一种基于碳纳米管包覆粉煤灰改性水泥基的注浆材料及其制备方法

本发明属于建筑材料，适用于地下注浆工程，具体涉及一种基于碳纳米管包覆粉煤灰改性水泥基的注浆材料及其制备方法。

背景技术：

1、注浆材料是裂隙岩体中起固结和填充作用的主要物质，起到增强裂隙岩体力学强度和抗渗性能的作用。常用的注浆材料有硅酸盐水泥注浆材料、化学注浆材料。化学注浆材料粘度低、可注性好，能够注入微小孔隙裂隙中，但其成本较高、强度较低，耐久性较差且对环境污染较大；普通硅酸盐水泥注浆材料强度高、耐久性好、无毒、无味、材料来源方便、价格低廉，但其制备过程耗能高、二氧化碳排放量极大、产生的建筑垃圾多，且普通水泥粒径较大，粗颗粒多，浆液的稳定性差，无法注入微小裂隙等缺点。粉煤灰改性水泥注浆材料，其水泥用量少、二氧化碳排放量低、更环保、成本更低、且流动性、耐久性较好，但粉煤灰水化速度较慢，导致注浆材料早期强度偏低。近些年，纳米材料领域逐渐发展，将纳米材料作为粉煤灰水泥添加剂制备碳纳增强水泥注浆材料，能有效保持粉煤灰改性水泥注浆材料原有优点且能提高材料早期强度，但由于纳米材料尺度极小，互相之间存在范德华力使其难以分散，导致纳米材料团聚引起水泥基材料的改性效果降低，甚至引起应力集中以及强度劣化。现今，虽然聚羧酸减水剂超声的方法被普遍应用于分散，但超声耗时耗能、损伤纳米材料等问题阻碍了纳米增强水泥在工程中的推广与应用。一种流动性好、强度高且分散效果好、能耗低的纳米增强水泥注浆材料制备方法亟需被提出。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于碳纳米管包覆粉煤灰改性水泥基注浆材料及其制备方法，以解决现有纳米增强水泥注浆材料存在的纳米材料分散困难、能耗高等问题。

2、为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：

3、一种基于碳纳米管包覆粉煤灰改性水泥基注浆材料，包括以下组分：硅酸盐水泥、粉煤灰、分散液的比值为4:1:2；所述粉煤灰将通过盐酸酸洗、去离子水洗涤以及充分烘干，并通过3-氨基丙基三乙氧基硅烷偶联剂对粉煤灰进行功能化；所述分散液为碳纳米管和聚羧酸减水剂混合而成的分散液。

4、作为改进的是，所述盐酸由以下按重量份数的组分混合而成：水2600份、36％盐酸1000份。

5、作为改进的是，所述的粉煤灰将经过10％盐酸酸洗，去除杂质。

6、作为改进的是，所述的粉煤灰将经过去离子水洗涤，去除杂质。

7、作为改进的是，所述3-氨基丙基三乙氧基硅烷偶联剂由以下按重量份数的组分混合而成，70％乙醇9份、3-氨基丙基三乙氧基硅烷1份。

8、作为改进的是，所述的粉煤灰将通过3-氨基丙基三乙氧基硅烷的氨基官能团实现氨基功能化，来吸附碳纳米管，从而实现碳纳米管的分散。

9、作为改进的是，所述分散液由以下按重量份数的组分混合而成，水2500份、碳纳米管2份、聚羧酸减水剂16份。

10、作为改进的是，所述聚羧酸减水剂由按重量份数计的水2500份和聚羧酸减水剂16份混合而成。

11、上述基于碳纳米管包覆粉煤灰改性水泥基注浆材料的制备方法，包括以下步骤：

12、步骤1，按重量份数计称取各组分，将粉煤灰先用10％的盐酸溶液进行酸洗，酸洗完毕后，使用去离子水洗涤粉煤灰直至洗涤液不再浑浊，清洗完毕后将粉煤灰放置于烘干箱中110℃干燥5h，以去除粉煤灰表面杂质；

13、步骤2，将干燥后冷却至室温的粉煤灰加入到3-氨基丙基三乙氧基硅烷偶联剂中，将混合物加热至70℃并搅拌1h，然后在110℃的烘箱中干燥2.5h，干燥完毕后用去离子水洗涤数次，并再次在110℃的烘箱中干燥5h；

14、步骤3，将碳纳米管和聚羧酸减水剂溶解于水中，通过磁力搅拌，配成分散液；

15、步骤4，将处理后的粉煤灰、分散液在磁力搅拌机中充分搅拌分散，得到混合液1；

16、步骤5，将硅酸盐水泥、混合液1进行混合均匀搅拌，即注浆材料；

17、作为改进的是，步骤4中磁力搅拌时所用磁力搅拌机的搅拌时间为20min。

18、作为改进的是，步骤5中注浆材料的混合液1和硅酸盐水泥的质量比为3:4。

19、本发明通过借助3-氨基丙基三乙氧基硅烷的氨基官能团实现粉煤灰的氨基功能化，使碳纳米管吸包覆粉煤灰表面，以及聚羧酸减水剂的分散作用协同作用下，高效分散碳纳米管，来提高纳米增强水泥注浆材料的流动性与强度。

20、其中，关于通过3-氨基丙基三乙氧基硅烷实现粉煤灰氨基功能化吸附碳纳米管的原理参见图1。

21、其中，关于增强流动性的作用：粉煤灰颗粒在微观尺度下呈现光滑的圆球形状，将其掺入水泥浆体之后，在浆体中能够起到润滑的作用，减小水泥颗粒间的机械摩擦效应，从而提高浆体的流动性。

22、地下注浆工程对材料的要求：高流动性，即需要比较大的水灰比使注浆材料可以充填到一定深度的岩石裂隙中。其次是要廉价，因为注浆的工程量巨大，价格控制至关重要。一方面关于增强注浆材料强度：(1)碳纳米管具有优异的力学性能，其杨氏模量可达1tpa以上，抗拉强度是普通钢材的100倍，丹密度仅为钢材的1/6；(2)碳纳米管具有超高的比表面积，可达40m2/g,且含有丰富的含氧官能团，可以很好的促进水泥的水化反应以及水化产物的生长；(3)碳纳米管在生成的水化产物中形成“桥接作用”，当水泥基体承受荷载时，碳纳米管与基体产生摩擦，抑制裂缝扩展；(4)碳纳米管作为纳米材料填充孔隙，密实孔隙结构；(5)碳纳米管与注浆材料发生键合，形成致密结构，阻碍裂纹扩展；另一方面关于降低注浆材料造价：粉煤灰以极低的成本替代部分普通硅酸盐水泥，且补偿强度所使用的碳纳米管掺量极低，一般在浆体总质量的0.01～0.05wt％左右，有效降低了成本。

23、有益效果：

24、本发明基于碳纳米管包覆粉煤灰改性水泥基的注浆材料，通过加入粉煤灰来降低注浆材料的成本和提高浆液的流动性，借助碳纳米管来促进浆体中水化产物的生长和优化孔隙结构，用以补偿由于粉煤灰替代部分水泥粉而造成的注浆材料的力学损失，并且通过借助3-氨基丙基三乙氧基硅烷的氨基功能化官能团对粉煤灰进行功能化处理，使碳纳米管吸附于粉煤灰表面，并通过聚羧酸减水剂的分散作用协同作用下，高效协助碳纳米管分散，来提高纳米增强水泥注浆材料的流动性与强度，能有效提高注浆材料的早期强度与流动性，降低注浆材料的成本，与水泥净浆相比，本发明注浆材料的流动性提高了18.2％～25.1％；7天抗压强度提高了7.7％～8.0％。

技术特征：

1.一种基于碳纳米管包覆粉煤灰改性水泥基的注浆材料，其特征在于，按重量比计，包括以下组分：硅酸盐水泥、粉煤灰、分散液的比值为4:1:2；所述粉煤灰依次通过盐酸酸洗、去离子水洗涤以及烘干处理，从而去除表面杂质，之后通过3-氨基丙基三乙氧基硅烷偶联剂对去除杂质后的粉煤灰进行功能化；所述分散液为碳纳米管和聚羧酸减水剂混合而成的分散液。

2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管包覆粉煤灰改性水泥基的注浆材料，其特征在于，所述盐酸由以下按重量份数的组分混合而成：水2600份、36%盐酸1000份。

3.根据权利要求1所述的基于碳纳米管包覆粉煤灰改性水泥基的注浆材料，其特征在于，所述3-氨基丙基三乙氧基硅烷偶联剂由以下按重量份数的组分混合而成：70%乙醇9份、3-氨基丙基三乙氧基硅烷1份。

4.根据权利要求1所述的基于碳纳米管包覆粉煤灰改性水泥基的注浆材料，其特征在于，所述分散液由以下按重量份数的组分混合而成：水2500份、碳纳米管2份、聚羧酸减水剂16份。

5.根据权利要求1所述的基于碳纳米管包覆粉煤灰改性水泥基的注浆材料，其特征在于，所述聚羧酸减水剂由按重量份数计的水2500份和聚羧酸减水剂16份混合而成。

6.基于权利要求1的所述的基于碳纳米管包覆粉煤灰改性水泥基的注浆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的基于碳纳米管包覆粉煤灰改性水泥基的注浆材料的制备方法，其特征在于，步骤5中注浆材料的混合液1与硅酸盐水泥的质量比为3:4。

技术总结
本发明公开了一种基于碳纳米管包覆粉煤灰改性水泥基的注浆材料及其制备方法，所述注浆材料包括以下组分：硅酸盐水泥、粉煤灰、分散液的比值为4:1:2；所述粉煤灰将通过盐酸酸洗、去离子水洗涤以及充分烘干，去除表面杂质，并通过3‑氨基丙基三乙氧基硅烷偶联剂对粉煤灰实现功能化；所述分散液为碳纳米管和聚羧酸减水剂混合而成的分散液；由此，通过上述方式可以制备得到流动性能更高，力学性能更强和价格更低廉的注浆材料，与水泥净浆相比，本发明公开的注浆材料流动性能提高了18.2%～25.1%；7天力学性能提高了7.7%～8.0%。

技术研发人员：高远,靖洪文,韩观胜,项嘉豪,张涛,魏星辰,徐金华,王珑,鲍洪韬,钱王苹
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15