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JG無機水性滲透結晶型混凝土高效防護劑的研發
論文關鍵詞：無機水性 滲透結晶 混凝土防水防護 耐高溫
論文摘要：本項目研究開發一種噴涂后可有效改善和提高混凝土性能、對混凝土具有高滲透和持久保護功能且耐高溫灼燙的無機水性滲透結晶型高效防水防護劑，闡述它的特點及性能。
1 引 言
我國的物、構筑物主要采用硅酸鹽系水泥混凝土澆筑，因硅酸鹽水泥的主要熟料礦物——硅酸三鈣和硅酸二鈣的水化反應產生氫氧化鈣Ca（OH）2，因此，混凝土中存在較大量的Ca（OH）2；此外，混凝土中還存在較多的毛細孔縫，正是由于這些毛細孔縫和Ca（OH）2的存在，在因素（如水、溫度循環、干濕循環、CL－、SO42－離子等）和侵蝕性介質（如氯鹽、硫酸鹽等）擴散進入混凝土體內的作用下，混凝土及其構筑物出現劣化與性能衰減等現象，嚴重影響混凝土構筑物的外觀質量與使用壽命。
伴隨著城市化進展的加快及業的迅猛發展，高層建筑、地下商場、高速公路、高速鐵路、橋梁隧道、港口碼頭、污水處理廠等高等級建筑物及構筑物已經在軍事與民用建筑及國家基礎設施工程中大量建設。尋求相應的結構防水方案已經成為工程建設中的緊迫問題，開發高效新型的對混凝土具有持久防水防護作用的材料成為建材領域新的研究課題。
用于混凝土耐久性防護的涂層材料來源雖然很廣，但并不都能滿足混凝土防護的要求。涂層材料至少應具備以下兩個特點：（1）涂層材料自身由于長期暴露在侵蝕環境和有害介質中，經受風吹、雨打、日曬和多種外界破壞作用，必須具有很好的抗侵蝕性和抗老化性。（2）涂層材料能與混凝土表面良好地結合，并對下一道的外裝飾工序和工程的整體外觀無不利影響。我們通過廣泛了解國內外防水材料行情和順應發展趨勢需求，各種防水材料的性能，深入分析防水機理及相關優缺點后，立項進行了無機水性滲透結晶型混凝土高效防護劑的研發，以開發出一種各項技術指標達到理想的均衡狀態、具有良好的防水抗滲、全面防護效果，能夠廣泛應用于各類海工工程、橋梁工程等基礎設施和與民用工程建筑防水防護的新型混凝土保護材料。由福建省寧德市建工防水科技有限公司承擔的《JG無機水性滲透結晶型混凝土高效防護劑的研究與開發》科研項目今年4月26日通過了福建省科技廳組織的科技成果鑒定，鑒定委員會認為該成果創新性、實用性強，技術居國內同類研究領先水平。利用該研究成果技術開發的“混凝土DPS永凝液”，“JG－M1500無機水性滲透型密封防水劑”等系列產品具有性價比高、操作簡便，迎水面、背水面均可施工，完全可以替代進口產品，已在各類建筑物和構筑物上廣泛使用，取得了顯著的效益和效益，深受用戶好評。
2 技術路線的選擇
如何使混凝土減低腐蝕、磨損、水溶蝕、鹽剝蝕、凍融循環等因素的破壞作用，延長使用壽命，使其具有密封防水、抗風蝕碳化、耐酸堿侵蝕、耐高溫灼燙等功能是本項目研究的重點也是難點。無機水性滲透型混凝土高效防護劑的研究開發需要無機化學、有機化學、化學及分析化學等多方面的知識基礎，同時還穿插了材料結構及表面化學等方面的理論基礎，產品具有較高的技術含量。
我們確定了JG無機水性滲透結晶型混凝土高效防護劑以堿金屬硅酸鹽溶液及惰性材料為基料，加入催化劑、助劑，混合反應配制的技術路線。它不同于傳統有機材料，噴涂后不在混凝土表面形成涂膜，也不同于水泥基滲透結晶型防水材料，它是無機液體，不含水泥粉末；可滲透至混凝土內部結晶形成永久性防護層，具有與混凝土結構的相融性；它以水為載體，隨著水對混凝土結構孔隙進行滲透，被流滲到砼結構內部的孔縫中，催化硅酸鈣與水泥水化反應過程中析出的Ca(OH)2與硅酸鈣交互反應，形成了不溶于水的枝蔓狀纖維結晶物，在混凝土結構內部吸水膨脹，使結構中的毛細孔縫得到充盈密實，從而有效提高了混凝土結構的抗滲水能力，并提高混凝土結構的致密性，在涂層中起到密實抗滲的作用。隨著時間（一般為1～7d）的發展，結晶量遞增，在防水涂層中滲透結晶相結合，增強結構整體的抗滲能力。由于活性化學物質多年后還能被水激活，繼續起到催化作用，因此混凝土結構即使局部受損滲漏（裂縫小于0.3mm）在結晶作用下，會自行修補愈合并具有多次抗滲能力，具有滲透性、可封閉水泥砂漿與混凝土毛細孔通道和裂紋功能的防水防護材料。從而在本質上改變了普通混凝土結構體積不穩定而再次帶來的裂滲。
本研究項目開發的產品的技術指標是結合了混凝土工程對防護劑的要求，參考了國內外同類產品的技術資料、企業標準及有關專家的意見，同時在國內外主要生產、經銷1500防水劑、DPS永凝液防水劑企業的產品多次反復試驗驗證的基礎上而制定設計配方的。
[1]
2.1密度
由于防護劑是與砂漿和混凝土內部的堿性物質起反應來封閉毛細孔的，為了保證有足夠的反應物，促使凝膠體的生成，我們研究了產品的密度。密度不僅反映了產品有效物質的含量，同時密度也與凝膠化時間有直接的關系：密度大，凝膠化時間就短；密度小，凝膠化時間就長。國家行業標準規定了防水劑的密度為：I型產品不小于1.10g/㎝3，Ⅱ型產品不小于1.07g/㎝3。密度檢測按照GB/T 8077－2000《混凝土外加劑勻質性試驗方法》中5.3款精密密度計法進行，直接測試液體樣品。經福建省工程質量檢測中心有限公司抽樣檢測，《JG無機水性滲透結晶型混凝土高效防護劑》的密度為1.10g/cm3。
2.2 pH值
防護劑是直接用于砂漿、混凝土砂漿和混凝土表面的，產品的pH值須與硅酸鹽水泥的pH值基一致。 因為產品只有在該pH值條件下，才能與砂漿和混疑土內部的堿性物質起反應；同時又不腐蝕混凝土、不對鋼筋產生銹蝕。國家行業標準規定防水劑pH值I型產品在13±１的范圍內，Ⅱ型產品在11±1的范圍內。此pH值與硅酸鹽水泥的pH值基本一致，能保證防水劑對水泥砂漿或混凝土的適應性的同時增加建筑物表層的堿度，提高其耐久性。pH值檢測按照GB/T8077－2000《混凝土外加劑勻質性試驗方法》第7章規定進行。經福建省建筑工程質量檢測中心有限公司抽樣檢測，《JG無機水性滲透結晶型混凝土高效防護劑》的pH值為12。
2.3粘度
粘度是通過控制堿金屬硅酸鹽溶液基料、添加劑、稀釋劑含量來決定的，控制粘度對催化劑的性能及原料之間的匹配性提出了要求，因為粘度越高，防水劑的滲透性越差，滲透所需的時間會增長。在保證有效物質含量的同時，適宜的粘度才能有良好的滲透性。國家行業標準粘度規定在（11.0±1.0 s）范圍內,粘度測定按GB 1723－1993《涂料粘度測定法》中5.3款規定進行。經福建省建筑工程質量檢測中心有限公司抽樣檢測，《JG無機水性滲透結晶型混凝土高效防護劑》的粘度為11.6s。
2.4表面張力
表面張力的大小主要由催化劑的性能及加量所決定。在防水劑具有優異的水溶性的情況下，較小的表面張力有利于增加防水劑對水泥砂漿及混凝土的滲透能力，并能提高其與砂漿、混凝土內部物質的反應能力，并能提高其與砂漿、混凝土內部物質的反應能力，因此表面張力是控制防水劑性能的一項重要指標。
表面張力檢測按照GB/T 8077－2000《混凝土外加劑勻質N性試驗方法》第8章規定進行。直接測試液體樣品，被測溶液的溫度為（20±1）℃，被測樣品必須清澈，如有沉淀應濾去。國家行業標準提出的表面張力確定控制值：I型產品為不大于26mN/m，Ⅱ型產品為不大于36mN/m。經福建省建筑工程質量檢測中心有限公司抽樣檢測，《JG無機水性滲透結晶型混凝土高效防護劑》的表面張力為25.0 mN/m。
2.5凝膠化時間
凝膠化時間是指水性滲透型無機防水劑與水泥建筑物中堿類物質反應所需的時間。反應過快，過早封閉毛細孔通道，使滲透深度降低；過慢，則延長了施工時間，同時也說明參與反應的活性物質的濃度偏低，兩者都會使防水效果減弱。
檢測凝膠化時間的方法是在Ca（OH）2溶液中加入離子水，用玻璃棒攪拌2 min，均勻后緩緩注人防水劑試樣，隨即開始計時，勻速攪拌5 min后靜置。將玻璃燒杯左右輕晃，觀察其液面波動情況，以試樣液面開始產生凝膠并與燒杯壁呈粘附狀為初凝時間，以燒杯傾斜45°角試樣表面無流動呈完全凝膠狀時所需時間為終凝時間。以三次試樣測試平均值表示初、終凝膠時間，精確至min。凝膠化時間I型產品初凝：（120±30）min，終凝：（180±30）min；Ⅱ型產品由于初凝不明顯，終凝控制在400 min以內。經福建省建筑工程質量檢測中心有限公司抽樣檢測，《JG無機水性滲透結晶型混凝土高效防護劑》的凝膠化時間為初凝：105min，終凝：160min。
2.6抗滲性
抗滲性是防水劑性能指標中最重要的指標，能直接反應其滲透結晶效果的好壞。產品應用的抗滲性效果可采用測試滲入高度的方法判斷，滲入高度越小，抗滲性越好。但必須指出的是，測試用混凝土試件抗滲能力的提高幅度與基準試件抗滲等級有很大關系，原抗滲等級較低的混凝土，涂刷防水劑后抗滲能力提高的幅度就較大。故有必要確定基準混凝土的配合比，在此配比下，采用混凝土抗滲試驗儀，按GBJ 82《抗滲試驗方法》進行測試。其指標值為：在水壓1.2MPa時滲人高度I型產品不大于30mm，Ⅱ型產品不大于35 mm。經福建省建筑工程質量檢測中心有限公司抽樣檢測，《JG無機水性滲透結晶型混凝土高效防護劑》的抗滲性為27mm。
[2]
2.7貯存穩定性
貯存穩定性是在一定貯存期內（自產品生產之日起12個月）產品性能的穩定性。通過急冷（－10℃）、急熱（50℃）10個冷熱循環．觀察其外觀是否自絮凝、沉淀及色澤變化，如果沒有變化則產品合格．如果有絮凝、沉淀及色澤變化現象，則要再測定其凝膠化時間，以仍符合技術指標規定要求為合格，否則判斷產品不合格。經福建省工程質量檢測中心有限公司抽樣檢測，采用上述方法對《JG無機水性滲透結晶型混凝土高效防護劑》進行10個冷熱循環的貯存穩定性實驗，外觀無變化，符合國家行業標準要求。
3.耐久性、防護性等驗證方案
我們通過研究對比，經過反復多次試驗研究解決了技術關鍵和難題，并委托福建省建筑工程質量檢測中心有限公司對產品進行耐久性檢測驗證，獲得了相關重要數據。
3.1試件的成型及養護：
3.1.1混凝土配合比
基準與對比試件混凝土配比為：
3.1.2混凝土采用80℃熱水法加速養護24h后放入試驗室中放置24h。
3.2標準試驗條件
標準試驗條件：溫度（20±3）℃
3.3試驗方法
被檢試件迎水面浸入樣品中，液面高度為高出迎水面10mm，浸泡24h后放置試驗室中24h，另基準樣也放置試驗室中24h。
3.3.1耐堿性：飽和氫氧化鈣168h，對比浸泡后試件和基準試件表面是否有粉化、裂紋；
3.3.2耐酸性：1％鹽酸溶液浸泡168h，對比浸泡后試件和基準試件表面是否有粉化、裂紋；
3.3.3氯離子擴散系數參照CECS 01－2004 《混凝土結構耐久性設計與施工指南》進行，對比浸泡后試件和基準試件的氯離子擴散系數；
3.3.4混凝土碳化試驗依據GBJ 82－85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行，對比浸泡后試件和基準試件碳化7d、14d的碳化深度；
3.3.5耐高溫性能（135℃）：將準各好的試件放置設定為135℃的干燥烘箱中30min后取出放置試驗室待冷卻后和基準試驗一同做抗滲試驗，對比浸泡后試件和基準試件的滲透高度。
4.結果與分析
4.1經福建省建筑工程質量檢測中心有限公司檢測，得出性能指標詳見表1、表2。
表1 JG無機水性滲透結晶型混凝土高效防護劑產品檢測結果
[3]
表2 浸涂JG無機水性滲透結晶型混凝土高效防護劑后對混凝土性能影響檢測結果
4.2耐酸堿性
分別使用飽和氫氧化鈣和1%鹽酸溶液浸泡試件168h，對比發現未浸涂本產品的試件表面有粉化，浸涂本產品的試件無變化。試驗結果表明，本產品具有良好的耐酸堿性，對混凝土有良好的防護作用。
4.3耐久性
評價混凝土耐久性的一項重要指標是混凝土的氯離子擴散系數。對比發現未浸涂本產品的氯離子擴散系數為3.33×10-12 m2/s，大大高于浸涂本產品的氯離子擴散系數1.85×10-12 m2/s。試驗結果表明，在混凝土表面噴涂本產品，可有效抵抗混凝土氯離子滲透的能力，即改善了混凝土耐久性。
4.4抗碳化能力
對比浸泡后試件和基準試件碳化7d、18d的碳化深度，發現未浸涂本產品的試件滲入深度遠遠高于浸涂本產品的試件。試驗結果表明，在混凝土表面噴涂本產品，可改善混凝土抗碳化能力并起到保護鋼筋的作用。
4.5耐高溫性能
將準備好的試件放置設定為135℃的干燥烘箱中30min后取出，待冷卻后放置實驗室和基準試件一同做抗滲試驗，對比浸泡后試件和基準試件的滲透高度，發現未浸涂本產品的試件滲透高度明顯高于浸涂本產品的試件。試驗結果表明，本產品可經受135℃，30min高溫灼燙而不影響產品性能，這一創新結果大大拓展了產品的應用范圍，特別適用于市政、公路瀝青等路面的施工改造。
從上述檢測驗證數據可以看出，本項目全面技術指標均達到或超過國家標準JC/T 1018-2006《水性滲透型無機防水劑》要求，特別是浸涂本產品后的混凝土各項性能有明顯提高。經國家技術情報研究所科技查新，證明產品性能達到國內同類產品領先水平。
5 結 語
隨著建設行業對水性無機滲透結晶型防水材料認識的不斷深入，本類產品越來越受到人們的青睞，在各種混凝土建筑工程中不斷得到應用，但人們對該類材料了解仍不系統、不全面，對材料的特性、作用機理、作用效果、應用條件、應用領域的理解還存在偏差。今后在具體的應用和實踐當中，對其化學性能和化學反應機理需進一步分析和探討，延伸拓展其使用領域；努力完善施工工藝，并編制相應的應用技術規程，以便推廣應用。
參考文獻
[1]沈春林 禇建軍 《水性滲透型無機防水劑》行業標準介紹 《中國建筑防水》雜志 2006年第12期
[4]
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