一种二元复合纤维增强环氧树脂基快速修复材料及其制备方法

本发明涉及修补材料，具体为一种二元复合纤维增强环氧树脂基快速修复材料及其制备方法。

背景技术：

1、在战争或紧急状态下，阵地、机场等军事设施无疑会成为敌方优先打击的目标，一旦此类重要目标遭受严重损毁，陷入瘫痪状态，将难以有效保障战斗力的生成，继而会导致战局陷入被动挨打的不利境地。此外，在平时战备训练过程中，机场水泥混凝土道面在荷载和环境的双重作用下，也会出现各种不同程度的破坏和损伤，如裂缝、沉陷、剥落，若破损道面得不到及时修复，将会影响战机正常起降，从而造成极大安全隐患。另一方面，随着国家基础设施和大型工业建筑等领域开发建设的不断发展，跨海大桥、地下隧道、海上平台等混凝土结构的修建、维护、改造及加固需求正在持续增长。

2、快速、机动、灵活、高效保障是抢修加固的基本要求，新技术新材料的应用是工程应急修复的重要依托。近年来，快速抢修材料发展迅速，国内外相继研发出硫铝酸盐水泥、磷酸镁水泥等一系列修补材料，其发展已经较为成熟，在和平时期的常规建设中能够达到较好的应用效果。然而，这些修补材料在硬化速度、施工工艺、产品能耗、生产造价等方面还存在一定欠缺，导致其在应用于战场环境或复杂条件下的应急抢修时，具有较大的局限性。

3、考虑到工程应急抢修对时间紧迫性的严格要求，为迅捷高效地提升军事及民用、工业设施的快速修复能力，需要研制一种制作流程简易、固化速度快、早期强度高的应急修补材料。环氧树脂基修补材料是一种新型有机-无机胶凝材料，环氧树脂与固化剂形成环氧树脂-固化剂胶凝体系，浸润包裹砂、水泥等无机填料，形成高强固结体。此类修补材料将环氧树脂有机材料的凝结速度与无机材料的填充作用相结合，相较于水泥基修补材料，在早期强度、固化速度、配方设计灵活性以及界面粘结性能上均表现出优势。还需要关注的是，作为适应现代战争需求的高性能修补材料，其不仅需要具备更高的强度，还需要获得较好的韧性。所以，需要对常规的修补材料进行改性与优化。玄武岩纤维(bf)是一种新型的绿色环保增强材料，相较于玻璃纤维等传统纤维，其具有更加卓越的机械强度和热稳定性，且拉伸强度高、耐酸碱腐蚀、化学性能稳定；硫酸钙晶须(csw)是一种纤维状单晶体，属于纤维亚纳米材料，与环氧树脂基体相容性较好，作为增强相时，同时具有纤维和无机填料两者的增强效果，可起到增强和增韧的效果，故拥有较大应用价值。基于此，采用玄武岩纤维与硫酸钙晶须混杂增强环氧树脂基修补材料，可以在不同的尺寸层次上发挥两种纤维材料的多尺度协同增强、增韧效应，对于有效提高材料的强度特性以及变形能力具有很大潜力。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种二元复合纤维增强环氧树脂基快速修复材料及其制备方法，通过混杂掺入尺度较大的玄武岩纤维和尺度较小的硫酸钙晶须，可以约束修补材料基体中不同区域以及不同尺度的裂缝扩张和延伸，有效改善了常规的环氧树脂基修补材料早期性能较差、脆性大、韧性不足等缺陷。

3、(二)技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

5、一种二元复合纤维增强环氧树脂基快速修复材料，包括以下质量比例的原料：环氧树脂259.85g、固化剂89.36g、稀释剂25.99g、增韧剂24.22g、细骨料1200g、填料259.85g、消泡剂1.04g、玄武岩纤维0.78～2.34g、硫酸钙晶须15.59～31.18g。

6、优选的，所述玄武岩纤维相对环氧树脂的质量比为0.3％，质量为0.78g；硫酸钙晶须相对环氧树脂的质量比为9％，质量为23.39g。

7、优选的，所述材料还包括对玄武岩纤维和硫酸钙晶须表面改性处理的无水乙醇和硅烷偶联剂。

8、优选的，所述细骨料为中砂，堆积密度为1470kg/m3、表观密度为2635kg/m3，细度模数为2.9，粒径大于0.25mm的颗粒质量大于50％。

9、优选的，所述填料为强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥。

10、一种二元复合纤维增强环氧树脂基快速修复材料的制备方法，包括如下步骤：

11、s1：制备前首先将环氧树脂、固化剂、稀释剂、增韧剂放入40℃水浴锅中预热4h，水泥、砂、消泡粉放置在30℃的烘干箱中干燥12h备用；

12、s2：对玄武岩纤维和硫酸钙晶须表面改性处理，制得改性玄武岩纤维和改性硫酸钙晶须，备用；

13、s3：按照配合比称取砂、水泥、环氧树脂、固化剂、稀释剂、增韧剂、消泡剂，称量应准确到±0.05g；

14、s4：先将在水浴锅中预热好的环氧树脂、稀释剂、增韧剂倒入烧杯进行搅拌60s，获得混合液，以降低环氧树脂粘稠度，而后将固化剂、消泡剂倒入烧杯，使用电动搅拌器进行搅拌60s，直至混合均匀，制成环氧树脂胶液；

15、s5：将称量好的水泥、砂投入搅拌锅，慢速搅拌30s，混合均匀，获得混合料a；预先将硫酸钙晶须和玄武岩纤维混杂，以保证稳定分散，而后按照边搅拌边分多次缓慢撒入纤维的方式进行加料，持续搅拌120s，直至纤维分散均匀，不发生聚团、成簇现象，获得混合料b；随后倒入已制备的环氧树脂胶液，慢速搅拌30s，之后快速搅拌60s，使固体与环氧树脂胶液充分混合；

16、s6：将40mm×40mm×160mm三联模固定在振实台上，将拌合物分2层装入试模中，每层振实60次，振实结束后，用刮尺抹平试件表面；将试件置于温度20℃±2℃，相对湿度(50±5)％的标准环境养护箱内，1h后脱模，而后继续养护至测试龄期(4h)。

17、优选的，所述玄武岩纤维表面改性处理步骤如下：

18、①环境温度25℃下，按照m水:m无水乙醇＝1:20，称取水、无水乙醇，将二者混合后充分搅拌，制备乙醇溶液；

19、②按照m水:m硅烷偶联剂＝1:1，称取硅烷偶联剂kh-550溶液，并加入乙醇溶液中，再次进行充分搅拌；

20、③将试验所需玄武岩纤维加入溶液中，用玻璃棒将纤维搅拌分散后，将容器放入80℃恒温水浴锅中加热1h；

21、④将处理完毕的玄武岩纤维放入100℃干燥箱中烘干，得到改性玄武岩纤维。

22、优选的，所述硫酸钙晶须表面改性处理的步骤如下：

23、①环境温度25℃下，按m水:m无水乙醇＝1:20，称取水、无水乙醇，将二者混合后充分搅拌，制备乙醇溶液；

24、②按照m水:m硅烷偶联剂＝1:1，称取kh-550溶液，并加入乙醇溶液中，再次进行充分搅拌；

25、③将试验所需硫酸钙晶须加入溶液中，用玻璃棒将纤维搅拌分散后，将容器放入80℃恒温水浴锅中加热1h；

26、④将处理完毕的硫酸钙晶须放入100℃干燥箱中烘干，得到改性硫酸钙晶须。

27、(三)有益效果

28、与现有技术相比，本发明提供了一种二元复合纤维增强环氧树脂基快速修复材料及其制备方法，具备以下有益效果：

29、1、本发明通过添加分级纤维增强体、改性剂等手段，多尺度改善环氧树脂基修补材料的早期性能。在玄武岩纤维-硫酸钙晶须二元复合纤维增强环氧树脂基快速修复材料中，尺度较大的玄武岩纤维和尺度较小的硫酸钙晶须混杂掺入，大量自由分布的纤维可以约束修补材料基体内部不同区域以及不同尺度的微裂缝扩展，有效改善了常规的环氧树脂基修补材料早期性能较差、脆性大、韧性不足等缺陷，实现了环氧树脂基修补材料早期性能高强度与高韧性的匹配。

30、2、本发明二元复合纤维增强环氧树脂基快速修复材料早期抗压强度、抗折强度均高于快硬硫铝酸盐水泥砂浆，可应用范围更加广泛，承受荷载能力更强，提升了修补材料的力学性能；从工艺上看，二元复合纤维增强环氧树脂基快速修复材料不需进行洒水养护，减少了工序，提高了施工效率。

31、3、本发明所制得的混掺纤维改性环氧树脂基快速修补材料中，玄武岩纤维与硫酸钙晶须改善了修补材料内部微观结构，减少了内部孔隙，玄武岩纤维发挥桥连作用，抑制宏观裂缝发展，硫酸钙晶须发挥填充作用，优化内部微细孔隙，提高修补材料密实度。将两种不同尺寸的纤维进行合理混掺，充分发挥其在不同尺寸层次上的提升性能，以起到协同互补的增强、增韧效应。

32、4、本发明所制得的混掺纤维改性环氧树脂基快速修补材料具有优异的早期抗折强度、抗压强度以及韧性。

33、5、本发明所制得的混掺纤维改性环氧树脂基快速修补材料与市面上其他大多数树脂类快速修补材料相比，价格相对更加低廉。

34、综上，二元复合纤维增强环氧树脂基快速修复材料是一种性能优异，性价比较高的新型快速修补材料。