[发明专利]用于快速修补的纳米改性干混碱激发胶凝材料

说明书

本发明提供了一种工作度及早期强度皆适用于水泥基建筑设施快速修补工作的纳米改性干混碱激发胶凝材料，或称之干混地质聚合物胶凝材料(One‑Part Geopolymer Cement,OPgC)。OPgC的成分包括富铝硅酸盐材料、碱激发材料和纳米改性剂，以及其他功能性添加剂及/或纤维。OPgC可与水直接混合，经充分搅拌后得到可用于快速修补工作的胶凝材料。OPgC可与水和细骨料及/或粗骨料混合搅拌以形成砂浆或混凝土。作为一种水泥基建筑设施的快速修补材料的基体，OPgC可以有效替代现存的粘合基体(包括波特兰水泥及有机粘合剂等)，其较高的环保价值及较低的成本使其在紧急与快速修补的工程应用中具备优势。

技术领域

本申请涉及基于碱激发胶凝材料或地质聚合物的材料。更具体地，本申请提供了具有高早期强度的纳米改性干混碱激发胶凝材料，用于快速修补水泥基建筑设施。

背景技术

水泥基建筑设施的维护工作可以概括地分成紧急/临时修补和定期维护。修补工作包括了混凝土基础设施(例如人行道、下水道系统、建筑物和桥梁等)的修补。在现代化城市中高交通流量需求、严重的用地量短缺和不断增长的社会需求背景下，所有的车道修补工作需在数小时至最多数天内完成，施工时间非常有限。另一方面，现代化城市具有复杂的下水道系统，该下水道系统通常构建于大量的基础设施之间，因此急需符合特定性能要求的快速硬化建筑材料以用于水泥基建筑设施(例如混凝土车道和下水道系统)的修补和维护。

根据所采用的主要粘结材料性质的不同，修补材料通常可以分成两种，即有机粘结剂系统和无机粘结剂系统。

有机粘结剂类快速修补材料通常通过使用聚合粘结剂或液态树脂(例如热固性树脂、乙烯基单体和焦油改性树脂)完全替换水硬性水泥制成的聚合物混凝土，它们在粘结系统中不含有任何水泥水合物相。大多数用于聚合物混凝土的热固性树脂和单体系统在环境温度下发生聚合反应，新拌聚合物混凝土以类似于常规水泥混凝土的方式进行施工及表面处理。该类聚合物迅速凝结的特性使其在实际工程应用中受限于工人操作的熟练程度而无法大范围推广。此外，该类聚合物在储放及使用时释放出的刺激性气味和挥发性有机化合物(VOC)不利于环保及工人健康。

普通波特兰水泥(ordinary Portland cement,OPC)是最常见的被用作快速修补的一种无机粘结剂材料。通过各种化学添加剂如高效减水剂的使用，波特兰水泥快速修补材料可以在短时间内(例如小于24h)凝结并获得早期强度。尽管其适用于快速修补工作，但该类材料的早期强度发展具有温度依赖性，其机械强度形成速率会随环境温度降低而明显减小。

碱激发水泥(alkali-activated cement,AAC)又称地质聚合物(Geopolymer)，是一种具有高早期强度、优异耐火性和耐酸性的速凝环保无机粘合材料。加水搅拌过程中该类材料通过碱源(可溶的碱激发剂)与富钙铝酸盐材料之间的化学反应获得强度及其他机械性能。传统碱激发水泥系统中用作激发剂的碱类通常以溶液形式存在，包括硅酸钠/硅酸钾溶液、氢氧化钠/氢氧化钾溶液、及/或其他碱类。其碱激发水泥具有比普通波特兰水泥更低的能耗量以及碳排放量，因而是一种适用于可持续发展的优良的替代胶凝材料。

然而，传统碱激发水泥系统中液态碱的存在是潜在的安全隐患，在其使用过程中有可能引发严重伤害(例如化学灼伤)。传统碱激发水泥系统的其他缺点包括材料存储的不便性、较高的运输成本、碱溶液潜在的泄漏问题等。因此，干粉形式成分的干混碱激发胶凝材料，即干混地质聚合物(One-Part Geopolymer Cement,OPgC)的开发具有很高的潜在工程应用价值，干混地质聚合物在施工现场可仅通过加水搅拌来获得较高的早期机械强度，且其产物具备与传统修补砂浆/混凝土相当或更优的耐久性。