疏水性納米二氧化硅改性涂層對砂漿性能的影響研究

摘 要：利用涂層技術對水泥基材料進行表面防護是一種有效提升其耐久性的方式。本文主要研究了利用疏水性納米二氧化硅改性涂層對砂漿表面防水性能、微觀形貌及強度的影響規(guī)律。結果表明：疏水性納米二氧化硅改性涂層增大了砂漿表面的接觸角，顯著降低了其吸水率，呈現(xiàn)良好的疏水性能。納米二氧化硅促進了砂漿表面的水化反應，密實結構，增強了表面強度。

關鍵詞：疏水性納米二氧化硅；涂層；防水性能；微觀形貌文章編號：2095-4085（2024）09-0236-03

0 引言

水泥基材料呈現(xiàn)多孔結構，有一定的滲透性，其耐久性能與外界有害離子的侵入息息相關，水、氯離子等隨水分遷移進入水泥基材料內部，發(fā)生一系列反應，引起鋼筋銹蝕、強度下降等問題，如何進行表面的有效防護是水泥基材料亟需解決的難題之一。

目前，利用表面涂層處理是保護水泥基材料的一種重要方法，受到廣泛關注。傳統(tǒng)的防護涂層有環(huán)氧涂層、聚氨酯涂層、氟碳類涂層和丙烯酸樹脂涂層等［1］。近年來，科研人員相繼研發(fā)了一些新的涂層，如納米改性成膜復合涂層、仿生滲透型防護涂層等［2］。雖然這些涂層可以顯著提高水泥基材料的防水抗?jié)B能力，但在溫度、光照等環(huán)境綜合作用下，大部分涂層會發(fā)生變色、粉化、脫落等老化現(xiàn)象，增加了后期維護成本。

納米二氧化硅是一種在混凝土中廣泛使用的火山灰材料，利用其對涂層進行改性可以提高涂層表面的粗糙度。此外，研發(fā)發(fā)現(xiàn)納米二氧化硅還可以緩解紫外線對有機涂層的損傷，提高抗碳化能力［3］。劉馨利用納米二氧化硅改性涂層制備得到了一種噴涂型超疏水防護劑［4］；王晗提高了納米二氧化硅的疏水性，制備得到了防護效果良好的硅溶膠［5］。上述綜述表明：納米二氧化硅可以有效改善傳統(tǒng)涂層的防護性能，但由于其親水特性，制約了在涂層中的廣泛應用。

本文選用疏水性納米二氧化硅對有機硅防護劑進行改性，研究了其對砂漿接觸角、表面強度、微觀形貌及吸水率的影響規(guī)律，探明了納米二氧化硅防護砂漿的作用機理。本文為水泥基材料的表面防護提供了一種新的涂層改性方法。

1 試驗部分

1.1 原材料

疏水性納米二氧化硅的基本性能如下：純度99%，比表面積高于180m2/g，粒徑15nm；微觀形貌如圖一所示?；w砂漿采用PO425水泥、標準砂和水制備得到，水泥∶標準砂∶水的比例為450g∶1 350g∶225g，養(yǎng)護28d。有機硅疏水防護劑購買自北京中金凱技術有限公司，白色粘稠液體。

1.2 疏水性納米二氧化硅改性涂層的制備

稱取有機硅疏水防護劑置于磁力攪拌器上，然后將不同摻量的疏水性納米二氧化硅（防護劑重量的0%、2%、4%、6%）分別加入，在室溫下連續(xù)攪拌4h，在冰浴條件下超聲處理60min，制得疏水性納米二氧化硅改性涂層。將涂層均勻涂覆在砂漿表面即可。

1.3 試驗方法

砂漿表面的接觸角通過JC2000D3A接觸角測量儀進行測量；利用里氏硬度計對砂漿試塊表面進行強度測定；表面微觀結構通過TESCAN MIRA4掃描電鏡進行觀察得到；吸水率測試依據(jù)文獻中的方法進行［6］。

2 結果與分析

2.1 疏水性納米二氧化硅改性涂層對砂漿表面性能的影響

不同摻量的疏水性納米二氧化硅改性涂層對砂漿試塊接觸角和表面強度的影響如圖2所示。從圖中可知，對照組涂層的接觸角為46.15°，表現(xiàn)為親水特性。當疏水性納米二氧化硅摻加到涂層時，隨納米二氧化硅摻量增加，砂漿表面的接觸角逐漸增大，在109°～126°的范圍內，均大于90°，呈現(xiàn)典型的疏水特性。一般根據(jù)接觸角的大小，材料可劃分為親水性（lt;90°）、疏水性（gt;90°）、超疏水性（gt;120°）?；谒嗷w長期耐久性的考慮，接觸角越大，疏水性越好，服役周期越長。當納米二氧化硅摻量達到6%時，砂漿表面呈現(xiàn)超疏水特征，表明改性涂層對砂漿起到了良好的防水效果，可有效阻礙外界有害介質的侵入。

圖2展示了納米二氧化硅改性涂層對砂漿表面強度的影響。由圖可知，砂漿表面強度隨納米二氧化硅摻量的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，當摻量為4%時，表面強度最優(yōu)，相比對照組，提高了14%。這主要是由于納米二氧化硅對水泥基體的增強效應引起的。一方面納米二氧化硅可以發(fā)揮晶核效應，促進水化反應的進行。另一方面可以與氫氧化鈣反應生成C-S-H凝膠，具有較高的火山灰反應活性。此外，納米二氧化硅的填充作用可以細化水泥基體的孔結構，改善微觀形貌。

2.2 疏水性納米二氧化硅改性涂層對砂漿微觀形貌的影響

圖3為養(yǎng)護齡期28d時砂漿試塊表面的微觀形貌圖。從圖中可以看出，對照組的砂漿表面較為稀疏，空洞較多，水化產(chǎn)物呈現(xiàn)片狀結構，而涂刷納米二氧化硅改性涂層的砂漿表面結構密實，無定形的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠較多，這從側面證實了納米二氧化硅促進了水化反應的進行。此外，砂漿表面的微觀形貌也解釋了其表面強度的變化，對照組結構松散，表面強度較低，采用納米二氧化硅改性后水化產(chǎn)物堆積密集，強度表現(xiàn)高。

2.3 疏水性納米二氧化硅改性涂層對砂漿吸水率的影響

不同摻量的疏水性納米二氧化硅改性涂層對養(yǎng)護28d砂漿試塊吸水率的影響如圖4所示。從圖中可以看出，隨時間延長，砂漿試塊吸水率初期迅速上升，然后緩慢增加，表明砂漿初始快速吸水，達到一定程度后由于曲折孔隙結構的原因導致吸水速度有所下降。此外，隨納米二氧化硅摻量增加，砂漿吸水率在同時間段內逐漸下降，當納米二氧化硅摻量為6%時，100min時的吸水率相比對照組下降了約2%。進一步分析可得，摻加納米二氧化硅涂層的砂漿在前40min達到快速吸水后，后續(xù)的吸水速率明顯比對照組速率要低，表明納米二氧化硅改性涂層對砂漿有更好的防水效果。

3 結論

（1）疏水性納米二氧化硅改性涂層增大了砂漿表面的接觸角，從46°提高至109°-126°的范圍內，砂漿試塊的吸水率明顯降低，最大幅度達50%，表現(xiàn)出良好的疏水性能。

（2）疏水性納米二氧化硅促進了砂漿表面的水化反應，密實其微觀結構，增強了砂漿的表面強度，4%摻量的納米二氧化硅可提高表面強度14%。

參考文獻：

［1］韓東曉，侯勁松，苗夫傳，等.氟改性丙烯酸酯共聚物的制備及其涂層表面疏水性能［J］.中國表面工程，2020，33（5）：18-29.

［2］孟涵敬，羅州，劉俐.水工混凝土防護涂層研究進展［J］.混凝土與水泥制品，2024（5）：37-41.

［3］LI G，HU W，CUI H，et al.Long-term effectiveness of carbonation resistance of concrete treated with nano-SiO2 modified polymer coatings［J］. Construction and Building Materials，2019（201）：623-630.

［4］劉馨.納米二氧化硅-復合微球的制備及混凝土表面疏水防護研究［D］.蘭州：蘭州交通大學，2017.

［5］王晗.納米改性聚合物/硫鋁酸鹽水泥基復合涂層的研究［D］.濟南：濟南大學，2018.

［6］閆東，劉浩博，張鳳翔，等.VAE乳膠粉與偏高嶺土聚合物改性防水砂漿性能研究［J］.信陽師范學院學報（自然科學版），2023-12-18（網(wǎng)絡首發(fā)）.