有机硅防水剂改性高强度混凝土及性能研究

2023-10-20郑亚迪王宁宁杨红娟王伟芳

盐科学与化工 2023年9期

郑亚迪,王宁宁,杨红娟,王伟芳

(1.渭南职业技术学院,陕西渭南 714000;2.渭南职业技术学院工程服务有限公司,陕西渭南 714000)

1 前言

近年来,许多学者对混凝土的防水性能进行了研究。传统混凝土的防水多采用涂料密封的方式,但这种防水效果差,且存在混凝土中的矿粉收缩大的问题,导致混凝土结构变形严重。因此,人们开始将注意力转向超疏水性的研究。所谓的超疏水性其本质就是完全排斥水的一种极端润湿性表面,从而替代传统的混凝土防水方式[1]。基于此,试验通过有机硅防护剂改性高强度混凝土,以增强混凝土的超疏水性和耐腐蚀性。

2 试验部分

2.1 材料与设备

主要材料。P.O 42.5硅酸盐水泥(灵寿县石航建材有限公司,工业纯);普通建筑河砂(0.6～2.0 mm);DC-30有机硅防水剂(南雄鼎成新材料科技有限公司,工业纯);尼龙网(0.15 mm,丝径100 μm,孔径150 μm);RET-90型一次性塑料培养皿(海门市罗泰克实验器材制造有限公司,直径90 mm);硅胶模具(6连正方形方砖5 cm×5 cm×2.5 cm);PE薄膜(厚0.2 mm,工业品);盐酸(工业纯);烧碱(工业纯)。

主要设备。JAB型电子分析天平(群安科学仪器有限公司);TR-JJ-1A型数显恒速电动搅拌器(金坛区水北地信仪器厂);光学接触角测量仪(SL200KS,Solon,美国);WDF-500型测力计(温州韦度电子有限公司);JCM-7000型扫描电子显微镜(JEOL,日本);X射线光电子能谱分析(XPS,Thermo Fisher Scientific Co.,英国)。

2.2 试验方法

2.2.1 有机硅防水剂改性高强度混凝土的步骤

(1)用JAB型电子分析天平称取等质量的P.O 42.5硅酸盐水泥和河砂,一起放入烧杯中,用玻璃棒慢慢搅拌材料,直至均匀。

(2)将一定质量的DC-30有机硅防水剂和水倒入(1)中装有P.O 42.5硅酸盐水泥和河砂的烧杯中,用玻璃棒继续搅拌均匀。

(3)使用JJ-1/300W型立式恒速机械实验室电动搅拌器将(2)中所得到的混凝土砂浆,以300 r/min的转速匀速搅拌30 min。

(4)将搅拌好的混凝土砂浆倒入硅胶模具中,震实排出气泡,在上面覆盖0.15 mm普通尼龙网。

(5)将覆盖好尼龙网的混凝土砂浆硅胶模具,用PE材质塑料薄膜密封,放置在20 ℃的恒温室内进行养护。

(6)养护到一定时间后,取出硅胶模具,拆掉上面覆盖的塑料薄膜和尼龙网,再在20 ℃的恒温室内放置2 d获得低表面能试剂改性的高强度混凝土。

2.2.2 普通混凝土制备

(1)用JAB型电子分析天平称取等质量的P.O 42.5硅酸盐水泥和河砂,一起放入准备好的干净烧杯中,然后加入适量的水,用玻璃棒慢慢搅拌材料,直至均匀。

(2)使用TR-JJ-1A型搅拌器将(1)中所得到的混凝土砂浆以300 r/min的转速匀速搅拌30 min。

(3)将搅拌好的混凝土砂浆倒入硅胶模具中,震实排出气泡,在上面覆盖 0.15 mm普通尼龙网。

(4)将覆盖好尼龙网的混凝土砂浆硅胶模具,用PE材质塑料薄膜密封,放置在20 ℃的恒温室内养护。

(5)养护到一定时间后,取出硅胶模具,拆掉上面覆盖的塑料薄膜和尼龙网,再在20 ℃的恒温室内放置2 d后获得普通混凝土。

2.3 性能测试

2.3.1 润湿性测试

使用仪器为光学接触角测量仪(SL200KS,Solon,美国)测试试件的接触角、滚动角。

2.3.2 抗弯测试

通过WDF-500型测力计(温州韦度电子有限公司)对混凝土试件进行抗弯测试。

2.3.3 耐腐蚀性能测试

用HCl和NaOH配置不同pH值的溶液,并用5 mL医用针管吸取不同pH值的溶液滴在材料试件表面,以测试试件的酸碱溶液的滚动。同时用2.3.1中的方法对液滴的接触角进行测试。

2.3.4 微观形貌分析

使用JCM-7000型扫描电子显微镜观察普通混凝土和改性的高强度混凝土的微观形貌。

2.3.5 化学组成分析

通过X射线光电子能谱分析(XPS,Thermo Fisher Scientific Co.,英国)普通混凝土和改性的高强度混凝土的化学成分。

3 结果与讨论

3.1 润湿性能分析

为探讨有机硅防水剂对高强度混凝土湿润性的影响,设定表1的初步配比方案。

表1 有机硅防水剂改性的高强度混凝土初步配比Tab.1 Preliminary mix ratio of high strength concrete modified with organic silicone waterproofing Agent

根据表1的初步配比为基础,在其他因素不变的情况下,分别以1%、2%、3%、4%、4.5%、5%、5.5%、6%的有机硅防水剂添加量改性高强度混凝土,具体的结果见图1。

图1 低表面能改性的高强度混凝土的接触角和滚动角随DC-30添加量的变化曲线Fig.1 Change curve of contact angle and rolling angle of low surface energy modified high strength concrete with the addition of DC-30

当有机硅防水剂添加量为1%时,液滴在混凝土表面不能滚落,滚动角无限大,亲水性极好;当有机硅防水剂添加量逐渐增加时,接触角迅速增大,滚动角则迅速减小,这说明有机硅试剂改性的高强度混凝土由亲水性逐渐变为疏水性[8-9];当有机硅防水剂添加量为3%时,接触角为147.5°±1°,滚动角为10°±1°,此时,经过有机硅防水剂改性的高强度混凝土的超疏水性逐渐达到临界点;当有机硅防水剂添加量为4%时,接触角为159.3°±1°,滚动角为7.5°±1°此后随着有机硅防水剂添加量的增加,接触角缓慢增加,变化不明显。同样,滚动角的变化也大致相同,缓慢下降,变化不明显。综上,低表面能改性的高强度混凝土的制备,有机硅防水剂添加量大于3%时比较适宜。研究中取4%时的掺量。

3.2 抗弯性能分析

对不同添加量下的高强度混凝土试件进行抗弯性能测试,结果见图2。根据图2可知,有机硅防水剂添加量与混凝土材料的抗弯强度呈负相关。这表明改性的高强度混凝土与有机硅防水剂添加量呈负相关。当有机硅防水剂添加量为1%时,抗弯力下降程度较小;当添加量为2%时,抗弯力下降较为明显,强度下降大于0.8%;此后抗弯力下降程度趋于平稳,当添加量为4%时,抗弯力再次明显下降,且下降比例大于8%;当添加量为5%时,抗弯力下降程度再次趋于平稳。这表明有机硅防水剂添加量为4%比较适宜。

图2 改性高强度混凝土的强度与有机防水剂添加量的关系曲线Fig.2 Relationship curve between the strength of modified high-strength concrete and the amount of organic waterproofing agent added

3.3 耐腐蚀性能分析

对不同有机硅防水剂添加量的高强度混凝土试件进行耐腐蚀性能测试。当溶液滴在倾斜的改性高强度混凝土试件时,液滴均滚动流畅,且在混凝土表面无残留,这说明低表面能试剂改性的高强度混凝土表面化学稳定性较强,能保持良好的耐腐蚀性,没有腐蚀痕迹。

根据2.3.3耐腐蚀性能测试方法,结果见图3。据图3可知,溶液pH值为1时,液滴接触角为156.5°±1°;pH值为5时,液滴接触角为157.3°±1°,此后接触角开始有所增大,在溶液pH值为8以上时趋于平稳。这说明,在较强的酸性或碱性溶液环境下,改性的高强度混凝土依然能表现出良好的超疏水性。综上,使用有机硅试剂对高强度混凝土进行改性,可以使混凝土获得良好的耐腐蚀性能。

图3 不同pH值下改性的高强度混凝土的接触角变化曲线Fig.3 Contact angle variation curve of modified high-strength concrete at different pH values

3.4 微观形貌分析

研究表明,要构造固体的超疏水表面,除了使固体表面具有微米和纳米复合微观结构,还需要低表面能,二者缺一不可[4-5]。有机硅防水剂改性的高强度混凝土试件表面微观形貌见图4,分别为普通混凝土、未养护的改性高强度混凝土、养护2 d和20 d。观察图4可知,纤维状的C-S-H凝胶、六方板状的氢氧化钙晶体、棱针状的钙矾石等[7]混凝土水化反应产物清晰可见。

图4 混凝土的表面形貌Fig.4 Surface morphology of concrete

同时通过图4可知,普通的混凝土的微观形貌见图4(a),其表面比较粗糙,存在一些孔隙,还有棱针状的钙矾石等结构,这些粗糙结构和孔隙会增强混凝土的亲水性能,使得普通混凝土更容易被水浸入;未养护的改性高强度混凝土试件见图4(b),其中孔隙比普通混凝土明显增多,经有机硅防水剂修饰后,混凝土水分流失加快,水化反应不充分,水化产物少,但在表面能低的情况下,混凝土表面孔隙中的空气更多,疏水性能更好;养护2 d或20 d后的试件微观形貌,见图4(c)、图4(d)。通过图4可以观察到,随着养护时间的增加,孔隙明显减少,这表明水化反应越来越充分,混凝土表面的粗糙结构变少,微观结构更为致密,水化产物如C-S-H凝胶、氢氧化钙晶体等清晰可见。因为养护可以减少混凝土水分蒸发,促进水化反应的发生[6],生成的水化产物在混凝土表面形成大量毛细结构,从而使得混凝土更加致密,强度提高。