一种用于快速修补混凝土结构的耐腐蚀砂浆涂料的制备方法

技术领域

本发明涉及海洋结构工程领域，具体地说是涉及一种用于快速修补混凝土结构的耐腐蚀砂浆涂料的制备方法。

背景技术

水泥基材料凭借其成本低廉、生产工艺简单等优点成为海洋结构工程的主要建筑材料。然而水泥基材料其固有的亲水性会导致海洋环境中的水可以很容易地进入材料内部。海水中的腐蚀性离子以水分为媒介渗入其内部，导致内部钢筋腐蚀，进而导致结构在达到设计使用年限之前就出现因耐久性不足而导致结构承载能力下降。为了避免结构性能的进一步下降，有必要对已受损的结构进行紧急修复。在抢修工程中，要求水泥基材料具有良好的早期强度。因此用于修复的水泥基材料通常需要加入早强剂，起到加速水泥水化、提高水泥基材料早期强度的效果。但是，早强剂的使用会导致水泥基材料后期的孔隙增多。孔隙的增加为水以及腐蚀性离子的进入提供了通道，进而导致材料的耐腐蚀性能出现大幅度的降低。

疏水性能的研究为水泥基材料防腐蚀提供了一种可行的新方案。利用低表面能的疏水材料可以赋予水泥基材料疏水性，从而有效的阻止水的渗透，进一步提高材料的耐腐蚀性能。但是，目前所使用的疏水材料通常是含氟或者价格昂贵。这些材料增加了环境的负担，限制了疏水材料在水泥基材料中的大规模使用。

申请公布号为CN110408292A的中国发明专利公开一种混凝土防腐涂料以及其制造方法，该发明利用无定形二氧化硅、无定形氧化铝、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酰胺、十二烷基磺酸钠、过硫酸铵以及去离子水制作底漆，利用纳米铝氧化物、纳米硅氧化物、异丙醇、填料、甲基三甲氧基硅烷、聚二甲基硅氧烷、γ缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、乙酸制作面漆，制备了一种混凝土防腐涂料。其中使用了大量的高分子材料，操作复杂且成本较高，不利于大规模使用。制备过程中使用了易燃易爆和腐蚀性的试剂，这增大了实际工程中的使用难度。此外，由于混凝土和涂料之间完全密闭，当混凝土孔隙中多余自由水蒸发时，会造成混凝土和涂料之间的膨胀并导致涂料脱落，进而涂料的保护作用失效。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出一种用于快速修补混凝土结构的耐腐蚀砂浆涂料的制备方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种用于快速修补混凝土结构的耐腐蚀砂浆涂料的制备方法，包括以下步骤：

a选取水泥、牡蛎壳粉、硬脂酸、甲酸钙、无水乙醇和水为原料；

b将硬脂酸和无水乙醇混合，搅拌均匀，得到具有低表面能的改性溶液；

c将牡蛎壳粉加入步骤b制得的具有低表面能的改性溶液中，常温下搅拌，得到预混物；将预混物置于真空干燥箱中，干燥得到超疏水牡蛎壳粉；

d将水泥和步骤c制得的超疏水牡蛎壳粉混合，搅拌，得到混合物；

e将甲酸钙和水混合，得到混合溶液，然后将混合溶液加入步骤d得到的混合物中，搅拌，得到耐腐蚀砂浆涂料。

优选的，步骤b中：硬脂酸和无水乙醇的质量体积比为5-7g∶100-150ml。

优选的，步骤b中：采用磁力搅拌器进行搅拌，搅拌转速为1000-1200r/min，搅拌时间为5-7分钟，控制搅拌在40-45℃条件下进行。

优选的，步骤c中：牡蛎壳粉的用量与硬脂酸用量的质量比为80-100g∶5-7g。

优选的，步骤c中：制备预混物时，控制搅拌转速为1200-1500r/min，搅拌时间为1-1.5小时。

优选的，步骤c中：控制干燥温度为70-80℃，干燥时间为5-6小时。

优选的，步骤d中：控制水泥与超疏水牡蛎壳粉的质量比为1∶0.8-1.2；控制搅拌时间为1-3分钟。

优选的，步骤e中：甲酸钙和水的质量比为0.02-0.05∶1；水和水泥的质量比为0.5-0.6∶1；控制搅拌时间为30-45分钟。

优选的，该方法还包括以下步骤：

f将步骤e制得的耐腐蚀砂浆涂料喷涂或涂刷在混凝土结构表面，对混凝土结构进行快速修补。

本发明的有益技术效果是：

1、本发明制备了一种具有良好早期强度的耐腐蚀砂浆涂料，可用于由于长时间受海水冲刷而产生损坏的海岸堤坝、桥墩结构等，起到快速修补的作用。本发明利用环保无毒的硬脂酸和牡蛎壳粉制备了具有超疏水性能的牡蛎壳粉颗粒，再以制备的超疏水牡蛎壳粉为疏水介质，以甲酸钙为早强剂，制备了可快速凝结硬化的超疏水砂浆涂料。本发明制备方法利用了甲酸钙的快速凝结硬化作用和超疏水牡蛎壳粉的耐腐蚀作用。

2、本发明使用的牡蛎壳粉是生活中常见的水产养殖副产品，产量逐年增加且处理过程较为困难。牡蛎壳其独特的棱片状形貌有利于构筑超疏水表面的粗糙度，并且制备的过程即实现了废物的回收利用，同时提高了水泥基材料的耐腐蚀性，通过绿色环保的方法达到结构修复的目的。

3、本发明所使用的早强剂甲酸钙并不含氯，有效的避免了材料内部腐蚀的产生。

4、本发明使用硬脂酸作为改性低表面能物质，无毒无污染，稳定性好。

附图说明

图1为本发明用于快速修补混凝土结构的耐腐蚀砂浆涂料制备方法的流程图；

图2为本发明所制得超疏水牡蛎壳粉的扫描电镜图片；

图3为水滴在本发明所制得超疏水牡蛎壳粉表面的润湿性行为及水接触角；

图4为普通牡蛎壳粉和本发明所制得超疏水牡蛎壳粉的傅里叶红外光谱图；

图5为水滴在本发明所制得耐腐蚀砂浆涂料表面的润湿性行为及水接触角；

图6为养护7天的普通砂浆与本发明所制得耐腐蚀砂浆涂料的热重分析结果；

图7为本发明所制得耐腐蚀砂浆涂料的防腐机理图。

具体实施方式

经研究发现海岸堤坝、桥墩结构等海洋结构常年遭受海水的冲刷，由于干湿、风化以及各种腐蚀性离子对材料的侵蚀作用，导致结构极易遭受破坏。基于此，本发明创造性地使用水产副产品牡蛎壳粉，其独特的棱片状形貌有利于构筑超疏水表面的粗糙度，并利用硬脂酸的疏水性和甲酸钙的快速凝结硬化的性能，制备了一种可用于快速修补海洋混凝土结构的砂浆涂料。本发明砂浆涂料可起到废物回收利用以及延长混凝土结构使用寿命的作用，所使用的牡蛎壳粉是水产养殖中常见的副产品，产量大，可有效降低成本，并且环境效益显著；所使用改性剂硬脂酸和早强剂甲酸钙无毒稳定，成本低廉，且有利于大面积施工，并且该涂料可快速凝结硬化从而可高效的实现对结构的保护。另外，本发明使用的早强剂不含氯，有利于涂料对结构的长期保护。本发明所制得耐腐蚀砂浆涂料具有良好的超疏水性能、耐腐蚀性能以及自清洁性能，可以有效的提高水泥基材料的耐久性。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种用于快速修补混凝土结构的耐腐蚀砂浆涂料的制备方法，包括以下步骤：

a选取水泥、牡蛎壳粉、硬脂酸、甲酸钙、无水乙醇和水为原料。

b称取7g硬脂酸和150ml无水乙醇混合，使用磁力搅拌器，在1200r/min和40℃条件下搅拌5分钟，得到具有低表面能的改性溶液。

c称取100g牡蛎壳粉加入步骤b制得的具有低表面能的改性溶液中，在常温下以1200r/min的速度搅拌1小时，得到预混物。将预混物置于真空干燥箱中，在70℃的温度条件下，干燥5小时，得到超疏水牡蛎壳粉。

d按照1∶1的质量比例，称取水泥和步骤c制得的超疏水牡蛎壳粉，混合搅拌1分钟，得到混合物。

e将甲酸钙和水混合，甲酸钙和水的质量比为0.02∶1，水和步骤d中水泥的用量比为0.5∶1，得到混合溶液。然后将混合溶液加入步骤d得到的混合物中，搅拌30分钟，得到新鲜的耐腐蚀砂浆涂料。

f将步骤e制得的耐腐蚀砂浆涂料喷涂或涂刷在混凝土结构表面，可对混凝土结构进行快速修补。

实施例2

一种用于快速修补混凝土结构的耐腐蚀砂浆涂料的制备方法，包括以下步骤：

a选取水泥、牡蛎壳粉、硬脂酸、甲酸钙、无水乙醇和水为原料。

b称取7g硬脂酸和120ml无水乙醇混合，使用磁力搅拌器，在1000r/min和45℃条件下搅拌7分钟，得到具有低表面能的改性溶液。

c称取90g牡蛎壳粉加入步骤b制得的具有低表面能的改性溶液中，在常温下以1200r/min的速度搅拌1.5小时，得到预混物。将预混物置于真空干燥箱中，在80℃的温度条件下，干燥5小时，得到超疏水牡蛎壳粉。

d按照1∶0.8的质量比例，称取水泥和步骤c制得的超疏水牡蛎壳粉，混合搅拌3分钟，得到混合物。

e将甲酸钙和水混合，甲酸钙和水的质量比为0.02∶1，水和步骤d中水泥的质量比为0.55∶1，得到混合溶液；然后将混合溶液加入步骤d得到的混合物中，搅拌40分钟，得到新鲜的耐腐蚀砂浆涂料。

f将步骤e制得的耐腐蚀砂浆涂料喷涂或涂刷在混凝土结构表面，可对混凝土结构进行快速修补。

实施例3

一种用于快速修补混凝土结构的耐腐蚀砂浆涂料的制备方法，包括以下步骤：

a选取水泥、牡蛎壳粉、硬脂酸、甲酸钙、无水乙醇和水为原料。

b称取5g硬脂酸和100ml无水乙醇混合，使用磁力搅拌器，在1200r/min和40℃条件下搅拌6分钟，得到具有低表面能的改性溶液。

c称取80g牡蛎壳粉加入步骤b制得的具有低表面能的改性溶液中，在常温下以1500r/min的速度搅拌1.2小时，得到预混物。将预混物置于真空干燥箱中，在70℃的温度条件下，干燥5小时，得到超疏水牡蛎壳粉。

d按照1∶1.2的质量比例，称取水泥和步骤c制得的超疏水牡蛎壳粉，混合搅拌3分钟，得到混合物。

e将甲酸钙和水混合，甲酸钙和水的质量比为0.05∶1，水和步骤d中水泥的质量比为0.6∶1，得到混合溶液。然后将混合溶液加入步骤d得到的混合物中，搅拌45分钟，得到新鲜的耐腐蚀砂浆涂料。

f将步骤e制得的耐腐蚀砂浆涂料喷涂或涂刷在混凝土结构表面，可对混凝土结构进行快速修补。

实施例4

一种用于快速修补混凝土结构的耐腐蚀砂浆涂料的制备方法，包括以下步骤：

a选取水泥、牡蛎壳粉、硬脂酸、甲酸钙、无水乙醇和水为原料。

b称取6g硬脂酸和150ml无水乙醇混合，使用磁力搅拌器，在1100r/min和40℃条件下搅拌7分钟，得到具有低表面能的改性溶液。

c称取100g牡蛎壳粉加入步骤b制得的具有低表面能的改性溶液中，在常温下以1500r/min的速度搅拌1小时，得到预混物。将预混物置于真空干燥箱中，在70℃的温度条件下，干燥6小时，得到超疏水牡蛎壳粉。

d按照1∶1的质量比例，称取水泥和步骤c制得的超疏水牡蛎壳粉，混合搅拌3分钟，得到混合物。

e将甲酸钙和水混合，甲酸钙和水的质量比为0.03∶1，水和步骤d中水泥的质量比为0.5∶1，得到混合溶液。然后将混合溶液加入步骤d得到的混合物中，搅拌30分钟，得到新鲜的耐腐蚀砂浆涂料。

f将步骤e制得的耐腐蚀砂浆涂料喷涂或涂刷在混凝土结构表面，可对混凝土结构进行快速修补。

如需对以上实施例中所制得的耐腐蚀砂浆涂料进行相关性能验证，还可对其进行以下后续处理：

将新拌合的水泥砂浆倒入相应的模具中，并进行振捣去除砂浆中的气泡，模具中提前擦涂脱模剂。24小时后进行脱模，并置于20℃和95％±1％的标准环境中养护。

图1为本发明用于快速修补混凝土结构的耐腐蚀砂浆涂料制备方法的流程图。图2为本发明所制得超疏水牡蛎壳粉5000×放大倍数下的扫描电镜图片，从图中可明显看出，牡蛎壳粉是不规则的棱片状结构。当大量的牡蛎壳粉混合在水泥混合物时，牡蛎壳粉相互堆叠交叉，这有利于构筑超疏水表面的粗糙度。图3为水滴在本发明所制得超疏水牡蛎壳粉表面的润湿性行为及水接触角，其中11为水滴，12为所制备的超疏水牡蛎壳粉；从图中可以观察到，水滴在超疏水牡蛎壳粉表面的接触角可以达到153.2°。其中，为了可以更清晰的观察水滴在超疏水牡蛎壳粉表面的润湿性行为，水滴采用亚甲基蓝进行染色。图4为普通牡蛎壳粉和本发明所制得超疏水牡蛎壳粉的傅里叶红外光谱图，在超疏水牡蛎壳粉的傅里叶红外光谱图中出现了两个新的吸收峰，分别是位于2916cm

另外，为了达到快速修补混凝土结构的作用，有必要要求砂浆涂料具有良好的早期强度。图6为养护7天的普通砂浆与本发明所制得耐腐蚀砂浆涂料的热重分析结果，从图中可看出，砂浆的质量随着温度的升高而减小，不同阶段的质量损失对应着砂浆中不同水化产物的含量。结果表明涂料在30℃～250℃温度范围内的质量损失高于普通砂浆，这意味着涂料中水化硅酸钙和钙矾石的含量要高于普通砂浆。此外，通过热重分析曲线的一阶导数曲线可以发现，砂浆涂料在30℃～250℃温度范围内呈现出更大的峰值，结果表明涂料在养护7天时，水化程度高于普通砂浆，说明涂料具备更快的早期水化速度。

图7为本发明所制得耐腐蚀砂浆涂料的防腐机理图。从图中可看出，耐腐蚀砂浆涂料涂层表面的粗糙结构中的孔隙可以捕获空气并形成一层空气层，空气层可以将水和腐蚀性离子共同从表面阻隔开，使其难以渗入到材料内部引起腐蚀。

综上所述，本发明利用环保无毒的硬脂酸和牡蛎壳粉制备了具有超疏水性能的牡蛎壳粉颗粒，再以制备的超疏水牡蛎壳粉为疏水介质，以甲酸钙为早强剂，制备了可快速凝结硬化的超疏水砂浆涂料。本发明所制得耐腐蚀砂浆涂料具有良好的超疏水性能、耐腐蚀性能以及自清洁性能，可以有效的提高水泥基材料的耐久性。