基于“荷叶效应”的抗蚀、耐久混凝土超疏水防护层

冉蕾　汪慧颖　刘浩

摘 要：我国沿海地区的构筑物过早侵蚀破坏的例子很多，特别是上世纪80年代前建成的沿海构筑物，使用不到10年其中50%就发生破坏。按现行我国规范和标准设计施工的海洋混凝土构筑物的服役寿命难以满足50年以上，其实际服役寿命只有约30年。我们通过观察荷叶表层膜的疏水性效应受到启发，在混凝土表面创造类似于荷叶表面的纳微米结构，使水珠不能侵入混凝土内部。

关键词：基材的透气性；阻止对水的毛细吸收；渗透进内部形成膜；更薄，更环保，稳定性也更强

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.088

1 硅烷超疏水防护层的作用机理和可行性

（1）通过硅溶胶加助剂涂刷在混凝土表面后，形成纳微级粗糙表面，在涂刷硅烷，让混凝土表面形成一层憎水膜。

（2）混凝土表面有许多毛细孔，硅烷是小分子物质，可以比较容易渗透进入毛细孔，在孔的内壁形成一层憎水膜，使混凝土的内部空隙也能都疏水。

（3）混凝土超疏水防护膜能够在常规条件下进行，即使是条件艰苦的工地上也能加工。不需要其他的外部条件也能够表现出超疏水的效果。

（4）超疏水防护膜能够牢固附着在混凝土上。反应方程如下：

Ca（OH）2+Na2Sio3→CaSio3↓+NaOH

Sio2·nH2o+nSiH4→Sio2·SiH4+H2o

2 硅烷超疏水防护层的创新和优势

（1）超疏水膜以与荷叶表层膜类似的特性隔绝了水以及被水溶解的氯离子、硫酸根离子等有害离子，这有效的降低了自然界对混凝土的侵蚀，大大提高了混凝土的使用寿命。

（2）相比市面上现有的涂层，一般干膜厚度为50—200um，但是该膜涂层最后的厚度低至100nm。并且现有的涂层许多都是大分子结构，涂刷混凝土表面后只附着于表面不能渗透进去，涂覆于混凝土表面后，堵住了混凝土的孔洞来防止水及其有害离子的入侵。但是这样易脱落使用寿命不长，有很大的缺陷。超疏水膜则是渗入扩散到内部形成膜，这就大大的增强了其疏水效果且延长了使用寿命，同时不会堵塞混凝土的毛细孔，从而不会影响混凝土的透气性，提高混凝土的抗渗能力。

（3）该膜易于施工，对操作要求不高，可以在工地上得到广泛的应用。

（4）薄膜的厚度比现有市面上的更薄，所以成本也就更低，更易接受。

3 硅烷超疏水防护层的科学理论依据

（1）达到超疏水效果必须要有纳米和微米的粗糙表面和表面疏水两个条件。而且超疏水防护膜据有较低的表面能，水在防护膜表面只能以球状小水滴的形式存在。

（2）溶液与混凝土的接触角大于90°時为疏水，大于150°时为超疏水。硅烷涂层在硅酸盐基材表面和毛细孔内壁形成憎水薄膜，使得基材表面的性质发生变化，进而阻止毛细孔对水的毛细吸收作用，达到防水和提高混凝土耐久性的目的。

（3）极性化合物在水中的溶解度非常小，与水混合时会形成互不相溶的两相，即非极性分子有离开水相进入非极性相的趋势，即所谓的疏水性，非极性溶质与水溶剂的相互作用则称为疏水效应。而具有腐蚀性的离子都溶解在水中，由于硅烷形成的疏水膜作用，隔断水载离子与混凝土接触 ，从而达到防护效果。

4 实验对比

4.1 不涂刷防水剂

很明显混凝土的极性表面与水滴接触良好，水滴充分铺展在混凝土的表面，混凝土表现出较强的亲水性。混凝土表面有许多微小的孔洞，由于毛细现象混凝土会将水分子吸入孔洞，水分也借机从连通孔渗透到混凝土内部。各种有害离子（氯离子、硫酸根离子等）就会借机进入混凝土内部，而且混凝土内部本身也有许多有害离子，大量水分的进入为有害离子与混凝土的有效成分反应提供了溶液的环境，从而大大降低混凝土的耐久性。

4.2 涂刷新型涂层（硅溶胶5g+十八烷基三甲基溴化铵0.027g（2%的硅溶胶质量）+乙醇10g）

十六烷基三甲氧基硅烷水解后，成为了具有3个官能度的十六烷基硅醇，也就是具有了三个端羟基。硅烷首先与水发生水解反应脱去醇，形成三维交联有机硅树脂，该结构具有网状立体构象。然后十六烷基三甲氧基硅烷的水解缩聚产物接在具有四个官能度的正硅酸醇。在一定条件下， 建材表面的硅羟基与有机硅膜中的硅羟基发生缩合反应， 形成化学键， 使有机硅膜牢固地附着在建材制品表面，具有更强的防水效果。

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