疏水劑對高強度混凝土抗凍性的影響實驗

王輝 顧俊

摘要：針對當前建筑施工中面臨的復雜化學環境，結合混凝土腐蝕滲透原理，制備一種疏水性的高強度混凝土。為驗證混凝土的抗凍性，采用試驗對比的方式，在實驗中中加入十三氟辛基三乙氧基硅烷疏水劑，在對照組中不摻入疏水劑，并通過樣品表征和抗凍性性對混凝土表面疏水性進行驗證。結果表明，水灰比為0.45，十三氟辛基三乙氧基硅烷質量比為0.24%時，得到的滾動角低于10°，此時滿足疏水性要求。同時通過X衍射光譜圖和電子圖分析，得到疏水性混凝土表明含有疏水的官能團，極大降低了混凝土表面能。最后，通過抗凍性能測試，驗證疏水混凝土擁有良好的抗凍性。

關鍵詞：疏水劑;官能團;高強度混凝土;抗凍性

中圖分類號：TQ437文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）07-0142-04

隨著現代施工技術的深入推廣，對大體積混凝土的施工要求越來越高。特別是在深基坑大體積混凝土施工中，混凝土面臨著更為復雜的的環境。如在深基坑中，大體積混凝土受到水的侵蝕，水中含有Cl^-和SO₄^2-離子，長期在深基坑中侵蝕，使得Cl^-和SO₄^2-離子滲入混凝土內部，從而給混凝土造成嚴重的腐蝕。當前，針對該問題的解決方案，大部分集中在對腐蝕機理等方面人手，如熊曉強（2018）在發表的文章中，采用化學滴定的方法就硫酸鹽對混凝土的腐蝕進行了研究，并得出其內在的腐蝕原理;李文莉（2018）則針對海洋環境對混凝土的腐蝕進行了歸納，包括氯離子、硫酸鹽離子等各類腐蝕。但是歸納上述的研究中，大部分是從改變配合比，或者是加入防腐蝕的化學試劑，進而提高混凝土的防腐蝕性能。而歸納來講，造成上述的原因，是因為水的滲透，繼而造成混凝土的化學腐蝕。所以，要解決上述的問題，如果能減少水在混凝土中低滲透，勢必會減少氯離子等對混凝土的腐蝕。由此，提出一種疏水的高強度混凝土，以解決當前深基坑施工環境問題，提高深基坑混凝土質量。

1 試驗方案

1.1試驗材料與儀器

選產自新疆烏魯木齊某水泥有限公司生產的P.O42.5水泥，其物理性能和力學性能如表1所示。

細砂：主要成分SiO₂，含泥量大于98%，粒數大小為20～60目;

疏水劑：十三氟辛基三乙氧基硅烷（分子式：C₁₄H₁₉F₁₃O₃Si）;生產廠家為曲串晨光化工有限公司

立式電動攪拌機：HLA-KJ，遼寧豪耐思石化裝備有限公司

電子天平：上海添時科學儀器，型號為FA201MB。

1.2試驗方法

首先制備混凝土。為了更好的對比本文實驗制備的混凝土在抗凍方面的優勢，分別制備空白對照組和實驗組。兩組制備的步驟基本類似：

1）稱取P.042.5水泥，與細砂置于燒杯中均勻混合，并加入自來水進行攪拌，以形成混凝土泥漿;

2）向兩組實驗中分別不加入和加入氟硅烷，并在加入后置于立式攪拌器下進行攪拌，攪拌時間為lh;

3）將攪拌后的混凝土倒人模具中，并用銅網進行覆蓋;

4）待混凝土硬化后，去掉銅網，從而得到制備好的兩組樣品。

2 試驗結果

2.1混凝土最佳配比

高強度混凝土的最佳配比中，水灰比設定為0.45的時候，得到的混凝土性能較好。文章主要的試驗目的，是在不同疏水劑下，混凝土的最佳疏水性能。氟硅烷作為一種低表面修飾材料，可改變混凝土表面的濕潤性的問題。由此，合適的添加量，可提高混凝土表面的濕潤性。而為了減少實驗步驟，文章在設計之初，水灰比選擇0.45，設計強度為C60，研究在不同疏水劑用量下混凝土的疏水性能。而在疏水性的衡量中，混凝表面的超疏水接觸角與滾動角是參考的重要指標。由此設計試驗配比方案，如表2所示。

根據實驗測定，得到圖1和圖2在不同摻量下的混凝土表面疏水滾動角和接觸角。

通過上述的結果可以看出，在不同的摻量下，混凝土的表面的疏水滾動角和接觸角各有不同。從圖1的結果看出，當氟硅烷的摻量在0.08%-0.3%的區間下，其表明接觸角從149.6°變化到156°，接觸角有一定的增加，但是變化幅度都不明顯;而當摻量在0.04～0.16的情況下，混凝土表面滾動角沒有出現變化，當超過O.16%的時候，開始逐步減小，并在0.3%的情況下，達到穩定，此時的滾動角為5.4。實驗標準要求，在滾動角角度小于10°的情況下，滿足疏水性的要求。由此，可以得出，當摻量在0.24%的時候，其滾動較為6.1°，小于于10°，說明在含量為0.24%的時候，則滿足了疏水性的要求。

由此，根據上述的結果，得到最佳的混凝土配合比：水灰比為0.45，疏水劑質量百分比為0.24%。

2.2混凝土微觀形貌

使用SEM電子顯微鏡觀察制備的疏水混凝土，得到實驗組和對照組兩種不同混凝土的微觀結構，具體見圖3和圖4所示。

通過上述的微觀形貌看出，普通混凝土的表面存在較為密集的立方體結構。而在摻入疏水劑的混凝土表面，僅存在微微凸起的粗糙結構。根據Wenzel模型原理，越為粗糙的混凝土表面，其親水性更高。所以從微觀結構來看，摻入疏水劑的混凝土疏水性更佳。

2.3表面結構分析

用X射線衍射儀對制備的材料表征進行分析，得到圖5和圖6的元素分析圖譜。

通過上述的結果看出，兩者表面的晶體種類，說明在摻入疏水劑后，并沒有改變混凝土表面的晶體結構與種類。

2.4混凝土表面化學元素分析

文中，摻入適量的疏水劑，其主要的目的是降低混凝土材料表明能，從而使得混凝土從原來的親水變為疏水。研究認為，之所以十三氟辛基三乙氧基硅烷具有良好的疏水性，其主要的原因與其中的C-F鍵和所形成的表面能有很大的關系。部分學者認為，C-F鍵越多，得到的表面能就越低。如-CF2-基團所擁有的表明能在18mJ/m²，-CF3表面能更低。因此，要驗證十三氟辛基三乙氧基硅烷對混凝土疏水性的影響，只需要分析其表面的，-CF3基團、-CF2-基團等。而通過X射線光電子能譜分析，得到如圖7和圖8的化學結果組成分析結果。

通過上述的結果看出，普通混凝土表明不存在F元素，所以不可能存在-CF3等基團。而疏水性的混凝土中含有F離子，則結論認為可能存在-CF3等基團。

3疏水性能分析

為進一步驗證上述制備的混凝土性能，本文采用凍融實驗對混凝土性能進行驗證。整個試驗過程參照GBT50082-2009的標準要求，在冷凍和融化中，分別放在-18℃±2℃和5℃±2℃的溫度下進行循環凍融，最后測量凍融后的質量損失率。經實驗得到圖9的結果。

通過上述的結果看出，在不同凍融系數下，混凝土的質量損失率變化趨勢不同。普通混凝土的變化趨勢是質量損失率一直在上升，并在凍融110次左右后，損失達到7%;而疏水混凝土來講，在凍融的初期，其質量損失不升反降，并且在超過110次后，其質量損失率也要明顯小于普通混凝土的損失率。說明疏水性混凝土具有較好的抗凍性能。

4 結語

通過上述的試驗看出，結合當前在混凝土制備研究的主流方向，提出在混凝土中加入十三氟辛基三乙氧基硅烷，并通過表征性能和抗凍性能等，驗證了上述制備的這種疏水性高強度混凝土具有很好的性能。而之所以在加入十三氟辛基三乙氧基硅烷會提高混凝土的疏水性，一個關鍵的問題是十三氟辛基三乙氧基硅烷中含有-CF3等官能基團，通過該官能基團，大大降低了混凝土表面能，進而提高了其疏水性，降低了親水性。但是該材料還需要進一步的驗證，包括抗腐蝕性、抗壓性等。