一种水包油型聚合物乳液改性水泥基灌浆料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑功能材料技术领域，具体涉及一种水包油型聚合物乳液改性水泥基灌浆料及其制备方法。

背景技术

灌浆料作为一种强度好、高流动性建筑材料，广泛运用于现代工程，按化学组成其大致可分为三大类，即有机灌浆材料、无机灌浆材料和复合灌浆材料。其中。无机灌浆料以水泥基灌浆料应用居多，水泥基灌浆材料因其具有流动性好、强度高、收缩小等优点，被广泛应用于大型机械设备安装、结构安全加固、钢筋套筒灌浆连接、预应力孔道灌浆等诸多工程领域。

随着工程技术的发展、设备安装工艺和运行工况的复杂化，对水泥基灌浆料的技术需求也随之提高。水泥基灌浆料因其微孔缺陷，在抗冻融、抗侵蚀等方面性能较差，且存在粘接力低、易开裂，韧性差等技术性能瓶颈，导致现在应用中出现使用寿命短，高频维修甚至停产改造问题，进而影响生产效能。

针对水泥基灌浆料开裂、韧性差问题，目前本领域相关技术认为，水泥基灌浆料的塑性开裂为塑性膨胀补偿不够，进而引发的开裂，常用的技术手段为采用钙、镁氧化物、硫铝酸钙类膨胀剂进行补偿，还有掺加抗裂纤维，优化水灰比、配方级配等技术途径进行改良与优化，但最终技术效果良莠不齐。

发明内容

本发明的目的是提供一种水包油型聚合物乳液改性水泥基灌浆料及其制备方法，降低了水泥基灌浆料的开裂问题，同时抗压强度和韧性具有显著提升。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水包油型聚合物乳液改性水泥基灌浆料的制备方法，包括以下步骤：

将A组分和B组分混合均匀，进一步混合A组分重量1.5~3倍的水，得到水包油型聚合物乳液；所述A组分包括环氧树脂、活性稀释剂、增韧剂、偶联剂、流平剂、消泡剂；所述B组分包括具有乳化能力的非离子型水性环氧固化剂；

将C组分和水混合，得到水泥基灌浆料；所述C组分包括水泥和骨料；

以水泥基灌浆料的重量计，向水泥基灌浆料中加入1.5~5%的水包油型聚合物乳液，混合均匀即得水包油型聚合物乳液改性水泥基灌浆料。

本发明首先将改性环氧树脂混合物（即A组分）、具有乳化能力的非离子型水性环氧固化剂乳化混合，然后加入特定比例的水，使之形成非离子型的水包油弹性微珠结构，形成稳态混合物，如图1所示，水包裹着改性环氧树脂混合物和固化剂。非离子型的水包油弹性微珠加入到水泥基灌浆料中，利用水泥与水的水化反应，消耗水包油聚合物液滴外层的水相，水泥水化后形成骨架结构。此时水包油聚合物液滴失去外层水结构包裹，液滴之间再相互聚合反应形成兼具强度和韧性的高分子聚合物相，可填充水泥水化后的微孔结构，对无机颗粒结构形成填充与包裹效果，对结构整体结构实现空穴填充，支撑塌陷的技术效果，图2为水包油型聚合物乳液改性水泥基灌浆料固化后的结构示意图。有了聚合物韧性结构的补充和包裹，可以吸收水泥水化过程中膨胀或收缩的内应力，降低了开裂问题。同时聚合物化学键的引入，提高了固化物的粘接性能，抗压强度和韧性具有提升。使之成为一只具备强度高、抗裂、抗渗、粘接力高的新产品。

而常规改性环氧树脂和固化剂混合物，为非水溶性结构的油性相，加入到水泥灌浆料中无法分散、溶解，进而无法改性无法发挥协调效果，甚至起到负面技术影响。

同时，本发明的混料工序也是非常关键的，如采用其他混料工序，例如A组份先加水，然后加B组份，然后加入水泥灌浆料，或水包油型聚合物乳液中先加C组份，再加水等，均无法实现本发明的优异技术效果。

本发明相对于使用水性环氧树脂的技术方法，本发明将环氧树脂预先进行改性，另一方面水包油型聚合物乳液中固含量较高，参与反应的活性相多，能够实现在较少的掺量下提高水泥基灌浆料的各种性能。

相对于阳离子或阴离子型水性环氧固化剂，非离子型水性环氧固化剂对金属结构无腐蚀，适应工况更广，与A组分混合所得水包油型聚合物乳液对复合体系的PH值和环境敏感度小，不存在材料混合后固化或快或慢的技术问题。

此外，本发明将水包油型聚合物乳液以不同比例复合水泥基灌浆料后，可实现高流态型、普通型以及高强型的技术指标，以适用于不同工况需求使用，产品均满足GB/T50448-2015水泥基灌浆材料应用技术规范。

作为优选，A组分中，以重量份计，包括环氧树脂80-100份、活性稀释剂5-50份、增韧剂10-40份、偶联剂0.5-2份、流平剂1-2份、消泡剂1-3份。本发明采用上述添加剂对环氧树脂改性，可降低环氧树脂粘度，提高环氧树脂固化物的韧性，偶联剂和流平剂的改性，使树脂组份在后续乳化后更易亲润，消泡剂的引入消除了非离子型固化剂乳化改性树脂过程中，因机械搅拌造成的大量气泡夹杂问题。上述添加剂协同作用，保证了形成稳定的水包油弹性微珠结构。

作为优选，A组分中，所述环氧树脂的环氧当量为100-250g/eq，25℃时粘度为2000-12000 mpa.s；

和/或，所述活性稀释剂的环氧当量为100-500g/eq，25℃时粘度为1-20 mpa.s；

和/或，所述增韧剂的25℃时粘度为1000-2000mpa.s，密度为1-1.3g/mL；

和/或，所述偶联剂为硅烷类偶联剂和/或钛酸酯类偶联剂；

和/或，所述流平剂为聚丙烯酸酯类流平剂；

和/或，所述消泡剂为聚硅氧烷消泡剂。

作为优选，B组分中，所述具有乳化能力的非离子型水性环氧固化剂为改性胺固化剂，固含量为49~51%，pH值为7~9。例如上海汉中H258B，亨斯迈ARADUR 3985。

作为优选，所述水包油型聚合物乳液的制备方法具体为：将A组分和B组分按1:1~1.5质量比混合均匀，采用800-1000r/min的转速搅拌2~4min，然后加入A组分重量1.5~3倍的纯净水继续搅拌3-5min。控制纯净水的加入量在上述范围，保证了水包油的技术效果。

作为优选，C组分中，以重量份计，包括PII型52.5硅酸盐水泥35-50份，贝利特硫铝酸盐水泥5-15份，3-2mm石英砂15-25份，2-1mm石英砂20-35份，1-0mm河沙10-20份，RJC-1无机矿物复合剂3-6份，含锆硅灰4-6份，膨胀剂1-3份，减水剂0.1-0.3份。所述RJC-1无机矿物复合剂来源于北京联合荣大工程材料股份有限公司，通过将硅灰20份、半水石膏40份、硬脂酸钙40份加入到球磨机中混合均匀得到，其具有对水泥灌浆料性能优化效果。除水泥和骨料外，本发明在C组分中进一步加入上述特定外加剂，对水泥灌浆料的强度、水包油聚合物的加入效果，如流动性有显著改进。

作为优选，以C组分的质量计，将C组分和10~13%的水混合，得到水泥基灌浆料。

作为优选，向所述水泥基灌浆料中加入所述水包油型聚合物乳液，在转速不低于200r/min的条件下搅拌3-5min，即得水包油型聚合物乳液改性水泥基灌浆料。本发明实验发现，水泥基灌浆料与水包油型聚合物乳液混合的搅拌转速不能低于200r/min，否则会导致分散性差，水包油型聚合物无法均匀分散在水泥灌浆料中，出现固化物硬化不均匀，甚至出现膨胀性差异造成开裂问题。

本发明还提供一种水包油型聚合物乳液改性水泥基灌浆料，其通过上述制备方法制备得到。该水包油型聚合物乳液改性水泥基灌浆料特别适用于地脚螺栓锚固、设备基础或钢结构柱脚底板的灌浆、混凝土结构加固改造及预应力混凝土结构孔道灌浆。

本发明所取得的有益效果：

1）本发明提供的水包油型聚合物乳液改性水泥基灌浆料及其制备方法，降低了水泥基灌浆料的开裂问题，同时抗压强度和韧性具有显著提升。同时所得产品为水溶性混合物，环保无污染。

2）本发明将水包油型聚合物乳液以不同比例复合水泥基灌浆料后，可实现高流态型、普通型以及高强型的技术指标，以适用于不同工况需求使用，产品均满足GB/T 50448-2015水泥基灌浆材料应用技术规范。

附图说明

图1为本发明水包油型聚合物乳液示意图，其中A为改性环氧树脂混合物，B为非离子型水性环氧固化剂，背景物质为水。

图2为水包油型聚合物乳液改性水泥基灌浆料固化后的结构示意图，其中1为水泥水化颗粒，2为聚合物。

图3为实施例1制备的水包油型聚合物乳液改性水泥基灌浆料和对比例1制备的水泥基灌浆料诱导开裂试验对比，其中，左图对应于对比例1，右图对应于实施例1。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不用来限制本发明的范围。

实施例中未注明具体试验步骤或者条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件进行。所用试剂和仪器没有注明生产厂商者，均可以通过市场购买获得。

实施例1

实施例1提供了一种水包油型聚合物乳液改性水泥基灌浆料（高流态型），制备方法如下：

（1）A组分、B组分、C组分的准备：

A组份为改性环氧树脂混合物，其中环氧树脂80份，环氧当量为185.5g/mol，25℃粘度为11000mpa.s；活性稀释剂10份（安徽新远化工稀释剂XY748），25℃粘度为7mpa.s，活性稀释剂环氧当量为303g/mol；增韧剂10份（北京金岛奇士材料科技有限公司增韧剂QS-BE），25℃粘度为1700mpa.s，密度为1.06g/ml；γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂1份；聚丙烯酸酯类流平剂1份（德国毕克公司BYK354）；聚硅氧烷消泡剂1份（德国毕克公司BYK054）。按质量比称取上述物质，置于300转/min的500L搅拌釜中，45℃温度下预混20min备用；

B组份为非离子型水性环氧固化剂H258B；

C组份为PII型52.5硅酸盐水泥35份，抗裂双快贝利特硫铝酸盐水泥5份，3-2mm石英砂15份，2-1mm石英砂30份，1-0mm河沙10份，RJC-1复合矿粉3份，含锆硅灰6份（氧化锆含量为≥4%。二氧化硅含量≥92%），膨胀剂3份（庐江县金坤外加剂有限公司UEA），减水剂0.2份（上海三瑞SD-600）。

（2）将A组份、B组份混合均匀，采用1000r/min转速分散设备预混3min，然后加入纯净水继续分散3min，使之形成非离子水包油型聚合物乳液备用；其中质量比A组份:B组份:水=1:1.5:3；

（3）向C组份中加入纯净水搅拌均匀，得到水泥基灌浆料，向水泥基灌浆料中加入水包油型聚合物乳液，350r/min下搅拌5min后形成自流态即得；其中质量比水包油型聚合物乳液:C组份:水=1.5:100:13。

实施例2

实施例2提供了一种水包油型聚合物乳液改性水泥基灌浆料（普通型），制备方法如下：

（1）A组分、B组分、C组分的准备：

A组份为改性环氧树脂混合物，其中环氧树脂85份；活性稀释剂8份；增韧剂12份；γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂1份；聚丙烯酸酯类流平剂1份，聚硅氧烷消泡剂1份，按质量比称取上述物质，置于300转/min的500L搅拌釜中，45℃温度下预混20min备用；

B组份为非离子型水性环氧固化剂H258B；

C组份为PII型52.5硅酸盐水泥40份，抗裂双快贝利特硫铝酸盐水泥5份，3-2mm石英砂15份，2-1mm石英砂30份，1-0mm河沙10份，RJC-1复合矿粉3份，含锆硅灰6份，膨胀剂3份，减水剂0.2份。

（2）将A组份、B组份混合均匀，采用1000r/min转速分散设备预混3min，然后加入纯净水继续分散3min，使之形成非离子水包油型聚合物乳液备用；其中质量比A组份:B组份:水=1:1.5:2；

（3）向C组份中加入纯净水搅拌均匀，得到水泥基灌浆料，向水泥基灌浆料中加入水包油型聚合物乳液，350r/min下搅拌5min后形成自流态即得；其中质量比水包油型聚合物乳液:C组份:水=2:100:12。

实施例3

实施例3提供了一种水包油型聚合物乳液改性水泥基灌浆料（高强型），制备方法如下：

（1）A组分、B组分、C组分的准备：

A组份为改性环氧树脂混合物，其中环氧树脂90份；活性稀释剂5份；增韧剂10份；γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂1份；聚丙烯酸酯类流平剂1份，聚硅氧烷消泡剂1份，按质量比称取上述物质，置于300转/min的500L搅拌釜中，45℃温度下预混20min备用；

B组份为非离子型水性环氧固化剂H258B；

C组份为PII型52.5硅酸盐水泥40份，抗裂双快贝利特硫铝酸盐水泥10份，3-2mm石英砂15份，2-1mm石英砂30份，1-0mm河沙10份，RJC-1复合矿粉3份，含锆硅灰6份，膨胀剂3份，减水剂0.2份。

（2）将A组份、B组份混合均匀，采用1000r/min转速分散设备预混3min，然后加入纯净水继续分散3min，使之形成非离子水包油型聚合物乳液备用；其中质量比A组份:B组份:水=1:1.5:1.5；

（3）向C组份中加入纯净水搅拌均匀，得到水泥基灌浆料，向水泥基灌浆料中加入水包油型聚合物乳液，350r/min下搅拌5min后形成自流态即得；其中质量比水包油型聚合物乳液:C组份:水=3:100:11。

对比例1

对比例1提供了一种水泥基灌浆料，制备方法如下：

（1）C组分为PII型52.5硅酸盐水泥40份，抗裂双快贝利特硫铝酸盐水泥10份，3-2mm石英砂15份，2-1mm石英砂30份，1-0mm河沙10份，RJC-1复合矿粉3份，含锆硅灰6份，膨胀剂3份，减水剂0.2份。

（2）向C组份中加入纯净水搅拌均匀，得到水泥基灌浆料，其中质量比C组份:水=100:14。

对比例2

对比例2提供了一种水泥基灌浆料，原材料组份按实施例1配制，但混合工序不同，具体制备方法如下：

（1）A组分、B组分、C组分的准备同实施例1：

（2）将A组份、B组份以质量比1:1.5混合均匀，得聚合物混合物，然后再加入C组分和水，搅拌均匀即得，其中质量比聚合物混合物:C组份:水=1.5:100:13。

试验例

1、表1为实施例1-3和对比例1-2制备的水泥基灌浆料的性能测试结果对比。

表1

由表1可以看出，本发明提供的水包油型聚合物乳液改性水泥基灌浆料，降低了水泥基灌浆料的开裂问题，同时抗压强度和韧性具有显著提升。同时，实施例1-3将水包油型聚合物乳液以不同比例复合水泥基灌浆料后，可实现高流态型、普通型以及高强型的技术指标，以适用于不同工况需求使用，产品均满足GB/T 50448-2015水泥基灌浆材料应用技术规范。

2、图3为实施例1制备的水包油型聚合物乳液改性水泥基灌浆料和对比例1制备的水泥基灌浆料诱导开裂试验对比。左图为对比例1水泥基灌浆料的诱导开裂测试结果，在金属角应力集中部位可观察到明显应力释放裂纹。右图为实施例1的诱导开裂测试结果，可以看出，由于水包油型聚合物乳液的改性，有效吸收了金属角应力集中释放的应力，避免了开裂问题的出现。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对其作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。