CN110655417A - 一种复合纳米材料防护剂及其对混凝土表面进行防护的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合纳米材料防护剂及其对混凝土表面进行防护的方法。本发明中的复合纳米材料防护剂是由正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂组成。本发明提出一种“先堵后封”的施工工艺，利用正硅酸乙酯防护剂填充混凝土表层孔隙以及通过硅烷防护剂形成憎水层，使得混凝土表层吸水率大幅降低，抵抗有害介质侵蚀的能力大幅提升，进一步提高了结构的耐久性能。

Description

一种复合纳米材料防护剂及其对混凝土表面进行防护的方法
技术领域
本发明涉及一种复合纳米材料防护剂及其对混凝土表面进行防护的方法，属于建筑材料技术领域。
背景技术
近些年来，我国基础建设工程得到快速发展，而混凝土作为一种多孔材料，表面存在大量的孔隙，其抗渗透性能较差，因此，为保证这些混凝土结构建筑物在使用年限内具有足够的安全性能以及耐久性能，必须要提高混凝土结构表层的抗渗透性能。
提高混凝土抗渗透性能的一个有效措施是在其表面涂刷防护涂层，现在施工过程中常用的表面防护材料有环氧树脂防护剂、硅烷防护剂以及近些年兴起的纳米防护剂，这三种材料虽然可以在一定程度上保护混凝土结构，但依然存在不足之处。
环氧树脂防护剂，它是通过在结构表面自身成膜来阻止外界水分以及有害介质渗入，这种材料虽然防护效果以及与结构表层的粘附性能较好，但是其成本较高，同时施工工艺相对复杂并且耐候性较差，长期暴露在光照环境下会加速老化，如变色、强度降低，甚至粉化、脱层等，因此很难做到大范围内的使用推广。硅烷防护剂由于其分子结构小而简单，因此可以深层渗透至混凝土毛细孔壁与水泥水化产物通过键合反应生成一层透气性憎水膜，进而起到防水抗渗效果，这种材料具有施工简便快捷，延长结构使用寿命并降低后续维修成本，保持混凝土自然外观以及表面光泽的特点，但成本较高并且混凝土表面一旦出现裂缝，水分或水汽进入，硅烷涂层基本失效，不能达到长期防护的效果。纳米防护剂是一种新型的防护材料，比如基于正硅酸乙酯(TEOS)的表层防护剂，它可以通过化学反应填充孔隙起到防水抗渗的作用，同时这种材料造价低廉施工简便快捷，每平米施工成本仅在20元左右，但是这种材料对于孔隙的填充程度有限。
中国专利文献CN101747085A公开了一种混凝土表面密封剂与施工方法，该混凝土表面密封剂配方组成及其质量分数为：纳米TiO2 4.5％，异丁基三乙氧基硅烷75％，纯水20.5％，该发明通过掺入微量活性催化剂，将纳米TiO2和异丁基三乙氧基硅烷在纯水中分散成胶体材料，并通过纳米TiO2的作用增强混凝土表面的抗污性和抗菌性，通过异丁基三乙氧基硅烷在混凝土表面形成一定厚度的保护膜，对混凝土进行持续保护。但是该专利使用了纳米TiO2并掺入活性催化剂，这使得成本大幅提升，工程经济实用性有限。中国专利文献CN103232267A公开了一种环保型混凝土表面防护用纳米级底渗层材料及其制备方法，该发明提供一种由无机纳米二氧化硅溶液、苯丙乳液纯丙乳液、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、门偏磷酸钠、磷酸三丁酯、以及硅酸丁酯、醋酸丁酯、甲基硅酸钠、丙烯酸酯、醋酸乙酯中的一种制成的纳米级底渗层材料；该发明能快速渗入混凝土内部一定深度，并与混凝土基材发生反应，封闭混凝土内部孔隙，且与表面防护层材料的粘结性能较佳，可保证混凝土防护体系在外界环境作用下与混凝土表面粘结牢固，延缓混凝土病害的发生。该专利虽然对混凝土抗渗性能有所提升，但是该防护材料含有8种组分，制备工艺相对复杂，不利于工程现场配置。
发明内容
针对现有技术的不足，尤其是针对目前工程所使用的表层防护材料存在的缺点以及单一防护材料进行防护成本偏高和防护效果有待提高的工程现状，本发明提供一种复合纳米材料防护剂及其对混凝土表面进行防护的方法，用以解决现有防护技术造价高、使用年限较短，防护效果有待提升的问题。本发明中的复合纳米材料防护剂由正硅酸乙酯(TEOS)防护剂和硅烷防护剂组成，在工程造价合理的前提下，采用“先堵后封”的方法大幅提高了防护效果。
本发明的技术方案如下：
一种复合纳米材料防护剂，包括正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂；
所述正硅酸乙酯防护剂由无水乙醇、水和正硅酸乙酯组成，所述的硅烷防护剂由异丁基三乙氧基硅烷和水组成。
本发明的复合纳米材料防护剂包括正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂两种防护剂成分，首先使用正硅酸乙酯防护剂喷涂在混凝土结构表层，正硅酸乙酯(TEOS)水解、聚缩反应生成大量纳米级SiO2，并与混凝土内部水化产物Ca(OH)2发生火山灰反应生成水化硅酸钙凝胶，填充结构表面孔隙，降低结构表面的吸水率以及水蒸气渗透系数。待正硅酸乙酯防护涂层充分反应后，在其表层喷涂硅烷防护剂，由于硅烷材料具有小分子结构，可以迅速穿透胶结性表面通过毛细孔扩散到混凝土内部，在孔隙中与水化剩余的水分子反应，形成聚硅氧烷互穿网络结构，通过牢固的化学键合反应，在孔隙内壁与裸露的混凝土表面形成透气性憎水膜，进一步降低了混凝土结构表面的渗透性能。本发明充分发挥了两种材料的功能特性，提高结构表层防水抗渗性能，保证了结构的使用耐久性能。
为了充分发挥正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂各自的最佳防水效果，实现二者最大范围的协同防水。本发明对正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂各自的组分进行优化配比，实现最佳防水效果。
根据本发明，优选的，所述的正硅酸乙酯防护剂的组分质量百分比为：
无水乙醇：50％～70％，水：12.5％～37.5％，正硅酸乙酯：12.5％～37.5％；
进一步优选，无水乙醇：50％～66％，水：12.5％～20％，正硅酸乙酯：20％～37.5％；
最优选，无水乙醇：50％，水：12.5％，正硅酸乙酯：37.5％；即：乙醇：水：正硅酸乙酯的质量比为4:1:3。
根据本发明，正硅酸乙酯防护剂中，由于正硅酸乙酯微溶于水，所以采用乙醇作为正硅酸乙酯的溶剂并为其水解提供催化环境。这种组成搭配更有利于喷涂在混凝土结构表层后正硅酸乙酯水解、聚缩反应。
根据本发明，优选的，所述的硅烷防护剂的组分质量百分比为：
异丁基三乙氧基硅烷：90％～99％，水：1％～10％；
进一步优选，异丁基三乙氧基硅烷：90％～95％，水：5％～10％；
最优选，异丁基三乙氧基硅烷：90.9％，水：9.1％。即：异丁基三乙氧基硅烷和水的质量比为10:1。
根据本发明，优选的，所述的正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂的用量搭配分别控制在200～400mL/m2和100～300mL/m2。
本发明的复合纳米材料防护剂对混凝土表面进行防护的方法是在现有技术的基础上改进得到的，可参考：JTJ275—2019《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》附录E。
根据本发明复合纳米材料防护剂的特点，优选的防护方法如下：
一种对混凝土表面进行防护的方法，包括使用本发明的复合纳米材料防护剂，步骤如下：
(1)对混凝土结构表层进行修补与清洁；
(2)待混凝土结构处于面干状态后喷涂正硅酸乙酯防护剂，每次喷涂用量为200-400mL/m2，喷涂2遍后密封养护3-12小时，洒水养护5-7天；
(3)养护结束后，喷涂硅烷防护剂，喷涂用量为100-300mL/m2，使被涂表面饱和溢流。
根据本发明优选的，步骤(2)中所述喷涂用量为200mL/m2。
根据本发明优选的，步骤(2)中所述密封养护的时间为6小时。
根据本发明优选的，步骤(3)中所述喷涂用量为200mL/m2。
根据本发明优选的，所述混凝土结构的龄期不小于28d。
根据本发明优选的，步骤(2)中喷涂正硅酸乙酯防护剂后使用塑料薄膜贴盖住，以防挥发；
进一步优选的，喷涂正硅酸乙酯防护剂过程中，以200mL/m2的用量从上至下，从左至右喷涂，喷上的部位立即用塑料薄膜贴盖住，以防挥发，边缘封盖严密；待20-30min后，边揭开薄膜边喷涂第二遍，用量为200mL/m2，喷涂过后的部位同样立即盖好；喷涂2遍过后，塑料薄膜需保持封盖6h，洒水养护5-7天。
根据本发明，优选的，步骤(3)中喷涂硅烷防护剂的过程中，以200mL/m2的用量喷涂，喷涂1遍；在立面中则自下向上地喷涂，使被涂立面至少有5s保持湿润状态；在顶面，则至少有5s保持湿润状态。
本发明的技术特点如下：
现有的防护剂包括环氧树脂防护剂、硅烷防护剂、纳米防护剂(如正硅酸乙酯)，三种防护剂的机理如图1所示。环氧树脂防护剂施工工艺相对复杂并且耐候性较差；硅烷防护剂成本较高并且混凝土表面一旦出现裂缝，水分或水汽进入，硅烷涂层基本失效，不能达到长期防护的效果；纳米防护剂对于孔隙的填充程度有限。现有的单一防护材料进行防护成本偏高，而且防护效果有待提高。
本发明采用硅烷防护剂和正硅酸乙酯(TEOS)防护剂复合而成的复合纳米材料防护剂，在工程造价合理的前提下，大幅提高了防护效果，具有深远的工程意义。本发明复合纳米材料防护剂的防护机理如图2所示。
首先利用正硅酸乙酯(TEOS)水解、聚缩反应生成大量纳米级SiO2，并与混凝土内部水化产物Ca(OH)2发生火山灰反应生成水化硅酸钙，作用原理如下：
nSi(OC2H5)4+2nH2O→nSiO2+4nC2H5OH
SiO2+Ca(OH)2+H2O→Cao-SiO2-H2O
在利用复合纳米材料防护剂对混凝土表面进行防护的过程中，将配制而成的正硅酸乙酯(TEOS)防护剂喷涂在混凝土结构表层，利用反应生成的水化硅酸钙凝胶填充结构表面孔隙，降低结构表面的吸水率以及水蒸气渗透系数；待正硅酸乙酯防护剂充分反应后，在其表层继续喷涂硅烷防护剂，由于硅烷防护剂具有小分子结构，可以迅速穿透水化硅酸钙凝胶表面通过毛细孔扩散到混凝土内部，在孔隙中与水化剩余的水分子反应，形成聚硅氧烷互穿网络结构，通过牢固的化学键合反应，在孔隙内壁与裸露的混凝土表面形成透气性憎水膜，进一步降低了混凝土结构表面的渗透性能。本发明充分发挥了两种材料的功能特性，提出“先堵后封”的施工工艺，提高结构表层防水抗渗性能，保证了结构的使用耐久性能。
本发明利用了正硅酸乙酯(TEOS)防护剂填充孔隙的作用特点以及硅烷防护剂形成憎水膜的作用特点，合理使用两种材料，提出“先堵后封”的施工工艺，可以有效延长防护层使用寿命以及降低工程造价。
本发明的有益效果：
1、本发明中的复合纳米材料防护剂由正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂组成。正硅酸乙酯防护剂是由乙醇、蒸馏水以及正硅酸乙酯组成，其中由于正硅酸乙酯微溶于水，所以采用乙醇作为正硅酸乙酯的溶剂并为其水解提供催化环境；硅烷防护剂，是由高纯度未经稀释的异丁基三乙氧基硅烷和蒸馏水组成，以蒸馏水对异丁基三乙氧基硅烷进行适当的稀释。
2、研究表明，硅烷浓度越高，硅烷浸渍深度越大，硅烷对混凝土吸水率及氯离子吸收量降低效果越明显，并且喷涂2次及以上硅烷防护剂对混凝土结构防护作用效果显著，但是硅烷防护剂施工成本较高，因此本发明提供了由硅烷防护剂和正硅酸乙酯(TEOS)防护剂组成的一种复合纳米材料防护剂，解决了单一硅烷材料防护成本过高以及单一正硅酸乙酯防护剂填充孔隙程度有限、防护效果有待提升的问题。
3、本发明提出一种“先堵后封”的施工工艺，利用正硅酸乙酯防护剂填充混凝土表层孔隙以及通过硅烷防护剂形成憎水层，使得混凝土表层吸水率大幅降低，抵抗有害介质侵蚀的能力大幅提升，进一步提高了结构的耐久性能。
4、本发明通过室内试验得到正硅酸乙酯(TEOS)防护剂和硅烷防护剂最佳配比、最佳浸渍工艺，充分发挥了两种防护材料的功能特性。
5、本发明的复合纳米材料防护剂造价合理，将正硅酸乙酯(TEOS)防护剂和硅烷防护剂结合不仅大大降低了成本，而且大大提升了防护效果。施工简洁高效方便，经过表层防护处理的混凝土结构具有优良的防水抗渗性能，使用寿命更长。
附图说明
图1现有防护剂的防护机理图。
图2本发明防护剂的防护机理图。
图3为现场试验效果图，图中，A为硅烷防护剂防护部分，B为复合纳米材料防护剂防护部分，C为硅烷防护剂防护部分细节图，D为复合纳米材料防护剂防护部分细节图。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明进一步说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
本发明所提出的一种复合纳米材料防护层，是由正硅酸乙酯(TEOS)防护剂和硅烷防护剂组成。
实施例1
一种复合纳米材料防护剂，由正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂组成；其中，
所述正硅酸乙酯防护剂的质量百分比组分为：
无水乙醇：57％；水：14％；正硅酸乙酯(TEOS)：29％；
所述硅烷防护剂的质量百分比组分为：
异丁基三乙氧基硅烷：90.9％；水：9.1％。
实施例2
一种复合纳米材料防护剂，由正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂组成；其中，
所述正硅酸乙酯防护剂的质量百分比组分为：
无水乙醇：50％；水：12.5％；正硅酸乙酯(TEOS)：37.5％；
所述硅烷防护剂的质量百分比组分为：
异丁基三乙氧基硅烷：90.9％；水：9.1％。
实施例3
一种复合纳米材料防护剂，由正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂组成；其中，
所述正硅酸乙酯防护剂的质量百分比组分为：
无水乙醇：70％；水：15％；正硅酸乙酯(TEOS)：15％。
所述硅烷防护剂的质量百分比组分为：
异丁基三乙氧基硅烷：90％；水：10％。
实施例4
一种复合纳米材料防护剂，由正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂组成；其中，
所述正硅酸乙酯防护剂的质量百分比组分为：
无水乙醇：66％；水：14％；正硅酸乙酯(TEOS)：20％；
所述硅烷防护剂的质量百分比组分为：
异丁基三乙氧基硅烷：91％；水：9％。
实施例5
一种复合纳米材料防护剂，由正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂组成；其中，
所述正硅酸乙酯防护剂的质量百分比组分为：
无水乙醇：60％；水：20％；正硅酸乙酯(TEOS)：20％；
所述硅烷防护剂的质量百分比组分为：
异丁基三乙氧基硅烷：92％；水：8％。
实施例6
一种复合纳米材料防护剂，由正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂组成；其中，
所述正硅酸乙酯防护剂的质量百分比组分为：
无水乙醇：55％；水：12.5％；正硅酸乙酯(TEOS)：32.5％；
所述硅烷防护剂的质量百分比组分为：
异丁基三乙氧基硅烷：95％；水：5％。
实施例7
一种对混凝土表面进行防护的方法，包括步骤如下：
(1)对混凝土结构表层进行修补与清洁：用水泥浆修补蜂窝、露石等明显缺陷并修补宽度大于0.2mm的裂缝；清除表面碎屑、不牢固的附着物以及表层灰尘油污等有害物及污染物并用高压水枪进行冲洗；
(2)待混凝土结构处于面干状态后喷涂正硅酸乙酯防护剂，混凝土结构的龄期不小于28d；喷涂时准备好塑料薄膜，将正硅酸乙酯防护剂以200mL/m2的用量从上至下，从左至右喷涂，喷上的部位需立即用塑料薄膜贴盖住，以防挥发，边缘尽量封盖严密；待20-30min后，边揭开薄膜边喷涂第二遍，用量仍为200mL/m2，喷涂过后的部位同样立即用塑料薄膜盖好；喷涂2遍后，采用塑料薄膜密封养护6h，撤掉薄膜，洒水养护5-7天；
(3)养护结束后，喷涂硅烷防护剂，使被涂表面饱和溢流：在立面上，则自下向上地喷涂，使被涂立面至少有5s保持“看上去是湿的”的状态；在顶面上，则至少有5s保持“看上去是湿的镜面”的状态；每遍喷涂量为200mL/m2，喷涂1遍。
对比例1
一种防护剂，由正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂组成；其中，
所述正硅酸乙酯防护剂的质量百分比组分为：
无水乙醇：50％；水：39％；正硅酸乙酯(TEOS)：11％；
所述硅烷防护剂的质量百分比组分为：
异丁基三乙氧基硅烷：90％；水：10％。
对比例2
一种防护剂，由正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂组成；其中，
所述正硅酸乙酯防护剂的质量百分比组分为：
无水乙醇：75％；水：12.5％；正硅酸乙酯(TEOS)：12.5％；
所述硅烷防护剂的质量百分比组分为：
异丁基三乙氧基硅烷：90％；水：10％。
试验例1
在实验室条件下，按照实施例7的方法，采用实施例1-2和对比例1-2的防护剂对试件进行防护处理，处理后所测得吸水率如表1所示。
表1各防护剂处理试件后的吸水率
Figure BDA0002231744770000071
从上述表1中可知，本发明中的复合纳米材料防护剂可以有效填充孔隙，降低表层吸水率，提高混凝土结构表层防水抗渗透性能。中国JTJ275—2019《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》中对硅烷浸渍混凝土结构防护作用效果指标要求硅烷浸渍后混凝土的吸水率值不大于0.01mm/min1/2。可见，本发明中的复合纳米材料防护剂均满足要求且具有大幅降低混凝土吸水率的效果。
同时，正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂各成分的搭配只有在合理的范围之内，二者协同防护效果才能达到最佳。任何一个防护剂组成控制不当，都会影响防水抗渗透性能。
试验例2
为探究分析本发明中复合纳米材料防护剂的防护效果，于2017年4月在G104国道京福线药王大桥处进行了现场应用。按照实施例7中复合纳米材料防护剂对混凝土表面进行防护的方法，首先进行了2遍正硅酸乙酯防护剂的喷涂，待正硅酸乙酯防护剂密封养护至规定时间后使用硅烷防护剂喷涂1遍。其中，实验组采用实施例2所述的复合纳米材料防护剂；对照组只采用硅烷防护剂进行混凝土表面的防护，防护步骤与实验组相同，所述硅烷防护剂的质量百分比组分为：异丁基三乙氧基硅烷：90％；水：10％。
防护至2019年，防护剂对混凝土结构的防护效果如图3所示，其中：A为硅烷防护剂防护部分，B为复合纳米材料防护剂防护部分，C为硅烷防护剂防护部分细节图，D为复合纳米材料防护剂防护部分细节图。通过现场试验发现，实施例2的复合纳米材料防护剂与硅烷防护剂均有混凝土结构防护效果，但是实施例2的复合纳米材料防护剂的防护效果明显优于硅烷防护剂的防护效果。
本发明中的复合纳米材料防护剂施工工艺简单快捷、环保、工程造价合理、性价比高、防水抗渗效果极为明显，同时本发明所使用试剂不含有碱金属离子，不会对混凝土造成损伤，具有经济实用价值以及工程应用价值。
以上所述是对本发明技术方案的介绍和说明，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合纳米材料防护剂，其特征在于，该复合纳米材料防护剂包括正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂；
所述正硅酸乙酯防护剂由无水乙醇、水和正硅酸乙酯组成，所述的硅烷防护剂由异丁基三乙氧基硅烷和水组成。
2.根据权利要求1所述的复合纳米材料防护剂，其特征在于，所述的正硅酸乙酯防护剂的组分质量百分比为：
无水乙醇：50％～70％，水：12.5％～37.5％，正硅酸乙酯：12.5％～37.5％。
3.根据权利要求1所述的复合纳米材料防护剂，其特征在于，所述的正硅酸乙酯防护剂的组分质量百分比为：
无水乙醇：50％～66％，水：12.5％～20％，正硅酸乙酯：20％～37.5％。
4.根据权利要求1所述的复合纳米材料防护剂，其特征在于，所述的硅烷防护剂的组分质量百分比为：
异丁基三乙氧基硅烷：90％～99％，水：1％～10％。
5.根据权利要求1所述的复合纳米材料防护剂，其特征在于，所述的硅烷防护剂的组分质量百分比为：
异丁基三乙氧基硅烷：90％～95％，水：5％～10％。
6.根据权利要求1所述的复合纳米材料防护剂，其特征在于，所述的正硅酸乙酯防护剂和硅烷防护剂的用量搭配分别控制在200～400mL/m2和100～300mL/m2。
7.一种对混凝土表面进行防护的方法，包括使用权利要求1所述的复合纳米材料防护剂，步骤如下：
(1)对混凝土结构表层进行修补与清洁；
(2)待混凝土结构处于面干状态后喷涂正硅酸乙酯防护剂，每次喷涂用量为200-400mL/m2，喷涂2遍后密封养护3-12小时，洒水养护5-7天；
(3)养护结束后，喷涂硅烷防护剂，喷涂用量为100-300mL/m2，使被涂表面饱和溢流。
8.根据权利要求7所述的对混凝土表面进行防护的方法，其特征在于，步骤(2)中所述每次喷涂用量为200mL/m2。
9.根据权利要求7所述的对混凝土表面进行防护的方法，其特征在于，步骤(2)中所述密封养护的时间为6小时；
优选的，步骤(3)中所述喷涂用量为200mL/m2。
10.根据权利要求7所述的对混凝土表面进行防护的方法，其特征在于，步骤(2)中喷涂正硅酸乙酯防护剂后使用塑料薄膜贴盖住，以防挥发。
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