低含水型地聚合物的物理力學性能研究

王 曾 藍立耿 馬 彬

（桂林電子科技大學建筑與交通工程學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

通常情況下，水泥基材料的耐久性能快速下降總是與水分子的進入相關，這是因為水泥基材料吸附的水分子通過孔洞裂隙滲透到混凝土的內部，會對材料整體結構的穩定性產生極大危害[1]。因此，如何減少水分子對水泥基材料的侵蝕成為提高建筑耐久性能的重要途徑。針對該問題，國內外學者進行了大量研究，丁永剛等[2]對涂覆 SiO2、TiO2和 CaCO3改性環氧樹脂、改性氯化橡膠、改性醇酸磁漆涂層的混凝土進行吸水率、凍融循環試驗，發現ER、CR、AR 涂層混凝土平均吸水率降幅22.8%，有效提高材料的疏水性能。Wang等[3]將聚二甲基硅氧烷作為一種外加劑摻入對水泥砂漿進行疏水改性，發現當PDMS 改性后表面具有超高疏水性，其接觸角為157.3°、滾動角為8.7°，吸水率降低約92.51%，材料的抗侵蝕能力顯著增強。

目前，常用的水泥基材料疏水改性方法主要有2種[4]：表面疏水改性和整體疏水改性。相較于表面疏水改性，整體疏水改性受外界因素影響較小，且在遭受機械破壞后其斷裂面仍能保持良好的疏水性能，具有明顯的優勢。隨著超疏水材料的出現[5]，為混凝土整體疏水改性提供了新的方法。例如石蠟，其斷面水滴接觸角達到152.4±3°，外表面水滴接觸角為108±3°[6]，具有優異的疏水性能，目前常作為超疏水改性材料廣泛應用于工程領域。

本文將以地質聚合物為基體材料，摻入石蠟顆粒，結合烘干、負壓、加熱等工藝，制備低含水型地質聚合物。重點分析水固比、粒徑尺寸、烘干時間對材料疏水性能和力學性能的影響，分別以吸水率、飽和時間和抗壓強度為量化指標，分析試驗結果及其變化規律，優化工藝參數，為疏水型建筑工程材料的制備提供新的思路。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗原材料

試驗采用石蠟的密度約為0.9g/cm3，相變溫度約為54～58℃。本文選用富鈣型地聚合物為基體材料，原材料為偏高嶺土、礦渣和水泥，其化學組成如表1 所示。其中，偏高嶺土的粒度為3000～4000 目，礦渣的粒度為1000～1200目。

表1 原材料的化學組成（單位：%）

1.2 試驗方案設計

結合前期研究[7]，可知水固比和粒徑尺寸能夠有效調控石蠟骨料的分布，當石蠟粒徑和水固比分別為[1.75，2.25]和[0.38，0.40]時骨料分布良好和材料結構穩定性優異，且石蠟的摻量存在閾值為8%。因此，基于前期研究，本文在堿摻量為16%，水玻璃模數為1.4 的條件下制備富鈣型地聚合物，其中偏高領土、礦渣和水泥的含量分別為75%，10%和15%[8]。此外，石蠟的摻量固定為8%，通過調控水固比、石蠟粒徑、烘干時間3個變量設計3 組對照試驗，具體如下：（1）水固比組：石蠟粒徑為2mm，40℃烘干12h，水固比分別設定為0.35、0.39、0.43、0.48、0.51；（2）粒徑組：水固比設定為0.43，40℃烘干 12h、石蠟粒徑分別為 0.5mm、1.0mm、2.0 mm、4.0mm、8.0mm；（3）烘干時間組：水固比設定為0.43，石蠟粒徑為 2mm，40℃烘干時間分別為 6h、9h、12h、15h、18h。

1.3 試樣制備

按照所述低含水型地聚合物材料的組成及配比稱取各原料，將各原料混合攪拌10min 后注入模具，脫模后立即包裹保鮮膜，放入40℃的環境下快速養護1d，取出并在20±5℃室溫條件下放置7d，得到養護后的試樣。

試驗采用烘干處理去除試樣部分水分，以促進石蠟在試塊孔隙中的流動，使其均勻分布于試樣。取養護后的試樣置于溫度為40℃的干燥箱中干燥，充分干燥后取出，并在相對壓力為40kPa 負壓條件下加熱融化石蠟。為確保石蠟充分融化且分布均勻，采用梯度加熱的方法，具體在55℃、60℃、65℃和70℃條件下分別加熱0.2h。

1.4 疏水性能測試

對快速養護7d 的40mm×40mm×40mm 試樣進行吸水率測定。將試樣放入40℃烘箱中干燥24h 后取出，測得其質量m0。將試樣放入水中使其距水面2 mm處，每浸水10min 取出擦干表面稱重。重復n次，第n次試驗稱得質量為mn。若mn- mn-1≤0.1g，判定試樣已經飽和，其中mn-1為試樣前一次稱重的質量。此外，記錄飽和時試樣的質量和飽和所需時間。吸水率通過公式（1）進行計算：

1.5 力學性能測定

采用萬能試驗機對試樣進行力學性能測試，測試參照標準《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》（GB/T 17671-1999）規定進行，其中試樣尺寸為40mm×40mm×40mm。

2 試驗結果與討論

2.1 水固比對試樣疏水性能的影響

圖1 所示為水固比對試樣疏水性能的影響：隨著水固比的增加，吸水率和飽和時間的變化呈相反趨勢，材料的疏水性能隨著水固比的增加先升高后降低；當水固比為0.39時，試樣的疏水性能最優，吸水率為最低值5.60%，飽和時間為最高值190min；然而，當水固比大于0.43時，試樣吸水率變化幅度較小，飽和時間下降明顯，表明此時疏水改性已不能有效降低材料的吸水率。這是由于水固比很大程度上能夠影響材料孔隙率，隨著試樣初始含水量的增加，會形成更大的孔隙網絡[9]，導致石蠟的影響變弱，致使試樣的疏水性能降低。

圖1 水固比對試樣疏水性能的影響

2.2 石蠟粒徑試樣疏水性能的影響

圖2 所示為石蠟粒徑對試樣疏水性能的影響：隨著石蠟粒徑的增大，試樣的吸水率先降低后升高，然而試樣的吸水飽和時間先升高后降低；其中，粒徑為2mm時，試樣的疏水性能最優，較基準組試樣（未加石蠟，0mm）吸水率降低8.1%，且飽和時間延遲了120min；此外，當石蠟粒徑為8mm時，試樣的吸水率反而高于基準組（未加石蠟）。這是由于含8mm石蠟的試樣在加工后所遺留的石蠟孔洞較大，增加了疏水膜薄弱面出現的概率，同時也增加石蠟滲漏的風險，從而影響了試樣整體的疏水性能。

圖2 石蠟粒徑對試樣疏水性能影響

2.3 烘干時間對試樣疏水性能的影響

圖3 所示為烘干時間對試樣疏水性能的影響：隨著烘干時間的增加，試樣的吸水率逐漸降低，飽和時間逐漸增加，且烘干時間為15～18h 間達到峰值；當試樣烘干時間達到15h 時，烘干時間對試樣疏水性能的影響減弱，并且較長的烘干時間會引起材料過度失水和結構損傷破壞[10]，進而影響試樣的各項物理指標。

圖3 烘干時間對試樣疏水性能的影響

2.4 不同參數對試樣力學性能的影響

圖4 所示為不同因素對試樣抗壓強度的影響：水固比、粒徑、烘干時間等變量對試樣抗壓強度的影響明顯，且有一定變化規律。其中，由圖4a 可知，試樣抗壓強度隨水固比的增大先升高后降低，且當水固比為0.43 時試樣抗壓強度達到峰值32.4MPa。此外，增大水固比能改善漿體的流動性[11]，但石蠟骨料在高水固比的基體中會出現上浮現象，聚集在試樣上部使得試樣整體的穩定性降低，從而導致試樣抗壓強度損失嚴重。由圖4b 可知，試樣抗壓強度隨石蠟粒徑的增大而降低，且當石蠟粒徑為8mm 時試樣的抗壓性能最差。這是因為含8mm石蠟的試樣經過熱處理后試樣內部會留下孔洞，這等同于在試樣內部引入缺陷，這些缺陷使試樣整體受力不均，導致其抗壓強度大幅度降低。

由圖4c可知，隨著烘干時間的增加，試樣抗壓強度逐漸降低。其中，當試樣烘干時間為18h 時，其抗壓強度為34.65MPa，相比于烘干9h 試樣的抗壓強度下降1.74MPa。因此，在滿足疏水性能優越的條件下盡量縮短試樣的烘干時間，以保證材料抗壓強度滿足基本力學性能要求。

圖4 不同因素對試樣抗壓強度的影響

3 結束語

以地質聚合物為基體材料，摻入石蠟顆粒，分析水固比、粒徑尺寸、烘干時間對材料疏水性能和力學性能的影響規律，得出的主要結論如下：

（1）石蠟的摻入能有效降低材料的吸水性能，使得材料的疏水性能和抗滲性大幅度提高。隨著水固比的增加，材料的疏水性能先升高后降低。隨著石蠟粒徑的增大，吸水率先降低后升高。隨著烘干時間的增加，吸水率逐漸降低，飽和時間逐漸增加。

（2）水固比、粒徑、烘干時間等變量對于試樣抗壓強度的影響明顯。隨水固比的增大，試樣抗壓強度先升高后降低；隨石蠟粒徑和烘干時間的增加，試樣抗壓強度逐漸降低。

（3）水固比在0.39～0.43 范圍內，石蠟粒徑為2mm，且烘干時間為12～15h 時，低含水型地聚合物的疏水性能和力學性能均最優。