摘 要

脂肪酸，作为一种典型的硬脂酸，是一种廉价的表面活性剂，有着很重要的应用。饱和长链脂肪酸乳液是一种混凝土疏水化合孔栓物，加入混凝土中混合可以起到防水作用并且能够防腐蚀。饱和脂肪酸结构上没有碳碳双键，性质稳定，碳链很长，亲油性强，但是稳定性是工业应用的挑战问题，需要表面活性剂来维持乳液的稳定。本文通过选择非离子型的表面活性剂，通过对硬脂酸铵乳液制备工序、非离子型表面活性剂、固含量和中和度的研究，确定硬脂酸铵乳液的制备工艺。本文将硬脂酸乳液混入混凝土中，通过测试混凝土的坍落度、拓展度、抗压强度、吸水率可得硬脂酸铵乳液使得混凝土降低，坍落度和拓展度发生了变化，吸水率大大降低，防水性能加强。

关键词：硬脂酸铵乳液；非离子型表面活性剂；防水性

Abstract

Fatty acid, as a typical stearic acid, is a cheap surfactant, which have important application. Saturated long-chain fatty acid emulsion is a kind of concrete hydrophobic pore plug, which is added to concrete to allow waterproofing and prevent erosion. Saturated fatty acid has no carbon-carbon double bonds and a long carbon chain on structures, so they have stable properties and strong lipophilicity. But their stability is a challenge in industrial applications. In order to solve this problem, surfactant is introduced to keep emulsion stable. This article selects non-ionic surface as emulsifier, through the study of preparation process, non-ionic surfactant, solid content and neutralization degree to determine the preparation process of ammonium stearate emulsion. Different neutralization degree (70%, 100%) of Ammonium stearate emulsion is prepared using O-25 system to study the influence on the properties of concrete. The results show that：two kinds neutralization ammonium stearate emulsion will reduce the flow properties of the concrete, resulting in some changes in slump and extension; Both neutralization degree make the strength of concrete at 7d and 28d low; two neutralizations ammonium stearate emulsion can reduce the electric flux, and the neutralization degree of 100% is better; two neutralizations of ammonium stearate emulsion make the water absorption rate of concrete greatly reduced, and the 70% neutralization degree is better.

Key Words：Ammonium stearate; Non-ionic surfactants；Waterproof

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 混凝土防水剂 1

1.3乳浊液及乳化剂 3

1.3.1 乳化剂 4

1.4 相反转 4

1.5本课题研究的内容及意义 5

第二章 长链脂肪酸乳液的制备 6

2.1 实验部分 6

2.1.1 实验试剂 6

2.1.2 实验仪器 6

2.1.3不同条件下硬脂酸铵乳液的制备及性能比较 7

2.1.4 非离子型表面活性剂对长链脂肪酸乳液的影响 9

2.2 本章小结 11

第三章 长链脂肪酸乳液应用于混凝土中的性能 12

3.1 实验部分 12

3.1.1 实验试剂 12

3.1.2 实验设备 13

3.1.3 硬脂酸乳液的制备 14

3.1.4 混凝土的制备 14

3.2 混凝土性能测试和结果分析 14

3.2.1 混凝土性能测试简介 14

3.2.2 实验数据及分析 15

3.3 本章小结 17

第四章 结论 18

致 谢 19

参考文献 20

第一章 绪论

1.1引言

自古以来，建筑材料防水问题是困扰建筑行业的一个难点。古代，中国人常用粘性土掺入石灰，加上动物血以及铁红等分层夯实组成，这种方法可以随时间增长防水防渗透能力逐渐提高。现在，防水材料及其技术研究仍是科研工作者关注的问题之一。我国在建筑上的腐蚀情况仍很严重。建筑防水工程是保证建筑物的结构不受水的侵蚀、内部空间受水的危害的一项分部工程，建筑防水工程在建筑工程中占有重要的地位。建筑防水工程涉及建筑物的地下室、墙地面、墙身、屋顶等诸多部位，其功能就是要使建筑物在设计耐久年限内，防止雨水及生产、生活用水的渗漏和地下水的浸蚀，确保建筑结构、内部空间不受到污损，为人们提供一个舒适和安全的生活空间环境^[[1]] 所以，混凝土添加剂逐渐变得重要起来。长链脂肪酸乳液具有较长的碳链以及具有较大的疏水基团，能形成疏水化合孔栓物，加入混凝土中能有效的起到防水和防渗透的作用，从而提高建筑物的强度跟抗水、抗氯离子渗透性能，提高建筑工程质量^[[2],[3]]。

1.2 混凝土防水剂

混凝土建筑物随着时间的延长，会出现干缩开裂现象，水或者其他物质通过毛细孔或者细小裂缝深入建筑物内部，锈蚀内部钢筋或金属添加物，严重影响混凝土建筑物的各项性能，降低使用寿命^[[4]]。要想解决建筑物渗漏现象需要综合考虑建筑物结构设计、原料选取、施工操作和后期养护等多方面因素。混凝土防水剂可以添塞部分混凝土孔隙，填充混凝土中的部分毛细通道，减少混凝土中的孔隙、毛细通道，提高混凝土防水性能^[[5]]。添加混凝土防水剂，建筑物的表面或者内部结构发生改变，使得混凝土结构更紧凑，表面憎水性增强，防水性能显著提高。

20世纪初期，国外就有人使用明矾和肥皂水复配做混凝土防水剂，英国研究者利用天然橡胶及某些合成树脂的乳液作防水剂；20世纪50年代，美国、加拿大等国家开始广泛使用无机盐类防水剂(硅酸盐、氯盐等)、有机类防水剂(脂肪酸及其盐类、石蜡乳液等)；20世纪80年代以来，混合类防水剂(无机类混合、有机类混合、有机-无机混合)成为混凝土防水剂的主要发展方向。

美国混凝土协会(ACI)将混凝土防水剂分为三大类：憎水性防水剂、细分散性防水剂和结晶性防水剂。其中憎水性防水剂是研究最多的一类。

憎水性防水剂种类多，包括：长链脂肪酸衍生物和利用植物油、石油的副产物制备得到的材料。憎水性防水剂作用机理：防水剂沿着混凝土孔隙在其表面生成一层或多层具有憎水性能的膜，从而起到防水作用^[[6]]。憎水性防水剂没有作用到混凝土孔隙的状态，孔隙仍处于物理开放状态。脂肪酸类物质是最常用的憎水性防水剂，作用机理如下：

式(1-1)

脂肪酸盐与水泥水化生成的Ca(OH)₂发生反应，将生成不溶于水的脂肪酸钙，起到憎水、防水作用。

细分散性防水剂中有一部分呈现化学惰性，一部分呈现化学活性。细分散性防水剂作用机理：防水剂填充混凝土内部的孔隙，使得混凝土结构更加密实，削弱水的渗入，从而起到防水作用。细分散性防水剂主要有：滑石粉、膨润土和硅酸盐类物质。细分散性防水剂虽然对混凝土孔隙进行填充，但是对混凝土内部的毛细通道作用不大。

结晶性防水剂使用时，经常是与水泥和沙等一起混合。结晶性防水剂作用机理：防水剂会与水泥水化生成的氢氧化钙发生反应，生成的产物可以填充混凝土孔隙，也可以桥接混凝土内部的毛细裂缝，防止水的渗入。

这里，我们主要介绍一下具有复配多功能的防水剂：有机硅类防水剂、高级脂酸类防水剂。

有机硅材料具有低表面张力，容易在基材表面上均匀涂布，可以很好的降低基材的表面能使其憎水，是一种很有效的防水材料。有机硅类防水剂主要又三种：水溶性有机硅防水剂、溶剂型有机硅防水剂和乳液型有机硅防水剂^[[7]]。

水溶性有机硅防水剂主要是甲基硅酸和乙基硅酸的钠盐溶液。甲基硅酸钠盐溶液的制备方法：1.将甲基三氯硅烷溶于水中洗涤过滤；2.在90-95℃条件下将前面得到的甲基三氯硅烷与氢氧化钠水溶液混合加热，反应3h；3.加水过滤得到需要的甲基硅酸钠盐溶液。甲基硅酸钠作用机理：空气中的H₂O和CO₂会使甲基硅酸纳分解成甲基硅酸，甲基硅酸又发生聚合反应生成具有疏水性能的聚甲基硅醚，从而在混凝土表面形成一层疏水保护膜进而起到防水作用。甲基硅酸钠盐防水剂的优点：成本低，操作简单。甲基硅酸钠盐防水剂的不足：1.防水剂与CO₂的反应较慢，固化时间长，很容易受到周围水的影响不稳定；2.防水剂会锈蚀含有铁盐的基材(大理石、石灰石)，在建筑物表面产生黄色斑点，有损建筑物质量，不利美观。

溶剂型有机硅防水剂主要指聚甲基三乙氧基硅烷树脂。因为硅烷树脂自身的性质，不能单独使用，必须要溶在醇类溶剂中。溶剂型有机硅防水剂作用机理：1.防水剂涂到混凝土表面，醇类溶剂挥发迅速，在混凝土表面形成一层保护膜；2.在水环境下，硅烷树脂会发生水解反应，生成化学性质活泼的硅醇，容易与混凝土表面游离的羟基发生缩合反应，从而在混凝土表面产生疏水基团进行防水。相较于甲基硅酸钠盐防水剂，溶剂型有机硅防水剂受外界影响较小，适用范围更广。

乳液型有机硅防水剂是指活性有机硅乳液和某些高分子乳液(如丙烯酸乳液)发生聚合反应而得到的乳液。乳液型有机硅防水剂的作用机理：1.有机高分子乳液在混凝土表面形成一层膜，粘接混凝土结构，使其结构更加紧密；2.活性有机 硅乳液里的催化剂、交联剂等，待水蒸发后常温下就可以发生交联反应，在混凝土中将形成具有网络结构并且具有疏水性能的聚硅氧烷弹性膜起防水作用。添加乳液型有机硅防水剂的建筑物防水性能很好，透气性能基本不受到影响。

高级脂肪酸类防水剂是以高级脂肪酸为主要材料的一类混凝土防水剂。高级脂肪酸类防水剂的作用机理：通过搅拌使得防水剂与水泥砂浆均匀混合，一起固化成型，固化过程中防水剂填充进混凝土孔隙、毛细通道中，得到本身携带具有疏水性能的混凝土结构，进而防水。高级脂肪酸类防水剂防水寿命长、适用范围广、成本低、施工便捷、安全环保，是一类具有潜在价值的新材料防水剂。

1.3乳浊液及乳化剂

乳浊液是指两种不相溶的液体所组成的分散系，即一种液体以小液滴的形式分散在另外一种液体之中形成的混合物。分散相是油相，连续相是水相或者分散相是水相，连续相是油相。并且随着条件的改变，这两相可以相互转化称之为相反转^[[8]]。油和水可以形成O/W型乳液，其中油是分散相，水是分散介质；也可以形成W/O型乳液，其中水是分散相，油是分散介质；还可以形成多重乳液，包括W/O/W型乳液和O/W/O型乳液。通过简单的快速搅拌可以得到乳液，但是这样所得到的乳浊液并不稳定，搅拌停止过段时间则会分层。因为分散开来的油珠相互碰撞时会自行合并起来。要得到稳定的乳状液，通常必须有第三组分即乳化剂存在。乳液属于热力学不稳定体系，但是在一定的时间内，乳液具有一定的稳定性。乳液稳定性是指乳液抵抗其各项性质随时间发生变化的能力。乳液具有稳定性，就要求乳液在一定时间内，随着时间的增长，乳液液滴的数量、粒径分布、空间排列不发生改变。乳液失去稳定性主要出现六种现象：分层、沉降、絮凝、奥氏熟化、聚结、相反转，主要是由于分散相与分散系的密度的不同以及表面张力的作用下凝聚导致的。不同乳液的不稳定动力学过程所需时间不一样，有的乳液的不稳定的动力学过程可能特别长，长达几个月甚至几年。在实际应用过程中，为了在产品设计的合理时间内测试产品，通常必须加快这一不稳定的动力学过程，得到最终稳定的乳液产品。最常用的方法是加热方法，提高乳液的温度可以加速不稳定的动力学过程(如果温度低于临界温度将进行相转化或化学降解)。温度不仅会影响乳液的粘度，还会影响非离子表面活性剂的对体系内部表面张力的降低，影响体系内部的相互作用。乳液的制备方法有很多种，基于所提供的能量大小不一样，大致可以分为两种类型：高能乳化法制备乳液和低能乳化法制备乳液。高能乳化法制备乳液时，通常使用的机械装置具有的特点是能产生高强度的剪切力，它能使水相和油相在乳化过程中完全地碎裂开来，形成非常细小的乳滴从而保持稳定。低能乳化法制备乳液时不像高能乳化法制备乳液时靠机械装置产生地高强度地剪切力，而是通过相反转过程，致使体系中的环境发生变化，从而使混合液体能够自发的形成乳液。液滴的大小跟制备的工艺、原料的组成以及所使用的方法有关。

1.3.1 乳化剂

乳化剂也可以说认为是表面活性剂，它们的作用都可以降低两相之间的表面张力，从而达到稳定的分散相体系。一般乳化剂分子中具有亲水基和亲油基，1949年Griffin提出用亲水亲油平衡值（HLB）来表示亲水性的大小。HLB值愈大，则愈亲水。根据乳化剂的结构可以将乳化剂分为离子型乳化剂和非离子型乳化剂，离子型又可以分为阴离子型和阳离子型；根据其来源可分为天然乳化剂和合成乳化剂；按照作用类型可以分为表面活性剂、黏度增强剂和固体吸附剂；按其亲油亲水性可分为亲油型和亲水型。非离子型乳化剂水溶液随温度升高而分相的温度，称为浊点。在浊点上，非离子型表面活性将沉析出来。饱和长链脂肪酸如硬脂酸(十八烷酸)，结构简式为CH₃(CH₂)₁₆COOH，属于长链烷基酸，具有很强的亲油性，导致其乳液稳定性很差，又因为要混入混凝土中，所以引入阴阳离子会增加混凝土的导电性，会加快腐蚀影响性能，所以本文选取非离子型表面活性剂来制备乳液^[[9]]。

1.4 相反转

相反转即在一定的条件下，乳液中的连续相和分散相相互转化的过程。例如通过滴加水使得原来为油包水的乳液变为水包油的乳液。这种方法在工业生产中非常常见，因为通过简单的物理乳化过程使得乳液的油水间的界面张力达到极低值，分散相的尺寸很小且分布较窄，减少了工业上的能耗，也是管道原油运输的有效方法。在相反转点附近，乳液的一些性质会发生改变。在高乳化剂浓度时,体系发生完全相反转,体系的电性质在相反转点后几乎不随水量的增加发生显著变化; 相反转点时乳液界面张力低，乳液粒径小，正是因为这一特点，普遍利用反相法制备粒径较小的乳液。在低乳化剂浓度时体系发生不完全相反转,体系的电学性质在相反转点后随水量的进一步增加仍有显著降低趋势; 并且, 体系在相反转点时,原来以分散相存在的水没有像完全相反转那样全部转变为连续相,只是部分水转变为连续相,还有一定量的水以分散相的形式存在于水基高分子微粒中。随水量的进一步增加,部分分散于高分子水基微粒中的水也会融合为连续相,表现为电学性质进一步降低,最终得到的粒子尺寸大,分布宽,且为一种多孔复合结构。^[[10],[11]]

1.5本课题研究的内容及意义

为了解决混凝土建筑工程中的水渗透问题以及为了加强混凝土理化性质，我们通过非离子型表面活性剂合成硬脂酸铵乳液混入混凝土中。澳大利亚敏益集团生成的克汰是很好的混凝土疏水化合孔栓物，主要成分是硬脂酸铵，是一种很高效的混凝土防水剂。与采取其他有效举措的普通硅酸盐水泥混凝土建筑物相比，含有克汰的混凝土建筑物的性能更好，在大约26年内，含有克汰的混凝土建筑物基本不会发生腐蚀现象^[[12]]。因此制备出硬脂酸铵乳液能有效的延长建筑物使用寿命，同时大大降低建筑材料成本，很好的促进建筑材料行业的发展，对建筑界具有重大而深远的意义。

本文研究目的：

1.通过对硬脂酸铵乳液制备工序(乳化氨化顺序、乳化搅拌速度、乳化加入氨水的量、乳化加水速度)、非离子型表面活性剂(种类、比重、复配体系)、固含量和中和度的研究，确定非离子表面活性剂硬脂酸铵乳液的制备工艺。

2.将不同中和度的非离子型表面活性剂硬脂酸铵乳液添加到混凝土中，进行混凝土相关性能测试，研究不同中和度的硬脂酸铵乳液对混凝土性能的影响。

第二章 长链脂肪酸乳液的制备

2.1 实验部分

2.1.1 实验试剂

实验所需化学试剂如下表2-1所示：

表2-1 化学试剂

2.1.2 实验仪器

实验所需仪器设备如下表2-2所示：