新型偶聯劑改良超疏水混凝土工程性能研究

胡小云

(江西贛禹工程建設有限公司，江西 南昌 330209)

1 概述

水工混凝土的疏水性、抗滲性是影響其力學性質和長期服役性能的重要因素[1- 3]。在水力尤其是海水或巖溶地帶地下水的持續侵蝕下，混凝土內部容易產生各種各樣的損傷，劣化其力學性質[4- 6]。因此，研究和開發具有疏水性的、強抗滲性的超疏水性混凝土對于我國水利工程建設具有重要意義。

現有關超疏水混凝土的研究較少，于梅[7]基于室內實驗研究，深入對比分析了2種不同超疏水混凝土的制備工藝和力學性質，最后指出，利用“細砂漿+1.5%氟硅烷溶液”浸漬混凝土表面制備的環保型超疏水混凝土綜合性能最佳，其性質能夠在我國水利工程結構施工中推廣應用。田雷等[8]基于國內外現有研究，深入對比分析了不同超疏水性水泥基材料的制備方法和應用可行性，指出(超)疏水水泥基材料具有性能優異、經濟環保的特殊優勢。高英力等[9]利用氟硅烷疏水劑制備了一種新型超疏水性混凝土，并指出該混凝土具有很強的疏水性，接觸角高達159.8°。

綜上所述，現有關于超疏水性混凝土的研究較少，且均存在一定的局限性。本文利用KH- 580型偶聯劑制備了具有超疏水性的水工混凝土，并對其開展了吸水性試驗、抗壓強度試驗以及抗折強度試驗。研究成果為我國水利工程建設提供了一定借鑒作用。

2 試驗設計

2.1 原材料

本次研究室內制備了一種新型偶聯劑改良超疏水混凝土，以有效解決現有水工混凝土抗滲性不強的問題。其中，偶聯劑采用辛基三乙氧基硅烷(KH- 380)為主要原材料制備，該偶聯劑是一種乳白色液體，常用于石材的防水與防護，材料價格低廉，且具有綠色環保的特殊優勢。水泥選用普通硅酸鹽水泥(PO42.5)，粗骨料為再生建筑廢料(粒徑7.5～12mm)，細骨料為河砂(粒徑<0.15mm)。

2.2 試樣制備

為研究超疏水混凝土的工程特性，本次試驗基于現有關于超疏水混凝土工程特性的相關試驗研究[10- 12]，制備了配比設計為水:水泥:河砂:KH- 380偶聯劑=0.95∶1∶1∶0.05的超疏水混凝土以及配比相同的普通混凝土。將上述材料攪拌均勻后放入尺寸為150mm×150mm×150mm的模具中，制備得到150mm3的立方體試件；抗折強度的試驗標準試樣則為40mm×40mm×160mm棱柱體試件。此外，為研究養護時間對超疏水混凝土工程特性的影響，制備了養護齡期分別為3、7、28d的普通混凝土和超疏水混凝土試樣。

2.3 試驗設計

為研究偶聯劑改良超疏水混凝土的綜合工程特性，室內對其展開了3方面的試驗，分別為吸水性試驗和力學試驗(抗壓強度試驗、抗折強度試驗)，見表1。其中，吸水性試驗是對不同浸水時間下混凝土的質量進行稱重，計算其吸水率；抗壓強度試驗和抗折強度試驗則是使用萬能試驗機開展。

表1 試驗設計

3 試驗結果分析

3.1 吸水性分析

吸水性是決定混凝土抗滲能力和抗凍能力的重要指標，基于室內試驗，得到普通混凝土和超疏水混凝土的吸水率隨浸水時間的變化曲線如圖1所示。由圖1可知，隨著浸水時間的不斷增大，普通混凝土和超疏水混凝土的吸水率均逐漸增大；在前5h內混凝土的吸水率曲線增長最快，此后混凝土的吸水率曲線趨于平穩，增長較為緩慢。進一步對比普通混凝土和超疏水混凝土吸水率曲線可以發現，超疏水混凝土的吸水性遠低于普通混凝土。當浸水時間達到120h時，新型偶聯劑改良超疏水混凝土的吸水率僅為3.71%，而此時普通混凝土的吸水率達到9.25%，是超疏水混凝土的2.49倍，這表明超疏水混凝土抗滲性遠高于普通混凝土。

圖1 吸水率曲線

3.2 抗壓強度分析

基于室內立方體抗壓強度試驗，得到超疏水混凝土與普通混凝土(養護時間28d)的應力-應變曲線如圖2所示。由圖2可知，超疏水混凝土和普通混凝土的應力應變曲線特征基本一致，均表現出明顯的脆性特征。然而，在應力加載階段，超疏水混凝土表現出明顯的壓密特征，這表明偶聯劑的加入使得混凝土內部產生了一定范圍的孔隙。

圖2 試樣應力應變曲線(養護齡期28d)

基于不同養護齡期下混凝土的應力應變曲線，得到不同混凝土試件的抗壓強度見表2。由表2可知，隨著養護齡期的不斷增長，普通混凝土和超疏水混凝土的立方體抗壓強度均呈現出不斷增大的變化趨勢。養護齡期為3d的超疏水混凝土強度僅為18.11MPa；當養護時間達到28d時，抗壓強度達到28.67MPa，較養護3d條件下增大58.31%。養護時間越長，則混凝土的承載能力越好。此外，進一步觀察可以發現，養護時間為3d時，普通混凝土和超疏水混凝土之間的強度差為4.32MPa；而當養護時間達到28d時，二者的立方體抗壓強度差僅有2.72MPa。

表2 不同養護齡期下混凝土試件的抗壓強度

3.3 抗折強度分析

基于室內抗折強度試驗，得到不同養護時間條件下普通混凝土和超疏水混凝土的抗折強度見表3。可以看出：相較于普通混凝土，超疏水混凝土的抗折強度有所降低。當養護時間為3d時，超疏水混凝土的抗折強度僅有2.27MPa，而普通混凝的抗折強度則可以達到3.35MPa，超疏水混凝土相對普通混凝土要低32.3%。此外，兩種不同混凝土試件的抗折強度均隨著養護時間的增加而增大，養護時間越長則混凝土的抗折性能越好。

表3 不同養護齡期下混凝土試件的抗折強度

4 結論

(1)超疏水混凝土的吸水性遠低于普通混凝土。當浸水時間達到120h時，新型偶聯劑改良超疏水混凝土的吸水率僅為3.71%，而此時普通混凝土的吸水率達到9.25%，是超疏水混凝土的2.49倍。

(2)超疏水混凝土表現出明顯的壓密特征，隨著養護時間的增長，超疏水混凝土的抗壓強度和抗折強度均逐漸增大。不同養護時間下，超疏水混凝土的抗壓強度和抗折強度均低于普通混凝土，但二者之間差距較小。

(3)本次研究成果為我國水利工程建設提供了一定指導作用，然而本次研究不夠全面，下一步應當考慮不同偶聯劑摻量條件下超疏水混凝土的綜合性能研究。