快速修補的聚合物砂漿及應用
【專利摘要】本發明是一種快速修補的聚合物砂漿及應用。該砂漿以天然彩砂為主要原料，以改性的雙酚A環氧樹脂為膠結料，以復配型改性脂肪胺為固化劑，以無機納米粒子為增韌填料，添加適量的活性稀釋劑、環氧樹脂消泡劑、防老劑等，按比例配制而成。該砂漿具有良好的不透水性、低溫固化速度快、壓折比低、低溫柔韌性好、抗震性好、粘結強度高、抗凍融性好、耐久性好等特點，同時制作工藝簡單、成本適中，適用于高寒地區高鐵無軌砟道間混凝土層凍融粉化的快速修補，也可廣泛用于道路井蓋下陷、高速公路隧道路面和橋面、機場混凝土路面等的破損修補。
【專利說明】
快速修補的聚合物砂漿及應用
技術領域
[0001] 本發明涉及一種高強高抗凍融性彩色聚合物砂漿及其制備工藝，該聚合物修補砂 漿應用于高寒、高溫地區高鐵系統混凝土路面粉化和干裂表面修復。
【背景技術】
[0002] 在我國高寒地區，受大溫差、干濕變化、凍融循環、風蝕等多種自然因素的影響，造 成混凝土工程極易產生粉化、剝蝕、裂縫等災害。病害一旦出現，就需要及時進行調查分析， 找出產生的原因并采取合適的材料及技術加以修補，以確保混凝土結構的安全性和耐久 性。
[0003] 哈大鐵路客運專線是我國第一條高寒地區高速鐵路，自開通運營以來，由于哈大 客運專線地處高寒地區，晝夜溫差大，導致兩線間和路肩防水保護層混凝土陸續發生粉化 現象，給高速鐵路行車帶來安全隱患。為確保高速鐵路的行車安全，哈大客專公司決定對防 水保護層纖維混凝土產生粉化的處所采取表面清理、下部混凝土固化的措施進行整治試 驗。很多國內科研機構都對此進行研究。聚合物砂漿不僅有良好的機械性能，而且具有漂亮 的外觀，是一種多用途的材料。它在建筑、交通、水利、裝潢行業都有一定的應用。相比傳統 水泥砂漿有良好的耐磨性、粘結強度、抗凍融性、以及低收縮性，因而成為各種工程結構修 補用的重要材料。
[0004] 專利號CN 102765919A公布了一種水泥混凝土路面快速修補材料及其制備方法， 這種砂漿由環氧樹脂、粉煤灰、多元胺、稀釋劑等組成，具有快硬早強，粘結強度大、韌性好 等優點，但是因為其有機物含量過高、大大降低了其耐久性、單一級配的填料會增加材料的 脆性。同樣在低溫下其收縮率會變大，抗凍融性差。
[0005] 專利號CN 101560077 A公布了一種應用于板式無扎軌道的環氧樹脂砂漿組合物， 該砂漿對水泥具有耐是熱老化、耐化學腐蝕、彈性和機械強度好等特點，缺點是工藝較為復 雜，攪拌時間長，不利于高鐵無軌乳道混凝土路面的快速修復，同時其粘結強度只有2-3MPa〇
[0006] 因此開發出一種高粘結強度、韌性好、抗震性好、耐久性好、抗凍融性好、低收縮率 的聚合物砂漿對其在高寒地區高鐵無砟軌道混凝土路面及其他混凝土工事的緊急修補有 著重要的意義。
【發明內容】
[0007] 本發明所要解決的技術問題是:提供一種高寒地區粉化水泥混凝土路面快速修補 用聚合物砂漿，通過方案優化，以及聚合物復配和改性增韌，并集這些材料的各自優點，克 服現有技術中存在的快固聚合物基修復砂漿韌性差、耐久性差等問題。
[0008] 本發明解決其技術問題采用以下的技術方案：
[0009] 本發明提供的快速修補的聚合物砂漿，是以天然彩砂為主要原料，改性環氧樹脂 為膠結料，復配型改性脂肪胺為固化劑，以無機納米粒子為增韌填料，再添加助劑，按比例 配制而成;按重量份數計，具體配比為：
[0010] 天然彩砂300~600份，改性環氧樹脂70~100份，復配型改性多元胺30~60份，無 機納米粒子2~10份，固化促進劑1~10份，增塑劑10-30份，稀釋劑10~20份，環氧樹脂消泡 劑0.1~0.5份，防老劑0.1~0.5份。
[0011] 所述的改性環氧樹脂為羥甲基雙酚A型環氧樹脂，其環氧值多0.45,40°C時粘度為 25-60Pa. s，軟化溫度23~27°C。
[0012] 所述的復配型改性多元胺固化劑為酚醛胺與聚醚胺的混合物，其混合重量比為1 ~3:2~1;其中所用酚醛胺是以苯酚、甲醛、脂環胺為原料的第三代酚醛胺，其胺值為440~ 520mgK0H/g，25 °C時的黏度2000-4000mPa. s;所用聚醚胺為單官能、雙官能、三官能聚醚胺 的一種或者兩種以上的混合物，其胺值為200~500mgK0H/g，25°C時的黏度<400mPa. s。
[0013] 所述的天然彩砂，由5~20目、20~40目、40~80目、80~100目、100~200目以及彡 200目的石英砂復配而得，所述石英砂相應復配重量百分比分別為：10~35%，15~25%，10 ~20%，5~15%，5~20%，20~45%。
[0014] 所述的稀釋劑為丁基縮水甘油醚、芐基縮水甘油醚中的一種。
[0015] 所述的固化促進劑為DMP-30、芐基二胺、苯酚中的一種。
[0016] 所述的納米無機粒子為經過偶聯劑改性的碳酸鈣粉或二氧化硅，其粒徑為40-60nm;所述偶聯劑為鈦酸酯，或者硅烷偶聯劑KH550、KH560中的一種。
[0017] 本發明提供的上述快速修補的聚合物砂漿，其用途是:在高寒地區高鐵無砟軌道 粉化混凝土緊急修補中的應用，或者在道路井蓋下陷、高速公路隧道路面和橋面、機場混凝 土路面破損的快速修補中的應用。
[0018] 所述聚合物砂漿應用時，具體是采用以下方法施工：
[0019] ⑴設計配合比：
[0020] 根據混凝土工程具體特點和修補技術的要求，配制聚合物砂漿；
[0021] (2)修補基層處理：
[0022]先對破損混凝土結構表面進行表面清潔處理，再根據配制的聚合物砂漿材料性能 控制指標結合混凝土表面粗糙程度進行修補，修補厚度3-15_，當修補層超過15mm時分層 嵌補；
[0023] (3)界面粘結層：
[0024]在干燥的修補基面上涂覆一層聚合物漿液作為界面層，以增加修補砂漿與基層混 凝土的粘結力，在漿液未干前，鋪筑聚合物修補砂漿;所述聚合物漿液由所述砂漿中除天然 彩砂外其它組分按比例配制而成；
[0025] (4)修補砂漿的制備：
[0026] 按配比，將天然彩砂、改性環氧樹脂、無機納米粒子、增塑劑和防老劑配制后，進行 水浴脫泡，獲得A組分；
[0027] 所述的無機納米粒子由以下方法進行表面改性，
[0028] 1)稱取一定量的納米無機粒子，70 °C烘干30min，與偶聯劑溶液進行共混，共混物 超聲波分散30-40min，80 °C烘干至納米粒子質量不再變化，
[0029] 2)停止加熱，冷卻至室溫，出料，密封保存；
[0030] 按配比，將酚醛胺、聚醚胺、固化促進劑配制后，進行水浴脫泡，獲得B組分；
[0031] (5)將A、B組分按照重量配比混合后，然后在滑模攤鋪機中加入占改性環氧樹脂重 量比0.1~0.5 %的環氧樹脂消泡劑進行快速攪拌5~lOmin，得到聚合物砂漿;利用滑模攤 鋪機將聚合物砂漿鋪在無砟軌道清理后的混凝土基表面，凝膠30min后用砂漿抹平機進行 表面平整處理；
[0032] (6)自然固化或經現場檢測合格，恢復高鐵運行。
[0033]上述步驟(6)中，所述自然固化是:室溫及正常濕度下，聚合物砂漿1-2小時后即可 表干，6小時后即可完全固化;正常情況下，待膠層完全固化后即可開放交通;特殊情況下， 修補砂漿表干后亦可開放交通。
[0034]本發明相對于傳統的聚合物基砂漿具有以下主要的優勢。
[0035] 1.本聚合物砂漿采用脂肪族縮水甘油醚活性稀釋劑，該稀釋劑分子結構中帶有環 氧基團，在環氧樹脂固化交聯過程中，還能結合在環氧樹脂固化網絡中，增加網絡的可變形 性，具有良好的稀釋增韌作用，同時提高環氧樹脂粘結性能，而環氧膠黏劑的固化速度下降 的很少，避免了砂漿固化過程中產生的發氣、空鼓的問題。
[0036] 2.采用基于最大密度曲線理論科學級配的天然彩砂大大降低了砂漿固化后的孔 隙率，提高了修補砂漿的耐久性，減少了膠結料添加量，同時具有抗腐蝕、耐酸堿、抗暴曬、 不變色等特點。相對于單級配的砂漿體系其脆性、收縮性大大降低，天然彩砂可根據不同要 求進行顏色搭配，同時起到美化環境的作用。
[0037] 3.為了提高聚合物砂漿的固化速度，本發明采用活性大的羥甲基環氧樹脂，該環 氧樹脂能低溫快速固化，可與環氧樹脂混合使用，可做室溫快固和負溫下使用的環氧砂漿， 適用于不同季節混凝土工程的緊急修補的施工作業。
[0038] 4.交替凍融會降低水泥混凝土的性能，本聚合物砂漿內部沒有吸放水的相互連通 的孔結構，在澆鑄過程中因空氣所產生的空隙都是孤立、不連續的。對本聚合物砂漿進行 300次凍融循環沒有發現質量損失。
[0039] 5.該發明聚合物砂漿采用兩種改性脂肪胺進行復配的固化劑體系，改性脂肪胺為 酚醛胺和聚醚胺，酚醛胺因為在分子結構中引入了酚羥基，大大提高了固化反應活性，縮短 了固化時間，相對于普通的快固型脂肪胺其具有粘度低、毒性小、混溶性好、浸潤性強等優 點；聚醚胺則具有粘度低、刺激性小、混溶性好等優點，因為分子中引入了醚鍵，作為固化劑 能大大提高環氧樹脂固化物的韌性，施工方便。兩種固化劑一起使用，通過調整各自的添加 量，兩種固化劑發揮"協同作用"，發揮各自的優點，獲得了一種既具有高活性，又可以大大 改善環氧樹脂固化物韌性的復配型改性脂肪胺固化劑。
[0040] 6.本發明采用經過表面改性的無機納米粒子對環氧樹脂進行增韌，相對于液體橡 膠增韌其成本大大降低，利用鈦酸酯或硅烷偶聯劑對無機納米粒子表面進行改性，形成無 機相-偶聯劑-有機相的結合層，無機納米粒子粉體經偶聯劑處理后表面由親水性轉變為親 油性，既可以提高與環氧樹脂的相容性，同時也降低了無機納米顆粒間的附聚力，改進它在 基體中的分散性和分散穩定性，增強聚合物與填料之間的粘接力，使復合材料獲得較好韌 性強度。無機納米粒子的存在產生應力集中效應，易引發周圍樹脂產生微開裂，吸收一定的 變形功;無機粒子的存在使基體樹脂裂紋擴展受阻和鈍化，最終終止裂紋不致發生破壞性 開裂。在復合體系中添加改性納米粒子以后，在沖擊過程中，在沖擊方向上會出現一些銀紋 狀突起，這些銀紋狀突起會吸收大量的沖擊能，從而提高樹脂固化物的韌性。經筆者實驗， 用納米粒子改性環氧樹脂其沖擊強度可提高70%以上，電鏡掃描的沖擊斷面顯示無機納米 粒子在樹脂基體中能得到均勻分散，納米粒子和其周圍的基體界面相出現大量銀紋。
[0041]總之，本發明提供的聚合物砂漿具有良好的不透水性、低溫固化速度快、壓折比 低、低溫柔性好、抗震性好、粘結強度高、抗凍融性好、耐久性好等特點，依據JG/T涂層耐凍 融循環實驗，該砂漿低溫降為-40 °C條件下經過10次循環未出現粉化、開裂、氣泡、剝落以及 表層變色的現象，該彩色聚合物砂漿施工簡單、快捷、不受橋面幾何因素的制約，既適用于 現場人工手動共混和攤鋪，也可利用滑模攤鋪設備進行現場快速配制和攤鋪。依據《環氧砂 漿技術規程》在5°C以上外界環境溫度下，該聚合物砂漿凝膠時間為20-60min，24小時即可 達到抗折強度彡30MPa，，抗壓強度彡80MPa，壓折比<3。該砂漿實用性強，適用于高寒地區 高鐵無軌砟道間混凝土層凍融粉化的快速修補，也可廣泛用于道路井蓋下陷、高速公路隧 道路面和橋面、機場混凝土路面等的破損修補。
[0042]具體實施方法
[0043] 本發明涉及一種高韌性、抗凍融快速修補聚合物砂漿及其施工方法，所述的聚合 物砂漿具有高韌性、高粘結強度、抗震性好、快速固化、低收縮性、耐久性好、抗凍融性好等 特性，針對高寒地區高鐵無砟軌道間混凝土結構的緊急修補，該砂漿材料凝膠時間短、柔韌 性好、耐久性好，同時制作工藝簡單、成本適中，可廣泛應用于高寒、高溫等溫差大，天氣復 雜的地區的路面粉化和干裂修復，還適用于道路井蓋下陷、高速公路隧道路面和橋面、機場 混凝土路面等的破損修補。也可廣泛用于堤壩、房屋等混凝土層的快速修補及加固，灌漿填 縫，地坪鋪設等領域。同時其也可根據具體使用要求凝膠時間可調。
[0044] 下面結合實施例對本發明作進一步說明，但并不局限于下面所述內容。
[0045] 實施例1:
[0046] 1)A組分的制備:將改性環氧樹脂100份、丁基縮水甘油醚15份、鄰苯二甲酸二丁酯 10份、無機納米粒子碳酸1丐4份、防老劑對苯二胺0.1份、依次加入反應爸中攪拌10-15min， 最后加入天然彩砂400份，攪拌30min，水浴脫泡，即得A組分，包裝儲存。
[0047] 2)B組分的制備:將酚醛胺10份、聚醚胺30份、促進劑DMP-30 5份、加入反應釜中攪 拌5-10min，水浴脫泡即得B組分，包裝儲存。
[0048] 3)聚合物砂漿的制備:將A、B兩組分投入攪拌桶中，0.1份的環氧樹脂消泡劑進行 快速攪拌l〇min，即獲得該聚合物砂漿，該聚合物砂漿隨用隨配，保證配置后30min用完。 [0049] 5)利用手工施工將混合均勻的聚合物砂漿鋪在無砟軌道清理后的混凝土基表面， 凝膠30min后用砂漿抹平機進行表面平整處理。
[0050] 6)室溫及正常濕度下，1-2小時后即可表干，6小時后即可完全固化。正常情況下， 待膠層完全固化后即可放行。特殊情況下，修補砂漿表干后亦可放行。
[0051 ] 7)現場檢測。依據TB/T2965-2011《鐵路混凝土橋面防水層技術條件》、哈大客專 《整治防水保護層混凝土粉化試驗、科研方案》進行。
[0052]在上述研究基礎上，根據工程實際要求，本文研究制得了一種適用于高寒地區高 鐵無砟軌道間粉化混凝土快速修補聚合物砂漿材料，提出了相應的施工工藝，并將其應用 于實際工程中，工程實踐表明該施工工藝簡便可行。現場測試結果表明，聚合物砂漿層在不 增加橋面荷載的情況下，與混凝土基材粘接牢固，且表現出優異的抗震與防滑耐磨性能，達 到了預期的效果。經過一個冬季的凍融循環和半年的通車考驗后，混凝土基面聚合物砂漿 層無脫層、坑洞、開裂等現象產生，運行狀況良好。
[0053]實施例2-8，砂漿各組分的制備工藝如實施例1，改變聚合物砂漿中部分添加劑的 種類和用料。
[0054]實例2:改性環氧樹脂、天然彩砂、酚醛胺、聚醚胺、DMP-30、丁基縮水甘油醚、二甲 苯、環氧樹脂消泡劑、對苯二胺。其配比按重量份數依次為100: 500:15 : 20:4:10 : 20:0.3: 〇.1，其測試結果見表1。
[0055] 實例3:改性環氧樹脂、河沙、酚醛胺、低分子聚酰胺、DMP-30、丁基縮水甘油醚、二 甲苯、環氧樹脂消泡劑、對苯二胺。其配比按重量份數依次為100:350:15:20:4:10: 20:0.3: 〇.1，其測試結果見表1。
[0056] 實例4:改性環氧樹脂、玄武巖、酚醛胺、聚醚胺、DMP-30、丁基縮水甘油醚、鄰苯二 甲酸二辛酯、環氧樹脂消泡劑、對苯二胺。其配比按重量份數依次為100:500:15:20:4:10: 20:0.3:0.1，其測試結果見表1。
[0057]實例5:改性環氧樹脂、天然彩砂、酚醛胺、聚醚胺、DMP-30、芐基縮水甘油醚、鄰苯 二甲酸二辛酯、環氧樹脂消泡劑、對苯二胺。其配比按重量份數依次為100:500: 20: 20:4: 10:20:0.3:0.1，其測試結果見表1。
[0058]實例6:改性環氧樹脂、天然彩砂、酚醛胺、聚醚胺、DMP-30、芐基縮水甘油醚、鄰苯 二甲酸二辛酯、環氧樹脂消泡劑、對苯二胺。其配比按重量份數依次為100:600:15: 20:4: 10:20:0.3:0.1，其測試結果見表1。
[0059] 實例7 :改性環氧樹脂、玄武巖、酚醛胺、聚醚胺、DMP-30、丁基縮水甘油醚、鄰苯二 甲酸二辛酯、環氧樹脂消泡劑、對苯二胺。其配比按重量份數依次為100:450:15:20:4:10: 20:0.3:0.1，其測試結果見表1。
[0060] 實施例8:改性環氧樹脂、天然彩砂、酚醛胺、低分子聚酰胺、DMP-30、丁基縮水甘油 醚、鄰苯二甲酸二辛酯、環氧樹脂消泡劑、對苯二胺。其配比按重量份數依次為100:550:15: 20:4:10:20:0.3:0.1，其測試結果見表1。
[0061 ]上述實施例制得的快速修補的聚合物砂漿，在以哈大高鐵線為代表的高寒地區混 凝土路面快速修補或其它混凝土工程緊急維修中應用。其它混凝土工程是指道路井蓋下 陷、高速公路隧道路面和橋面、機場混凝土路面等的破損修補。
[0062]上述實施例制得的快速修補的聚合物砂漿的性能測試參照TB/T2965-2011《鐵路 混凝土橋面防水層技術條件》、哈大客專《整治防水保護層混凝土粉化試驗、科研方案》、DL/ T5193-2004《環氧樹脂砂漿技術規程》的相關規定執行。
[0063]表1水泥混凝土路面快速修補材料的主要性能。
【主權項】
1. 一種快速修補的聚合物砂漿，其特征是以天然彩砂為主要原料，改性環氧樹脂為膠 結料，復配型改性脂肪胺為固化劑，以無機納米粒子為增韌填料，再添加助劑，按比例配制 而成;按重量份數計，具體配比為： 天然彩砂300~600份，改性環氧樹脂70~100份，復配型改性多元胺30~60份，無機納 米粒子2~10份，固化促進劑1~10份，增塑劑10-30份，稀釋劑10~20份，環氧樹脂消泡劑 0.1~0.5份，防老劑0.1~0.5份。2. 如權利要求1所述的快速修補的聚合物砂漿，其特征在于所述的改性環氧樹脂為羥 甲基雙酸A型環氧樹脂，其環氧值多0.45，40°C時粘度為25-60Pa. s，軟化溫度23~27°C。3. 如權利要求1所述的快速修補的聚合物砂漿，其特征在于所述的復配型改性多元胺 固化劑為酚醛胺與聚醚胺的混合物，其混合重量比為1~3:2~1;其中所用酚醛胺是以苯 酚、甲醛、脂環胺為原料的第三代酚醛胺，其胺值為440~520mgK0H/g，25°C時的黏度2000-4000mPa.s;所用聚醚胺為單官能、雙官能、三官能聚醚胺的一種或者兩種以上的混合物，其 胺值為200~500mgK0H/g，25°C時的黏度彡400mPa. s。4. 如權利要求3所述的快速修補的聚合物砂漿，其特征在于所述的天然彩砂，由5~20 目、20~40目、40~80目、80~100目、100~200目以及<200目的石英砂復配而得，所述石英 砂相應復配重量百分比分別為：10~35 %，15~25 %，10~20 %，5~15 %，5~20 %，20~ 45% 〇5. 如權利要求1所述的快速修補聚合物砂漿，其特征在于所述的稀釋劑為丁基縮水甘 油醚、芐基縮水甘油醚中的一種。6. 如權利要求1所述的快速修補聚合物砂漿，其特征在于所述的固化促進劑為DMP-30、 芐基二胺、苯酚中的一種。7. 如權利要求1所述的快速修補聚合物砂漿，其特征在于所述的納米無機粒子為經過 偶聯劑改性的碳酸鈣粉或二氧化硅，其粒徑為40-60nm;所述偶聯劑為鈦酸酯，或者硅烷偶 聯劑KH550、KH560中的一種。8. 權利要求1至7中所述快速修補的聚合物砂漿的應用，其特征是在高寒地區高鐵無砟 軌道粉化混凝土緊急修補中的應用，或者在道路井蓋下陷、高速公路隧道路面和橋面、機場 混凝土路面破損的快速修補中的應用。9. 根據權利要求8所述快速修補的聚合物砂漿的應用，其特征是采用以下方法施工： (1) 設計配合比： 根據混凝土工程具體特點和修補技術的要求，配制聚合物砂漿； (2) 修補基層處理： 先對破損混凝土結構表面進行表面清潔處理，再根據配制的聚合物砂漿材料性能控制 指標結合混凝土表面粗糙程度進行修補，修補厚度3_15mm，當修補層超過15mm時分層嵌補； (3) 界面粘結層： 在干燥的修補基面上涂覆一層聚合物漿液作為界面層，以增加修補砂漿與基層混凝土 的粘結力，在漿液未干前，鋪筑聚合物修補砂漿;所述聚合物漿液由所述砂漿中除天然彩砂 外其它組分按比例配置而成； (4) 修補砂漿的制備： 按配比，將天然彩砂、改性環氧樹脂、無機納米粒子、增塑劑和防老劑配制后，進行水浴 脫泡，獲得A組分； 所述的無機納米粒子由以下方法進行表面改性， 1) 稱取一定量的納米無機粒子，70°C烘干30min,與偶聯劑溶液進行共混，共混物超聲 波分散30-40min，80°C烘干至納米粒子質量不再變化， 2) 停止加熱，冷卻至室溫，出料，密封保存； 按配比，將酚醛胺、聚醚胺、固化促進劑配制后，進行水浴脫泡，獲得B組分； (5) 將A、B組分按照重量配比混合后，然后在滑模攤鋪機中加入占改性環氧樹脂重量比 0.1~0.5%的環氧樹脂消泡劑進行快速攪拌5~lOmin，得到聚合物砂漿;利用滑模攤鋪機 將聚合物砂漿鋪在無砟軌道清理后的混凝土基表面，凝膠30min后用砂漿抹平機進行表面 平整處理； (6) 自然固化或經現場檢測合格，恢復高鐵運行。10.根據權利要求9所述快速修補聚合物砂漿的應用，其特征在于步驟(6)中，所述自然 固化是：室溫及正常濕度下，聚合物砂漿1-2小時后即可表干，6小時后即可完全固化;正常 情況下，待膠層完全固化后即可開放交通;特殊情況下，修補砂漿表干后亦可開放交通。
【文檔編號】C04B41/52GK105884253SQ201610225182
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月12日
【發明人】梅啟林, 程相見, 王宏華, 李欣怡
【申請人】武漢理工大學