專利名稱：一種改性集料及水溶性環(huán)氧樹脂—磷鋁酸鹽水泥混凝土的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料科學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種改性集料及水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土( EPALCC )。
背景技術(shù)：
國內(nèi)外的眾多科技工作者，自20世紀(jì)50年代，尤其是80年代以來，在無機(jī)一有機(jī)復(fù)合材料領(lǐng)域，以及無機(jī)一有機(jī)復(fù)合膠凝材料領(lǐng)域作了大量的研究，例如對復(fù)合材料中主要的無機(jī)、有機(jī)組分各自的本征特性(如力學(xué)性能、耐久性等)，無機(jī)一有機(jī)分子的相容性， 復(fù)合后的界面特性和對所設(shè)計(jì)性能的改善效果，以及在工程應(yīng)用中的適應(yīng)性、壽命等。很多研究成果在工程實(shí)踐中已獲得了廣泛的應(yīng)用。
科學(xué)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，不斷推動(dòng)著材料的發(fā)展，而新材料的出現(xiàn)，又推動(dòng)著社會的進(jìn)步。這使人類的生活環(huán)境也在不斷地改變，人類生存、生活的質(zhì)量在提高。所以，在現(xiàn)代社會中，人類對賴以生存、生活的材料品質(zhì)的需求也越來越高。例如現(xiàn)代工程(高層樓房，高速公路，橋梁，陸上或海底隧道)、地上或地下的市政建筑以及減災(zāi)、搶救工程(地震援救、重建、滑坡、道路塌陷、防洪提、礦井透水以及2010年4月發(fā)生在墨西哥灣海底油井管漏油的封堵等)等等，都需要大量高性能(早強(qiáng)，高強(qiáng)，耐久性好和對環(huán)境友好)的特種膠凝材料，它們是金屬、塑料和木材所不能替代的高性能特種水泥混凝土。
目前，國內(nèi)外建筑工程或其它工程(陸地和海洋)使用的水泥混凝土和聚合物水泥混凝土中的水泥，絕大多數(shù)為硅酸鹽類型的水泥，硅酸鹽水泥混凝土的主要弊病是脆性、多孔、粘結(jié)性差、抗?jié)B性差，不能適應(yīng)現(xiàn)代工程的需要。還有極少部分混凝土采用硫鋁酸鹽水泥或鋁酸鹽水泥。硫鋁酸鹽水泥快硬、早強(qiáng)，可調(diào)為微膨脹水泥、自應(yīng)力水泥等品種。但在溫度改變和鈣、硫離子濃度或堿度改變時(shí)，主要水化產(chǎn)物鈣礬石會發(fā)生相變，使材料的抗碳化性能、護(hù)筋性能、耐久性以及化學(xué)穩(wěn)定性惡化。至于鋁酸鹽水泥，眾所周知，因其水化產(chǎn)物相變而不具有結(jié)構(gòu)材料要求的耐久性。
為了提高上述無機(jī)材料的韌性、改善其材性，多數(shù)措施是令其與有機(jī)物結(jié)合，特別是具有高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物(例如環(huán)氧樹脂、或脲醛樹脂、或酚醛樹脂)，并且將樹脂乳化，使其能與無機(jī)水硬性水泥更好地結(jié)合，這就是聚合物水泥混凝土。由于上述硅酸鹽、 硫鋁酸鹽和鋁酸鹽水泥都是低分子結(jié)構(gòu)的水硬性無機(jī)膠凝材料，它們與聚合物高分子中的基團(tuán)的相容性是這類材料能否具有高性能的關(guān)鍵。長期以來，國內(nèi)外相關(guān)科技工作者在對聚合物進(jìn)行改性，以改善其與水硬性無機(jī)低分子結(jié)構(gòu)相容性的研究中，已取得了不同層次的較好結(jié)果。盡管這樣，該材料在相容性的改善以及在使用環(huán)境中對抵抗水、堿(鉀、鈉)等的侵蝕的耐久性仍然存在有較大的局限性，不能滿足現(xiàn)代工程的需要。
因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種改性集料及水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土(EPALCC)，所述EPALCC是一種以無機(jī)水硬性的磷鋁酸鹽水泥與有機(jī)水溶性環(huán)氧樹脂以及改性集料復(fù)合的，具有早強(qiáng)，高強(qiáng)和耐久性優(yōu)良的新型聚合物磷鋁酸鹽水泥混凝土，旨在解決現(xiàn)有聚合物水泥混凝土中聚合物與水硬性無機(jī)分子結(jié)構(gòu)的相容性差、在使用環(huán)境中的耐久性低的問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種用于水泥混凝土中的改性集料，其中，所述改性集料是表面包覆兩層改性膜的花崗巖級配石子；所述兩層改性膜，內(nèi)層為硅溶膠層，外表層為硅-磷-鋁凝膠層。
所述的用于水泥混凝土中的改性集料，其中，所述硅溶膠層的硅溶膠的固含量為 26. 0%，硅溶膠層的厚度0. 1 0. 2mm。
所述的用于水泥混凝土中的改性集料，其中，所述硅-磷-鋁凝膠層的硅-磷-鋁凝膠的固含量為30. 0%，硅-磷-鋁凝膠層的厚度為0. 1 0. 2mm。
所述的用于水泥混凝土中的改性集料，其中，所述花崗巖級配石子的最大粒徑 ^ 20mm，巖石本體強(qiáng)度彡70MPa。
所述的用于水泥混凝土中的改性集料，其中，所述花崗巖級配石子的級配為粒徑廣5mm的石子占花崗巖級配石子重量的159Γ30%，粒徑5 8mm的石子占花崗巖級配石子重量 15% 30%，粒徑8 13mm的石子占花崗巖級配石子重量20% 25%，粒徑13 17mm的石子占花崗巖級配石子重量15°/Γ30%，粒徑17 20mm的石子占花崗巖級配石子重量5°/Γ20%。
一種使用上述的改性集料調(diào)配的水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土，其中， 所述水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土的主要成分為磷鋁酸鹽水泥、水溶性環(huán)氧樹脂和所述改性集料；所述水溶性樹脂為乳化改性的環(huán)氧樹脂。
所述的水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土，其中，所述水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土中，各主要成分的重量分如下磷鋁酸鹽水泥 25 30 水溶性環(huán)氧樹脂2. 5飛改性集料6(Γ75。
所述的水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土，其中，所述水溶性環(huán)氧樹脂是采用熱固性環(huán)氧樹脂進(jìn)行乳化制得。
所述的水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土，其中，所述水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土添加聚羧酸減水劑，其添加量為所述磷鋁酸鹽水泥重量的0. 229Γ0. 28%。
所述的水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土，其中，所述水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土的水灰比為0. 28^0. 32，砂率為0. 39。
本發(fā)明的EPALCC具有呈現(xiàn)出對混凝土材料的早期力學(xué)強(qiáng)度，材料的脆性和粘結(jié)性改善的同時(shí)還保持了長期力學(xué)性能優(yōu)良的特色。本發(fā)明的水溶性環(huán)氧樹脂磷鋁酸鹽水泥混凝土是從化學(xué)和物理化學(xué)原理出發(fā)，綜合了磷酸鹽、鋁酸鹽、磷鋁酸鹽和環(huán)氧樹脂各自的特點(diǎn)，又根據(jù)水泥、集料和樹脂復(fù)合體的界面化學(xué)原理，合成的具有三維網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的長壽命膠凝材料體系，使其具有許多優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土具有水化硬化和酸化硬化雙重協(xié)同作用產(chǎn)生小時(shí)早強(qiáng)、高強(qiáng)的特點(diǎn)。所發(fā)明的混凝土材料中，無機(jī)一有機(jī)復(fù)合大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)良的相容性，是其特點(diǎn)之二。這種結(jié)構(gòu)與表面改性集料優(yōu)良的粘結(jié)性，是其特點(diǎn)之三。由上述復(fù)合織構(gòu)使膠凝材料具有優(yōu)于現(xiàn)有混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度、韌性和耐久性，是水溶性環(huán)氧樹脂磷鋁酸鹽水泥混凝土的特點(diǎn)之四。本發(fā)明的具備上述特色的EPALCC膠凝材料，具有多功能性，可以適合工程需要的不同功能是其特點(diǎn)之五，例如快速固化，產(chǎn)生分鐘、小時(shí)強(qiáng)度，可用于搶修工程；延時(shí)固化，流動(dòng)度高，可工作時(shí)間長(幾小時(shí)，十幾小時(shí)，甚至幾十小時(shí))，例如封堵油井工程；耐負(fù)溫(-10°C)和高溫(38°C， 50 V，70°C，200 V及300 V )，可用于負(fù)溫工程和環(huán)境高溫工程。


圖1為混凝土力學(xué)強(qiáng)度測試抗折強(qiáng)度的示意圖。
圖2為混凝土力學(xué)強(qiáng)度測試劈裂強(qiáng)度的示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供一種改性集料及水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土(EPALCC)，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明所提供的水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土(EPALCC)，是一種無機(jī)粉體一有機(jī)乳劑一無機(jī)集料復(fù)合的聚合物水泥混凝土，其主要成分為磷鋁酸鹽水泥、水溶性環(huán)氧樹脂和改性集料。
所述水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土中，各主要成分的重量分如下 磷鋁酸鹽水泥 25 30水溶性環(huán)氧樹脂2. 5飛改性集料6(Γ75。
所述磷鋁酸鹽水泥是一種已獲得中國國家發(fā)明專利的新型磷鋁酸鹽水泥 (ZL02135771. 4)，其基礎(chǔ)強(qiáng)度為3天彡62. 5MPa。所述水溶性環(huán)氧樹脂是一種乳化改性的環(huán)氧樹脂，采用熱固性環(huán)氧樹脂進(jìn)行乳化制得。所述的改性集料是經(jīng)過兩層表面包覆改性的花崗巖級配石子。所述花崗巖級配石子，其最大粒徑，DmaxS 20mm，巖石本體強(qiáng)度> 70MPa。
所述花崗巖級配石子的級配為粒徑廣5mm的石子占花崗巖級配石子重量的 15% 30%，粒徑5 8mm的石子占花崗巖級配石子重量15% 30%，粒徑8 13mm的石子占花崗巖級配石子重量20% 25%，粒徑13 17mm的石子占花崗巖級配石子重量15% 30%，粒徑17 20mm 的石子占花崗巖級配石子重量59Γ20%。
所述改性集料的兩層表面包覆改性是指在石子的表層包覆兩層改性膜，第一層即內(nèi)層為硅溶膠層，其中，硅溶膠的固含量為沈.0%，硅溶膠層的厚度0. 1 0.2mm ；第二層即外表層為硅-磷-鋁凝膠層，所述硅-磷-鋁凝膠的固含量為30. 0%，硅-磷-鋁凝膠層的厚度為0. 1 0. 2mm。集料的包覆改性，使其可以同時(shí)與水溶性環(huán)氧樹脂和磷鋁酸鹽水泥緊密結(jié)合，使混凝土的孔隙率可低達(dá)10. 32%。
包覆花崗巖級配石子所使用的硅溶膠可以在市場上購買，包覆集料所使用的硅-磷-鋁凝膠可用相應(yīng)水泥完全水化得到。用硅溶膠、磷酸及可溶性鋁酸鹽(例如含結(jié)晶水的鋁酸鈣)，按重量比為1:1:1，在70°C水熱反應(yīng)器中，攪拌12小時(shí)后，即可制取硅-磷-鋁凝膠。
所述水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土中，還可以添加聚羧酸減水劑，其固含量> 20%，其添加比例范圍占所述磷鋁酸鹽水泥重量的0. 229Γ0. 28%。在水泥混凝土中添加聚羧酸減水劑可以減少用水量，例如，添加聚羧酸減水劑后，水灰比可以從0.5減低到 0. 3 ο
所述水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土的水灰比為0. 28^0. 32，砂率為 0. 39。所述水灰比是指拌制混凝土?xí)r所用的水和水泥的重量之比。所述砂率是指砂的質(zhì)量與砂和改性基料的總質(zhì)量的比。
本發(fā)明的環(huán)氧樹脂磷鋁酸鹽水泥混凝土的理論基礎(chǔ)如下已獲得國家發(fā)明專利的磷鋁酸鹽水泥是一種水硬性的無機(jī)膠凝材料。其化學(xué)成分中的磷酸鈣是一種“生命礦物”，意即是構(gòu)成人、動(dòng)物骨骼的一種無機(jī)物，故該材料與人類及自然界相容性好；而且該材料還具有大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(這是其它無機(jī)水硬性水泥所不具有的)，能與含有氧、氫、碳和羥基等基團(tuán)的有機(jī)高分子網(wǎng)絡(luò)很好地結(jié)合，有效地提高了材料中無機(jī)一有機(jī)組分間的相容性，所形成的復(fù)合體系還能固溶環(huán)境中的無機(jī)離子及有機(jī)基團(tuán) (C-H, C-C, C=O 等)，如:金屬離子1(、恥、]\%、!^4、(1、81~、1、取、0(1、？13等，以及碳酸根、硫酸根等，形成一個(gè)穩(wěn)定的水化產(chǎn)物體系。因而，從宏觀效果看，在本發(fā)明的PPALCC材料中， 磷鋁酸鹽水泥形成了一個(gè)無機(jī)一有機(jī)界面結(jié)合良好，孔隙率低的“三維絲狀網(wǎng)絡(luò)”織構(gòu)，既改善了無機(jī)水泥的脆性、粘結(jié)性，又改善了聚合物的耐水性和抗老化性，從而形成了一種可工作性好、強(qiáng)度發(fā)展快、耐久性優(yōu)良的新型聚合物水泥混凝土。所述改性集料的兩層改性膜是基于“化學(xué)相似者相親”原理，里層的硅溶膠層與集料表面結(jié)合的主要是硅元素，外表層的硅-磷-鋁凝膠層為“接枝層”，硅-磷-鋁元素與磷鋁酸鹽水泥相容，同時(shí)又與水溶性環(huán)氧樹脂結(jié)合，從而形成緊密的界面聯(lián)結(jié)。
本發(fā)明的水溶性環(huán)氧樹脂磷鋁酸鹽水泥混凝土是從化學(xué)和物理化學(xué)原理出發(fā)，綜合了磷酸鹽、鋁酸鹽、磷鋁酸鹽和環(huán)氧樹脂各自的特點(diǎn)，又根據(jù)水泥、集料和樹脂復(fù)合體的界面化學(xué)原理，合成的具有三維網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的長壽命膠凝材料體系，它具有如下特點(diǎn)本發(fā)明的水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土具有水化硬化和酸化硬化雙重協(xié)同作用產(chǎn)生小時(shí)早強(qiáng)、高強(qiáng)的特點(diǎn)。所發(fā)明的混凝土材料中，無機(jī)一有機(jī)復(fù)合大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)良的相容性，是其特點(diǎn)之二。這種結(jié)構(gòu)與表面改性集料優(yōu)良的粘結(jié)性，是其特點(diǎn)之三。由上述復(fù)合織構(gòu)使膠凝材料具有優(yōu)于現(xiàn)有混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度、韌性和耐久性，是水溶性環(huán)氧樹脂磷鋁酸鹽水泥混凝土的特點(diǎn)之四。本發(fā)明的具備上述特色的EPALCC膠凝材料，具有多功能性，可以適合工程需要的不同功能是其特點(diǎn)之五，例如快速固化，產(chǎn)生分鐘、小時(shí)強(qiáng)度， 可用于搶修工程；延時(shí)固化，流動(dòng)度高，可工作時(shí)間長(幾小時(shí)，十幾小時(shí)，甚至幾十小時(shí))， 例如封堵油井工程；耐負(fù)溫(_10°C )和高溫(38°C，50°C，700C，200°C及300°C )，可用于負(fù)溫工程和環(huán)境高溫工程。
本發(fā)明的EPALCC的凝結(jié)時(shí)間和固化時(shí)間示于表1、表2和表3分別列出了 EPALCC 的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度變化范圍。
表1. EPALCC的凝結(jié)時(shí)間和固化時(shí)間/分
權(quán)利要求
1.一種用于水泥混凝土中的改性集料，其特征在于，所述改性集料是表面包覆兩層改性膜的花崗巖級配石子；所述兩層改性膜，內(nèi)層為硅溶膠層，外表層為硅-磷-鋁凝膠層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于水泥混凝土中的改性集料，其特征在于，所述硅溶膠層的硅溶膠的固含量為26. 0%，硅溶膠層的厚度0. 1 0. 2mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于水泥混凝土中的改性集料，其特征在于，所述硅-磷-鋁凝膠層的硅-磷-鋁凝膠的固含量為30. 0%，硅-磷-鋁凝膠層的厚度為0. 1 0. 2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于水泥混凝土中的改性集料，其特征在于，所述花崗巖級配石子的最大粒徑彡20mm，巖石本體強(qiáng)度> 70MPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于水泥混凝土中的改性集料，其特征在于，所述花崗巖級配石子的級配為粒徑廣5mm的石子占花崗巖級配石子重量的15% 30%，粒徑5 8mm的石子占花崗巖級配石子重量15% 30%，粒徑8 13mm的石子占花崗巖級配石子重量20% 25%，粒徑 13 17mm的石子占花崗巖級配石子重量15% 30%，粒徑17 20mm的石子占花崗巖級配石子重量5% 20%。
6.一種使用如權(quán)利要求廣5所述的改性集料調(diào)配的水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土，其特征在于，所述水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土的主要成分為磷鋁酸鹽水泥、水溶性環(huán)氧樹脂和所述改性集料；所述水溶性樹脂為乳化改性的環(huán)氧樹脂。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土，其特征在于，所述水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土中，各主要成分的重量分如下磷鋁酸鹽水泥 25 30水溶性環(huán)氧樹脂2. 5飛改性集料6(Γ75。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土，其特征在于，所述水溶性環(huán)氧樹脂是采用熱固性環(huán)氧樹脂進(jìn)行乳化制得。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土，其特征在于，所述水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土添加聚羧酸減水劑，其添加量為所述磷鋁酸鹽水泥重量的 0. 229Γ0. 28%ο
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土，其特征在于，所述水溶性環(huán)氧樹脂一磷鋁酸鹽水泥混凝土的水灰比為0. 28^0. 32，砂率為0. 39。
全文摘要
本發(fā)明公開一種改性集料及水溶性環(huán)氧樹脂—磷鋁酸鹽水泥混凝土，所述改性集料是表面包覆兩層改性膜的花崗巖級配石子；所述兩層改性膜，內(nèi)層為硅溶膠層，外表層為硅-磷-鋁凝膠層。所述的水溶性環(huán)氧樹脂磷鋁酸鹽水泥混凝土是從化學(xué)和物理化學(xué)原理出發(fā)，綜合了磷酸鹽、鋁酸鹽、磷鋁酸鹽和環(huán)氧樹脂各自的特點(diǎn)，又根據(jù)水泥、集料和樹脂復(fù)合體的界面化學(xué)原理，合成的具有三維網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的長壽命膠凝材料體系，使其具有多功能性，可以適合工程需要的不同功能。
文檔編號C04B14/04GK102515598SQ20111040074
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者丁鑄, 李仕群, 王衛(wèi)侖, 胡佳山, 邢鋒 申請人:邢鋒