DK--FS 混凝土高效防水剂的研制

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[摘　要] 　本文针对当前预拌混凝土生产中普遍存在的粉状高掺量防水剂添加计量麻烦,不自动计量,劳动强度高,环境污染大等问题,根据减水塑化、引气抑制泌水、补偿收缩及憎水等防水抗渗机理,采取多种防水性能互补的有效组份优化组合,通过试验研究,研制出了一种防水抗渗性能优良的低掺量(215 %以下) 复合型液体泵送防水剂。
[关键词] 　泵送混凝土; 　防水抗渗; 　低掺量; 　液体; 　混凝土防水剂
The research of DK--FA water-repellent admixture for concreteXIN De-sheng , 　AN Zhao-xia , 　BI Chong-liang , 　ZHOU Chong-qiang , 　WANG Yue-song , 　XUN Wu-ju
(1．Dalian Research &Design Institute of Building Science Stock Co. ,Ltd ; 　2。Dalian Tielong Concrete Co. ,Ltd ,China)　　
Abstract : 　This test is amid at the general existent problems of the water-repellent admixture use in pump concrete ,the powdery and high accretion admixture with many shortcomings ,without automatic measure ,with high working-intension ,with polluted environment and so on.We mixed many water-repellent elements for concrete according as the theory of reduce water ,adhibit gas ,reduce shrinkage , adding hydrophobe and so on. According the research ,we produce a multiple liquid water-repellent admixture for pump concrete with good performance and low accretion(under 215 %) .　　
Key words : 　pump concrete ; 　water-repellent ; 　low accretion ; 　liquid ; 　water-repellent admixture for concrete
1 　前言
随着大连地区预拌混凝土的迅速发展,对混凝土外加剂的要求日益提高,我院曾成功研制了DK系列混凝土外加剂,并通过了鉴定。为了弥补粉状外加剂计量不准确、劳动强度高、环境污染大的缺点,我们研制了一种研新型优质的复合型液体混凝土高效防水剂—DK2FS ,本防水剂具有掺量低(215 %以下) 、减水率高、增强抗渗效果好、坍落度损失小等优点,可以很好的满足泵送混凝土的防水抗渗施工要求,并大大减小外加剂计量添加的劳动强度。本研制成果2003 年12 月正式通过了技术鉴定,现将DK2FS 混凝土高效防水剂的研制介绍给读者。
2 　混凝土防水剂研制过程
2.1 　混凝土产生透水、渗水的主要原因分析
①混凝土自身收缩(包括干缩和化学收缩等) 产生的裂缝及沉降裂缝渗水; ②混凝土大孔、毛细孔内水分迁移形成渗水的通道; ③混凝土和易性差(离析、泌水、分层等) 造成结构不密实而渗水; ④配比材料搭配不合理、施工振捣不实等造成结构不密实渗水。
2.2 　改善措施 ①提高混凝土的密实性,减少混凝土内部有害孔的数量; ②切断毛细管通道,改善于L 结构(形状、大小等) ; ③提高混凝土毛细孔憎水性; ④合理的施工。
2.3 　防水机理 混凝土防水剂提高混凝土抗渗性能的原理较多,在本防水剂的研制中我们主要应用了提高混凝土密实度,减少有害孔数量,补偿收缩等防水机理,具体如下:　　
(1) 高效减水组份的减水塑化作用 减水塑化作用可改善混凝土和易性、降低水灰比、有效分散水泥颗粒,减少混凝土中的各种孔隙,即混凝土的总孔隙率和孔径分布都得到改善,特别是使孔径大于012 微米的毛细孔、气孔等渗水通道减少,混凝土密实度提高,防水抗渗能力增强。 (2) 引气组份的引气抑制泌水作用 适宜的含气量可提高水泥浆的粘度,抑制泌水和沉降收缩。同时,大量微小气泡占据着混凝土的自由空间,切断毛细管的通道,使混凝土的抗渗性能得到改善。 (3) 微膨胀组份的补偿收缩填充堵塞作用 膨胀密实组份与水泥水化产物生成钙钒石,引起体积膨胀,补偿收缩,强化密实结构,而且还能生成丰富的凝胶体,进一步填充堵塞微裂缝及毛细孔通道,阻断渗水通路。 (4) 憎水组份的憎水作用 憎水组份是一种具有很强憎水性的有机化合物,可提高气孔和毛细孔内表面的憎水能力,进一步提高抗渗性能。
2.4 　原材料的选择与配方的确定 根据对渗水原因和改善措施的分析我们进行原材料的选择。首先,根据满足混凝土泵送施工的要求,我们选择了减水组份A 及减水引气组份B ,A、B 两种组份均为阴离子表面活性剂,其中A 为高效减水组份,对水泥颗粒具有很强的吸附—分散、润滑和润湿作用,可大大减少混凝土拌合用水量,提高混凝土可泵性能,同时减少混凝土中自由水蒸发后留下的毛细孔体积,提高混凝土的密实性。单纯用A 组份,混凝土的坍落度损失较大,粘性也大,不宜于混凝土的泵送,因此,我们又选择了B 组份与之复合。B 组份的引气性能,可在混凝土中可以产生大量封闭、均匀分散的小气泡,增加混凝土的和易性,降低泌水率,同时,由于这种气泡的阻隔作用,可以改变毛细管的数量和特征,提高混凝土的防水抗渗性能。 其次,根据膨胀密实防水抗渗的原理,我们选择了膨胀密实组份C、D 的复合,C、D 两种组份复合使用时,在水泥浆体中C 组份能加速水泥的水化作用,促使水泥水化早期生成较多的含水结晶物(低硫型的硫铝酸钙和六方板状和六方板状固溶体等) ,减少游离水的数量,从而减少了由于游离水蒸发而遗留下的毛细孔数量;D 组份在水泥水化过程中能生成络合物,生成过程中的发生体积膨胀,填充混凝土内部孔隙和堵塞毛细管通道,因而能够增加混凝土的密实性,提高混凝土的抗渗性能。为了更好的提高混凝土内气孔和毛细孔表面的憎水作用,我们选择了憎水组份E。由于A、B、C、D、E 五种组份复合使用,为了确定出最佳掺量,我们设计L16 (45) 正交试验,其因素水平表如表1。根据以上的正交试验表,我们进行了16 组混凝土试验,试验结果及正交分析情况表列于表2。
表1 因素水平表

因素水平	高效减水组分/%	引气组分/%	密实组分/%	微膨胀组分/%	憎水组分/%
1	0.2	0.1	0.01	0.25	0.15
2	0.6	0.2	0.03	0.50	0.30
3	1.0	0.3	0.05	0.75	0.45
4	1.4	0.4	0.07	1.00	0.60

注:上述各组份用量均为水泥用量C的百分比(C×%)
表2　多考核指标L16(45)正交试验结查及极差分析

列号试验号	A	B	C	D	E	R3/MPa	R7/MPa	R28/MPa	渗透高度/mm
1	1	1	1	1	1	20.6	27.5	32.8	146
2	1	2	2	2	2	23.6	31.4	37.4	140
3	1	3	3	3	3	24.9	33	39.6	132
4	1	4	4	4	4	22.9	30.5	36.4	122
5	2	1	2	3	4	23.5	30.7	36	95
6	2	2	1	4	3	29.9	36.1	42.5	92
7	2	3	4	1	2	31.4	37	44.5	88
8	2	4	3	2	1	26.8	34.2	40	84
9	3	1	3	4	2	26.8	35.8	44	35
10	3	2	4	3	1	29.4	40.2	47.5	32
11	3	3	1	2	4	29.3	39.9	47	34
12	3	4	2	1	3	31	36.5	43.5	30
13	4	1	4	2	3	36.5	41.6	49	29
14	4	2	3	1	4	36.9	42.9	51	28
15	4	3	2	4	1	37.5	44.7	54	28
16	4	4	1	3	2	36.4	41.8	52.5	27

3天强度/MPa	K1	23.0	26.9	29.1	30.0	26.8
	K2	27.9	30.0	28.9	29.1	29.6
	K3	29.1	30.8	28.9	28.6	30.6
	K4	36.8	29.3	30.1	29.3	28.2
	R	13.8	3.9	1.2	1.4	2.0
7天强度/MPa	K1	30.6	33.9	36.3	36.0	36.7
	K2	34.5	37.7	35.8	36.8	36.5
	K3	38.1	38.7	36.5	36.4	36.8
	K4	42.8	35.8	37.3	36.8	36.0
	R	12.2	4.8	1.5	0.8	0.8
28天强度/MPa	K1	36.6	40.5	43.7	43.0	43.6
	K2	40.8	44.6	42.7	43.4	44.6
	K3	45.5	46.3	42.7	43.9	43.7
	K4	51.6	43.1	44.4	44.2	42.6
	R	15.0	5.8	1.7	1.2	2.0
渗透高度/mm	K1	135.0	76.3	74.8	73.0	72.5
	K2	89.8	73.0	73.3	71.8	72.5
	K3	32.8	70.5	69.8	71.5	70.8
	K4	28.0	65.8	67.8	69.3	69.8
	R	107.0	10.5	7.0	4.0	2.7

备注: 1. 表中K1、K2、K3、K4 为各个因素每个掺量所得强度或渗透高度的平均值,R 为K1、K2、K3、K4 四者的极差。 2.渗透高度为各试件渗透高度的平均值。 3. 试验中水泥为小野田4215 硅酸盐水泥,砂为中砂,石子为5mm～3115mm 碎石, 水泥用量为340kg/m3 ,基准混凝土配比水泥∶砂∶石= 1 ∶2102∶3129。 4. 基准混凝土R3、R7、R28 分别为1919MPa 、2415MPa 、3415MPa ,渗透高度为150mm(透水) 。　
表2 中R3、R7、R28 及渗透高度为试验结果,K1 、K2 、K3 、K4 和R值为分析结果。K值是指每种组份与每个掺量所得试验结果的平均值。例如组份A“1”掺量对应的三天强度分别为2016、2316、2419、2219 ,则三天强度K1 = (2016 + 2316 + 2419 + 2219) ÷3 = 3016 ,其它类推。R 为极差,即K1 、K2 、K3 、K4 、四个数据的最大值与最小值之差。由以上分析可以看出,每种组份的K值反映了各组份对混凝土强度及渗透性的影响程度。而R 值的大小则反映出该种组份在不同掺量时对混凝土性能的影响程度,即R 值越大,表明该组份对混凝土的该项性能影响越大。
根据表2 中的分析数据,我们画出该次正交试验的直观分析图(如图1、图2) 。 图1　各组份掺量与渗透高度比的关系 图2　各组份掺量与混凝土抗压强度比
由表2中的数据如图1可以看出,高效减水组份A曲线最陡,说明其掺量变化对混凝土的抗渗性影响最大,随掺量的增大,抗渗效果明显增强。由图2 可以看出高效减水组份A 随掺量增大,能够显著提高混凝土的强度。引气组份B 对混凝土抗渗有一定提高,但由图2 可以看出掺量不能太大,掺量在B4以后强度开始下降,以往的试验表明B 组份参量不宜大于B4掺量,否则对混凝土的强度损失较大。密实组份C 在掺量C3点处有拐点,掺量太大会影响强度;微膨胀组份D及憎水组份E 曲线变化较为平缓,对混凝土抗渗性能影响不太明显。D、E 组份参量较低,在防水剂中适当掺入可提高混凝土的密实度和毛细孔憎水性。为考核5 种组份影响的显著性,以渗透高度为考核指标,进行了极差的方差分析,详见表3 表4。由方差分析知,5 种组份对高效防水剂的主要性能(渗透高度) 的影响,均非常显著,说明5 种组份的选择是正确的。
表4 方差分析表

考核指标	方差来源	平方和	自由度	均方	F值	显著性	临界值
渗透高度/mm	A	186202.131	3	62067.377	8403.59501	非常显著	F0.01(3,80)=4.03628064
	B	1426.67448	3	475.55816	64.3880629	非常显著	F0.05(3,80)=2.7187852
	C	739.678646	3	246.559549	33.3828605	非常显著	F0.1(3,80)=2.1535449
	D	175.515313	3	58.5051042	7.92128208	非常显著
	E	133.730313	3	44.5767708	6.03545931	非常显著
	重复取样误差	590.865	80	7.3858125
	SI	189268.595	95

综合以上分析,根据各组份对混凝土抗渗性能的不同影响并综合考虑经济成本后选择A3B2C3D2E2 为本防水剂的最佳配方。
3性能试验
3.1对新拌混凝土性能的影响
3.1．1 对新拌混凝土减水率的影响 参照GB8076-1997和JC474-1999试验方法进行试验,试验结果见表5。
在保持混凝土坍落度基本不变的条件下,随着防水剂掺量的增加,减水率明显增大。掺量为C×30%时,减水率可达到23%左右。
3.1.2对新拌混凝土坍落度损失的影响
对混凝土坍落度损失影响,结果见表6。
由试验经果可以看出,掺防水剂的混凝土在1.5小时内具有良好的流动性,完全能够满足当前预拌混凝土泵送施工的要求。
3.1.3 对新拌混凝土其它性能的影响
对新拌混凝土其它性能的影响见表7。
表 5

编号	掺量/	水灰比/	减水率/%	坍落度/mm
1	0	0.603	0	80
2	1.5	0.540	14.6	80
3	2.0	0.515	18.7	85
4	2.5	0.494	20.8	80
5	3.0	0.476	22.9	85

表 6

停放时间/min	0	30	60	90
流动度/mm	220/500	215/480	190/450	180/390

注:流动度中分子为坍落度值,分母为坍落度扩散直径。
表 7

	防水剂掺量/%	常压泌水量/%	压力泌水率/%	含气量/%
基准混凝土	0	13.1	52.6	1.8
受检混凝土	3	8.5	32.6	3.8

3.2 　对硬化混凝土的性能影响
3.2.1 　对混凝土强度影响 参照GB8076 - 1997 和JC474 - 1999 试验方法进行混凝土强度试验试验结果见表8。　　
由表8 数据可知,掺防水剂后混凝土各龄期强度均明显高于基准混凝土,增强效果显著,在保持混凝土坍落度基本不变条件下,随着防水剂掺量的增加混凝土强度明显提高;掺量C×215 %时,3 天、7 天、28 天强度可分别提高55 %、46 %和32 %。
3.2.2 　对混凝土抗渗性能的影响 JC474 - 1999《砂浆、混凝土防水剂》标准中采用渗透高度比、48 小时吸水量比等相对指标评价防水剂的抗渗性能。我们进行了受检混凝土与基准混凝土的渗透高度比和48 小时吸水量比的试验,结果如表9。
表 8

编号	掺量/%	坍落度/mm	抗压强度/抗压强度比
			3d	7d	28d
1	0	80	10.5/100	23.5/100	33.6/100
2	1.5	80	13.5/129	29.0/123	38.6/115
3	2.0	85	14.4/137	31.8/135	41.0/122
4	2.5	85	16.3/155	34.4/146	44.2/132
5	3.0	90	20.1/191	38.1/162	47.2/140

注:小野田42.5水泥340kg/m3,中砂、5mm～31.5mm碎石
表 9

	渗透高度mm/渗透高度比%	48h吸水量/48h吸水量比%
基准混凝土	150/100	78/100
受检混凝土	21.3/14.2	49/63.1

注:1防水剂掺量C×2.5%;.2基准混凝土在1.2MPa透水,受检混凝土1.2MPa未透,劈开测渗透高度。
为了更直观评价本防水剂的抗渗性能,本试验测定了不同掺量时同坍落度混凝土的抗渗能力。由表10 可见,随着防水剂掺量的增加抗渗能力不断提高,掺量C ×215 %时,抗渗压力可达4.0MPa 以上。
表 10

掺量(C×%)	0	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0
抗渗压力/MPa	1.0	2.2	2.8	3.6	4.0	4.2

注:掺量C×3.0%时,水压维持4.2MPa,试件仍未透水,试验终止。 3.2.3 　对混凝土收缩和抗冻性的影响 对混凝土收缩和抗冻性能影响试验结果见表11。
表 11

	掺量/%	50次冻融循环		收缩率/%
		强度损失率/%	质量损失率/%
基准混凝土	0	16.2	3.4	231 x 10-6
受检混凝土	2.5	4.0	0.7	224 x 10-6

3.2.4 　对钢筋锈蚀的影响
钢筋锈蚀是造成混凝土构筑物破坏的重要因素之一。我们对本防水剂的进行了钢筋锈蚀试验。
由极化曲线(图3) 可以看出,掺本防水剂对钢筋无锈蚀作用,可以满足钢筋混凝土的施工要求。 图3　极化曲线
4 　结束语
1. 本防水剂的研究主要解决了当前预拌混凝土生产中,低掺量液体防水泵送复合型外加剂缺乏的问题。
2. 研究表明,通过对多种密实防水性能互补的有效组份优化组合,可以达到防水组份低掺量且具有良好抗渗效果的目的。
3. 试验研究表明,高效减水剂可以大大提高混凝土的密实度,可以显著提高混凝土的防水抗渗性能。 [参考文献]
[1 ]张冠伦,王玉吉,孙振平. 混凝土外加剂原理与应用[M] . 北京:中国建筑工业版社,1996. [2 ]冯浩,朱清江. 混凝土外加剂应用手册[M] . 北京:中国建筑工业出版社,1999. [3 ]沈春林,苏立荣,岳志俊. 建筑防水材料[M] . 北京:化学工业出版社,2000. [4 ]王铁梦. 工程裂缝控制[M] . 北京:中国建筑工业出版社,1999. 8.
[作者简介] 　辛德胜(1975 - ) ,男,助工,1999 年毕业哈尔滨建筑大学无机非金属材料专业。 [单位地址] 　大连市沙河口区太原街369 号(116021) [联系电话] 　0411 - 87114527

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