憎水性復合砂漿材料表面排水性能試驗研究

稅 歡 李 龍 易虹宇 鄭 茂 顏川奇

(1.中國市政工程西南設計研究總院有限公司 成都 610081； 2.中建西南咨詢顧問有限公司 成都 610042；3.西南交通大學土木工程學院 成都 610031； 4.道路工程四川省重點實驗室 成都 610031；5.四川省交通建設集團股份有限公司 成都 610000)

透水混凝土是一種不含細骨料，由粗骨料和其表面包覆的薄層水泥漿相互黏結而形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結構，具有透氣、透水和重量輕的特點[1]。但透水混凝土路面在實際使用過程中，隨著其使用年限的增加，表層路面的堵塞率增大，透水系數(shù)下降，同時受堵塞影響其對于徑流中污染物的控制削減作用也會下降[2]。蔣佳等[3]研究發(fā)現(xiàn)砂土等無機堵塞物是造成空隙堵塞的主要物質；蔣劍彪[4]研究也發(fā)現(xiàn)黏土砂堵塞材料對透水混凝土滲透性能影響最大。如何提高透水路面的抗堵塞能力是行業(yè)界關注的重點問題，在透水混凝土路面堵塞后，可以依靠一定的后期維護措施，對透水混凝土清除堵塞物，張娟等[5]采用先高壓水沖洗后負壓抽吸的設備對排水路面進行空隙維護試驗，對堵塞有恢復效果，但僅依靠后期維護措施，也存在一定的問題：透水堵塞后進行恢復，無法達到恢復前100%的透水效果，同時需定期進行清洗處理，費時費力，維護費用大。如何提高透水路面的抗堵塞能力是業(yè)界關注的重點問題。

現(xiàn)有研究表明黏土砂是影響堵塞的主要因素，其機理是黏土砂易積聚在透水混凝土孔隙內(nèi)部，不易清洗，且嚴重影響排水效果；鑒于此，為了增強抗堵塞性能，提出在工程材料中添加憎水劑，增強其荷葉效應，水滴從材料表面滾落的同時并將沙子、灰塵類小顆粒帶走，使材料表面保持干凈，進而增強其抗堵塞性能。在混凝土材料內(nèi)添加憎水劑，可以在混凝土的孔隙表面形成了憎水層，但不封閉孔隙，阻止了液態(tài)水的滲入并保持了混凝土的透氣性，內(nèi)摻憎水外加劑的混凝土孔隙全部被憎水劑覆蓋表現(xiàn)憎水性，形成了整體憎水混凝土[6]。

由于透水混凝土這種工程材料存在較大的空隙率，其蜂窩狀結構會導致其試塊各表面均不存在較為平整的平面，無法對其表面的潤濕邊角進行準確測量；而砂漿和透水混凝土具有很多相似的工程特性，兩者均可以認為是單(斷)級配的特殊水泥混合工程材料，但砂漿試塊表面可以達到較平整的效果，可以對其潤濕邊角進行測量計算；所以文中將借助試驗砂漿試塊材料探究如何提高材料本身的憎水性，討論工程材料的潤濕邊角與表面排水性的相應關系，評價不同摻量的內(nèi)摻和外涂憎水劑試驗條件，綜合分析試驗數(shù)據(jù)。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，砂采用天然河沙，粉煤灰來自成都博磊資源循環(huán)開發(fā)有限公司，3種原材料的物理性能見表1～3。試驗用水為成都市普通生活用水。

表1 水泥的物理性能

表2 河沙的物理性能

表3 粉煤灰的物理性能 %

為改善砂漿的和易性，克服砂漿收縮大和強度低等缺點，本研究在配制砂漿試塊中摻入增塑劑；本文所使用增塑劑產(chǎn)自眉山市彭山區(qū)明羽鼎盛建材有限公司，外觀為淺褐色粉劑，其物理性能見表4。

表4 增塑劑的物理性能

為論證如何增強材料的表面排水性能，本研究在配制砂漿試塊中還摻入憎水劑，選擇了內(nèi)摻和外涂2種類型，且每種類型各選了2種市面上工程常用的代表性產(chǎn)品，具體如下。

1) 內(nèi)摻型憎水劑：①美國道康寧公司生產(chǎn)的SHP60硅烷基憎水劑，外觀為乳白色粉末固體，硅烷活性含量的質量分數(shù)為25%，密度為600 g/L，pH值(10%于水中)呈中性或弱堿性，建議摻量為干粉用量的0.2%～0.5%，本試驗設計摻量為干粉用量的0.35%；②易來泰公司生產(chǎn)的Seal-80硅烷基憎水劑，外觀為白色粉末固體，密度為200～400 g/L，pH值(10%于水中)呈中性或弱堿性，建議摻量為干態(tài)用量的0.2%～1%，本試驗設計摻量為干態(tài)用量的0.5%。

2) 外涂型憎水劑：①德國悍能公司生產(chǎn)的hahne悍能外涂型憎水劑，為白色半透明液體，耐高溫，抗冷凍，建議滾刷涂刷，使用可將hahne悍能與水按1∶10比例配合，建議使用量為200 mL/m2，本試驗設計使用量為建議使用量；②中國漳州市萬可涂公司產(chǎn)生的WKT-3外涂型憎水劑，為乳白色濃縮液體，使用可將WKT-3萬可涂與水按1∶10比例配合，建議水溶液使用量為200 mL/m2，本試驗設計使用量為建議使用量。

1.2 配合比

設計了5組試驗進行對比分析：第1組為基準組，基準組不摻加內(nèi)摻型憎水劑及外涂型憎水劑，為空白對照組；第2、3組為內(nèi)摻型憎水劑，第2組摻加SHP60憎水劑，第3組摻加Seal-80憎水劑；第4、5組為外摻型憎水劑，第4組外涂hahne憎水劑，第5組外涂WKT-3憎水劑。各組配合比具體情況見表5。

表5 各實驗組的砂漿配合比

1.3 試驗方法

砂漿試塊在實驗室室內(nèi)進行制備，室內(nèi)溫度為20 ℃，相對濕度保持為60%以上，使用清洗干凈的鍋和鏟等工具進行攪拌成型。試塊脫模后在濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護2 d，然后在20 ℃水中養(yǎng)護5 d，再在20 ℃、相對濕度90%的干養(yǎng)護箱中恒溫恒濕養(yǎng)護21 d。待到養(yǎng)護期后，取出砂漿試塊，擦干表面，立即進行相應試驗。

采用量高法[7-8]對水滴潤濕邊角試驗進行計算，量高法為紡織學科測量拒水織物表面接觸角的一種重要液滴接觸角測量方法，采用量高法更準確、更快捷,且量高法比量角法誤差小。其測量原理為：當1滴液體的體積小于6 μL時，可以忽略地球引力對其形狀的影響，液滴將呈標準圓的一部分。量高法示意圖見圖1。

圖1 量高法計算水滴潤濕邊角原理

由圖1可見，通過測量液滴在砂漿表面上的高度h以及與砂漿接觸面的直徑D,即可計算出水滴潤濕邊角。其計算公式推導過程如下，在直角三角形ACG中：

α+β=90°

(1)

θ=90°+(β-α)=(α+β)+(β-α)=2β

(2)

(3)

(4)

式中：h為液滴在砂漿表面的高度；D為液滴與砂漿接觸面的接觸長度。

按式(4)計算水滴潤濕邊角θ，不論θ>90°還是θ<90°，式(4) 都適用。計算各組砂漿的潤濕邊角結果，每組3個試塊，對結果取平均值。

本試驗使用微量數(shù)字移液槍將水的小液滴滴在各組砂漿試塊表面，設計每次滴液量為5 μL，然后使用USB電子數(shù)碼工業(yè)顯微鏡進行拍攝圖片。試驗拍照所使用的USB電子數(shù)碼工業(yè)顯微鏡見圖2，其可以放大的最大倍數(shù)為1 600倍；滴水滴所使用的微量數(shù)字移液槍見圖3，其量程為0.5～10 μL。

圖2 USB電子數(shù)碼工業(yè)顯微鏡

圖3 微量數(shù)字移液槍

參照JGJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(以下簡稱《標準》)[9]進行砂漿試塊的吸水率測試，將制備好的砂漿試塊放入80 ℃的烘箱干燥48 h后取出，冷卻到室溫后，稱出各組砂漿試塊的重量G0。再把試塊放入低溫恒溫水浴箱內(nèi)，設定水溫為20 ℃，分別測量浸泡10，20，30 min、1，3，6，24，48 h后取出，用濕布擦去試塊表面水后，立即稱出各組試塊重量G1，精確到0.1 g，每組3個試塊，取平均值。

砂漿的密度參照采用《標準》進行砂漿試塊的密度試驗測試，每組3個試塊，取平均值。

砂漿的抗壓強度參照采用《標準》進行砂漿試塊的抗壓試驗測試，每組3個試塊，取平均值。

2 試驗結果與分析討論

2.1 水滴潤濕邊角試驗

各組砂漿的水滴潤濕邊角試驗現(xiàn)象見圖4，潤濕邊角測試結果見圖5。

圖4 各組的水滴潤濕邊角試驗

圖5 各組復合砂漿的潤濕邊角

由圖4和圖5可知，基準組的潤濕邊角小于90°，說明基準砂漿組有親水性；摻憎水劑的各組潤濕邊角大于90°，說明具有憎水性，且憎水性存在差異；圖5顯示潤濕邊角Seal-80組>SHP60組>hahne組>WKT-3組>基準組，內(nèi)摻型憎水劑的效果優(yōu)于外摻型，表面憎水性效果最好的是內(nèi)摻型的Seal-80組。

2.2 吸水率試驗

各組砂漿的吸水率見圖6。

圖6 各組復合砂漿的吸水率

由圖6可知，不同吸水時間下的吸水率表現(xiàn)為Seal-80組

由上述各組砂漿的潤濕邊角、吸水率試驗結果可知，潤濕邊角越大，吸水率越小，二者呈負相關關系。其中潤濕邊角越大，憎水性越好，表面排水性越好。當表面排水性好的工程材料用于道路工程時，可以有效地增強其荷葉效應，水滴從材料表面滾落的同時將沙子、灰塵類小顆粒堵塞物一并帶走，使工程材料表面保持干凈，進而可以增強透水型道路的抗堵塞性能。

2.3 密度試驗

各組砂漿的密度結果見圖7。

圖7 各組砂漿的密度

由圖7可見，內(nèi)摻型憎水劑和外涂型憎水劑均可增加砂漿的密度；內(nèi)摻型憎水劑對砂漿的密度提升較大，而外涂型憎水劑對砂漿的密度提升較小。因為外涂型憎水劑僅會影響砂漿試塊表層的很淺層，影響范圍很小，不會影響作用于砂漿試塊內(nèi)部結果，故對其密度影響很小。

而內(nèi)摻型憎水劑SHP60和Seal-80均為硅烷基憎水劑，硅烷基憎水劑的內(nèi)摻對砂漿內(nèi)部的氣泡具有一定的消泡作用，從而減少砂漿內(nèi)部的氣泡，增大砂漿的密度，使內(nèi)摻型憎水劑復合砂漿的密度較基準組有所增加。

2.4 強度試驗

各組砂漿的抗壓強度結果見圖8。

圖8 各組砂漿的抗壓強度

由圖8可見，外涂型憎水劑僅改變其表面排水性，對抗壓強度較準基組砂漿增加幅度很小；因為外涂型憎水劑僅會影響砂漿試塊表層的很淺層，影響范圍很小，不會影響作用于砂漿試塊內(nèi)部結果，故對其抗壓強度影響很小。SHP60憎水劑可以大幅增加砂漿的抗壓強度，增加系數(shù)約為9.96%，而摻Seal-80的砂漿抗壓強度增加了7.47%；證明內(nèi)摻型憎水劑可提高砂漿抗壓強度；這是因為摻入有機硅的試樣，由于密度的變大，孔隙率變低，使得水泥顆粒與水的接觸面積增加，增強水化效應，以及氣孔內(nèi)表面的缺陷減少，在一定摻量范圍內(nèi)，有機硅添加劑可以增強其抗壓強度。

3 結論

1) 憎水劑的添加能夠有效提高工程材料的表面排水性能。摻憎水劑后，砂漿試塊的吸水率減小，表面排水性得到增強，二者呈負相關關系，即潤濕邊角越大，憎水性越好，表面排水性越好。4種憎水劑的表面排水性效果排序為Seal-80組>SHP60組>hahne組>WKT-3組。

2) 外涂型憎水劑hahne組和WKT-3組僅能提升復合砂漿的表面排水性，對砂漿的抗壓強度提升較小。

3) 內(nèi)摻型憎水劑Seal-80組和SHP60組均有較優(yōu)的表面排水性能，同時兼顧提高砂漿抗壓強度；推薦Seal-80為最佳憎水劑添加劑，特別在1 h時間內(nèi)，各組試件吸水率差異明顯，Seal-80組表現(xiàn)最優(yōu)，同時可以提升約7.5%的砂漿抗壓強度，為透水混凝土在道路工程方面的實際工程應用提供了試驗參考。