水泥砂浆外涂有机硅烷防护效果研究

2014-04-26刘杰胜木子佳靓梁超峰余荆城刘辉凯

武汉轻工大学学报 2014年1期

刘杰胜，木子佳靓，冯彪，梁超峰，李祥，余荆城，江凯，刘辉凯

(武汉轻工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430023)

水泥砂浆材料至今已有180多年的历史，被广泛应用于土木、水利与建筑工程，海洋及港口建设工程，交通运输、公路与铁路工程，甚至航空与航天工程等。但近年来，水泥砂浆材料常因防水抗渗性、氯离子抗渗性、抗碳化性等耐久性能不足问题而引起巨大的经济损失。因此，水泥砂浆材料防腐蚀研究尤为重要，水泥砂浆的抗渗防水性、氯离子抗渗性已成为水利、交通、建筑工程上最为关注的热点问题之一。

水泥砂浆在搅拌、浇注、成型过程中剩余水挥发以及干燥收缩后，会在其内部形成各种毛细孔和孔隙，这使得水泥砂浆实际上是一种多组分、非均质的多孔材料。这些大多数为连通开放式的孔隙是造成水泥砂浆渗水的主要原因，而水泥砂浆渗水问题会给水泥砂浆构筑物的耐久性、安全运行等方面带来严重安全隐患。有机硅烷主链是Si-O-Si链组成，具有许多优良的性能，比如:耐氧化、耐候、耐油、抗紫外老化、憎水、耐热、耐寒等性能［1］。本研究采用水泥砂浆外涂烷氧基有机硅烷的方法，系统地研究了外涂有机硅烷对水泥砂浆的防水抗渗性能、抗碳化性能、抗氯离子渗透等性能的改良效果，为烷氧基有机硅烷作为水泥砂浆防护材料实际工程应用奠定一定的基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水泥:普通硅酸盐P.O 32.5水泥。砂:标准砂。有机硅烷:KH560，湖北环宇化工有限公司生产。水泥砂浆的配合比如表1所示。

表1 水泥砂浆配合比 /g

1.2 试验方法

试样涂覆硅烷浸渍剂后，置于温度为(20±2)℃、相对湿度为50%—70%的环境中养护7 d后，进行相关性能测试。作为对比，选用空白样和涂有丙烯酸涂层防护材料的试样进行参比试验。不同处理剂对水泥砂浆表面防护处理如表2所示。

表2 不同处理剂对水泥砂浆表面防护处理

1.3 测试与表征

1.3.1 防水抗渗性能

(1)吸水率:到28 d龄期，将试件放在(80±2)℃的烘箱中干燥48 h后取出，放在干燥器中冷却至室温，迅速称取试件的质量;再把试件浸泡在(20±2)℃的水中48 h后取出，用湿布擦去表面浮水，立即称其质量。

(2)水滴试验:分别选取一定数量的空白样和硅烷防护试样，用滴管在其表面各滴两滴水，试验开始10 min后观察水泥砂浆表面疏水现象做好记录，照片存底，以作对比。

1.3.2 氯离子抗渗试验

(1)氯离子渗透深度:按照配合比成型水泥砂浆进行NaCl浸泡试验(浸泡时间分别为30 d)。标准养护28 d后，从试块浇筑4个侧面中选取一个光整面作为浸透面，其余3个侧面、顶面及底面用石蜡密封，然后浸泡在浓度为2.8 mol的NaCl溶液中，室温保持在(20±2)℃。在达到预定的浸泡时间以后，取出来在室内放置30 d至干燥。将试样沿轴线劈开，取样磨碎，制备水泥砂浆氯离子提取液，采用硝酸银化学滴定法，测定水泥砂浆样品中的氯离子浓度，然后扣除初始氯离子浓度，得到浓度—深度曲线，并用Fick第二定律进行非线性回归，求得水泥砂浆氯离子表观扩散系数［2］。

(2)氯离子扩散系数:氯离子扩散系数如(1)式所示。其中，D—扩散系数;R—气体常数，值为8.314 J·K/mol;F—Faraday常数，值为96 480 J/V;Z—氯离子的电荷数，值为－1;xd—氯离子渗透深度;当E=－600 V/m，T=298 K 时，a=1.061，b=0.589。

1.3.3 抗碳化性能

碳化达到相应龄期后，取出试件，沿中间将其劈成两半，在断面上喷涂1%酚酞溶液，不能显红色的边缘部分即为已碳化部分。测量时在红色区域处取三处，取平均值为深度测量点，精确到0.5 mm。

1.3.4 SEM 扫描电子显微镜

采用日本电子株式会社产JSM一5610LV型扫描电镜(SEM)对养护56 d的空白样试块和加了有机硅的试样的表面进行微观形貌表征。

2 结果与讨论

2.1 抗渗防水试验

水泥砂浆疏水试验结果如图1所示。由图1可看出:有机硅外涂水泥砂浆呈现出较好地疏水效果，即进一步证实了使用有机硅外涂水泥砂浆的防水抗渗性能大大改善了。主要原因基于以下两点:①有机硅外涂水泥砂浆中更多的缝隙和孔洞被硅烷粒子所填充，水分的渗透受到阻碍，使得吸水率降低;②有机硅具有柔顺的主链，且分子间的作用力比碳氢化合物要弱得多，因此，它比同分子量的碳氢化合物黏度低，表面张力弱，表面能小，这种低表面张力和低表面能使它具有良好的疏水作用，因此当水泥砂浆外涂有机硅涂料后，就赋予了有机硅外涂水泥砂浆一定的疏水作用，使得砂浆的抗渗性能提高。

图1 疏水试验结果

水泥砂浆吸水率试验结果如图2所示。由图2可看出:有机硅外涂水泥砂浆较空白样和丙烯酸外涂试样吸水率明显偏低，这是因为水泥砂浆的吸水过程主要是毛细管吸附作用，通过吸收液体来填充水泥砂浆内部的孔隙，因此，吸水性能在很大程度上取决于水泥砂浆本身的微观结构。外涂有机硅使水泥砂浆密实性变强，填充表面缺陷和孔隙。

图2 吸水率试验结果

2.2 抗氯离子渗透试验

氯离子扩散系数试验结果如图3所示，氯离子渗透试验结果如表3所示。由图3和表3可看出:与空白组、丙烯酸组相比，涂有有机硅涂层的砂浆的氯离子扩散系数显著降低，约为空白组的1/4，约为丙烯酸组的1/3;且涂有有机硅涂层的砂浆的平均氯离子渗透深度低，且呈现出良好的抗氯离子渗透效果，即进一步证实了使用有机硅防水砂浆的防水抗渗性能大大改善了。主要原因基于以下两点:①有机硅聚合物改性砂浆表面更多的缝隙和孔洞被聚合物粒子所填充，显著减少表面的泌水，密实堆积在水泥浆基体表面。与空白样相比，孔隙率减少，孔隙率梯度几乎消失，使得氯离子渗透路径受阻［3］;②有机硅的主链十分柔顺，其分子间的作用力比碳氢化合物要弱得多。因此，比同分子量的碳氢化合物(丙烯酸)黏度低、表面张力弱、表面能小、成膜能力强，这种低表面张力和低表面能使它获得疏水、润滑、上光等优异性能，同时也阻止了氯离子溶液对水泥砂浆的进一步渗透。

图3 氯离子扩散系数试验结果

表3 氯离子渗透试验结果

2.3 抗碳化性能试验

抗碳化试验结果如图4所示。水泥砂浆碳化过程可分为两个步骤:第一步是二氧化碳气体扩散到混凝土空隙中;第二步是二氧化碳与水泥砂浆中物质发生反应。很明显，前者是发生碳化腐蚀的前提条件。利用有机硅涂层包裹水泥砂浆的表面，从而形成致密的保护层可以防止二氧化碳气体的扩散［4］。从图4中可以看出，随着养护时间的增加，涂有有机硅涂层的试块的碳化程度明显低于空白组和丙烯酸组，而且碳化深度增长速度明显变慢。其主要原因是有机硅的低表面张力和低表面能使它获得润滑、上光等优异性能，试块表面变得润滑后，外界条件便难以影响到试块内部结构，从而使其抗碳化性能增强。

图4 抗碳化试验结果

2.4 SEM扫描电子显微镜

SEM微观形貌表征如图5所示。由图5可看出:对比空白样试块和外涂硅烷的试块的SEM图片，可以发现空白样水泥砂浆密实性较差，表面粗糙多孔，结构较加了硅烷的试块结构疏松，而外涂硅烷的试块涂料与水泥浆表面粘结紧密，界面区并不明显。其主要原因是有机硅涂料属于致密结构，具有憎水特性，从而影响了水泥水化产物中晶体的生长空间，降低Ca(OH)2取向生长，有纤维状钙硅水(CaSiH2O)凝胶形成，这说明随着水泥水化的进行，有机硅涂料的致密结构对界面层水泥石进行了养护，因而形成加强的界面。从而可以观察到水泥砂浆表面结构致密，有机硅涂料填充着水泥浆表面缺陷和缝隙。