一种纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料及其制备方法

1.本发明涉及修复材料技术领域，尤其涉及一种纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料及其制备方法。


背景技术：

2.目前有很多混凝土大坝都经历了长时间的服役，需要维修加固，急需开发出一种各方面性能优异的新型修复材料。环氧树脂水泥基修复材料(epoxy resin cementitious repairmaterials，ecrm)是一种常用的混凝土修复材料，具有较好的粘结性、耐候性、抗冲击性和便利的施工性。然而，环氧树脂水泥基修复材料中，环氧树脂乳液在满足各项要求的同时，也存在一定的局限性，环氧树脂乳液会延缓水泥水化进程，并造成修复材料抗压强度的降低。在ecrm中掺入纳米sio2能够有效消除环氧树脂乳液对水泥基材料的负面影响，纳米sio2能够促进水泥水化，加速水化硅酸钙凝胶(c-s-h)的生成，优化孔隙结构，以弥补强度损失，然而，目前针对纳米sio2增强环氧树脂水泥基修复材料的研究较少，纳米sio2对环氧树脂水泥基修复材料的增强机理尚不明确。当将纤维掺入水泥基材料后，能够延缓裂缝的扩展，显著提高水泥基材料的抗拉强度、抗折强度及韧性等，而单一纤维只能在有限范围内发挥增强和增韧作用，而将两种或两种以上纤维作为掺入物能够充分发挥各自优点，达到互补和提高的效果，将pva-钢混杂纤维应用于水泥基材料，国内外已经取得了丰硕的成果，而关于混杂纤维增强环氧树脂水泥基修复材料却鲜有研究。
3.因此，研究得到一种工作性好、强度符合工程要求、耐久性好和韧性强的纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料具有重要意义。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料及其制备方法，其目的是解决现有技术所存在的固化速度快，成本高以及相容性差的问题。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明提供了一种纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料，包括以下原料：水泥、石英砂、水、环氧树脂乳液、环氧树脂固化剂、纳米sio2、聚乙烯醇纤维、钢纤维、消泡剂和减水剂；
7.环氧树脂水泥基修复材料中，石英砂的质量掺量为1275～1278kg/m3，石英砂、水泥、水和减水剂的质量比为1275～1278:568～577:181～236:13～16；
8.纳米sio2的质量为水泥和纳米sio2总质量的0.8～1.6％，聚乙烯醇纤维在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为0.4～1.6％，钢纤维在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为0.4～1.6％。
9.优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水剂的固含量为19～21％。
10.优选的，所述纳米sio2的粒径为25～35nm。
11.优选的，所述环氧树脂乳液的固含量为47～53％，环氧树脂乳液中固体的质量为水泥和纳米sio2的总质量的6～12％。
12.优选的，所述环氧树脂固化剂的固含量为42～46％，环氧树脂固化剂和环氧树脂乳液的质量比为45～55:100。
13.优选的，所述聚乙烯醇纤维的直径为38～42μm，聚乙烯醇纤维的长度为10～14mm。
14.优选的，所述钢纤维为镀铜钢纤维，钢纤维的直径为0.2～0.22mm，钢纤维的长度为10～15mm。
15.优选的，所述消泡剂为有机硅消泡剂，消泡剂的质量为环氧树脂乳液中固体质量的1.1～1.3％。
16.本发明还提供了所述纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料的制备方法，将水泥、石英砂、水、环氧树脂乳液、环氧树脂固化剂、纳米sio2、钢纤维、消泡剂和减水剂混合后，加入聚乙烯醇纤维，制得环氧树脂水泥基修复材料。
17.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
18.本发明所制得的环氧树脂水泥基修复材料中，纳米sio2的添加有效改善了水泥浆体-骨料过渡区的微观现象，减少了孔隙数量，提高了过渡区的致密性；环氧树脂乳液与纳米sio2、聚乙烯醇纤维和钢纤维相结合，能够明显增强修复材料的粘聚性，从而增强粘结作用降低流动性；本发明所制得的环氧树脂水泥基修复材料具有优异的抗折强度、劈裂抗拉强度、界面弯拉强度。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
20.图1为实施例1～2和对比例1～3所制得环氧树脂水泥基修复材料的坍落度测试图；
21.图2为实施例1～2和对比例1～3所制得环氧树脂水泥基修复材料的立方体抗压强度测试图；
22.图3为实施例1～2和对比例1～3所制得环氧树脂水泥基修复材料的抗折后抗压强度测试图；
23.图4为实施例1～2和对比例1～3所制得环氧树脂水泥基修复材料的抗折强度测试图；
24.图5为实施例1～2和对比例1～3所制得环氧树脂水泥基修复材料的劈裂抗拉强度测试图；
25.图6为实施例1～2和对比例1～3所制得环氧树脂水泥基修复材料的界面弯拉强度测试图；
26.图7为实施例1～2和对比例1所制得的环氧树脂水泥基修复材料的sem图，其中，a为对比例1的sem图像，b为实施例2的sem图像，c为实施例1的sem图像；
27.图8为实施例1，实施例3～5和对比例4所制得的环氧树脂水泥基修复材料的坍落度测试图；
28.图9为实施例1，实施例3～5和对比例4所制得的环氧树脂水泥基修复材料的立方体抗压强度测试图；
29.图10为实施例1，实施例3～5和对比例4所制得的环氧树脂水泥基修复材料的抗折后抗压强度测试图；
30.图11为实施例1，实施例3～5和对比例4所制得的环氧树脂水泥基修复材料的抗折强度测试图；
31.图12为实施例1，实施例3～5和对比例4所制得的环氧树脂水泥基修复材料的劈裂抗拉强度测试图；
32.图13为实施例1，实施例3～5和对比例4所制得的环氧树脂水泥基修复材料的界面弯拉强度测试图；
33.图14为实施例3、实施例4和对比例4所制得的环氧树脂水泥基修复材料的sem图，其中，a为对比例4，b为实施例4，c为实施例3；
34.图15为实施例1，实施例6～11和对比例5～6所制得的环氧树脂水泥基修复材料的坍落度测试图；
35.图16为实施例1，实施例6～11和对比例5～6所制得的环氧树脂水泥基修复材料的立方体抗压强度测试图；
36.图17为实施例1，实施例6～11和对比例5～6所制得的环氧树脂水泥基修复材料的抗折后抗压强度测试图；
37.图18为实施例1，实施例6～11和对比例5～6所制得的环氧树脂水泥基修复材料的抗折强度测试图；
38.图19为实施例1，实施例6～11和对比例5～6所制得的环氧树脂水泥基修复材料的劈裂抗拉强度测试图；
39.图20为实施例1，实施例6～11和对比例5～6所制得的环氧树脂水泥基修复材料的界面弯拉强度测试图；
40.图21为实施例1所制得的环氧树脂水泥基修复材料的sem图；
41.图22为实施例1，实施例6～8和对比例5所制得的环氧树脂水泥基修复材料的弯曲韧性测试图；
42.图23为实施例1，实施例9～11和对比例6所制得的环氧树脂水泥基修复材料的弯曲韧性测试图。
具体实施方式
43.本发明提供了一种纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料，包括以下原料：水泥、石英砂、水、环氧树脂乳液、环氧树脂固化剂、纳米sio2、聚乙烯醇纤维、钢纤维、消泡剂和减水剂；
44.在本发明所述环氧树脂水泥基修复材料中，石英砂的质量掺量优选为1275～1278kg/m3，进一步优选为1276～1277kg/m3，石英砂、水泥、水和减水剂的质量比优选为1275～1278:568～577:181～236:13～16，进一步优选为1276～1277:570～575：190～230:14～
15，更优选为1276～1277:572～573：200～210:14～15。
45.本发明中，所述石英砂的粒径优选为20～40目，进一步优选为25～35目，更优选为28～32目。
46.本发明中，所述纳米sio2的质量优选为水泥和纳米sio2总质量的0.8～1.6％，进一步优选为0.9～1.5％，更优选为1～1.1％，纳米sio2以等质量取代水泥，聚乙烯醇纤维在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量优选为0.4～1.6％，进一步优选为0.6～1.2％，更优选为0.8～1％，钢纤维在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量优选为0.4～1.6％，进一步优选为0.6～1.2％，更优选为0.8～1％。
47.本发明中，所述减水剂优选为聚羧酸减水剂，减水剂的固含量优选为19～21％，进一步优选为20％。
48.本发明中，所述纳米sio2的粒径优选为25～35nm，进一步优选为27～32nm，更优选为28～30nm。
49.本发明中，纳米sio2的比表面积较大，因而吸水量较大，减少了拌合物中的游离水，且在拌合物中掺入纳米sio2后，纳米sio2会与水化产物ca(oh)2迅速反应，生成具有高保水能力的c-s-h凝胶。
50.本发明中，所述环氧树脂乳液的固含量优选为47～53％，进一步优选为48～52％，更优选为49～51％，环氧树脂乳液中固体的质量优选为水泥和纳米sio2的总质量的6～12％，进一步优选为8～11％，更优选为9～10％。
51.本发明中，环氧树脂乳液具有引气作用，在拌合物搅拌过程中引入了空气，产生了“滚珠效应”；其次，环氧树脂颗粒表面带有极性基团，水泥颗粒被环氧树脂颗粒吸附并包裹后，在水这种极性溶剂中更容易分散。此外，水泥颗粒被包裹后，“灰包水”的絮凝状结构会被破坏，其中的水被释放出来成为游离水，使得拌合物的流动性增强。
52.本发明中，所述环氧树脂固化剂的固含量优选为42～46％，进一步优选为43～45％，更优选为44％，环氧树脂固化剂和环氧树脂乳液的质量比优选为45～55:100，进一步优选为48～52:100，更优选为49～51:100。
53.本发明中，所述环氧树脂乳液中固体的质量与水泥和纳米sio2的总质量之比为聚灰比。
54.本发明中，所述聚乙烯醇纤维的直径优选为38～42μm，进一步优选为39～41μm，更优选为40μm，聚乙烯醇纤维的长度优选为10～14mm，进一步优选为11～13mm，更优选为12mm。
55.本发明中，所述钢纤维优选为镀铜钢纤维，钢纤维的直径优选为0.2～0.22mm，进一步优选为0.21mm，钢纤维的长度优选为10～15mm，进一步优选为11～14mm，更优选为12～13mm。
56.本发明中，所述环氧树脂水泥基修复材料中，钢纤维质地坚硬、表面光滑，而聚乙烯醇纤维质地柔软且具有更大的长径比，搅拌时更容易形成网状结构，从而降低了拌合物的流动性；钢纤维表面镀铜，呈惰性，而聚乙烯醇纤维表面带有大量羟基，羟基的亲水性使得聚乙烯醇纤维表面被游离水包裹，拌合物中的游离水减少进而导致流动性降低。
57.本发明中，所述消泡剂优选为有机硅消泡剂，消泡剂的质量优选为环氧树脂乳液中固体质量的1.1～1.3％，进一步优选为1.15～1.25％，更优选为1.18～1.2％。
58.本发明还提供了所述纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料的制备方法，将水泥、石英砂、水、环氧树脂乳液、环氧树脂固化剂、纳米sio2、钢纤维、消泡剂和减水剂混合后，加入聚乙烯醇纤维，制得环氧树脂水泥基修复材料。
59.本发明中，所述混合优选为先将水泥、石英砂和钢纤维进行干拌，制得混合物a；将环氧树脂乳液、环氧树脂固化剂和消泡剂混合制得混合物b；将纳米sio2、减水剂和水混合制得混合物c，然后将混合物a、b和c进行混合。
60.本发明中，所述干拌的时间优选为1～3min，进一步优选为2min，干拌的速率优选为45～50rpm，进一步优选为46～49rpm，更优选为47～48rpm。
61.本发明中，混合完成后，对环氧树脂水泥基修复材料进行养护，养护的温度优选为18～22℃，进一步优选为19～21℃，更优选为20℃，养护的湿度优选为大于等于95％，进一步优选为大于等于96％，更优选为大于等于97％，养护时间优选为28d。
62.下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
63.本发明实施例中，立方体抗压强度检测所用仪器为上海华龙测试仪器股份有限公司生产的2000kn微机控制压力试验机，抗折强度试验所用仪器为上海华龙测试仪器股份有限公司生产的300kn水泥胶砂抗折试验机，弯曲韧性试验所用的加载仪器为1000kn电液伺服万能试验机，荷载采集装置为量程50kn、精度1n的荷载传感器，位移采集装置为灵敏度0.35mv/mm的位移计。
64.本发明实施例中，所述水泥为河北中宇仪器设备有限公司生产的p
·
i42.5基准水泥，其主要化学成分以及主要性能指标如表1和表2所示。
65.表1水泥主要化学成分
66.化学成分sio2al2o3fe2o3caomgoso3f-cao其他含量(％)20.844.683.6263.433.292.210.702.08
67.表2水泥主要性能指标
[0068][0069]
本发明实施例中，所述石英砂为巩义市元亨净水材料厂生产的石英砂。
[0070]
本发明实施例中，所述水为自来水，其主要性能指标如表3所示。
[0071]
表3水的主要性能指标
[0072][0073]
本发明实施例中，所述环氧树脂乳液为深圳吉田化工有限公司生产的f0704型水性环氧树脂乳液，呈乳白色，其主要性能指标如表4所示。
[0074]
表4环氧树脂乳液的主要性能指标
[0075]
固含量(％)固体环氧当量ph值比重粘度(25℃,mpa
·
s)50
±
3400～8002～71.01～1.08《1000
[0076]
本发明实施例中，所述环氧树脂固化剂为深圳市吉田化工有限公司生产的f0705型水性环氧树脂固化剂，呈淡黄色，其主要性能指标如表5所示。
[0077]
表5环氧树脂固化剂的主要性能指标
[0078]
固含量(％)固体胺氢当量ph值比重粘度(25℃,mpa
·
s)44
±
2260
±
608～111.00～1.08》2000
[0079]
本发明实施例中，所述纳米sio2为杭州万景新材料有限公司生产，其主要性能参数如表6所示。
[0080]
表6纳米sio2的主要性能参数
[0081]
平均粒径(nm)含量(％)比表面积(m2/g)表观密度(g/l)ph值3099.5220556
[0082]
本发明实施例中，所述聚乙烯醇纤维为日本可乐丽公司生产，其主要性能参数如表7所示。
[0083]
表7聚乙烯醇纤维的主要性能参数
[0084][0085]
本发明实施例中，所述钢纤维为直径0.21mm、长径比62、抗拉伸强度为2750mpa的钢纤维。
[0086]
本发明实施例中，所述消泡剂为南京迅消环保科技有限公司生产的gx-15h固体有机硅消泡剂，其主要性能参数如表8所示。
[0087]
表8消泡剂的主要性能参数
[0088]
活性含量(％)ph值粘度(mm2/s)耐热温度(℃)稳定性≥307
±
1800～1200≤100无分层
[0089]
本发明实施例中，所述减水剂为江苏苏博特新材料有限公司生产的系列聚羧酸高性能减水剂，其主要性能参数如表9所示。
[0090]
表9减水剂的主要性能参数
[0091][0092]
实施例1
[0093]
将571.3kg水泥，1276kg石英砂(粒径为35目)，0.012m3钢纤维(在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为1.2％)以47rpm的速度搅拌2min，制得混合物a，将104.4kg固含量
为50％的环氧树脂乳液(聚灰比为9％，固体环氧当量为600，ph值为6，比重为1.06，粘度为900)，52.2kg固含量为44％的环氧树脂固化剂(固体胺氢当量为260，ph值为10，比重1.05，粘度为2400)，0.63kg有机硅消泡剂(活性含量为42％，ph值为7，粘度为1100，耐热温度为88℃)混合后制得混合物b，将8.7kg纳米sio2(水泥和纳米sio2总质量的1.5％)、14.5kg聚羧酸减水剂和208.6kg水混合后制得混合物c。然后将混合物a、b、c混合制得混合物d，向混合物d中加入0.009m3的聚乙烯醇纤维(在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为0.9％)，制得环氧树脂水泥基修复材料，产物记为p
09s12
，将其在20℃下，以97％的湿度养护28d后对其性能进行测试。
[0094]
实施例2
[0095]
将571.3kg水泥，8.7kg纳米sio2(水泥和纳米sio2总质量的1.5％)替换为574.2kg水泥，5.8kg纳米sio2(水泥和纳米sio2总质量的1％)，其他同实施例1。
[0096]
实施例3
[0097]
将104.4kg固含量为50％的环氧树脂乳液(聚灰比为9％，固体环氧当量为600，ph值为6，比重为1.06，粘度为900)，52.2kg固含量为44％的环氧树脂固化剂(固体胺氢当量为260，ph值为10，比重1.05，粘度为2400)替换为139.2kg固含量为50％的环氧树脂乳液(聚灰比为12％，固体环氧当量为700，ph值为5，比重为1.04，粘度为800)，69.6kg固含量为44％的环氧树脂固化剂(固体胺氢当量为270，ph值为8，比重为1.04，粘度为3000)，其他同实施例1。
[0098]
实施例4
[0099]
将104.4kg固含量为50％的环氧树脂乳液(即聚灰比为9％，固体环氧当量为600，ph值为6，比重为1.06，粘度为900)，52.2kg固含量为44％的环氧树脂固化剂(固体胺氢当量为260，ph值为10，比重1.05，粘度为2400)替换为69.6kg固含量为50％的环氧树脂乳液(即聚灰比为6％，固体环氧当量为500，ph值为7，比重为1.04，粘度为880)，34.8kg固含量为44％的环氧树脂固化剂(固体胺氢当量为240，ph值为8，比重为1，粘度为2800)，其他同实施例1。
[0100]
实施例5
[0101]
将104.4kg固含量为50％的环氧树脂乳液(即聚灰比为9％，固体环氧当量为600，ph值为6，比重为1.06，粘度为900)，52.2kg固含量为44％的环氧树脂固化剂(固体胺氢当量为260，ph值为10，比重1.05，粘度为2400)替换为34.8kg固含量为50％的环氧树脂乳液(即聚灰比为3％，固体环氧当量为750，ph值为3，比重为1.03，粘度为700)，17.4kg固含量为44％的环氧树脂固化剂(固体胺氢当量为300，ph值为10，比重为1.08，粘度为3600)，其他同实施例1。
[0102]
实施例6
[0103]
将0.009m3的聚乙烯醇纤维(在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为0.9％)替换为0.003m3的聚乙烯醇纤维(在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为0.3％)，其他同实施例1，产物记为p
03s12
。
[0104]
实施例7
[0105]
将0.009m3的聚乙烯醇纤维(在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为0.9％)替换为0.006m3的聚乙烯醇纤维(在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为0.6％)，其他
同实施例1，产物记为p
06s12
。
[0106]
实施例8
[0107]
将0.009m3的聚乙烯醇纤维(在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为0.9％)替换为0.012m3的聚乙烯醇纤维(在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为1.2％)，其他同实施例1，产物记为p
12s12
。
[0108]
实施例9
[0109]
将0.012m3钢纤维(在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为1.2％)替换为0.004m3钢纤维(在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为0.4％)，其他同实施例1，产物记为p
09s04
。
[0110]
实施例10
[0111]
将0.012m3钢纤维(在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为1.2％)替换为0.008m3钢纤维(在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为0.8％)，其他同实施例1，产物记为p
09s08
。
[0112]
实施例11
[0113]
将0.012m3钢纤维(在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为1.2％)替换为0.016m3钢纤维(在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为1.6％)，其他同实施例1，产物记为p
09s16
。
[0114]
对比例1
[0115]
将571.3kg水泥，8.7kg纳米sio2(水泥和纳米sio2总质量的1.5％)替换为580kg水泥，省去纳米sio2(即不含纳米sio2)，其他同实施例1。
[0116]
对比例2
[0117]
将571.3kg水泥，8.7kg纳米sio2(水泥和纳米sio2总质量的1.5％)替换为568.4kg水泥，11.6kg纳米sio2(水泥和纳米sio2总质量的2％)，其他同实施例1。
[0118]
对比例3
[0119]
将571.3kg水泥，8.7kg纳米sio2(水泥和纳米sio2总质量的1.5％)替换为577.1kg水泥，2.9kg纳米sio2(水泥和纳米sio2总质量的0.5％)，其他同实施例1。
[0120]
对比例4
[0121]
省去实施例1中的104.4kg固含量为50％的环氧树脂乳液和52.2kg固含量为44％的环氧树脂固化剂，即聚灰比为0％，其他同实施例1。
[0122]
对比例5
[0123]
省去实施例1中的0.009m3的聚乙烯醇纤维，即不含聚乙烯醇纤维，其他同实施例1，产物记为p0s
12
。
[0124]
对比例6
[0125]
省去实施例1中的0.012m3钢纤维，即不含钢纤维，其他同实施例1，产物记为p
09
s0。
[0126]
坍落度依据dl/t 5126-2021《聚合物改性水泥砂浆试验规程》进行测试：
[0127]
(1)将环氧树脂水泥基修复材料分两次装入坍落度筒内，每次装入0.34l，并用捣棒将环氧树脂水泥基修复材料由边缘到中心螺旋形捣15次，第二次插捣时将捣棒插入到下层环氧树脂水泥基修复材料的4mm处；
[0128]
(2)插捣结束后，用镘刀刮去多余的环氧树脂水泥基修复材料，并清除坍落度筒底
周围的材料，将坍落度筒平缓地垂直提起，等到修复材料停止向下坍落时，用标尺量出环氧树脂水泥基修复材料与坍落筒的高度差，记为坍落度值。
[0129]
立方体抗压强度依据jgj/t 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》进行测试：
[0130]
(1)将实施例1～11和对比例1～6所制得的修复材料分别采用3个尺寸为70.7mm
×
70.7mm
×
70.7mm的立方体试件，将其放置在压力机下压板的中心，将试件成型时的侧面作为承压面；
[0131]
(2)打开上压板开关，当上压板接近试件上承压面时，调整试件位置使接触面均匀受压，加载速度设为1.5kn/s，均匀加压直到试件破坏并记录破坏荷载值；
[0132]
(3)将数值代入式i中进行计算，其中，f
cu
为立方体试件抗压强度，fu为试件破坏荷载，a为试件承压面面积；
[0133][0134]
抗折后抗压强度依据gb/t 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》进行测试：
[0135]
(1)将实施例1～11和对比例1～6所制得的修复材料分别采用6个进行完抗折强度试验后的三个棱柱体上得到的六个半截棱柱体，其承压面为40mm
×
40mm，将试件成型时的侧面作为承压面，使夹具对准压力机压板的中心，加载速度设为2.4kn/s，均匀加压直到试件破坏并记录破坏荷载值；
[0136]
(2)将数值代入式ii中进行计算，其中fc为抗压强度，fc为试件破坏荷载，a为试件承压面面积；
[0137][0138]
抗折强度依据gb/t 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》进行测试：
[0139]
(1)将实施例1～11和对比例1～6所制得的修复材料分别采用3个尺寸为40mm
×
40mm
×
160mm的棱柱体，将试件的一个侧面放在试验机支撑圆柱上，使加荷圆柱、支撑圆柱与试件的一个侧面接触，加载速度设为50n/s，均匀加压直到试件破坏并记录破坏荷载值；
[0140]
(2)将数值代入式ⅲ中进行计算，其中fb为抗折强度，f为折断时施加于棱柱体试件中部的荷载。l为支撑圆柱之间的距离，b为棱柱体试件正方形截面的边长；
[0141][0142]
劈裂抗拉强度试验方法：
[0143]
(1)将实施例1～11和对比例1～6所制得的修复材料分别采用3个尺寸为70.7mm
×
70.7mm
×
70.7mm的立方体试件，在上、下压板与试件之间各放一个垫块和木质垫条(大于试件长度)，垫块和垫条要与试件成型时的顶面垂直，并与试件上、下面的中心线对准；
[0144]
(2)在上压板下降时不断调整试件与垫条的位置，保证接触均衡，加载速度设为1.5kn/s，均匀加压直到试件破坏并记录破坏荷载值；
[0145]
(3)将数值代入式ⅳ中进行计算，其中f
ts
为劈裂拉伸强度，f为试件破坏荷载，a为试件劈裂面积；
[0146][0147]
弯曲韧性依据astm-c1018标准中的试验方法进行测试：
[0148]
(1)将实施例1、实施例6～11和对比例5～6所制得的修复材料分别采用3个尺寸为100mm
×
100mm
×
400mm的棱柱体试件，调整支座跨度为300mm，将试件成型时的侧面作为承压面置于支座上，在试件的跨中两侧布置位移计以测定跨中挠度，结果取其平均值；
[0149]
(2)启动试验机使分配梁与试件轻触，以消除分配料与试件的间隙，将各测点初始值归零，然后开启试验，加载速率设为0.1mm/min，试验过程中采用的荷载传感器与位移计同步采集荷载与跨中挠度；
[0150]
(3)制得跨中挠度-荷载的关系曲线图，其中以跨中挠度为横坐标，荷载为纵坐标，将曲线中的原点记为o；选取初裂点对应挠度的1.0、3.0、5.5、10.5倍的挠度点δ
cr
分别记为b、d、f、h，挠度点b、d、f、h所对应的荷载记为a、c、e、g；荷载-挠度曲线下oab、oacd、oaef、oagh的面积分别记为ω
δ
，ω
3δ
，ω
5.5δ
，ω
10.5δ
，韧性指数i5，i
10
，i
20
分别按照式
ⅴ
、式ⅵ和式ⅶ计算；
[0151][0152]
粘结性能测试依据jc/t 2381-2016《修补砂浆》的试验方法：
[0153]
(1)按照水泥：石英砂：水＝1：2.5：0.5的配合比制得基准试件，采用40mm
×
40mm
×
160mm的三联模成型试件，脱模后放入标准养护室养护28d；
[0154]
(2)将养护好的基准试件用水泥胶砂抗折试验机压断，清理试件断面上松动的骨料和浆体，并在清洗干净后用钢丝刷刷毛断面。在修复前将基准试件放入水中浸泡6小时；
[0155]
(3)将基准试件放入三联模的一侧，在另一侧倒入实施例1～11和对比例1～6所制得的环氧树脂水泥基修复材料，成型1d后脱模分别得到实施例1～11和对比例1～6所制得的环氧树脂水泥基修复材料修复后的粘结试件；
[0156]
(4)将粘结试件放入标准养护室养护28d后，分别按照抗折强度试验测试粘结试件的界面弯拉强度。
[0157]
根据图1～6可知，本发明所制得的环氧树脂水泥基修复材料的坍落度、立方体抗压强度、抗折后抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、界面弯拉强度等均优于纳米sio2掺量低于或高于本发明所述纳米sio2掺量的水泥基修复材料，且本发明所制得的环氧树脂水泥基修复材料中骨料与浆体之间并不存在缝隙，即粘合性好。
[0158]
根据图7～13所示对于不同环氧树脂乳液及环氧树脂固化剂掺量所制得的环氧树脂水泥基修复材料的检测可知，本发明所制得的环氧树脂水泥基修复材料具有较低的坍落度，较高的立方体抗压强度、抗折后抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度以及界面弯拉强度，即综合性能要明显优于未添加环氧树脂乳液和环氧树脂固化剂所制得的修复材料。
[0159]
根据图14～23所示关于不同钢纤维以及聚乙烯醇纤维掺量所制得的环氧树脂水泥基修复材料的检测可知，本发明所制得的环氧树脂水泥基修复材料具有较低的坍落度、较高的立方体抗压强度、抗折后抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、弯曲韧性以及界面弯拉强度，即综合性能明显优于添加单一纤维所制得的修复材料。
[0160]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料，其特征在于，包括以下原料：水泥、石英砂、水、环氧树脂乳液、环氧树脂固化剂、纳米sio2、聚乙烯醇纤维、钢纤维、消泡剂和减水剂；环氧树脂水泥基修复材料中，石英砂的质量掺量为1275～1278kg/m3，石英砂、水泥、水和减水剂的质量比为1275～1278:568～577:181～236:13～16；纳米sio2的质量为水泥和纳米sio2总质量的0.8～1.6％，聚乙烯醇纤维在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为0.4～1.6％，钢纤维在环氧树脂水泥基修复材料中的体积掺量为0.4～1.6％。2.根据权利要求1所述一种纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水剂的固含量为19～21％。3.根据权利要求1所述一种纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料，其特征在于，所述纳米sio2的粒径为25～35nm。4.根据权利要求3所述一种纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料，其特征在于，所述环氧树脂乳液的固含量为47～53％，环氧树脂乳液中固体的质量为水泥和纳米sio2的总质量的6～12％。5.根据权利要求2或3所述一种纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料，其特征在于，所述环氧树脂固化剂的固含量为42～46％，环氧树脂固化剂和环氧树脂乳液的质量比为45～55:100。6.根据权利要求5所述一种纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料，其特征在于，所述聚乙烯醇纤维的直径为38～42μm，聚乙烯醇纤维的长度为10～14mm。7.根据权利要求5所述一种纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料，其特征在于，所述钢纤维为镀铜钢纤维，钢纤维的直径为0.2～0.22mm，钢纤维的长度为10～15mm。8.根据权利要求7所述一种纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料，其特征在于，所述消泡剂为有机硅消泡剂，消泡剂的质量为环氧树脂乳液中固体质量的1.1～1.3％。9.权利要求1～8任一项所述纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料的制备方法，其特征在于，将水泥、石英砂、水、环氧树脂乳液、环氧树脂固化剂、纳米sio2、钢纤维、消泡剂和减水剂混合后，加入聚乙烯醇纤维，制得环氧树脂水泥基修复材料。

技术总结
本发明属于修复材料技术领域，本发明公开了一种纳米二氧化硅和混杂纤维增强的环氧树脂水泥基修复材料及其制备方法，环氧树脂水泥基修复材料的原料包括水泥、石英砂、水、环氧树脂乳液、环氧树脂固化剂、纳米二氧化硅、聚乙烯醇纤维、钢纤维、消泡剂和减水剂。本发明所制得的环氧树脂水泥基修复材料中，环氧树脂乳液与纳米SiO2、聚乙烯醇纤维和钢纤维相结合，能够明显增强修复材料的粘聚性，从而增强粘结作用降低流动性；本发明所制得的环氧树脂水泥基修复材料具有优异的抗折强度、劈裂抗拉强度、界面弯拉强度。面弯拉强度。面弯拉强度。


技术研发人员：张鹏 王珂珣 郭进军 高真 王娟 郑元勋 魏士尧
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/9/9