渗透结晶防水外加剂的研究

济南大学毕业论文- 1 -摘 要渗透结晶型防水剂是一种可以显著增强混凝土和砂浆防水能力的外加剂。传统的渗透结晶型防水剂含有一种或多种活性物质，掺入的化学物质在水的作用下通过渗水通道或混凝土正常的毛细作用进入混凝土内部的孔隙中，与混凝土中未水化的水泥颗粒发生水化反应，形成致密水化晶体，封堵混凝土的空隙、毛细管以及裂缝，达到防水目的。这种防水剂主要是通过掺加进防水涂料中来发挥它的功效。这种防水剂是通过后天改造完善混凝土内部结构来达到防水目的。本文研究的渗透结晶型防水剂是一种复配型外加剂，它不同于传统的防水剂它在混凝土或砂浆拌制过程中就已经加入其中。他是通过改善混凝土和砂浆内部结构来实现混凝土结构自防水功能。此次防水剂的复配除了基于水泥基渗透结晶型防水材料的作用机理外还借鉴了其他一些混凝土防水机理（提高混凝土的强度、砂石采用合理的级配来提高混凝土的密实度、利用钙矾石的微膨胀效应来提高混凝土的抗裂能力等等） 。基于以上机理我们选出了几种外加剂复配出了我们的防水剂。将复配出的防水剂掺加进砂浆制成防水砂浆根据国家标准 JC4741999砂浆、混凝土防水剂 、GB184452001 水泥基渗透结晶型防水材料测试其性能，结果表明：防水砂浆 28 天强度有了惊人的提高，其在 1.5Mpa 渗透压力下都未出现渗水现象，说明防水砂浆有着很强的防水能力，我们复配出的防水剂是比较成功的。关键词：渗透结晶；防水砂浆；水泥基渗透结晶防水材料济南大学毕业论文- 2 -ABSTRACTAdmixture capillary crystalline waterproofing agent is a significantly enhanced ability to waterproof concrete and mortar。Conventional capillary crystalline waterproofing agent containing one or more active substances，the chemical incorporation of the seepage channel or concrete normal capillary action into the inside of the concrete pore under the action of water，hydration reaction occurs with concrete unhydrated cement particles，form a dense crystalline hydrated，plugging the gap of the concrete cracks and capillary，To waterproof purpose. This is mainly water repellent coating by mixing into the water to play its effectiveness. This is the perfect concrete waterproofing agent acquired through the transformation of the internal structure to achieve waterproofing purposes.This paper studies the capillary crystalline waterproofing agent is a complex type admixtures, t differs from conventional water repellent concrete or mortar mixing it in the course of which it has been added. He is by improving the internal structure of concrete and mortar to achieve concrete structural waterproof function. Compound waterproof agent in addition to the mechanism of cementitious capillary crystalline waterproof material based on external also draws some other concrete waterproof mechanism(improve the strength of concrete, gravel gradation using reasonable to increase the density of concrete, using micro-expansion effect ettringite to improve crack resistance of concrete, etc.). Based on the above mechanism we have selected several admixtures complex out of our water repellent. The complex out of the water repellent admixture into the mortar made of waterproof mortar According to national standards JC4741999Mortar, concrete waterproofing agent 、 GB184452001 Cementitious capillary crystalline waterproofing materialstest its performance , The results showed that: waterproof mortar 28 days have been dramatically improved strength waterproof mortar has a strong waterproof capabilities, we compounded the waterproofing agent is more successful.Key words：Crystal infiltration; waterproof mortar; cementitious capillary crystalline waterproofing materials济南大学毕业论文- 3 -目 录摘 要 .1ABSTRACT .2目 录 .31 前言 .51.1 选题背景与意义 .51.2 渗透结晶型防水外加剂 .61.2.1 渗透结晶型防水外加剂的介绍 .61.2.2 渗透结晶型防水外加剂的原理与特点 .61.2.3 主要特点 .71.2.4 渗透结晶型防水剂国内外发展现状 .71.3 本课题研究的内容与预期效果 .82 试验原材料和仪器设备 .102.1 原材料的选择 .102.1.1 水泥的选择 .102.1.2 砂子的选择 .112.1.3 矿物掺合料的选择 .122.1.4 外加剂的选择 .132.2 原材料检测方法 .142.3 实验所用仪器 .142.3.1 原材料检测所用仪器 .142.3.2 砂浆试验所用仪器 .153 渗透结晶型防水砂浆配合比设计 .163.1 配合比设计要求 .163.2 配合比设计原则 .163.2.1 胶砂比的选择 .163.2.2 水胶比 .173.2.3 外加剂掺量 .173.2.4 矿物掺合料的掺量 .173.3 初步确定配合比 .174 防水砂浆的各 项性能试验 .194.1 减水剂掺量的优化 .194.2 防水砂浆抗压抗折强度试验 .214.2.1 胶砂比 40:60 砂浆抗压强度试验 .22济南大学毕业论文- 4 -4.2.2 胶砂比 45:55 砂浆抗压强度试验 .224.2.3 胶砂比 50:50 砂浆抗压强度试验 .234.2.4 抗压强度实验数据分析 .234.2.5 小结 .244.4 防水砂浆抗渗试验 .244.5 实验结论以及所遇到的问题分析 .275 结 论 .28参 考 文 献 .29济南大学毕业论文- 5 -1 前言1.1 选题背景与意义随着我国经济建设的高速发展，近年来城乡建设亦呈飞速增长的趋势，城市基础设施建设、安居工程和住宅小区等相继拔地而起，以及西部大开发战略的实施，建筑防水的工程量相应增大，促进和带动了防水行业的快速发展。同时，为了改善城市交通环境，增加居民出行方便，全国许多城市大量修建高架、地铁、隧道等各种交通设施。这些工程都需要进行防水技术处理，建筑物的防水一直是防水行业的一大难题，而水泥基渗透结晶型防水外加剂作为一种新型的防水材料以其独特的优势越来越受到行业的青睐。相比于水泥基渗透结晶型防水材料水泥基渗透结晶型防水外加剂在工程应用中效果很好,施工简单,对各种环境都具有良好的适应性,具有良好的防水能力和耐久性,是一种相当具有发展前途的防水材料 1。目前,虽然国内能水泥基渗透结晶型防水材料发展非常迅速,但是大部分同类产品都是由由国外进口,或者用进口原料在国内加工、分装等,厂家本身并不能实现独立生产。这样一来导致产品成本高,价格平均可达 35 万元/t；国内对于水泥基渗透结晶型防水材料的理论研究也比较少。曾有上海同济大学、中国核工业研究所等单位开展了一系列研究,但仅仅对现有的国外产品进行评价,未形成一套完整的理论,也未能形成自己的产品 2。关于该产品,目前存在的主要问题是防水作用机理不确定,缺乏理论及实践研究的双重支持;母料的进口价格昂贵,无法适应大规模建设的需要等。国内目前在许多重要防水工程中采用用了水泥基渗透结晶型防水材料,都取得了比较好的效果 3。但关键技术和关键材料都是由国外进口,产品价格昂贵,因此它阻碍了水泥基渗透结晶防水材料在我国的发展，所以我们急需要国内自主生产的价格比较低廉的产品。该产品在不同条件下其使用效果也不相同,严重限制其应用范围和使用效果。本课题是借鉴市场上相对成熟的防水产品和理论，选择出集中合适的外加剂来复配我们的防水外加剂，并通过实验分析验证得出最佳配方，和市场上的同类产品进行比较得出所配外加剂的主要特点。通过以上的研究,促进水泥基渗透结晶型防水材料在国内的发展及广泛应用。1.2 渗透结晶型防水外加剂1.2.1 渗透结晶型防水外加剂的介绍渗透结晶型防水外加剂是一种化学外加剂同时也是复配型外加剂。它主要有减水剂、膨胀剂、憎水剂等外加剂复配而成。根据季节的不同和施工要求可能复合缓凝剂等组分，总之防水外加剂的组分很不固定具有多样化和多功能化特点。济南大学毕业论文- 6 -渗透结晶型防水外加剂不同于传统的水泥基渗透结晶防水材料，它是直接掺入水泥砂浆或混凝土中使用可以改善混凝土和砂浆内部的结构，使其实现结构自防水。其组分中的减水剂可以改善混凝土和砂浆的和易性同时可以降低水灰比提高密实度；憎水剂可以在混凝土和砂浆硬化后的表面形成一层永久的防水层阻止水分的进入其内部；膨胀剂中的活性成分可以和水泥水化产物发生反应生成钙矾石，可以利用钙矾石的“微膨胀效应”来补偿混凝土和砂浆的收缩防止开裂。渗透结晶型防水外加剂相比于水泥基防水涂料有以下优点：一方面是实现了混凝土结构自防水，取消了外防水措施，另一个是施工简便防水效果好同时成本比较低廉。1.2.2 渗透结晶型防水外加剂的原理与特点关于渗透结晶型防水剂组分中膨胀剂中的活性物质渗透结晶机理目前主要有两种解释：一种是沉淀反应机理，另一种是沉淀-络合反应机理。（1）沉淀反应机理：水泥在水化过程中，会产生大量的 Ca（OH） 2 和游离的Ca2+等碱性物质。防水外加剂中的活性化学物质会以水为载体渗透到混凝土内部，与水泥石中和毛细孔中的 Ca（OH） 2 等物质发生化学反应，生成不溶于水的结晶体（比如钙矾石） 。钙矾石等结晶体会阻塞混凝土和水泥石中的毛细孔以及微裂缝，起阻水、防水作用。一旦混凝土中的这些毛细孔和微裂缝被结晶体阻塞，那么混凝土的密实度会提高其抗渗性也随之提高。由于渗透作用是以水为载体，并且结晶化学反应也必须在水的环境中进行，所以水的存在是沉淀反应机理的必要条件。后期随着混凝土中的水分蒸发，混凝土内部变得很干燥其中的活性物质都以固体状态存在，此时渗透作用也停止了。我们把此时的状态称之为“休眠” 。如果在“休眠”期间混凝土产生了微裂缝，那么水就会顺着裂缝进入混凝土将活性物质重新激活，进而发生结晶沉淀反应再次将微裂缝堵塞。（2）沉淀-络合反应机理：进入混凝土内部的活性化学物质在 Ca（OH） 2 的高浓度区时，与混凝土中电离出的钙离子络合，形成易溶于水的不稳定的钙络合物。钙络合物随水在混凝土孔隙中扩散，遇到活性较高的未水化水泥、水泥凝胶体等，活性化学物质就会被更稳定的硅酸根、铝酸根等取代，发生结晶、沉淀反应，从而将 Ca（ OH） 2 转化为具有一定强度的晶体合成物，填充混凝土中的裂缝和毛细孔隙，而活性化学物质则重新变成自由基，继续随水向内部迁移 4。1.2.3 主要特点通过以上机理我们可以总结出应用渗透结晶型防水剂拌制出的混凝土具有以下特点。（1）具有独特的自我修复功能：水泥基渗透结晶防水外加剂中的活性化学物质是无机化学物质，它不会随着时间慢慢消失，活性物质在多年之后遇水仍可以被激济南大学毕业论文- 7 -活继续发生反应，产生结晶体堵塞密实混凝土中的微细裂缝，实现自我修复功能。（2）具有极强的抗渗透能力：国标规定水泥基渗透结晶防水材料的一次抗渗压力值必须在 1.2MPa 以上，而二次抗渗压力值须在 0.8MPa 以上，且其在长期的高水压作用下，仍具有较强的抗渗透能力。（3）具有提高混凝土抗压强度的作用：使用水泥基渗透结晶防水材料的混凝土结构，由于其对混凝土结构内部毛细孔、微细裂缝的堵塞封闭作用，提高了混凝土结构的密实度，对混凝土内部结构起到了加强的作用，一般情况下能提高混凝土强度的 1020%。（4）具有防腐蚀、提高混凝土耐久性及保护钢筋的作用：钢筋锈蚀对结构的抗力、可靠性、使用寿命等均有很大影响，而各种侵蚀介质的渗透速度和混凝土的抗渗性能好坏有很重要的关系。因此混凝土的抗渗性能好坏也决定了混凝土中钢筋锈蚀的速度。水泥基渗透结晶防水材料通过不断渗透结晶和自我修复功能密实混凝土结构，阻止或延缓了外界离子等对结构内部的渗透，保护混凝土结构内部钢筋免受侵蚀。水泥基渗透结晶防水材料中活性物质经结晶络合反应形成针状结晶体，大分子结晶体含有的疏水基较多，致使基层空隙内填充向结晶分子表面张力较小而不吸水，气体可以通过，而液态水却无法通过 5。保持混凝土结构的正常透气、干爽，在保持钢筋不被侵蚀的基础上延长建筑结构的使用寿命。（5）具有长久性防水作用：水泥基渗透结晶防水材料中的活性物质随着时间的推移逐步向混凝土结构内部渗透，进行结晶络合反应封闭毛细孔及微细裂缝。一般情况下，反应所形成的结晶络合物性能稳定，不会被损坏，即使外部防水材料涂层被磨损或挂掉，也不会影响其防水效果，因为防水材料活性物质已渗透到混凝土结构内部，遇水重复进行着沉淀反应生成结晶沉淀，故其防水作用是长久性的。（6）符合环保标准，无毒、无公害：水泥基渗透结晶防水材料以水为分散介质，无毒、无味、无污染，适用于饮用水、水库、泳池等建筑施工项目。1.2.4 渗透结晶型防水剂国内外发展现状这类防水材料最初是在二次世界大战期间由德国化学家劳伦斯杰逊在解决水泥船渗漏水的实践中发明的。在那时候,由于德国钢铁制造业比较的紧张,所以开始使用水泥造船。但是当时用水泥建造的船渗漏水的情况很严重,无法正常使用。就是由于当时那种状况在无意中促进了水泥基渗透结晶型防水材料的发展。在第二次世界大战后,欧洲和日本经济的飞速增长,使这一材料的工程应用范围不断扩大,产品也从早期德国的劝矫旧 EX(稳挡水)品牌( 现转售到瑞士 )州申发展到加拿大的 XY 甲XE(赛柏斯)、加拿大的 KRYS 飞 DL、新加坡的 FORMDEX(防挡水)、美国的 P 日闭明田幻叫( 膨内传 )、法国的 DPISCE、澳大利亚的 CRYS 脚止、日本的 DPIsEc 等数济南大学毕业论文- 8 -十个品牌。水泥基渗透结晶型材料在开拓工程应用的过程中,最初是提倡用于全地下混凝土结构的外表面防水,后来发现它在背水面(结构内表面)有它的特殊效果，特别是在污水处理池和地面生活用水贮水池等类工程的应用中颇为理想 6。从 20 世纪 60年代以来,CCCW 作为混凝土结构背水面防水处理(内防水法)的一种有效涂料,逐步扩大了品种,不断进入建筑施工应用的新领域。我国 80 年代起引进加拿大的水泥基渗透结晶型防水材料一一沉钾以产品。开始应用于上海地铁工程。从 90 年代初开始,Xy 甲 EX 的其他同类产品,相继进入中国市场。在上海、北京、广州、武汉、大连、重庆、杭州、乌鲁木齐等地获得较多的应用。90 年代中期开始在国内生产,先后成立了北京城荣防水材半伞育限公司、上海基成达申防水材琳隋限公司、昆山凯顿百森高效防水材末隋限公司、乌鲁木齐固斯特防水材料有限公司、上海汇奇实业发展有限公司等企业 7。目前设计生产能力达 1.3万 t/年左右。并有一部分代理商经销美国、加拿大、澳大利亚、法国等国的产品。该类型产品己先后用于黄河小字良窿发电站坝下彩暗、四川大桥水库导流洞堵漏、机房防渗、坝面补强、北京高石卿店污水厂沉淀水池的补漏防渗、北京世乡己后地下室防水、上海外环线沉管隧道接缝等工程,防水效果显著,获得工程界的好评。陕西西康水电站的导流洞检查入孔,因为导流洞高速、高压水流的作用,使检查入孔的渗漏较严重,采用水泥基渗透结晶型防水材料系列产品的联合修补后,起到了彻底防漏的效果的 。水泥基渗透结晶型防水材料不同于传统防水材料,传统防水材料都是在混凝土表面形成隔水层,起到防水作用,在初始阶段是非常有效的,但是随着时间增长,其性能逐渐退化而失去防水效果。而结晶型防水材料防水性能却随着时间持续增强,并月永久防水不老化 8。这种特性使得该防水材料在混凝土防水领域具有仁口遴的能力,是其它防水材料无法比拟的。1.3 本课题研究的内容与预期效果本论文课题为渗透结晶防水外加剂的研究，因为我们通过砂浆来研究，所以首先要设计出合理的砂浆配比。其次根据水泥基渗透结晶防水材料防水原理选出合适的外加剂以及活性物质。再通过一系列的实验进行配比的筛选和优化。因此本文主要通过一下几个方面进行研究：（1）选择合适的原材料以及砂子级配，砂浆是由胶凝材料和细骨料按适当比例拌合而来。我们必须选择性能优良的符合我们防水目标的材料，同时我们也要选择合理的砂子级配，因为良好的级配不仅能提高砂浆的密实度也能提高砂浆的强度。只有这样才能配制出满足我们要求的防水砂浆。（2）渗透结晶型防水外加剂的复配，减水剂对于砂浆的流动性、稠度以及强度都有明显的贡献。膨胀剂在水泥凝结硬化时，随之体积膨胀，起补偿收缩以及充分填充水泥间隙的作用，能有效阻止砂浆开裂。憎水剂可以在砂浆表面形成一层肉