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JG无机水性渗透结晶型混凝土高效防护剂的研发

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作者:许永彰 李庆霖 许永彤来源:新建工防水网网址:http://www.xjgfs.com

作者:许永彰 李庆霖 许永彤 
  1 引 言
  我国的建筑物、构筑物主要采用硅酸盐系水泥混凝土浇筑,因硅酸盐水泥的主要熟料矿物——硅酸三钙和硅酸二钙的水化反应产生氢氧化钙Ca(OH)2,因此,混凝土中存在较大量的Ca(OH)2;此外,混凝土中还存在较多的毛细孔缝,正是由于这些毛细孔缝和Ca(OH)2的存在,在环境因素(如水、温度循环、干湿循环、CL-、SO42-离子等)和侵蚀性介质(如氯盐、硫酸盐等)扩散进入混凝土体内的作用下,混凝土材料及其构筑物出现劣化与性能衰减等现象,严重影响混凝土构筑物的外观质量与使用寿命。
  伴随着城市化进展的加快及工商业的迅猛发展,高层建筑、地下商场、高速公路、高速铁路、桥梁隧道、港口码头、污水处理厂等高等级建筑物及构筑物已经在军事与民用建筑及国家基础设施工程中大量建设。寻求相应的结构防水方案已经成为工程建设中的紧迫问题,开发高效新型的对混凝土具有持久防水防护作用的材料成为建材领域新的研究课题。
  用于混凝土耐久性防护的涂层材料来源虽然很广,但并不都能满足混凝土防护的要求。涂层材料至少应具备以下两个特点:(1)涂层材料自身由于长期暴露在侵蚀环境和有害介质中,经受风吹、雨打、日晒和多种外界破坏作用,必须具有很好的抗侵蚀性和抗老化性。(2)涂层材料能与混凝土表面良好地结合,并对下一道的外装饰工序和工程的整体外观无不利影响。我们通过广泛了解国内外防水材料行情和顺应市场发展趋势需求,总结各种防水材料的性能,深入分析防水机理及相关优缺点后,立项进行了无机水性渗透结晶型混凝土高效防护剂的研发,以开发出一种各项技术指标达到理想的均衡状态、具有良好的防水抗渗、全面防护效果,能够广泛应用于各类海工工程、桥梁工程等基础设施和工业与民用工程建筑防水防护的新型混凝土保护材料。由福建省宁德市建工防水科技有限公司承担的《JG无机水性渗透结晶型混凝土高效防护剂的研究与开发》科研项目今年4月26日通过了福建省科技厅组织的科技成果鉴定,鉴定委员会认为该成果创新性、实用性强,技术居国内同类研究领先水平。利用该研究成果技术开发的“混凝土DPS永凝液”,“JG-M1500无机水性渗透型密封防水剂”等系列产品具有性价比高、操作简便,迎水面、背水面均可施工,完全可以替代进口产品,已在各类建筑物和构筑物上广泛使用,取得了显著的经济效益和社会效益,深受用户好评。
  2 技术路线的选择
  如何使混凝土减低腐蚀、磨损、水溶蚀、盐剥蚀、冻融循环等因素的破坏作用,延长使用寿命,使其具有密封防水、抗风蚀碳化、耐酸碱侵蚀、耐高温灼烫等功能是本项目研究的重点也是难点。无机水性渗透型混凝土高效防护剂的研究开发需要无机化学、有机化学、物理化学及分析化学等多方面的知识基础,同时还穿插了材料结构及表面化学等方面的理论基础,产品具有较高的技术含量。
  我们确定了JG无机水性渗透结晶型混凝土高效防护剂以碱金属硅酸盐溶液及惰性材料为基料,加入催化剂、助剂,混合反应配制的技术路线。它不同于传统有机材料,喷涂后不在混凝土表面形成涂膜,也不同于水泥基渗透结晶型防水材料,它是无机液体,不含水泥粉末;可渗透至混凝土内部结晶形成永久性防护层,具有与混凝土结构的相融性;它以水为载体,随着水对混凝土结构孔隙进行渗透,被流渗到砼结构内部的孔缝中,催化硅酸钙与水泥水化反应过程中析出的Ca(OH)2与硅酸钙交互反应,形成了不溶于水的枝蔓状纤维结晶物,在混凝土结构内部吸水膨胀,使结构中的毛细孔缝得到充盈密实,从而有效提高了混凝土结构的抗渗水能力,并提高混凝土结构的致密性,在涂层中起到密实抗渗的作用。随着时间(一般为1~7d)的发展,结晶量递增,在防水涂层中渗透结晶相结合,增强结构整体的抗渗能力。由于活性化学物质多年后还能被水激活,继续起到催化作用,因此混凝土结构即使局部受损渗漏(裂缝小于0.3mm)在结晶作用下,会自行修补愈合并具有多次抗渗能力,具有渗透性、可封闭水泥砂浆与混凝土毛细孔通道和裂纹功能的防水防护材料。从而在本质上改变了普通混凝土结构体积不稳定而再次带来的裂渗。
  本研究项目开发的产品的技术指标是结合了混凝土工程对防护剂的要求,参考了国内外同类产品的技术资料、企业标准及有关专家的意见,同时在国内外主要生产、经销1500防水剂、DPS永凝液防水剂企业的产品多次反复试验验证的基础上而制定设计配方的。
  2.1密度
  由于防护剂是与砂浆和混凝土内部的碱性物质起反应来封闭毛细孔的,为了保证有足够的反应物,促使凝胶体的生成,我们研究了产品的密度。密度不仅反映了产品有效物质的含量,同时密度也与凝胶化时间有直接的关系:密度大,凝胶化时间就短;密度小,凝胶化时间就长。国家行业标准规定了防水剂的密度为:I型产品不小于1.10g/㎝3,Ⅱ型产品不小于1.07g/㎝3。密度检测按照GB/T 8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》中5.3款精密密度计法进行,直接测试液体样品。经福建省建筑工程质量检测中心有限公司抽样检测,《JG无机水性渗透结晶型混凝土高效防护剂》的密度为1.10g/cm3。
  2.2 pH值
  防护剂是直接用于砂浆、混凝土砂浆和混凝土表面的,产品的pH值须与硅酸盐水泥的pH值基一致。 因为产品只有在该pH值条件下,才能与砂浆和混疑土内部的碱性物质起反应;同时又不腐蚀混凝土、不对钢筋产生锈蚀。国家行业标准规定防水剂pH值I型产品在13±1的范围内,Ⅱ型产品在11±1的范围内。此pH值与硅酸盐水泥的pH值基本一致,能保证防水剂对水泥砂浆或混凝土的适应性的同时增加建筑物表层的碱度,提高其耐久性。pH值检测按照GB/T8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》第7章规定进行。经福建省建筑工程质量检测中心有限公司抽样检测,《JG无机水性渗透结晶型混凝土高效防护剂》的pH值为12。
  2.3粘度
  粘度是通过控制碱金属硅酸盐溶液基料、添加剂、稀释剂含量来决定的,控制粘度对催化剂的性能及原料之间的匹配性提出了要求,因为粘度越高,防水剂的渗透性越差,渗透所需的时间会增长。在保证有效物质含量的同时,适宜的粘度才能有良好的渗透性。国家行业标准粘度规定在(11.0±1.0 s)范围内,粘度测定按GB 1723-1993《涂料粘度测定法》中5.3款规定进行。经福建省建筑工程质量检测中心有限公司抽样检测,《JG无机水性渗透结晶型混凝土高效防护剂》的粘度为11.6s。                  
  2.4表面张力
  表面张力的大小主要由催化剂的性能及加量所决定。在防水剂具有优异的水溶性的情况下,较小的表面张力有利于增加防水剂对水泥砂浆及混凝土的渗透能力,并能提高其与砂浆、混凝土内部物质的反应能力,并能提高其与砂浆、混凝土内部物质的反应能力,因此表面张力是控制防水剂性能的一项重要指标。
  表面张力检测按照GB/T 8077-2000《混凝土外加剂匀质N性试验方法》第8章规定进行。直接测试液体样品,被测溶液的温度为(20±1)℃,被测样品必须清澈,如有沉淀应滤去。国家行业标准提出的表面张力确定控制值:I型产品为不大于26mN/m,Ⅱ型产品为不大于36mN/m。经福建省建筑工程质量检测中心有限公司抽样检测,《JG无机水性渗透结晶型混凝土高效防护剂》的表面张力为25.0 mN/m。
  2.5凝胶化时间
  凝胶化时间是指水性渗透型无机防水剂与水泥建筑物中碱类物质反应所需的时间。反应过快,过早封闭毛细孔通道,使渗透深度降低;过慢,则延长了施工时间,同时也说明参与反应的活性物质的浓度偏低,两者都会使防水效果减弱。
  检测凝胶化时间的方法是在Ca(OH)2溶液中加入离子水,用玻璃棒搅拌2 min,均匀后缓缓注人防水剂试样,随即开始计时,匀速搅拌5 min后静置。将玻璃烧杯左右轻晃,观察其液面波动情况,以试样液面开始产生凝胶并与烧杯壁呈粘附状为初凝时间,以烧杯倾斜45°角试样表面无流动呈完全凝胶状时所需时间为终凝时间。以三次试样测试平均值表示初、终凝胶时间,精确至min。凝胶化时间I型产品初凝:(120±30)min,终凝:(180±30)min;Ⅱ型产品由于初凝不明显,终凝控制在400 min以内。经福建省建筑工程质量检测中心有限公司抽样检测,《JG无机水性渗透结晶型混凝土高效防护剂》的凝胶化时间为初凝:105min,终凝:160min。
  2.6抗渗性
  抗渗性是防水剂性能指标中最重要的指标,能直接反应其渗透结晶效果的好坏。产品应用的抗渗性效果可采用测试渗入高度的方法判断,渗入高度越小,抗渗性越好。但必须指出的是,测试用混凝土试件抗渗能力的提高幅度与基准试件抗渗等级有很大关系,原抗渗等级较低的混凝土,涂刷防水剂后抗渗能力提高的幅度就较大。故有必要确定基准混凝土的配合比,在此配比下,采用混凝土抗渗试验仪,按GBJ 82《抗渗试验方法》进行测试。其指标值为:在水压1.2MPa时渗人高度I型产品不大于30mm,Ⅱ型产品不大于35 mm。经福建省建筑工程质量检测中心有限公司抽样检测,《JG无机水性渗透结晶型混凝土高效防护剂》的抗渗性为27mm。
  2.7贮存稳定性
  贮存稳定性是在一定贮存期内(自产品生产之日起12个月)产品性能的稳定性。通过急冷(-10℃)、急热(50℃)10个冷热循环.观察其外观是否自絮凝、沉淀及色泽变化,如果没有变化则产品合格.如果有絮凝、沉淀及色泽变化现象,则要再测定其凝胶化时间,以仍符合技术指标规定要求为合格,否则判断产品不合格。经福建省建筑工程质量检测中心有限公司抽样检测,采用上述方法对《JG无机水性渗透结晶型混凝土高效防护剂》进行10个冷热循环的贮存稳定性实验,外观无变化,符合国家行业标准要求。
  3.耐久性、防护性等验证方案
  我们通过研究对比,经过反复多次试验研究解决了技术关键和难题,并委托福建省建筑工程质量检测中心有限公司对产品进行耐久性检测验证,获得了相关重要数据。
  3.1试件的成型及养护:
  3.1.1混凝土配合比
  基准与对比试件混凝土配比为:

炼石水泥

W/C

每3m混凝土材料用量(kg)

水泥

中砂

碎石

(5-31.5mm)

42.5R

0.60

317

190

654

1189



  3.1.2混凝土采用80℃热水法加速养护24h后放入试验室中放置24h。
  3.2标准试验条件
  标准试验条件:温度(20±3)℃
  3.3试验方法
  被检试件迎水面浸入样品中,液面高度为高出迎水面10mm,浸泡24h后放置试验室中24h,另基准样也放置试验室中24h。
  3.3.1耐碱性:饱和氢氧化钙168h,对比浸泡后试件和基准试件表面是否有粉化、裂纹;
  3.3.2耐酸性:1%盐酸溶液浸泡168h,对比浸泡后试件和基准试件表面是否有粉化、裂纹;
  3.3.3氯离子扩散系数参照CECS 01-2004 《混凝土结构耐久性设计与施工指南》进行,对比浸泡后试件和基准试件的氯离子扩散系数;
  3.3.4混凝土碳化试验依据GBJ 82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行,对比浸泡后试件和基准试件碳化7d、14d的碳化深度;   3.3.5耐高温性能(135℃):将准各好的试件放置设定为135℃的干燥烘箱中30min后取出放置试验室待冷却后和基准试验一同做抗渗试验,对比浸泡后试件和基准试件的渗透高度。
  4.结果与分析
  4.1经福建省建筑工程质量检测中心有限公司检测,得出性能指标详见表1、表2。
表1  JG无机水性渗透结晶型混凝土高效防护剂产品检测结果

检  测  项  目

JC/T1018-2006指标要求

检 测 结 果

I型

Ⅱ型

外观

无色透明、无气体

无色透明、无气体

密度,g/cm3 ,           ≥

1.10

1.07

1.10

PH值

13±1

11±1

12

粘度,s

11.0±1.0

11.6

表面张力/mN/m,     ≤

26.0

36.0

25.0

胶凝化时间,min

初凝

120±30

--

105

终凝

180±30

≤400

160

抗渗性/渗入高度,mm,≤

30

35

27

贮存稳定性,10次循环

外观无变化

符合要求



表2  浸涂JG无机水性渗透结晶型混凝土高效防护剂后对混凝土性能影响检测结果

对比项目

未浸涂无机水性渗透结晶型混凝土高效防护剂混凝土性能

浸涂无机水性渗透结晶型混凝土高效防护剂混凝土性能

耐碱性(饱和氢氧化钙溶液中168h)

有粉化、无裂纹

无粉化、无裂纹

耐酸性(1%盐酸溶液中168h)

有粉化、无裂纹

无粉化、无裂纹

氯离子扩散系数

3.33×10-12 m2/s

1.85×10-12 m2/s

碳化深度/mm

7d

23

8

28d

32

12

常温(20±3℃),

渗入高度

/

27

耐高温(135℃,30min),

渗入高度

47

27



  4.2耐酸碱性
  分别使用饱和氢氧化钙和1%盐酸溶液浸泡试件168h,对比发现未浸涂本产品的试件表面有粉化,浸涂本产品的试件无变化。试验结果表明,本产品具有良好的耐酸碱性,对混凝土有良好的防护作用。
  4.3耐久性
  评价混凝土耐久性的一项重要指标是混凝土的氯离子扩散系数。对比发现未浸涂本产品的氯离子扩散系数为3.33×10-12 m2/s,大大高于浸涂本产品的氯离子扩散系数1.85×10-12 m2/s。试验结果表明,在混凝土表面喷涂本产品,可有效抵抗混凝土氯离子渗透的能力,即改善了混凝土耐久性。
  4.4抗碳化能力
  对比浸泡后试件和基准试件碳化7d、18d的碳化深度,发现未浸涂本产品的试件渗入深度远远高于浸涂本产品的试件。试验结果表明,在混凝土表面喷涂本产品,可改善混凝土抗碳化能力并起到保护钢筋的作用。
  4.5耐高温性能
  将准备好的试件放置设定为135℃的干燥烘箱中30min后取出,待冷却后放置实验室和基准试件一同做抗渗试验,对比浸泡后试件和基准试件的渗透高度,发现未浸涂本产品的试件渗透高度明显高于浸涂本产品的试件。试验结果表明,本产品可经受135℃,30min高温灼烫而不影响产品性能,这一创新结果大大拓展了产品的应用范围,特别适用于市政、公路沥青等路面的施工改造。
  从上述检测验证数据可以看出,本项目全面技术指标均达到或超过国家标准JC/T 1018-2006《水性渗透型无机防水剂》要求,特别是浸涂本产品后的混凝土各项性能有明显提高。经国家建筑材料工业技术情报研究所科技查新,证明产品性能达到国内同类产品领先水平。
  5 结 语
  随着建设行业对水性无机渗透结晶型防水材料认识的不断深入,本类产品越来越受到人们的青睐,在各种混凝土建筑工程中不断得到应用,但人们对该类材料了解仍不系统、不全面,对材料的特性、作用机理、作用效果、应用条件、应用领域的理解还存在偏差。今后在具体的应用和实践当中,对其化学性能和化学反应机理需进一步分析和探讨,延伸拓展其使用领域;努力完善施工工艺,并编制相应的应用技术规程,以便推广应用。
  参考文献
  [1]沈春林  禇建军   《水性渗透型无机防水剂》行业标准介绍  《中国建筑防水》杂志 2006年第12期