有机硅混凝土防水剂的研究

有机硅混凝土防水剂的研究

宋金伦1 ,李 迁2, 朱效荣3,夏伟民4
(1.青藏铁路总公司,青海 西宁810007;2.辽宁大学,辽宁 沈阳 110036;3.北京城建混凝土技术研究所,北京100039;4.江西省崇仁县建设局建筑工程监督站,江西 崇仁344200)

0 概述
在普通混凝土的使用过程中,干缩开裂是经常出现的技术问题,它会导致渗漏,引起钢筋的锈蚀,影响混凝土的使用功能和寿命。为解决这一技术问题,国内外工程界学者一般从材料、设计和施工三个方面进行研究。在材料方面,最通用的方法就是使用混凝土膨胀剂。这一技术为解决潮湿环境和地下通风环境中工作的混凝土收缩干裂发挥了重要作用;但是针对露天条件下工作的混凝土梁、板、柱,掺入膨胀剂后不仅不能减少或控制干缩裂缝,相反其产生的裂缝比纯粹使用水泥拌制的混凝土开裂的更严重。因此,要想从根本上解决混凝土的开裂问题,对地下或潮湿环境中工作的混凝土,膨胀剂是一种优质的外加剂;而对于露天条件或干燥环境中工作的混凝土,研制有机硅系列防水剂抗渗防裂显得非常必要。

1 有机硅防水剂研究的技术路线及原理
1.1 有机硅防水剂的防水原理
有机硅防水剂的主要成分是甲基硅酸钠、乙基硅酸钠、MS 溶剂树脂。它们在空气中的CO2和H2O分子作用下形成甲基硅醇、乙基硅醇及MS 树脂膜。生成物甲基硅醇、乙基硅醇及MS 树脂膜都含有极性基因—OH,易生成氢键。同时,溶液中存在水解反应,这个水解反应的结果使防水剂溶解呈碱性(PH=12~15),甲基硅醇、乙基硅醇及MS 树脂膜在碱性环境下各组份偏聚,分子间脱水,生成甲基氧烷、乙基氧烷和水,其中甲基硅醇、乙基硅醇为非电解质,油状增水物。这个反应继续下去,生成枝状链,在此基础上又偏聚成网状高分子聚合物甲基树脂,由此构成防水膜,深入混凝土的毛细孔中,阻止水分进入。
在混凝土加入有机硅防水剂后,由于偏聚反应中生成枝状、链状及网状分子是伴随水泥水化反应的同时进行的。他们填补了混凝土的微孔隙,是混凝土的微观结构更加致密,提高了混凝土的抗渗性,而且这些高分子聚合物有一定的塑性强度,可以有效的减少混凝土的干燥收缩,防止或减少因混凝土的收缩而产生的内力,减轻因此而产生的原始裂缝开展程度,提高了混凝土的抗裂性。再则,还可以分散应力,防止应力集中,改善混凝土的内部界面效应,增加了混凝土的弹塑性,使混凝土的抗渗、抗拉、耐久性得到改善。

1.2 有机硅防水剂研究的技术路线
根据以上原理,我们通过合理选择甲基硅酸钠、乙基硅酸钠、MS 溶剂树脂等原材料,再依据各种组分在水泥水化时的反应剧烈程度,合理配比,优选出有机硅混凝土防水剂的配方。并在检测后进行工业试生产、工程应用。

2 有机硅混凝土防水剂的研制
2.1 原材料的选择
有机硅防水剂的原材料主要有甲基硅酸钠、乙基硅酸钠、MS 溶剂树脂。我们在本研究选用的甲基硅酸钠、乙基硅酸钠性能指标如表1 所示,MS 溶剂树脂性能指标如表2 所示。


2.2 有机硅混凝土防水剂的试验过程
有机硅混凝土防水剂试验的反应步骤为:首先将水、甲基硅酸钠与乙基硅酸钠混合配制成一定浓度的溶液,倾入带回流冷凝装置的反应容器中,在密封条件下缓慢搅拌加热,回流一定时间后从恒压漏斗中滴加一定量的MS 溶剂型树脂。由于该反应为放热反应,为防止溶液沸腾,最初的MS 溶剂型树脂加入必须缓慢、谨慎,待反应物呈金黄色后,在保持回流温度平稳的情况下加入剩余的溶剂型树脂,使反应物保持沸腾状态,维持一定时间(6 h)至反应终点。

2.2.1 甲基硅酸钠与乙基硅酸钠配比的确定
甲基硅酸钠与乙基硅酸钠是构成反应产物的主要原料。它们之间的配比是决定最终产物分散性能的关键因素。在一定的反应条件下,单体间发生聚合反应时,无论反应速度,还是反应生成物的分子结构,均受到单体浓度和单体间比例的影响。而分子的结构和分子中官能团的排列顺序和密度,又明显地影响聚合物本身的性质和性能。我们通过改变之间甲基硅酸钠与乙基硅酸钠的比例以达到最佳效果,试验结果如表3 所示。
表3 甲基硅酸钠/乙基硅酸钠与反应时间和粘度变化

从表3 中可以看出,甲醛甲基硅酸钠与乙基硅酸钠的mol 比为2:1 时,反应产物的分散能力最强。

2.2.2 反应时间的确定
我们在试验过程中将原料的配合比和反应过程中的温度等控制变量确定下来,可以得到缩聚产物的粘度随时间变化的规律如图1 所示。

图 1 缩聚物的分散能力与聚合反应时间关系

缩聚产物的粘度随着时间的延长而逐渐增大,但反应超过一定的时间后,反应产物的粘度随着时间的变化趋于平稳,这是因为聚合物的增比粘度随着聚合物分子量的增大而增大,反应达到一定的程度以后,原材料已基本消耗完全,反应产物的分子量亦趋于一定的数值,由此可见,延长聚合反应的时间可以提高缩聚物的聚合性。

2.2.3 有机硅混凝土防水剂的性能检测
根据以上配方,我们配制了有机硅混凝土防水剂的样品进行检验,其结果如表4 所示。
表4 有机硅混凝土防水剂检验结果

3 有机硅防水剂的工程应用
在大量试验的基础上,我们将有机硅防水剂在大运村公寓、百郎园、以色列驻华大使馆、北京中医药大学筒子楼改造等工程中应用,混凝土拆膜后表面光洁、密实,没有可见性裂缝,效果良好,用户十分满意。经过对施工现场混凝土各种性能检测,有机硅防水剂的加入对减水剂的减水率影响不大;对混凝土的坍落度、含气量、压力泌水率、强度等影响不大;抗渗等级可达到P20 以上,适合于地下工程结构和自防水结构混凝土;氯离子扩散系数明显低于普通混凝土,具有较高的抗碳化能力。

4 有机硅防水剂的研制结论
(1)本研究通过理论分析,优选甲基硅酸钠、乙基硅酸钠、MS 溶剂树脂作原材料,配制成功有机硅混凝土防水剂。
(2)有机硅防水剂对水泥的适应性良好,分散能力强,能显著地改善和提高混凝土的性能;碱含量低,可以有效地抑制混凝土的碱-骨料反应;不含氯盐,对钢筋无锈蚀作用。在混凝土梁、板、柱的防水、防裂工程中应用,有效的预防了混凝土的开裂,从技术上解决了在露天条件下工作的混凝土收缩开裂等问题,延长了混凝土的使用寿命。
(3)可以配制各种强度等级及高性能混凝土。
该防水剂与减水剂复合使用,可以在预拌混凝土企业配制C30~C80 大流动性高性能混凝土,坍落度损失小,具有良好的保塑和保水功能。

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