一种隧道衬砌混凝土抗溶蚀外加剂、其制备方法及应用

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种隧道衬砌混凝土抗溶蚀外加剂、其制备方法及应用。

背景技术

随着我国经济社会和城镇化的快速发展，地铁、公路和铁路等交通设施也在持续快速地发展。当其在建设过程中遇到岩体、土体等障碍物时，会开凿隧道作为内部通道。我国幅员广阔、地形复杂，隧道建设分布广泛，如从广通到昆明的铁路，60％以上的里程都是隧道工程，隧道的主要施工材料之一是混凝土，其在使用过程中表现出良好的性能。

然而，在隧道建设快速发展的同时也暴露了许多问题，隧道衬砌混凝土存在很多耐久性隐患，严重影响隧道的使用寿命。其中渗漏是隧道衬砌混凝土结构最为普遍的病害之一，渗漏会使混凝土发生溶蚀破坏，这是环境水中的Ca

目前，针对隧道衬砌混凝土溶蚀的问题主要采用的防治措施有以下几种：降低水灰比，提升混凝土密实度，但该法依赖于现场的施工情况，且降低水灰比会带来其他的问题；增加排水管，加速排出隧道渗漏水，该法施工比较复杂，成本增加，且后期需维护，同时排水会降低附近地区的水位；采用防水板，阻挡渗漏水对混凝土的溶蚀作用，该法对施工水平要求较高，且防水板如果损坏的话将失去保护效果；表面涂刷和外刷防水层，减缓渗漏水对混凝土的溶蚀作用，该法是比较被动的处理方式，堵水成效依赖施工效果。

根据上述分析，目前针对隧道衬砌混凝土溶蚀问题采用的防治措施均能一定程度上提升混凝土的抗溶蚀能力，但均存在一定的局限性，不能从根本上解决混凝土抗溶蚀问题。因此有必要研发一种可以固化混凝土中的Ca

针对上述技术途径，现有专利申请CN106082746A介绍了一种提高石膏晶体抗溶蚀性能的外加剂。该外加剂具有抗无机盐离子溶蚀的功能，对Ca

尽管如此，上述专利申请中适于隧道衬砌混凝土抗溶蚀外加剂存在如下需要进一步说明内容：(1)专利申请CN106082746A并未介绍具体的制备方法，且该外加剂是否适用于混凝土抗溶蚀还有待验证；(2)专利申请CN108129052A适用于透水混凝土抗雨水溶蚀作用，与隧道混凝土渗透溶蚀机理存在差异；(3)专利申请109135452A中的原料中本身就含有防水剂；(4)专利申请CN1009135561A中的原料甲基硅酸钠本身就是一种刚性建筑防水材料。

综上所述，有必要研发一种既能防止水分在混凝土中传输，又能固化混凝土中的Ca

发明内容

为延缓外部环境中水溶液对隧道衬砌混凝土的溶蚀破坏作用及固化混凝土中的Ca

本发明提供了一种隧道衬砌混凝土抗溶蚀外加剂，由以下各组分按质量分数组成：

所述防水组分选自C12～C18的高级脂肪酸、甲基硅醇盐、甲基硅酸盐中的任意一种或几种任意混合；

所述甲基硅醇盐、甲基硅酸盐选用固含量≥30％的水溶液；所述甲基硅醇盐、甲基硅酸盐优选其钾盐、钠盐或钙盐；

优选的，所述防水组分选自硬脂酸、软脂酸、月桂酸、甲基硅醇钠、甲基硅酸钠及甲基硅酸钙中任意一种或几种任意比例混合；其中所述硬脂酸、软脂酸及月桂酸的纯度均≥98％，酸值均在200-209KOHmg/g。

所述防水助剂选自碳酸钠、碳酸钾、氯化铁、氯化亚铁、氯化钙、氯化铝中的任意一种或多种的任意比例的组合。

所述固钙组分选自六偏磷酸钠及三聚磷酸钠中的任意一种或两种的任意比例的组合。

所述固钙助剂选自三偏磷酸钠及正磷酸中的任意一种或两种的任意比例的组合。

本发明的原理是：甲基硅醇盐和甲基硅酸盐是一种单组分固化型合成高分子防水剂材料，其高效防水机理是在水和二氧化碳的作用下，生成甲基硅酸醇，进一步结合并与建筑材料起化学反应，在结构材料表面及内部生成一层几个分子厚的不溶性的防水高分子化合物，网状的有机硅树脂防水层。C12～18的高级脂肪酸以在水泥质点和浆料之间形成憎水化吸附层，堵塞硬化砂浆的毛细孔，切断和减少渗水通道，增加混凝土密实性，使混凝土具有防水特性。

作为防水助剂的碳酸钠和碳酸钾具有塑化效应，可降低混凝土水胶比，并在水泥和浆体之间生成憎水化吸附层和不溶性物质，从而堵塞混凝土内部的孔隙，提升混凝土密实性，从而提升防水性能；氯化铁和氯化亚铁、氯化钙、氯化铝具有早强的作用，加入混凝土中与水泥水化产物氢氧化钙发货所能反应生成氯化钙，填充孔隙起到密实的效果，且能提升混凝土的抗压强度和抗渗性能。

作为固钙组分的六偏磷酸钠、三聚磷酸钠对Ca

作为固钙助剂组分的三偏磷酸钠、正磷酸也可以与Ca

本发明所述一种隧道衬砌混凝土抗溶蚀外加剂的制备方法，具体包括下述步骤：

(1)将防水组分加入锅内加热融化，加热温度为60-70℃，再加入一半的水，制成混合液A；

(2)将防水助剂、固钙组分和固钙助剂加入另外一半的水中，以1000r/min的速度搅拌10min，确保完全溶解，制成混合液B；

(3)将步骤(1)制得的混合液A与步骤(2)制得的混合液B混合，并搅拌均匀，制成混合液C；

(4)将步骤(3)所述混合液C用80μm筛子对物料进行筛分，得到成品滤液，即为本发明所述混凝土抗溶蚀外加剂。

如上所述的制备方法，所得到的一种隧道衬砌混凝土抗溶蚀外加剂并不是简单的各组分简单混合，而是发生了化学反应生成的具有防水固化作用的产物，加强混凝土结构的防水性和抗溶蚀性。

本发明所述抗溶蚀外加剂以胶凝材料质量分数的1-5wt％的掺量掺到混凝土中。所述外加剂外掺到混凝土中，不取代胶凝材料用量。

本发明所述一种隧道衬砌混凝土抗溶蚀外加剂中防水组分、防水助剂、固钙组分、固钙助剂和水及其各自质量比例可实现如下综合效果：本发明所述的隧道衬砌混凝土抗溶蚀外加剂应用于隧道衬砌混凝土时，各组分与混凝土组分发生反应，一方面可以使混凝土结构具有很好的防水效果，阻止水分对混凝土结构的破坏作用，另一方面当水分渗透到混凝土内部后，可以阻碍水分的传输，减缓水分破坏速率，同时固化Ca

本发明的有益效果：第一，隧道衬砌混凝土抗溶蚀外加剂采用防水组分和固钙组分作用于混凝土结构，通过化学反应生成防水层，阻碍水分的渗透和传输，同时固化Ca

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

各实施例中所述硬脂酸、软脂酸和月桂酸的厂家为南京晚晴化玻仪器有限公司，其纯度为99％，酸值为205KOHmg/g；所述甲基硅醇钠、甲基硅酸钙的厂家为济南杰维化工科技有限公司，其固含量为35％；所述六偏磷酸钠的厂家为杏雄化工源头工厂，所述三聚磷酸钠的厂家为河南亿贝尔化工产品有限公司；所述碳酸钠、氯化铁、氯化亚铁、氯化钙和氯化铝以及自来水的厂家为上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

实施例1

一种隧道衬砌混凝土抗溶蚀外加剂，各组分按以下质量分数组成：

具体制备方法包括：首先，按上述配比选取各组分，将硬脂酸和甲基硅醇钠加入锅内加热融化，加热温度为70℃，再加入1/2用量的水，制成混合液A；将碳酸钠，碳酸钾，六偏磷酸钠和三聚磷酸钠加入另外1/2用量的水中，以1000r/min的速度搅拌10min，确保完全溶解，制成混合液B；将上述混合液A和混合液B混合，并搅拌均匀，制成混合液C；将混合液C用80μm筛子对物料进行筛分，得到成品滤液，即为所述隧道衬砌混凝土抗溶蚀外加剂；将成品滤液装入密封的塑料包装桶中，置于阴凉处储存。

实施例2

一种隧道衬砌混凝土抗溶蚀外加剂，各组分按以下质量分数组成：

具体制备方法：首先，按上述配比选取各组分，将软脂酸和甲基硅酸钙加入锅内加热融化，加热温度为60℃，再加入1/2用量的水，制成混合液A；将氯化铁、氯化亚铁、六偏磷酸钠和正磷酸加入另外1/2用量的水中，以1000r/min的速度搅拌10min，确保完全溶解，制成混合液B；将上述混合液A和混合液B混合，并搅拌均匀，制成混合液C；将混合液C用80μm筛子对物料进行筛分，得到成品滤液，即为所述隧道衬砌混凝土抗溶蚀外加剂；将成品滤液装入密封的塑料包装桶中，置于阴凉处储存。

实施例3

一种隧道衬砌混凝土抗溶蚀外加剂，各组分按以下质量分数组成：

具体制备方法：首先，按上述配比选取各组分，将月桂酸和甲基硅酸钠加入锅内加热融化，加热温度为60℃，再加入1/2用量的水，制成混合液A；将氯化铝、氯化钙、三聚磷酸钠和正磷酸加入另外1/2用量的水中，以1000r/min的速度搅拌10min，确保完全溶解，制成混合液B；将上述混合液A和混合液B混合，并搅拌均匀，制成混合液C；将混合液C用80μm筛子对物料进行筛分，得到成品滤液，即为所述隧道衬砌混凝土抗溶蚀外加剂；将成品滤液装入密封的塑料包装桶中，置于阴凉处储存。

实施例4

一种隧道衬砌混凝土抗溶蚀外加剂，各组分按以下质量分数组成：

具体制备方法：首先，按上述配比选取各组分，将月桂酸加入锅内加热融化，加热温度为60℃，再加入1/2用量的水，制成混合液A；将氯化铝、氯化钙、三聚磷酸钠加入另外1/2用量的水中，以1000r/min的速度搅拌10min，确保完全溶解，制成混合液B；将上述混合液A和混合液B混合，并搅拌均匀，制成混合液C；将混合液C用80μm筛子对物料进行筛分，得到成品滤液，即为所述隧道衬砌混凝土抗溶蚀外加剂；将成品滤液装入密封的塑料包装桶中，置于阴凉处储存。

对比例1：

一种外加剂，各组分按以下质量分数组成：

硬脂酸： 30％，

碳酸钠： 5％，

水： 65％；

具体制备方法：首先，按上述配比选取各组分，将硬脂酸加入锅内加热融化，加热温度为60℃，再加入1/2用量的水，制成混合液A；将碳酸钠加入另外1/2用量的水中，以1000r/min的速度搅拌10min，确保完全溶解，制成混合液B；将上述混合液A和混合液B混合，并搅拌均匀，制成混合液C；将混合液C用80μm筛子对物料进行筛分，得到成品滤液，即为对比例1制得产物；将成品滤液装入密封的塑料包装桶中，置于阴凉处储存。

对比例2：

一种外加剂，各组分按以下质量分数组成：

三聚磷酸钠： 30％，

正磷酸： 10％，

水： 60％；

具体制备方法：首先，按上述配比选取各组分，将三聚磷酸钠和正磷酸加入水中，以1000r/min的速度搅拌10min，确保完全溶解，制成混合液；将混合液用80μm筛子对物料进行筛分，得到成品滤液，即为对比例2制得的产物；将成品滤液装入密封的塑料包装桶中，置于阴凉处储存。

应用实施例

使用抗溶蚀外加剂的混凝土评定：将养护28d的混凝土试件浸泡在超纯水中，14d和28d后收集溶液测试其中的钙离子溶出量，并结合混凝土配合比计算其溶蚀渗透系数pDe，评价混凝土抗溶蚀性能。计算公式如式(1)和(2)，评价标准如下表1。

式中，

Ei—溶蚀出来的物质含量，mg/m2；

Ubes—在烘干质量的基础上，可以溶出的物质最大质量，mg/kg

P—溶蚀实验后混凝土试件密度，kg/m3；

ti—溶蚀结束时间，s；

ti-1—溶蚀开始时间，s.

PDe,i＝-log10De,i (2)

PDe,i—溶蚀渗透系数。

表1混凝土抗溶蚀性能评价标准

根据上述测试评价方法计算掺加和未掺加混凝土抗溶蚀外加剂的混凝土试件的溶蚀渗透系数，将上述各实施例及对比例中制得的抗溶蚀外加剂以相对于胶凝材料质量的2wt％，外掺加入新拌混凝土中并标准养护28d即可实现提升混凝土抗溶蚀性能，结果见表2。

表2混凝土抗溶蚀外加剂实施例1～3及对比例对溶蚀渗透系数的影响

表2中结果表明：与未掺加混凝土抗溶蚀外加剂试样相比，使用抗溶蚀外加剂的混凝土可有效增加其抗溶蚀性能。将各实施例制得的外加剂以相对于胶凝材料质量的2wt％外掺加入水泥中，均显著提升了混凝土抗溶蚀性能，实施例1中14d的钙离子溶蚀量减少约28％，28d钙离子溶蚀量减少约32％；实施例2中14d的钙离子溶蚀量降低约26％，28d钙离子溶蚀量减少约31％；实施例3中14d的钙离子溶蚀量减少约31％，28d钙离子溶蚀量减少约34％。各实施例中混凝土在14d和28d时溶蚀系数评价均为低，说明该抗溶蚀外加剂作用效果显著且具有长期稳定性。

将各对比例制得的外加剂以相对于胶凝材料质量的2wt％外掺加入水泥中，均在一定程度上提升了混凝土抗溶蚀性能，对比例1中14d的钙离子溶蚀量减少约8％，28d钙离子溶蚀量减少约22％；对比例2中14d的钙离子溶蚀量减少约13％，28d钙离子溶蚀量减少约16％。对比例中的混凝土14d溶蚀系数评价为中，28d溶蚀系数则为高，说明该外加剂有一定的作用效果但不具有长期稳定性。

对比防水组分和固钙组分共同使用和单纯使用防水组分后混凝土的抗溶蚀性能，可以看出单纯使用防水组分的抗溶蚀效果弱于两种组分共同存在，两种组分的协同增强效应具有较好的抗溶蚀效果。

将实施例4制得的外加剂分别以1wt％、2wt％、3wt％、4wt％和5wt％的胶凝材料质量比例外掺加入新拌混凝土中并标准养护28d。将养护28d的混凝土试件浸泡在超纯水中，14d和28d后收集溶液测试其中的钙离子溶出量，并结合混凝土配合比计算其溶蚀渗透系数pDe，评价混凝土抗溶蚀性能，见表3。

表3实施例4所述混凝土抗溶蚀外加剂不同掺加量对溶蚀渗透系数的影响

表3中结果表明：将本发明实施例4制得的抗溶蚀外加剂以1～5wt％不同比例掺加到混凝土中，均可以提升混凝土抗溶蚀性能，并且掺量越大，抗溶蚀性能提升越明显，28d最小可以提升29％，最大可以提升45％。在工程中，应根据实际情况和成本等多方面考虑优选外加剂掺量。同时，实施例4较实施例3取消了防水助剂和固钙助剂成分，可以看出依然可以提升混凝土的抗溶蚀性能，与实施例3中的效果对比，提升效果略有下降，但并不明显，因而在原材料有限的情况下可以考虑取消防水助剂组分和固钙助剂组分。