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(lái)，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(wèn)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(diǎn)問(wèn)題之一。

水泥砂漿在攪拌、澆注、成型過(guò)程中剩余水揮發(fā)以及干燥收縮后，會(huì)在其內(nèi)部形成各種毛細(xì)孔和孔隙，這使得水泥砂漿實(shí)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(kāi)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(wèn)題會(huì)給水泥砂漿構(gòu)筑物的耐久性、安全運(yùn)行等方面帶來(lái)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(duì)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(shí)際工程應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(yàn)方法

試樣涂覆硅烷浸漬劑后，置于溫度為(20±2)℃、相對(duì)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(cè)試。作為對(duì)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(yàn)。不同處理劑對(duì)水泥砂漿表面防護(hù)處理如表2所示。

表2 不同處理劑對(duì)水泥砂漿表面防護(hù)處理

1.3 測(cè)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(chēng)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(chēng)其質(zhì)量。

(2)水滴試驗(yàn):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(yàn)開(kāi)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(duì)比。

1.3.2 氯離子抗?jié)B試驗(yàn)

(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(yàn)(浸泡時(shí)間分別為30 d)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，從試塊澆筑4個(gè)側(cè)面中選取一個(gè)光整面作為浸透面，其余3個(gè)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(shí)間以后，取出來(lái)在室內(nèi)放置30 d至干燥。將試樣沿軸線劈開(kāi)，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(cè)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—?dú)怏w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(shí)，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(cè)量時(shí)在紅色區(qū)域處取三處，取平均值為深度測(cè)量點(diǎn)，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(huì)社產(chǎn)JSM一5610LV型掃描電鏡(SEM)對(duì)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(yàn)

水泥砂漿疏水試驗(yàn)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(shí)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(diǎn):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(yàn)結(jié)果

水泥砂漿吸水率試驗(yàn)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?yàn)樗嗌皾{的吸水過(guò)程主要是毛細(xì)管吸附作用，通過(guò)吸收液體來(lái)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(shí)性變強(qiáng)，填充表面缺陷和孔隙。

圖2 吸水率試驗(yàn)結(jié)果

2.2 抗氯離子滲透試驗(yàn)

氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，氯離子滲透試驗(yàn)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(shí)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(diǎn):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(shí)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?，其分子間的作用力比碳?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(rùn)滑、上光等優(yōu)異性能，同時(shí)也阻止了氯離子溶液對(duì)水泥砂漿的進(jìn)一步滲透。

圖3 氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

表3 氯離子滲透試驗(yàn)結(jié)果

2.3 抗碳化性能試驗(yàn)

抗碳化試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。水泥砂漿碳化過(guò)程可分為兩個(gè)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(shí)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(zhǎng)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(rùn)滑、上光等優(yōu)異性能，試塊表面變得潤(rùn)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(yàn)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(duì)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(shí)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(zhǎng)空間，降低Ca(OH)2取向生長(zhǎng)，有纖維狀鈣硅水(CaSiH2O)凝膠形成，這說(shuō)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(duì)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(guò)抗?jié)B防水試驗(yàn)、抗氯離子滲透試驗(yàn)﹑抗碳化性能試驗(yàn)與SEM掃描電子顯微鏡試驗(yàn)，研究了水泥砂漿外涂有機(jī)硅烷防護(hù)效果?；谠囼?yàn)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(shí)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(shí)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(shí)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(zhǎng)速度明顯變慢。

(4)空白樣水泥砂漿密實(shí)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。

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