内掺金属皂类防水剂对混凝土防水和抗氯离子效果研究.pdf

新癯 童魄粉 全 国 中 文 核 心 期 刊 内掺金属皂类防水剂对混凝士 防水和抗菰离子效果研究 姜蓉， 张鹏 ， 赵铁军， 王龙军 ( 青 岛理 工大学 土木工程学院， 山东 青岛2 6 6 0 3 3 ) 摘要： 通过抗压强度、 毛细吸水系数、 氯离子侵入以及混凝土内部硬脂酸盐含量等指标对金属皂类防水剂的防护效果进行研 究。结果表明， 金属皂防水剂硬脂酸盐具有较高的防水性能， 掺量宜在 O 1 1 0 ； 内掺 金属皂防水剂能够 降低混凝土 的毛 细吸水 系数 6 4 以上 ； 同类型金属皂防水剂相对 比， 掺量为 1 O 的混凝土 比掺量为 O 5 的混凝土氯离子渗透量要 小， 从而有 较强的抵抗 氯离子侵蚀的能力。 关键词： 防水混凝土： 金属皂类防水剂； 氯离子含量； 毛细吸水系数 中图分 类号 ： T U 5 7 + 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 0 ) 0 9 0 0 6 1 0 4 W a t e r r e s i s t a n c e a n d a n t i c h l o r i d e p e n e t r a t i o n o f i n t e g r a l wa t e r r e p e l l e n t c o n c r e t e wi t h a d d i t i o n o f m e ta l s o a p s J I A NG R o n g ， Z H AN G 兀 g ， Z H A 0 T i e j u n ， WA N G L o n g u n ( C i v i l E n g i n e e ri n g I n s t i t u t e o f Qi n g d a o T e c h n o l o gic a l U n i v e r s i t y ， Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3 ， S h a n d o n g ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ， t h e e f f e c t o f me t a l s o a p s h a s b e e n i n v e s t i g a t e d t h r o u g h c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t ， c a p i l l a r y s u c t i o n c o e f fi c i e n t t e s t ， c h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n t e s t a n d s t e a r a t e c o n t e n t t e s t a n d S O o n Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t me t a l s o a p s wh i c h a r e t h e a d mi x t u r e o f me t a l s t e a r a t e s h a v e a h i g h wa t e r r e s i s t a n c e T h e p r o p e r mi x r a t i o i s 0 1 1 O T h e r e d u c t i o n o f c a p i l l a r y s u c t i o n c o e ffi c i e n t i s mo r e t h a n 6 4 I n a d d i t i o n， c o mp a r e d wi t h t h e s a n l e t y p e o f me t a l s o a p s ， 1 0 a d d i t i o n o f me t a l s o a p s h o we d b e t t e r a n t i c h l o rid e pe n e t r a t i o n t h a n 05 a d d i t i o n ， b o t h c a n r e s t r a i n c h l o r i d e f r o m p e n e t r a t i n g i n t o c o n c r e t e s i g n i fi c a n t l y Ke y wo r d s ： i n t e g r a l w a t e r r e p e l l e n t c o n c r e t e ； m e t a l s o a p ； c h l o ri d e i o n c o n c e n t r a t i o n ； c a p i l l a r y s u c t i o n c o e ffic i e n t 0 引言 混凝土是一种多孔材料， 其孔径在纳米至毫米级。 若其表 面与水溶液接触， 溶液会通过毛细作用吸附到混凝土的表层， 并进一步渗透到混凝土内部； 同时， 溶液中的有害物质， 如氯 离子、 硫酸根离子等也容易被水分运送到混凝土内部， 给钢筋 混凝土结构带来严重的锈蚀危害_ lJ 。 目前，国内外已广泛采用渗透型防水剂对混凝土进行表 面防水处理2 1 ， 但是采用这种传统的处理方法， 防水剂的渗透 基金项 目： 国家 自然科学基金重点项 目( 5 0 7 3 9 0 0 1 ) 国家“ 十一五 科 技支撑计划项 目( 2 o 0 6 B A J 0 2 B 0 4 ) 教育部博士点基金项 目( 2 0 0 7 0 4 2 9 0 0 1 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 6 0 3 作者简介 ： 姜蓉， 女 ， 1 9 8 5年生 ， 山东青岛人， 硕士研究生。 地址： 青岛市 抚顺路 1 1号， 电话 ： 0 5 3 2 8 5 0 7 1 5 0 9 ， E ma i l ： r r q 1 9 8 5 1 2 1 9 1 6 3 C O In 。 深度非常有限， 在一些特殊情况的防水效果不是很理想。 如果 能将防水剂作为砂浆或混凝土的一种组分掺入其中，则其防 护效果会更好， 这种处理方式即为内掺防水处理。 本文主要采用4 种不同类型、 2 种不同掺量的金属皂， 将 其加入到混凝土拌合物中加以比较，测试并研究内掺金属皂 对混凝土抗压强度、毛细吸水系数以及抗氯离子侵入能力的 影响。 1 试验 1 1 原材料与试件制备 本试验混凝土试件的水灰比为O 5 ，详细配合比见表 1 。 试验所用原材料均来自青岛本地， 其中碎石的最大粒径为2 5 m m ， 砂的细度模数为2 9 ， 属于中砂， 水泥为山水牌4 2 5 级普 通硅酸盐水泥， 减水剂为聚羧酸高效减水剂。 金属皂防水剂掺 量为水泥、 石子和砂子总质量的百分比。 NE W BUI L Df NG M ATE R I AL S 61 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 姜蓉， 等： 内掺金属皂类防水剂对混凝土防水和抗氯离子效果研究 表 1 试验用混凝土的配合比 k s m 件中硬脂酸盐的含量。 试验选用 L I G A Z I N K S T E A R A T 5 0 2 、 L I G A Z I N K S T E A R A T 1 0 1 、 UG A P H O B Z N 1 0 1 P L U S和 L I G A C A L C I U M S T E A R A T 8 6 0等4 种类型的金属皂，每种类型金属皂掺量有 0 5 和 1 0 两种， 与未掺加任何防水剂的素混凝土试件做对照试验。 4 种类型金属皂的性能同 如下： ( 1 ) L I G A Z I N K S T E A R A T 1 0 1 ： 主要产自石灰岩水泥石 膏， 由高比表面沉淀物沉淀而成， 有很好的长期有效性， 是一 种疏水、 无电抗的作用物， 用量为0 1 1 0 。为了确保使用 效果， 必须有足够的时间搅拌干砂浆。其中， 硬脂酸锌是低灭 藻剂。 ( 2 ) H G A P H O B Z N 5 0 2 ： 硬脂酸锌的一种， 可改善砂浆流 动性。 对比L I G A Z I N K S T E A R A T 1 0 1 ， 干混砂浆更容易搅拌， 且用量稍高。 ( 3 ) L I G A C A L C I u M S T E A R A T 8 6 0 ： 硬脂酸钙的一种， 白 色粉末， 不溶于水， 遇强酸分解为硬脂酸和相应的钙盐， 长期 热稳定性好。 ( 4 ) UG A P H 0 B Z N 1 0 1 P L U S ： 硬脂酸锌的一种， 白 色粉 末， 不溶于水， 利用硬脂酸锌溶于苯而硬脂酸钙不溶于苯的性 质， 就可以区分硬脂酸锌和硬脂酸钙。 试 验开 始时， 将 金属皂加入到混 凝土拌合物中， 搅拌均匀 后在 1 0 0 m m x l 0 0 m m x l 0 0 m m的钢模中振捣成型， 为了不影 响金属皂的防水效果， 在浇注时不使用脱模剂。 混凝土成型4 8 h 拆模， 将立方体试块放入标准养护室 ( 2 0 3 ) q C ， R H 9 0 养护。 将试块分成2 部分， 一部分在2 8 d 测试其抗压强度， 另 一 部分 1 4 d 后取出， 沿试块顶面( 混凝土成型时的上表面) 中 线切成相等的两半， 再继续养护 1 4 d 。 1 2 吸水性和氯离子侵入试验 为了 研究混凝土的毛细吸水性能，试验前先将试件置于 6 0 q C 烘箱内 烘干5 d 至质量基本恒定：随后对除与水接触面 和切割面的其余4 个侧面全部用石蜡密封，以确保整个吸水 过程是一维的； 试件放入平底容器中， 底部用垫块支撑， 试件 项部低于液面( 5 1 ) m m： 在规定的吸水时问( 0 、 l 、 2 、 4 、 8 、 1 2 、 2 4 、 3 6 、 7 2 h ) 取出试件称量， 得到混凝土试件在不同时间内的 吸水量。 氯离子侵入的试验装置同毛细吸水试验类似，只是将水 换成5 浓度的N a C 1 溶液， 浸泡2 8 d 后， 将试件取出烘干磨 粉。 将磨好的粉末用氯离子滴定法测试试件中氯离子的含量； 同时采用傅里叶转换红外光谱仪( F T I R ) 测试内掺金属皂试 6 2 新型建筑材料 2 0 1 0 9 2 试验结果与讨论 2 1 金属皂掺量对混凝土抗压强度的影响 4种防水剂的型号和掺量以代号和数字表示： a代表 L I G A P H O B Z N 5 0 2 ， b代 表 Z I N K S T E A R A T 1 0 1 ， c代表 L I G A C A L C I U M S T E A R A T 8 6 0 ， d代表 HG A P H O B Z N 1 0 1 P L U S ； 代号前数字表示防水剂掺量， 0 代表掺量为0 5 ， 1 代 表掺量为1 0 ，如掺量为0 5 的HG A P H O B Z N 5 0 2 金属皂 表示为0 a ； 未掺加金属皂的混凝土用B 0 表示。 金属皂掺量对 混凝土抗压强度的影响见图1 。 B O Oa 0 b Oc O d l a l b 1 c 1d 防水剂型号和掺量代 号 图 1 金属皂类防水剂对混凝土抗压强度的影响 从图1 可以发现，在混凝土拌合物中掺入金属皂类防水 剂后， 混凝土2 8 d 抗压强度相对于未掺防水剂的混凝土均有 所下降( 约降低4 5 ) 。但是， 掺不同种类金属皂试剂的混凝 土抗压强度差别不大。这说明金属皂防水剂延缓了水泥的水 化速度， 致使水化产物减少， 故强度相应降低， 并且金属皂掺 量越大， 混凝土抗压强度降低的幅度越大。因此， 单从机械性 能来看， 金属皂的掺量不宜超过 1 0 ， 并且也不宜用于早期 强度要求高的工程。 2 2 金属皂类防水剂对混凝土毛细吸水的影晌( 见图2 ) 一 最 O a l a O b l b Oc l c O d l d B O U l Z 3 4 5 1 5 ， 吸水时间t h 图 2 金属皂类防水剂对混凝土毛细吸水量的影响 从图2 可以看出， 掺加金属皂后试件的吸水量大大降低， 约为素混凝土吸水量的1 4 ( 除了0 a ) 。混凝土的防水性能通 常由 混凝土的毛细吸收系数或渗透系数来评价。在混凝土的 m 0 芒 跫蹬 N 咖咖瑚喜 ； 伽湖瑚 o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 姜蓉， 等： 内掺金属皂类防水剂对混凝土防水和抗氯离子效果研究 吸水过程中， 假设混凝土各向同性、 吸收过程是一维的， 则水 的吸收量与吸收时间的平方根应呈线性关系 ， 即符合“ 时间 开方定律” ， 用式( 1 ) 表示： AW= A 、 ， _f ( 1 ) 式中： 毛细吸收系数， k g ( m 2 S ； 吸水量， k g m ； 吸水时间， S 。 在式( 1 ) 中， 毛细吸收系数 实际不是不变的， 由于边界 效应， 它将随着毛细吸收时间的增长而逐渐减小。 A取决于吸 收的液体和孔结构， 可用式( 2 ) 表示： 肚 1v (2 ) 式中： 一 水量； p 盐溶液的浓度； 一 孔结构中典型孔尺寸分布的有效半径； 6 r - 一 水的表面张力； 7 7 一水的动态粘滞系数； 一 润湿角。 如果材料的 r r 2 时， A的值为0 或负数， 在这种情况 下， 水只受静水压力作用进入到混凝土孔结构中。 值得一提的 是， 防水混凝土孔结构部分水的摄入不是纯毛细吸水， 而是局 限性毛细吸水和水蒸气传输相结合的过程。 由于这个原因， 我 们称这些数值为毛细吸水表观系数或吸水系数。内掺防水剂 混凝土的许多毛细孔是疏水的，严格来说是阻碍混凝土的毛 细吸水能力。可以假设混凝土部分吸收的水分以水汽的形式 进入到多孔结构中， 然后在疏水的纳米孔中凝结， 这样就可以 决定毛细吸收系数。 通过式( 1 ) 对试验数据进行线性拟合， 确定混凝土毛细吸 收系数 ， 所得数值见表2 。 表 2 防水混凝土的毛细吸水系数及 降低率 项目 B 0 0 a l a 0 b l b O c l c 0 d l d 4 s川s 川 z 川s 4 降低 率 一 2 8 9 6 4 1 6 4 1 6 2 1 7 3 9 64 1 8 0 6 6 7 4 由表2 可以看出， 金属皂加入到素混凝土中后， 明显降低 了毛细吸水系数，掺量为0 5 的金属皂比掺量为 1 0 的同 类型金属皂毛细吸水系数相差不大。 研究表明， 金属皂掺量明 显低于1 0 时均有较好的使用效果圄 。 这是由于低浓度时， 硬 脂酸盐与混凝土内部作用表面越容易发生反应，毛细吸收系 数迅速降低， 内 掺防水效果越好。 需要指出的是，混凝土内掺防水处理并不能绝对阻止水 的进入， 仍有少量水侵入到混凝土中， 这是因为6 1 ： ( 1 ) 对于金 属皂类防水剂，高比表面是衡量混凝土防水效果的一项重要 指标， 决定材料具有疏水的特性， 但并不能完全阻止水分的 进入； ( 2 ) 防水处理只轻微影响混凝土的透气性， 水仍能以水 蒸气的形式向混凝土中扩散； ( 3 ) 混凝土表面粗糙不平， 在一 些较大的孔洞中仍能够进入少量水。 在干燥过程中， 硬脂酸盐随着水分迁移到混凝土表面， 在 接近表面的一薄层有相对较高的聚合浓度，使混凝土具有防 水效果， 而超过这一层可能只有局部的防水效果。 当深度超过 3 m m时， 4种类型的防水混凝土聚合性硬脂酸盐浓度很低， 曲 线趋于平缓。 对4 种类型金属皂类防水剂掺量为 1 0 的混 凝土中硬脂酸盐含量用F T I R进行测定， 结果见图3 。 O l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 渗透 深度 m m 图 3 金属皂类防水剂种类对混凝土中硬脂酸盐含量的影响 由图3 可以看出， 在试件表面的硬脂酸盐含量相对较高， 防水效果好， 测量结果与试验预期相符。 2 3 金属皂类防水剂混凝土抗氯离子侵入性能( 见图4 ) 图 4混凝土在 5 N a C I 溶液 中浸泡 2 8 d后的氯离子含量 从图4可以看出，内掺金属皂类防水剂混凝土中氯离子 含量与素混凝土中的氯离子含量相比大幅降低，前者在 l 0 m m深度时已达到一个低值， 在0 1 5 以下； 而后者在2 5 m m 深度时仍在0 1 5 ， 表明内掺金属皂类防水剂后， 阻止或延缓 了氯离子的侵入。大部分混凝土中氯离子的最高含量并不在 混凝土表面， 而是从表面开始迅速上升到最高值， 然后逐渐下 降到最低值。 氯离子最高含量在混凝土内大约2 m m处， 这是 由于混凝土中的溶液蒸发导致的。 试件放入5 的N a C 溶液 中浸泡2 8 d 后， 然后在实验室中自 然放置一段时间， 再进行 N E W BUI L DI NG M ATE R I AL S 6 3 5 4 3 2 l O 删如 甾避裂 蚯 加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 姜蓉， 等： 内掺金属皂类防水剂对混凝土防水和抗氯离子效果研究 氯离子含量分析。 由于实验室内较干燥， 使得混凝土表面孔隙 中水分逐渐蒸发， 造成孔隙中剩下溶液的氯离子浓度提高， 加 速了表面氯离子向内部孔隙扩散， 因此， 氯离子含量最高值不 在混凝土表面。而且同类型金属皂相比较， 掺量为 1 O 比掺 量0 5 的混凝土试件氯离子渗透量要小。 另外， 混凝土经过防水处理后， 不能完全抵制氯离子的侵 入7 1 。从毛细吸收试验结果可知， 防水处理不能绝对阻止混凝 土的毛细吸水， 虽然有一部分水是以水蒸气形式运输的， 不能 运输氯离子，但是仍有少量水是被金属皂无法处理的孔隙吸 入的，吸入的盐溶液把溶于其中的氯离子带到混凝土中。此 外， 混凝土表面也存在较大的孔洞， 经测量最大孔洞直径约2 m m左右罔 ， 即使防水处理后盐溶液也能慢慢进入这些较大的 孔洞。 3 结语 ( 1 ) 与素混凝土相比， 添加金属皂类防水剂混凝土的抗压 强度降低， 并且掺量越大， 抗压强度降低的幅度越大。 ( 2 ) 内掺金属皂类防水剂后， 可大大降低混凝土的毛细吸 水量， 约为素混凝土的l 4 ； 但是内掺防水处理并不能绝对阻 止水的进入。 ( 3 ) 对于内掺金属皂类防水剂混凝土内部的硬脂酸盐含 量， 在接近表面层有一薄层区域具有相对较高的浓度； 当深度 超过3 m m时， 浓度较低。 ( 4 ) 内掺金属皂类防水剂在能保证防水的同时， 也有效抑 制氯离子的侵入， 掺加金属皂后的混凝土在l 0 m m深度处氯 离子含量已降到0 1 5 以下， 而素混凝土在 2 5 m m时含量仍 为 0 1 5 。 参考文献： 1 赵铁军 渗透性涂料表 面处理与混凝土耐久性【 M】 北京 ： 科学出版 社， 2 0 0 9 ： 3 4 3 5 2 战洪艳有机硅 防水处理技术及混凝土表面氯离子隔离层建立【 D 1 青岛： 青岛理工大学 ， 2 0 0 4 ： 6 1 6 4 3 G e r d e s A P r o t e c t i v e c o a t i n g s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s f o r h i g h d u r a - b i l i t y J H i g h P e rf o r ma n c e o f C e me n t B a s e d Ma t e ri a l s ， 1 9 9 7( 1 ) 1 61 一l 7 3 4 Ke l h a m S A A w a t e r a b s o r p t i o n t e s t f o r c o n c r e t e J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e Re s e a r c h ， 1 98 8， 4 0： l O 6 一l 1 O 5 X i a n Y， Wi t t m a n n F H， Z h a o T ， e t a 1 C h lo ri d e p e n e t r a t i o n i n t o i n t e g r a l w a t e r r e p e l l e n t c o n c r e t e R e s t o r a t i o n of B u i l d i n g s a n d Mo n u m e n t s ， 2 o o 7 ， 1 3 ( 1 ) ： l 7 2 4 6 Wi t t m a n n F H， X i a n Y Z ， Z h a o T J ， e t a 1 Mo i s t u r e d i f f u s i o n a n d s i l o x a n e d i s t ri b u t i o n i n i n t e gra l w a t e r r e p e l l e n t c o n c r e t e J R e s t o - r a t i o n o f B u i l d i n g s a n d Mo n u me n t s ， 2 0 0 8， 1 4( 1 ) ： 1 5 -2 6 【 7 赵铁军 混凝土渗透性【 M 北京： 科学 出版社 ， 2 0 0 6 ： 1 3 0 1 3 9 8 咸永珍 内掺有机硅防水处理对混凝土性能的影响【 D j 青岛： 青 岛理1大学， 2 0 0 6 ： 6 1 6 2 岛 ( 3 z 接第 6 0页) ( 3 ) 与油溶性交联单体相比， 分子量较小、 分子链长较短 的水溶性交联单体制得的胶粉具有更好的再分散稳定性。 参考文献 ： 【 1 】 张心亚 ， 黄洪 ， 黎永津 可再 分散聚合物乳 胶粉的性 能及 其应用 J 涂料工业 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 1 O ) ： 4 3 4 6 【 2 】 L e o M， S a i j a M UWa t e r r e d i s p e r s i b l e l o w r g a c r y l i c p o w d e r s f o r t h e m o d i fi c a t i o n o f h y d r a u l i c b i n d e r c o m p o s i t i o n s I J 1J o u r n a l o f Ap p l i e d P o l y me r S c i e n c e 1 9 9 9( 1 1 ) ： 1 7 81 1 78 7 3 】 王玉霞， 张 芳， 王艳君 ， 等 无皂乳液聚合 的进展叫 化学工业与工 程 ， 2 0 o 3 ， 2 0 ( 1 ) ： 1 5 2 0 6 4 新型建筑材料 2 0 1 0 9 A 【 4 H o r s k y J ， P o r s c h B ， Mr k v i c k o v a L ， e t o 1 E ff e c t o f a l k a l i n i z a t io n o n e a r b o x y l a t e d l a t i c e s p r e p a r e d wi t h v a r i o u s a mo u n t o f a n o n i o n o g e n i c h y d r o p h i l i c c o mo n o me r 2 - h y d r o x y e t h y l me t h a c r y l a t e f J 1 C o l l o i d s a n d S u r f a c e s A： Ph y s i e o e h e mi c al a n d En g i n e e r i n g As - p e c t s ， 2 0 01 ， 1 8 0 ： 7 5 8 5 【 5 沈钟 ， 赵振 国， 王国庭 胶体与表面化 学 M】 北京： 化学工业 出版 社， 2 0 0 5 ： 9 4 9 6 6 北京有机化 工厂研究所 聚 乙烯 醇的性质和应用【 M 北京 ： 纺织 工业出版社 ， 1 9 7 9 ： 7 5 7 6 7 】 曹同玉， 刘庆普， 胡金生 聚合物乳液合成原理性能及应用【 M 】 北 京： 化学工业出版社， 2 0 0 7 ： 3 0 7 3 0 8 A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m