CN101117281B

CN101117281B - 混凝土防护溶胶

Info

Publication number: CN101117281B
Application number: CN2006100297390A
Authority: CN
Inventors: 殷航
Original assignee: 朱珦珦
Priority date: 2006-08-04
Filing date: 2006-08-04
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2026-08-04
Also published as: CN101117281A; JP2009545508A; WO2008017240A1; JP5406026B2

Abstract

混凝土防护溶胶主要由硅酸钠、硅酸钾和水组成，所述硅酸钠和硅酸钾为直径：1～100nm的超细固体粒子，硅酸钠和硅酸钾的比例是3.2～4.2:1，溶胶中超细固体粒子的总量和水总量的重量比是26～30％:74～70％。本发明的优点是由超细固体粒子高度分散而成的溶胶，使得在混凝土毛细孔中和水化产物发生化学反应的主体由离子改变为超细固体粒子，对混凝土结构形成整体隔离层和局部隔离层的双重隔离保护为基础，利用溶胶、凝胶特性的有机结合并共同作用，抑止腐蚀介质的进入和侵蚀，实现对混凝土结构长期稳定的有效防护，提高混凝土结构的耐久性，延长其实际使用寿命，减少后期维修、维护。

Description

混凝土防护溶胶

技术领域

本发明涉及一种混凝土防护材料，属于外涂装渗透型的产品，特别是一种溶胶型的混凝土防护材料。

背景技术

目前为对混凝土结构防护而采用对混凝土外表面涂装材料的方法有很多。在渗透型材料中，如：以硅酸钠为主成份的材料，它通过在防水处和维修处涂布或注入以硅酸钠为主成份的材料，来达到保护混凝土结构的目的。但该材料存在因主体是单硅酸钠而引起在混凝土中反应速度快，渗透性差及生成表面膜状物易磨损破坏等问题。

针对上述问题而改进的碱金属硅酸盐水溶液，如：中国发明专利公开：，采用碱金属硅酸盐硅中酸钠、硅酸钾、硅酸锂之间任意两种的组合，按摩尔比约1：1与水混合形成碱金属硅酸盐水溶液(以下简称混合水溶液)，并添加氢氧化钠，通过调节氢氧化钠的添加量，调节混合水溶液在混凝土中的凝胶化速度。当混合形成的碱金属硅酸盐水溶液涂布于混凝土构造物的表面后，由于该材料在混凝土毛细孔内凝胶化，堵住毛细孔，因此可抑止水分对混凝土的渗入。这些改进后的碱金属硅酸盐水溶液，通过调节混合水溶液的凝胶速度的方法，对延缓混合水溶液在混凝土中的胶凝时间，使混合水溶液能较深的渗入混凝土中，起到了积极的作用。但就渗透结晶型防护材料对混凝土结构进行综合防护的课题而言，反应生成的凝胶---结晶质量是混凝土结构防水防护的关键所在。由于该材料是碱金属硅酸盐的混合水溶液，溶液的性质决定了其反应生成的凝胶仍存在很多缺陷，有很多问题尚待解决。

混合水溶液对混凝土结构实现有效防护尚待解决的一些问题：

1、形成的凝胶不稳定。

混合水溶液在混凝土中反应生成的凝胶，当再遇水后会重新回到水溶液状态，凝胶在水的作用下会发生凝胶→水溶液→凝胶的变化，具有可逆性。所以，混合水溶液在混凝土中反应生成的凝胶是不稳定，也就是防护作用不可靠，这对使用在自然环境中的混凝土结构的防护是极为不利的。

2、混合水溶液在混凝土孔隙中反应生成的凝胶自身力学性能较差。

混合水溶液在混凝土孔隙中反应生成的凝胶，因是从无固体组织的溶液态直接反应而成，凝胶就缺少固体骨架组织的支撑，导致凝胶自身的力学性能较差，造成凝胶层的抗渗压比低，抵御混凝土变形的能力小，不利于混凝土结构防护。

3、凝胶层的孔型结构差。

由于凝胶缺少固体骨架组织，使凝胶层的孔型结构差、孔径较大、孔的分散度小，导致凝胶层的比表面积较小，表面吸附能较小，造成凝胶层对气态水及腐蚀介质的吸附能力变差，凝胶层对混凝土保护能力较低。

4、混合水溶液对混凝土的保护不全面。

混合水溶液对混凝土的保护，仅能通过凝胶固定混凝土中易受侵蚀的组分之一Ca(OH)₂的Ca²⁺离子，进行对混凝土保护的。但是，对于全面保护混凝土结构来说，Ca(OH)₂只是混凝土中易被侵蚀的一个组份，混凝土中还有很多组份同样易被腐蚀介质侵蚀。如：混凝土中水泥熟料矿物C₃A(3CaO·SiO₂)的水化产物水化铝酸钙(4CaO·Al₂O₃·19H₂O)和水化单铝酸钙(3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O)都容易被硫酸盐腐蚀，对混凝土产生膨胀性破坏；C-S-H(3CaO·2SiO₂·3H₂O)是可碳化物质，易被CO₂腐蚀，对混凝土产生中性化破坏等等。由于混合水溶液对混凝土中同样易受腐蚀介质侵蚀的其它组份无保护作用，腐蚀介质照样可以侵蚀混凝土中的其它未受保护的易侵蚀组分，腐蚀混凝土。所以，混合水溶液对于综合提高混凝土结构抵御腐蚀介质的侵蚀能力来讲，保护是不全面的。

5、凝胶层自身无抗冻融性能。

对于混凝土的冻融破坏，混合水溶液通过保持混凝土内部相对干燥，达到抗冻融破坏目的的。但是，由于凝胶层自身的多孔性具有毛细吸水作用，在冰点时，吸水后的凝胶自身也会产生冰冻，而使混凝土的凝胶层产生冻融破坏，失去对混凝土的保护作用。所以，混合水溶液只能防止在混凝土内部产生的冻融破坏，而不能防止混凝土凝胶层自身产生的冻融破坏。但混凝土产生冻融破坏一般都是由表及里发生的，所以，混合水溶液的抗冻融性能较差。

发明内容

本发明的目的就是针对混合水溶液在混凝土结构防护上存在的上述问题，为了更全面、有效的保护混凝土，提高混凝土结构耐久性，本发明设计研发了一种混凝土防护溶胶。

本发明的混凝土防护溶胶主要由硅酸钠和硅酸钾水组成，其特征在于所述硅酸钠和硅酸钾为直径：1～100nm的超细固体粒子，硅酸钠和硅酸钾的比例为3.2～4.2:1，溶胶中超细固体粒子的总量和水总量的重量比是26～30％:74～70％。其中硅酸钠和硅酸钾的成份比例分别为：

硅酸钠重量比 SiO₂:Na₂O＝3.20～3.40

摩尔比 SiO₂:Na₂O＝3.30～3.50

硅酸钾重量比 SiO₂:K₂O＝2.10～2.30

摩尔比 SiO₂:K₂O＝3.20～3.25

本发明的混凝土防护溶胶的主要物化指标：

溶解度：350g/100g(20℃) 沸点：100℃

密度：1.13±0.03/20℃(g/ml) 粘度：1-5CPS/20℃

pH值：11.4 固体粒子直径：1～100nm

本发明的混凝土防护溶胶的优点

本发明的混凝土防护溶胶，针对混凝土结构因外部环境中普遍存在的各类腐蚀性介质的侵蚀和自身材料性能劣化而引发的病害所造成的混凝土结构工作性、安全性下降、耐久性降低等问题，以对混凝土结构形成整体隔离层---整体隔离混凝土外部环境中腐蚀介质及水的侵蚀和局部隔离层---局部隔离保护混凝土内部易受侵蚀组份的双重隔离保护为基础，利用溶胶、凝胶特性的有机结合并共同作用，抑止腐蚀介质的进入和侵蚀，实现对混凝土结构长期稳定的有效防护，提高混凝土结构的耐久性，延长其实际使用寿命，减少后期大量维修、维护费用的二次投入。

本发明的混凝土防护溶胶从根本上改变了“溶液”型材料的性质，把离子态的溶液改进为由超细固体粒子高度分散而成的溶胶，使得在混凝土毛细孔中和水化产物发生化学反应的主体由离子改变为超细固体粒子。

具体实施方式

采用纳米科学技术，将硅酸钠和硅酸钾制造成为直径：1～100nm的超细固体粒子，其中硅酸钠和硅酸钾的成份比例分别为：

硅酸钠重量比 SiO₂:Na₂O＝3.20～3.40

摩尔比 SiO₂:Na₂O＝3.30～3.50

硅酸钾重量比 SiO₂:K₂O＝2.10～2.30

摩尔比 SiO₂:K₂O＝3.20～3.25

将超细固体粒子的硅酸钠和硅酸钾以3.2～4.2:1的比例，在分散介质水中分散与水混合使超细固体粒子的硅酸钠和硅酸钾高度分散于水中成为溶胶，其中超细固体粒子的总量和水总量的重量比是26～30％:74～70％。

具体实施例：制作200Kg混凝土防护溶胶。

1、分别取直径为1～100nm的硅酸钠和硅酸钾超细固体粒子原料，按硅酸钠和硅酸钾重量比3.2～4.2:1配置成26～30公斤混合料；

硅酸钠:硅酸钾＝19.81～24.23:5.0～7.14(单位：公斤)

2、在混合料中加入70～74公斤净水；

3、常温、常压下经约一小时充分搅拌；

4、将搅拌后的混合液用3μm分子筛过滤，得到100公斤2倍的浓缩溶胶；

5、将2倍的浓缩溶胶按1:1兑水稀释后得200Kg混凝土防护溶胶。

该溶胶具有以下主要物化指标：

溶解度：350g/100g(20℃) 沸点：100℃

密度：1.13±0.03/20℃(g/ml) 粘度：1-5CPS/20℃

pH值：11.4 固体粒子直径：1～100nm

该溶胶的特点：

1、混凝土防护溶胶采用纳米科学技术，把材料粒子的分散度提高到直径为1～100nm的纳米程度，纳米化改变了原来材料的分子和原子结构，使超细粒子产生表面效应和体效应，而表面效应和体效应又赋予了超细粒子不同于原来材料性质的新的化学和物理特性，使超细固体粒子具有极大的比表面积、优良的化学反应活性、熔点低、磁性强等特性。

2、把直径为1～100nm分散相的超细固体粒子在分散介质水中分散，得到溶胶(sol)型混凝土防护材料。溶胶型材料具有扩散(diffusion)、布朗(Brown)运动和沉降(sedimentation)、电动现象(electrokinetic phenomena)等特性，使溶胶中的超细固体粒子符合分子运动理论，并具有动力学相对稳定性和高度分散性。

3、溶胶和水泥水化产物反应生成的凝胶，是由化学键联结刚性质点组成三维网状骨架组织的刚性凝胶(rigidgel)，结构非常稳定，即使脱水干燥后再置水加热也不可能逆转成产生此凝胶的溶胶，是不可逆凝胶。刚性凝胶具有一定的几何外形，显示出固体的力学性质，体现为有一定的强度、弹性和屈服值等。

将上述混凝土防护溶胶涂于混凝土结构表面，其应用优点为：

1、混凝土防护溶胶具有在混凝土内发生反应的优良化学反应活性

由于材料中超细粒子表面的原子数和总原子数之比随粒子直径的变小而急剧增加，超细粒子就产生表面效应；同时由于超细粒子表面原子数增加，粒子内包含的原子数减少，使能带中能级间隔加大，并影响其电子行为，超细粒子就产生体效应。表面效应和体效应使混凝土防护溶胶具有优良的化学反应活性，有利于凝胶保护层的生成。

2、混凝土防护溶胶具有在混凝土内发生反应的延缓性

混凝土防护溶胶的配方技术能保证材料在混凝土内和水化产物发生反应的时刻能迟缓于材料的渗透时间，这就能保证材料在混凝土内能达到最大渗透深度，有利于增加混凝土凝胶保护层的保护厚度。

3、混凝土防护溶胶具有在混凝土内发生反应的一致性

由溶胶的动力学相对稳定性和高度分散等特性所决定，材料在混凝土中能发生相同质量的化学反应，有利于生成等质量的凝胶保护层。

4、混凝土防护溶胶所生成凝胶保护层的优点：

混凝土防护溶胶由直径在1～100nm之间的多分散相粒子组成，其中不同直径的粒子，在混凝土孔隙内和水泥水化产物发生反应形成凝胶时分别起着不同的作用。其中，以大粒子为主，在反应中形成具有刚性的三维网状骨架，使凝胶层具有一定的几何外形，显示出固体的力学性质，如具有一定的强度、弹性和屈服值等；中粒子、小粒子在三维网状骨架和孔隙壁间紧密堆积，填充空隙，作为三维网状骨架在孔隙内的延伸，减小凝胶层的大孔隙率，密实凝胶层；反应生成的水化硅酸钙凝胶则通过化学键包裹各种粒子的表面和孔隙壁，并把各种粒子和孔隙壁黏结在一起，形成结构非常稳定、具有不可逆性和固体的力学性质的凝胶层。通过水化硅酸钙凝胶和不同直径的粒子及混凝土的孔隙壁的有机结合，使凝胶层具有很好的孔型结构和很大的孔分散度，比表面积很大，具有优良的表面吸附能。

5、混凝土防护溶胶具有的双重隔离防护优点

5.1、凝胶形成对混凝土的整体隔离保护层

混凝土防护溶胶在混凝土毛细孔和缝隙中反应生成的凝胶，堵塞了毛细孔和缝隙，提高了混凝土的密实度，有效的阻止了外部环境中气态或液态的水进入混凝土，形成了对混凝土的整体隔离层。由于存在于毛细孔和缝隙中的凝胶是由极细凝胶孔组成的刚性网状物质，具有极大比表面积，从而表现出很强的吸附能力。

当凝胶处于干燥状态，外部环境中的气态水进入混凝土孔隙时，凝胶把气态水吸附在凝胶层中，使混凝土凝胶层内的孔隙不能形成孔隙水膜，阻断了腐蚀介质在孔隙水膜中迁移扩散进入混凝土的途径。随着凝胶吸附气态水量的增加，达到凝胶密闭凝胶孔所需的量时，凝胶密闭混凝土孔隙，把外部环境中的气态水，彻底阻断在混凝土之外。

当外部环境中的液态水进入混凝土孔隙时，凝胶吸附液态水充盈微膨胀后密闭凝胶孔，阻止后续液态水的继续进入，把外部环境中的液态水，也彻底阻断在混凝土之外。

混凝土防护溶胶反应后生成的凝胶具有固体力学性质，通过化学键和混凝土孔隙内壁形成一体，稳定的存在于混凝土孔隙中。所以凝胶层具有较高的抗渗压比，体现出混凝土凝胶隔离层的可靠性。

混凝土防护溶胶能够可靠、有效的阻止气态或液态水进入混凝土，使混凝土凝胶层内部在不同的水环境条件下，始终保持干燥状态，腐蚀介质既不能以气态或液态水为载体进入混凝土内部，也没有发生腐蚀反应所必须具备的水和固-液界面的条件存在，破坏了混凝土发生腐蚀反应的一个必要条件，从对混凝土整体隔离防护的角度做到了对混凝土的保护。

5.2、凝胶形成对易侵蚀组分的局部隔离层

混凝土防护溶胶在和混凝土毛细孔和缝隙中的Ca(OH)₂发生化学反应后，生成水化硅酸钙凝胶。凝胶一方面把混凝土孔隙中已溶解游离的Ca(OH)₂作为凝胶的组分，通过凝胶保护起来；另一方面，反应生成的水化硅酸钙凝胶通过化学键包裹各种粒子的表面和孔隙壁，包裹作用使孔隙壁上易于被侵蚀的含铝化合物表面形成一层保护膜，保护膜随着时间的推移、反应的继续而不断增厚、致密，形成含铝化合物表面的保护外壳。在此情况下，即使有外部腐蚀介质能进入混凝土孔隙，或者混凝土内部其它添加成份分解出的腐蚀介质，也会因Ca(OH)₂和含铝化合物表面被凝胶保护膜保护而失去侵蚀反应的对象，使侵蚀反应无条件进行，保护膜形成了对混凝土内部易侵蚀组份的局部隔离层。混凝土内的局部隔离层破坏了混凝土发生腐蚀反应的另一个必要条件，从对混凝土内部易侵蚀组份局部隔离的角度做到了对混凝土的保护。

混凝土结构在混凝土防护溶胶的整体隔离外部腐蚀介质及水和局部隔离混凝土内部易侵蚀组份的双重保护下，腐蚀介质因为1、不能以气态或液态水作为载体进入混凝土；2、混凝土内无侵蚀对象；3、混凝土内部干燥无发生侵蚀反应的条件，从而大大减少了对混凝土结构侵蚀破坏的可能性，或者大大减缓了腐蚀介质对混凝土结构的侵蚀速率，使混凝土能在保持原始高碱度(PH>11.5)的基础上，增加对腐蚀介质的综合防护能力，提高混凝土结构的耐久性。

6、混凝土防护溶胶具有凝胶层自身抗冻融破坏的优点

混凝土防护溶胶在混凝土内生成的凝胶保护层，是由刚性质点为三维网状骨架，并是由凝胶孔组成的多孔性物质。凝胶密实了混凝土，把混凝土中的较大毛细孔密实为极细毛细孔和凝胶孔。当被凝胶层密实后的混凝土遇水进入时，凝胶层吸附初始进入的水后，其三维刚性骨架产生微膨胀，变成致密的湿润凝胶，堵塞了外部后续水继续进入混凝土的通道，使得混凝土内部在凝胶层的保护下，始终保持干燥状态，破坏了混凝土产生冻融破坏所需水饱和的必要条件。

另一方面，在混凝土毛细孔里反应生成的凝胶，是由凝胶孔组成的多孔凝胶层。多孔凝胶大大减小了混凝土毛细孔的直径，使进入凝胶孔中的水，仅能以水分子的形式物理吸附于凝胶孔的孔壁表面。随着混凝土毛细孔直径大幅度减小为凝胶孔径，凝胶层内吸附水的冰点也随之大幅度降低，成为不冻水层。

混凝土防护溶胶使混凝土的内部和凝胶层都失去冰冻条件，有效抵御了冻融对混凝土结构的破坏。

Claims

1.一种混凝土防护溶胶，由硅酸钠、硅酸钾和水组成，其特征在于所述硅酸钠和硅酸钾为直径：1～100nm的超细固体粒子，硅酸钠和硅酸钾的比例是3.2～4.2∶1，在分散介质水中高度分散超细固体粒子的硅酸钠和硅酸钾成为溶胶，溶胶中超细固体粒子的总量和水总量的重量比是26～30％∶74～70％，其中所述硅酸钠成份比例为：

重量比SiO₂∶Na₂O＝3.20～3.40；

所述硅酸钾的成份比例为：重量比SiO₂∶K₂O＝2.10～2.30。