一种防水抗渗型磷酸镁水泥基材料的制备方法及其应用

本发明涉及磷酸镁水泥基材料领域，具体涉及一种防水抗渗型磷酸镁水泥基材料的制备方法及其应用。

背景技术：

1、海洋工程中的海上平台、桥梁、码头、海堤等结构主要采用海工混凝土进行建造。由于这些混凝土的构筑物无长期处于海洋环境的高盐、高湿环境中，容易受到侵蚀而发生腐蚀、开裂的情况，尤其对于混凝土结构中的钢筋，很容易在海水的侵蚀下发生锈蚀、甚至断裂的情况，进而造成混凝土结构抵抗海浪、海风冲击的能力大大降低。在这些混凝土结构的表面涂刷防腐涂层是一种有效的途径。目前的这类防腐材料主要包括有机、无机、有机无机复合等类型。其中，有机物涂料以及有机无机复合涂料中的有机组分的耐候性较差，在长期的风吹日晒作用下涂料层容易发生老化、开裂的问题。而无机涂料（如硅酸盐水泥基涂料等）的抗氯离子侵蚀能力较差，海水容易渗透后进入混凝土内部。

2、磷酸镁水泥（mpc）是一种主要由重烧氧化镁和磷酸盐形成的特种水泥，其与水混合后能够快速凝结硬化，而且磷酸镁水泥具有耐久性好、粘结力强、强度高等方面的优势。但磷酸镁水泥涂层的防水、抗氯离子侵蚀性能不足，尤其在上述的海洋工程环境中。这是由于磷酸镁水泥的水化产物鸟粪石受到水侵蚀后具有溶解为磷酸根离子、铵根离子和镁离子的现象，进而随水迁移流失，造成磷酸镁水泥涂层的孔隙增大，防护能力下降。因此，传统的磷酸镁水泥材料难以满足对海洋工程中对混凝土结构进行长期防护的要求。

技术实现思路

1、针对上述的问题，本发明提供一种防水抗渗型磷酸镁水泥基材料的制备方法及其应用。该磷酸镁水泥基材料具有良好的防水抗渗能力，从而对混凝土结构形成更好的防护。具体地，本发明的技术方案如下所示。

2、第一方面，本发明公开一种防水抗渗型磷酸镁水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：

3、（1）将含氟硅烷溶于无水乙醇中形成的溶液与磷酸镁水泥粉混匀，然后对得到的混合料进行加热干燥处理，即得疏水剂。

4、（2）将氧化石墨烯加到含有ca2+的溶液中形成分散液，静置后分离出所述氧化石墨烯。然后将该氧化石墨烯分散到茶叶浸提液中，加入水溶性碳酸盐后搅拌反应。完成后分离出固体物将其干燥，即得改性氧化石墨烯。

5、（3）将矿渣粉加到碱液溶液中，然后在加热条件下反应。然后分离出所述矿渣粉，洗涤后干燥，即得活性矿渣粉。

6、（4）取磷酸镁水泥80~100重量份、上述的疏水剂10~14重量份、改性氧化石墨烯7~10重量份、活性矿渣粉30~40重量份、调凝剂5~8重量份。将上述各原料混合均匀后加入25~32重量份拌和水，即得磷酸镁水泥基材料。

7、进一步地，步骤（1）中，所述溶液中含氟硅烷的质量分数为3.5~5%。可选地，所述含氟硅烷包括聚全氟烷基硅氧烷、全氟辛基三氯硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷等中的任意一种。

8、进一步地，步骤（1）中，所述磷酸镁水泥与溶液的料液比为1g：4~6.5ml。

9、进一步地，步骤（1）中，所述加热温度为50~60℃，时间为20~40min，加热过程中不断进行搅拌，以加快所述混合料中乙醇的挥发。

10、进一步地，步骤（2）中，所述石墨烯与含有ca2+的溶液的料液比为1g：20~40ml。可选地，所述含有ca2+的溶液的质量分数为1~1.5%。

11、进一步地，步骤（2）中，所述含有ca2+的溶液包括氯化钙溶液、硝酸钙溶液、醋酸钙溶液等中的至少一种。可选地，所述静置时间为10~15min。

12、进一步地，步骤（2）中，所述氧化石墨烯与茶叶浸提液的料液比为1g：80~110ml。可选地，所述茶叶浸提液是用60~85℃的热水浸泡茶叶20~30min后，去除茶叶残渣，冷却至室温得到的液体。

13、进一步地，步骤（2）中，所述茶叶浸提液中碳酸盐的质量分数为1~2%。可选地，所述碳酸盐包括碳酸钠、碳酸钾、碳酸铵等中的至少一种。

14、进一步地，步骤（2）中，所述搅拌反应时间为5~10min。所述干燥温度为40~50℃，干燥时间为1~1.5小时。

15、进一步地，步骤（3）中，所述矿渣粉与碱液的料液比为1g：15~25ml。所述加热温度为60~70℃，反应时间为25~40min。可选地，所述碱液包括氢氧化溶液、氢氧化钾溶液等中的至少一种。所述碱液的浓度为2~4mol/l。所述矿渣粉颗粒表层的硅氧四面体、铝氧四面体惰性网络结构在oh-的作用下被破坏、解聚，使si-o-si、si-o-al、al-o-al键等发生断裂，从而提高矿渣粉颗粒的反应活性，其可与钙离子形成水化硅酸钙、铝酸钙等胶凝组分。

16、进一步地，步骤（3）中，将所述矿渣粉洗涤至中性，然后在80~90℃干燥1~2小时，完成后研磨，然后过200~300目筛，即得所述活性矿渣粉。

17、进一步地，步骤（4）中，所述调凝剂包括硼砂、三乙醇胺、硫酸锌中等中的至少一种。

18、第二方面，本发明公开上述方法制备的防氯离子侵蚀的磷酸镁水泥基材料在海洋工程、水利工程、建筑工程等领域中的应用。

19、相较于现有技术，本发明的技术方案至少具有以下方面的有益效果：

20、（1）本发明以磷酸镁水泥为基础成分，并在其中加入所述疏水剂、改性氧化石墨烯和活性矿渣粉，不仅克服了磷酸镁水泥涂料防水、抗氯离子侵蚀能力不足的问题，而且使本发明的防水抗渗型磷酸镁水泥基材料具有良好的抗裂强度和二次防护能力。其中：本发明的所述疏水剂以磷酸镁水泥粉为载体，并在其表面负载含氟硅烷形成疏水层。该疏水剂分散在涂料中后一方面可构建疏水体系，使形成的防护涂层具备良好的防水抗渗性能，进而防止氯离子随水渗透涂层侵蚀钢结构。另一方面，所述疏水剂进入涂料中后受到疏水层保护使内部的磷酸镁水泥颗粒处于未水化的状态，并保留至形成的涂层中，进而为涂层赋予了二次防护能力，这是由于在涂层服役过程中疏水剂上的含氟硅烷遭到侵蚀破坏后，所述磷酸镁水泥颗接触水后会快速进行水化反应形成胶凝物质，其可以起到密封渗水孔隙、通道的作用，从而防止水的进一步渗透。

21、（2）氧化石墨烯分布在涂料层中可起到切断渗水毛细通道的作用，有助于进一步提升磷酸镁水泥基材料涂层的防水抗渗能力。但氧化石墨烯易团聚，不易分散在涂层中，不利于更加充分地发挥氧化石墨烯的上述作用。为此，本发明先将氧化石墨烯分散在含有ca2+的溶液中，利用氧化石墨烯上的官能团与钙离子之间的络合作用，使氧化石墨烯上负载钙离子。进一步地，本发明还将经过上述处理的氧化石墨烯置于茶叶浸提液中后加入了碳酸盐，从而在氧化石墨烯上形成活性碳酸钙微粒，这些负载在氧化石墨烯上的碳酸钙微粒发挥空间位阻的作用，有助于降低石墨烯的团聚性，提高其在涂料层中的分散性，提升涂料层的防水抗渗能力。同时，由于所述茶叶浸提液中具有大量来自茶叶的多酚类物，其含有的苯羟基易失电子而呈电负性，从而容易与负载在所述氧化石墨烯上的钙离子发生正负离子静电吸附，阻碍所述钙离子与碳酸根反应形成的中间亚稳型的碳酸钙（如无定形型、球霰石型）向稳定态碳酸钙（文石型）的转变，从而将负载在氧化石墨烯上的钙离子转化为活性碳酸钙。其在完成对氧化石墨烯在涂料中的分散作用后，在后续的磷酸镁水泥水化反应过程中发生重溶，并与该水化反应提供的氢氧根形成氢氧化钙，其进一步和所述活性矿渣粉反应形成水化硅酸钙、铝酸钙等胶凝组分，从而使氧化石墨烯、活性矿渣粉与磷酸镁水泥水化产物交织、结合在一起，提升涂料层的强度，进而提升涂料层抵抗风浪冲击的能力，提高涂料层的服役寿命。