CN114956648A - 一种混凝土防水剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种混凝土防水剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种混凝土防水剂及其制备方法和应用，所述混凝土防水剂包含以下重量份数的组分：TPU10～30重量份和纳米二氧化硅1～8重量份，本发明提供了一种复合防水剂，该防水剂能够有效提高混凝土的防水性能的同时不牺牲混凝土的力学性能和抗碳化性能。

Description

一种混凝土防水剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种混凝土防水剂及其制备方法和应用。
背景技术
混凝土防水剂是一种能够填塞毛细通道、降低吸水性和静水压力下透水性的外加剂。它可以显著提高混凝土的抗渗性能，使混凝土防水憎水作用增强，从而使混凝土的渗水、吸水量减少，提高混凝土的耐久性。
TPU是(Thermoplastic polyurethanes)名称为热塑性聚氨酯弹性体橡胶，其具有耐水、机械强度高、耐寒性突出的优点。目前未见将TPU作为混凝土防水添加剂的用途。
纳米材料具有良好的表面效应和尺寸效应等性能，其在混凝土中主要表现出如下几个重要作用：①纳米填充效应：纳米材料可以填充水泥基材料内部的毛细孔，使混凝土内部机构更加密实，有效降低水泥基材料中总孔隙率，细化孔隙，降低临界孔径，提高水泥基材料的密实度和耐久性；②化学活性：纳米材料加入到水泥基材料中能够直接参与水泥化过程，也能够与水化产物发生二次水化反应，促进水泥水化的进程，提高混凝土强度，尤其是早期强度。但是多数研究显示，纳米材料的加入虽然能够弥补防水剂加入带来的早期强度的损失，但是掺入一定量的纳米材料后，相对于单掺防水剂，混凝土的抗碳化能力反而有所降低[1]。
目前未见纳米材料与TPU复配作为防水剂，并研究其对混凝土防水及其他性能影响的研究。
参考文献：
廖建平.纳米改性复合防水剂对混凝土性能的影响[D].浙江大学,2014.
发明内容
本发明目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种混凝土防水剂，所述防水剂由TPU与不同粒径的纳米二氧化硅复配而成，该防水剂既具备理想的防水抗渗性能又不影响混凝土的其他性能。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种混凝土防水剂，包含以下重量份数的组分：
TPU 10～30重量份；和
纳米二氧化硅 1～8重量份。
本文所述TPU可以是聚醚型或者聚酯型，两者与纳米二氧化硅复配作为防水剂效果差不多。优选地，当所述TPU为聚酯型时，其可采用常规的技术制备而成，优选地，所述TPU的制备方法为：
在反应釜中加入聚酯多元醇、催化剂，设置温度为90～110℃，搅拌；加入二异氰酸酯、扩链剂，反应结束后出料，塑化后挤出，切成粒径均匀的圆形颗粒，即得。
进一步地，所述聚酯多元醇的数均分子量为2000。
进一步地，所述催化剂为有机锡类催化剂。
进一步地，所述扩链剂选自1,4-丁二醇、氢醌-双(β-羟乙基)醚或1,6-己二醇中的一种或几种。
进一步地，所述二异氰酸酯为4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯、亚苯基-1,4-二异氰酸酯、萘-1,5-二异氰酸酯或二苯甲烷-3,3'-二甲氧基-4,4'-二异氰酸酯中的一种。
进一步地，所述TPU的制备方法中，各反应组分之间的重量份数为：
所述聚酯多元醇为40～55重量份；
所述二异氰酸酯为27～30重量份；
所述扩链剂为5～8重量份；
所述催化剂为0.02～0.05重量份。
在本发明其中一个实施方案中，纳米二氧化硅的平均粒径为30-50nm，优选为30nm或50nm。通过比较单独掺入TPU或者单独掺入纳米二氧化硅后混凝土抗压强度、抗水防渗、抗碳化等性能发现，单独掺入TPU后混凝土抗水防渗以及3d、7d和28d抗压强度明显提高，但混凝土抗碳化性能反而比不掺入TPU低；单独掺入纳米二氧化硅(30nm)后混凝土防水抗渗效果有明显提升，早期强度提升也明显，但混凝土抗碳化性能反而比不掺入纳米二氧化硅低；然而当复合掺入TPU和纳米二氧化硅(30nm)后，混凝土抗水防渗性能、抗氯离子渗透能力提升更大，但是混凝土的抗碳化能力与不掺入防水剂相比更低，显示复合掺入TPU和纳米二氧化硅(30nm)时对于混凝土防水抗渗及强度的提升效应是叠加的，同时对于混凝土抗碳化的负面效应也是叠加的。
进一步地，所述纳米二氧化硅由平均粒径为30-50nm的部分和平均粒径为500-700nm的部分组成；所述500-700nm的部分不超过所述纳米二氧化硅总重量的15％。之所以这样限定是因为，若体系中大粒径的部分超过15％将会导致混凝土的防水抗渗性能有所下降，因为更小粒径的部分更能够使混凝土的结构更加密实。
通常认为，粒径较小的部分对防水性能的提升是更为有利的，因为更小的部分更容易在混凝土的空隙中形成堆积，提高混凝土密实性。然而，在TPU的基础上同时掺入较大粒径的部分和较小粒径部分的纳米二氧化硅对混凝土防水抗渗性能提升更大，同时本发明人出人意料地发现对于混凝土的抗碳化性能也有较大程度的加成。对于防水抗渗性能的提升发明人推测可能是不同粒径的纳米二氧化硅形成的空间堆叠效应更紧密，使得混凝土更密实；但对于抗碳化性能的加成，发明人尚未发现具体原因。但可以肯定的是，这种特殊的效果只表现在特定的粒径的纳米二氧化硅组合之间，并且较大粒径的部分所占二氧化硅总量的重量比不超过15％。这是因为在实验中发现，随着较大粒径纳米二氧化硅的掺入，混凝土的抗碳化性能呈现逐渐上升后下降的趋势，在掺入量为15％时达到峰值，掺入超过15％的较大粒径的纳米二氧化硅反而会使得防水效果有所降低。
一般认为，水胶比对于混凝土的抗碳化性能影响非常大，随着水胶比的增大，碳化深度增大即混凝土抗碳化能力变弱。这是由于水胶比增大使得混凝土的致密性较低，气体扩散变得容易，所以碳化程度加深。[徐海涛,覃爽.混凝土抗碳化性能的研究.]而属于意外地发现，本发明所述复合防水剂可应用于水胶比为较大的混凝土体系中也能获得让人接受的防水抗渗、抗碳化和力学性能。
虽然本发明强调了上述复合防水剂在较大水胶比混凝土体系中的应用效果，但是并不代表否认它在低水胶比混凝土体系中的效果。在低水胶比混凝土体系中掺入复合防水剂，对混凝土的抗碳化能力亦是有所加成的。
进一步地，所述TPU的粒径为0.1～1mm。本发明制备的TPU是圆形颗粒状，这为了使其与混凝土及纳米二氧化硅产生紧密的接触。
本发明另一目的在于提供所述防水剂的制备方法，包括：
按照配方及其重量比将各组分加入到高速搅拌机中混合均匀后即得。
本发明另一目的在于提供所述防水剂在制备防水混凝土中的用途。所述防水混凝土的水胶比可以在0.3～0.45的范围内(防水混凝土水胶比不宜高于0.5)，可以是0.3、0.35、0.38、0.4、0.42或0.45，在这些范围值中，＞0.4属于较大的水胶比，因为该水胶比下，混凝土的抗碳化能力较弱。
本发明另一目的在于提供一种防水混凝土，包括以下重量份数的组分：水泥、砂、碎石、防水剂、减水剂和水。
所述防水混凝土中，所述水泥可选择P.O42.5普通硅酸盐水泥；砂石可以选择细度模数为2.5～2.8的中砂；所述碎石子的粒径为5～30mm。
在水胶比较大的混凝土体系中掺入所述复合防水剂时，最好加入减水剂，所述减水剂可选择本领域通用的种类，只要不影响复合防水剂的效果即可。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种复合防水剂，该防水剂能够有效提高混凝土的防水性能，同时不牺牲混凝土的力学性能和抗碳化性能。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
TPU颗粒的制备
在反应釜中加入聚酯多元醇、二月桂酸二丁基锡，设置温度为92℃，搅拌；加入4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯、1,4-丁二醇，反应结束后出料，塑化后挤出，切成粒径均匀的圆形颗粒(0.5mm)，即得；所述聚酯多元醇的数均分子量为2000；各原料用量为：聚酯多元醇50重量份、4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯22重量份；、1,4-丁二醇5重量份；二月桂酸二丁基锡0.02重量份。
表1：复合防水剂
Figure BDA0003699491020000041
Figure BDA0003699491020000051
试验一
按下表2混凝土配方将各组分拌和均匀，在模具中浇筑成型，固化后拆模放入养护箱中标准养护(温度20℃±2℃，相对湿度95％以上)3d、7d和28d后进行抗压强度试验、抗水防渗试验、抗碳化能力试验和抗氯离子渗透试验。
表:2混凝土配方
Figure BDA0003699491020000052
Figure BDA0003699491020000061
防水剂或减水剂掺量＝防水剂或减水剂/胶凝材料的用量；其中减水剂为VI VID-500聚羧酸系高性能减水剂。
混凝土拌和方法：先将碎石投入拌和筒内，再投入1/2的砂子；将防水剂投入水泥中混合均匀后投入拌和筒内，加入剩下的1/2砂子；将减水剂和水混合均匀后，开启搅拌机，一边搅拌一边缓慢倒入减水剂，搅拌均匀。
1.1抗压强度试验：参考中华人民共和国国家标准GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，测定1#～11#混凝土时间的抗压强度。抗压强度试验的试件是100mm×100mm×100mm的立方体，试验结果如表3所示。
1.2抗水防渗试验：参考GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，试验龄期为28d，测定硬化混凝土在恒定水压力下的平均渗水高度来表示混凝土的抗水防渗性能，试验结果如表4所示。
1.3抗碳化能力试验：采用混凝土碳化试验箱(二氧化碳浓度20％±3％，温度20℃±2℃，相对湿度70％±5％)，将试件从养护箱中取出，于60℃烘箱中烘48h。将试件其中一对侧面用石蜡密封，在另一对侧面上以间距为10mm画沿长度方向的平行线，作为碳化深度测试点。把处理好的试件放入碳化试验箱内，间距不小于50mm；二氧化碳浓度、温度和相对湿度在试验前2d测定间隔为2h，以后间隔为4h，碳化到3d、7d和28d时取出试件并测试碳化深度，测试部分每次厚度不小于试件宽度的一半，完成后将试件端面用石蜡密封。将剖下部分清除粉末，滴上浓度为1％的酒精酚酞溶液，溶液含水20％，30S后按划线的每10mm测试碳化深度d，精确至1mm，若碳化分界线上正好有粗骨料颗粒，则可取颗粒两侧处的平均值为该点的碳化深度，结果如表3所示。
1.4抗氯离子渗透试验：按照ASTMC1202-97进行，试验龄期为28d，将养护值规定龄期的混凝土试块切割成厚为100mm×100mm×50mm的试样，放入真空饱水饱盐装置中抽真空饱水12h，然后放到夹具中，两端水槽所用溶液分别为3％的NaCl溶液和0.3mol/L的NaOH溶液，在60V的外加电场下，持续通电6小时候测定混凝土试件的总电量，通过混凝土的电量高低来判断混凝土的抗氯离子渗透能力，结果如表4所示。
表3：混凝土抗压强度
Figure BDA0003699491020000071
抗压强度单位是MPa；碳化深度单位是mm。
从表3可看出，单掺入TPU后，对混凝土抗压强度是有利的，但是抗碳化能力却反而有所降低；与单掺入不同粒径的纳米二氧化硅对混凝土的趋势大致相同，两者单独掺入均能不同程度地提高混凝土的强度，但是对混凝土的抗碳化性能存在负面影响。而当掺入特定粒径特定含量的纳米二氧化硅+TPU后，混凝土的强度和抗碳化性能同时得到了有效地改善。
表4：抗水防渗性能
Figure BDA0003699491020000072
Figure BDA0003699491020000081
由表4可看出，单掺入TPU后混凝土的防水抗渗性能有提升，但是不如复惨TPU+特定粒径的纳米二氧化硅效果好。
最后所应当说明的是，以上实施例用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种混凝土防水剂，其特征在于，包含以下重量份数的组分：
TPU 10～30重量份；和
纳米二氧化硅 1～8重量份。
2.根据权利要求1所述防水剂，其特征在于，所述纳米二氧化硅由平均粒径为30-50nm的部分和平均粒径为500-700nm的部分组成。
3.根据权利要求2所述防水剂，其特征在于，所述500-700nm的部分不超过所述纳米二氧化硅总重量的15％。
4.根据权利要求1～3任一所述防水剂，其特征在于，所述TPU的粒径为0.1～1mm。
5.根据权利要求4所述防水剂，其特征在于，所述TPU的制备方法为：
在反应釜中加入聚酯多元醇、催化剂，设置温度为90～110℃，搅拌；加入二异氰酸酯、扩链剂，反应结束后出料，塑化后挤出，切成粒径均匀的圆形颗粒，即得。
6.根据权利要求5所述防水剂，其特征在于，所述聚酯多元醇的数均分子量为2000；所述催化剂为有机锡类催化剂；所述扩链剂选自1,4-丁二醇、氢醌-双(β-羟乙基)醚或1,6-己二醇中的一种或几种；所述二异氰酸酯为4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯、亚苯基-1,4-二异氰酸酯、萘-1,5-二异氰酸酯或二苯甲烷-3,3'-二甲氧基-4,4'-二异氰酸酯中的一种。
7.根据权利要求5所述防水剂，其特征在于，所述TPU的制备方法中，各反应组分之间的重量份数为：
所述聚酯多元醇为40～55重量份；
所述二异氰酸酯为20～30重量份；
所述扩链剂为5～8重量份；
所述催化剂为0.02～0.05重量份。
8.根据权利要求1～7任一项所述防水剂的制备方法，其特征在于，包括：
按照配方及其重量比将各组分加入到高速搅拌机中混合均匀后即得。
9.根据权利要求1～7任一项所述防水剂在制备防水混凝土中的用途。
10.一种防水混凝土，其特征在于，包括以下重量份数的组分：水泥、砂、碎石、根据权利要求1～7任一项所述防水剂、减水剂和水。
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