硅烷乳液憎水剂用量对混凝土性能的影响研究.pdf

工程设备与材料 107工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月摘要：文章主要研究了不同用量的硅烷乳液憎水剂对混凝土性能的影响，探索改良混凝土性能的配料方法。具体而言，在混凝土基础制备过程中，调整硅烷乳液憎水剂掺量。制备 4 组试验试件，其中硅烷乳液与混凝土的质量比分别为 1.0%、1.5%、2.0%及空白组，对四组试验试件分别开展力学性能、防水性能、抗碳化、抗冻融测试。试验测试结果显示：硅烷乳液憎水剂用量越高，混凝土力学性能与抗冻融性能越差，但是 1.5%硅烷乳液憎水剂混凝土具有良好的防水性与抗碳化性能，该试件能抵御水分下渗至混凝土，水体能直接从混凝土表面流失且带走灰尘，达到良好的冲洗清洁效果。因此，适量使用硅烷乳液憎水剂能提升混凝土的耐久性与防水性。关键词：硅烷乳液；憎水剂；混凝土；性能强度；防水性能；抗碳化Abstract:The influence of different dosages of silane emulsion hydrophobic agent on concrete performance were studied,and the batching methods of improving the concrete performance were explored.Specifically,in the process of concrete foundation preparation,the dosage of silane emulsion hydrophobic agent is adjusted.Four groups of test specimens were prepared,in which the mass ratios of silane emulsion to concrete were 1.0%,1.5%,2.0%and blank group respectively.The mechanical performance,waterproof performance,carbonation resistance and freeze-thaw resistance of the four groups of test specimens were tested respectively.The test results show that the higher the amount of silane emulsion hydrophobic agent is,the worse 硅烷乳液憎水剂用量对混凝土性能的影响研究贾晓光湖南省遥感地质调查监测所，湖南 长沙 410015Research on the Influence of the Dosage of Silane Emulsion Hydrophobic Agent on the Performance of ConcreteJIA XiaoguangHunan Remote Sensing Geological Survey and Monitoring Institute,Changsha 410015,Hunan,China035.DOI:10.19537/ki.2096-2789.2023.12.大量试验与实际应用证实，混凝土是一种经济性较高且用途多样的建筑施工材料。使用混凝土作为原材料的工程会长时间暴露在自然环境中，空气、水体均可侵蚀混凝土建筑结构，处于该环境中的混凝土建筑遭受较大考验，混凝土结构的耐久性及其他物理性能均遭受威胁，因此世界各国的相关研究者都致力于研究如何提高混凝土的性能与耐久性。从部分发达国家的研究成果1-2可以看出，混凝土耐久性与其他性能不佳给政府造成了严重经济损失。部分资料3-4显示，每年混凝土建筑、公路、桥梁出现腐蚀和损坏造成的经济损失超过 700 亿美元，全国 55 万座混凝土桥梁中，超过 50%都发生过严重破损、腐蚀等物理性破坏。为保证建筑物的使用安全性，需要投入大量人力、物力实行修复、加固5-6。部分混凝土建筑、桥梁修建在海洋附近或寒冷地带，一方面受到海洋物理特征的严重作者简介：贾晓光，男，本科，高级工程师，研究方向为工程质量检测。the mechanical performance and freeze-thaw resistance of concrete are,but the 1.5%silane emulsion hydrophobic agent concrete has good waterproof and carbonation resistance.The specimen can resist water infiltration into the concrete,the water can directly drain from the concrete surface and take away dust to achieve a good washing and cleaning effect.Therefore,the appropriate use of silane emulsion hydrophobic agent can improve the durability and waterproof performance of concrete.Key Words:silane emulsion;hydrophobic agent;concrete;performance strength;waterproof performance;carbonation resistance分类号：TU57+2工程设备与材料 1082023 年 第 12 期 总第 140 期 工程技术研究腐蚀，另一方面受冻融环境的循环破坏。部分海岸线较为发达的国家，每年修复海洋气候腐蚀的混凝土建筑要投入超过 70 亿美元。亚洲多个国家研究结果与西方国家的研究成果类似，我国对混凝土材料的研究起步较晚，20 世纪末期，首次统计混凝土建筑、桥梁长期使用后发生的损坏情况，统计结果显示，当时约有7 000 座桥梁出现耐久性较差的问题，占全国桥梁总数的 20%。这些桥梁使用时间不足 20 a，部分靠近海湾的桥梁出现严重混凝土侵蚀问题，安全隐患较为严重7。硅烷乳液憎水剂是一种新型防水材料，在混凝土中掺加适量硅烷乳液憎水剂，能使其附着在混凝土的毛细孔壁上，提升混凝土的防水性，优化混凝土的性能，使混凝土建造的建筑和桥梁更耐用、耐久与抗冻8-9。因此，文章研究了在混凝土中添加硅烷乳液憎水剂，以改善混凝土的相关性能，提升混凝土的使用年限，保证混凝土建筑的质量，节约建筑、桥梁修补造成的财政开销。1 材料方法1.1 材料与仪器设备（1）材料。水泥：山西省太原市固维材料科技有限公司，符合混凝土外加剂（GB 80762008）标准，属于常见基础水泥。粗骨料：郑州康辉耐材有限公司，平均粒径为 15 25 mm。细骨料：石英砂，宁寿县安宏新型建材有限公司，细度模数为 2.44。消泡剂：河南子诺化工产品有限公司。硅烷乳液：50%有效成分含量，鹤山市金润纳新型材料有限公司，通过激光粒度分析仪测量得到平均粒径为 1.16 m，粒子电位为-52.5 mV。减水剂：45.2%有效成分，潍坊菲林新材料科技有限公司。增稠剂：洛阳信铭化工产品有限公司。去离子水：山东菲特化工科技有限公司。环氧树脂：和别俊鑫环保材料有限公司。（2）仪器设备。LS-609 激光粒度分析仪：北京海鑫瑞科技有限公司。卧轴强制式混凝土搅拌机：容量为 100 L。600-up 振动台：沧州极光试验仪器有限公司。100T 电液伺服压力试验机：献县科宇高铁仪器设备厂。FA2004 电子天平：北京朗科兴业称重设备有限公司。HTX-GB 标准碳化箱：河北精弘工程仪器有限公司。SZ7 微型数码显微镜：颍上乐投科技发展有限公司。1.2 混凝土配制（1）水泥原料化学成分。文章选用的水泥中化学成分质量分数如表 1 所示。从表 1 中可看出，文章选用的水泥中 CaO 与 SiO2的含量最高，这些成分不易与硅烷乳液发生反应10，适合制备混凝土。（2）混凝土制备。确定混凝土的水灰比为 0.4。为验证硅烷乳液掺量对混凝土性能的影响，按照水泥与硅烷乳液不同质量比制备混凝土，该质量比分别为1.0%、1.5%、2.0%，同时制备不含有硅烷乳液的空白组作为对照组。混凝土配制过程中，考虑实际浆体流动性，确定消泡剂和减水剂的用量，当搅拌混凝土不再出现显著气泡时，便可以停止添加消泡剂，通过测量，浆体的流动度不超过 250 mm 时方可停止添加减水剂，使用增稠剂抑制浆体常见的泌水现象，获得最佳混凝土制备结果。混凝土成分比例如表 2 所示。表 2 混凝土成分比例化学成分质量分数CL-0.01%游离氧化钙（f-CaO）0.89%SO30.46%Na2Oeq0.50%MgO2.39%CaO65.99%Fe2O33.53%AL2O34.72%SiO222.63%表 1 水泥中化学成分质量分数组成成分0%硅烷乳液掺量质量分数1.0%硅烷乳液掺量质量分数1.5%硅烷乳液掺量质量分数2.0%硅烷乳液掺量质量分数水/（kgm-3）181.12178.32175.84168.73水泥/（kgm-3）460.00460.00460.00460.00粗骨料/（kgm-3）991.82990.51988.55986.46细骨料/（kgm-3）779.52778.54777.33775.35减水剂/（kgm-3）0.410.410.410.41消泡剂/（kgm-3）0.550.841.121.34增稠剂/（kgm-3）0.310.310.310.31依据表 2 的混凝土配比，将各原料置于卧轴强制式混凝土搅拌机，充分搅拌后置于规格为 150 mm 150 mm150 mm 的模具中。将各混凝土浆体试件置于振动台上振动到泛浆，利用抹刀抹平泛出部分。为使各试件充分凝固，将各模具中的混凝土静置两天两夜，得到不同硅烷乳液掺量的混凝土试件。试件制备完成后，使用环氧树脂涂覆试件表面，充分养护试件表面，静置养护 1 d 后，设定标准养护箱的温度与湿度分别工程设备与材料 109工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月为 20 和 95%以上，将各涂覆环氧树脂的试件置于标准养护箱，充分养护试验龄期后取出。将各试件在室温环境中静置 168 h 后开展后续试验，保各混凝土试件充分缩聚与水解。按照表 2 中硅烷乳液掺量划分，各试件的编号分别为试件 1（0%硅烷乳液掺量质量分数）、试件 2（1.0%硅烷乳液掺量质量分数）、试件 3（1.5%硅烷乳液掺量质量分数）、试件 4（2.0%硅烷乳液掺量质量分数）。1.3 性能试验（1）强度性能测试。以混凝土物理力学性能试验方法标准（GB/T 500812019）为参考，各混凝土充分养护后通过电液伺服压力试验机测试各试件的力学性能测试结果。为使试验结果更准确，每组试件开展 5 次试验，取多次试验的平均值作为最终试验结果。（2）吸水性能测试。通过毛细吸水率试验测试不同掺量硅烷乳液的吸水率情况。使用电子天秤称量各试件未吸水状态下的质量。在干燥水槽中布置一个支架，将不同试件分别置于该支架上，向水槽中缓慢注水，待水位超过试件高度 6 mm 时停止11-12。将试件充分浸泡在水体中，初始浸泡时间为 12 h，每间隔 2 h称量一次试件质量，在浸泡 18 h、24 h、36 h 时分别称量试件质量，由此得到不同浸泡时间下各试件的毛细吸水量。为确定不同硅烷乳液掺量下混凝土的自清洁性能，使用水管直接冲洗各试件，观察各试件的渗水情况。使用试管向各试件表面点滴小液滴，使用微型数码显微镜放大拍摄各试件表面液滴凝结情况，并通过计算获得各试件湿润边角弧度转换角度，以及各试件入渗情况。湿润边角计算公式如下：()2arctan 2/h D=（1）式中：为湿润边角；h 为混凝土表面液滴高度；D为液滴与混凝土接触部分的直径。（3）抗碳化性能。在自然环境中，空气中的二氧化碳与混凝土中的氯酸钙及氢氧化钙出现反应，最终形成碳酸钙，这类碳酸钙会影响混凝土的性能，被称为混凝土的碳化。混凝土建筑、桥梁长期使用都会发生碳化，是自然环境下产生的化学腐蚀情况。空气湿度、温度、二氧化碳浓度及混凝土制备过程中各材料的用量都会影响混凝土碳化情况。为测试各试件的抗碳化性能，将各试件置于标准碳化箱，分别记录不同碳化时间下各试件的碳化深度13-15。（4）抗冻融性能。硅烷乳液混凝土具有较好的防水性，不易开展抗冻融试验，因此要在上文试验基础上选择饱水状态的各试件开展该试验。擦拭试件表面确保没有水分残留，抗冻性能测试初始值为测试得到的试件原始自振频率，把试件置于水槽，缓慢注入淡盐水，水体模仿海水成分，确保水土淹没试件 10 mm以上；循环冻结、融化各试件，每循环 15 次记录 1 次试件的自振频率。各阶段自振频率计算公式如下：()220/100%nnPff=（2）式中：Pn为自振频率；n 为循环冻融次数；fn为冻融次数的自振频率；f0为试件未发生循环冻融的自振频率。2 结果分析2.1 硅烷乳液掺量差异对混凝土强度性能影响不同硅烷乳液掺量的混凝土试件经过一段时间养护后，测试各混凝土试件的力学性能，混凝土测试结果如图 1 所示。养护龄期/d抗压强度/MPa35714212850152535455565试件1试件2试件3试件4养护龄期/d劈裂抗拉强度/MPa3571421281023456试件1试件2试件3试件4从图 1 中可看出，尽管随着养护龄期的增加，各试件的抗压强度与劈裂抗拉强度均保持上升趋势，但是与劈裂抗拉强度与未使用硅烷乳液的试件 1 相比，硅烷乳液的掺量越大，各试件的抗压强度越低。原因是硅烷乳液能抑制混凝土水化，降低混凝土的强度，因此尽管混凝土会随着养护时间增加而提升自身强度，但是各时间强度仍旧受不同程度的影响。2.2 硅烷乳液掺量差异对混凝土吸水量影响测量各试件在不同浸泡时间段下的毛细吸水量，如图 2（见下页）所示。（a）抗压强度变化趋势（b）劈裂抗拉强度图 1 强度测试结果养护龄期/d141477553321212828养护龄期/d工程设备与材料 1102023 年 第 12 期 总第 140 期 工程技术研究由图 2 可知，随着在水中浸泡时间的增加，各试件的毛细吸水量均保持上升趋势，尤其是浸泡的最初2 h，各试件都出现了毛细吸水量快速增长的趋势，其中以空白对照组试件 1 的吸水情况最严重，硅烷乳液掺量为 1.5%的试件 3 吸水情况最轻微。通过这一变化趋势可以确定，硅烷乳液能在一定程度上抑制混凝土的吸水情况，但是并不是硅烷乳液掺量越多，吸水效果越好，这主要是由于硅烷乳液会与混凝土相结合产生有效的防水层，但是大量使用硅烷乳液不能提升防水层厚度，对混凝土防水也没有帮助，反而会破坏混凝土中的防水层，因此要适量使用硅烷乳液。利用水管中的流动水直接冲刷各试件表面，冲刷时间均设定为 20 min，冲刷结束后，各试件表面情况如图 3 所示。从图 3 中可看出，使用硅烷乳液能帮助混凝土表面形成超疏水层，有效防止水分子渗入，提升混凝土的防水性能。与未使用硅烷乳液的空白组相比，不同掺量硅烷乳液的混凝土受流动水长时间冲刷仅在试件表面出现湿润情况，不会像试件内部下渗，硅烷乳液掺量为 1.5%的试件 3 几乎没有出现明显湿润情况。混凝土表现的超疏水性还能在冲刷过程中洗刷掉附着于混凝土表面的尘埃，实现自清洁。将相同质量、成分的小液滴施加在各试件表面，从微观角度分析混凝土的防水性能，数码显微镜拍摄效果如图 4 所示。通过测量获得各试件上液滴的基本参数，利用这些参数计算不同试件的湿润边角，并将计算结果向角度转换，得到试件 1 的角度为 35，试件 2 的角度为113.8，试件 3 的角度为 115.9，试件 4 的角度为113.3。由此可以确定，与试件 3 相比，试件 2 的小液滴高度稍低，但是总体差异不大，使用硅烷乳液的试件液滴明显高于试件 1，说明使用硅烷乳液能直接图 2 不同浸泡时间下各试件吸水量图 3 混凝土自清洁性能试验结果（a）试件 1（c）试件 3（d）试件 4（b）试件 2图 4 硅烷乳液掺量查一下混凝土表面液滴情况（a）试件 1（a）试件 3（a）试件 1（a）试件 4提升混凝土的防水性能。2.3 硅烷乳液掺量差异对混凝土抗碳化性能影响各试件在标准碳化试验机中养护一段时间后，测浸泡时长/h毛细吸水量g/m2246810123000060009000120001500018000182436试件1试件2试件3试件4浸泡时长/h试件 1试件2试件3试件418 00015 00012 0009 0006 0003 000010864212182436毛细吸水量/（gm-2）工程设备与材料 111工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月量其碳化深度，统计结果如表 3 所示。表 3 各试件不同碳化时长下碳化深度3 结束语文章主要测试了硅烷乳液憎水剂用量对混凝土性能强度的影响，从多个角度开展试验，研究不同掺量硅烷乳液下混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、吸水性能、抗碳化性能及抗冻融性能，测试结果显示：使用硅烷乳液会降低混凝土的强度与抗冻性能，但是能极大地提升混凝土的防水性能，因此要适当调整硅烷乳液的用量，确保混凝土性能不被破坏。今后可以尝试使用硅烷乳液的同时添加其他试剂，既保证混凝土防水性能提升，又有良好的力学性能，进一步延长混凝土的使用寿命。参考文献1 喻建伟,张朝阳,孔祥明,等.内掺硅烷乳液憎水剂对混凝土性能的影响J.硅酸盐学报,2021,49(2):372-380.2 高菁,李绍纯,张伟锋,等.异丁基三乙氧基硅烷复合乳液对泡沫混凝土防水性能的影响J.涂料工业,2020,50(5):2-6,13.3 马原.水性硅烷混凝土防腐乳液的制备及性能研究J.中国胶粘剂,2020,29(1):32-36.4 季天一,耿飞,陈莘,等.测试方法对透水混凝土性能影响的试验研究J.建筑技术,2019,50(1):110-112.5 高延红,汪蒙,周晓芸,等.粉煤灰掺量对混凝土氯离子扩散性能稳定时间的影响及机理J.自然灾害学报,2020,29(6):30-40.6 曹润倬,周茗如,周群,等.超细粉煤灰对超高性能混凝土流变性、力学性能及微观结构的影响J.材料导报,2019,33(16):2684-2689.7 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硅烷乳液掺量差异对混凝土抗冻融性能影响经过冻融循环试验获得不同硅烷乳液掺量下的混凝土自振频率变化情况，结果如表 4 所示。表 4 不同掺量硅烷乳液混凝土自振频率 单位：Hz从表 4 中可看出，随着冻融循环次数的增加，各使用硅烷乳液的混凝土试件自振频率保持下降趋势，说明使用硅烷乳液会降低混凝土的抗冻融性能，且硅烷乳液用量与抗冻融水平成反比，这主要是由于使用硅烷乳液会降低混凝土湿化能力，增强防水能力，导致混凝土强度与抗冻性降低。为确保混凝土正常使用，可以适当减少硅烷乳液用量。循环次数试件 1 自振频率试件 2 自振频率试件 3 自振频率试件 4 自振频率 15100100100100 30 95 89 87 88 45 92 85 81 83 60 91 78 76 77 75 89 72 69 71 90 87 69 64 65105 86 63 59 62120 85 57 55558