CN103626518A - 高性能混凝土结构防护用水性有机硅膏体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能混凝土结构防护用水性有机硅膏体及其制备方法，其由如下几种成分按质量百分比构成：烷氧基硅烷：35.0%～65.0%；石油醚：10.0%～20.0%；渗透增强剂：1.0%～3.0%；表面活性剂：2.0%～5.0%；稳定剂：2.0%～4.0%；气相二氧化硅：2.0%～5.0%；水：10.0%～30.0%。本发明公开的水性有机硅膏体对混凝土结构具有良好的渗透深度，高效降低混凝土的吸水量、耐碱性及耐紫外线性能优良，本发明制备方便、贮存稳定；并且使用方便，适合强度等级大于C45的高性能混凝土结构的防护。
Description
技术领域
本发明涉及一种高性能混凝土结构防护用水性有机硅膏体及其制备方法，属于建筑材料技术领域。
背景技术
混凝土结构越来越多被应用到建筑结构中。基于结构构件在设计使用年限内保持其适用性和安全性能力的耐久性是混凝土结构的重要性能。因混凝土碳化、氯离子腐蚀、冻融破坏等原因导致的混凝土结构中钢筋锈蚀、混凝土开裂和剥落等破坏，已成为影响混凝土结构耐久性的主要问题。在大多数情况下，潮湿是造成混凝土劣化、钢筋锈蚀和冻融破坏的必要条件，因此有效防水就成了提高混凝土结构耐久性的有效方法之一。
有机硅化合物有着独特的憎水性和对水蒸汽透过性无明显损害特点；混凝土表面硅烷浸渍方法具有技术先进、经济合理、安全耐久、质量可靠和施工方便，防水透气而不改变混凝土结构外观的优势；得到了研究人员的关注。基于机硅化合物的表面憎水处理的混凝土结构防护措施于19世纪中叶出现，到20世纪中期，欧美国家已将硅烷浸渍技术成功应用于道桥、码头、机场等混凝土结构的表面防护工程中。我国于2000年将硅烷浸渍处理技术纳入《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》行业标准，随后的《混凝土结构耐久性设计与施工指南》、《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》、《铁路混凝土结构耐久性设计规范》以及《铁路混凝土结构耐久性修补及防护》等规范也将硅烷浸渍处理作为混凝土结构的防腐蚀强化措施。
中国专利CN101746988B公开了一种混凝土专用硅烷膏体防护剂及其制备方法，具体以碳链长度在4～16之间的长链烷基硅烷偶联剂、粘度在10～2000mm2/S之间的硅氧烷低聚物、有机溶剂、乳化剂和去离子水为原料制备得到，其可以提高混凝土结构的耐久性；中国专利CN101367670B公开了一种高固含量硅烷膏状物及其制备方法，其组分及质量配比为：硅氧烷单体∶乳化剂∶去离子水＝70％～85％∶5％～10％∶10％～25％，用于混凝土表面的养护。
现有的有机硅类产品可以应用到混凝土结构的防护工程中，但是其应用的混凝土等级一般在C40以下，且渗透深度在5mm以下，有些处理剂渗透深度甚至仅为1～2mm，不能形成整体防水层，只限用于普通混凝土结构；目前未见能够渗入C45以上高性能混凝土深度6～10mm的有机硅膏体防护剂的报道。
另一方面，高性能混凝土结构在近年来国家和地方加快发展的高速铁路、高速公路、城市地铁、城市高架等交通运输设施中广泛应用。此类项目国家和地方的投资很大，设计使用年限超过100年；如果由于混凝土结构的耐久性能达不到标准，使用年限缩短，将会影响到国家和地方交通运输设施等投资项目的发展。此外，此类高性能混凝土结构一般建在农田、湖波、山脉中，同时还要受到冬夏温度、城市酸雨的影响，自然环境恶劣。所以研发新的有机硅防护剂以提高高性能混凝土的耐久性很有必要。
发明内容
本发明目的是提供一种高性能混凝土结构防护用水性有机硅膏体及其制备方法，该有机硅膏体可用于等级在C45以上的高性能混凝土结构的防护，其性能指标满足JG/T 337-2011《混凝土结构防护用渗透型涂料》标准要求，可在立面、顶层施工，提高混凝土结构的耐久性。
本发明的总体思路为：以烷氧基硅烷为主要渗透性成分，石油醚为辅助防水成分，通过表面活性剂作用制备高有效成分含量的水性膏体；然后加入醇类稳定剂及气相二氧化硅抗沉降剂，在水作用下及高速分散作用情况下最终形成性能稳定的水性有机硅膏体。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高性能混凝土结构防护用水性有机硅膏体，按质量百分比，所述水性有机硅膏体由如下组分构成：
烷氧基硅烷 35.0%～65.0%
石油醚 10.0%～20.0%
渗透增强剂 1.0%～3.0%
表面活性剂 2.0%～5.0%
稳定剂 2.0%～4.0%
气相二氧化硅 2.0%～5.0%
水 10.0%～30.0%
所述烷氧基硅烷的结构式为： 
；其中n：3～18，m：1～2；
所述石油醚为碳链长度在10～50之间的烷烃、烯烃中的一种或者一种以上混合物；
所述的渗透增强剂分子式为；其中n：3～18，m：1～2；
所述表面活性剂的亲水亲油平衡值加权平均数为10.0～13.0；
所述稳定剂为聚乙烯醇。
上述技术方案中，所述的烷氧基硅烷优选为丁基三乙氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷中的一种或一种以上混合物。
上述技术方案中，所述石油醚为碳链长度在10～50之间的溶剂油、改性溶剂油、精炼白油、液体石蜡中的一种或者一种以上混合物；优选为液体石蜡、200号溶剂油或者两者的混合物。
上述技术方案中，所述的渗透增强剂优选为全氟丙基三乙氧基硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷或者两者的混合物。
上述技术方案中，表面活性剂的亲水亲油平衡值（HLB）加权平均数可通过表面活性剂的HLB采用质量分数计算方法计算得到。例如表面活性剂由A、B、C三种表面活性剂组成，那么表面活性剂的HLB加权平均数（HLB平均）为：
HLB平均=HLBA×mA+HLBB×mB+HLBC×mC，其中mA、mB、mC分别为A、B、C三种表面活性剂的质量分数，HLBA、HLBB、HLBC分别为A、B、C三种表面活性剂的亲水亲油平衡值。
本发明选用的表面活性剂的HLB平均为10.0～13.0，由此得到的有机硅膏体可稳定稳定储存、不析油、不分层。本发明优选烷基醇聚氧乙烯醚平平加O系列、烷基酚聚氧乙烯醚OP系列、失水山梨糖醇脂肪酸酯SP系列、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或者一种以上混合物作为表面活性剂；进一步优选烷基醇聚氧乙烯醚平平加O-25、烷基酚聚氧乙烯醚OP-10、失水山梨糖醇脂肪酸酯SP-80中的一种或者一种以上混合物作为表面活性剂。
上述技术方案中，所述气相二氧化硅的比表面积为150～300m2/g。
上述技术方案中，所述聚乙烯醇优选聚合度为1650～1750，醇解度为88%的聚乙烯醇。
本发明还公开了上述水性有机硅膏体的制备方法，具体如下：
按上述比例；
（1）将稳定剂、气相二氧化硅加入到水中，混合均匀得到A溶液；
（2）将表面活性剂、烷氧基硅烷、渗透增强剂加入到石油醚中，混合均匀得到B溶液；
（3）在高速分散条件下，将A溶液滴加入B溶液中；滴加完毕后，保持高速分散直至液体形成膏状，即为所述的水性有机硅膏体。
上述技术方案中，步骤（3）中高速分散时A溶液的分散粒径线速度达到的8m/s，A溶液的滴加速度为10～20g/min·kg，即制备1kg高性能混凝土结构防护用水性有机硅膏体，溶液A的滴加速度为10～20g/min；比如制备100kg高性能混凝土结构防护用水性有机硅膏体，那么溶液A的滴加速度为1000～2000g/min。
硅烷是一种性能优异的渗透型浸渍剂，具有小分子结构，能够深层渗透混凝土毛细孔壁与水化的水泥发生反应形成聚硅氧烷互穿网络结构，通过牢固的化学键合反应，赋予混凝土表面的微观结构长期的憎水性，并保持呼吸透气功能，大大降低了水和有害氯离子等的侵入，确保了混凝土结构免受腐蚀。
本发明以渗透增强剂作为辅助成分，渗透增强剂为氟硅类偶联剂，具有理想的渗透性能，可以快速在混凝土表面渗入到内部10mm以上深度，是混凝土防护的理想材料；此外，氟硅类偶联剂具有低表面张力特征，可以有效保持混凝土基层超疏水状态，避免因水分及其他成分对混凝土的腐蚀。
本发明选用石油醚作为乳化辅助成分，主要是因为石油醚的分子式结构更接近于表面活性剂，石油醚结构在表面活性剂分散形成胶束过程中有利于稳定胶束粒子不破乳、不析油。
此外，本发明选用聚乙烯醇和气相二氧化硅作为抗沉降剂，其中聚乙烯醇分子在分散过程中大量羟基包裹着胶束粒子，防止胶束相互结合破乳；而气相二氧化硅在分散过程中可有效吸附水分子，增强分子间作用力，达到稳定膏体的目的。
本发明的防护剂是以烷氧基硅烷为主要成分，添加石油醚、渗透增强剂为辅助原料，在表面活性剂及稳定剂作用下，在气相二氧化硅作为抗沉降剂作用下，通过机械分散作用制备得到的均匀稳定白色细腻膏状体，本发明的防护剂产品在环境保护、施工便捷方式、渗透深度及运势方面具有明显的优势。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点:
1．实验证明，本发明的高性能混凝土结构防护用有机硅膏体中的烷氧基硅烷对强度等级大于C45的高性能混凝土结构渗透力强，有效渗透深度达6.5～10mm，远高于现有技术的0.5～5mm；取得了意想不到的技术效果；
2．本发明首次在有机硅混凝土结构防护剂中添加渗透增强剂氟硅氧烷，其中氟硅氧烷可有效增强烷氧基硅烷在混凝土表面额渗透深度及降低其吸水量，有利于延长混凝土的使用期限；
3．本发明公开的高性能混凝土结构防护用有机硅膏体原料组成合理、制备方便、贮存稳定，吸水量比小、耐紫外线以及耐碱性能优异；并且使用方便，适合工业化应用。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步描述：
表1 实施例中有机硅膏体的原料组成质量百分比
制备方法：
根据表1的原料比例，首先将稳定剂、气相二氧化硅加入到水中，混合均匀得到A溶液；然后将表面活性剂、烷氧基硅烷、渗透增强剂加入到石油醚中，混合均匀得到B溶液；
将A溶液高速分散，同时将B溶液滴加到A溶液中，其中A溶液的分散粒径线速度为8m/s，实施例一、二、三中A溶液的滴加速度分别为10g/min·kg、15g/min·kg、20g/min·kg，滴加过程中保持高速分散机分散速度均匀，直至B液完全加入A溶液；继续高速机械分散，直至乳液变均质稳定的水性膏状体，即为高性能混凝土结构防护用水性有机硅膏体。
将上述膏状体刮涂于C45混凝土表面，按JG/T 337-2011《混凝土结构防护用渗透型涂料》规定方法测试，结果见表2。
表2 产物性能表征
| 测试项目 | 实施例一 | 实施例二 | 实施例三 |
| 外观 | 颜色均匀无杂质 | 颜色均匀无杂质 | 颜色均匀无杂质 |
| 稳定性 | 无分层、无漂油、无明显沉淀 | 无分层、无漂油、无明显沉淀 | 无分层、无漂油、无明显沉淀 |
| 渗透深度/mm | 6.5 | 8.3 | 10.2 |
| 吸水量比/% | 9.8 | 8.7 | 7.2 |
| 氯离子渗透深度，mm | 6.7 | 5.8 | 5.0 |
| 吸水量比（紫外线老化后）/% | 9.8 | 8.9 | 8.1 |
| 吸水量比（耐碱后）/% | 11.6 | 10.3 | 10.1 |
由上表可见，本实施例的高性能混凝土结构防护用有机硅膏体中的烷氧基硅烷对强度等级大于C45的高性能混凝土结构渗透力强，有效渗透深度达6.5～10.2 mm，远高于现有技术的0.5～5mm；取得了意想不到的技术效果。
Claims (10)
1.一种高性能混凝土结构防护用水性有机硅膏体，其特征在于，按质量百分比，所述水性有机硅膏体由如下组分构成：
烷氧基硅烷 35.0%～65.0%
石油醚 10.0%～20.0%
渗透增强剂 1.0%～3.0%
表面活性剂 2.0%～5.0%
稳定剂 2.0%～4.0%
气相二氧化硅 2.0%～5.0%
水 10.0%～30.0%
所述烷氧基硅烷的结构式为： ；其中n：3～18，m：1～2；
所述石油醚为碳链长度在10～50之间的烷烃、烯烃中的一种或者一种以上混合物；
所述的渗透增强剂分子式为
；其中n：3～18，m：1～2；
所述表面活性剂的亲水亲油平衡值加权平均数为10.0～13.0；
所述稳定剂为聚乙烯醇。
2.根据权利要求1所述的高性能混凝土结构防护用水性有机硅膏体，其特征在于：所述烷氧基硅烷为丁基三乙氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷中的一种或一种以上混合物。
3.根据权利要求1所述的高性能混凝土结构防护用水性有机硅膏体，其特征在于：所述石油醚为碳链长度在10～50之间的溶剂油、改性溶剂油、精炼白油、液体石蜡中的一种或者一种以上混合物。
4.根据权利要求3所述的高性能混凝土结构防护用水性有机硅膏体，其特征在于：所述石油醚为液体石蜡、200号溶剂油或者两者的混合物。
5.根据权利要求1所述的高性能混凝土结构防护用水性有机硅膏体，其特征在于：所述渗透增强剂为全氟丙基三乙氧基硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷或者两者的混合物。
6.根据权利要求1所述的高性能混凝土结构防护用水性有机硅膏体，其特征在于：所述表面活性剂为烷基醇聚氧乙烯醚平平加O系列、烷基酚聚氧乙烯醚OP系列、失水山梨糖醇脂肪酸酯SP系列、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或者一种以上混合物。
7.根据权利要求1所述的高性能混凝土结构防护用水性有机硅膏体，其特征在于：所述气相二氧化硅的比表面积为150～300m2/g。
8.根据权利要求1所述的高性能混凝土结构防护用水性有机硅膏体，其特征在于：所述聚乙烯醇的聚合度为1650～1750，醇解度为88%。
9.一种高性能混凝土结构防护用水性有机硅膏体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将权利要求1所述的稳定剂、气相二氧化硅加入到水中，混合均匀得到A溶液；
（2）将权利要求1所述的表面活性剂、烷氧基硅烷、渗透增强剂加入到石油醚中，混合均匀得到B溶液；
（3）在高速分散条件下，将A溶液滴加入B溶液中；滴加完毕后，保持高速分散直至液体形成膏状，即为所述的水性有机硅膏体。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）高速分散时A溶液的分散粒径线速度为8m/s，A溶液的滴加速度为10～20g/min·kg。
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