劉杰勝，木子佳靚，馮 彪，梁超峰，李 祥，余荊城，江 凱，劉輝凱

(武漢輕工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430023)

水泥砂漿材料至今已有180多年的歷史，被廣泛應(yīng)用于土木、水利與建筑工程，海洋及港口建設(shè)工程，交通運(yùn)輸、公路與鐵路工程，甚至航空與航天工程等。但近年來，水泥砂漿材料常因防水抗?jié)B性、氯離子抗?jié)B性、抗碳化性等耐久性能不足問題而引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，水泥砂漿材料防腐蝕研究尤為重要，水泥砂漿的抗?jié)B防水性、氯離子抗?jié)B性已成為水利、交通、建筑工程上最為關(guān)注的熱點問題之一。

水泥砂漿在攪拌、澆注、成型過程中剩余水揮發(fā)以及干燥收縮后，會在其內(nèi)部形成各種毛細(xì)孔和孔隙，這使得水泥砂漿實際上是一種多組分、非均質(zhì)的多孔材料。這些大多數(shù)為連通開放式的孔隙是造成水泥砂漿滲水的主要原因，而水泥砂漿滲水問題會給水泥砂漿構(gòu)筑物的耐久性、安全運(yùn)行等方面帶來嚴(yán)重安全隱患。有機(jī)硅烷主鏈?zhǔn)荢i-O-Si鏈組成，具有許多優(yōu)良的性能，比如:耐氧化、耐候、耐油、抗紫外老化、憎水、耐熱、耐寒等性能［1］。本研究采用水泥砂漿外涂烷氧基有機(jī)硅烷的方法，系統(tǒng)地研究了外涂有機(jī)硅烷對水泥砂漿的防水抗?jié)B性能、抗碳化性能、抗氯離子滲透等性能的改良效果，為烷氧基有機(jī)硅烷作為水泥砂漿防護(hù)材料實際工程應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水泥:普通硅酸鹽P.O 32.5水泥。砂:標(biāo)準(zhǔn)砂。有機(jī)硅烷:KH560，湖北環(huán)宇化工有限公司生產(chǎn)。水泥砂漿的配合比如表1所示。

表1 水泥砂漿配合比 /g

1.2 試驗方法

試樣涂覆硅烷浸漬劑后，置于溫度為(20±2)℃、相對濕度為50%—70%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7 d后，進(jìn)行相關(guān)性能測試。作為對比，選用空白樣和涂有丙烯酸涂層防護(hù)材料的試樣進(jìn)行參比試驗。不同處理劑對水泥砂漿表面防護(hù)處理如表2所示。

表2 不同處理劑對水泥砂漿表面防護(hù)處理

1.3 測試與表征

1.3.1 防水抗?jié)B性能

(1)吸水率:到28 d齡期，將試件放在(80±2)℃的烘箱中干燥48 h后取出，放在干燥器中冷卻至室溫，迅速稱取試件的質(zhì)量;再把試件浸泡在(20±2)℃的水中48 h后取出，用濕布擦去表面浮水，立即稱其質(zhì)量。

(2)水滴試驗:分別選取一定數(shù)量的空白樣和硅烷防護(hù)試樣，用滴管在其表面各滴兩滴水，試驗開始10 min后觀察水泥砂漿表面疏水現(xiàn)象做好記錄，照片存底，以作對比。

1.3.2 氯離子抗?jié)B試驗

(1)氯離子滲透深度:按照配合比成型水泥砂漿進(jìn)行NaCl浸泡試驗(浸泡時間分別為30 d)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，從試塊澆筑4個側(cè)面中選取一個光整面作為浸透面，其余3個側(cè)面、頂面及底面用石蠟密封，然后浸泡在濃度為2.8 mol的NaCl溶液中，室溫保持在(20±2)℃。在達(dá)到預(yù)定的浸泡時間以后，取出來在室內(nèi)放置30 d至干燥。將試樣沿軸線劈開，取樣磨碎，制備水泥砂漿氯離子提取液，采用硝酸銀化學(xué)滴定法，測定水泥砂漿樣品中的氯離子濃度，然后扣除初始氯離子濃度，得到濃度—深度曲線，并用Fick第二定律進(jìn)行非線性回歸，求得水泥砂漿氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)［2］。

(2)氯離子擴(kuò)散系數(shù):氯離子擴(kuò)散系數(shù)如(1)式所示。其中，D—擴(kuò)散系數(shù);R—氣體常數(shù)，值為8.314 J·K/mol;F—Faraday常數(shù)，值為96 480 J/V;Z—氯離子的電荷數(shù)，值為－1;xd—氯離子滲透深度;當(dāng)E=－600 V/m，T=298 K 時，a=1.061，b=0.589。

1.3.3 抗碳化性能

碳化達(dá)到相應(yīng)齡期后，取出試件，沿中間將其劈成兩半，在斷面上噴涂1%酚酞溶液，不能顯紅色的邊緣部分即為已碳化部分。測量時在紅色區(qū)域處取三處，取平均值為深度測量點，精確到0.5 mm。

1.3.4 SEM 掃描電子顯微鏡

采用日本電子株式會社產(chǎn)JSM一5610LV型掃描電鏡(SEM)對養(yǎng)護(hù)56 d的空白樣試塊和加了有機(jī)硅的試樣的表面進(jìn)行微觀形貌表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗?jié)B防水試驗

水泥砂漿疏水試驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可看出:有機(jī)硅外涂水泥砂漿呈現(xiàn)出較好地疏水效果，即進(jìn)一步證實了使用有機(jī)硅外涂水泥砂漿的防水抗?jié)B性能大大改善了。主要原因基于以下兩點:①有機(jī)硅外涂水泥砂漿中更多的縫隙和孔洞被硅烷粒子所填充，水分的滲透受到阻礙，使得吸水率降低;②有機(jī)硅具有柔順的主鏈，且分子間的作用力比碳?xì)浠衔镆醯枚?，因此，它比同分子量的碳?xì)浠衔镳ざ鹊?，表面張力弱，表面能小，這種低表面張力和低表面能使它具有良好的疏水作用，因此當(dāng)水泥砂漿外涂有機(jī)硅涂料后，就賦予了有機(jī)硅外涂水泥砂漿一定的疏水作用，使得砂漿的抗?jié)B性能提高。

圖1 疏水試驗結(jié)果

水泥砂漿吸水率試驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可看出:有機(jī)硅外涂水泥砂漿較空白樣和丙烯酸外涂試樣吸水率明顯偏低，這是因為水泥砂漿的吸水過程主要是毛細(xì)管吸附作用，通過吸收液體來填充水泥砂漿內(nèi)部的孔隙，因此，吸水性能在很大程度上取決于水泥砂漿本身的微觀結(jié)構(gòu)。外涂有機(jī)硅使水泥砂漿密實性變強(qiáng)，填充表面缺陷和孔隙。

圖2 吸水率試驗結(jié)果

2.2 抗氯離子滲透試驗

氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗結(jié)果如圖3所示，氯離子滲透試驗結(jié)果如表3所示。由圖3和表3可看出:與空白組、丙烯酸組相比，涂有有機(jī)硅涂層的砂漿的氯離子擴(kuò)散系數(shù)顯著降低，約為空白組的1/4，約為丙烯酸組的1/3;且涂有有機(jī)硅涂層的砂漿的平均氯離子滲透深度低，且呈現(xiàn)出良好的抗氯離子滲透效果，即進(jìn)一步證實了使用有機(jī)硅防水砂漿的防水抗?jié)B性能大大改善了。主要原因基于以下兩點:①有機(jī)硅聚合物改性砂漿表面更多的縫隙和孔洞被聚合物粒子所填充，顯著減少表面的泌水，密實堆積在水泥漿基體表面。與空白樣相比，孔隙率減少，孔隙率梯度幾乎消失，使得氯離子滲透路徑受阻［3］;②有機(jī)硅的主鏈?zhǔn)秩犴槪浞肿娱g的作用力比碳?xì)浠衔镆醯枚?。因此，比同分子量的碳?xì)浠衔?丙烯酸)黏度低、表面張力弱、表面能小、成膜能力強(qiáng)，這種低表面張力和低表面能使它獲得疏水、潤滑、上光等優(yōu)異性能，同時也阻止了氯離子溶液對水泥砂漿的進(jìn)一步滲透。

圖3 氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗結(jié)果

表3 氯離子滲透試驗結(jié)果

2.3 抗碳化性能試驗

抗碳化試驗結(jié)果如圖4所示。水泥砂漿碳化過程可分為兩個步驟:第一步是二氧化碳?xì)怏w擴(kuò)散到混凝土空隙中;第二步是二氧化碳與水泥砂漿中物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。很明顯，前者是發(fā)生碳化腐蝕的前提條件。利用有機(jī)硅涂層包裹水泥砂漿的表面，從而形成致密的保護(hù)層可以防止二氧化碳?xì)怏w的擴(kuò)散［4］。從圖4中可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，涂有有機(jī)硅涂層的試塊的碳化程度明顯低于空白組和丙烯酸組，而且碳化深度增長速度明顯變慢。其主要原因是有機(jī)硅的低表面張力和低表面能使它獲得潤滑、上光等優(yōu)異性能，試塊表面變得潤滑后，外界條件便難以影響到試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使其抗碳化性能增強(qiáng)。

圖4 抗碳化試驗結(jié)果

2.4 SEM掃描電子顯微鏡

SEM微觀形貌表征如圖5所示。由圖5可看出:對比空白樣試塊和外涂硅烷的試塊的SEM圖片，可以發(fā)現(xiàn)空白樣水泥砂漿密實性較差，表面粗糙多孔，結(jié)構(gòu)較加了硅烷的試塊結(jié)構(gòu)疏松，而外涂硅烷的試塊涂料與水泥漿表面粘結(jié)緊密，界面區(qū)并不明顯。其主要原因是有機(jī)硅涂料屬于致密結(jié)構(gòu)，具有憎水特性，從而影響了水泥水化產(chǎn)物中晶體的生長空間，降低Ca(OH)2取向生長，有纖維狀鈣硅水(CaSiH2O)凝膠形成，這說明隨著水泥水化的進(jìn)行，有機(jī)硅涂料的致密結(jié)構(gòu)對界面層水泥石進(jìn)行了養(yǎng)護(hù)，因而形成加強(qiáng)的界面。從而可以觀察到水泥砂漿表面結(jié)構(gòu)致密，有機(jī)硅涂料填充著水泥漿表面缺陷和縫隙。

圖5 SEM微觀形貌表征

3 結(jié)論

通過抗?jié)B防水試驗、抗氯離子滲透試驗﹑抗碳化性能試驗與SEM掃描電子顯微鏡試驗，研究了水泥砂漿外涂有機(jī)硅烷防護(hù)效果。基于試驗結(jié)果與分析，得到如下結(jié)論。

(1)有機(jī)硅外涂水泥砂漿呈現(xiàn)出較好地疏水效果，即進(jìn)一步證實了使用有機(jī)硅外涂水泥砂漿的防水抗?jié)B性能大大改善了，有機(jī)硅外涂水泥砂漿較空白樣和丙烯酸外涂試樣吸水率明顯偏低。

(2)與空白組、丙烯酸組相比，涂有有機(jī)硅涂層的砂漿的氯離子擴(kuò)散系數(shù)顯著降低，約為空白組的1/4，約為丙烯酸組的1/3。且涂有有機(jī)硅涂層的砂漿的平均氯離子滲透深度低，且呈現(xiàn)出良好的抗氯離子滲透效果，即進(jìn)一步證實了使用有機(jī)硅防水砂漿的防水抗?jié)B性能大大改善了。

(3)隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，涂有有機(jī)硅涂層的試塊的碳化程度明顯低于空白組和丙烯酸組，而且碳化深度增長速度明顯變慢。

(4)空白樣水泥砂漿密實性較差，表面粗糙多孔，結(jié)構(gòu)較加了硅烷的試塊結(jié)構(gòu)疏松，而外涂硅烷的試塊涂料與水泥漿表面粘結(jié)緊密，界面區(qū)并不明顯。

［1］黃月文，劉偉區(qū)，羅廣建.有機(jī)硅防水劑改性水泥砂漿的研究［J］.化學(xué)建材，2003，19(1):27-29.

［2］冷發(fā)光，田冠飛.混凝土抗氯離子滲透性試驗方法［J］.東南大學(xué)學(xué)報，2006，11(36):32-38.

［3］馬昆林，李立斌，唐湘輝.氯離子在混凝土中滲透影響因素的研究［DB/OL］. ［2006-05-17］.http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/200605-171，2006-05-17.

［4］康明子.淺談鋼筋混凝土橋梁防腐蝕技術(shù)［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009(13):107-107.