環(huán)保型超疏水混凝土制備工藝優(yōu)化及其在渠道襯砌工程中的應(yīng)用

于 梅

(遼寧石佛寺供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

混凝土作為水利工程建設(shè)的主要材料之一，具有易澆筑、強(qiáng)度大、耐磨損等諸多優(yōu)良性能[1]。但對(duì)于北方寒區(qū)的渠道襯砌結(jié)構(gòu)，采用普通混凝土結(jié)構(gòu)存在抗腐蝕性、抗凍性差的問(wèn)題[2]。超疏水表面作為極端濕潤(rùn)性表面，在耐腐蝕、自清潔、抗結(jié)冰結(jié)霜方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，在水工建筑領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛[3]。目前，在超疏水混凝土制備方面主要采取實(shí)施表面超疏水涂層處理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面進(jìn)行了諸多理論研究和試驗(yàn)探索。Ismael在研究中將甲基硅氧烷與聚甲基醇纖維配置的超疏水溶液噴涂在混凝土表面，發(fā)現(xiàn)超疏水涂層可以顯著提升混凝土的耐久性[4]。Horgnies通過(guò)向混凝土表面噴涂有機(jī)硅氧烷聚合物，獲得接觸角高達(dá)164°的超疏水表面[5]。Edao研究了丙烯酸與硅樹(shù)脂合成的疏水性涂層兩種疏水層涂料在氯化水汽暴露50 d內(nèi)均能有效降低氯滲透[6]。江雷院士首次提出了超疏水表面研究領(lǐng)域的“二元協(xié)同理論”，以大幅提升材料的接觸角[7]。韓金正在研究中以“二元協(xié)同理論”為基礎(chǔ)通過(guò)在混凝土表面覆蓋紫銅網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)混凝土表面的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，最終制備出接觸角為154.2°的超疏水高強(qiáng)混凝土[8]。參考上述研究成果，本文展開(kāi)基于橡膠再生混凝土的環(huán)保型超疏水混凝土制備工藝研究，提升渠道襯砌結(jié)構(gòu)的防滲和抗凍脹性能，為寒區(qū)輸水渠道建設(shè)提供必要的技術(shù)保障。

1 混凝土基體的制備

基體混凝土用水泥為宏達(dá)水泥廠生產(chǎn)的P·C 32.5 硅酸鹽水泥；砂為細(xì)度模數(shù)2.75的天然河沙，表觀密度為2.56 g/cm3；再生骨料為廢棄混凝土破碎分級(jí)產(chǎn)生的再生粗骨料，橡膠為唐山新立有限公司生產(chǎn)的粒徑60目橡膠；混凝土改性劑為南通新宇高科技產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的KH-570硅烷偶聯(lián)劑；水為普通自來(lái)水。

根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50600—2010)的相關(guān)要求，本次試驗(yàn)的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C25；水灰比為0.5，砂率為0.3，橡膠粉摻量為5%，為了提升水泥基體與橡膠的結(jié)合度，采用KH-570硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行改性。按照上述配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行混凝土試件的成型，然后按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件養(yǎng)護(hù)。

2 環(huán)保型超疏水混凝土制備工藝優(yōu)化

以相關(guān)研究成果為基礎(chǔ)，提出兩種環(huán)保型超疏水混凝土制備工藝方案[9]。工藝方案一通過(guò)在橡膠混凝土試件的表面覆蓋紫銅網(wǎng)，然后浸漬不同濃度的氟硅烷，形成低表面能的環(huán)保超疏水混凝土。工藝方案二在橡膠混凝土試件的表面覆蓋不同細(xì)度模數(shù)的砂漿，然后浸漬氟硅烷，形成低表面能的環(huán)保超疏水混凝土，通過(guò)對(duì)比研究，獲得最佳參數(shù)。

2.1 工藝方案一的優(yōu)化研究

工藝方案一所用的材料有不同孔徑的紫銅網(wǎng)、不同濃度的氟硅烷溶液。工藝優(yōu)選的主要指標(biāo)為混凝土表面的接觸角，優(yōu)選的主要變量為紫銅網(wǎng)的孔徑和氟硅烷的濃度。結(jié)合相關(guān)學(xué)者的研究成果，選擇無(wú)紫銅網(wǎng)以及80目、120目、150目、180目的紫銅網(wǎng)，選擇0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%五種氟硅烷的密度進(jìn)行試驗(yàn)研究，以獲取性能優(yōu)異的環(huán)保超疏水混凝土。

為了研究紫銅網(wǎng)目數(shù)以及氟硅烷濃度兩個(gè)參數(shù)對(duì)混凝土疏水性的影響，研究中利用單因素分析法進(jìn)行試驗(yàn)。采用德國(guó)的DSA100 接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)不同因素水平下混凝土試件表面的接觸角進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，以氟硅烷濃度為橫坐標(biāo)，以接觸角為縱坐標(biāo)，繪制出的氟硅烷濃度與混凝土表面接觸角之間的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 氟硅烷濃度和接觸角之間的關(guān)系曲線

由圖1可知，接觸角會(huì)隨著氟硅烷濃度的增加而增大，也就是說(shuō)隨著氟硅烷濃度的增加混凝土的疏水性能越來(lái)越好。在氟硅烷的濃度由0增大到1.5%過(guò)程中，各種目數(shù)紫銅網(wǎng)條件下接觸角的增加都比較迅速，對(duì)疏水性能的提升作用顯著。但是，氟硅烷的濃度從1.5%增大到2.0%時(shí)，接觸角的增長(zhǎng)量十分有限，最大增長(zhǎng)率也不足3%。鑒于氟硅烷的價(jià)格比較昂貴，且氟硅烷的濃度大于1.5%以后對(duì)接觸角的影響已經(jīng)不太明顯，因此建議氟硅烷的最優(yōu)摻量為1.5%。

為了獲得紫銅網(wǎng)孔目對(duì)接觸角的影響，研究中以紫銅網(wǎng)目數(shù)為橫坐標(biāo)，以接觸角為縱坐標(biāo)繪制出紫銅網(wǎng)孔目與接觸角之間的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 紫銅網(wǎng)孔目和接觸角之間的關(guān)系曲線

由圖2可知，接觸角的增長(zhǎng)率隨著紫銅網(wǎng)孔目的變化而呈現(xiàn)出不同的特征，沒(méi)有氟硅烷浸漬的情況下，接觸角隨著紫銅網(wǎng)孔目的增加而減小。其余氟硅烷濃度條件下，接觸角隨著紫銅網(wǎng)孔目的增加而增大，但是變化率均不超過(guò)10%，說(shuō)明紫銅網(wǎng)孔目并不是接觸角的主要影響因素，增加或減小紫銅網(wǎng)孔目對(duì)提升混凝土疏水性的作用極為有限。鑒于氟硅烷濃度為1.5%時(shí)，選擇孔目為150的紫銅網(wǎng)即可達(dá)到超疏水狀態(tài)，因此推薦孔目為150的紫銅網(wǎng)。

2.2 工藝方案二的優(yōu)化研究

雖然采用工藝方案一可以制備出超疏水混凝土，但是需要150孔目的紫銅網(wǎng)，由于孔目過(guò)小，在工程操作方面存在一定的困難。因此，工藝方案二提出砂漿抹面形成粗糙結(jié)構(gòu)，再對(duì)其表面施以氟硅烷浸漬，以獲取超疏水混凝土。

由工藝方案一的研究結(jié)果可知，用于浸漬混凝土表面的氟硅烷最佳濃度為1.5%。因此，在工藝方案二的優(yōu)化研究中，僅以砂的細(xì)度模數(shù)為變量進(jìn)行模擬研究。具體的試驗(yàn)方案為選擇細(xì)度模數(shù)分別為3.40、2.53和1.92的粗砂、中砂和細(xì)砂，配制成三種不同的砂漿對(duì)試件表面進(jìn)行抹面，分別記作A1、A2、A3，在砂漿表面浸漬氟硅烷，形成試件B1、B2和B3。對(duì)不同試件的表面接觸角進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在沒(méi)有使用氟硅烷溶液浸漬表面時(shí)，砂漿表面的接觸角均顯著<90°，屬于親水性表面。在使用1.5%氟硅烷溶液浸漬表面之后，三種細(xì)度模數(shù)砂的砂漿表面的疏水性能均有極大提升，特別是B3試件，接觸角達(dá)到了154.3°，達(dá)到了超疏水狀態(tài)。因此以細(xì)砂漿抹面并浸漬1.5%的氟硅烷溶液可以形成超疏水表面。

表1 接觸角與砂細(xì)度模數(shù)的關(guān)系

3 制備工藝優(yōu)選與應(yīng)用評(píng)價(jià)

3.1 制備工藝優(yōu)選

兩種制備超疏水環(huán)?；炷恋墓に嚪桨钢械谋砻娼佑|角均大于150°，兩種工藝相比較，工藝方案一的紫銅網(wǎng)孔目數(shù)為150，而混凝土的拌合材料粒徑較大，不易形成微粗糙結(jié)構(gòu)，而工藝方案二僅需要細(xì)砂漿抹面，即可形成比較充分的粗糙結(jié)構(gòu)表面，操作更為方便和簡(jiǎn)單。從耐久性方面來(lái)看，方案二采用細(xì)砂漿抹面，具有更好地耐久性。綜合考慮，推薦工藝方案二為最佳制備工藝方案。

3.2 環(huán)保超疏水混凝土的應(yīng)用價(jià)值分析

超疏水混凝土具有良好的抗凍、抗?jié)B性能，在寒區(qū)輸水渠道工程條件下具有良好的耐久性。但是，其工程應(yīng)用成本也是制約其應(yīng)用價(jià)值的重要因素[10]。因此，研究中對(duì)常用的渠道復(fù)合襯砌與超疏水混凝土襯砌的成本進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

表2 不同渠道襯砌每平米成本對(duì)比分析 元

由表2可知，環(huán)保超疏水混凝土相對(duì)于普襯砌結(jié)構(gòu)具有比較明顯的成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以達(dá)到良好的防滲和防凍脹效果，且施工方便，可以在我國(guó)寒區(qū)輸水渠道襯砌結(jié)構(gòu)施工中推廣使用。

4 結(jié) 論

(1)氟硅烷的濃度大于1.5%以后對(duì)接觸角的影響已經(jīng)不太明顯，因此氟硅烷的最優(yōu)摻量為1.5%；紫銅網(wǎng)孔目并不是接觸角的主要影響因素，增加或減小紫銅網(wǎng)孔目對(duì)提升混凝土疏水性的作用有限。

(2)在使用1.5%氟硅烷溶液浸漬表面之后，不同細(xì)度模數(shù)砂漿表面的疏水性能均有極大提升，其中細(xì)砂漿表面的接觸角為154.3°，達(dá)到了超疏水狀態(tài)。因此，選擇細(xì)砂漿抹面并浸漬1.5%的氟硅烷溶液可以形成超疏水表面。

(3)兩種工藝方案相比，工藝方案二在橡膠混凝土試件的表面覆蓋不同細(xì)度模數(shù)的砂漿后浸漬氟硅烷操作更為方便簡(jiǎn)單且具有更好地耐久性，因此推薦工藝方案二在最佳制備工藝方案。

(4)環(huán)保超疏水混凝土相對(duì)于普襯砌結(jié)構(gòu)具有比較明顯的成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以達(dá)到良好的防滲和防凍脹效果，且施工方便，可以在我國(guó)寒區(qū)輸水渠道襯砌結(jié)構(gòu)施工中推廣使用。