唐 穎

（黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室 山西省交通科學(xué)研究院，太原030006）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，混凝土的應(yīng)用越來越廣泛，混凝土的耐久性問題也日益為人們所關(guān)注，水是混凝土性能劣化的必要條件之一，除此之外水還是氯離子和其它化學(xué)物質(zhì)侵入的運輸工具，所以混凝土嚴(yán)重滲水是大多數(shù)混凝土建筑物破壞的主要原因之一，對于已經(jīng)修筑好的混凝土建筑物在其表面涂刷或噴涂防水涂層成為提高耐久性的有效途徑［1－5］。有機(jī)硅防水劑（屬于斥水型防水劑）可以在混凝土表面和毛細(xì)孔內(nèi)壁形成憎水薄膜，阻止毛細(xì)孔對水的毛細(xì)吸收，達(dá)到防水和提高混凝土耐久性的目的［6］。混凝土表面防水層的效果不僅取決于其割斷外部水分向內(nèi)部滲透和擴(kuò)散的能力，還與混凝土內(nèi)部的水分能否順利揮發(fā)有關(guān)，有機(jī)硅防水劑不會封閉毛細(xì)管通道，不妨礙水氣由里向外擴(kuò)散，使得混凝土具有良好的透氣性［7］。所以有機(jī)硅防水劑具有良好的防水、防污和防塵性能，是一種理想的混凝土防水材料。

馬志鳴等［8］制備了內(nèi)摻硅烷乳液混凝土，研究表明該防水混凝土試件具有良好的抵抗水分浸入的能力。戴建才［9］等指出由混凝土表面浸漬硅烷形成的“呼吸性”防水涂層能使混凝土吸水率下降90%以上，有效阻擋水分及水分所攜帶的有害物質(zhì)滲入混凝土內(nèi)部，同時混凝土的抗氯離子滲透、抗凍融、抗碳化能力明顯提高。姜福香等［10］對鋼筋混凝土表面進(jìn)行硅烷防水處理，有效減緩了混凝土的氯離子侵蝕速度，降低了裂縫區(qū)的局部氯離子含量。

本文采用三種工藝對多種硅烷防水劑的合成進(jìn)行室內(nèi)試驗探討，并在基準(zhǔn)混凝土表面噴涂合成的硅烷防水劑，通過接觸角、抗氯離子滲透性和吸水率試驗，成功得出了高效硅烷防水劑的合成工藝，由該硅烷防水劑制備出的防水混凝土具有較高的防水防滲能力，該硅烷防水劑具有良好的應(yīng)用價值和發(fā)展前途。

1 硅烷防水劑的合成與防水混凝土的性能測試

1．1 硅烷防水劑作用機(jī)理

混凝土是由多種極性物質(zhì)構(gòu)成，與極性的水分子具有強(qiáng)親和性，所以水滴能充分鋪展于表面。混凝土表面又有許多微小孔洞，在毛細(xì)吸附作用下水分子極易進(jìn)入孔洞，甚至滲透到混凝土內(nèi)部，此時各種有害離子（氯離子、硫酸根離子等）也會借機(jī)進(jìn)入混凝土內(nèi)部，從而降低混凝土的耐久性。

硅烷的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一是處理各種無機(jī)基材的表面，將其親水性表面轉(zhuǎn)變成憎水性表面，其化學(xué)性質(zhì)活躍，在常溫下遇水就可以發(fā)生強(qiáng)烈的水解反應(yīng)，形成三維交聯(lián)有機(jī)硅。如將其涂在混凝土表面，有機(jī)硅分子上的活性Si－OH基團(tuán)能夠與混凝土表面及毛細(xì)管內(nèi)壁的羥基反應(yīng)形成末端帶有≡Si－R基的硅烷鏈（R一般為CH3），形成一層均勻致密的憎水膜，如圖1所示。這種斥水性硅烷膜具有很低的表面張力，阻止了毛細(xì)孔對水的毛細(xì)吸收作用，充分發(fā)揮了防水的功效，有效地阻止水分的浸入［10－12］。

圖1 混凝土表面的防水膜

1．2 試驗材料與方案

1．2．1 原材料

十六烷基三甲氧基硅烷、γ－（2，3－環(huán)氧丙氧基）丙基三甲氧基硅烷（KH560）、十八胺和無水乙醇，分析純，成都科龍化工試劑廠。重慶南山產(chǎn)的石灰?guī)r碎石，最大粒徑為20mm；砂的細(xì)度模數(shù)為2．8。水泥為重慶天助水泥有限公司生產(chǎn)的42．5級普通硅酸鹽水泥，粉煤灰選用重慶珞璜電廠Ⅱ級灰?；炷恋呐浜媳葹樗啵?10kg／m3；砂子：581kg／m3；石子：1 312kg／m3；粉煤灰：40kg／m3；減水劑摻量為1．5%；水膠比為0．44。

1．2．2 硅烷防水劑的合成

為了得到最佳的防水工藝及防水效果，使用醇－水溶液處理法對硅烷進(jìn)行改性，此法工藝簡便，基本原理為由無水乙醇及水配成醇－水溶液，加入鹽酸使pH調(diào)為2～5。攪拌條件下加入硅烷，水解5～10 min后，即生成含Si－OH的水解物。將其涂刷于基體表面，晾干后，移入100～110℃的烘箱中烘干5～10 min，或在室溫及相對濕度＜60%條件下干燥24h，即可得產(chǎn)物。其中無水乙醇起稀釋及提供反應(yīng)場所的作用，用量為反應(yīng)物用量的10～20倍，鹽酸起催化作用。本文采用的硅烷防水劑制備工藝分別為：

工藝1：無水乙醇（分別為42．8g，64．2g，85．6 g）→十八胺（2．28g）→水（0．5g）→鹽酸（pH＝2～3）→KH560（2g）→靜置30min，涂層→室溫下放置24h，測試。

工藝2：無水乙醇（分別為42．8g，64．2g，85．6 g）→十八胺（2．28g）／KH560（2g）充分?jǐn)嚢琛?0℃水浴30min→鹽酸（pH＝2～3）→水（0．5g）→靜置30min，涂層→室溫下放置24h，測試。

工藝3：無水乙醇（分別為20g，30g，40g）→水（0．5g）→鹽酸（pH＝2～3）→十六烷基三甲氧基硅烷（2g）→靜置30min，涂層→室溫下放置24h，測試。

1．3 防水混凝土的性能測試

成型尺寸分別為150mm×150mm×150mm及100mm×100mm×100mm的立方體試件，為了不影響混凝土表面防水效果，澆筑時不使用脫模劑?；炷脸尚?4h后拆模，然后將其放入溫度為（20±2）℃及濕度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）≥95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28d。將養(yǎng)護(hù)好的150mm×150mm×150 mm混凝土試件鉆心取樣，取出直徑為100mm，高為150mm的圓柱體，再切割成高為50mm的圓柱體，然后在其表面涂刷一層合成的硅烷防水劑，用來進(jìn)行氯離子滲透試驗。100mm×100mm×100 mm的立方體表面涂刷硅烷防水劑后進(jìn)行吸水率試驗。

1．3．1 抗氯離子滲透試驗

將真空飽水后的防水混凝土試件的側(cè)面用硅橡膠或樹脂密封，必要時填補(bǔ)涂層中的孔洞以保證試件側(cè)面完全密封。將密封后的試件安放于試驗槽內(nèi)，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3．0%的NaCl溶液和0．3mol的NaOH溶液分別注入試件兩側(cè)的試驗槽中，注入NaCl溶液的試驗槽內(nèi)的銅網(wǎng)連接電源負(fù)極，注入NaOH溶液的試驗槽的銅網(wǎng)連接電源正極。接通電源，施加60V直流恒電壓，并記錄數(shù)據(jù)。

1．3．2 吸水率試驗

將100mm×100mm×100mm防水混凝土試件放入80℃烘箱中烘干。冷卻后稱重，然后浸入水中吸水，使水面距混凝土試件頂面2cm左右，24h后取出，用干毛巾拭去表面水，稱取最終重量，計算試件的吸水率。

2 試驗結(jié)果與分析

2．1 硅烷防水劑的防水效果

硅烷防水劑的防水效果可以用接觸角的大小來表征，接觸角越大，液固兩相界面自由能越小，液體越容易從固體表面脫落。同樣對于混凝土而言，如果水在毛細(xì)管壁的接觸角為100°～130°以上，表面的水會以小水珠狀態(tài)存在，無法滲入到混凝土內(nèi)部，混凝土防水層就可以達(dá)到很好的防水效果?；炷帘砻嫱克⒎浪畬忧昂蟮慕佑|角示意圖如圖2～5所示，接觸角測試結(jié)果如表1所示。

圖2 基準(zhǔn)混凝土表面接觸角

圖3 工藝1防水混凝土表面接觸角

圖4 工藝2防水混凝土表面接觸角

圖5 工藝3防水混凝土表面接觸角

表1 防水混凝土的接觸角測試結(jié)果

從表1可知，基準(zhǔn)混凝土具有較好的親水性，防水混凝土表面都有一定的疏水性，防水效果與基準(zhǔn)混凝土相比有了明顯的提高，其中工藝3的防水效果最佳。這是因為十六烷基三甲氧基硅烷水解后，形成了具有3個官能度的十六烷基硅醇，即具有三個端羥基。這三個端羥基與混凝土表面的硅羥基發(fā)生分子間縮合反應(yīng)，形成Si－O化學(xué)鍵，使混凝土表面牢固地附著一層有機(jī)硅膜。該有機(jī)硅膜在混凝土的表面形成一層網(wǎng)狀的疏水結(jié)構(gòu)（如圖1所示），具有三維防水結(jié)構(gòu)，所以防水效果最佳；其次，由于Si－O鍵的鍵能較高，有機(jī)硅疏水膜具有優(yōu)良的耐候性，因此防水效果持久。在反應(yīng)過程中無水乙醇起到稀釋及提供反應(yīng)場所的作用，由接觸角測試結(jié)果可知，無水乙醇對反應(yīng)結(jié)果沒有影響，考慮到節(jié)約成本，無水乙醇的量定為反應(yīng)物質(zhì)量的10倍，然后制備出三種防水混凝土進(jìn)行抗氯離子滲透性及吸水率試驗。

2．2 防水混凝土抗氯離子滲透性

在直流電壓作用下氯離子能通過混凝土試件向正極方向移動，用流過混凝土的電荷量來反映滲透混凝土的氯離子量，測試結(jié)果如表2所示。

表2 防水混凝土的電通量

從表2可知，基準(zhǔn)混凝土的平均電通量為1344．8C，防水混凝土的平均電通量為238．3～833．5C，說明三種防水混凝土均能降低氯離子的滲透量，且工藝3防水混凝土的抗氯離子滲透效果最好，平均電通量較基準(zhǔn)混凝土降低約82．2%。

2．3 防水混凝土的吸水率試驗

表3為基準(zhǔn)混凝土及各種防水混凝土的吸水率試驗結(jié)果。

表3 防水混凝土的吸水率

從表3的數(shù)據(jù)可以看出，基準(zhǔn)混凝土的平均吸水率為13．5%，防水混凝土的平均吸水率為2．4%～10．3%，即混凝土經(jīng)硅烷防水劑處理后，吸水率均比基準(zhǔn)混凝土低，說明防水混凝土能有效地抵抗水分的浸入，從而有效阻擋水分所攜帶的有害物質(zhì)滲入混凝土內(nèi)部，有效抑制鋼筋銹蝕和混凝土腐蝕發(fā)生。其中由工藝3制備的防水混凝土吸水率降低的程度最大，與基準(zhǔn)混凝土相比，其吸水率降低約82．2%。

以上試驗均可說明硅烷防水劑在混凝土表面形成了斥水膜層，這不僅提高了混凝土的抗?jié)B性，而且降低了氯離子在混凝土中的滲透性及混凝土的吸水性等，明顯改善了混凝土的耐久性。綜合比較三種工藝，得出硅烷防水劑最佳合成工藝為：10倍硅烷用量的無水乙醇來提供反應(yīng)場所，與水配成醇－水溶液，調(diào)節(jié)pH為2～3，攪拌條件下加入十六烷基三甲氧基硅烷，其中十六烷基三甲氧基硅烷與水的質(zhì)量比約為1∶0．25，反應(yīng)30min后即可噴涂。

3 結(jié)論

基準(zhǔn)混凝土表面噴涂硅烷防水劑后形成的一層致密的憎水膜能使混凝土表面接觸角高達(dá)130°、吸水率下降82．2%等，有效阻擋了水分及水分所攜帶的有害物質(zhì)滲入混凝土內(nèi)部，同時混凝土的抗氯離子滲透明顯提高。該種硅烷防水劑的最佳合成工藝為：使用10倍硅烷用量的無水乙醇來提供反應(yīng)場所，與水配成醇－水溶液，用鹽酸調(diào)節(jié)體系pH為2～3，攪拌條件下加入十六烷基三甲氧基硅烷，反應(yīng)30 min后即可得到硅烷防水劑，其中十六烷基三甲氧基硅烷與水的質(zhì)量比約為1∶0．25。

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