一种水性渗透结晶型混凝土表层修复增强材料及其制备方法
和应用
技术领域
本发明涉及混凝土用建筑材料,具体涉及一种水性渗透结晶型混凝土表层修复增强材料及其制备方法和应用。
背景技术
相对于混凝土内部,表层混凝土在制备过程中及成型后均处于不利地位。混凝土制备过程中,模板-混凝土界面的“壁效应”及混凝土上表层的泌水导致的局部高砂率、高灰砂比及局部高水灰比,以及模板上的脱模剂往往使混凝土表层的水泥水化受阻。混凝土再干燥环境下且养护条件不足时,表面水分散失造成养护不足导致的水泥水化不充分等这些不利条件导致混凝土表层密实度和强度不同程度地低于内部混凝土,混凝土耐久性也受到影响。因此对混凝土表层进行密实、增强处理,对减少混凝土内部缺陷、提升混凝土耐久性具有重要意义。
对于表层混凝土缺陷问题,目前已有针对混凝土表面增强剂进行的研究和专利。目前,混凝土增强剂主要有两大类,一类是单组分的,另一类为双组分的。其中单组分的增强剂中大多为主要成分是能与水泥水化产物发生反应的可溶性碱金属盐类,并辅以其他助剂,具有良好的渗透性、可封闭水泥砂浆与混凝土毛细孔道和裂纹功能的修复增强材料。例如CN105819894A、CN101407428A、CN105218152A等,此类单组分的材料主要技术原理是主成分硅酸盐渗透到水泥砂浆或混凝土的毛细孔道中,与水泥水化过程中的产物Ca(OH)2反应,生成不溶于水的水化硅酸钙凝胶体(C-S-H),从而堵塞内部孔隙,封闭毛细孔通道,增加混凝土密实性,从而达到修复混凝土以及提高混凝土强度的效果,同时具有一定的抗水渗透能力,提高了混凝土耐久性,但是其反应速率较低,固化时间较长。
因此,如果开发一种修复效果良好、强度起效迅速的水性渗透结晶型混凝土表层修复增强材料,将会为混凝土的表层修复增强处理提供一种更优的解决方案。
发明内容
发明目的:针对现有技术存在的问题,本发明提供一种水性渗透结晶型混凝土表层修复增强材料,该种水性渗透结晶型混凝土表层修复增强材料具有强度提升快的特点,对混凝土及砂浆修复效果明显,能够修复愈合龟裂纹和细小裂缝,因而能提高混凝土一定的抗水渗透性能,且耐久性好、寿命长,制备简便,施工方便、高效;本发明的修复增强材料硬化时间短,修复作用和强度发挥起效快,有效解决了现有的混凝土增强剂材料反应速率较低,固化时间较长的问题。
本发明还提供了所述水性渗透结晶型混凝土表层修复增强材料的制备方法和应用和使用方法。
技术方案:为了实现上述目的,如本发明所述一种水性渗透结晶型混凝土表层修复增强材料,主要由以下重量份原料所制成:硅酸锂48~60份,硅酸钾20~28份,硅酸钠24~30份,有机硅2~10份,促凝剂0.5~2份,防水剂0.8~1.8份,表面活性剂0.1~0.25份,反应延迟剂0.2~1份,抗冻结剂0.1~0.24份,氟硅酸盐0.6~1.2份,消泡剂0.1~0.2份,多功能助剂0.08~0.16份,早强剂0.5~2份,水95~115份。
其中,所述硅酸锂溶液为质量分数20~30%的硅酸锂水溶液,硅酸钾溶液为质量分数30~40%的硅酸钾水溶液,硅酸钠溶液为质量分数30~40%的硅酸钠水溶液。
作为优选,所述硅酸锂溶液为质量分数20%的硅酸锂水溶液,硅酸钾溶液为质量分数30%的硅酸钾水溶液,硅酸钠溶液为质量分数40%的硅酸钠水溶液。其作用是能够与混凝土内部孔溶液中的钙离子发生化学反应,生成CaSiO3晶体,填充裂纹和孔隙,达到增加密实性和修复增强的效果。此外,硅酸盐还可以与混凝土中水化产物Ca(OH)2作用,生成C-S-H(xCaO·SiO2·yH2O)凝胶,在增加密实性和修复增强的效果的同时,还具有提高混凝土防水能力的功能。
其中,所述有机硅为甲基硅酸钾或甲基硅酸钠中的一种或两种。甲基硅酸钾具有优秀的防水效果和防渗、防潮、阻锈、抗老化、抗污染等优点,避免水分吸入基底,从而减少冻融和风化引起的剥落,增加基底寿命;甲基硅酸钠具有良好的渗透结晶性,其分子结构中的硅醇基与硅酸盐材料中的硅醇基反应脱水交联,从而实现“反毛细管效应”形成优异的憎水层,同时具有微膨胀、增加密实度功能。
其中,所述促凝剂为甲酸盐。作为优选,所述的甲酸盐为甲酸钠、甲酸钾中的一种或两种。由于HCOO-离子扩散速度迅速,因而可以渗透到更深的深度,HCOO-离子还能够促进C-S-H凝胶的形成,提高表层混凝土修复增强层的硬化速度和强度。
其中,所述防水剂为硬脂酸钠或硬脂酸钾,可以提高混凝土表面的憎水效果。
其中,所述表面活性剂为十二烷基磺酸钠或十二烷基苯磺酸钠,主要作用是降低界面的表面张力,促进材料的渗透。另外,表面活性剂还能起到分散的作用,阻碍硅酸盐胶体粒子的团聚,使得硅酸盐保持以纳米级的尺寸,有利于沿着毛细管渗透。
其中,所述反应延迟剂为柠檬酸,对钙离子有鳌合作用,与混凝土中钙离子作用,生成可溶性络合复盐,从而避免了硅酸根与钙离子的过早结合而生成沉淀,同时促进材料的渗透,反应延迟剂用于控制反应时间,速率可调。
其中,所述抗冻结剂为碳酸钾,能显著降低冰点,不仅能保证材料在-10℃温度下不发生冻结,还能使混凝土液相不冻结或部分冻结,保证混凝土不遭受冻害。
其中,所述氟硅酸盐为氟硅酸锌、氟硅酸钠、氟硅酸铵中的至少一种,不仅能改善该发明材料中硅酸钠、硅酸钾反应生成结晶物的速度,而且能够固定混凝土表面的氢氧化钙等水泥水化产物,防止表面风化,提高表面的强度、硬度和耐磨性。
其中,所述消泡剂为二甲基硅油,它的主要作用是消除材料搅拌过程中的泡沫。
其中,多功能助剂为AMP-95多功能助剂,可有效控制pH值,而且可以提高表面活性剂的性能,从而减少表面活性剂的用量。
其中,所述早强剂为三乙醇胺,具有提高早期强度和抗渗性能的作用。
其中,所述水为去离子水,电阻率大于等于10兆欧·厘米。
本发明所述的水性渗透结晶型混凝土表层修复增强材料的制备方法,包括如下步骤:
按配方比例称量各组分,然后在反应釜中先加入水,再依次将多功能助剂、消泡剂、反应延迟剂、表面活性剂、抗冻结剂、氟硅酸盐、早强剂、防水剂、促凝剂、有机硅先后加入水中制得混合溶液,然后加入硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂,在反应釜中将混合溶液充分搅拌均匀,最后经过滤处理去除溶液中的杂质,过滤处理后的清液即制得本发明的水性渗透结晶型混凝土表层修复增强材料。
本发明所述的水性渗透结晶型混凝土表层修复增强材料在混凝土表层或砂浆表层修复中的应用。具体对于混凝土及砂浆表层防水抗渗修复中的应用。
本发明所述的应用,具体使用方法包括如下步骤:
首先对应用的基面进行预处理,待处理的基面干燥,表面温度应在5℃~35℃,且保证混凝土基面无污物、油渍、润滑脂等其他降低粘结性的杂物;然后,采用涂刷、喷洒的施工方式将水性渗透结晶型混凝土表层修复增强材料应用到混凝土基面,重复涂刷或喷涂2~3遍,保持表面湿润30~40分钟,以使该材料完全渗透进去。涂刷或喷涂时液体完全覆盖表面即可,每一遍的使用量约为100mL/m2,每次涂刷或喷涂后,待表面液体渗透进去后再进行下一遍的涂刷或喷涂,喷涂2~3遍。
本发明中的硅酸盐和氟硅酸盐均能与混凝土中原有的钙离子反应,且氟硅酸盐对于硅酸盐的硬化也具有促进作用,同时加入甲酸盐,甲酸根离子也加快了材料的反应速率,短时间内能够修复表层混凝土,提高了表层混凝土的强度,达到高效快捷的目的。
具体的,本发明材料将硅酸锂作为主要成分并配合硅酸钠、硅酸钾使用的同时,还加入了甲酸盐作为促凝剂,由于HCOO-中的甲酸根离子能够形成AHt和AFm的相似物(C A·3Ca(HCOO)2·30H O、C A·Ca(HCOO)2·10H O等),极大地缩短了凝结时间,而且HCOO-离子扩散速度比钙离子快,因而可以渗透得更深,HCOO-离子还能够通过化学作用束缚硅原子进一步与OH-反应,从而交联相邻的硅酸盐群体,促进C-S-H凝胶的形成,提高表层混凝土的修复增强层的硬化强度,加速硅酸盐的硬化,改善了前期增强作用效果不明显的问题,加快材料的反应的速率和强度的发挥。同时硅酸锂与硅酸钠、硅酸钾相比,硅酸锂的碱度低、粘度低,且锂离子半径远小于钠、钾离子半径,所以硅酸锂具有更好的渗透性和更深的渗透深度,修复增强效果更优。硅酸锂与硅酸钠、硅酸钾相比还具有自干的特性,当反应生成结晶物填充混凝土内部裂缝和孔隙后,上层残留的材料待水分蒸发后,能生成一种不可溶于水的干膜,故材料在增强修复混凝土的同时,还具有一定的抗水渗透能力和隔气阻湿的作用,提升了表面处理后形成的表面增强层的抗碳化和抗酸侵蚀的性能;同时该材料中硅酸锂配合硅酸钠、硅酸钾使用,也可以改善硅酸锂的成膜反应,解决了单用硅酸锂成膜可能会出现成膜不连续不牢固等缺点。
有益效果:与现有技术相比,本发明具有如下优点:
1、本发明水性渗透结晶型混凝土表层修复增强材料中的甲酸盐作为促凝剂,加速硅酸盐的硬化,改善了前期增强作用效果不明显的问题,加快材料的反应的速率和强度的发挥。由于HCOO-离子扩散速度较快,因而可以渗透到更深的混凝土内部,HCOO-离子还能够通过化学作用束缚硅原子进一步与OH-反应,从而交联相邻的硅酸盐群体,促进C-S-H凝胶的形成,提高表层混凝土修复增强层的硬化速度和强度,达到促进、早强的作用。
2、本发明中的硅酸锂,相比于硅酸钠和硅酸钾,硅酸锂具有低碱度、低粘度特点,且锂离子半径比钠、钾离子半径小得多,故硅酸锂在混凝土表面更容易渗透,且具有较高的反应活性,故硅酸锂能更快速地与混凝土中钙、镁离子发生反应生成水化结晶物填充裂缝与孔隙,且硅酸锂与混凝土中钙离子反应无膨胀现象,故不会产生龟裂纹,更高效地提高表层混凝土强度和耐久性。
3、本发明中的硅酸锂,相比于硅酸钠和硅酸钾还具有自干特性,当反应生成结晶物填充混凝土内部裂缝和孔隙后,上层残留的材料待水分蒸发后,能生成一种不溶于水的干膜,且干膜具有水不可逆性,故此发明材料在增强修复混凝土的同时,还具有一定的抗水渗透能力;同时该发明材料中硅酸锂配合硅酸钠、硅酸钾使用,可以改善硅酸锂的成膜反应,解决了单用硅酸锂成膜可能会出现成膜不连续不牢固等缺点。
4、本发明中的反应延迟剂柠檬酸,能够影响该发明材料前期的反应速率和渗透深度,从而使该材料渗透至更深的混凝土内部,达到良好的修复增强效果以及抗水渗透性能。
5、本发明中的氟硅酸盐不仅能够与混凝土中水泥水化产物Ca(OH)2发生发应生成不溶结晶物堵塞修复裂缝和孔隙,达到修复表层混凝土以及提高表层混凝土的强度、硬度和耐磨性;而且氟硅酸盐能够加速硅酸盐的硬化,解决硅酸钠、硅酸钾前期作用效果不明显的问题,从而加快该材料的反应的速率和强度的发挥。
6、本发明中的防水剂为硬脂酸钠或硬脂酸钾,能够提高混凝土表面的憎水效果。
7、本发明中的有机硅为甲基硅酸钾或甲基硅酸钠中的一种或两种。甲基硅酸钾具有优秀的防水效果和防渗、防潮、阻锈、抗污染等优点,避免水分吸入基底,从而减少冻融和风化引起的剥落,增加基底寿命;甲基硅酸钠具有良好的渗透结晶性,其分子结构中的硅醇基与硅酸盐材料中的硅醇基反应脱水交联,从而实现“反毛细管效应”形成优异的憎水层,同时具有微膨胀、增加密实度功能。
8、本发明制备简单,使用方便,可以有效应用于混凝土表层及砂浆的修复,具有强度提升快的特点,对混凝土及砂浆修复效果明显,能够修复愈合龟裂纹和细小裂缝(如0.2mm以下的裂缝),因而能提高混凝土一定的抗水渗透性能,且耐久性好、寿命长、施工方便、高效,硬化时间短,修复作用和强度发挥起效快。
具体实施方式
以下结合实施例作进一步说明。
本发明所有原材料均为市售建筑材料或工业助剂,采用市售的常规同类型原料均可。
以下实施例中采用的原料如下所示:
硅酸锂(桐乡市恒立化工有限公司,锂水玻璃)
硅酸钾(桐乡市恒立化工有限公司,钾水玻璃)
硅酸钠(桐乡市恒立化工有限公司,钠水玻璃)
甲基硅酸钾(广州市聚成兆业有机硅原料有限公司,甲基硅酸钾)
甲基硅酸钠(广州市聚成兆业有机硅原料有限公司,甲基硅酸钠)
甲酸钠(河北万乔化工科技有限公司,甲酸钠)
甲酸钾(济南德闻化工有限公司,甲酸钾)
十二烷基磺酸钠(河南慧宇化工产品有限公司,十二烷基磺酸钠)
十二烷基苯磺酸钠(山东金耐特环保科技有限公司,十二烷基苯磺酸钠)
柠檬酸(苏州佳启化工有限公司,柠檬酸)
碳酸钾(上海国伟化工有限公司,碳酸钾)
氟硅酸锌(济南天硕化工有限公司,氟硅酸锌)
氟硅酸钠(济南国丞化工有限公司,氟硅酸钠)
氟硅酸铵(杭州厚晶贸易有限公司,氟硅酸铵)
硬脂酸钾(江苏金河源生物工程有限公司,硬脂酸钾)
硬脂酸钠(佛山市欧希化工有限公司,硬脂酸钠)
二甲基硅油(广州穗欣化工有限公司,二甲基硅油)
AMP-95多功能助剂(广东粤美化工有限公司,AMP-95多功能助剂)
三乙醇胺(广州茂廷化工有限公司,三乙醇胺)
实施例1-6
具体水性渗透结晶型混凝土表层修复增强材料配方见表一。
其中实施例3与4、实施例5与6分别针对不同的硅酸锂份数的对比,实施例3与5、实施例4与6分别针对不同的促凝剂份数的对比。
表一
其中,硅酸锂溶液为质量分数20%的硅酸锂水溶液,硅酸钾溶液为质量分数30%的硅酸钾水溶液,硅酸钠溶液为质量分数40%的硅酸钠水溶液,有机硅为甲基硅酸钾,促凝剂为甲酸钠,防水剂为硬脂酸钠,表面活性剂为十二烷基磺酸钠,反应延迟剂为柠檬酸,抗冻结剂为碳酸钾,氟硅酸盐为氟硅酸钠,消泡剂为二甲基硅油,多功能助剂为AMP-95多功能助剂,早强剂为三乙醇胺,水为去离子水。
对比例1
对比例1与实施例4组分相同,不同之处,在于不含硅酸锂。
对比例2
对比例2与实施例4组分相同,不同之处,在于不含促凝剂。
对比例3
对比例3与实施例4组分相同,不同之处,在于不含硅酸锂和促凝剂。
实施例7
实施例7与实施例4组分相同,不同之处在于:硅酸锂溶液为质量分数30%的硅酸锂水溶液,硅酸钾溶液为质量分数40%的硅酸钾水溶液,硅酸钠溶液为质量分数30%的硅酸钠水溶液,有机硅为甲基硅酸镁,促凝剂为甲酸钾,防水剂为硬脂酸钾,表面活性剂为十二烷基磺酸钠,反应延迟剂为柠檬酸。抗冻结剂为碳酸钾,氟硅酸盐为氟硅酸钠。
实施例8
实施例8与实施例4组分相同,不同之处在于:硅酸锂溶液为质量分数25%的硅酸锂水溶液,硅酸钾溶液为质量分数35%的硅酸钾水溶液,硅酸钠溶液为质量分数35%的硅酸钠水溶液,氟硅酸盐为氟硅酸铵。
实施例9
根据实施例1-6或者对比例1-3任一种按配方比例称量各组分。
按配方比例称量各组分,然后在反应釜中先加入水,再依次将多功能助剂、消泡剂、反应延迟剂、表面活性剂、抗冻结剂、氟硅酸盐、早强剂、防水剂、促凝剂、有机硅先后加入水中制得混合溶液,然后加入硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂,在反应釜中将混合溶液充分搅拌均匀,最后经过滤处理去除溶液中的杂质,过滤处理后的清液即制得本发明的水性渗透结晶型混凝土表层修复增强材料。
实施例10
首先对应用的基面进行预处理,待处理的基面干燥,表面温度应在5℃~35℃,且保证混凝土基面无污物、油渍、润滑脂等其他降低粘结性的杂物;然后,采用涂刷、喷洒的施工方式将水性渗透结晶型混凝土表层修复增强材料应用到混凝土基面,重复涂刷或喷涂2~3遍,保持表面湿润30~40分钟,以使该材料完全渗透进去。涂刷或喷涂时液体完全覆盖表面即可,每一遍的使用量约为100mL/m2,每次涂刷或喷涂后,待表面液体渗透进去后再进行下一遍的涂刷或喷涂,喷涂2~3遍
试验例1
对以上6组实施例和3组对比例采用实施例10的使用方法对于混凝土处理,参照JGJ/T23-2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》,利用回弹法进行混凝土回弹值的测量,每组选取5个测区并计算回弹平均值,其检测结果由表二所示。
表二单位:MPa
由上表可以看出:各组试验例在涂刷本发明的材料后,回弹值均有所提高,且硅酸锂和促凝剂掺量多的本发明的材料使得混凝土获得了更高的回弹值,这表明将硅酸锂作为主要硅酸盐成分的增强剂可以有效的提高混凝土表面修复增强的效果,同时也表明加入甲酸盐促凝剂的本发明材料在短时间内可以使得混凝土的修复增强效果更明显。表二中也能看出,通过比较回弹试验中同一龄期测得的回弹增加值可说明本发明材料具有强度提升快的特点,而不加入硅酸锂和促凝剂会减缓本发明的材料的反应速率,加入有机硅和防水剂能够使得涂刷本发明的材料的混凝土表面具有憎水效果。此外,针对孔隙率较大的基面(如C30以下的混凝土基面)可以采用少量加入反应延迟剂的修复增强材料,使得材料能够更快速反应生成结晶物填充孔隙,更高效的达到修复增强的效果,但是对于大多数混凝土的表层加入过少延迟剂可能会出现反应过快的情况,影响渗透深度导致表面有过多残留结晶且效果不佳,而过多加入反应延迟剂会过分延缓材料的反应速率,而硅酸锂又具有快干性,且成膜具有水不可逆性,还未及时反应的硅酸锂无法继续参与反应从而导致效果不佳,故适当的反应延迟剂份数,可以保证材料有足够的渗透时间和渗透深度,在本发明范围内如0.6份效果最好。
试验例2
参照JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》,采用该标准中吸水率试验和抗渗性能试验方法对6组实施例和3组对比例进行本发明的材料的修复作用和抗渗性能的对比,其检测结果由表三所示。
对于吸水率试验,边长为150mm的立方体砂浆试件应在标准养护至第28d取出试件,然后在105℃温度下烘干48h,称重m0,然后浸泡48h后取出称重m1,每组三个试件取算术平均值作为砂浆吸水率;继续烘干72h后,采用实施例8的方法分别涂刷6组实验例和3组对比例的本发明的材料,并自然养护14天,重复上述操作计算砂浆试件的吸水率。
抗渗试验采用70mm(上口直径)×80mm(下口直径)×30mm(厚度)的标准砂浆抗渗试件,标准养护至第14d后取出试件,然后在105℃温度下烘干48h,自然冷却,进行未涂刷本发明材料的抗渗试验,每6个试件为一组,共9组,当有三个试件出现渗漏时的水压力作为该组的抗渗水压力;当每组完成未涂刷本发明材料的抗渗试验后放入烘干箱在105℃温度下烘干48h,然后取出自然冷却并涂刷本发明的材料,涂刷后自然养护2d,再进行涂刷后的抗渗试验。数据记录如表三。
表三
由上表可以看出:涂刷本发明的材料的砂浆试块吸水率明显低于未涂刷本发明的材料的砂浆试块吸水率,这表明本发明的材料对于混凝土或砂浆的裂缝和孔隙具有一定的修复作用;涂刷本发明的材料的砂浆抗渗试块较未涂刷本发明的材料的砂浆试块均具有更高的抗渗水压力,也表明了本发明的材料对混凝土或砂浆孔隙和裂缝的愈合修复作用;从表三也可以看出,材料中加入硅酸锂和促凝剂会明显提高砂浆抗水渗透性能和降低砂浆试块的吸水率且二者须同时使用相互作用,同时也表明本发明的材料对于提高混凝土或砂浆的密实性和抗水渗透性能有良好的作用。而吸水率试验中试件的吸水率下降,以及抗渗试验中涂刷本发明材料的试件的抗渗水压力的大幅提高,均能够证明其愈合修复孔隙和裂缝的作用,尤其是0.2mm以下的裂缝。
此外,本发明材料渗入混凝土内部反应后的生成结晶物很稳定,且与混凝土本体成分类似,结晶物与混凝土的相容性很好,且生成结晶物填充孔隙与裂缝,能够阻断外界有害离子侵蚀混凝土内部,本材料能够与混凝土同寿命,其耐久性、寿命都远高于有机类的修复增强材料。
以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然,本发明不限于以上实施例子,在本发明的精神和权利要求的保护范围内,对本发明作出的任何修改和改变,均应认为是本发明的保护范围。