模后置于标准养护箱中养护成型，最终得到自修复地聚合物基渗透结晶防水材料。
20.本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的自修复地聚合物基渗透结晶防水材料，与传统的刚性或柔性防水材料相比，具有“刚柔并济”的特点，不但拥有较高的抗压强度，而且具有较好的韧性和耐久性，另外，其还有良好的自愈合性能；充分利用地聚合物材料的硅氧四面体三维网络结构，结合材料中的活性物质，当防水层或修补的裂缝发生病害时，碱激发反应和活性物质遇水再次被激活，缩聚成致密的结晶体，起到自修复的作用。可应用于路基防水、路面防水、隧道防水、桥面防水和高渗透注浆等领域。
具体实施方式
21.下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
22.本发明提供的自修复地聚合物基渗透结晶防水材料，包括以下重量份数：
[0023][0024][0025]
所述偏高岭土是经600-800℃高温焙烧活化、冷却、研磨等工艺制备而成，细度为200-1250目，主要化学成分为al2o3和sio2。
[0026]
所述磨细矿渣微粉比表面积为400-500m2/kg，28d活性指数为95-110％，主要化学成分重量组成为氧化钙35-45％、二氧化硅30-40％，氧化铝15-30％，氧化镁5-10％。
[0027]
所述粉煤灰为高钙含量粉煤灰，其是由烟道气体中收集而来，主要化学成分为 sio2和al2o3，cao重量含量为10-20％，比表面积为400-450m2/kg，28d活性指数为75-85％，需水量比为90-100％，烧失量为1-2％。
[0028]
所述熔融硅微粉是由天然石英砂经950-1050℃的高温熔炼，冷却后形成非晶态的二氧化硅，再经破碎、粉磨、浮选、提纯、高纯水处理等多道工艺加工而成；d50 为6.50-9.50μm，d90为16.50-20.50μm，sio2含量为98-100％，烧失量为0-0.50％，物理减水率为2-3％。
[0029]
至于辅助添加剂，现有技术大部分为单组分配方，虽然也有一些复配组分，但是难于很好地满足本发明的需求。具体来说：
[0030]
所述碱性激活剂是钠水玻璃、钾水玻璃、锂水玻璃、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钠中的一种或多种，控制水玻璃的模数在1.2-2.4之间，氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钠均为分析纯。
[0031]
所述表面改性剂是由水溶性的聚乙烯醇粉末和水溶性偶联剂复配而成，其中水溶性聚乙烯醇粉末重量含量为20-60％，水溶性偶联剂重量含量为30-80％；水溶性聚乙烯醇粉末的粘度为20.0-55.0mpa
·
s，细度为80-200目，水溶性偶联剂种类为铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂和硼酸酯偶联剂中的一种或多种。相比单一组分的表面改性剂，更能提高地聚合物材料的柔韧性、粘结性、保水性、抗裂性等，从而改善材料界面性质，使其具有良好的防水性和韧性。
[0032]
所述硅烷浸渍剂具有水溶性，是由磷酸盐、铵盐、异辛基三乙氧基硅烷、异丁基三
乙氧基硅烷、硅酸乙酯和乳化剂中的两种或多种复配而成，且有穿透渗透性、防水、防紫外线和良好的耐腐蚀性。
[0033]
所述渗透剂是由脂肪醇聚氧乙烯醚、氨基硫酸钠和烷基磺酸钠组成，其中按重量配比脂肪醇聚氧乙烯醚50-60％，氨基硫酸钠20-30％，烷基磺酸钠20-30％；其表面活性更好，渗透性更强，且稳定性和水溶性有所提高。
[0034]
所述减水剂是萘系减水剂或聚羧酸减水剂，减水率为15-30％，且具有良好的保坍性能。
[0035]
所述膨胀剂为复合膨胀剂，比表面积为250-380m2/kg，主要化学组成按重量占比为：硫酸铝钾10-30％、氧化铝25-35％、氧化钙10-30％、氧化镁10-25％、硫铝酸钙25-40％。
[0036]
所述缓凝剂按重量组分是由20-40％的三聚磷酸钠、10-30％的六偏磷酸钠、 30-50％的蔗糖复配而成，纯度为98-100％；其缓凝效果好，对地聚合物材料的强度无不利的影响，且有提高地聚合物材料和易性的作用。
[0037]
所述早强剂为三乙醇胺、甲酸钙、硫酸钠复配而成，其中按重量组分三乙醇胺占50-60％，甲酸钙占15-20％，硫酸钠占20-30％；纯度为98-100％；相比单一组分早强剂而言，其性能更稳定可控，对后期强度的不利影响小，且提高了地聚合物渗透结晶防水材料的活性。
[0038]
本发明提供的一种上述自修复地聚合物基渗透结晶防水材料的制备方法，包括如下步骤：
[0039]
(1)确定水料比为0.35-0.55，首先配制混合液a，准确称取碱性激活剂20-30 份、表面改性剂2-5份、硅烷浸渍剂2-10份、渗透剂2-3份、早强剂0.1-0.5份和总用水量的1/3，将其投入行星式搅拌机，搅拌至溶质完全溶解且混合液均匀为止，搅拌完成后置于烧杯中冷却备用，备用混合液a的温度与室温相当。
[0040]
(2)然后配制混合液b，准确称取偏高岭土20-50份、磨细矿渣微粉10-30份、粉煤灰5-8份、熔融硅微粉3-5份、减水剂0.5-2份、膨胀剂5-15份、缓凝剂0.1-1 份和总用水量的2/3，将称取的原材料投放至行星式搅拌机中，搅拌3-5min至均匀，得到混合液b。
[0041]
(3)其次一边缓慢搅拌混合液b，一边将混合液a徐徐倒入行星式搅拌机中，在1-2min倾倒完毕，继续搅拌2-3min至均匀，得到自修复地聚合物基渗透结晶防水浆液；倒入时间过快，导致搅拌不均匀，进而反应不充分；倒入时间过缓，影响反应进度。
[0042]
(4)最后将搅拌均匀的自修复地聚合物基渗透结晶防水浆液装入试模中，拆模后置于标准养护箱中养护成型，最终得到自修复地聚合物基渗透结晶防水材料。
[0043]
由于本发明涉及多种辅助添加剂，配制成两种混合液有助于反应更加充分、均匀，直接混在一起配制时，表面改性剂、硅烷浸渍剂、早强剂溶解不充分，并且碱性激发剂(氢氧化钠、氢氧化钾)溶解于水时，急剧放热，温度可达50-60℃，温度过高使得反应不可控，影响地聚合物材料的性能。
[0044]
实施例1
[0045]
本实施例所提供的一种自修复地聚合物基渗透结晶防水材料，包括以下重量份数：
[0046][0047]
本实施例所提供的一种自修复地聚合物基渗透结晶防水材料，其制备方法包括以下步骤：
[0048]
(1)确定水料比为0.50，首先配制混合液a，准确称取碱性激活剂20份、表面改性剂2份、硅烷浸渍剂5份、渗透剂2份、早强剂0.2份和总用水量的1/3，将其投入行星式搅拌机，搅拌至溶质完全溶解且混合液均匀为止，搅拌完成后置于烧杯中冷却备用，备用混合液a的温度与室温相当。
[0049]
(2)然后配制混合液b，准确称取偏高岭土20份、磨细矿渣微粉28.8份、粉煤灰8份、熔融硅微粉5份、减水剂0.8份、膨胀剂8份、缓凝剂0.2份和总用水量的2/3，将称取的原材料投放至行星式搅拌机中，搅拌3-5min至均匀，得到混合液b。
[0050]
(3)其次一边缓慢搅拌混合液b，一边将混合液a徐徐倒入行星式搅拌机中，在1-2min倾倒完毕，继续搅拌2-3min至均匀，得到自修复地聚合物基渗透结晶防水浆液。
[0051]
(4)最后将搅拌均匀的自修复地聚合物基渗透结晶防水浆液装入试模中，拆模后置于标准养护箱中养护成型，最终得到所述的自修复地聚合物基渗透结晶防水材料。
[0052]
实施例2
[0053]
本实施例所提供的一种自修复地聚合物基渗透结晶防水材料，包括以下重量份数：
[0054][0055]
本实施例所提供的一种自修复地聚合物基渗透结晶防水材料，其制备方法包括以下步骤：
[0056]
(1)确定水料比为0.50，首先配制混合液a，准确称取碱性激活剂20份、表面改性剂2份、硅烷浸渍剂5份、渗透剂2份、早强剂0.2份和总用水量的1/3，将其投入行星式搅拌机，搅拌至溶质完全溶解且混合液均匀为止，搅拌完成后置于烧杯中冷却备用，备用混合液a的温度与室温相当。
[0057]
(2)然后配制混合液b，准确称取偏高岭土30份、磨细矿渣微粉24.8份、粉煤灰5份、熔融硅微粉5份、减水剂0.8份、膨胀剂5份、缓凝剂0.2份和总用水量的2/3，将称取的原材料投放至行星式搅拌机中，搅拌3-5min至均匀，得到混合液b。
[0058]
(3)其次一边缓慢搅拌混合液b，一边将混合液a徐徐倒入行星式搅拌机中，在1-2min倾倒完毕，继续搅拌2-3min至均匀，得到自修复地聚合物基渗透结晶防水浆液。
[0059]
(4)最后将搅拌均匀的自修复地聚合物基渗透结晶防水浆液装入试模中，拆模后置于标准养护箱中养护成型，最终得到所述的自修复地聚合物基渗透结晶防水材料。
[0060]
实施例3
[0061]
本实施例所提供的一种自修复地聚合物基渗透结晶防水材料，包括以下重量份数：
[0062][0063]
本实施例所提供的一种自修复地聚合物基渗透结晶防水材料，其制备方法包括以下步骤：
[0064]
(1)确定水料比为0.50，首先配制混合液a，准确称取碱性激活剂20份、表面改性剂2份、硅烷浸渍剂5份、渗透剂2份、早强剂0.2份和总用水量的1/3，将其投入行星式搅拌机，搅拌至溶质完全溶解且混合液均匀为止，搅拌完成后置于烧杯中冷却备用，备用混合液a的温度与室温相当。
[0065]
(2)然后配制混合液b，准确称取偏高岭土40份、磨细矿渣微粉15.8份、粉煤灰5份、熔融硅微粉4份、减水剂0.8份、膨胀剂5份、缓凝剂0.2份和总用水量的2/3，将称取的原材料投放至行星式搅拌机中，搅拌3-5min至均匀，得到混合液b。
[0066]
(3)其次一边缓慢搅拌混合液b，一边将混合液a徐徐倒入行星式搅拌机中，在1-2min倾倒完毕，继续搅拌2-3min至均匀，得到自修复地聚合物基渗透结晶防水浆液。
[0067]
(4)最后将搅拌均匀的自修复地聚合物基渗透结晶防水浆液装入试模中，拆模后置于标准养护箱中养护成型，最终得到所述的自修复地聚合物基渗透结晶防水材料。
[0068]
实施例4
[0069]
本实施例所提供的一种自修复地聚合物基渗透结晶防水材料，包括以下重量份数：
[0070][0071]
本实施例所提供的一种自修复地聚合物基渗透结晶防水材料，其制备方法包括以下步骤：
[0072]
(1)确定水料比为0.50，首先配制混合液a，准确称取碱性激活剂20份、表面改性剂2份、硅烷浸渍剂2份、渗透剂2份、早强剂0.2份和总用水量的1/3，将其投入行星式搅拌机，搅拌至溶质完全溶解且混合液均匀为止，搅拌完成后置于烧杯中冷却备用，备用混合液a的温度与室温相当。
[0073]
(2)然后配制混合液b，准确称取偏高岭土50份、磨细矿渣微粉10份、粉煤灰5份、熔融硅微粉3份、减水剂0.6份、膨胀剂5份、缓凝剂0.2份和总用水量的 2/3，将称取的原材料投放至行星式搅拌机中，搅拌3-5min至均匀，得到混合液b。
[0074]
(3)其次一边缓慢搅拌混合液b，一边将混合液a徐徐倒入行星式搅拌机中，在1-2min倾倒完毕，继续搅拌2-3min至均匀，得到自修复地聚合物基渗透结晶防水浆液。
[0075]
(4)最后将搅拌均匀的自修复地聚合物基渗透结晶防水浆液装入试模中，拆模后置于标准养护箱中养护成型，最终得到所述的自修复地聚合物基渗透结晶防水材料。
[0076]
实施例5
[0077]
本实施例所提供的一种自修复地聚合物基渗透结晶防水材料，包括以下重量份数：
[0078][0079]
本实施例所提供的一种自修复地聚合物基渗透结晶防水材料，其制备方法包括以下步骤：
[0080]
(1)确定水料比为0.50，首先配制混合液a，准确称取碱性激活剂20份、表面改性剂5份、硅烷浸渍剂10份、渗透剂3份、早强剂0.2份和总用水量的1/3，将其投入行星式搅拌机，搅拌至溶质完全溶解且混合液均匀为止，搅拌完成后置于烧杯中冷却备用，备用混合液a的温度与室温相当。
[0081]
(2)然后配制混合液b，准确称取偏高岭土36份、磨细矿渣微粉10份、粉煤灰5份、熔融硅微粉5份、减水剂0.6份、膨胀剂5份、缓凝剂0.2份和总用水量的 2/3，将称取的原材料投放至行星式搅拌机中，搅拌3-5min至均匀，得到混合液b。
[0082]
(3)其次一边缓慢搅拌混合液b，一边将混合液a徐徐倒入行星式搅拌机中，在1-2min倾倒完毕，继续搅拌2-3min至均匀，得到自修复地聚合物基渗透结晶防水浆液。
[0083]
(4)最后将搅拌均匀的自修复地聚合物基渗透结晶防水浆液装入试模中，拆模后置于标准养护箱中养护成型，最终得到所述的自修复地聚合物基渗透结晶防水材料。
[0084]
对比例1
[0085]
本对比例包括以下重量份数：
[0086][0087]
本对比例的制备方法包括以下步骤：
[0088]
(1)确定水料比为0.50，首先配制混合液a，准确称取碱性激活剂20份、早强剂0.2份和总用水量的1/3，将其投入行星式搅拌机，搅拌至溶质完全溶解且混合液均匀为止，搅拌完成后置于烧杯中冷却备用，备用混合液a的温度与室温相当。
[0089]
(2)然后配制混合液b，准确称取偏高岭土39份、磨细矿渣微粉20份、粉煤灰5份、熔融硅微粉5份、减水剂0.6份、膨胀剂10份、缓凝剂0.2份和总用水量的2/3，将称取的原材料投放至行星式搅拌机中，搅拌3-5min至均匀，得到混合液b。
[0090]
(3)其次一边缓慢搅拌混合液b，一边将混合液a徐徐倒入行星式搅拌机中，在1-2min倾倒完毕，继续搅拌2-3min至均匀，得到地聚合物材料浆液。
[0091]
(4)最后将搅拌均匀的地聚合物浆液装入试模中，拆模后置于标准养护箱中养护成型，最终得到对比例1的地聚合物材料。
[0092]
对比例2
[0093]
本对比例采用市售的传统水泥基渗透结晶防水材料。
[0094]
本对比例的制备方法包括以下步骤：
[0095]
(1)确定水料比为0.40，首先准确称量水泥基渗透结晶粉料和水，将2/3的粉料和4/5的水投入到行星式搅拌机中，搅拌1-2min至浆液均匀。
[0096]
(2)然后将剩余的1/3粉料投入到行星式搅拌机中，继续搅拌1-2min至浆液均匀。
[0097]
(3)最后将剩余的1/4的水倒入行星式搅拌机，搅拌2-3min至浆液均匀，将其装入试模中，拆模后置于标准养护箱中养护成型，最终得到对比例2的水泥基渗透结晶防水材料。
[0098]
对比例1采用不掺加活性物质的地聚合物材料。对比例2是采用市售的水泥基渗透结晶防水材料，与地聚合物基渗透结晶防水材料做对比，少了碱性激活剂、硅烷浸渍剂、表面改性剂，两者的反应机理不同，水泥基渗透结晶防水材料主要进行水泥水化反应，地聚合物基渗透结晶防水材料主要进行地聚合物碱激发反应。本发明参考gb 18445-2012、gb/t 17671-1999、jc/t 2090-2011、gb/t19250-2013等标准对实施例1-5和对比例1-2的性能进行检测，检测结果如表1所示：
[0099]
表1实施例1-5和对比例1-2的各项性能指标
[0100][0101]
由上可见，本发明提供的自修复地聚合物基渗透结晶防水材料，充分利用地聚合物材料的硅氧四面体三维网络结构，结合材料中的活性物质，当防水层或修补的裂缝发生病害时，碱激发反应和活性物质遇水再次被激活，缩聚成致密的结晶体，起到自修复的作用，提高构筑物的抗渗、抗开裂、自愈合、防水等性能，利用表面改性剂、硅烷浸渍剂等有机高分子聚合物提高地聚合物材料韧性时，它们的掺加量不能超过限定值，否则不但不会增加地聚合物防水材料的韧性，而且使得强度有所降低，进而影响防水效果；有机高分子材料使用时，应优先考虑其溶于水的性能，当有机高分子材料不溶于水时，地聚合物防水材料浆料极易发生分层现象，且分散性差，以至于地聚合物防水材料凝结固化后整体性差，严重影响其防水、自修复、渗透等性能。
[0102]
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。