CN113135685B

CN113135685B - 一种防水材料、水泥及混凝土

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Publication number: CN113135685B
Application number: CN202110483394.0A
Authority: CN
Inventors: 郑仕跃; 周权峰; 杨黔; 王晓雄; 朱应; 关瑞士; 冯安治; 彭文彬; 刘燚; 周靖尧; 李斌; 陈平; 龚国欢; 王刚; 苏航; 邹昊天; 余国宇; 陈少欣; 都洪涛
Original assignee: Guizhou Hongxin Chuangda Engineering Detection & Consultation Co ltd; China Overseas Construction Ltd
Current assignee: Guizhou Hongxin Chuangda Engineering Detection & Consultation Co ltd; China Overseas Construction Ltd
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2023-03-21
Anticipated expiration: 2041-04-30
Also published as: CN113135685A

Abstract

本发明实施例涉及混凝土防水技术领域，具体涉及一种防水材料、水泥及混凝土，所述防水材料包括：按质量分数计，聚硅氮烷1％‑5％、纳米级二氧化硅1％‑10％、硅酸钠30％‑50％、碳酸钙5％‑20％、石英砂10％‑30％、络合剂0.5％‑3％及表面活性剂0.1％‑1％。通过上述方式，本发明实施例的防水材料掺入混凝土的水泥中可有效提升混凝土建筑的抗渗性能及抗溶蚀性能。

Description

一种防水材料、水泥及混凝土

技术领域

本发明实施例涉及混凝土防水技术领域，具体涉及一种防水材料、水泥及混凝土。

背景技术

喀斯特地貌(Karst Landform)，是具有溶蚀力的水对可溶性岩石进行溶蚀等作用所形成的地表和地下形态的总称，以斯洛文尼亚的喀斯特高原命名，中国亦称之为岩溶地貌，为中国五大造型地貌之一。

喀斯特地貌会破坏隧道结构，给隧道的营运带来安全隐患，隧道长期的渗水及漏水造成建筑结构物的承载增大，进而加速隧道初期支护结构的老化及钢筋的锈蚀，缩短建筑使用寿命。现有的混凝土用防水材料仅具备防水性能，在具有溶蚀性的环境中防护能力差且防护周期短。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供一种防水材料、水泥及混凝土，以能够提升建筑的抗渗性能及抗溶蚀性能。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种防水材料，用于混凝土，包括：按质量分数计，聚硅氮烷1％-5％、纳米级二氧化硅1％-10％、硅酸钠30％-50％、碳酸钙5％-20％、石英砂10％-30％、络合剂0.5％-3％及表面活性剂0.1％-1％。

在一种可选的方式中，所述纳米级二氧化硅包括气相法纳米二氧化硅。

在一种可选的方式中，所述碳酸钙包括轻质碳酸钙。

在一种可选的方式中，所述络合剂包括乙二胺四乙酸二钠。

在一种可选的方式中，所述表面活性剂为非离子型表面活性剂。

在一种可选的方式中，所述非离子型表面活性剂包括聚乙二醇和聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物中的至少一种。

在一种可选的方式中，按质量计，所述聚硅氮烷的含量为4％-5％；和/或所述纳米级二氧化硅的含量为7-10％。

根据本发明实施例的另一个方面，提供一种水泥，包括所述防水材料，以及主体材料，按质量分数计，所述防水材料的含量为2％-5％，所述主体材料为余量。

在一种可选的方式中，按质量分数计，

所述水泥用于公路混凝土工程，所述防水材料与所述水泥的含量为2％-3％；或

所述水泥用于地下室、涵洞、桥梁、堤坝混凝土工程，所述防水材料的含量为3％-5％；或

所述水泥用于墙壁、屋顶、地面混凝土，所述防水材料与的含量为3.5％-4.5％。

根据本发明实施例的又一个方面，提供一种混凝土，包括所述水泥，以及骨料和水。

本发明实施例的防水材料用于掺入混凝土的水泥中，从而使制得的混凝土在符合机械结构强度要求的同时，具有良好的抗渗性能及抗腐蚀性能。根据本发明实施例的原料及配比制得的防水材料有效改善了混凝土中的微孔结构，提高混凝土中的固液接触角，增加混凝土在抗渗实验中所能承受的最大水压，从而显著提升混凝土的抗渗性能和抗腐蚀性能，适用于水具有溶蚀力的喀斯特地貌环境中，并且可有效应用于各类混凝土工程，尤其是隧道、桥梁等潮湿、封闭的混凝土工程，从而提高混凝土结构抗渗性能，增加混凝土结构的使用寿命。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

具体实施方式

下面将对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

以贵州为中心的西南喀斯特地貌是世界范围面积最大、最集中连片的喀斯特生态脆弱区，面积超过55×10⁴平方公里，是喀斯特发育最典型、最复杂、景观类型最丰富的一个片区。喀斯特地貌中具有溶蚀力的水对可溶性岩石和混凝土进行溶蚀等作用，除了溶蚀作用以外，还包括流水的冲蚀，以及塌陷等机械侵蚀过程，喀什特地貌的形成是在地下水长期溶蚀的结果。

混凝土的在喀斯特地貌的溶蚀作用下强度降低，危害到工程结构的安全，尤其是潮湿且相对封闭的隧道工程。

隧道混凝土结构防水主要包含以下几种方式：

级配防水混凝土：通过不同级配的砂石使孔隙率降到最小，进而提高混凝土的密实度，以达到防水的目的。缺点是，耐水压能力较弱。

富砂浆防水混凝土：灰砂比在1:2至1:2.5之间，砂率在35％至40％之间，砂子粒径要小于等于40mm，养护龄期在14d以上，其防水性能的好坏主要与水泥砂浆的质量有关。缺点是，砂浆需要有一定的厚度，会削弱石子的骨架作用，这样不但降低了混凝土的抗压强度，还会使水泥的用量提高，增加成本。

普通外加剂防水混凝土：利用外加剂改善混凝土的流动性以及内部结构，使混凝土的致密性得到提高，以达到防水目的，其防水性能强，施工简单。缺点是，环境适应性不强，对于具有溶蚀性的环境，防护周期会缩短。

鉴于上述问题，根据本发明实施例的一个方面，提供一种防水材料，用于混凝土，以能够有效提升混凝土建筑的抗渗性能及抗溶蚀能力。

防水材料包括：按质量分数计，聚硅氮烷1％-5％、纳米级二氧化硅1％-10％、硅酸钠30％-50％、碳酸钙5％-20％、石英砂10％-30％、络合剂0.5％-3％及表面活性剂0.1-1％。

在一些实施例中，所述纳米级二氧化硅可以包括气相法纳米二氧化硅。

气相法纳米二氧化硅是硅的卤化物在氢氧火焰中高温水解生成的纳米级白色粉末，俗称气相法白炭黑，它是一种无定形二氧化硅产品，原生粒径在7-40nm之间，聚集粒径约为200-500nm，比表面积100-400m²/g，纯度高，SiO₂含量不小于99.8％。

气相法纳米二氧化硅生产工艺成熟，物理及化学性能良好，粒子大小、比表面积及表面活性理想，并且粒度分布好，具有良好的分散性，因此可有效避免混合不匀的情况。

在另外一些实施例中，所述纳米级二氧化硅也可以包括沉淀法纳米二氧化硅。

沉淀法纳米二氧化硅是硅酸盐通过酸化获得疏松、细分散的、以絮状结构沉淀出来的二氧化硅粉末。该方法原料易得，生产流程简单且能耗低，可有效降低防水材料的生产成本。

在一些实施例中，碳酸钙可以包括轻质碳酸钙。

轻质碳酸钙又称沉淀碳酸钙，其沉降体积(2.4-2.8mL/g)比机械方法生产的重质碳酸钙的沉降体积(1.1-1.9mL/g)大。轻质碳酸钙的沉降体积在2.4mL/g以上，比表面积为5m²/g左右，轻质碳酸钙颗粒微细、表面较粗糙且比表面积大，因此具有良好的分散性，有利于在混合液中均匀混合。可以理解，在其他实施例中，也可以采用重质碳酸钙。

在一些实施例中，所述络合剂可以包括乙二胺四乙酸二钠。

乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)，是化学中一种良好的配合剂，化学式为C₁₀H₁₄N₂Na₂O₈，它有六个配合位原子，形成的配合物叫螯合物。乙二胺四乙酸二钠是一种重要的络合剂，由于其在水及酸中的溶解度很小，因此用于络合金属离子和分离金属。可以理解，在其他实施例中，络合剂也可以采用羟基羧酸盐。

在一些实施例中，表面活性剂可以包括非离子型表面活性剂。

非离子表面活性剂是分子中含有在水中不离解的醚基为主要亲水基的表面活性剂，其表面活性由中性分子体现出来。非离子型表面活性剂具有很高的表面活性，溶水性能良好，即使在低温的冷水中，非离子表面活性剂也能完全溶解，从而使其充分融合发挥活性剂的性能。溶液中的非离子型表面活性剂不是以离子状态存在的，相对来说性能更稳定，不会由于其他介质的影响而改变性能。非离子型表面活性剂的相容性稳定并且具有显著的吸附性，能够迅速的沾黏在被使用物体上发挥作用。可以理解，在其他的实施例中，表面活性剂也可以采用其他类型的表面活性剂，例如可以为阴离子表面活性剂。

在一些实施例中，非离子型表面活性剂可以包括聚乙二醇和聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物中的至少一种。

聚乙二醇(PEG)是一种高分子聚合物，化学式是HO(CH₂CH₂O)_nH，其具有良好的水溶性，并与有机物组分有良好的相容性。聚乙二醇系列产品包括PEG200、PEG300、PEG400、PEG600等，可有效降低水表面的张力。

聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物又称聚醚，分子式为(CH₂CH₂O)_b+(CH₂CH₂O)_c。根据聚丙烯段的聚合度不同和环氧乙烷的加成分子量不同，以制得一系列非离子表面活性剂，其分子量，亲水亲油平衡值(HLB)，以及物化特性可在广泛的范围内变化，呈液体、膏状或固体。

在一些实施例中，按质量分数计，聚硅氮烷的含量可以为4％-5％；纳米级二氧化硅的含量可以为7-10％。

聚硅氮烷的含量为4％-5％，有利于充分、显著地改善混凝土中的固液接触角，使固液接触角的角度增大，从而有效且显著地提高混凝土的抗溶蚀性能。纳米级二氧化硅的含量为7％-10％，有利于充分改善混凝土的微孔结构，发挥填充及晶核作用，进而有效提升混凝土的抗渗性能和抗溶蚀性能。

根据本发明实施例的另一个方面，提供一种水泥，包括防水材料及主体材料，按重量分数计，所述防水材料的含量为2％-5％，所述主体材料为余量。

需要说明的是，防水材料相当于等量替换2％-5％的部分现有水泥，从而制备成本发明实施例所提供的水泥。

根据本发明实施例的又一个方面，提供一种混凝土，包括水泥、骨料和水。

需要说明的是，水泥、骨料及水的配比为现有技术，混凝土采用上述实施例所述的水泥，从而制备出具有良好抗渗性能及抗溶蚀性能的混凝土。

为了在有效提升混凝土抗渗性能和抗溶蚀性能的同时，不影响混凝土自身结构的稳定性，因此将防水材料相对于水泥的质量分数范围控制在2％-5％。

在一些实施例中，根据水泥所应用的工程或场景的不同，对其的所需的性能有不同的要求。例如当水泥用于公路混凝土工程时，由于处于较干燥的环境下，因此对混凝土的抗渗性能及抗溶蚀性能要求较低，防水材料相对于水泥的质量分数为2％-3％。当水泥用于地下室、涵洞、桥梁及堤坝混凝土工程时，由于处于长期潮湿的恶劣环境，对混凝土的抗渗性能及抗溶蚀性能要求高，因此防水材料相对于水泥的质量分数为3％-5％。当水泥用于墙壁、屋顶或地面混凝土时，建筑所处环境相对较好，但是会根据自然因素(例如地势潮湿、暴雨天气等)或人为因素(例如水管漏水造成渗水等)的变化发生变化，因此对混凝土的抗渗性能及抗溶蚀性能要求相对适中，防水材料相对于水泥的质量分数为3.5％-4.5％。

下面将结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

下述实施例的混凝土中，所有材料的含量均以质量分数计算，纳米级二氧化硅采用气相法纳米二氧化硅，碳酸钙采用轻质碳酸钙，络合剂采用乙二胺四乙酸二钠，表面活性剂采用聚乙二醇。

混凝土制备方法为将防水材料均匀撒在水泥中，搅拌混合，时间为2分钟，搅拌时需保证防水材料分散均匀全面。

对照实施例：

水泥中不添加防水材料。

实施例1：

聚硅氮烷2％；气相法纳米二氧化硅5％；硅酸钠50％；轻质碳酸钙20％；石英砂21％；乙二胺四乙酸二钠1％；聚乙二醇1％。

实施例2：

聚硅氮烷5％；气相法纳米二氧化硅10％；硅酸钠37％；轻质碳酸钙15％；石英砂30％；乙二胺四乙酸二钠2.2％；聚乙二醇0.8％。

实施例3：

聚硅氮烷1％；气相法纳米二氧化硅2％；硅酸钠47％；轻质碳酸钙19％；石英砂28％；乙二胺四乙酸二钠2.3％；聚乙二醇0.7％。

实施例4：

聚硅氮烷3.4％；气相法纳米二氧化硅1％；硅酸钠50％；轻质碳酸钙20％；石英砂25％；乙二胺四乙酸二钠0.5％；聚乙二醇0.1％。

实施例5：

聚硅氮烷5％；气相法纳米二氧化硅10％；硅酸钠31％；轻质碳酸钙20％；石英砂30％；乙二胺四乙酸二钠3％；聚乙二醇1％。

实施例6：

聚硅氮烷4.5％；气相法纳米二氧化硅8％；硅酸钠50％；轻质碳酸钙5％；石英砂30％；乙二胺四乙酸二钠2.2％；聚乙二醇0.3％。

实施例7：

聚硅氮烷4％；气相法纳米二氧化硅7％；硅酸钠48％；轻质碳酸钙10％；石英砂27.7％；乙二胺四乙酸二钠2.8％；聚乙二醇0.5％。

实施例8：

聚硅氮烷5％；气相法纳米二氧化硅10％；硅酸钠50％；轻质碳酸钙20％；石英砂11％；乙二胺四乙酸二钠3％；聚乙二醇1％。

实施例9：

聚硅氮烷3.6％；气相法纳米二氧化硅9％；硅酸钠49％；轻质碳酸钙20％；石英砂16％；乙二胺四乙酸二钠2％；聚乙二醇0.4％。

按照《水泥基渗透结晶型防水材料》(GB 18445)要求对各实施例进行抗渗实验，结果见表1：

对上述各实施例采用直接法溶蚀试件，测量其强度，结构见表2：

可见，在混凝土的水泥中掺入防水材料后，混凝土的二次抗渗压力有了显著提高，最高可达1.18Mpa，二次抗渗压力比远高于GB 18445要求的标准抗渗压力比，最高可达393.33％，因此掺入本发明实施例防水材料的混凝土具有良好抗渗和抗溶蚀性能，并且制得的混凝土满足GB/T17671要求的标注抗压强度和抗折强度，适用于水具有溶蚀力的喀斯特地貌环境中，可有效应用于各类混凝土工程，尤其是隧道、桥梁等潮湿、封闭的混凝土工程，从而提高混凝土结构抗渗性能，增加混凝土结构的使用寿命。

防水材料中，硅酸钠、轻质碳酸钙和石英砂为防水材料的主体材料，其中，硅酸钠价格低，性能稳定，在保证防水材料具有稳定性能的同时，降低生产成本。纳米级二氧化硅可促进C₃S和钙矾石的形成，进而改善混凝土的微观结构，优化混凝土的微孔结构，在水泥基材料中发挥填充和晶核作用，提高混凝土的抗渗性和抗溶蚀性。聚硅氮烷是一种以Si-N键为重复单元的无机聚合物，耐高温，抗腐蚀，硬度可达8H，是具有良好力学性能的材料，聚硅氮烷可以显著改善混凝土中的固液接触角，角度可达120°(接触角大于90°时具有抗溶蚀性能)，从而有效提高混凝土的抗溶蚀性能。

当聚硅氮烷及气相法纳米二氧化硅的含量较高时，所制得的混凝土的二次抗渗压力更大，因此二次抗渗压力比更大，参照实施例2及实施例5-8，当聚硅氮烷的含量在4％-5％、气相法纳米二氧化硅的含量在7％-10％时，混凝土的二次抗渗压力均300％以上，具体为316.67％-393.33，从而混凝土具有更好的抗渗及抗溶蚀性能。

需要注意的是，除非另有说明，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本发明实施例所属领域技术人员所理解的通常意义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims

1.一种防水材料，用于掺入混凝土，其特征在于，包括：按质量分数计，

聚硅氮烷4%-5%、纳米级二氧化硅7%-10%、硅酸钠30%-50%、碳酸钙5%-20%、石英砂10%-30%、络合剂0.5%-3%及表面活性剂0.1%-1%。

2.根据权利要求1所述的防水材料，其特征在于，所述纳米级二氧化硅包括气相法纳米二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的防水材料，其特征在于，所述碳酸钙包括轻质碳酸钙。

4.根据权利要求1所述的防水材料，其特征在于，所述络合剂包括乙二胺四乙酸二钠。

5.根据权利要求1所述的防水材料，其特征在于，所述表面活性剂为非离子型表面活性剂。

6.根据权利要求5所述的防水材料，其特征在于，所述非离子型表面活性剂包括聚乙二醇和聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物中的至少一种。

7.一种水泥，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的防水材料，以及主体材料，按质量分数计，所述防水材料的含量为2%-5%，所述主体材料为余量。

8. 根据权利要求7所述的水泥，其特征在于，按质量分数计，

所述水泥用于公路混凝土工程，所述防水材料的含量为2%-3%；或

所述水泥用于地下室、涵洞、桥梁、堤坝混凝土工程，所述防水材料的含量为3%-5%；或

所述水泥用于墙壁、屋顶、地面混凝土，所述防水材料的含量为3.5%-4.5%。

9.一种混凝土，其特征在于，包括如权利要求7所述的水泥，以及骨料和水。