一种抗侵蚀剂及含有该抗侵蚀剂的砌筑砂浆材料

摘要

本发明公开了一种抗侵蚀剂，它是由下述重量份配比的组分组成：粉煤灰100份，PVA树脂5～20份，OP助剂0.5～2份，草酸或硼酸盐1～10份。本发明抗侵蚀剂可有效抵抗环境水(包括含有SO

说明书

技术领域

本发明涉及建筑材料，尤其是一种抗环境水侵蚀的抗侵蚀剂及含有该抗侵蚀剂的砌筑砂浆材料。

背景技术

在铁路、公路沿线的排水(排水沟、侧沟)和边坡支挡与防护工程(浆砌片石护坡)中，常常要用到浆砌片石圬工结构，它是一种用水泥砂浆砌筑片状或块状石材的砌体结构，以保护坡面不受外界因素的侵蚀，或加固坡面以防坡体滑落引发灾害事故。

边坡防护工程中的砌体结构一般与土壤、岩层以及地下水接触，由于砌筑砌体结构用水泥砂浆的组成与多孔性结构特点，当这些岩土中含有硫酸盐、碳酸盐、水等侵蚀性介质时，砌筑砂浆就会受到这些环境介质的侵蚀而引起组成、结构的变化和使用性能的劣化，严重影响边坡防护工程中浆砌片石圬工结构物的服役寿命和行车安全。由于这些侵蚀性介质有较大的水溶性，主要以水为载体渗入多孔性的砌筑砂浆内部，通过与水泥水化物或未水化的水泥颗粒的有害反应，或在暴露于大气环境中的表面结晶，引起砌筑砂浆组成结构的变化。因此，必须采取有效措施提高浆砌片石圬工结构物砌筑用水泥砂浆的抗环境水侵蚀性能，以确保铁路与公路路基工程的耐久性和运营安全。

环境水和岩土中所含对水泥砂浆有侵蚀性的物质主要包括SO₄^2-、HCO₃^-、H⁺、Mg²⁺、NH₄⁺等侵蚀性离子及其碱金属盐，其侵蚀机理有化学作用和物理作用。

化学侵蚀作用机理主要是含有侵蚀性离子的环境水侵入水泥基材料内部，与其孔溶液中的离子或孔壁的水泥水化物发生化学反应，形成可溶性物质或膨胀性物质或无胶凝性物质，而使水泥基材料组成和结构发生变化，导致材料内部产生体积膨胀或表面溶蚀，引起结构物表面开裂、剥落、溶蚀和性能劣化。所以，水泥砂浆抗环境水的化学侵蚀性能更多地取决于水泥水化物——羟钙石和铝酸盐水化物，减少这些水化物的含量，可显著提高水泥砂浆的抗环境水侵蚀性能，从而，改善浆砌片石结构物的耐久性。

物理侵蚀作用机理主要是盐结晶对水泥砂浆的破坏作用，其一是盐的脱水和重新水化过程中的体积变化，引起膨胀和收缩，如硫酸钠在不同的温湿度条件下，可以是无水硫酸钠Na₂SO₄、七水硫酸钠Na₂SO₄·7H₂O、十水硫酸钠Na₂SO₄·10H₂O等，它们的摩尔体积不同，这几种盐晶体间相互转化时，会发生体积变化。其它无机盐也是如此；其二是盐在水泥砂浆内孔溶液中结晶产生的作用于孔壁上的结晶压力，引起砂浆开裂破坏。对于浆砌片石结构来说，由于其背面与岩土和地下水接触，而其正表面暴露在大气环境中，地下水从其背面渗入片石间的砌筑砂浆中，再从其正表面蒸发在大气环境中，盐将会在砂浆表面层结晶，产生物理侵蚀破坏作用。所以，阻止环境水渗入或盐结晶，就可提高砌筑砂浆的抗盐结晶破坏的能力。

因此，水泥砂浆受环境水的侵蚀破坏作用，其内因是水泥砂浆内部含有易受侵蚀性离子侵蚀的水化物和环境水可渗入砂浆内部的毛细孔通道。

砌筑砂浆一般由硅酸盐水泥、砂和水混合而成，是一种土木工程中常用的建筑材料。已有一些专利涉及到这种建筑材料，但这些专利主要涉及的砌筑砂浆的施工和力学性能。例如，CN200710036822.5专利申请公开了一种高效保水增稠材料及由其制得的砌筑砂浆，这种高效保水增稠材料由无机矿物材料和高分子助剂构成，主要功能是改善砌筑砂浆的保水性，所涉及的高分子助剂是改性淀粉、木质素磺酸盐、多元醇系及复合物、高级多元醇、羧酸盐及其共聚物和聚氧乙烯及其衍生物等。这些高分子助剂对于改善砌筑砂浆的保水性有一定效果，但对于砌筑砂浆抗环境水侵蚀性能的改善效果甚微，不能满足一些边坡防护工程的耐久性要求。CN97100700.4专利申请所公开的一种砌筑砂浆，只涉及到在普通水泥中添加纤维状材料、膨胀剂、加气剂和增塑剂等，以改善砂浆的抗震性能，也没有涉及砌筑砂浆的抗环境水侵蚀性能。CN03116914.7专利申请所公开的一种建筑用砂浆专用外加剂，是由萘磺酸甲醛缩合物、糖钙、甲基纤维素、十二烷基苯磺酸钠、沸石粉组成，主要改善砂浆的粘聚性、稠度、保水性、稳定性等施工性能，该专利涉及的外加剂虽然通过减少用水量，对砂浆耐久性有一定改善作用，但对砂浆的抗环境水侵蚀性能的改善效果也很有限。CN03118188.0专利申请所公开的水泥砂浆外加剂主要由表面活性剂、水泥激发剂和增稠剂等构成，如十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、木质磺酸钙、亚硝酸钙、无水硫酸钠、羧甲基纤维素等，其功能也是改善水泥砂浆的施工性能。

为改善水泥砂浆抗硫酸盐型环境水侵蚀性能，国内外一般采用抗硫酸盐水泥配制砌筑砂浆，抗硫酸盐水泥的矿物组成不同于普通硅酸盐水泥，抗硫酸盐水泥熟料中C₃A和C₃S含量较低，需要用特定的原料配比才能制得，因而这种水泥的价格比较昂贵，而且在市场上不容易获得。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗侵蚀剂，它能有效改善大水灰比砌筑砂浆的抗硫酸盐结晶性能，满足浆砌片石砂浆抗环境水侵蚀的要求。

本发明的另一个目的是提供一种含有上述抗侵蚀剂的浆砌片石用砌筑砂浆材料，它具有优良的抗环境水侵蚀性能，可大幅度提高边坡防护结构物抗环境水侵蚀的耐久性。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种抗侵蚀剂，由粉煤灰、PVA树脂、OP助剂、草酸或硼酸盐等组分组成，各组分的重量份配比为：

粉煤灰100份，    PVA树脂5～20份，

OP助剂0.5～2份， 草酸或硼酸盐1～10份。

上述各组分的重量份配比可优选为：

粉煤灰100份，    PVA树脂10～15份，

OP助剂1～2份，   草酸或硼酸盐5～10份。

上述各组分中：

粉煤灰为火电厂排出的干粉煤灰，可以是I级或II级低钙粉煤灰，以I级低钙粉煤灰最佳。粉煤灰既可以稀释硅酸盐系水泥中对环境水侵蚀较敏感的C₃A矿物的含量，又可以与水泥水化形成的羟钙石Ca(OH)₂发生火山灰反应，减少对环境水侵蚀较敏感的羟钙石含量，增加在环境水侵蚀下较稳定的、钙硅比C/S较小的水化硅酸钙C-S-H的含量，从而，显著提高砌筑砂浆的抗环境水侵蚀性能。

PVA树脂是指聚乙烯醇树脂，在其大分子链上含有许多羟基OH^-，这种高分子化合物具有多种功能。其一，它们具有吸附硫酸根离子SO₄^2-的功能，如图1所示。当含硫酸根离子的环境水渗入砌筑砂浆内部时，它们吸附硫酸根离子，能有效地抑制硫酸根离子对砌筑砂浆的化学与物理侵蚀作用；其二，它们能改善砌筑砂浆与片石表面的粘结性能，增加砌筑砂浆与片石间的粘结强度；其三，它们能改善砌筑砂浆的保水性、流动性等施工性能。从而，提高了砌筑砂浆的物理力学与抗环境水侵蚀性能。

OP助剂是一类烷基酚与环氧乙烷缩合物表面活性剂(辛基酚聚氧乙烯醚)，为印染及纺织行业常用，它们可以降低水的表面张力，因而，它们与PVA树脂结合，可以在砌筑砂浆拌合物中引入微小孔径的封闭气孔，这不但可以改善砌筑砂浆的施工性能，而且可显著改善砌筑砂浆的抗渗性和抗冻性；可优选OP-10(辛基酚聚氧乙烯(10)醚)。

草酸或硼酸盐是一些硅酸盐水泥的调凝剂；草酸具有促凝作用，硼酸盐如硼酸钠、硼酸钾等具有缓凝作用；因此，它们可以调节砌筑砂浆的凝结硬化时间，同时，它们还可与羟钙石、PVA树脂等形成络合物，有效地改善砌筑砂浆的抗环境水侵蚀性能。

上述抗侵蚀剂可通过下述方法制备：先将PVA树脂进行机械粉末成细粉，然后将粉煤灰、PVA树脂、OP助剂和草酸或硼酸盐等在搅拌机中混合均匀，即制得本发明所述的抗侵蚀剂。

上述抗侵蚀剂可用于制备各种砌筑砂浆或者其它水泥砂浆。

含有上述抗侵蚀剂的砌筑砂浆，由下述重量份配比的组分组成：

硅酸盐系水泥60～90份，抗侵蚀剂10～40份，砂200～400份，水的用量以满足砌筑砂浆的施工性能与强度的要求取值，最优值为40～60份。

上述各组分的重量份配比可优选为：

硅酸盐系水泥70～88份，抗侵蚀剂12～30份，砂200～300份，

水的用量为40～60份。

上述组分中的硅酸盐系水泥可选自PI硅酸盐水泥、PII硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥；可优选采用不含石灰石粉的普通硅酸盐水泥。

上述砌筑砂浆可通过下述方法制备：采用普通砂浆搅拌机作为砂浆拌合设备，先将砂、水和抗侵蚀剂加入到搅拌机中，搅拌5～10分钟，然后加入水泥继续搅拌，直至形成均匀的砂浆。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明抗侵蚀剂可有效抵抗环境水(包括含有SO₄^2-、HCO₃^-、H⁺、Mg⁺²、NH₄⁺等侵蚀性离子及其碱金属盐，以及pH低于5的酸性雨水)侵蚀，能有效改善大水灰比砌筑砂浆的抗硫酸盐结晶性能，满足浆砌片石砂浆抗环境水侵蚀的要求。因而，含有上述抗侵蚀剂的浆砌片石用砌筑砂浆材料，具有优良的抗环境水侵蚀性能，可大幅度提高边坡防护结构物抗环境水侵蚀的耐久性。

附图说明

图1是PVA树脂(a)与其吸附SO₄^2-后(b)的红外光谱图；

图2是实施例1～4的砌筑砂浆浸泡在硫酸盐溶液中的膨胀率随浸泡时间变化曲线图；

图3是实施例5～7的砌筑砂浆半浸泡硫酸盐溶液中的抗蚀系数随浸泡时间变化曲线图。

图3中，S0是实施例5的砂浆试件，S1.2是实施例6的砂浆试件，S2是实施例7的砂浆试件。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。

实施例1～4

抗侵蚀剂的组成与配比为：100份II级低钙粉煤灰，5份PVA树脂，1份OP-10，5份草酸，将这些物质搅拌成混合物。

采用熟料矿物组成为57.7％ C₃S，19.6％ C₂S，10.6％ C₃A和5.8％ C₄AF的普通硅酸盐水泥(OPC)、上述组成的抗侵蚀剂和砂拌制砌筑砂浆。实施例1～4的砌筑砂浆配比见表1，其中，实施例1是对比例。

表1 实施例1～4的砌筑砂浆配比

 

水泥抗侵蚀剂水砂实施例1100050275实施例2901050275实施例3802050275实施例4703050275

先将砂和抗侵蚀剂加入水中搅拌5～10分钟，再将普通硅酸盐水泥依次加入，再在120转/分的高速下搅拌均匀，得到新拌砂浆。将新拌砂浆分别成型25×25×285mm³的棱柱体和50×50×50mm³的立方体试件，24小时后脱模，当立方体试件抗压强度达到20.0MPa时，浸泡在23℃的5％ Na₂SO₄溶液中，测量棱柱体试件在浸泡1，2，3，4，8，12，16，24，36，52，65，78，91和104周时的线长度膨胀率，其结果如图2所示。

从图2可以看到，实施例1(不含抗侵蚀剂)的棱柱体砂浆试件的线长度膨胀率随5％N a₂SO₄溶液中的浸泡时间延长而急剧增加，浸泡到35周时，其线膨胀率达到0.6％，此时砂浆试件早已开裂破坏。而含抗侵蚀剂(实施例2～4)的棱柱体砂浆试件的线长度膨胀率随5％ Na₂SO₄溶液中的浸泡时间的变化与抗侵蚀剂的含量有关，当抗侵蚀剂含量为20(实施例3)时，浸泡到110周时，棱柱体砂浆试件的线长度膨胀率只有0.05％，表现出极好的抗含硫酸盐环境水的侵蚀性能。

浸泡在5％ Na₂SO₄溶液中，立方体砂浆试件出现开裂时的时间和强度损失率如表2所示。可以看到，在浸泡到8个月时，实施例1的砂浆试件已经开裂，其抗压和抗折强度保留率分别只有73.7％和30.3％，实施例3的砂浆试件在浸泡2年多后，其抗压和抗折强度保持率均大于80％，分别为84.7％和153％，呈现很好的抗含硫酸盐环境水的侵蚀性能。

表2 浸泡在硫酸盐溶液中砌筑砂浆试件开裂时间和强度保留率

表3 浸泡在硫酸溶液中砌筑砂浆的质量损失率

在0.1N(当量浓度单位)和1N的硫酸溶液中浸泡4天，立方体砂浆试件质量损失率的测试结果如表3所示。可以看到，实施例1的砂浆试件质量损失率分别为1.15％和6.24％。而实施例2～4的砂浆试件质量损失率随砂浆中抗侵蚀剂含量的增加而降低，当抗侵蚀剂含量为20时，实施例3的砂浆试件浸泡在0.1N和1N的硫酸溶液中，其质量损失率只有0.42％和5.18％，与实施例1的试件相比，分别降低了63.5％和17％。所以，抗侵蚀剂显著改善了砌筑砂浆的抗酸性环境水的侵蚀性能。

将砂浆试件在标准碳化试验箱中进行碳化试验，以模拟砌筑砂浆抗大气中含碳酸水和CO₂气体的性能，在砂浆试件暴露不同时间后，将其劈开，测量试件的碳化深度，结果如表4所示。结果表明，与实施例1相比，含抗侵蚀剂的实施例2～4的砌筑砂浆具有较好的抗含碳酸水和CO₂气体的侵蚀性能。

表4 含抗侵蚀剂的砌筑砂浆的抗二氧化碳侵蚀性能

上述试验结果表明，抗侵蚀剂能有效改善砌筑砂浆的抗环境水侵蚀性能，用抗侵蚀剂配制的砌筑砂浆，可以显著提高路基防护工程中的浆砌片石结构在含侵蚀性离子的环境水中的耐久性。

实施例5～7

抗侵蚀剂的组成与配比为：100份II级低钙粉煤灰，10份PVA树脂，2份OP-10，10份硼酸钠，将这些物质搅拌成混合物。

采用熟料矿物组成为57.7％ C₃S，19.6％ C₂S，10.6％ C₃A和5.8％ C₄AF的普通硅酸盐水泥(OPC)、上述组成的抗侵蚀剂和砂拌制砌筑砂浆。实施例5～7的砌筑砂浆配比见表5，其中，实施例5是对比例。

先将砂和抗侵蚀剂加入水中搅拌5～10分钟，再将普通硅酸盐水泥依次加入，再在120转/分的高速下搅拌均匀，得到新拌砂浆。将新拌砂浆分别成型φ25×150mm³的圆柱体试件，24小时后脱模，放置在标准条件下养护28天。采用半浸泡试验模拟使用过程中的盐结晶物理侵蚀作用，即将试件的一半浸泡在23℃的5％ Na₂SO₄溶液中，一半暴露在23℃室内空气中，测量圆柱体试件在浸泡1，2，3，4和6月时的抗折强度，用试件的初始抗折强度与在5％ Na₂SO₄溶液中半浸泡不同时间后试件抗折强度之比，计算抗蚀系数，其结果如图3所示。

表5 实施例5～7的砌筑砂浆配比

 

水泥抗侵蚀剂水砂实施例5100080275实施例6881280275实施例7703080275

由图3可以看到，在5％ Na₂SO₄溶液中半浸泡6个月后，对比例的实施例5的砂浆试件的抗蚀系数只有0.62，未达到使用要求，而含有抗侵蚀剂的实施例6和实施例7的砂浆试件抗蚀系数达到0.9，表明抗侵蚀剂能有效改善大水灰比砌筑砂浆的抗硫酸盐结晶性能，满足浆砌片石砂浆抗环境水侵蚀的要求。

实施例8～11

抗侵蚀剂的组成与配比为：100份I级低钙粉煤灰，20份PVA树脂，2份OP-10，10份硼酸钠，将这些物质搅拌成混合物。

实施例8～11的砌筑砂浆配比：采用P·I型硅酸盐水泥的实施例8和9中，砂子用量为400份；采用粉煤灰硅酸盐水泥(P·F)实施例10和11中，砂子用量为300份。拌合用水量以砌筑砂浆的工作度确定，以便于砌筑施工操作，水泥和抗侵蚀剂用量见表6。

先将砂和抗侵蚀剂加入水中搅拌5～10分钟，再将P·I型硅酸盐水泥或P·F硅酸盐水泥加入，再在120转/分的高速下搅拌均匀，得到新拌砂浆。将新拌砂浆分别成型φ25×150mm³的圆柱体，24小时后脱模，养护28天后，将圆柱体试件浸泡在23℃的5％ Na₂SO₄溶液中，测量试件在浸泡1，3，6时的抗折强度，计算浸泡一定时间后试件抗折强度与初始抗折强度的比值——抗蚀系数，其结果如表6所示。

表6 含抗侵蚀剂的砌筑砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能

由上述实施例，可以看到，抗侵蚀剂可以显著改善水泥砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能，当利用纯硅酸盐水泥时，抗侵蚀剂的参量可取较大值，当采用粉煤灰硅酸盐水泥时，抗侵蚀剂的参量可取较小值，就可满足抗侵蚀系数大于0.8的工程要求。

上述各实施例中所述的抗侵蚀剂含量(％)，均是以水泥和抗侵蚀剂的总量为100％计算的。