弹性环氧砂浆抗冲磨材料及其制备方法

文档序号：25236717发布日期：2021-06-01 13:32阅读：72来源：国知局

本发明涉及一种弹性环氧砂浆抗冲磨材料。本发明还涉及所述弹性环氧砂浆抗冲磨材料的制备方法。

背景技术：

水工建筑物的溢流坝、溢洪道、泄洪隧洞、泄水闸闸室底板、护坦、消力墩、排沙底孔的底板及边墙等部位，当受到高速挟沙水流冲击时并经历一定运行时间后，往往会出现不同程度的冲磨破坏或气蚀破坏，导致表面混凝土出现大面积剥蚀，甚至出现钢筋漏出并破坏，影响结构稳定和安全。

为解决和减缓水工建筑物面临的冲磨和气蚀破坏问题，目前国内外的研究主要集中在高性能抗冲磨混凝土的应用研究及采用有机高分子复合抗冲磨材料涂层及修补材料的研发和推广。高强度抗冲磨混凝土因水泥用量大，发热量高，易产生温度裂缝和干缩裂缝。在进行修补时，老混凝土须凿除，工程量大，且新老混凝土结合存在缺陷，导致混凝土在高速水流冲刷情况下易劣化，服役寿命缩短^[1]。高分子缺陷修补材料的应用，多数集中在有机砂浆类，因此环氧砂浆研发与应用发展起来。同时，高速水流对水工建筑物的冲刷、磨蚀破坏后，缺陷修补材料不能只追求高强度，而应适当提高材料的韧性，来增加抵抗温度、湿度变化带来冲击的能力，提高与基层材料的粘结力等，使其成为混凝土表面抗高速水流冲磨破坏的有效保护层。

在以往的工程实践中，传统的环氧砂浆主要存在以下几个弊端：一是对施工环境温度条件要求苛刻，温度在5～40℃之间；二是环氧砂浆粘度大，施工时需对材料进行水浴加热处理；三是部分材料有毒性，危害健康并污染环境；四是环氧砂浆收缩率较大，与接触的混凝土的线膨胀系数相差较大，导致环氧砂浆会出现开裂或被水流冲磨破坏，与基础混凝土间剥离的现象。

因此，现亟需对传统的环氧砂浆抗冲磨修补材料进行性能改进和配方优化的研究。

技术实现要素：

本发明的第一目的是为了提供一种弹性环氧砂浆抗冲磨材料，为兼具高韧性、高强度和低放热的cw弹性环氧砂浆抗冲磨材料。

本发明的第二目的是为了提供所述弹性环氧砂浆抗冲磨材料的制备方法，操作简单，生产效率较高。

为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：弹性环氧砂浆抗冲磨材料，其特征在于：通过调控环氧树脂的分子结构来形成海岛结构环氧树脂，再选择改性固化剂和级配填料制备而成。

在上述技术方案中，其原料组分含量如下：

在上述技术方案中，环氧树脂51～53份、级配填料145～155份，偶联剂5～7份，固化剂25～27份。

在上述技术方案中，环氧树脂52份、级配填料150份，偶联剂6份，固化剂26份。

在上述技术方案中，环氧树脂选用改性双酚a型环氧树脂，保留主链结构，剪裁硬段以降低其交联密度，引入含活性基团的柔性链段以提高柔韧性，使环氧树脂黏度降至30～70pa·s(25℃)，在固化反应时活性基团与环氧基团结合析出球形颗粒，形成分散于环氧连续相上的海岛结构。

在上述技术方案中，所述偶联剂至少选自kh550、kh570、kh151、kh171、kh792；

所述固化剂选用改性脂肪族伯胺；

所述级配填料至少选自石英砂、金刚砂、硅灰粉、水泥、粉煤灰、矿渣。

在上述技术方案中，所述级配填料为80目～300目金刚砂和纳米级金刚砂的复配。

了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：制备所述的弹性环氧砂浆抗冲磨材料的方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：根据正交试验确定的原料配比，采用电子分析天平称取所述重量份的海岛结构环氧树脂、级配填料、偶联剂；

步骤二：在高速分散机内慢速搅拌5min～10min；

步骤三：加入助剂高速搅拌3min～6min；再加入改性固化剂高速搅拌4min～8min，即得到弹性环氧砂浆抗冲磨材料。

在上述技术方案中，在高速分散机内慢速搅拌10min。

在上述技术方案中，固化时间从半小时到几小时，完全固化并达到最佳性能的时间为七天。

本发明具有如下优点：

(1)本发明为一种兼具高韧性、高强度和低放热的cw弹性环氧砂浆抗冲磨材料；

(2)本发明针对水工建筑物的抗冲磨防护需求，选用高韧性海岛结构环氧树脂、低放热改性固化剂、级配耐磨填料等制备出弹性环氧砂浆；

(3)本发明弹性环氧砂浆抗冲磨性能优异，其中28d拉伸剪切强度为22.0mpa，断裂伸长率为18.0％，线膨胀系数与混凝土的一致，216h抗冲磨强度可达82.1h/(kg/m²)；

(4)本发明适用性强，能应用于构皮滩、沙沱水电站等工程、且取得了良好的缺陷修补与抗冲磨防护效果；本发明制备的弹性环氧砂浆冲磨材料可用于泄水和输水建筑物、高速公路路面及路基病害处理等；

(5)本发明弹性环氧砂浆冲磨材料在构皮滩水电站水垫塘、沙沱水电站消力池等工程中的应用效果表明，该材料有效减缓混凝土磨蚀破坏，是水工混凝土缺陷修补及抗冲磨防护的理想材料。

附图说明

图1为本发明弹性环氧砂浆抗冲磨试验0小时的效果。

图2为本发明弹性环氧砂浆抗冲磨试验72小时的效果。

图3为本发明弹性环氧砂浆抗冲磨试验144小时的效果。

图4为本发明弹性环氧砂浆抗冲磨试验216小时的效果。

图5为本发明弹性环氧砂浆冲磨试验前及累计冲磨216h后的sem图。

图5中，(a)表示弹性环氧砂浆冲磨试验前200小时的sem图；(b)表示弹性环氧砂浆冲磨试验前1000小时的sem图；(c)表示弹性环氧砂浆冲磨试验后200小时的sem图；(d)表示弹性环氧砂浆冲磨试验后1000小时的sem图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：弹性环氧砂浆抗冲磨材料，通过调控环氧树脂的分子结构来形成海岛结构环氧树脂，再选择改性固化剂和级配填料制备出兼具高韧性、高强度和低放热的cw弹性环氧砂浆抗冲磨材料。

进一步地，其原料组分含量如下：

进一步地，环氧树脂51～53份、级配填料145～155份，偶联剂5～7份，固化剂25～27份。

进一步地，环氧树脂52份、级配填料150份，偶联剂6份，固化剂26份。

进一步地，环氧树脂选用改性双酚a型环氧树脂，保留主链结构，剪裁硬段以降低其交联密度，引入含活性基团的柔性链段以提高柔韧性，使环氧树脂黏度降至30～70pa·s(25℃)，在固化反应时活性基团与环氧基团结合析出球形颗粒，形成分散于环氧连续相上的海岛结构；

环氧树脂改性的方法具体为：增加环氧树脂变形能力的设计思路是运用分子设计原理，通过聚合物中硬段与软段的合理剪裁，降低交联密度，在分子中引入柔性链段，使固化物具有不同的弹性；普通环氧树脂固化后为连续单一相，而通过柔性链段改性后环氧树脂固化后为两相结构，名为海岛结构；这些柔性组分分散在固化体系中，当受到高速含砂水流冲刷时，在冲击、摩擦和剪切力等的多重耦合作用下，一方面柔性颗粒本身在材料开裂过程中耗能，另一方面海岛结构调动了环氧树脂分子网络发生取向、拉伸、变形及产生微细裂缝等许多耗能过程，避免材料被破坏，从而增加了材料的断裂韧性，提高了材料的抗冲磨性能。

更进一步地，所述偶联剂至少选自kh550、kh570、kh151、kh171、kh792；

所述固化剂选用改性脂肪族伯胺，与常用固化剂的固化放热峰温度相比显著降低；

所述级配填料至少选自石英砂、金刚砂、硅灰粉、水泥、粉煤灰、矿渣。

更进一步地，级配填料为80目～300目金刚砂和纳米级金刚砂的复配；不同种类填料的抗冲磨性能以及环氧体系对其组合性和浸润性能相差很大，对材料的韧性和抗冲磨效果影响也较大；而同种填料由于表面形状不一、粒径大小不同，其耐磨性能也相差很大；大量试验表明，一般滚圆或立方体颗粒比无规则尖角形和片状颗粒相比较，与基体的结合强度高，利于提高材料的抗冲磨能力；粒径太大容易产生过大的孔隙率，降低材料的抗蚀性能，粒度太小又易形成团状缺陷，降低材料的抗磨性，且会降低材料的韧性，变得硬而脆。通过考虑综合因素及经验配比，选用80目300目金刚砂和纳米级金刚砂进行级配。

参阅附图可知：制备要求所述的弹性环氧砂浆抗冲磨材料的方法，包括如下步骤，

步骤一：根据正交试验确定的原料配比，采用电子分析天平称取所述重量份的海岛结构环氧树脂、级配填料、偶联剂；

步骤二：在gfj-0.4型高速分散机内慢速搅拌5min～10min；

步骤三：加入助剂高速搅拌3min～6min；再加入改性固化剂高速搅拌4min～8min，即得到弹性环氧砂浆抗冲磨材料。

进一步地，在gfj-0.4型高速分散机内慢速搅拌10min。

更进一步地，固化时间从半小时到几小时，完全固化并达到最佳性能的时间为七天。

对本发明弹性环氧砂浆抗冲磨材料性能进行测试，测试结果如表1所示。

表1：力学性能测试：普通、改性和弹性环氧砂浆的力学性能结果对比表

由表1可知，与普通和改性环氧砂浆相比，弹性环氧砂浆的拉伸剪切强度和断裂伸长率大幅提高，拉伸剪切强度分别增长了100％、52％，断裂伸长率分别增长至14倍、2倍；线膨胀系数显著减小，且与混凝土的(8～1210^-6/k)接近；抗压强度有所降低，分别降低了4.6％、25.4％，但仍远高于常见抗冲磨混凝土50～70mpa的设计强度；3种环氧砂浆的抗拉强度和粘接强度较为接近。检测结果表明，cw弹性环氧砂浆在保证强度的同时，柔韧性得到提高。

抗冲磨性能：弹性环氧砂浆抗冲磨试验效果见图1-图4，3种环氧砂浆的抗冲磨性能结果见表2。

表23种环氧砂浆的抗冲磨性能结果

图1-图4中表明，随着冲磨时间增加，混凝土试件表面的抗冲磨防护涂层颜色逐渐变深，即涂层磨损逐渐加重。冲磨72h后，涂层表面平整，无裂缝、凹坑等缺陷，仅边缘存在少量破损；冲磨144h后，涂层表面出现少量凹坑，边缘破损增多；冲磨216h后，涂层表面变为凹凸不平。结果表明，抗冲磨测试结果与试验效果图具有一致性，在冲磨72h后，弹性环氧砂浆磨损较普通环氧砂浆降低40.5％，较改性环氧砂浆降低38.4％，抗冲磨强度提高72.4％；冲磨216h后质量损失率仅为0.08％，216h抗冲磨强度可达82.05h/(kg/m²)，远远大于普通环氧砂浆。

显微形貌：弹性环氧砂浆冲磨试验前及累计冲磨216h后的sem图片如图5所示。

从图5可以看出：冲磨前弹性环氧砂浆较为光滑平整，冲磨后结构发生形变，出现较多褶皱界面与少量凹坑，但整体仍紧密结合，呈现较为完整的连续相，说明弹性环氧砂浆抗冲磨材料具有较好的抗冲磨性能，能够很好地抵御冲磨破坏。从图5(a)和5(b)中可以看出，冲磨试验前，浅色的球形颗粒(尺寸约为5～10μm)均匀分散于深色的环氧树脂连续相上形成海岛结构，此外连续相上还可见少量板状填料晶体分布，晶体尺寸约为10～30μm。从图5(c)和5(d)中可知，冲磨试验后，cw弹性环氧砂浆断面增多，环氧树脂相和球形颗粒相均发生褶皱形变且出现韧窝结构，裂纹呈多向发展，填料晶体消失。分析抗冲磨机理如下：在推移质的冲击、切削等外力作用下，弹性模量相对较小的球形颗粒及填料诱发环氧树脂基体产生褶皱、裂纹、韧窝等塑性形变，褶皱界面会经历扩展、受阻、转向和再扩展的循环过程，界面数量越多表面积越大，形变所吸收消耗的能量就越大，宏观表现为材料体系的韧性提高、抗冲磨强度增强。

实施例1

本发明弹性环氧砂浆抗冲磨材料，环氧树脂40份、级配填料100份，偶联剂1份，固化剂27份。

制备弹性环氧砂浆抗冲磨材料的方法：包括如下步骤，

步骤一：根据正交试验确定的原料配比，采用电子分析天平称取所述重量份的海岛结构环氧树脂、级配填料、偶联剂；

步骤二：在gfj-0.4型高速分散机内慢速搅拌10min；

步骤三：加入助剂高速搅拌3min～6min；再加入改性固化剂高速搅拌4min～8min，即得到弹性环氧砂浆抗冲磨材料。