基于“荷葉效應(yīng)”的抗蝕、耐久混凝土超疏水防護(hù)層

冉蕾　汪慧穎　劉浩

摘 要：我國沿海地區(qū)的構(gòu)筑物過早侵蝕破壞的例子很多，特別是上世紀(jì)80年代前建成的沿海構(gòu)筑物，使用不到10年其中50%就發(fā)生破壞。按現(xiàn)行我國規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)施工的海洋混凝土構(gòu)筑物的服役壽命難以滿足50年以上，其實(shí)際服役壽命只有約30年。我們通過觀察荷葉表層膜的疏水性效應(yīng)受到啟發(fā)，在混凝土表面創(chuàng)造類似于荷葉表面的納微米結(jié)構(gòu)，使水珠不能侵入混凝土內(nèi)部。

關(guān)鍵詞：基材的透氣性；阻止對水的毛細(xì)吸收；滲透進(jìn)內(nèi)部形成膜；更薄，更環(huán)保，穩(wěn)定性也更強(qiáng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.088

1 硅烷超疏水防護(hù)層的作用機(jī)理和可行性

（1）通過硅溶膠加助劑涂刷在混凝土表面后，形成納微級粗糙表面，在涂刷硅烷，讓混凝土表面形成一層憎水膜。

（2）混凝土表面有許多毛細(xì)孔，硅烷是小分子物質(zhì)，可以比較容易滲透進(jìn)入毛細(xì)孔，在孔的內(nèi)壁形成一層憎水膜，使混凝土的內(nèi)部空隙也能都疏水。

（3）混凝土超疏水防護(hù)膜能夠在常規(guī)條件下進(jìn)行，即使是條件艱苦的工地上也能加工。不需要其他的外部條件也能夠表現(xiàn)出超疏水的效果。

（4）超疏水防護(hù)膜能夠牢固附著在混凝土上。反應(yīng)方程如下：

Ca（OH）2+Na2Sio3→CaSio3↓+NaOH

Sio2·nH2o+nSiH4→Sio2·SiH4+H2o

2 硅烷超疏水防護(hù)層的創(chuàng)新和優(yōu)勢

（1）超疏水膜以與荷葉表層膜類似的特性隔絕了水以及被水溶解的氯離子、硫酸根離子等有害離子，這有效的降低了自然界對混凝土的侵蝕，大大提高了混凝土的使用壽命。

（2）相比市面上現(xiàn)有的涂層，一般干膜厚度為50—200um，但是該膜涂層最后的厚度低至100nm。并且現(xiàn)有的涂層許多都是大分子結(jié)構(gòu)，涂刷混凝土表面后只附著于表面不能滲透進(jìn)去，涂覆于混凝土表面后，堵住了混凝土的孔洞來防止水及其有害離子的入侵。但是這樣易脫落使用壽命不長，有很大的缺陷。超疏水膜則是滲入擴(kuò)散到內(nèi)部形成膜，這就大大的增強(qiáng)了其疏水效果且延長了使用壽命，同時(shí)不會(huì)堵塞混凝土的毛細(xì)孔，從而不會(huì)影響混凝土的透氣性，提高混凝土的抗?jié)B能力。

（3）該膜易于施工，對操作要求不高，可以在工地上得到廣泛的應(yīng)用。

（4）薄膜的厚度比現(xiàn)有市面上的更薄，所以成本也就更低，更易接受。

3 硅烷超疏水防護(hù)層的科學(xué)理論依據(jù)

（1）達(dá)到超疏水效果必須要有納米和微米的粗糙表面和表面疏水兩個(gè)條件。而且超疏水防護(hù)膜據(jù)有較低的表面能，水在防護(hù)膜表面只能以球狀小水滴的形式存在。

（2）溶液與混凝土的接觸角大于90°時(shí)為疏水，大于150°時(shí)為超疏水。硅烷涂層在硅酸鹽基材表面和毛細(xì)孔內(nèi)壁形成憎水薄膜，使得基材表面的性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而阻止毛細(xì)孔對水的毛細(xì)吸收作用，達(dá)到防水和提高混凝土耐久性的目的。

（3）極性化合物在水中的溶解度非常小，與水混合時(shí)會(huì)形成互不相溶的兩相，即非極性分子有離開水相進(jìn)入非極性相的趨勢，即所謂的疏水性，非極性溶質(zhì)與水溶劑的相互作用則稱為疏水效應(yīng)。而具有腐蝕性的離子都溶解在水中，由于硅烷形成的疏水膜作用，隔斷水載離子與混凝土接觸 ，從而達(dá)到防護(hù)效果。

4 實(shí)驗(yàn)對比

4.1 不涂刷防水劑

很明顯混凝土的極性表面與水滴接觸良好，水滴充分鋪展在混凝土的表面，混凝土表現(xiàn)出較強(qiáng)的親水性。混凝土表面有許多微小的孔洞，由于毛細(xì)現(xiàn)象混凝土?xí)⑺肿游肟锥?，水分也借機(jī)從連通孔滲透到混凝土內(nèi)部。各種有害離子（氯離子、硫酸根離子等）就會(huì)借機(jī)進(jìn)入混凝土內(nèi)部，而且混凝土內(nèi)部本身也有許多有害離子，大量水分的進(jìn)入為有害離子與混凝土的有效成分反應(yīng)提供了溶液的環(huán)境，從而大大降低混凝土的耐久性。

4.2 涂刷新型涂層（硅溶膠5g+十八烷基三甲基溴化銨0.027g（2%的硅溶膠質(zhì)量）+乙醇10g）

十六烷基三甲氧基硅烷水解后，成為了具有3個(gè)官能度的十六烷基硅醇，也就是具有了三個(gè)端羥基。硅烷首先與水發(fā)生水解反應(yīng)脫去醇，形成三維交聯(lián)有機(jī)硅樹脂，該結(jié)構(gòu)具有網(wǎng)狀立體構(gòu)象。然后十六烷基三甲氧基硅烷的水解縮聚產(chǎn)物接在具有四個(gè)官能度的正硅酸醇。在一定條件下， 建材表面的硅羥基與有機(jī)硅膜中的硅羥基發(fā)生縮合反應(yīng)， 形成化學(xué)鍵， 使有機(jī)硅膜牢固地附著在建材制品表面，具有更強(qiáng)的防水效果。

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