CN113735623A

CN113735623A - 一种混凝土防碳化抑制剂及其制备方法

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Publication number: CN113735623A
Application number: CN202110944086.3A
Authority: CN
Inventors: 张欣; 文家新; 王婧; 冒朝静
Original assignee: Chongqing Industry Polytechnic College
Current assignee: Chongqing Industry Polytechnic College
Priority date: 2021-08-17
Filing date: 2021-08-17
Publication date: 2021-12-03
Anticipated expiration: 2041-08-17
Also published as: CN113735623B

Abstract

本发明公开了一种混凝土防碳化抑制剂及其制备方法，涉及混凝土表面防护技术领域。所述防碳化抑制剂包括成膜剂、成膜促进剂、CO₂吸收剂、封孔剂和渗透剂；其中成膜剂是氟硅酸镁、氟硅酸钠和γ‑(2,3‑环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种；成膜促进剂是硅酸锂、硅酸钠及硅酸钾中的一种或几种；CO₂吸收剂为碳酸钾、碳酸钠、三乙醇胺和2,2‑二羟基二乙胺中的一种或几种；封孔剂为改性硅溶胶；渗透剂为十六烷基三甲基溴化铵、十六醇聚氧乙烯醚二甲基辛烷基氯化铵和十八烷基二甲基苄基氯化铵中的一种或几种。本发明所述的混凝土防碳化抑制剂原料易得、制备工艺简单，既可以将CO₂物理隔离，又可以吸收扩散至混凝土表面的CO₂，实现了混凝土碳化抑制双重保护。

Description

一种混凝土防碳化抑制剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及新型建筑材料技术领域，具体为一种混凝土防碳化抑制剂及其制备方法。

背景技术

混凝土的形成主要源于水泥与水之间发生的化学反应，两者之间的水化反应使得物质中产生较高强度的水化物。而石子、砂及外加剂等基本材料加入其中，便能借助强度较高的水化物使得呈现分散状态的砂和石子凝结粘合成堆，从而形成了建设工程所需的混凝土。混凝土的碳化是由于水泥和水发生反应形成的水化物与空气中的二氧化碳接触时发生了化学作用所导致的，也被称为混凝土的中性化过程。一般情况下，水泥中的矿物以硅酸三钙和硅酸二钙含量较多，约占总重的75％，水泥完全水化后，生成的水化硅酸钙凝胶约占总体积的50％，氢氧化钙约占25％，水泥石的强度主要取决于水化硅酸钙，在混凝土中水泥石的含量占总体积的25％。渗透到混凝土内部孔隙中的CO₂会与水泥水化过程中所产生的水化硅酸钙和氢氧化钙等相互作用，生成碳酸钙等产物，直至混凝土内部孔隙液pH值降低至8.5～9.0之间。混凝土碳化过程的主要化学反应可表示为：

CO₂+H₂O→H₂CO₃

Ca(OH)₂+H₂CO₃→CaCO₃+2H₂O

2CaCO·2SiO₂·3H₂O+3H₂CO₃→CaCO₃+2SiO₂+6H₂O

2CaCO·2SiO₂·4H₂O+2H₂CO₃→2CaCO₃+2SiO₂+6H₂O

混凝土碳化是在混凝土的气相、液相和固相中进行着的一个十分复杂的多相物理化学连续过程，它会导致混凝土中碱性物质被不断消耗，混凝土碱度降低，这将增加混凝土孔隙溶液中的氢离子数量，致使混凝土对钢筋的保护作用减弱。当碳化的深度超过混凝土保护层的厚度时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，使钢筋开始腐蚀，从而导致钢筋混凝土结构的强度及综合性能逐步下降。

混凝土碳化有混凝土“癌症”之说，必须对其采取有效地抑制措施。近年来，混凝土碳化抑制方法主要有优化混凝土配比、开发抗碳化水泥及外加剂、改善混凝土养护措施等，但这些方法还普遍存在着碳化抑制效果不佳、成本高或实施程序复杂等问题。因此，为解决混凝土碳化的问题，开发一种新型混凝土防碳化抑制剂及其制备方法已显十分必要。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型混凝土防碳化抑制剂及其制备方法，解决了混凝土碳化后其碱度降低，混凝土对钢筋的保护作用减弱，钢筋混凝土结构的整体强度和综合性能下降的问题，提高了钢筋混凝土结构的耐久性。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种混凝土防碳化抑制剂，包括以下组分：成膜剂、成膜促进剂、CO₂吸收剂、封孔剂和渗透剂；

其中成膜剂是氟硅酸镁、氟硅酸钠和γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种；成膜促进剂是硅酸锂、硅酸钠及硅酸钾中的一种或几种；CO₂吸收剂为碳酸钾、碳酸钠、三乙醇胺和2,2-二羟基二乙胺中的一种或几种；封孔剂为改性硅溶胶；渗透剂为十六烷基三甲基溴化铵、十六醇聚氧乙烯醚二甲基辛烷基氯化铵和十八烷基二甲基苄基氯化铵中的一种或几种。在成膜促进剂的作用下，成膜剂可在混凝土表面形成憎水性薄膜，将混凝土表面与CO₂隔离；封孔剂可以封堵防碳化膜的孔洞或缺陷；CO₂吸收剂可以吸收扩散至混凝土表面的CO₂气体；渗透剂可以促进成膜剂渗入混凝土内部，与混凝土胶凝材料反应形成类似于牙釉质的结构，提升内部混凝土的致密性，阻止CO₂向混凝土内部渗透。

优选的，所述CO₂吸收剂包括无机和有机吸收剂两种，两者的总质量浓度为7％～15％，无机和有机CO₂吸收剂的质量比例为1:3～1:1。

优选的，所述成膜剂与成膜促进剂的质量比为1:1～3:1。

优选的，所述渗透剂的质量浓度为0.2％～1％。

一种混凝土防碳化抑制剂的制备方法，包括以下具体步骤：

S1.先将100mL一定浓度的偏铝酸钠溶液缓慢加入到250g酸性硅溶胶中得到混合溶液，再将该混合溶液在一定温度下回流反应一定时间，待反应液冷却至室温后，用1mol/L的盐酸溶液将反应液pH值调节至3.0即得改性硅溶胶封孔剂；

S2.将成膜剂、成膜促进剂和无机CO₂吸收剂加入到去离子水中，一定温度下加热搅拌直至得到无色透明的溶液A；

S3.将有机CO₂吸收剂加入到无水乙醇中，配制得到无色透明溶液B；

S4.向S2中制得的溶液A中加入S3所制备溶液B、S1所制备的封孔剂溶液和少量渗透剂，加水稀释至一定体积，搅拌至完全溶解即得到乳白色的防碳化抑制剂。

优选的，所述S1中偏铝酸钠溶液的浓度为2％～10％，反应的加热温度为100～150℃，加热时间为50min～100min。

优选的，所述S2中的加热温度为35℃～70℃。

混凝土碳化和CO₂的浓度、混凝土表面含水率等有密切关系，本发明制备的防碳化抑制剂同时具有化学吸收和物理隔离CO₂的功能。一方面，本发明所提供的防碳化防护剂可在混凝土表面成膜，膜层可化学吸收扩散至混凝土表面的CO₂，其化学吸收CO₂的机理如下：

K₂CO₃→2K++CO₃ ²+

R₂NH+CO₂→R₂NCOOH

R₂NCOOH→R₂NCOO-H+H+

R₂NCOO-+H₂O→R₂NH+HCO₃-

H++CO₃ ²-→HCO₃-

K++HCHO₃ ²-→KHCO₃

其中R＝HOCHO₂CH₂—。

膜层中二氧化碳平衡浓度(分压)可通过下式进行计算：

另一方面，二氧化碳是通过混凝土表面存在的孔隙、气泡、裂缝及毛细管等缝隙缺陷而渗入到混凝土内部，致使混凝土发生碳化的；本发明所提供的防碳化抑制剂不但可以在混凝土表面形成憎水性膜层，还可以渗透进入混凝土内部，与混凝土内部胶凝材料反应，提升了混凝土的致密性，有效阻止了CO₂向混凝土内部扩散，发挥了物理隔离的功能。

(三)有益效果

本发明提供了一种混凝土防碳化抑制剂及其制备方法。具备以下有益效果：

1.本发明所提供的混凝土防碳化抑制剂及其制备方法，其原料来源广泛、制备工艺简单，既可以将CO₂与混凝土表面物理隔离，又可以吸收扩散至混凝土表面的CO₂，实现混凝土防碳化双重保护。

2.经本发明所提供的混凝土防碳化抑制剂处理的混凝土表面，养护期结束后混凝土表面的平均碳化深度仅为0.13mm，明显低于未经处理的混凝土表面平均碳化深度2.32mm，碳化抑制效果显著。

附图说明

图1为本发明碳化抑制剂的生产工艺流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1所示，先将100mL 2％的偏铝酸钠溶液缓慢加入到250g酸性硅溶胶中得到混合溶液，再将该混合溶液在120℃温度下回流反应60min，待反应液冷却至室温后，用1mol/L的盐酸溶液将反应液pH值调节至3.0即得改性硅溶胶封孔剂溶液；再将300g氟硅酸镁、150g硅酸钠和50g碳酸钾加入到去离子水中，45℃下加热搅拌直至得到无色透明的溶液A；然后，将25g三乙醇胺和25g 2,2-二羟基二乙胺加入到无水乙醇中，配制得到无色透明溶液B；最后，向溶液A中加入封孔剂溶液、溶液B和2g十六烷基三甲基溴化铵，加热搅拌至完全溶解，加水稀释至1000mL，冷却至室温后即得到乳白色的防碳化抑制剂。

实施例二：

先将100mL 6％的偏铝酸钠溶液缓慢加入到250g酸性硅溶胶中得到混合溶液，再将该混合溶液在150℃温度下回流反应90min，待反应液冷却至室温后，用1mol/L的盐酸溶液将反应液pH值调节至3.0即得改性硅溶胶封孔剂溶液；再将270g氟硅酸镁、90g硅酸钠和70g碳酸钾加入到去离子水中，55℃下加热搅拌直至得到无色透明的溶液A；然后，将70g三乙醇胺加入到无水乙醇中，配制得到无色透明溶液B；最后，向溶液A中加入封孔剂溶液、溶液B和5g十六醇聚氧乙烯醚二甲基辛烷基氯化铵，加热搅拌至完全溶解，加水稀释至1000mL，冷却至室温后即得到乳白色的防碳化抑制剂。

实施例三：

先将100mL 8％的偏铝酸钠溶液缓慢加入到250g酸性硅溶胶中得到混合溶液，再将该混合溶液在135℃温度下回流反应100min，待反应液冷却至室温后，用1mol/L的盐酸溶液将反应液pH值调节至3.0即得改性硅溶胶封孔剂溶液；再将400g氟硅酸镁、200g硅酸钠和40g碳酸钾加入到去离子水中，65℃下加热搅拌直至得到无色透明的溶液A；然后，将40g 2,2-二羟基二乙胺加入到无水乙醇中，配制得到无色透明溶液B；最后，向溶液A中加入上述制备的封孔剂溶液、溶液B和7g十八烷基二甲基苄基氯化铵，加热搅拌至完全溶解，加水稀释至1000mL，冷却至室温后即得到乳白色的防碳化抑制剂。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种混凝土防碳化抑制剂，其特征在于，包括以下组分：成膜剂、成膜促进剂、CO₂吸收剂、封孔剂和渗透剂；

其中成膜剂是氟硅酸镁、氟硅酸钠和γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种；成膜促进剂是硅酸锂、硅酸钠及硅酸钾中的一种或几种；CO₂吸收剂为碳酸钾、碳酸钠、三乙醇胺和2,2-二羟基二乙胺中的一种或几种；封孔剂为改性硅溶胶；渗透剂为十六烷基三甲基溴化铵、十六醇聚氧乙烯醚二甲基辛烷基氯化铵和十八烷基二甲基苄基氯化铵中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的一种混凝土防碳化抑制剂，其特征在于，所述CO₂吸收剂包括无机和有机吸收剂两种，两者的总质量浓度为7％～15％，无机和有机CO₂吸收剂的质量比例为1:3～1:1。

3.根据权利要求1所述的一种混凝土防碳化抑制剂，其特征在于，所述成膜剂与成膜促进剂的质量比为1:1～3:1。

4.根据权利要求1所述的一种混凝土防碳化抑制剂，其特征在于，所述渗透剂的质量浓度为0.2％～1％。

5.一种混凝土防碳化抑制剂的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

S1.先将100mL一定浓度的偏铝酸钠溶液缓慢加入到250g酸性硅溶胶中得到混合溶液，再将该混合溶液在一定温度下回流反应一定时间，待反应液冷却至室温后，用1mol/L的盐酸溶液将反应液pH值调节至3.0即可得改性硅溶胶溶液封孔剂；

S3.将有机CO₂吸收剂加入到少量无水乙醇中，配制得到无色透明溶液B；

S4.向S2中制得的溶液A中加入S3制备溶液B、S1制备的封孔剂溶液和少量渗透剂，加水稀释至一定体积，搅拌至完全溶解即得到乳白色的防碳化抑制剂。

6.根据权利要求5所述的一种混凝土防碳化抑制剂的制备方法，其特征在于：所述S1中偏铝酸钠溶液的浓度为2％～10％，反应的加热温度为100℃～150℃，加热时间为50min～100min。

7.根据权利要求5所述的一种混凝土防碳化抑制剂的制备方法，其特征在于：所述S2中的加热温度为35℃～70℃。