一种全无机复合高耐久裂缝修复材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于建筑材料，具体涉及一种全无机复合高耐久裂缝修复材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、混凝土结构在服役过程中，因荷载作用、温度变化、收缩变形及地基沉降等因素极易产生裂缝。裂缝不仅影响结构外观和使用功能，更为水及侵蚀性介质提供渗透通道，导致混凝土耐久性下降、钢筋锈蚀加速，严重威胁结构安全性与服役寿命。因此，裂缝的自修复是实现混凝土结构长效耐久的重要技术路径。地聚合物（geopolymer）作为一种新型绿色胶凝材料，因具有快硬早强、耐化学侵蚀、与混凝土基层粘结良好等优点，在裂缝修补领域受到广泛关注。然而，地聚合物材料本身脆性较大，服役过程中易产生新的微裂缝，传统修补材料缺乏对新生裂缝的主动修复能力。

2、现有技术主要包括以下几类：第一类为微胶囊自修复型地聚合物复合材料，如cn121800477a公开了一种以偏高岭土和矿渣为胶凝原料、经碱激发形成的地聚合物基体，并均匀分散有以聚氨酯为壳体、环氧树脂为芯材的微胶囊，裂缝产生时微胶囊破裂释放环氧树脂，固化后填充裂缝实现自修复；cn120229898a公开了一种用于地聚物材料自修复的微胶囊，以脲醛树脂为壁材、环氧树脂为芯材，在300-800℃高温下外壳融化释放芯材以实现高温裂缝修复。第二类为智能响应型自修复系统，如cn120877935a公开了一种抗硫酸侵蚀自修复地聚合物系统，通过集成于基体内部的原位多点ph传感网络实时监测侵蚀过程中ph场的演化数据，由中央ai决策模块评估侵蚀状态并生成最优修复策略以控制自修复单元进行修复。第三类为材料本征型自修复体系，如掺有高吸水性聚合物（sap）的碱激发矿渣粉胶凝材料体系的裂缝自愈合性能，以及地聚合物基渗透结晶防水材料，其利用地聚合物硅氧四面体三维网络结构，结合活性物质遇水再次被激活缩聚成致密结晶体以实现自修复。

3、然而，上述现有技术均存在明显不足。首先，cn121800477a和cn120229898a等所采用的环氧树脂微胶囊、聚氨酯微胶囊、脲醛树脂微胶囊等有机微胶囊与地聚合物无机基体之间存在显著的界面不相容问题：其一，微胶囊外壳与地聚合物基体的热膨胀系数差异大，温度循环下易产生界面脱粘；其二，有机组分在长期服役中面临紫外辐照、湿热环境等老化作用，不可避免发生分子链断裂和性能劣化。此外，cn120229898a的微胶囊需在300-800℃高温下才释放芯材，应用场景严重受限，无法满足常温服役条件下裂缝的自修复需求。其次，纯地聚合物体系的自修复主要依赖未反应活性组分遇水后的二次水化或碳化反应，修复效率低，修复过程被动不可控；掺入sap虽有所改善，但sap本身为有机高分子材料，同样面临长期耐久性问题。其次，现有技术的修复机制单一，缺乏覆盖裂缝从微米级萌生到毫米级扩展全过程的快-中-慢多阶段时序协同设计。最后，现有自修复技术普遍依赖水的存在来激活修复反应，在干燥环境或无水条件下自修复功能无法启动，应用场景严重受限。

技术实现思路

1、基于以上现有技术的不足，本发明提供了一种全无机复合高耐久裂缝修复材料，旨在解决有机-无机界面不相容、修复机制单一、依赖水存在以及无法覆盖裂缝全生命周期等关键技术问题，实现高效、广谱、自主的多阶段协同裂缝修复。

2、本发明解决的上述技术问题所采取的技术方案如下：

3、本发明的一种全无机复合高耐久裂缝修复材料，按重量份数包括矿渣微粉50-80份、粉煤灰15-40份、碱激发剂20-40份、结晶型矿物自修复剂8-25份、纳米二氧化硅1-5份、石英粉填料20-50份和水20-40份。

4、优选的，所述矿渣微粉为粒化高炉矿渣经粉磨得到的微粉，比表面积为400-600m²/kg，28d活性指数≥95%。

5、优选的，所述粉煤灰为燃煤电厂产生的f类或c类粉煤灰，其45µm方孔筛筛余的细度≤20%。

6、优选的，所述碱激发剂为水玻璃与氢氧化钠的复合物，其模数为1.0-1.6；所述水玻璃中sio2含量为25%-30%、na2o含量为12%-15%；所述氢氧化钠为工业级片碱，其纯度≥96%。

7、优选的，所述结晶型矿物自修复剂为钙矾石晶种与水滑石类层状双金属氢氧化物的复合物，所述钙矾石晶种与水滑石类层状双金属氢氧化物的质量比为（2-5）：1。

8、优选的，所述纳米二氧化硅为气相法纳米二氧化硅，其平均粒径为10-30nm，比表面积为180-250m²/g，sio2的含量≥99.5%。

9、优选的，所述石英粉为天然石英岩粉磨而成，其细度为200-325目连续级配，sio2的含量≥98%。

10、本发明所要解决的另一技术问题是提供上述一种全无机复合高耐久裂缝修复材料的制备方法，包括如下步骤：

11、s01、结晶型矿物自修复剂的制备：将钙矾石晶种与水滑石类层状双金属氢氧化物按质量比（2-5）:1混合，投入行星式球磨机中，以氧化锆球为研磨介质，使球料比（5-10）:1，转速300-500r/min，研磨2-4小时，至中位粒径d50≤5µm，出料备用，其中粗颗粒d50≈5µm占比60%-70%，细颗粒d50≈1µm占比30%-40%；

12、s02、粉料组分的制备：按配比称取矿渣微粉、粉煤灰、结晶型矿物自修复剂、纳米二氧化硅和石英粉填料，投入强制式搅拌机中，在转速40-60r/min条件下干混搅拌10-15分钟，至各组分宏观分散均匀，出料密封包装，制得粉料组分；

13、s03、碱激发剂溶液的配制：按配比称取水玻璃和氢氧化钠，将氢氧化钠加入水玻璃中，搅拌至完全溶解，调节模数至1.0-1.6，静置冷却至室温后密封保存；

14、s04、混合制备：将粉料组分与碱激发剂溶液按质量比（3-5）:1混合，同时补加配方规定量的水，使用电动搅拌器以400-600r/min搅拌3-5分钟至均匀膏状浆体，即得全无机复合高耐久裂缝修复材料。

15、本发明的一种全无机复合高耐久裂缝修复材料在混凝土结构裂缝修复中的应用方法，包括以下步骤：

16、步骤一、基层处理：沿裂缝方向将裂缝表面凿成v型槽或u型槽，使槽宽10-30mm，槽深10-25mm，清理槽内浮尘、油污及松散颗粒，用高压空气清洗干净，确保基层坚实、干净；

17、步骤二、界面处理：在清理后的槽内表面涂刷一层碱激发剂溶液作为界面处理剂，其中将碱激发剂溶液稀释至原浓度的50%；

18、步骤三、材料填充：将混合均匀的修补材料用刮刀或填缝枪嵌入槽内，分层压实，每层厚度不超过10mm，确保材料与裂缝两侧基材紧密接触，表面抹平收光；

19、步骤四、养护：覆盖塑料薄膜保湿养护，养护温度不低于5℃，养护时间不少于72小时，养护时保持修复体表面湿润。

20、与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

21、1、本发明以结晶型矿物作为唯一自修复功能组分，摒弃了有机微胶囊的使用，由于修复剂与地聚合物基体同属硅铝酸盐-硫酸盐无机体系，从根本上避免了有机-无机界面脱粘、热膨胀系数失配及有机组分在紫外辐照、湿热环境下的老化降解等问题，使修复体系在长期服役过程中保持稳定可靠。

22、2、本发明构建了原位结晶到缓慢溶蚀再到持续矿化的自修复机制，实现短期裂缝的即时封堵和中期裂缝中层的致密填充，并且实现裂缝深处的长期愈合，使修复作用从微米级到扩展毫米级的全程覆盖，显著提升修复效率与修复深度。

23、3、本发明自修复剂以结晶型矿物形态稳定存在于地聚合物基体中，裂缝产生后暴露于空气中co2即可触发表面诱导结晶，无需依赖外部水分或基体二次水化反应即可启动修复进程，在干燥或无水条件下仍具备自修复能力，大幅拓展了自修复地聚合物材料在干旱地区、地下工程及室内干燥环境等场景中的适用性。