改性水泥基涂料對水工混凝土抗滲性能的影響

楊同文

(山東省調水工程運行維護中心棘洪灘水庫管理站，山東 青島 266109)

0 引言

混凝土是當今使用最廣泛的建筑材料之一。當其長期暴露在惡劣環境中，容易通過腐蝕介質引發一系列物理效應或化學反應而損壞。相關文獻表明，在水環境中，H2O、O2、CO2和氯離子在混凝土腐蝕損傷過程中起著關鍵作用[1]。混凝土的滲透性與其耐久性密切相關。因此，混凝土在水環境中的防水效果好壞與混凝土耐久性能優劣關系尤為密切。混凝土表面成膜涂層通常主要為有機聚合物，如丁苯橡膠、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、環氧樹脂、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇等[2]。但有機涂層對基材的附著力低，抗沖擊性弱，柔韌性差。例如，環氧樹脂涂層對混凝土表面具有很高的附著力，特別處于堿性和鹽性的環境中。但是，當暴露于紫外線環境時，環氧樹脂容易降解和斷鏈[3]。有機硅涂層具有良好的耐化學性和抗滲性，但附著力不足，不耐有機溶劑[4]。因此，高性能、環保的無機涂料，特別是聚合物改性水泥基涂料的開發和應用越來越受到學者的關注。龍慶等[5]研究使用聚合物改性水泥基涂料的混凝土的吸水性、抗滲性和抗氯離子侵蝕性，發現涂層大大降低了混凝土的吸水率和氯離子滲透系數。韓建軍等[6]得出結論，不同涂層材料中摻入少量納米二氧化硅時，成膜復合涂層混凝土的抗氯離子滲透性能最好，對二氧化硅改性后效果更佳。二氧化硅顆粒可以填充涂層的微孔隙，減少孔隙率，增加致密性，并減少吸附水量。同時，由于二氧化硅的高表面活性，生成了更多的C-S-H凝膠，使聚合物改性水泥基涂料的微觀結構更加密實，提高了混凝土對氯離子滲透的抵抗力，降低了混凝土的吸水率[7]。

下文以二氧化硅和聚丙烯酸乳液為主要原料制備高柔性二氧化硅改性水泥基涂料，對其拉伸性能、吸水性能等進行了探索，研究了改性硅涂料對混凝土抗滲性能的影響，以提高混凝土的抗滲性能。

1 材料和實驗

1.1 原材料

聚丙烯酸乳液選用BA-310TS型號，外觀為白色液體，固含量為(55±1)%，pH值為6～8，黏度為2～4Pa·s，Tg值為-25℃，最低成膜溫度低于0℃。二氧化硅粉末的SiO2含量為99.5%，密度為49g/L，比表面積為146m2/g。試驗選用32.5MPa級白色硅酸鹽水泥和45μm細度的滑石粉混合為聚合物改性水泥基涂料。白色硅酸鹽水泥的主要性能如表1所示。

表1 水泥主要性能參數

1.2 試樣制備

1.2.1 二氧化硅改性水泥基涂料

將聚丙烯酸乳液和二氧化硅進行混合。二氧化硅占乳液質量的百分比分別為0%、5%、10%和15%，以轉速1000r/min攪拌15min，成為均勻混合的液體；將水泥和滑石粉以4∶1的比例，均勻混合于二氧化硅-聚丙烯酸乳液，以轉速1000r/min攪拌15min。硅酸鹽水泥用作無機膠結成分，滑石粉被用作填料，以改善涂層的可加工性和均勻性。

1.2.2 混凝土試件

為評估二氧化硅改性水泥基涂料的防水效果，制備了一批強度等級為C30的混凝土砌塊。本研究使用PO42.5R普通硅酸鹽水泥。細骨料采用天然河沙，細度模數為2.7。粗骨料采用碎石，粒徑為5～30mm，比重為2.76，堆積密度為1620kg/m3。混凝土的配合比，見表2。混凝土試塊在23℃的水中養護28d，而后將二氧化硅改性水泥基涂料均勻地涂在混凝土表面，涂層厚(1.5±0.3)mm。

表2 混凝土試件配合比

1.3 試驗方法

根據GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗方法》標準測量二氧化硅改性水泥基涂料的干燥時間。將二氧化硅改性水泥基涂料涂覆在鋁板上，將從涂覆到二氧化硅改性水泥基涂料表面不被手接觸的時間記錄為表面干燥時間。一段時間后，二氧化硅改性水泥基涂料的表面沒有被手觸摸接觸，則將該時間記錄為完全干燥時間。根據GB/T 16777—2008標準，測試了二氧化硅改性水泥基涂料的拉伸性能。將二氧化硅改性水泥基涂料制成I型試件，以200mm/min的速度拉伸，直到樣品斷裂。試件的抗拉強度公式：

(1)

式中，T—抗拉強度，MPa；F—試件的最大拉力，N；B—試件中部寬度，mm；H—試件厚度，mm。

試樣的斷裂伸長率計算公式：

(2)

式中，E0—為斷裂伸長率，%；L1—試樣初始標記之間的距離，mm；L2—試樣斷裂時標記線之間的距離，mm；

按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，進行涂覆有二氧化硅改性水泥基涂料的混凝土的氯離子滲透試驗。

2 結果與討論

2.1 二氧化硅改性水泥基涂料的基本性質

2.1.1吸水率

分析二氧化硅粉末對硬化聚丙烯酸乳液涂層吸水率的影響。結果表明：二氧化硅-聚丙烯酸乳液，添加5%二氧化硅情況下的吸水率最低，添加15%的二氧化硅的吸水率最高。例如，在15h時，未摻加二氧化硅的水泥基涂料的吸水率為8.42%，摻入5%二氧化硅的水泥基涂料的吸水率為7.17%，相較未摻二氧化硅，下降了14.9%。而分別摻入10%、15%二氧化硅的水泥基涂料的吸水率，較未摻二氧化硅分別增加了14.3%和28.65%。研究表明，少量的二氧化硅粉末降低了硬化聚丙烯酸乳液的吸水率。但用量過大時，吸水率顯著增加。當摻量大于5%時，反而容易結塊，會在與涂層表面膜的界面處形成薄弱區域。此外，二氧化硅摻量過大時，乳液中的水分會損失過快，導致許多乳液顆粒沒有時間聚集，乳液的成膜性能降低，微裂紋增加。觀察硬化聚丙烯酸乳液涂層的表面形態，添加5%二氧化硅粉末后，涂層膜的表面光滑，基本無缺陷。但過量的二氧化硅粉末，由于團聚導致涂層膜中出現一些裂紋，使水容易進入，導致吸水率反而顯著增加。

2.1.2 拉伸性能

分析二氧化硅粉末對硬化聚丙烯酸酯乳液涂層拉伸性能的影響。結果表明：二氧化硅改性水泥基涂料的抗拉強度，在二氧化硅含量為5%時最大，為3.62MPa，較未摻加二氧化硅的改性水泥基涂料的抗拉強度增加了63.6%。二氧化硅含量增加到10%時，拉伸強度反而降低至3.04MPa。在二氧化硅含量為15%時，二氧化硅改性水泥基涂料的抗拉強度為2.69MPa，較未摻加涂料的抗拉強度增加了22.7%。二氧化硅粉末對硬化聚丙烯酸酯乳液涂層的斷裂伸長率，隨著硅粉的增加而逐漸減少。二氧化硅含量為5%、10%和15%時，二氧化硅改性水泥基涂料的斷裂伸長率，較未摻二氧化硅的斷裂伸長率分別下降了10.3%、45.5%和55.1%。分析原因，發現二氧化硅粉末表面的基團，導致其與聚合物大分子的極性基團之間有分子間作用力，形成氫鍵，甚至強化學鍵，這有助于在成膜過程中形成交聯網絡結構，增強了界面聯結力。因此，二氧化硅粉末對硬化聚丙烯酸酯乳液涂層拉伸性能起到增加作用[8]。當二氧化硅粉末的含量過多，顆粒會出現團聚現象，導致二氧化硅改性水泥基涂料薄膜厚度增加，拉伸性能降低[9]。綜合分析，表明二氧化硅粉末對硬化聚丙烯酸酯乳液涂層拉伸性能的最佳摻量為5%。二氧化硅粉末的分散程度，對二氧化硅改性水泥基涂料的性能有重要影響。二氧化硅粉末均勻分散于水泥基涂料時，才會對其性能有改善作用。若出現二氧化硅粉末團聚現象，顆粒尺寸反而增加，導致涂層膜中的應力增加。

2.1.3 干燥時間

分析二氧化硅粉末對硬化聚丙烯酸酯乳液涂層干燥時間的影響。結果表明：摻入二氧化硅粉末后，二氧化硅改性水泥基涂料的干燥時間縮短。未摻入二氧化硅的改性水泥基涂層的表面干燥時間和完全干燥時間分別為112min和189min。相比之下，5%含量分數的二氧化硅改性水泥基涂料的表面和完成干燥時間僅為86min和161min，分別減少了23.2%和14.8%。10%含量分數的二氧化硅改性水泥基涂料的表面和完成干燥時間為73min和154min，分別減少了34.8%和18.5%。15%含量分數的二氧化硅改性水泥基涂料的表面和完成干燥時間為54min和132min，分別減少了51.8%和30.2%。綜上，摻入二氧化硅粉末后，二氧化硅改性水泥基涂料的干燥時間有顯著縮短，表面干燥時間縮短效果較完全干燥時間更顯著[10]。

2.2 混凝土氯離子滲透性

混凝土的吸水性和氯離子滲透性在很大程度上影響混凝土的耐久性能。為評估二氧化硅改性水泥基涂料對混凝土滲透性的影響，將二氧化硅改性水泥基涂料，均勻地涂在混凝土表面，進行氯離子滲透性能試驗。結果表明：沒有涂層的普通混凝土的氯離子滲透系數為14.406×10-12m2/s。涂覆未摻二氧化硅的水泥基涂料時，氯離子滲透系數降低了11.1%，改性二氧化硅的改性水泥基涂料添加5%時，氯離子滲透系數降低了21.5%，添加15%改性二氧化硅的改性水泥基涂料的氯離子滲透系數最低，為8.852×10-12m2/s，降低了38.6%。綜上，二氧化硅改性水泥基涂料的涂覆對于混凝土的抗滲性能有顯著提高，隨著二氧化硅含量分數的增加，氯離子滲透系數持續降低，提高混凝土的抗滲性能。

3 結論

研究分析了二氧化硅改性水泥基涂料的吸水率、拉伸性能和干燥時間及二氧化硅改性水泥基材料涂覆混凝土的抗滲性能，得出以下結論。

(1)二氧化硅粉末降低了硬化聚丙烯酸乳液的吸水率，提高了的改性水泥基涂料的抗拉強度，縮短了二氧化硅改性水泥基涂料的干燥時間。

(2)二氧化硅改性水泥基涂料的涂覆顯著提高混凝土的抗滲性能，隨著二氧化硅含量分數的增加，氯離子滲透系數持續降低，提高混凝土的抗滲性能。

(3)研究結果受原材料的性質、施工質量、試驗誤差等影響較大，應用時，建議再次試驗確認。