一种具有防水自修复的建材及其制备方法与流程

1.本发明属于混凝土自修复领域，尤其涉及一种具有防水自修复的建材及其制备方法。


背景技术：

2.在建筑工程领域中，会经常性的发生防水工程失效，从而导致建构筑物出现漏水的现象，给人们的日常工作和生活带来了巨大的不便。研究者们对该现象进行了大量研究。目前常用的做法是在砂浆或者混凝土表面的渗漏部位附近涂抹一层渗透结晶类的材料，通过水环境的作用，将无机物渗透进入砂浆或者混凝土的表面，与水泥中的钙盐、氢氧化钙或硅酸盐等物质进行反应，形成牢固的结晶，封闭其中的缺陷和缝隙，从而阻止水流过，使得抗渗压力提高。该技术因为施工相对简单，起效时间相对短，在建筑行业应用广泛。但该技术也存在一些问题，如结晶物质渗透深度有限，只能在表层附近形成防水结构，对于整体的砂浆或者混凝土密实度的提升效果并不明显，抗渗压力的提高程度有限；其次，无机物形成的防水结构具有相当的刚度，极不容易发生形变，一旦防水结构由于应力变化或者更高压的水对其破坏后，防水结构基本就完全失效，很快就回到渗漏的状态，因已经有结晶物覆盖在缝隙处表面，新渗透进入的物质难以再次与存在于砂浆或混凝土表面的物质反应形成新的结晶物。
3.在建材界，研究者们提出了自修复的概念，期望建筑物材料在发生局部缺陷或者小裂缝时，能够在某种激活条件下，自行修复产生的缺陷和微小裂缝。研究者们提出了多种假想模型来解决此问题，最常见的是中空玻璃管、微胶囊、形状记忆合金等。这些模型的主要思路是通过对于混凝土或砂浆的应力变化感知，从而释放预先埋入的修复剂，修复剂自行向缺陷处流动、固化，达到修复缺陷的目的。但研究过程中发现最致命的问题是这类材料对建材的微小形变发生应力变化难以感知，往往建筑物缺陷已经扩展为微裂纹甚至较大裂缝时才能感知到并启动自修复效果。虽然确有自修复的效果，但一般无法阻止建材中裂纹继续扩展。自修复完成后，混凝土可能继续在原裂纹处继续扩展，出现渗漏现象和强度降低等问题。
4.在建材的防水工程领域，研究者们将更多目光聚焦在防水结构的修复，而对结构强度的修复关注度并不高。混凝土或砂浆中的缺陷或微裂纹在有压力水的环境下必然会出现渗漏的现象，而过去研究的自修复建材很难对这种微小结构破坏进行修复。因此，要让建材具备对于防水结构的自修复效果，需要寻找新的思路。目前通常将水作为自修复材料的激活剂，如同前面提到的渗透结晶材料一般，其需要水作为介质将修复材料运输至缺陷处，从而形成修复结构。然而，渗透结晶材料直接掺杂进入混凝土或砂浆体系后，在水泥初期水化时会连同与渗透结晶的活性物质一起反应，此过程中会大量消耗渗透结晶的活性物质，导致28d龄期后的混凝土的自修复效果并不理想。也有研究者将活性物质用水溶性高分子进行包裹，在水泥初期水化时高分子薄膜起到隔离作用，使得活性物质不会参与到反应，而当结构中开始出现渗水现象，通过水的作用，逐渐将高分子薄膜溶解，使其中的活性物质流
出，进而对结构缺陷进行修复，但实际应用中发现在微量水的作用下高分子膜难以被溶解，若将高分子膜的厚度降低至一个较低水平时，在施工过程中该结构就会被破坏，因此高分子膜厚度的控制成为了一大难点，成为了该技术实现的主要瓶颈。
5.因此，开发一种成本低廉、制备简便的自修复的水泥类建材是十分必要的。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提供一种具有防水自修复的建材及其制备方法，所述建材无需添加其他防水剂就能够使得建材具有较高的抗渗压力，同时具有良好的自修复效果，能够迅速以及持续修复水泥结构中微小缺陷，防止微小缺陷地扩大，提高了防水结构建材的整体寿命；所述制备方法简单，无需加热处理，高分子材料的聚合反应与水泥水化硬化过程一同进行，使两者的结构能够紧密联系。
7.为达到上述技术效果，本发明采用以下技术方案：
8.本发明提供了一种具有防水自修复的建材，按照重量份计所述建材的原料包括：自修复剂4
‑
6份、引发剂0.1
‑
0.15份、硅酸盐水泥70
‑
80份、砂200
‑
250份和水30
‑
35份。
9.所述自修复剂为含交联剂的烯基酸盐和/或烯基酰胺。
10.所述自修复剂的重量份为4
‑
6份，例如4份、4.2份、4.4份、4.6份、4.8份、5份、5.2份、5.4份、5.6份、5.8份、6份等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
11.所述引发剂的重量份为0.1
‑
0.15份，例如0.1份、0.11份、0.12份、0.13份、0.14份、0.15份等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
12.所述硅酸盐类水泥的重量份为70
‑
80份，例如70份、72份、74份、76份、78份或80份等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
13.所述砂的重量份为200
‑
250份，例如200份、210份、220份、230份、240份或250份等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
14.所述水的重量份为30
‑
35份，例如30份、31份、32份、33份、34份或35份等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
15.本发明中，所述建材具有较高的抗渗能力，发生微小渗漏时，3
‑
7天后能自行修复渗漏处，所述自修复剂中引入了不同的离子种类，通过控制自修复剂的离子比例在水环境下可以使高分子材料与水泥水化产物发生离子交换作用，使得高分子材料与水泥的无机界面通过离子电荷吸引方式结合，自修复结构更加牢固，使其在苛刻条件也不容易被破坏。
16.作为本发明优选的技术方案，所述建材的原料还包括180
‑
220份石子，例如180份、190份、200份、210份或220份等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
17.作为本发明优选的技术方案，所述引发剂包括过硫酸钾、过硫酸铵或过硫酸钠中的任意一种或至少两种组合，所述组合典型但非限制性实例有：过硫酸钾和过硫酸铵的组合、过硫酸铵和过硫酸钠的组合或过硫酸钾和过硫酸钠的组合等。
18.作为本发明优选的技术方案，所述交联剂包括n,n
‑
亚甲基双丙烯酰胺。
19.作为本发明优选的技术方案，所述自修复剂的制备方法包括：将烯基酸盐溶液和/或烯基酰胺溶液与交联剂混合，静置过滤后得到自修复剂。
20.本发明中，自修复剂的分散无需乳化工艺就能溶解于水中，价格比传统的高分子乳液便宜，降低了生产成本。
21.本发明中，烯基酰胺为市售的，所述烯基酰胺溶液中烯基酰胺和水的质量比为(0.5
‑
1.5)：(2
‑
4)，例如可以是0.5:2、0.7:2.4、0.9:2.8、1.1:3.2、1.3:3.6或1.5:4等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
22.作为本发明优选的技术方案，所述烯基酸盐溶液的制备方法包括：将烯基酸、碱和水混合搅拌，得到混合溶液。
23.优选地，所述混合溶液的ph值为8
‑
10，例如可以是8、8.2、8.4、8.6、8.8、9、9.2、9.4、9.6、9.8或10等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
24.作为本发明优选的技术方案，所述烯基酸、碱和水的质量比为(0.5
‑
1.5)：(0.5
‑
1.5)：(2
‑
4)，例如可以是0.5:0.5:2、0.7:0.7:2.4、0.9:0.9:2.8、1.1:1.1:3.2、1.3:1.3:3.6或1.5:1.5:4等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
25.优选地，所述碱包括氢氧化镁、氢氧化钙或氢氧化钠中的任意一种或至少两种组合，所述组合典型但非限制性实例有：氢氧化镁和氢氧化钙的组合、氢氧化钙和氢氧化钠的组合或氢氧化钠和氢氧化镁的组合等。
26.作为本发明优选的技术方案，所述交联剂的添加量为烯基酸或烯基酰胺的质量的5
‑
10％，例如可以是5％、6％、7％、8％、9％或10％等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
27.本发明还提供了一种如前所述具有防水自修复的建材的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
28.(1)将自修复剂、引发剂和水混合均匀，得到混合溶液；
29.(2)将步骤(1)得到的混合溶液与硅酸盐水泥、砂混合均匀，得到所述建材。
30.本发明中，所述制备方法简单，无需加热处理，高分子材料的聚合反应与水泥水化硬化过程一同进行，使得两者的结构能够紧密联系，高分子材料遍布于整个水泥网络结构，分散更加均匀，聚合后的高分子材料在遇到极微量的水时也能有效溶胀，产生体积膨胀，封闭产生的缺陷，且高分子材料的溶胀作用具有多次反复性，本发明制备的含自修复剂的建材能够反复修复缺陷，提高了防水结构建材的整体寿命，同时也为后续使用节省了维修费用。
31.作为本发明优选的技术方案，所述步骤(2)还包括将石子与步骤(1)得到的混合溶液与硅酸盐水泥、砂混合均匀。
32.本发明中，制备的具有防水自修复的建材还包括养护处理，所述建材制品成型后，进行干养护和水养护处理。
33.本发明中，所述干养护将制品放在23
±
2℃、湿度50％和风速＜0.2m/s环境中。
34.本发明中，所述水养护将制品浸泡在水中，水的温度为20
±
2℃。
35.本发明所述建材经过适当养护处理后，无需添加其他防水剂就能够使建材达到一个较高的抗渗能力，降低了生产成本。
36.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
37.(1)本发明制备的建材具有较高的抗渗能力，发生微小渗漏时，3
‑
7天后能自行修复渗漏处，同时能够迅速以及持续修复缺陷，提高了防水结构建材的整体寿命，也为后续使
用节省了维修费用；
38.(2)本发明所述制备方法简单，无需加热处理，高分子材料的聚合反应与水泥水化硬化过程一同进行，使两者的结构能够紧密联系，聚合后的高分子材料在遇到极微量的水时也能有效溶胀，产生体积膨胀，封闭产生的缺陷。
具体实施方式
39.为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
40.本发明实施例中所述丁烯酰胺购自于阿拉丁有限公司，本发明对比例中所述丙烯酸乳液购自于巴斯夫股份公司。
41.实施例1
42.(1)将18g丁烯酸和54g水搅拌混合均匀，边搅拌边加入13g氢氧化镁和6g氢氧化钙，反应后得到混合溶液的ph值为10，然后加入1.2g n,n
‑
亚甲基双丙烯酰胺，静置过滤后得到自修复剂。
43.(2)将步骤(1)所述30g自修复剂与0.7g过硫酸钾和195g水混合均匀，得到混合溶液；
44.(3)将步骤(2)得到的混合溶液与450g硅酸盐水泥和1350g砂混合均匀，得到所述建材。
45.实施例2
46.(1)将18g丁烯酸和54g水搅拌混合均匀，边搅拌边加入10g氢氧化镁和8g氢氧化钙，反应后得到混合溶液的ph值为10，然后加入1.2g n,n
‑
亚甲基双丙烯酰胺，静置过滤后得到自修复剂。
47.(2)将步骤(1)所述20g自修复剂与0.58g过硫酸钾和180g水混合均匀，得到混合溶液；
48.(3)将步骤(2)得到的混合溶液与420g硅酸盐水泥和1500g砂混合均匀，得到所述建材。
49.实施例3
50.(1)将7g丙烯酸、10g丁烯酸和54g水搅拌混合均匀，边搅拌边加入13g氢氧化镁和6g氢氧化钙，反应后得到混合溶液的ph值为9，然后加入1g n,n
‑
亚甲基双丙烯酰胺，静置过滤后得到自修复剂。
51.(2)将步骤(1)所述36g自修复剂与0.88g过硫酸钾和210g水混合均匀，得到混合溶液；
52.(3)将步骤(2)得到的混合溶液与480g硅酸盐水泥和1200g砂混合均匀，得到所述建材。
53.实施例4
54.(1)将20g丁烯酰胺和54g水搅拌混合均匀，然后加入1.2g n,n
‑
亚甲基双丙烯酰胺，静置过滤后得到自修复剂；其他步骤均与实施例1相同。
55.实施例5
56.(1)将18g丁烯酸和54g水搅拌混合均匀，边搅拌边加入13g氢氧化镁和6g氢氧化
钙，反应后得到混合溶液的ph值为10，然后加入1.2g n,n
‑
亚甲基双丙烯酰胺，静置过滤后得到自修复剂。
57.(2)将步骤(1)所述30g自修复剂与0.7g过硫酸钾和220g水混合均匀，得到混合溶液；
58.(3)将步骤(2)得到的混合溶液与450g硅酸盐水泥、1350g砂和1000g石子混合均匀，得到所述建材。
59.对比例1
60.将450g硅酸盐水泥、1350g砂和195g水混合均匀，得到所述建材。
61.对比例2
62.(1)将18g丁烯酸和54g水搅拌混合均匀，边搅拌边加入13g氢氧化镁和6g氢氧化钙，反应后得到混合溶液的ph值为10，然后加入1.2g n,n
‑
亚甲基双丙烯酰胺和0.7g过硫酸钾，反应完后静置过滤得到自修复剂。
63.(2)将步骤(1)所述7g自修复剂与450g硅酸盐水泥、1350g砂和218g水混合均匀，得到所述建材。
64.对比例3
65.将30g丙烯酸乳液与450g硅酸盐水泥、1350g砂和195g水混合均匀，得到所述建材。
66.将实施例1
‑
5和对比例1
‑
3中制备的建材进行抗渗压力测试和自修复效果测试，实施例和对比例的测试方法和结果如下：
67.抗渗压力测试制样
68.(1)成型：将制备好的建材倒入到成型模具中，在振动台上振动成型，振动2min，1d后将固化的建材试块从模具中脱除，每组制作18个试块；
69.(2)养护：将脱模的砂浆试块干养护(温度23
±
2℃，湿度50
±
5％，风速≤0.2m/s)7d，然后放置于水中养护(水温20
±
2℃)21d；
70.(3)养护完成后，将试块按要求封装，在抗渗仪上测试其抗渗压力。
71.自修复效果测试
72.通过干湿循环的方式以及高温放置的方式来人为产生微小裂缝结构(宏观表现为抗渗压力的下降)，经过养护修复再次测试其抗渗压力来确定修复效果。
73.(1)上述经过抗渗压力测试的试块其中6块，干养护28d后，再次测试其抗渗压力，测试完成后，干养护7d，再次进行抗渗压力测试。
74.(2)上述经过抗渗压力测试的试块其中6块，置于40℃的烘箱内7d，再次测试其抗渗压力，测试完成后，水养护5d，再次进行抗渗压力测试。
75.(3)上述经过抗渗压力测试的试块其中6块，置于70℃的烘箱内3d，再次测试其抗渗压力，测试完成后，水养护7d，再次进行抗渗压力测试。
76.表1
[0077][0078][0079]
从表1可以看出以下几点：
[0080]
(1)本发明制备的建材具有较高的抗渗能力，发生微小裂缝时，3
‑
7d后能自行修复渗漏处，提高了防水结构建材的整体寿命，具有较高的应用潜力。
[0081]
(2)结合实施例1与对比例1可知，普通砂浆的抗渗能力较差，也不具有自修复能力。
[0082]
(3)结合实施例1与对比例2
‑
3可知，先合成高分子材料再与水泥、砂混合，制备的砂浆抗渗能力较差，自修复效果不佳，一旦出现裂缝，防水性能逐渐下降。
[0083]
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。