CN112469876A - 混凝土的改性方法及改性材料 - Google Patents

Abstract

提供即使裂纹宽度在某一宽度以上，也可利用凝胶填充裂纹，从而可赋予充分的防水性、止水性的改性方法。该方法包括：第1工序，其是在具有裂纹的混凝土的表面注入或喷雾或涂布含有硅酸盐的溶液的工序；第2工序，其是在具有被含有硅酸盐的溶液润湿的混凝土的表面的裂纹内部注入或涂布通过加水而流化的无机系材料来进行填充的工序；和第3工序，其是在将无机系材料填充到裂纹内后的混凝土的表面喷雾或涂布含有硅酸盐的溶液的工序。

Description

混凝土的改性方法及改性材料

技术领域

本发明涉及混凝土的改性方法和改性材料，更详细地说，涉及用于修补在混凝土中形成的裂纹的改性方法和改性材料。

背景技术

混凝土的表层暴露在干燥、日照、温度变化、湿度变化、暴露于雨或二氧化碳、冻害等各种环境中。由于这些原因，重要的是力求保护混凝土，防止混凝土的劣化，从而延长寿命。但是，实际上难以制作没有裂纹的混凝土。

因此，通常在建筑、土木结构物的设计施工中规定：对于混凝土结构物，允许某一定程度的裂纹宽度，对于超过该宽度的裂纹宽度，实施适当的处理。在通常的建筑结构物中该裂纹宽度设为0.3mm，在通常的土木结构物中设为0.2mm。

目前，作为修补这样的混凝土的裂纹的方法，提出了：涂布碱金属的硅酸盐水溶液，使其渗透到裂纹中，与混凝土中的成分反应而形成凝胶，利用该凝胶填充裂纹的方法(例如，参照专利文献1~5)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-212674号公报

专利文献2：日本特开2004-323333号公报

专利文献3：日本特开2005-239523号公报

专利文献4：日本特开2010-070403号公报

专利文献5：日本专利第5504414号公报。

发明内容

发明所要解决的课题

但是，在裂纹宽度为某一宽度以上的情况下，由于在形成凝胶前无法将硅酸盐水溶液保持在裂纹内，所以存在无法期待利用凝胶填充裂纹的问题。

解决课题的手段

鉴于上述课题，本发明提供混凝土的改性方法，所述改性方法包括：

第1工序，其是在具有裂纹的混凝土的表面注入或喷雾或涂布含有硅酸盐的溶液的工序，所述硅酸盐含有硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂中的至少2种；

第2工序，其是在具有被含有硅酸盐的溶液润湿的混凝土的表面的裂纹内部注入或涂布通过加水而流化的无机系材料来进行填充的工序；

第3工序，其是在将无机系材料填充到裂纹内后的混凝土的表面喷雾或涂布含有硅酸盐的溶液的工序。

发明的效果

根据本发明，即使裂纹宽度为某一宽度以上，也可利用凝胶填充裂纹，可赋予充分的防水性、止水性。

附图说明

[图1] 表示修补在混凝土中形成的裂纹的操作的流程的流程图。

[图2] 说明混凝土中产生裂纹的状态的图。

[图3] 表示各溶液渗透到裂纹中的状态的示意图。

[图4] 例示出容纳2个混凝土块的透明容器的图。

[图5] 例示出在容器内容纳2个混凝土块，并将周围用填缝材料密封的情况的图。

[图6] 例示出堵塞2个混凝土块间的间隙的情况的图。

[图7] 例示出在堵塞了间隙的2个混凝土块的上部覆盖水的情况的图。

具体实施方式

混凝土是通过将水泥、骨料、水、混合剂投入到搅拌机中，进行混炼，组装型箱，浇注到型箱内，进行养护使得适当地进行凝结，脱模，由此制备成所期望的形状。

水泥是含有熟料和石膏，且通过水合反应或聚合等而硬化的粉体，所述熟料是通过混合石灰石、粘土等并进行焙烧而生成的。骨料利用砂砾或砂等，减少水泥的比例，抑制由水泥的水合反应引起的发热和水分的蒸发所导致的收缩。混合剂是为了提高强度和耐久性、调整凝结速度等而添加的药剂。

养护是管理温度和水分含量直至混凝土充分硬化的操作。在养护操作中，用油布等覆盖混凝土，利用加热器等将温度保持在适当温度，且进行洒水等而将水分含量保持在规定量。

混凝土含有多余的水分，由于多余水分蒸发所引起的干燥收缩、温度变化、湿度变化、暴露于雨或二氧化碳、冻害，另外，受到建筑物的重量或地震力等来自外部的负荷，从而产生裂纹。

混凝土的裂纹只要是某一定程度的宽度就是可允许的。另一方面，对于超过该宽度的裂纹宽度，要求实施适当的处理。在需要处理的裂纹中，存在从裂纹宽度低于0.2mm的小裂纹到0.2mm以上的大裂纹。参照图1对修补这两者的方法进行说明。

图1是表示修补在混凝土中形成的裂纹的操作的流程的流程图。操作从步骤100开始，在步骤101中，清扫混凝土表面的基底等来进行处理，以便容易注入用于修补的溶液。基底的清扫例如通过使用刷子、基于清水的高压水、金属丝刷等，拂去尘埃等来进行。

在混凝土10中，由于上述原因，形成如图2所示的裂纹11。图2(a)是例示出外观上看到的裂纹的图，图2(b)是放大表示用切割线A-A切割的截面的图。若形成裂纹11，则雨水和二氧化碳等经由裂纹11进入到混凝土10内，使混凝土10劣化，内部的钢筋生锈等，使耐久性降低。为了堵塞该裂纹而进行修补。

在步骤102中，测定混凝土表面的裂纹的宽度。裂纹宽度为图2(b)所示的裂纹的宽度，可使用裂纹标尺(规尺)、或通过用照相机拍摄裂纹并分析拍摄图像来计算宽度的系统等作为测定器进行测定。裂纹宽度与裂纹的大小有关，越大则雨水等越容易渗透，从而混凝土的强度降低。

在步骤103中，确认裂纹宽度是否为0.2mm以上，在0.2mm以上的情况下，进入步骤104，在低于0.2mm的情况下，进入步骤124。在步骤104中，确认裂纹宽度是否为0.3mm以上。在这里，以0.2mm、0.3mm的2个裂纹宽度为标准进行判断，但不限定于0.2mm、0.3mm，可适宜设定适当的宽度。

在裂纹宽度为0.3mm以上的情况下，进入步骤105，使用盘磨机等磨削装置，沿着裂纹形成截面为U形或V形的沟。在这种情况下，由于裂纹大，裂纹容易扩展，所以为了提高强化效果，将形成这样的沟以增加粘接面积的U形切口密封填充施工法并用。

在用基于清水的高压水或金属丝刷清扫沟内后，进入步骤106，在为了渗透得深而进行洒水后，在步骤107中，在沟内注入或喷雾或涂布含有硅酸盐的溶液(以下称为硅酸盐溶液)，使裂纹的表面成为润湿状态。通过这样成为润湿状态，将裂纹内部表面附近的混凝土改性，并且之后将无机系材料填充到裂纹中时与混凝土一体化。

关于硅酸盐溶液，例如是将硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂中的至少2种混合，并添加适量的水而制作的碱金属硅酸盐水溶液。碱金属硅酸盐水溶液是pH为11~12，硅酸盐的粒径小到约1~10nm，6~8(mPa·s)这样的低粘度的溶液。含有至少2种碱金属的理由是因为，利用水中的混合碱效应，降低碱金属离子的迁移率，由此抑制与钙离子的反应，可将碱金属离子送达至混凝土的深部，例如距表面200mm左右。另外，由于碱金属离子到达混凝土深部，所以在水分消失后以硅酸钠、硅酸钾等的形式残留的硅酸盐若事后暴露于雨水等中，则会再次使深部的钙离子溶出，与硅酸盐形成凝胶，由此提供自动修补裂纹的作用，进而可提供长期的修补性。

配合2种以上的这些硅酸盐的原因在于，与单独的硅酸盐的情况相比，硬度、密度增加，化学耐久性提高。混合硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂中的至少2种时的配合比，在混合2种的情况下，以摩尔比计可设为1:9~9:1的范围内，优选设为3:7~7:3的范围内。在混合3种的情况下，可设为5~90摩尔%的硅酸钠、5~90摩尔%的硅酸钾、5~90摩尔%的硅酸锂的配合比例，优选设为15~70摩尔%的硅酸钠、15~70摩尔%的硅酸钾、15~70摩尔%的硅酸锂的配合比例。

需说明的是，若凝胶化所需的时间过长，则无法发挥防止水等渗入的凝胶的作用，因此硅酸钠与硅酸钾的比例以摩尔比计优选在上述3:7~7:3的范围内。

另外，在特定的实施方式中，优选将如下的硅酸水溶液作为硅酸盐系混凝土改性剂并用：在选自硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂的2种硅酸盐的水溶液中，碱金属离子以1:1的等摩尔比存在。碱金属离子以摩尔比计以1:1的比例存在的硅酸盐水溶液因混合碱效应而在混凝土中深深地渗透，在长时间内将混凝土改性、保护直至深部，因此具有裂纹修补性优异的效果。

本实施方式中使用的硅酸盐水溶液无特殊限定，例如可使用含有选自硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂的硅酸盐中的至少2种的硅酸盐系混凝土改性剂，例如以碱金属元素的摩尔比计以1:1含有硅酸钠和硅酸钾的Japan Prolong Limited Company制的硅酸盐系混凝土改性剂“EVER PROLONG”。

硅酸盐中添加的水量只要是可使硅酸盐分散的量，则可以是任意的量。

作为涂布硅酸盐溶液的方法，可列举出刷涂、辊涂、喷涂等。作为喷雾硅酸盐溶液的方法，可列举出使用喷雾器的方法。在使用喷雾器时，可使其喷嘴与裂纹部紧密贴合，尝试深的渗透。作为注入硅酸盐溶液的方法，可列举出使用注油器的方法。

涂布硅酸盐溶液等后的裂纹11例如成为如图3(a)所示的情况。若参照图3(a)，则硅酸盐溶液从裂纹内部的混凝土表面渗透数mm左右的厚度，形成改性部13，且裂纹11内的露出的表面成为被硅酸盐溶液12润湿的状态。

在修补对象的混凝土板为桥面板，且有裂纹贯穿的情况下，使用注油器等充分注入，以使硅酸盐溶液在底面滞留。

在涂布硅酸盐溶液等后，在步骤108中，对整个施工面进行洒水，在润湿状态下放置。

这样在润湿状态下放置后，进入步骤109，将通过加水而流化的无机系材料作为水性填充剂注入或涂布。这是为了利用粒径较大的无机系材料在某一程度上填充裂纹。

作为无机系材料，例如可使用水泥。需说明的是，通常使用的水泥的粒子由于粒径大，因而优选为微细的粒子。由于水泥流化而成为水泥浆，从而可用手压砂浆泵注入。另外，为了改善流化，也可根据需要添加混合剂。

作为水泥，可使用波特兰水泥，但不限于此，也可以是高炉水泥、硅石水泥、粉煤灰水泥等。高炉水泥是混合有高炉矿渣的微粉和波特兰水泥的水泥，硅石水泥是混合有含有60%以上的硅石的天然硅石质混合材料和波特兰水泥的水泥。粉煤灰水泥是混合有煤的焚烧灰(粉煤灰)和波特兰水泥的水泥。

水泥浆的注入可以低浓度浆开始，在改变配比的同时，利用水-水泥比为60~80%的高浓度浆来进行。

在步骤109中填充之后的裂纹11成为图3(b)所示的情况。即，裂纹11内的某一程度的部分被水泥14填埋。这是因为，与硅酸盐溶液相比，通过加水而流化的水泥不仅粒径大，而且粘度高，因此不会像硅酸盐溶液那样立即向下方流动。

由于本方法中的裂纹填充使用水泥等无机系材料，而不使用环氧树脂或丙烯酸系的树脂等有机系材料，所以可消除材料的经年劣化的发生。另外，通过与硅酸盐溶液并用，可防止在注入的水泥薄浆中出现硬化或收缩现象，防止在裂纹面与混凝土剥离，从而防止产生新的裂纹。

涂布流化的无机系材料的方法与涂布硅酸盐溶液的方法相同，可列举出刷涂、辊涂、喷涂等。注入流化的无机系材料的方法可使用手压砂浆泵。

水泥14在经填充的裂纹11内与水反应，聚合而硬化，与混凝土10一体化。仅这样的话，无法追随此后的干燥或温度变化所引起的收缩，会产生新的裂纹。另外，随着注入的进行，裂纹宽度变小时，会产生无法注入水泥粒子的部分，从而作为缺陷残留。这样，雨水等会从缺陷进入，使混凝土劣化，使耐久性降低。

因此，在步骤110中进行洒水而使施工面充分润湿后，在步骤111中在填充了无机系材料后的混凝土表面再次喷雾或涂布硅酸盐溶液。在该操作中，在利用水泥14粗略地填充裂纹后，使硅酸盐溶液渗透到剩余的空隙中。由于在步骤107中预先利用硅酸盐溶液形成润湿状态，所以也可使硅酸盐溶液遍布于步骤109中填充的水泥14的细小粒子间。需说明的是，该硅酸盐溶液的涂布等是在经注入的无机系材料硬化为具有某一程度的强度后实施的。硬化时间的基准为12小时左右。

如上所述，由于硅酸盐溶液是硅酸盐的粒径小的低粘度的溶液，所以也渗透到水泥粒子间等狭窄的间隙中，另外，由于毛细管现象，也渗透到在垂直方向立起的沟等中，不向外部流出而保持在裂纹11内。通过使用这样的硅酸盐溶液，即使仅向混凝土表面喷雾或涂布，即使对小的裂纹也可渗透到内部。在喷洒硅酸盐溶液后，在步骤112中对整个工区进行洒水，使施工面充分润湿。

硅酸盐溶液经由水与混凝土中含有的氢氧化钙反应(凝硬反应，pozzolanicreaction)，生成碱性硅酸钙(凝胶)。具体而言，钙离子与硅酸阴离子的链键合，形成硅酸钙链，它们相互结合而发生凝胶化。通过该凝胶化，堵塞上述空隙，防止雨水等的渗入。即，如图3(c)所示，裂纹11内的被水泥14填埋的部分以外的空隙被凝胶15堵塞。

作为硅酸盐溶液，优选将上述3种材料中的特别是硅酸钠和硅酸钾混合而制作的碱金属硅酸盐水溶液。这是因为，钠离子、钾离子起到不使硅酸阴离子的链变长，反而使其变短的作用，从而使凝胶化延迟。由此，凝胶化所需要的时间变长，可使碱金属硅酸盐水溶液渗透至混凝土的深部。

在这种情况下，若凝胶化所需的时间过长，则无法发挥防止水等渗入的凝胶的作用，因此优选使硅酸钠与硅酸钾的比例以摩尔比计在上述3:7~7:3的范围内。

该硅酸盐溶液的涂布等也可采用与先前的硅酸盐溶液或流化的无机系材料的涂布等同样的方法。步骤107中使用的硅酸盐溶液和步骤111中使用的硅酸盐溶液可以是混合有相同的2种以上的碱金属硅酸盐的溶液，也可以是混合有不同的2种以上的碱金属硅酸盐的溶液。另外，在步骤107中使用的硅酸盐溶液和步骤111中使用的硅酸盐溶液中，水的添加量可设为相同的量，也可设为不同的量。

在步骤113中，在上述沟中填充无机系材料(水泥)作为填充物，以填埋沟。在填埋该沟后，在步骤114中也进行洒水，在步骤115中喷雾或涂布硅酸盐溶液。洒水以裂纹为中心在两侧数厘米的范围内进行。硅酸盐溶液的涂布等也在与洒水相同的范围内进行。这种情况下的硅酸盐溶液也可以是混合有与在步骤107或步骤111中使用的硅酸盐溶液相同的2种以上的碱金属硅酸盐的溶液，也可以是混合有与之不同的2种以上的碱金属硅酸盐的溶液。另外，水的添加量可设为与在步骤107或步骤111中使用的硅酸盐溶液相同的量，也可设为不同的量。

在涂布硅酸盐溶液等后，在步骤116中对整个工区进行洒水，使施工面充分润湿。

通过步骤104中的确认，在裂纹宽度低于0.3mm的情况下，进入步骤117，不形成上述沟而进行洒水后，在步骤118中，在具有裂纹的混凝土表面注入或喷雾或涂布硅酸盐溶液。然后，在步骤119中进行洒水，在步骤120中，注入或涂布通过加水而流化的无机系材料来进行填充。

在填充无机系材料后，在步骤121中进行洒水，在步骤122中，在填充了无机系材料后的混凝土表面喷雾或涂布硅酸盐溶液。然后，在步骤123中对整个工区进行洒水，使施工面充分润湿。

通过步骤103的确认，在裂纹宽度低于0.2mm的情况下，在步骤124中进行洒水后，在步骤125中只进行硅酸盐溶液的喷雾或涂布。这是因为，由于裂纹本身小，所以无需利用水泥粒子粗略地填充裂纹。在步骤125中，注入硅酸盐溶液，生成凝胶15而堵塞空隙。在硅酸盐溶液的涂布等之后，在步骤126中对整个工区进行洒水，使施工面充分润湿。

在步骤116或步骤123或步骤126中进行洒水后，进入步骤127，确认是否存在其它的裂纹部位，在存在的情况下，返回步骤102，对其它的裂纹也进行相同的操作。

在步骤127中确认不存在的情况下，进入步骤128，进行养护。在养护时，为了促进与混凝土中的钙的反应，可进行洒水等来供给水。在充分硬化的情况下，在步骤129中结束混凝土的裂纹的修补。

需说明的是，该操作流程为一个实例，也可以不是逐个裂纹地进行测定、涂布等，而是对所有的裂纹一次性地进行测定，然后，根据裂纹宽度进行涂布等。另外，也可以不是等待所有的涂布等再进行养护，而是每次对1个裂纹进行涂布等即进行养护。

在这里示出了为了试试用本方法修补的效果而进行的试验和试验结果。在试验中，使用2组如图4所示的以下结构，即，在透明的丙烯酸树脂制的箱20内设置从箱20的内面向中央突出的多个突起21，在多个突起21上放置具有多个孔22的板23，在板23上以一定的间隔隔开配置2个混凝土块24。需说明的是，在图4中只例示出1组的结构。

1组中，将2个混凝土块24的间隔设为0.5mm，另1组中，将2个混凝土块24的间隔设为0.75mm。然后，如图5所示，将各自的2个混凝土块24的上部周围用市售的填缝材料25密封。图5是从上方观察箱20的图。由此，由2个混凝土块24间的间隙26形成模拟的裂纹。

如图6所示，在周围用填缝材料25密封的2个混凝土块24的上表面，将以5:5的摩尔比含有硅酸钠和硅酸钾的碱金属硅酸盐水溶液27 (Japan Prolong Limited Company制，EVER PROLONG)涂布在2个混凝土块24的上表面，使表面成为润湿状态。另外，硅酸盐溶液从间隙26内部的混凝土表面渗透数mm左右的厚度而改性，从而形成改性部28。

接着，将通过加水而流化的水泥(水泥分散液) 29涂布在2个混凝土块24的上表面。水泥29在一段时间后固化而失去粘合性。在确认失去粘合性后，将与上述相同的碱金属硅酸盐水溶液再次涂布在2个混凝土块24的上表面，养护1周。养护后的2个混凝土块24间被填充物(水泥和生成的凝胶) 30堵塞。

如图7所示，试验通过在丙烯酸树脂制的箱20的上部31覆盖水32，观察丙烯酸树脂制的箱20的底部33是否漏水来进行。上部31是箱20内的被填缝材料25和填充物30密封的2个混凝土块24的上侧的部分，底部33是箱20内的板23的下侧的部分。

对间隔设为0.5mm、0.75mm的结构的底部33观察数日，但均未观测到漏水。

由此可确认，即使裂纹宽度为0.2mm以上，也可赋予充分的防水性、止水性。

如上所述，对于复杂的混凝土的裂纹，通过将硅酸盐溶液和通过加水而流化的无机系材料组合使用，可适当地应对混凝土的裂纹。因此，本方法作为混凝土的漏水对策、止水对策有效地发挥功能。

在本发明中，除了混凝土的裂纹的改性方法以外，也可提供改性材料。改性材料由硅酸盐溶液和混合有无机系材料的水性填充材构成。为了改善流化，水性填充材也可含有混合剂。水性填充剂可通过注入或涂布来填充具有被硅酸盐溶液润湿的混凝土的表面的裂纹内部。

水性填充剂可通过在现场向无机系材料中添加水等进行混合，并根据需要添加添加剂来制备。

至此，通过上述实施方式对本发明的混凝土的改性方法进行了详细说明，但本发明不限定于上述实施方式，可在其它的实施方式或追加、变更、删除等本领域技术人员能够想到的范围内进行变更，在任一方式中只要起到本发明的作用、效果，就包含在本发明的范围内。

符号说明

10…混凝土

11…裂纹

12…硅酸盐溶液

13…改性部

14…水泥

15…凝胶

20…箱

21…突起

22…板

23…孔

24…混凝土块

25…填缝材料

26…间隙

27…碱金属硅酸盐水溶液

28…改性部

29…水泥

30…填充物

31…上部

32…水

33…底部。

Claims (9)

1.混凝土的改性方法，所述改性方法包括：

第1工序，其是在具有裂纹的混凝土的表面注入或喷雾或涂布含有硅酸盐的溶液的工序，所述硅酸盐含有硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂中的至少2种；

第2工序，其是在具有被所述含有硅酸盐的溶液润湿的混凝土的表面的裂纹内部注入或涂布通过加水而流化的无机系材料来进行填充的工序；

第3工序，其是在将所述无机系材料填充到裂纹内后的混凝土的表面喷雾或涂布含有硅酸盐的溶液的工序。

2.根据权利要求1所述的改性方法，其中，所述无机系材料为水泥，所述硅酸盐含有硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂中的至少2种。

3.根据权利要求2所述的改性方法，其中，所述硅酸盐含有硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂中的2种，且2种所述硅酸盐以摩尔比计以1:9~9:1的比例配合。

4.根据权利要求1所述的改性方法，其中，所述硅酸盐含有硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂中的2种，且2种所述硅酸盐以摩尔比计以1:1的比例配合。

5.根据权利要求1~4中任一项所述的改性方法，其包括测定在所述混凝土中形成的裂纹的宽度的第4工序，

且在测定的宽度为规定的宽度以上的情况下，实施所述第1工序、所述第2工序和第3工序。

6.根据权利要求1~5中任一项所述的改性方法，其包括在所述第3工序之后对所述混凝土洒水的第5工序。

7.根据权利要求1~6中任一项所述的改性方法，其包括沿着所述裂纹形成沟的第6工序和利用填充物填充所述沟的第7工序。

8.混凝土的改性材料，所述改性材料由以下成分构成：

含有选自硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂的至少2种硅酸盐的溶液，其被注入或喷雾或涂布在具有裂纹的混凝土的表面；和

混合有无机系材料的水性填充剂，其通过注入或涂布来填充具有被所述含有硅酸盐的溶液润湿的混凝土的表面的裂纹内部；

并且，在利用所述水性填充剂填充裂纹内部后的混凝土的表面上，喷雾或涂布所述含有硅酸盐的溶液。

9.根据权利要求8所述的改性材料，其中，所述溶液以等摩尔含有至少钠元素和钾元素。

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