专利名称：一种梯度分布聚合物乳液改性砂浆和混凝土的制备方法
技术领域：
本发明属于建筑材料制备领域，具体涉及一种梯度分布聚合物乳液改性砂浆和混凝土的制备方法。
背景技术：
在现代土木工程结构比如桥梁、海港工程、隧道、铁路、地下工程、市政建造物、机场等，混凝土是最重要的建筑材料。混凝土材料本身是一种多孔材料，其孔隙分布于从十几纳米的微观孔到毫米级的宏观可见孔，以及宏观的裂缝等。传统的水泥砂浆存在着很多缺点，如抗压强度较高而抗拉强度和粘结强度较低，弹性模量较高而变形能力较差，性质较脆，容易开裂等等，使得其在应用中面临着很多困难。采用聚合物乳液或可再分散胶粉对砂浆和混凝土进行改性，可以赋予砂浆和混凝土许多优越的性能。大量的研究和实践表明，聚合物加入水泥基砂浆和混凝土体系，其作用体现在两个方面对新拌砂浆性能的改善，比如提高砂浆早期粘结力、改善工作性能和可操作时间等；对凝结后砂浆性能的改善，如改善力学性能，提高抗折强度及极限形变，增加柔韧性，提高砂浆粘结强度，降低体积收缩率，降低孔隙率，提高抗渗耐水性等，最终达到延长砂浆或混凝土体系使用寿命的功能。聚合物改性砂浆和混凝土作为一种新型的复合材料由于其优异的性能，越来越受到人们的广泛关注。聚合物改性砂浆和混凝土是将聚合物乳液与水泥相拌和作为胶凝材料，掺入骨料配制成的混凝土。聚合物乳液在水泥砂浆和混凝土凝结硬化过程中脱水，在砂浆和混凝土中尤其是水泥和骨料的过渡区形成结构，包裹水泥颗粒，从而对水泥混凝土的性能起到改善作用。本世纪40年代以来，先后有人利用水泥填充天然橡胶胶乳用作铺路材料，提出用配合比的方法生产天然橡胶乳液改性水泥基材料的方法。50年代后，对聚合物用于水泥混凝土进行了一定程度的研究，并开始把部分研究成果在实际工程中使用。60 70年代，开始研究用不同形态的聚合物，诸如应用聚合物单体、树脂、聚合物粉末等对水泥混凝土进行改进。80年代后，研究的深度进一步深入，不仅是对各种聚合物改性效果进行了较深入的研究，而且对改性机理、聚合物与水泥、水泥水化生成物之间的作用机理也从理论上进行了较深入的分析。用于水泥基材料改性的聚合物乳液的种类也逐渐增多，从最初的天然橡胶浆，到聚醋酸乙烯酯乳液，而70年代以后广泛采用丁苯胶乳、氯丁胶乳、丙烯酸酯共聚物乳液等。目前，聚合物水泥砂浆和混凝土在国内的应用，以聚合物的改性水泥砂浆的形式用于修补、耐蚀防护材料为主，而很少用聚合物改性水泥混凝土作为建筑结构材料。这是因为聚合物水泥混凝土改性砂浆施工比较方便，新鲜砂浆具有较好的工作性能，与老混凝土或钢材表面粘结良好，便于与破损结构结合，形成致密的抗渗保护修复层。聚合物改性水泥砂浆和混凝土与其他水泥砂浆和混凝土改性措施(如加纤维水泥混凝土)相比有以下明显的优点水泥砂浆和混凝土的力学性能得到改善，尤其是抗折强度得以提高，虽然抗压强度有所降低，但韧性得以提高；砂浆和混凝土刚性降低，变形能力增大，对许多工程有利；砂浆和混凝土孔隙率有所降低，微裂缝发展有所抑制；砂浆和混凝土的耐久性与抗侵蚀能力有一定程度提高；特别适用于破损水泥砂浆和混凝土的修补工程；完全适应现有的水泥砂浆和混凝土制造工艺过程。在砂浆和混凝土中加入聚合物乳液改性，理想的状况是水泥水化产物与聚合物相互穿透，聚合物相在砂浆和混凝土中呈现网状结构，如果荷载造成混凝土内出现微裂纹，该部位的聚合物膜就会承受进一步传递来的拉应力。裂纹扩展须补充能量，因此可以提高砂浆和混凝土的抗拉和抗折强度，断裂伸长率也有所提高。在水泥进一步水化过程中，聚合物集合体在孔隙壁上富集并部分形成覆盖于孔隙内壁的薄层，进一步改善水泥砂浆和混凝土中较为薄弱的水泥骨料界面过渡区。这就要求聚合物乳液能在室温下干燥成连续的膜结构，同时所成膜具有一定的弹性和强度。由于水泥砂浆和混凝土为强碱性环境，聚合物也必须具有良好的耐碱性。用于水泥砂浆和混凝土改性的聚合物有四类，即水溶性聚合物、聚合物乳液(分散体)、可再分散的聚合物粉料和液体聚合物。目前使用较多、效果较好的聚合物是聚合物乳液，主要分三类1)橡胶乳液类主要有天然乳胶、丁苯乳胶、氯丁乳胶和甲基丙烯酸甲脂-丁二烯胶乳等；2)热塑性树脂乳液类主要有聚丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯脂乳液、苯丙乳液、聚丙酸乙烯脂乳液、氯乙烯-偏氯乙烯共聚乳液等；3)热固性树脂乳液类主要有环氧树脂乳液、不饱和聚酯乳液等。但是以上所述传统的聚合物乳液改性砂浆和混凝土作用单一、聚合物乳液掺量较大，一般为砂浆和混凝土中水泥量的5% 20%，掺量的增多容易引起水泥砂浆和混凝土成型过程中引气率的提高，抗压强度的大幅度降低，吸水率的增大，同时由于聚合物乳液价格较为昂贵，较高的掺量也会导致成本的增加。本专利涉及一种新型的梯度分布聚合物乳液改性混凝土，本发明的技术效果是在较低的乳液掺量下(是目前同类产品的几分之一至几十分之一)，显著提高水泥砂浆和混凝土的抗渗性和抗离子渗透性，提高抗折强度。所用聚合物乳液是无机材料和聚合物的复合组成，具有硬核软壳结构的纳米粒子，能在较低温度下形成连续的具有一定强度的聚合物膜，同时该乳液具有一定的磁场响应。砂浆和混凝土成型并用磁场强化表面M 48小时后，所加入聚合物乳液将沿磁场强度方向呈梯度分布，并在砂浆和混凝土表面层形成更加致密的保护膜。功能特点是由于在成型过程中加入因而可以在砂浆和混凝土表面原位生成保护，无需后期处理，聚合物乳液掺量小。改性砂浆和混凝土表面抗渗、抗离子渗透作用明显，降低孔隙率，增加密实性，防止裂纹发展，且无其它不良副作用。本品所需合成聚合物乳液可调控性大，结构和粒径大小方便调节，合成工艺简单环保，合成原料经济易得。外观为淡咖啡色，均一稳定溶液，PH8 11，有良好的耐碱性和储存稳定性，密封保存。
发明内容
本发明的目的是提供一种梯度分布聚合物乳液改性砂浆和混凝土的制备方法。一种梯度分布聚合物乳液改性砂浆和混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)在氮气环境下，将狗(13 · 6H20和i^eS04 · 7H20溶解在去离子水中，升温至40 70°C，快速加入氨水，搅拌10分钟，加入油酸，保温2 3小时，之后继续升温至80 90°C，搅拌0. 5 1. 5小时，冷却稀释得黑色无机磁性液体；(2)用乙醇和去离子水交替洗涤无机磁性液体5 6次，进行磁场分离并加入5 15g正辛烷，得到质量分数5 80%的油基磁性母液；(3)将油基磁性母液与含乳化剂的水溶液进行超声混合得到均勻溶液，加入10 500g聚合物单体溶胀1 5小时，升温至50 90°C，加入1 30g引发剂充分聚合1 3 小时后，加入40 600g单体和4 50g引发剂持续反应1 12小时，降温冷却，滤去残渣后用NaOH调节原液pH值至碱性，得磁性聚合物乳液；(4)将水泥与砂浆混合，制成砂浆混凝土配料；将磁性聚合物乳液与水充分搅拌至均勻，然后缓慢加入到砂浆混凝土配料中，并加入消泡剂，在所成型砂浆和混凝土上方加以磁场，M 48小时之后撤去磁场，养护观天，得到具有致密表面保护层的梯度分布聚合物乳液改性砂浆和混凝土。所述步骤(1)中所加i^eC13 · 6H20、FeS04 · 7H20、去离子水、氨水与油酸的比例为 (20 IOOg) (10 60g) (50 250ml) (20 150g) (1 20g)。所述步骤(4)中所加水泥、砂浆、磁性聚合物乳液、水与消泡剂的质量比为 450g 1350g (5 90g) 225g (2 IOg)。本发明的有益效果1、本发明所加入的聚合物乳液掺量小，节约成本。2、该聚合物乳液外加磁场后沿磁场强度方向呈梯度分布，并在砂浆和混凝土表面层形成更加致密的保护膜，显著提高水泥砂浆和混凝土的抗渗性和抗离子渗透性，提高抗折强度。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步说明实施例1 氮气环境下，将25g FeC13 · 6H20和40g FeS04 · 7H20溶解在50ml去离子水中，升温至60°C，快速加入80g氨水，保持加热温度及搅拌速度10分钟后，加入2g油酸，保温2小时，之后继续升温至80°C，继续搅拌0. 5小时。用乙醇和去离子水交替洗涤该液体5 6次洗去多余的油酸之后，进行磁场分离并加入IOg正辛烷，得到油基磁性母液。 将IOg所制备的油基磁性母液与含有5g乳化剂的水溶液进行超声混合得到均勻溶液后，加入IOg聚合物单体溶胀2小时，升温至90°C，用3g的引发剂充分聚合3小时后，加入50g聚合物单体和IOg引发剂持续反应3小时，降温冷却，滤去残渣后用NaOH调节原液PH值至碱性，即得磁性聚合物乳液。测试磁性聚合物原液粒径大小为180nm，分散指数为0. 134。实施例2 氮气环境下，将45g FeC13 · 6H20和60g FeS04 · 7H20溶解在IOOml去离子水中，升温至60°C，快速加入120g氨水，保持加热温度及搅拌速度10分钟后，加入5g 油酸，保温2小时，之后继续升温至90°C，继续搅拌1小时。用乙醇和去离子水交替洗涤该液体5 6次洗去多余的油酸之后，进行磁场分离并加入5g正辛烷，即可得到油基磁性母液。 将IOg所制备的油基磁性母液与含有8g乳化剂的水溶液进行超声混合得到均勻溶液后，加入IOOg聚合物单体溶胀5小时，升温至90°C，用6g的引发剂充分聚合3小时后，加入150g 聚合物单体和20g引发剂持续反应8小时，降温冷却，滤去残渣后用NaOH调节原液PH值至碱性，即得磁性聚合物乳液。测试磁性聚合物原液粒径大小为130nm，分散指数为0. 152。实施例3 氮气环境下，将75g FeCl3 · 6H20和40g FeS04 · 7H20溶解在150ml去离子水中，升温至70°C，快速加入40g氨水，保持加热温度及搅拌速度10分钟后，加入7g 油酸，保温3小时，之后继续升温至90°C，继续搅拌1小时。用乙醇和去离子水交替洗涤该液体5 6次洗去多余的油酸之后，进行磁场分离并加入18g正辛烷，即可得到油基磁性母液。将60g所制备的磁性母液与含有15g乳化剂的水溶液进行超声混合得到均勻溶液后，加入300g聚合物单体溶胀4小时，升温至90°C，用8g的引发剂充分聚合2小时后，加入300g 聚合物单体和40g引发剂持续反应10小时，降温冷却，滤去残渣后用NaOH调节原液PH值至碱性，即得磁性聚合物乳液。测试磁性聚合物原液粒径大小为210nm，分散指数为0. 092。实施例4 氮气环境下，将IOOg FeC13 ·6Η20和IOg FeS04 ·7Η20溶解在200ml去离子水中，升温至40°C，快速加入150g氨水，保持加热温度及搅拌速度10分钟后，加入IOg 油酸，保温3小时，之后继续升温至90°C，继续搅拌1小时。用乙醇和去离子水交替洗涤该液体5 6次洗去多余的油酸之后，进行磁场分离并加入IOg正辛烷，即可得到油基磁性母液。将40g所制备的油基磁性母液与含有25g乳化剂的水溶液进行超声混合得到均勻溶液后，加入380g聚合物单体溶胀1小时，升温至60°C，用IOg的引发剂充分聚合1小时后，加入400g聚合物单体和45g引发剂持续反应12小时，降温冷却，滤去残渣后用NaOH调节原液PH值至碱性，即得磁性聚合物乳液。测试磁性聚合物原液粒径大小为253nm，分散指数为 0.078。实施例5 氮气环境下，将 IOOg FeC13 · 6H20 和 40g FeS04 · 7H20 溶解在 250ml 去离子水中，升温至50°C，快速加入140g氨水，保持加热温度及搅拌速度10分钟后，加入 18g油酸，保温2小时，之后继续升温至80°C，继续搅拌1小时。用乙醇和去离子水交替洗涤该液体5 6次洗去多余的油酸之后，进行磁场分离并加入15g正辛烷，即可得到油基磁性母液。将80g所制备的油基磁性母液与含有5g乳化剂的水溶液进行超声混合得到均勻溶液后，加入500g聚合物单体溶胀5小时，升温至60°C，用8g的引发剂充分聚合2小时后， 加入600g聚合物单体和48g引发剂持续反应4小时，降温冷却，滤去残渣后用NaOH调节原液PH值至碱性，即得磁性聚合物乳液。测试磁性聚合物原液粒径大小为276nm，分散指数为 0. 178。实施例6 将450g水泥与1350g砂浆混合，制成砂浆混凝土配料；将实施例3所述磁性聚合物乳液5 90g与225g水充分搅拌至均勻，然后缓慢加入到砂浆混凝土配料中， 并加入2 IOg消泡剂，在所成型砂浆和混凝土上方加以磁场，24 48小时之后撤去磁场， 养护观天，得到具有致密表面保护层的梯度分布聚合物乳液改性砂浆和混凝土。所得到的产品性能测试结果如下1)抗渗透性测试ASTM C1202直流电量法
权利要求
1.一种梯度分布聚合物乳液改性砂浆和混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)在氮气环境下，将狗(13· 6H20和i^eS04 · 7H20溶解在去离子水中，升温至40 70°C，快速加入氨水，搅拌10分钟，加入油酸，保温2 3小时，之后继续升温至80 90°C， 搅拌0. 5 1. 5小时，冷却稀释得黑色无机磁性液体；(2)用乙醇和去离子水交替洗涤无机磁性液体5 6次，进行磁场分离并加入5 15g 正辛烷，得到质量分数5 80%的油基磁性母液；(3)将油基磁性母液与含乳化剂的水溶液进行超声混合得到均勻溶液，加入10 500g 聚合物单体溶胀1 5小时，升温至50 90°C，加入1 30g引发剂充分聚合1 3小时后，加入40 600g单体和4 50g引发剂持续反应1 12小时，降温冷却，滤去残渣后用 NaOH调节原液pH值至碱性，得磁性聚合物乳液；(4)将水泥与砂浆混合，制成砂浆混凝土配料；将磁性聚合物乳液与水充分搅拌至均勻，然后缓慢加入到砂浆混凝土配料中，并加入消泡剂，在所成型砂浆和混凝土上方加以磁场，M 48小时之后撤去磁场，养护观天，得到具有致密表面保护层的梯度分布聚合物乳液改性砂浆和混凝土。
2.根据权利要求1所述一种梯度分布聚合物乳液改性砂浆和混凝土的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所加狗(13 WffiOJeSCM ·7Η20、去离子水、氨水与油酸的比例为(20 IOOg) (10 60g) (50 250ml) (20 150g) (1 20g)。
3.根据权利要求1所述一种梯度分布聚合物乳液改性砂浆和混凝土的制备方法，其特征在于，步骤中所加水泥、砂浆、磁性聚合物乳液、水与消泡剂的质量比为 450g 1350g (5 90g) 225g (2 IOg)。
全文摘要
本发明公开了属于建筑材料制备领域的一种梯度分布聚合物乳液改性砂浆和混凝土的制备方法。该制备方法在较少聚合物乳液掺量下，提高砂浆和混凝土表面层密实性、防水性、抗氯离子渗透性、抗拉强度，克服了普通聚合物乳液改性砂浆和混凝土乳液掺量高、价格昂贵的缺点。该改性砂浆和混凝土可广泛应用于铁路、桥梁、隧道、大坝、近海工程、修补工程等领域。
文档编号C08K3/30GK102152397SQ20101057576
公开日2011年8月17日 申请日期2010年12月1日 优先权日2010年12月1日
发明者吴纯超, 孔祥明 申请人:清华大学