CN104030727A - 水泥基材料表面渗透防护剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥基材料表面渗透防护剂及其制备方法，目的在于提供一种与现有表面涂装材料和表面硬化剂完全不同的水泥基材料表面渗透防护剂及其制备方法，其包括如下重量百分比的组分：母料30%-60%，复合硅烷30%-60%，有机溶剂1%-40%，添加剂0%-10%。本发明的渗透防护剂以提高水泥基材料表面防护性能、增强水泥基材料耐久性能为主，能显著增强水泥基材料的抗有害离子侵蚀能力，另外还可以提高抗玷污性、抗盐霜、耐磨、保温、防水等性能，同时其可以降低水泥基材料表面粉化、脱落、冻裂、剥蚀等表面缺陷，对于提高水泥基材料在使用寿命期间的安全性，减少后期维修、加固费用，实现水泥基材料的长期利用具有重要意义，具有极高的应用价值和广阔的市场应用前景。

Description

水泥基材料表面渗透防护剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料保护领域，具体为水泥基材料表面渗透防护剂及其制备方法。

背景技术

水泥基材料包括水泥混凝土、水泥砂浆、泡沫混凝土、加气混凝土等，其不仅是目前建筑、土木、水利、交通等领域最重要的主体结构材料，也是建筑物、构筑物及相关土木工程中最重要的保温、维护、抹面、砌筑材料，在国民经济中具有极其重要的地位。

随着目前我国基本建设的全面开展，后期的结构维护、修补等问题将会日益突出。因此，对于水泥基材料进行有效防护，对于延长其使用寿命具有重要的现实意义。通过对水泥基材料的有效防护，不仅可以保证水泥基建、构筑物或是保温、维护材料在使用寿命期间的安全性，而且能大大减少后期的维修、加固费用，符合可持续发展的要求。

目前，用于水泥基材料表面处理的材料主要包括表面涂装材料和表面硬化剂，这两类材料主要通过在水泥基材料表面附加一层硬质附着层，从而达到提高其耐磨、耐候或装饰目的。这两类材料主要包括厚浆型涂层和涂覆层两种类型，其能封闭水泥基材料表面孔隙和微裂缝，起到较高的增强和密封作用。其中，厚浆型涂层用于混凝土表面，且干燥厚度在0.25mm～0.75mm之间。厚浆型涂层会改变原有水泥基材料表面外观形状，可能会着色或会遮盖水泥基材料表面的污染物，且许多这类材料会受紫外线的影响，在表面受磨时会发生磨耗。涂覆层一般指粘结在水泥基材料表面上且厚度为6mm或大于6mm的材料，涂覆层可以采用浇注、抹平、刮平、喷洒等方式分单层或多层施工于基材表面。同时，还可以采用一些附加增强构件，如焊接金属织物、钢筋或纤维等，对涂覆层进行增强。

现有用于水泥基材料表面具有防护作用的材料，如涂层防护材料和表面封闭防护材料，由于采取厚质涂层路线，故普遍存在由于封闭表层孔隙而造成的内部水分无法排出，而导致的保温性能、粘接性能方面的一系列问题，另外还存在着色等缺陷。本发明的目的在于采用表面渗透的处理方式，实现水泥基材料表层结构整体增强作用，防护处理后的水泥基材料不仅耐久性能得到提高，抗劣化能力和保温效果得到改善，还可以有效地解决表面粉化、微裂缝、脱落等表面缺陷，对水泥基材料的表观也具有一定地改善效果，可在一般自然环境条件下作为水泥基表面防护材料，在苛刻环境条件下则可作为防腐的底涂和中涂材料。

本发明提供一种水泥基材料表面渗透防护剂及其制备方法。

发明内容

水泥基材料从微观结构来看，其孔结构可分为三类：超微孔、凝胶孔和毛细孔。造成水泥基材料渗透的主要为1.6nm以上的毛细孔和大孔，正是由于毛细孔和大孔的存在，使得水泥基材料具有非均质多孔结构及高渗透性特点。水泥基材料中的液体渗透可简化为一种在多孔固体中液体流动的渗流模型，可通过Darcy定律来描述，气体渗透满足Fick定律，侵蚀系数与渗透时间呈开方线性关系。由此可以看出，水泥基材料很易受使用环境的物理、化学及微生物等的作用而劣化。从材料耐久性的破坏机制来讲，几乎所有影响水泥基材料耐久性的化学和物理过程都涉及两个主要的影响因素，即水及水载有害离子在孔隙和裂缝中的迁移。Taylor HFW 认为水泥基材料的耐久性在大多数情况下，是由它们作为坚实的屏障而有效阻止或至少是降低离子迁移进程决定的。通过Powers提出的静水压假说和渗透压假说，和P K Mehta的理论都说明，渗透性对水泥基材料的耐久性具有最重要的影响，常见的耐久性病害基本都和水的作用息息相关，如：中性化、冻裂、剥蚀、硫酸根离子侵蚀、氯离子侵蚀、酸雨腐蚀、生物侵蚀、盐霜、碱-集料反应、工业环境下酸碱腐蚀等都是通过水载有害物质，包括CO₂、SO₃、O₂、SO₄ ^2-和Cl^-，进行侵蚀。

发明人通过对水泥基材料的长期研究和探索，得到了前述结论，并提供一种与现有表面涂装材料和表面硬化剂完全不同的水泥基材料表面渗透防护剂及其制备方法。本发明的渗透防护剂以提高水泥基材料表面防护性能、增强水泥基材料耐久性能为主，能显著增强水泥基材料的耐磨、保温、防水性能，同时其还能提高水泥基材料抗玷污性、抗盐霜、表面粉化、微裂缝、脱落、冻裂、剥蚀等表面缺陷，对于保证以水泥作为主要胶凝材料的建筑物、构筑物、土木工程、保温材料、维护材料等在使用寿命期间的安全性，减少后期维修、加固费用，实现水泥基材料的长期利用具有重要意义，符合可持续发展的要求，具有极高的应用价值和广阔的市场应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

水泥基材料表面渗透防护剂，包括如下重量百分比的组分：

母料 30%-60%，

复合硅烷 30%-60%，

有机溶剂 1%-40%，

添加剂 0%-10%；

所述母料为聚硅氧烷，所述聚硅氧烷为甲基硅油、乙基硅油、苯基硅油、甲基含氢硅油、甲基苯基硅油、甲基氯苯基硅油、甲基乙氧基硅油、甲基三氟丙基硅油、甲基乙烯基硅油、甲基羟基硅油、乙基含氢硅油、羟基含氢硅油、含氰硅油中的一种或多种；

所述复合硅烷为两种或是两种以上的封端硅烷的混合物，所述封端硅烷的化学结构式为YSiX₃，其中，Y为氨基、烯基、环氧基、甲基丙烯酰氧基、巯基、脲基、C1-C10的烷基中的一种，X为烷氧基或乙酰氧基，所述烷氧基为甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基或甲氧基乙氧基；

所述添加剂为有机胺、有机锡、重金属稳定剂中的一种或多种；

所述有机胺为己胺、乙二胺、己二胺、三丙胺、二异丁胺、二亚乙基三胺、三乙胺、三乙烯四胺中的一种或多种；

所述有机锡为辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡、二醋酸二丁基锡、二(十二烷硫基)二丁基锡中的一种或多种。

所述重金属稳定剂为铜、铅、锌、锡、镍、钴、锑、汞、镉、铬、锰、铁、铂、铋、铜盐、铅盐、锌盐、锡盐、镍盐、钴盐、锑盐、汞盐、镉盐、铋盐、钼酸铬、钼酸锰、钼酸铁中的一种或多种。

所述有机溶剂为醇类溶剂、四氯化碳、汽油、二氯甲烷、苯、二甲苯、苯酚、丙酮中的一种或多种。

所述醇类溶剂为碳原子数为1-12的醇。即醇类溶剂为C1-C12的醇。

所述醇类溶剂为甲醇、乙醇、正丁醇、异丙醇、异戊醇、特戊醇中的一种或多种。

前述水泥基材料表面渗透防护剂的制备方法，包括如下步骤：

（1）在室温下，将复合硅烷混合均匀，得组分一；

（2）将添加剂加入有机溶剂中，得组分二，将组分二缓慢加入聚硅氧烷中，制成组分三；

（3）将组分一加入组分三中，搅拌均匀，冷却后，即得产品。

所述步骤3中，搅拌时的温度为10℃-30℃。

与传统表面处理材料不同，本发明提供一种水泥基材料表面渗透防护剂，其主要通过渗透方式增强防护性能，本发明渗入后在水泥基材料表层形成渗透防护疏水层，这种渗透防护疏水层并不封闭水泥基材料表层孔隙，也不影响水泥基材料表层的气体通过性能。本发明的主要防护机理是利用水泥基材料具备的多孔多相的特性，根据水泥基材料劣化和耐久性下降均始于表面且基本都与水载有害物质侵蚀密切相关的特点，通过表面渗透来增强表面性能，达到防护效果，本发明通过强化表层3mm~8mm厚的表层孔结构，实现抗水载有害物质为主的抗侵蚀防护效果，进而提高水泥基材料的耐久性能。由于经本发明防护后的水泥基材料表层孔结构得到了整体的增强和改善，因而经本发明的水泥基材料表面渗透防护剂处理后，不仅水泥基材料的抗劣化能力得到改善，还可以有效地解决水泥基材料表面粉化、微裂缝、脱落等表面缺陷，使水泥基材料的寿命得到显著延长。

本发明的渗透防护剂主要包括如下重量百分比的组分：30%-60%的聚硅氧烷，30%-60%的复合硅烷，1%-40%的有机溶剂，0%-10%的添加剂。其中，聚硅氧烷为甲基硅油、乙基硅油、苯基硅油、甲基含氢硅油、甲基苯基硅油、甲基氯苯基硅油、甲基乙氧基硅油、甲基三氟丙基硅油、甲基乙烯基硅油、甲基羟基硅油、乙基含氢硅油、羟基含氢硅油、含氰硅油中的一种或多种。复合硅烷由两种以上（包括两种）的封端硅烷混合而成，其中，封端硅烷的化学结构式为YSiX₃，其中，Y为官能团，且Y为氨基、烯基、环氧基、甲基丙烯酰氧基、巯基、脲基、C1-C10的烷基中的一种，X为烷氧基或乙酰氧基，烷氧基为甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基或甲氧基乙氧基，即X可以为甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基、甲氧基乙氧基或乙酰氧基。

本发明主要依据渗透性对水泥混凝土、水泥砂浆、水泥基保温和维护材料等水泥基材料耐久性的重要的影响，通过两种以上的封端硅烷复配，形成复合硅烷，通过母料、复合硅烷、有机溶剂、添加剂之间的相互配合，形成表面渗透防护剂，该表面渗透防护剂通过表面渗透的方式增强既有水泥基工程表面的防护性能，达到提高耐久性的目的。其中，添加剂是优选组分，本发明的添加剂为固化剂和/或稳定剂，有机锡具有固化剂、稳定剂的双重效果，有机胺在本发明中主要起固化剂的作用，重金属主要起稳定剂的作用。

本发明不仅可用于水泥基保温材料、水泥基维护结构材料、清水混凝土、混凝土电力支座、输排水管道、既有混凝土建筑、桥梁隧道等土木工程的表面防护，还可用于石刻文物保护、夯土古建筑保护等方面。本发明的渗透防护剂是一种溶剂型渗透防护材料，在进行防护处理前，水泥基材需要进行充分清理、去污、干燥等程序，然后将本发明均匀喷撒在水泥基材料表面，待渗透、干燥后，可实现防护效果。

本发明的渗透防护剂经涂刷或喷涂在既有水泥基工程表面，经充分渗透、干燥后，可形成具有“荷叶”的超防水效果，能够改善和增强既有水泥基材料表层孔结构，提高水泥基材料以抗水性、抗有害离子侵蚀性、抗碳化、抗冻性、抗生物侵蚀性、耐磨性、抗玷污性以及抗盐霜等为主的耐久性能，具有防护效果好、使用寿命长的特点，同时，本发明还可以提高保温、防水性能，并能有效地解决水泥基材料表面粉化、微裂缝、脱落、冻裂、剥蚀等表面缺陷。

综上，本发明能够对水泥基材料进行有效地表面增强防护，以减缓环境中的有害离子对水泥基材料的侵蚀，维护其长期性能，这不仅可以保证水泥基建、构筑物在使用寿命期间的安全性，还能大大减少后期的维修、加固费用，对于保证并提高工程结构的耐久性、保温性，延长其使用寿命，具有重要的现实意义。

通过表面渗透以达到提高水泥基材料耐久性的防护材料还是空白，其对于水泥基材料耐久性、保温性等综合性能的提升，可实现社会效益和经济效益双重效果，将是未来解决增强既有水泥基工程耐久性的一种积极、有效的新途径，具有广阔的发展前景。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明实施例中，水泥基材料表面渗透防护剂的使用方法如下：先将水泥基材表面进行充分清理、去污、干燥后，将水泥基材料表面渗透防护剂均匀喷撒在水泥基材料表面，待充分渗透、干燥后，可实现防护效果。

实施例1

按如下配比称取各组分：40kg乙基硅油，25kg(3-环氧丙氧基丙基)甲基二乙氧基硅烷，25kg(3-环氧丙氧基丙基)三乙氧基硅烷，9kg乙醇，1kg乙二胺。

在20℃条件下，先将复合硅烷按照比例混合均匀，得组分一。将添加剂加入醇类溶剂中，得组分二。将组分二徐徐加入聚硅氧烷，得组分三。然后，在常温下，边机械搅拌边缓慢将组分一加入组分三中，均匀搅拌30分钟，出料。

将本实施例的渗透防护剂喷涂于800容重级泡沫混凝土（即泡沫混凝土的密度为800kg/m³）表面。经测定，24h吸水率降低15.3倍。

实施例2

按如下配比称取各组分：45kg甲基氯苯基硅油，20kg 3-氨基丙基三乙氧基硅烷，25kg3-丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷，5kg正丁醇，4kg异丙醇，1kg辛酸亚锡。

在室温下，先将复合硅烷按照比例混合均匀，得组分一。将添加剂加入醇类溶剂中，得组分二。将组分二徐徐加入聚硅氧烷，得组分三。然后，在常温下，边机械搅拌边缓慢将组分一加入组分三中，充分搅拌均匀，出料。

将本实施例的渗透防护剂喷涂于清水混凝土桥墩表面，24h吸水率降低5.12倍。

实施例3

按如下配比称取各组分：45kg苯基硅油，15kgN-2氨乙基-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷，30kg3-脲基丙基三乙氧基硅烷，9.6kg乙醇，0.4kg己二胺。

在室温下，先将复合硅烷按照比例混合均匀，得组分一。将添加剂加入醇类溶剂中，得组分二。将组分二徐徐加入聚硅氧烷，得组分三。然后，在常温下，边机械搅拌边缓慢将组分一加入组分三中，充分搅拌均匀，出料。

将本实施例的渗透防护剂喷涂于水泥砂浆表面。经测定，24h吸水率比：8.8%；热处理后1h吸水率：0.12%；低温处理后1h吸水率：0.54%；紫外线处理后1h吸水率，0.17%；酸处理后1h吸水率，0.51%；碱处理后1h吸水率，0.26%；耐温变，0.39%。

实施例4

按如下配比称取各组分：60kg甲基硅油，10kgN-2氨乙基-3-氨丙基三甲氧基硅烷，20kg(3-环氧丙氧基丙基)三乙氧基硅烷，9kg乙醇，1kg二醋酸二丁基锡。

在20℃条件下，先将复合硅烷按照比例混合均匀，得组分一。将添加剂加入醇类溶剂中，得组分二。将组分二徐徐加入聚硅氧烷，得组分三。然后，在常温下，边机械搅拌边缓慢将组分一加入组分三中，均匀搅拌50分钟，出料。

将本实施例的渗透防护剂喷涂于400容重级泡沫混凝土（即泡沫混凝土的密度为800kg/m³）表面。经测定，24h吸水率降低13.2倍。

实施例5

按如下配比称取各组分：50kg甲基乙氧基硅油，15kg(3-环氧丙氧基丙基)三甲氧基硅烷，15kg乙烯基三乙氧基硅烷，10kg二甲苯，6kg三丙胺，4kg二月桂酸二丁基锡。

在室温下，先将复合硅烷按照比例混合均匀，得组分一。将添加剂加入醇类溶剂中，得组分二。将组分二徐徐加入聚硅氧烷，得组分三。然后，在常温下，边机械搅拌边缓慢将组分一加入组分三中，充分搅拌均匀，出料。

将本实施例的渗透防护剂喷涂于400容重级泡沫混凝土表面。经测定，24h吸水率降低13.6倍。

实施例6

按如下配比称取各组分：35kg甲基三氟丙基硅油，20kg乙烯基三甲氧基硅烷，20kg乙烯基三乙氧基硅烷，20kg四氯化碳，5kg二(十二烷基硫)二丁基锡。

在25℃条件下，先将复合硅烷按照比例混合均匀，得组分一。将添加剂加入醇类溶剂中，得组分二。将组分二徐徐加入聚硅氧烷，得组分三。然后，在常温下，边机械搅拌边缓慢将组分一加入组分三中，均匀搅拌30分钟，出料。

将本实施例的渗透防护剂喷涂于500容重级泡沫混凝土表面。经测定，24h吸水率降低13.3倍。

实施例7

按如下配比称取各组分：40kg甲基乙烯基硅油，30kgN-2-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷，20kg 3-丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷，8kg苯，2kg二异丁胺。

在20℃条件下，先将复合硅烷按照比例混合均匀，得组分一。将添加剂加入醇类溶剂中，得组分二。将组分二徐徐加入聚硅氧烷，得组分三。然后，在常温下，边机械搅拌边缓慢将组分一加入组分三中，均匀搅拌30分钟，出料。

将本实施例的渗透防护剂喷涂于300容重级泡沫混凝土表面。经测定，24h吸水率降低12.7倍。

实施例8

按如下配比称取各组分：55kg甲基苯基硅油，25kg3-巯基丙基甲基二甲氧基硅烷， 5kg 3-氨丙基三乙氧基硅烷，10kg正丁醇，2kg钼酸铬，3kg硝酸镍。

在20℃条件下，先将复合硅烷按照比例混合均匀，得组分一。将添加剂加入醇类溶剂中，得组分二。将组分二徐徐加入聚硅氧烷，得组分三。然后，在常温下，边机械搅拌边缓慢将组分一加入组分三中，均匀搅拌30分钟，出料。

将本实施例的渗透防护剂喷涂于800容重级泡沫混凝土表面。经测定，24h吸水率降低14.5倍。

实施例9

按如下配比称取各组分：40kg甲基苯基硅油，40kg乙烯基三氯硅烷，5kg 3-氨丙基三乙氧基硅烷，15kg乙醇。

在室温下，先将复合硅烷按照比例混合均匀，得组分一。将添加剂加入醇类溶剂中，得组分二。将组分二徐徐加入聚硅氧烷，得组分三。然后，在常温下，边机械搅拌边缓慢将组分一加入组分三中，充分搅拌均匀，出料。

将本实施例的渗透防护剂喷涂于600容重级泡沫混凝土表面。经测定，24h吸水率降低13.5倍。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.水泥基材料表面渗透防护剂，其特征在于，包括如下重量百分比的组分：

母料 30%-60%，

复合硅烷 30%-60%，

有机溶剂 1%-40%，

添加剂 0%-10%；

所述母料为聚硅氧烷，所述聚硅氧烷是甲基硅油、乙基硅油、苯基硅油、甲基含氢硅油、甲基苯基硅油、甲基氯苯基硅油、甲基乙氧基硅油、甲基三氟丙基硅油、甲基乙烯基硅油、甲基羟基硅油、乙基含氢硅油、羟基含氢硅油、含氰硅油中的一种或多种；

所述复合硅烷为两种或两种以上的封端硅烷的混合物，所述封端硅烷的化学结构式为YSiX₃，其中，Y为C1-C10的烷基、氨基、烯基、环氧基、甲基丙烯酰氧基、巯基、脲基中的一种，X为烷氧基或乙酰氧基，所述烷氧基为甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基或甲氧基乙氧基；

所述添加剂为有机胺、有机锡、重金属稳定剂中的一种或多种；

所述有机胺为己胺、乙二胺、己二胺、三丙胺、二异丁胺、二亚乙基三胺、三乙胺、三乙烯四胺中的一种或多种；

所述有机锡为辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡、二醋酸二丁基锡、二(十二烷硫基)二丁基锡中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述水泥基材料表面渗透防护剂，其特征在于，所述重金属稳定剂为铜、铅、锌、锡、镍、钴、锑、汞、镉、铬、锰、铁、铂、铋、铜盐、铅盐、锌盐、锡盐、镍盐、钴盐、锑盐、汞盐、镉盐、铋盐、钼酸铬、钼酸锰、钼酸铁中的一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述水泥基材料表面渗透防护剂，其特征在于，所述有机溶剂为醇类溶剂、四氯化碳、汽油、二氯甲烷、苯、二甲苯、苯酚、丙酮中的一种或多种。

4.根据权利要求1-3任一项所述水泥基材料表面渗透防护剂，其特征在于，所述醇类溶剂为碳原子数为1-12的醇。

5.根据权利要求4任一项所述水泥基材料表面渗透防护剂，其特征在于，所述醇类溶剂为甲醇、乙醇、正丁醇、异丙醇、异戊醇、特戊醇中的一种或多种。

6.根据权利要求1-5任一项所述水泥基材料表面渗透防护剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在室温下，将复合硅烷混合均匀，得组分一；

（2）将添加剂加入有机溶剂中，得组分二，将组分二缓慢加入聚硅氧烷中，制成组分三；

（3）将组分一加入组分三中，搅拌均匀，冷却后，即得产品。

7.根据权利要求6所述水泥基材料表面渗透防护剂的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，搅拌时的温度为10℃-30℃。