一种早强防水剂的制备

一种早强防水剂的制备

王忠义1,张景丽2,徐振昆2
(1. 沈阳兴玖玖商品混凝土有限公司,辽宁沈阳110148;2. 沈阳新世界混凝土有限公司,辽宁沈阳110004)

0 引言
混凝土的渗透性是影响混凝土耐久性的重要因素,特别是在地下工程、隧道工程、桥梁建设、海洋工程等对混凝土的防水性的要求更是严格。在混凝土中加入防水剂是降低混凝土渗透性的方法之一,因此早强防水剂的研究与应用对加快施工速度,提高早期强度,提高耐久性具有重要的意义[1-5]。早强剂主要作用是增加水泥和水的反应速度,缩短水泥的凝结、硬化时间,促进混凝土早期强度的增长[6]。防水剂可以提高混凝土的抗渗性能,使混凝土的吸水量减少,耐久性也明显提高[7, 8]。笔者根据早强剂和防水剂的作用机理,选取脂肪酸盐、硫酸铝、硫酸钠、三乙醇胺等材料将其复合成混凝土早强防水剂,使混凝土具有工作性好、早期强度高、防水性能好等特点,从而满足有早强和防水要求的工程。

1 原材料及试验方法
1.1 原材料
水泥:浑河牌水泥(P·O42.5);砂:细度模数为2.8 的中砂;石:碎石5~20 mm;粉煤灰:抚顺荣信粉煤灰开发有限公司,I 级灰;减水剂:萘磺酸盐甲醛缩合物高效减水剂;早强防水组分:硫酸铝(分析纯)、脂肪酸盐(分析纯)、三乙醇胺(分析纯)、无水硫酸钠(分析纯)。

1.2 试验方法
(1) 正交试验设计根据因素和水平的选取确定为L25(56) [9,10],在拌和混凝土过程中采用机械搅拌的方式进行拌和,并测试混凝土拌和物的性能,混凝土试块在标准养护条件下进行养护并根据《普通混凝土力学性能试验标准》GB/T50O81-2002 及《砂浆、混凝土防水剂》JC474-1999 试验规范,测得混凝土l、3、7 d 的抗压强度和28 d 的抗压强度、抗渗高度、吸水量。正交试验的因素、水平的选取见表1。
表1 正交试验因素水平/%

(2) 根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2000 规范配置基准混凝土,基准混凝土所用材料及配比见表2。
表2 基准混凝土配合比

(3) 混凝土吸水量的测定:将28d 龄期的混凝土放入烘箱中,在80 ℃下烘48 h,烘干后称取试件质量并记下,在自然条件下将试件冷却至室温,然后放入水中,试件在水面上下的尺寸各50 mm 并保持水面高度不变,48 h 后用拧干的抹布擦干试件表面,称取饱和吸水后试件的质量,将饱和吸水的试件质量减去干试件的质量即为吸水量。

2 实验结果与分析
2.1 各组试验混凝土性能测试结果
正交试验中,对l、3、7、28 d 龄期的混凝土抗压强度,28 d 的渗透高度、吸水量的测试结果见表3。

2.2 试验结果的直观分析
对各龄期抗压强度的直观分析见表4。
由1 d 抗压强度分析可见:因数主次顺序为:BCDA 最优方案:B1C4D5A2
由3 d 抗压强度分析可见:因素主次顺序为:DBCA 最优方案:D4 B2C1A2
由7 d 抗压强度分析可见:因素主次顺序为:CADB 最优方案:C4A3D1B2
由28 d 抗压强度分析可见:因素主次顺序为:DCAB 最优方案:D2C1A2B3
通过表4 直观分析可得出,脂肪酸盐(B) 和三乙醇胺(C) 对混凝土1 d 抗压强度影响较大。脂肪酸盐选1 水平时(掺量为0.3%),混凝土1 d 抗压强度较大。可见当其掺量较多时,对混凝土早期强度会有损害。三乙醇胺是一种表面活性剂,在掺入水泥混凝土中后,有加剧润湿及渗透作用,促进钙矾石的形成,有利于水泥矿物的溶解,加速水泥的水化反应,提高混凝土的早期强度[11]。硫酸钠(D) 对混凝土的3 d 和28 d 抗压强度影响都是最主要的因素。对3 d 抗压强度,硫酸钠选4 水平时(掺量为0.5%),抗压强度较大。而对于28 d 抗压强度,硫酸钠选2 水平时(掺量为0.3%),抗压强度较大。即硫酸钠掺量较大时,可提高早期强度,但对后期强度有损害。
硫酸钠在水泥水化过程中能与饱和的Ca (OH) 2 反应:
Ca (OH) 2+NaSO4+2H2O=CaSO4·2H2O+2NaOH
生成的CaSO4·2H2O (二水石膏) 的溶解度比硫酸钠小十几倍,故反应能继续向右进行;生成的NaOH 能使水泥中的石膏及铝酸三钙溶解度提高,因而加快了硫铝酸钙的生成,使水泥石的早期强度提高[12]。但如果硫酸钠掺量较大,则新生的硫酸钙较多,在水泥结晶结构形成后还继续生成膨胀性硫铝酸钙,使硬化后的水泥石强度受到损害,造成混凝土后期强度下降。

对混凝土渗透性的直观分析见表5。

从渗透高度比分析看出,本实验中因素的主次顺序为:
D 硫酸钠> B 脂肪酸盐>A 硫酸铝=C 三乙醇胺。根据渗透高度比结果与极差分析得出的最优方案为:D2B3A2C1。
从表4 和表5 的分析看出,硫酸铝选2 水平(掺量为0.4%) 为最佳值,可起到很好的早强防水作用。硫酸铝的加入可促进钙矾石的形成,它们相互搭接形成网络结构,提高混凝土的早期强度。当硫酸铝掺量过大时,对后期强度影响较大。即水泥中的AFm 相与各种来源的SO42-离子接触而转为AFt 时,结构水增加,体积膨胀,密度减小[13, 14]。因此,会引起硬化水泥浆体结构的破坏而导致强度下降。从吸水量比分析看出,本实验中因素的主次顺序为:C三乙醇胺=D 硫酸钠>B 脂肪酸盐> A 硫酸铝。根据试验与极差分析得出的最优方案为:C1D2 B2 A2。脂肪酸盐是憎水性强的物质,使混凝土由亲水性变为憎水性,加入混凝土后能在毛细管壁上形成憎水层,使毛细管的吸附作用减弱,它在毛细孔中,减少了毛细孔的吸水作用,从而提高混凝土的防水性能。

综合以上分析可得出该早强防水剂设计的最优方案为:
A2B2C3D2。即硫酸铝为:0.4%,脂肪酸盐为:0.2%,三乙醇胺为:0.03%,硫酸钠为:0.3%。测其对混凝土性能的影响试验1 和基准混凝土性能如表6。

由表6 可见,掺早强防水剂的混凝土各龄期的抗压强度明显高于不掺者,且渗透高度和吸水量显著下降,即起到很好的早强防水效果。

3 结论
(1) 影响混凝土1 d 抗压强度的因素主次顺序是:脂肪酸盐>三乙醇胺>硫酸钠>硫酸铝;
(2) 影响混凝土28 d 抗压强度的因素主次顺序是:硫酸钠>三乙醇胺>硫酸铝>脂肪酸盐;
(3) 影响混凝土渗透高度比的因素的关键性大小顺序是:硫酸钠>脂肪酸盐>硫酸铝=三乙醇胺;
(4) 正交设计确定早强防水剂的掺量配比如下:
硫酸铝:0.4%,脂肪酸盐:0.2%,三乙醇胺:0.03%,硫酸钠:0.3%。
研究制备的早强防水剂能使混凝土拌和物具有很好的工作性,早期强度明显增加,28 d 的抗渗高度和吸水量明显小于基准混凝土。▲

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