一种聚丙烯酰胺改性增强的地聚合物凝胶材料及其制备方法和使用方法与流程

本发明属于工程材料领域，涉及一种聚丙烯酰胺改性增强的地聚合物凝胶材料及其制备方法和使用方法。

背景技术：

1、根据曹容川提出的可承重蓄水道路结构，道路基层使用地聚合物基凝聚体构建。该凝聚体由硅铝摩尔比(si/al mr)为2、铝钠摩尔比(al/na mr)为0.85～1.00、水钠摩尔比(h2o/na2o mr)为14～16的地聚合物凝胶覆膜陈化24小时后，和粒径在16.5～20.00mm的沉积岩粗骨料混合搅拌、覆膜养护超过60小时得到。该凝聚体的无侧限抗压强度超过9.0mpa，弯拉强度超过1.5mpa，孔隙率超过30％并具有良好的水稳定性。因此由地聚合物基凝聚体构成基层的可承重蓄水道路能够在市政排水系统完全瘫痪的情况下，消纳10小时以上连续暴雨(50mm/d)，承受重型荷载的同时还能充当一个“超级蓄水池”。

2、然而，地聚合物凝胶的陈化时间并非完全固定，虽然和曹容川持相同观点，davidovits在《geopolymer chemistry and application》一书中也给出陈化24小时(20℃，50％相对湿度)的建议，但是实际上该陈化时间来源于实验室数据。在工程现场中，很难保证整个环境一直处于20℃和50％相对湿度中，这导致地聚合物的粘度很难被精准控制。因此，在短时间内大幅度提高地聚合物粘度、减少甚至避免陈化就成为工程应用中亟待解决的问题。解决上述问题，常用的方法是通过添加外加剂对地聚合物凝胶改性：如lateefn.assi等人在地聚合物凝胶中添加蔗糖作为外加剂，发现地聚合物凝胶的硬化时间提高了100％以上；teerasak yaowarat等人曾经研究将天然胶乳(nrl)作为水泥添加剂，改善了混凝土路面的抗弯强度性能；c.celauro和f.g.praticò研究了将玄武岩纤维加入沥青混合料中，提高了轮胎和路面之间的摩擦力、路面稳定性和道路的耐候性等。然而截止目前为止，尚未见到经外加剂改性后可短时间内大幅提高地聚合物粘度、减少甚至避免陈化且与骨料结合后能得到性能有效增强的地聚合物凝聚体的相关技术被报道。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种聚丙烯酰胺改性增强的地聚合物凝胶材料及其制备方法和使用方法，旨在克服现有技术中存在的上述不足。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种聚丙烯酰胺改性增强的地聚合物凝胶材料，其由地聚合物基料和聚丙烯酰胺混合而成，所述聚丙烯酰胺添加量为地聚合物基料质量的3.5％至5％。

3、在上述技术方案的基础上，本发明还可以有如下进一步的具体或更优选择。

4、具体的，所述地聚合物基料由偏高岭土、水玻璃、水和氢氧化钠按照硅铝摩尔比为2、铝钠摩尔比为0.85～1.00、水钠摩尔比为14～16的配比复配而成。

5、具体的，所述聚丙烯酰胺为阴离子型，其分子量优选为1500～2200万的高分子量。市场上阴离子聚丙烯酰胺的常见分子量在600～2200万，而经验证其对地聚合物的性能改进增强效果与分子量呈正相关，因此本发明选取分子量较大的。

6、在上述技术方案的基础上，本发明还提供了制备上述聚丙烯酰胺改性增强的地聚合物凝胶材料的制备方法，其包括如下步骤：1)配制地聚合物基料；2)将指定比例的聚丙烯酰胺添加至地聚合物基料中，混合搅拌25～35min，静置8～12min，即得。

7、其中，步骤2)中的混合搅拌在搅拌机中进行，搅拌转速优选为80～120r/min。

8、在上述技术方案的基础上，本发明还提供了一种使用上述聚丙烯酰胺改性增强的地聚合物凝胶材料的方法：地聚合物凝胶材料制备完成后，立即与16.5～20.0mm的沉积岩粗骨料充分混合搅拌，然后覆黑色膜隔水养护144h以上，即得增强的地聚合物凝聚体，沉积岩石粗骨料与地聚合物凝胶材料的质量比为2～6：1。

9、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

10、本发明提供的聚丙烯酰胺改性增强的地聚合物凝胶材料在地聚合物基料与适当比例的聚丙烯酰胺充分混合后，不需要阵化处理，即可收获较适合的粘附能力的流动性，可立即与沉积岩骨料混合搅拌使用，其既能均匀覆盖骨料，又能粘附于骨料表面不下沉，随后直接覆膜养护144h以上即可得到增强凝聚体，增强凝聚体与未添加聚丙烯酰胺并通过阵化作用增加粘附能力后再与骨料混合获得凝聚体相比，抗压强度能够提高3.1％～8.2％，弯拉强度能够提高44.4％～61.1％。

11、本发明在地聚合物凝胶材料中添加聚丙烯酰后，最终获得的凝聚体的抗压强度和弯拉强度都在提升，其成因推测如下：

12、1.因聚丙烯酰胺自身结构引起，聚丙烯酰胺属于有机高分子聚合物，其主链有一定的内旋自由度，当有应力作用时，结构被拉伸，当去掉应力后，则又恢复原状。对于无机高分子地聚合物而言，构筑其三维网络结构的是硅氧键和铝氧键，这些共价键导致每个si，o，和al原子在晶体内都不能自由移动，而聚丙烯酰胺的加入则提高了原有体系的柔性和弹性。

13、2.因聚丙烯酰胺改变了地聚合物的原有结构引起，如图1所示，聚丙烯酰胺粉末在加入地聚物基料中后溶解的同时发生了交联反应，从链状结构变成了柔性网络结构，并通过范德华力与地聚合物的刚性网络结构连接在一起；同时，聚丙烯酰胺中的酰胺基与地聚合物中的羟基发生化学反应，如图2所示，原有的基团被破坏，两种网络结构还通过共用氧原子、形成化学键进行连接。随着地聚合物硬化，这种无机、有机交织融合的高分子网络结构有效提高了凝聚体的韧性；而链状聚丙烯酰胺也因为交联反应形成了三维网络结构、并与地聚合物通过化学键连接在一起而不再溶于水。聚丙烯酰胺对凝胶的粘附能力和凝聚体的强度都有一定程度的提高；它的加入不但能够避免陈化时间，加速地聚合物的缩聚反应，还能增强凝胶的整体性，使自身的柔性结构与地聚合物的刚性结构通过化学键和范德华力融合在一起。

技术特征：

1.一种聚丙烯酰胺改性增强的地聚合物凝胶材料，其特征在于，由地聚合物基料和聚丙烯酰胺混合而成，所述聚丙烯酰胺添加量为地聚合物基料质量的3.5％至5％。

2.根据权利要求1所述的一种聚丙烯酰胺改性增强的地聚合物凝胶材料，其特征在于，所述地聚合物基料由偏高岭土、水玻璃、水和氢氧化钠按照硅铝摩尔比为2、铝钠摩尔比为0.85～1.00、水钠摩尔比为14～16的配比复配而成。

3.根据权利要求1或2所述的一种聚丙烯酰胺改性增强的地聚合物凝胶材料，其特征在于，所述聚丙烯酰胺为阴离子型，分子量为1500～2200万。

4.一种制备如权利要求1至3任一项聚丙烯酰胺改性增强的地聚合物凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种聚丙烯酰胺改性增强的地聚合物凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中的混合搅拌在搅拌机中进行，搅拌转速为80～120r/min。

6.一种使用权利要求1至3任一项所述聚丙烯酰胺改性增强的地聚合物凝胶材料的方法，其特征在于，地聚合物凝胶材料制备完成后，立即与16.5～20.0mm的沉积岩粗骨料充分混合搅拌，然后覆黑色膜隔水养护144h以上，即得增强的地聚合物凝聚体，沉积岩石粗骨料与地聚合物凝胶材料的质量比为2～6：1。

技术总结本发明涉及一种聚丙烯酰胺改性增强的地聚合物凝胶材料及其制备方法和使用方法，该凝胶材料由地聚合物基料和聚丙烯酰胺混合而成，所述聚丙烯酰胺添加量为地聚合物基料质量的3.5％至5％。本发明优点为，地聚合物基料与适当比例的聚丙烯酰胺充分混合后，不需要阵化处理，即可收获较适合的粘附能力的流动性，可立即与沉积岩骨料混合搅拌使用，其既能均匀覆盖骨料，又能粘附于骨料表面不下沉，随后直接覆膜养护144h以上即可得到增强凝聚体，增强凝聚体与未添加聚丙烯酰胺并通过阵化作用增加粘附能力后再与骨料混合获得凝聚体相比，抗压强度能够提高3.1％～8.2％，弯拉强度能够提高44.4％～61.1％。技术研发人员：康丹,张文博,曹容川,石亚军,吴限,方正,许银行受保护的技术使用者：武汉市政工程设计研究院有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/5/16