疏水表面水泥基材料性能試驗(yàn)研究

王國(guó)璇, 周俊暉, 趙亞飛, 楊文成, 胡啟焜, 徐 薇

[中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083]

0 引 言

以水泥作為膠凝物質(zhì)的水泥基材料是當(dāng)今世界上使用最為廣泛的工程材料,具有可塑性好、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、抗壓強(qiáng)度高等特性。然而,水泥基材料的多孔性和親水性使得材料在潮濕的環(huán)境下容易受水和侵蝕性離子的侵蝕導(dǎo)致材料被破壞[1],因此水泥基材料的質(zhì)量除要滿足一定的強(qiáng)度外,還應(yīng)具備與工程環(huán)境相適應(yīng)的耐久性。硅烷類材料在水泥基材料耐久性提升方面的應(yīng)用較為廣泛,現(xiàn)有使用方法之一是將硅烷作為外加劑使用[2],硅烷在水泥漿體提供的堿性環(huán)境下水解,水解生成的中間體會(huì)與水泥水化產(chǎn)物中的羥基發(fā)生縮合反應(yīng),硅烷進(jìn)而將其自身的疏水基團(tuán)連接到水泥基材料上,實(shí)現(xiàn)材料親水性向(超)疏水性的轉(zhuǎn)變[3,4]。相關(guān)研究表明,硅烷外加劑對(duì)水泥基材料防水性和抗?jié)B性的提升效果較好[5,6],但如果添加不當(dāng)會(huì)造成不利影響。姜偉峰等[7]研究了不同硅烷-硅溶膠對(duì)水泥砂漿凝結(jié)時(shí)間和力學(xué)性能的影響,研究表明,硅烷-硅溶膠均會(huì)明顯延長(zhǎng)砂漿的凝結(jié)時(shí)間,降低砂漿的抗壓和抗折強(qiáng)度,但隨著雜化比的提高,抗壓和抗折強(qiáng)度有所上升。喻建偉等[8]研究表明,硅烷乳液的摻入降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度,在高水灰比下降低作用更為顯著。徐士林等[9]認(rèn)為硅烷復(fù)合乳液主要降低砂漿的早期力學(xué)性能,摻量應(yīng)控制在水泥質(zhì)量的3%以內(nèi)。馬志鳴等[10]研究發(fā)現(xiàn),摻加硅烷防水混凝土雖然具有較好的抵抗水分滲入的能力,但其抗凍性能減弱,且硅烷摻量越大,混凝土的抗凍性能越差。針對(duì)上述問(wèn)題,為避免硅烷對(duì)水泥基材料水化過(guò)程、力學(xué)性能及耐久性產(chǎn)生的不良影響,本文制備的疏水表面水泥基材料將摻加硅烷砂漿涂覆在普通水泥基材料表面并進(jìn)行粗糙表面構(gòu)筑,疏水表面材料部分僅作為涂層使用,研究了材料的表面潤(rùn)濕性、吸水性和抗凍性,旨在為潮濕、寒冷地區(qū)的水泥基材料應(yīng)用提供一定的參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用金隅牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,其化學(xué)成分見(jiàn)表1。硅灰為江蘇匯豐新材料公司生產(chǎn),平均粒徑為0.10～0.15 μm,比表面積為15～27 m2/g。石英砂購(gòu)于秦皇島海港石英砂廠,選用20～40目和40～70目粗、細(xì)兩種顆粒,粗顆粒和細(xì)顆粒按照2∶1的質(zhì)量比均勻混合備用。拌和溶液由硅烷乳液與自來(lái)水按一定比例復(fù)配后用磁力攪拌器充分?jǐn)嚢柚频?混合后溶液密度為1 012.5 kg/m3。硅烷乳液為南京鼎雄公司生產(chǎn)的有機(jī)硅低分子防水劑,有效成分含量約為40%。減水劑為江蘇蘇博特新材料公司生產(chǎn)的高效聚羧酸減水劑。

表1 P·O 42.5普通硅酸水泥的化學(xué)成分

1.2 試樣制備

疏水表面水泥基材料試樣制備參考了江雷院士提出的“二元協(xié)同作用原則”[11],分為低表面能水泥砂漿制備和微納米級(jí)粗糙表面處理兩部分。試驗(yàn)首先制備了水灰比分別為0.45和0.50的兩種普通水泥基材料試樣,作為疏水表面水泥基材料的基底和對(duì)照組使用,試樣尺寸為70.7 mm× 70.7 mm× 70.7 mm,如圖1所示。

圖1 水泥基材料試樣制備

硅烷具有極低的表面能,通常使用硅烷類材料與水泥基材料相結(jié)合來(lái)降低固體的表面能[12]。首先將水泥、5%水泥質(zhì)量的硅灰、砂膠比為0.8的石英砂干拌均勻,再將拌和溶液按照0.2的水膠比全部加入,攪拌2 min后加入減水劑,減水劑質(zhì)量為膠凝材料總質(zhì)量的2%,充分?jǐn)嚢韬蟮玫降捅砻婺苌皾{。粗糙表面的構(gòu)筑使用金屬網(wǎng)覆刻的方法[3,4,13],把新拌和的低表面能砂漿均勻涂覆在齡期為14 d的普通材料表面,將砂漿抹平后覆蓋一層不銹鋼網(wǎng),待砂漿硬化后揭掉不銹鋼網(wǎng)。制備完成的試樣如圖1所示,涂覆在普通材料表面的砂漿因金屬網(wǎng)的覆蓋形成了清晰的刻痕,涂層厚度為2～3 mm。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 表面潤(rùn)濕性

測(cè)試使用KINO SL200KS自動(dòng)型接觸角測(cè)量?jī)x,將5 μL蒸餾水滴在干燥的水泥基材料表面,通過(guò)測(cè)定接觸角的大小反應(yīng)材料表面的潤(rùn)濕性。

1.3.2 吸水性

測(cè)試首先在105 ℃的環(huán)境下將試樣烘干至恒重,待試樣冷卻至室溫后稱量干燥狀態(tài)質(zhì)量;隨后將試樣浸沒(méi)在水中,浸泡60 h后立即取出并用抹布將試樣表面擦干,稱量試樣質(zhì)量記為飽和狀態(tài)質(zhì)量。利用飽和狀態(tài)質(zhì)量和干燥狀態(tài)質(zhì)量根據(jù)下式來(lái)計(jì)算材料的吸水率。

(1)

式中:WR為試塊吸水率,%;m1為烘干至恒重時(shí)試塊的質(zhì)量,g;m2為各個(gè)時(shí)刻下試塊吸水后的質(zhì)量,g。

1.3.3 抗凍性

測(cè)試參考了《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009),通過(guò)測(cè)定試樣的抗壓強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率來(lái)判斷材料的抗凍能力。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面潤(rùn)濕性

水泥基材料表面滴水效果測(cè)試結(jié)果如圖2所示。普通水泥基材料中存在大量的羥基而具有極強(qiáng)的親水性,因此滴水后水會(huì)迅速平鋪、攤開(kāi)在材料表面。疏水表面水泥基材料表面上的水呈水滴狀,接觸角大小為143°～147°。根據(jù)已有研究[14],將接觸角大于90°的材料表面定義為疏水表面,故經(jīng)過(guò)低表面能砂漿涂覆和粗糙表面構(gòu)筑的水泥基材料表面達(dá)到了疏水性。

圖2 水泥基材料表面滴水效果測(cè)試

2.2 吸水性

水泥基材料吸水率測(cè)試結(jié)果如圖3所示。浸水60 h后,四種材料均達(dá)到了飽和狀態(tài),其中水灰比0.45普通水泥基材料吸水率達(dá)12.3%、疏水表面水泥基材料達(dá)8.7%,疏水表面材料的吸水率為普通材料的70.7%;水灰比0.50普通水泥基材料吸水率達(dá)14.2%、疏水表面水泥基材料達(dá)7.7%,疏水表面材料的吸水率為普通材料的54.2%。

圖3 水泥基材料吸水性測(cè)試

疏水表面水泥基材料的吸水性弱,主要是因?yàn)槠浔砻婢哂形⒓{米級(jí)的粗糙結(jié)構(gòu),以及硅烷乳液的添加使得材料表面能降低,材料表面具備了較優(yōu)的疏水性。當(dāng)水與該表面接觸時(shí),粗糙結(jié)構(gòu)將存住部分空氣,在水滴與固體表面之間形成一層空氣膜,使得水滴與表面的接觸面積很小,此時(shí)形成了固-氣-液三相復(fù)合接觸狀態(tài),而對(duì)于普通水泥基材料而言,水與材料表面直接接觸,呈現(xiàn)為固-液接觸狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明,疏水表面水泥基材料的飽和吸水率約為普通水泥基材料的60%左右,這表明疏水砂漿涂層可有效阻止水分進(jìn)入水泥基材料內(nèi)部,避免水分及侵蝕性離子對(duì)材料造成破壞。

2.3 抗凍性

圖4為普通水泥基材料和疏水表面水泥基材料的質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況。第75次凍融循環(huán)結(jié)束,普通材料表面出現(xiàn)明顯的起砂和表層脫落現(xiàn)象,導(dǎo)致質(zhì)量驟減,如圖5(a)～圖5(c)所示。此后質(zhì)量損失率隨著凍融次數(shù)的增加而快速增長(zhǎng),凍融125次時(shí)水灰比0.45和0.50材料分別達(dá)到2.50%和2.36%。疏水表面材料的質(zhì)量損失率呈負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì),125次凍融后水灰比0.45和0.50材料的質(zhì)量損失率分別為-2.37%和-1.55%,這主要是因?yàn)槭杷皾{涂層在凍融循環(huán)的作用下發(fā)生破壞,水透過(guò)疏水層后滲入普通水泥基材料內(nèi)部導(dǎo)致試樣的質(zhì)量隨凍融次數(shù)的增加而增加。

圖4 水泥基材料凍融循環(huán)過(guò)程中質(zhì)量損失率變化

圖5 水泥基材料凍融循環(huán)外觀變化

圖6為普通水泥基材料和疏水表面水泥基材料的抗壓強(qiáng)度損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化。結(jié)果顯示,所有材料一經(jīng)凍融循環(huán)其強(qiáng)度均體現(xiàn)出不同程度的下降趨勢(shì),說(shuō)明在負(fù)溫環(huán)境下材料內(nèi)水分結(jié)冰造成了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劣化。經(jīng)過(guò)75次凍融循環(huán)作用后,水灰比0.45和0.50疏水表面材料的損失率達(dá)12.5%和17.9%,水灰比0.45和0.50普通材料的損失率達(dá)24.3%和33.6%,疏水表面材料的強(qiáng)度損失率明顯小于普通材料,但二者的損失率均小于凍融前抗壓強(qiáng)度的35%,材料仍具備一定的承載能力。經(jīng)繼續(xù)凍融后發(fā)現(xiàn),100次凍融循環(huán)時(shí)水灰比0.50的普通材料損失率高達(dá)69.6%,超過(guò)了初始抗壓強(qiáng)度的一半,故認(rèn)為此時(shí)材料發(fā)生了破壞;而水灰比0.45普通材料由于水灰比較小的原因,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密,最終在125次凍融時(shí)損失率達(dá)到56.9%,發(fā)生凍融循環(huán)破壞。疏水表面材料在125次凍融時(shí),水灰比0.45和0.50材料的強(qiáng)度損失率分別為30.4%和24.7%,凍融破壞程度較小。

圖6 水泥基材料凍融循環(huán)過(guò)程中抗壓強(qiáng)度損失率變化

本研究制備的疏水表面水泥基材料呈現(xiàn)了良好的抗凍效果,抗凍性能提高的根本原因是其自身吸水性降低。吸水率試驗(yàn)的結(jié)果指出,疏水表面材料的飽和吸水率相比于普通材料降低了40%左右,疏水涂層下普通材料內(nèi)部孔隙的含水率小,同時(shí)涂層延緩了水分的滲入速度,使得作用在材料內(nèi)部的靜水壓和滲透壓在凍融開(kāi)始后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)小于發(fā)生破壞的臨界值,因此不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生破壞。但隨著材料周圍水壓以及冰層壓力的作用,疏水砂漿涂層會(huì)逐漸脹裂失效,水分的滲入深度增加,最終會(huì)穿過(guò)疏水涂層,導(dǎo)致內(nèi)部普通材料開(kāi)始快速吸水,多次凍融循環(huán)后,破壞損傷逐漸累加,最終也會(huì)出現(xiàn)和普通材料相同的破壞現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

(1) 本研究結(jié)合“二元作用原則”,通過(guò)將低表面能的摻加硅烷砂漿涂覆在普通水泥基材料表面并利用金屬網(wǎng)覆刻出粗糙結(jié)構(gòu)的方法,成功制備出表面接觸角為143°～147°的疏水表面水泥基材料。

(2) 疏水表面水泥基材料的吸水率較普通水泥基材料降低約40%,具有較優(yōu)的防止水分滲透的能力。

(3) 疏水表面水泥基材料的抗凍性較優(yōu),水灰比0.45和0.50材料125次凍融循環(huán)時(shí)強(qiáng)度損失率僅為30.4%和24.7%,而普通材料分別在100次和125次凍融循環(huán)后其強(qiáng)度損失率超過(guò)初始抗壓強(qiáng)度的50%,發(fā)生了嚴(yán)重的凍融破壞。抗凍性提升的根本原因是疏水表面材料的吸水性較低。