酸碱环境下硅溶胶的长期耐久性研究

江志安 谢 武 崔

(1.中国水电基础局有限公司，天津 301700；2.天津市地基与基础工程企业重点实验室，天津 301700；3.天津大学建筑工程学院，天津 300350)

在水利、建筑、交通等许多领域的工程防渗处理中，注浆是常用且有效的方法[1-5]。然而，随着工业的快速发展，工业污水和废气的排放引起了地下水酸碱程度的变化，注浆浆液长期与具有较强酸碱性的地下水接触后，浆液结石体可能会被侵蚀破坏，从而失去封堵地下水和加固岩土体的作用[6]。在复杂的地质条件下，浆液建立的防渗加固效果，很大程度上取决于注浆材料的抗侵蚀能力，因此，注浆材料的耐久性对工程的长期安全起着重要的作用，国内外研究者也在此方面进行了较多的研究。陈明祥等[7]通过室内浆材性能试验，对拟用于岩溶地层条件下的灌浆材料耐蚀性进行了研究。涂鹏等[8]就水泥基注浆材料抵御海水侵蚀的耐久性试验开展研究，并采用模糊数学的手段来综合评定浆液材料的耐久性能。谌文武等[9]以SH溶液为主剂，粉煤灰、土遗址原生土与生石灰拌和为灌浆材料，通过温湿度循环试验、冻融循环试验和耐碱性试验等，对浆体耐久性进行评价。赵献辉等[10]利用碱渣、粉煤灰和硅酸钠溶液制成新型采空区充填注浆材料，探索该注浆材料的耐酸性和碱性渗出特性。

硅溶胶由悬浮在水中的无定形二氧化硅构成的非常小的球形颗粒组成[11]，颗粒尺寸为5～100nm，硅溶胶具有高渗透性，可以渗透并密封水泥基注浆材料无法到达的空隙。此外，硅溶胶无毒环保，是一种优良的微细孔隙多孔介质绿色注浆材料。目前对硅溶胶浆液耐久性的研究较少[12]，研究酸碱环境下硅溶胶的劣化则更加少见。本研究通过室内硅溶胶质量、体积、抗压强度、溶脱率试验，研究了其在酸碱环境中的耐久性，为其在工程注浆领域中更好地应用提供了理论依据。

1 试样制备与试验方法

硅溶胶是纳米二氧化硅胶体微粒在水溶液中均匀扩散而形成的一种胶体溶液[13]。硅溶胶具有比表面积大、耐火隔热性高、分散性高、抗氧化性和高吸附性等诸多优良性能，且原料来源广泛、生产工艺简单，因而逐渐发展成为一种重要的无机高分子原料，并已广泛应用于涂料[14]、工程灌浆[15]及纺织[16]等领域。

1.1 试样制备

试样的制备过程见图1。

图1 硅溶胶制备过程

a.在模具内部涂一层脱模油，用透明胶带封堵模具孔，防止浆液漏出。

b.将硅溶胶A、B液按1 ∶1进行配比，充分搅拌。

c.把配制好的浆液一次性倒入涂好油的模具中，倒浆的同时用玻璃棒搅拌，防止产生气泡。

d.在室内(20±5)℃温度环境下静置两天，然后拆模，对试样进行编号。

e.将脱模后的硅溶胶凝胶体分别浸泡在pH=7的蒸馏水、pH=3的盐酸溶液和pH=11的氢氧化钠溶液中，保证试块间距不小于10mm，养护过程中每天检测溶液中pH值的变化，若上下浮动超过0.5则及时添加盐酸或氢氧化钠溶液维持溶液酸碱度。

f.待养护3天、7天、14天、28天后，将试块取出擦净，测试其质量、体积、抗压强度、溶脱率。

1.2 试验方法及内容

表示硅溶胶耐久性程度的重要指标是硅溶胶淋溶的凝胶收缩和伴随其脱水收缩的离浆现象。耐久性主要影响因素为二氧化硅的淋溶量和凝胶收缩，其他表现为质量变化、强度变化等。因此，本试验通过质量、体积、抗压强度、SiO2溶脱率等指标来研究硅溶胶的耐久性。本试验采用3个平行试样进行测试，结果取平均值。

1.2.1 质量、体积测试

分别使用电子天平和排水法定期测定放置在蒸馏水和酸碱溶液中的凝胶体的质量和体积，计算凝胶体养护3天、7天、14天、28天时的质量、体积损失。

1.2.2 抗压强度测试

抗压强度使用图2所示的试验机进行测试，该试验机可对各种金属、非金属及复合材料进行力学性能测试和分析研究，主要技术指标见表1。使用该试验机测试凝胶体3天、7天、14天、28天的抗压强度，凝胶体抗压强度按式(1)计算：

(1)

式中：σ为抗压强度，kPa；P为破坏荷载，N；A为试样承压面积，mm2。

图2 试验机

表1 电子式万能材料试验机主要技术指标

1.2.3 SiO2溶脱率测试

二氧化硅溶出按照《二氧化硅(可溶性)的测定(硅钼黄分光光度法)》(SL 91.1—1994)硅钼黄法进行测试，二氧化硅溶脱率用溶液中所溶脱出二氧化硅的含量与凝胶体初始二氧化硅含量的比值来表示，使用如图3所示的分光光度计测试凝胶体1天、3天、7天、14天、28天的二氧化硅溶出量。

图3 硅钼黄法测可溶性二氧化硅

2 试验结果与讨论

2.1 质量损失

硅溶胶凝胶体在不同pH环境中质量随龄期变化情况见表2和图4。从图中可以看出，在不同pH环境中，硅溶胶凝胶体的质量损失率随龄期的增加而逐渐增大。其中，在pH=7的中性环境中，凝胶体养护28天后的质量损失率最小，为0.71%；在pH=11的碱性环境中，质量损失率最大，为1.57%；在pH=3的酸性环境中，质量损失率为1.18%。

表2 不同pH值环境中质量变化

图4 不同pH值环境中的质量损失率

2.2 体积损失

硅溶胶凝胶体在不同pH环境中体积随龄期变化情况见表3和图5。从图中可以看出，在不同pH环境中，硅溶胶凝胶体的体积损失率随龄期的增加而逐渐增大。其中，在pH=7的中性环境中，凝胶体养护28天后的体积损失率最小，为0.66%；在pH=11的碱性环境中，体积损失率最大，为1.31%；在pH=3的酸性环境中，体积损失率为0.98%。

表3 不同pH值环境中体积变化

图5 不同pH值环境中的体积损失率

2.3 抗压强度损失

硅溶胶凝胶体在pH=3、7、11溶液中的抗压强度随龄期变化情况见表4和图6。从图中可以看出，硅溶胶浆液形成的凝胶体的抗压强度随时间逐渐增加，随后增长速度放缓且趋于稳定。养护28天后，在pH=11的碱性环境中抗压强度最低，为95.5kPa；在pH=7的中性环境中抗压强度最高，为131.6kPa；在pH=3的酸性环境中抗压强度为118.2kPa。可以看出，硅溶胶凝胶体在碱性环境中抗压强度衰退较为明显，而在酸性环境中强度稍稍降低。

表4 不同pH值环境中抗压强度变化

图6 不同pH值环境中的抗压强度变化

2.4 二氧化硅溶脱率

表5和图7为不同酸碱条件下凝胶体的溶脱率变化，从图中可以看出，硅溶胶凝胶体的溶脱率随龄期逐渐增加后，增长速度放缓且趋于稳定。养护28天后，在pH=7的中性环境中溶脱率最低，为0.055%；在pH=11的碱性环境中溶脱率最高，为0.113%；在pH=3的酸性环境中溶脱率为0.084%。

表5 酸碱环境中SiO2溶脱率变化

图7 酸碱环境中SiO2溶脱率变化

从凝胶体质量、体积、抗压强度、溶脱率随龄期变化的结果看，硅溶胶凝胶体在pH=3的酸性环境中损失非常小，与pH=7的蒸馏水中养护的凝胶体区别不明显，而在pH=11的碱性环境中，凝胶体的损失比中性和酸性环境都大。由此说明硅溶胶凝胶体在酸性环境中具有良好的稳定性，而在碱性环境中的稳定性稍差。

3 结 论

通过室内试验，对硅溶胶在酸碱环境中的耐久性展开研究，得到以下结论：

a.无论是在酸性还是碱性环境中，硅溶胶凝胶体的质量损失率、体积损失率、抗压强度、溶脱率均随龄期的增加而逐渐增大。

b.在pH=3的酸性环境中，凝胶体养护28天后的质量损失率为0.71%，体积损失率为0.66%，抗压强度为118.2kPa，溶脱率为0.084%，硅溶胶凝胶体在pH=3的酸性环境中损失非常小，与pH=7的蒸馏水中养护的凝胶体区别不明显，说明硅溶胶凝胶体在酸性环境中具有良好的稳定性。

c.在pH=11的碱性环境中，凝胶体养护28天后的质量损失率为1.57%，体积损失率为1.31%，抗压强度为95.5kPa，溶脱率为0.113%。凝胶体的损失比中性和酸性环境都大，说明在碱性环境中硅溶胶的稳定性稍差。