改性水泥基涂料对水工混凝土抗渗性能的影响

2024-02-29杨同文

水利技术监督 2024年2期

杨同文

(山东省调水工程运行维护中心棘洪滩水库管理站，山东青岛 266109)

0 引言

混凝土是当今使用最广泛的建筑材料之一。当其长期暴露在恶劣环境中，容易通过腐蚀介质引发一系列物理效应或化学反应而损坏。相关文献表明，在水环境中，H2O、O2、CO2和氯离子在混凝土腐蚀损伤过程中起着关键作用[1]。混凝土的渗透性与其耐久性密切相关。因此，混凝土在水环境中的防水效果好坏与混凝土耐久性能优劣关系尤为密切。混凝土表面成膜涂层通常主要为有机聚合物，如丁苯橡胶、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、环氧树脂、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇等[2]。但有机涂层对基材的附着力低，抗冲击性弱，柔韧性差。例如，环氧树脂涂层对混凝土表面具有很高的附着力，特别处于碱性和盐性的环境中。但是，当暴露于紫外线环境时，环氧树脂容易降解和断链[3]。有机硅涂层具有良好的耐化学性和抗渗性，但附着力不足，不耐有机溶剂[4]。因此，高性能、环保的无机涂料，特别是聚合物改性水泥基涂料的开发和应用越来越受到学者的关注。龙庆等[5]研究使用聚合物改性水泥基涂料的混凝土的吸水性、抗渗性和抗氯离子侵蚀性，发现涂层大大降低了混凝土的吸水率和氯离子渗透系数。韩建军等[6]得出结论，不同涂层材料中掺入少量纳米二氧化硅时，成膜复合涂层混凝土的抗氯离子渗透性能最好，对二氧化硅改性后效果更佳。二氧化硅颗粒可以填充涂层的微孔隙，减少孔隙率，增加致密性，并减少吸附水量。同时，由于二氧化硅的高表面活性，生成了更多的C-S-H凝胶，使聚合物改性水泥基涂料的微观结构更加密实，提高了混凝土对氯离子渗透的抵抗力，降低了混凝土的吸水率[7]。

下文以二氧化硅和聚丙烯酸乳液为主要原料制备高柔性二氧化硅改性水泥基涂料，对其拉伸性能、吸水性能等进行了探索，研究了改性硅涂料对混凝土抗渗性能的影响，以提高混凝土的抗渗性能。

1 材料和实验

1.1 原材料

聚丙烯酸乳液选用BA-310TS型号，外观为白色液体，固含量为(55±1)%，pH值为6～8，黏度为2～4Pa·s，Tg值为-25℃，最低成膜温度低于0℃。二氧化硅粉末的SiO2含量为99.5%，密度为49g/L，比表面积为146m2/g。试验选用32.5MPa级白色硅酸盐水泥和45μm细度的滑石粉混合为聚合物改性水泥基涂料。白色硅酸盐水泥的主要性能如表1所示。

表1 水泥主要性能参数

1.2 试样制备

1.2.1 二氧化硅改性水泥基涂料

将聚丙烯酸乳液和二氧化硅进行混合。二氧化硅占乳液质量的百分比分别为0%、5%、10%和15%，以转速1000r/min搅拌15min，成为均匀混合的液体；将水泥和滑石粉以4∶1的比例，均匀混合于二氧化硅-聚丙烯酸乳液，以转速1000r/min搅拌15min。硅酸盐水泥用作无机胶结成分，滑石粉被用作填料，以改善涂层的可加工性和均匀性。

1.2.2 混凝土试件

为评估二氧化硅改性水泥基涂料的防水效果，制备了一批强度等级为C30的混凝土砌块。本研究使用PO42.5R普通硅酸盐水泥。细骨料采用天然河沙，细度模数为2.7。粗骨料采用碎石，粒径为5～30mm，比重为2.76，堆积密度为1620kg/m3。混凝土的配合比，见表2。混凝土试块在23℃的水中养护28d，而后将二氧化硅改性水泥基涂料均匀地涂在混凝土表面，涂层厚(1.5±0.3)mm。

表2 混凝土试件配合比

1.3 试验方法

根据GB/T 16777—2008《建筑防水涂料试验方法》标准测量二氧化硅改性水泥基涂料的干燥时间。将二氧化硅改性水泥基涂料涂覆在铝板上，将从涂覆到二氧化硅改性水泥基涂料表面不被手接触的时间记录为表面干燥时间。一段时间后，二氧化硅改性水泥基涂料的表面没有被手触摸接触，则将该时间记录为完全干燥时间。根据GB/T 16777—2008标准，测试了二氧化硅改性水泥基涂料的拉伸性能。将二氧化硅改性水泥基涂料制成I型试件，以200mm/min的速度拉伸，直到样品断裂。试件的抗拉强度公式：

(1)

式中，T—抗拉强度，MPa；F—试件的最大拉力，N；B—试件中部宽度，mm；H—试件厚度，mm。

试样的断裂伸长率计算公式：

(2)

式中，E0—为断裂伸长率，%；L1—试样初始标记之间的距离，mm；L2—试样断裂时标记线之间的距离，mm；

按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，进行涂覆有二氧化硅改性水泥基涂料的混凝土的氯离子渗透试验。

2 结果与讨论

2.1 二氧化硅改性水泥基涂料的基本性质

2.1.1吸水率

分析二氧化硅粉末对硬化聚丙烯酸乳液涂层吸水率的影响。结果表明：二氧化硅-聚丙烯酸乳液，添加5%二氧化硅情况下的吸水率最低，添加15%的二氧化硅的吸水率最高。例如，在15h时，未掺加二氧化硅的水泥基涂料的吸水率为8.42%，掺入5%二氧化硅的水泥基涂料的吸水率为7.17%，相较未掺二氧化硅，下降了14.9%。而分别掺入10%、15%二氧化硅的水泥基涂料的吸水率，较未掺二氧化硅分别增加了14.3%和28.65%。研究表明，少量的二氧化硅粉末降低了硬化聚丙烯酸乳液的吸水率。但用量过大时，吸水率显著增加。当掺量大于5%时，反而容易结块，会在与涂层表面膜的界面处形成薄弱区域。此外，二氧化硅掺量过大时，乳液中的水分会损失过快，导致许多乳液颗粒没有时间聚集，乳液的成膜性能降低，微裂纹增加。观察硬化聚丙烯酸乳液涂层的表面形态，添加5%二氧化硅粉末后，涂层膜的表面光滑，基本无缺陷。但过量的二氧化硅粉末，由于团聚导致涂层膜中出现一些裂纹，使水容易进入，导致吸水率反而显著增加。

2.1.2 拉伸性能

分析二氧化硅粉末对硬化聚丙烯酸酯乳液涂层拉伸性能的影响。结果表明：二氧化硅改性水泥基涂料的抗拉强度，在二氧化硅含量为5%时最大，为3.62MPa，较未掺加二氧化硅的改性水泥基涂料的抗拉强度增加了63.6%。二氧化硅含量增加到10%时，拉伸强度反而降低至3.04MPa。在二氧化硅含量为15%时，二氧化硅改性水泥基涂料的抗拉强度为2.69MPa，较未掺加涂料的抗拉强度增加了22.7%。二氧化硅粉末对硬化聚丙烯酸酯乳液涂层的断裂伸长率，随着硅粉的增加而逐渐减少。二氧化硅含量为5%、10%和15%时，二氧化硅改性水泥基涂料的断裂伸长率，较未掺二氧化硅的断裂伸长率分别下降了10.3%、45.5%和55.1%。分析原因，发现二氧化硅粉末表面的基团，导致其与聚合物大分子的极性基团之间有分子间作用力，形成氢键，甚至强化学键，这有助于在成膜过程中形成交联网络结构，增强了界面联结力。因此，二氧化硅粉末对硬化聚丙烯酸酯乳液涂层拉伸性能起到增加作用[8]。当二氧化硅粉末的含量过多，颗粒会出现团聚现象，导致二氧化硅改性水泥基涂料薄膜厚度增加，拉伸性能降低[9]。综合分析，表明二氧化硅粉末对硬化聚丙烯酸酯乳液涂层拉伸性能的最佳掺量为5%。二氧化硅粉末的分散程度，对二氧化硅改性水泥基涂料的性能有重要影响。二氧化硅粉末均匀分散于水泥基涂料时，才会对其性能有改善作用。若出现二氧化硅粉末团聚现象，颗粒尺寸反而增加，导致涂层膜中的应力增加。

2.1.3 干燥时间

分析二氧化硅粉末对硬化聚丙烯酸酯乳液涂层干燥时间的影响。结果表明：掺入二氧化硅粉末后，二氧化硅改性水泥基涂料的干燥时间缩短。未掺入二氧化硅的改性水泥基涂层的表面干燥时间和完全干燥时间分别为112min和189min。相比之下，5%含量分数的二氧化硅改性水泥基涂料的表面和完成干燥时间仅为86min和161min，分别减少了23.2%和14.8%。10%含量分数的二氧化硅改性水泥基涂料的表面和完成干燥时间为73min和154min，分别减少了34.8%和18.5%。15%含量分数的二氧化硅改性水泥基涂料的表面和完成干燥时间为54min和132min，分别减少了51.8%和30.2%。综上，掺入二氧化硅粉末后，二氧化硅改性水泥基涂料的干燥时间有显著缩短，表面干燥时间缩短效果较完全干燥时间更显著[10]。

2.2 混凝土氯离子渗透性

混凝土的吸水性和氯离子渗透性在很大程度上影响混凝土的耐久性能。为评估二氧化硅改性水泥基涂料对混凝土渗透性的影响，将二氧化硅改性水泥基涂料，均匀地涂在混凝土表面，进行氯离子渗透性能试验。结果表明：没有涂层的普通混凝土的氯离子渗透系数为14.406×10-12m2/s。涂覆未掺二氧化硅的水泥基涂料时，氯离子渗透系数降低了11.1%，改性二氧化硅的改性水泥基涂料添加5%时，氯离子渗透系数降低了21.5%，添加15%改性二氧化硅的改性水泥基涂料的氯离子渗透系数最低，为8.852×10-12m2/s，降低了38.6%。综上，二氧化硅改性水泥基涂料的涂覆对于混凝土的抗渗性能有显著提高，随着二氧化硅含量分数的增加，氯离子渗透系数持续降低，提高混凝土的抗渗性能。