疏水劑對(duì)高強(qiáng)度混凝土抗凍性的影響實(shí)驗(yàn)

王輝 顧俊

摘要：針對(duì)當(dāng)前建筑施工中面臨的復(fù)雜化學(xué)環(huán)境，結(jié)合混凝土腐蝕滲透原理，制備一種疏水性的高強(qiáng)度混凝土。為驗(yàn)證混凝土的抗凍性，采用試驗(yàn)對(duì)比的方式，在實(shí)驗(yàn)中中加入十三氟辛基三乙氧基硅烷疏水劑，在對(duì)照組中不摻入疏水劑，并通過(guò)樣品表征和抗凍性性對(duì)混凝土表面疏水性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，水灰比為0.45，十三氟辛基三乙氧基硅烷質(zhì)量比為0.24%時(shí)，得到的滾動(dòng)角低于10°，此時(shí)滿足疏水性要求。同時(shí)通過(guò)X衍射光譜圖和電子圖分析，得到疏水性混凝土表明含有疏水的官能團(tuán)，極大降低了混凝土表面能。最后，通過(guò)抗凍性能測(cè)試，驗(yàn)證疏水混凝土擁有良好的抗凍性。

關(guān)鍵詞：疏水劑;官能團(tuán);高強(qiáng)度混凝土;抗凍性

中圖分類號(hào)：TQ437文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）07-0142-04

隨著現(xiàn)代施工技術(shù)的深入推廣，對(duì)大體積混凝土的施工要求越來(lái)越高。特別是在深基坑大體積混凝土施工中，混凝土面臨著更為復(fù)雜的的環(huán)境。如在深基坑中，大體積混凝土受到水的侵蝕，水中含有Cl^-和SO₄^2-離子，長(zhǎng)期在深基坑中侵蝕，使得Cl^-和SO₄^2-離子滲入混凝土內(nèi)部，從而給混凝土造成嚴(yán)重的腐蝕。當(dāng)前，針對(duì)該問(wèn)題的解決方案，大部分集中在對(duì)腐蝕機(jī)理等方面人手，如熊曉強(qiáng)（2018）在發(fā)表的文章中，采用化學(xué)滴定的方法就硫酸鹽對(duì)混凝土的腐蝕進(jìn)行了研究，并得出其內(nèi)在的腐蝕原理;李文莉（2018）則針對(duì)海洋環(huán)境對(duì)混凝土的腐蝕進(jìn)行了歸納，包括氯離子、硫酸鹽離子等各類腐蝕。但是歸納上述的研究中，大部分是從改變配合比，或者是加入防腐蝕的化學(xué)試劑，進(jìn)而提高混凝土的防腐蝕性能。而歸納來(lái)講，造成上述的原因，是因?yàn)樗臐B透，繼而造成混凝土的化學(xué)腐蝕。所以，要解決上述的問(wèn)題，如果能減少水在混凝土中低滲透，勢(shì)必會(huì)減少氯離子等對(duì)混凝土的腐蝕。由此，提出一種疏水的高強(qiáng)度混凝土，以解決當(dāng)前深基坑施工環(huán)境問(wèn)題，提高深基坑混凝土質(zhì)量。

1 試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)材料與儀器

選產(chǎn)自新疆烏魯木齊某水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥，其物理性能和力學(xué)性能如表1所示。

細(xì)砂：主要成分SiO₂，含泥量大于98%，粒數(shù)大小為20～60目;

疏水劑：十三氟辛基三乙氧基硅烷（分子式：C₁₄H₁₉F₁₃O₃Si）;生產(chǎn)廠家為曲串晨光化工有限公司

立式電動(dòng)攪拌機(jī)：HLA-KJ，遼寧豪耐思石化裝備有限公司

電子天平：上海添時(shí)科學(xué)儀器，型號(hào)為FA201MB。

1.2試驗(yàn)方法

首先制備混凝土。為了更好的對(duì)比本文實(shí)驗(yàn)制備的混凝土在抗凍方面的優(yōu)勢(shì)，分別制備空白對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組。兩組制備的步驟基本類似：

1）稱取P.042.5水泥，與細(xì)砂置于燒杯中均勻混合，并加入自來(lái)水進(jìn)行攪拌，以形成混凝土泥漿;

2）向兩組實(shí)驗(yàn)中分別不加入和加入氟硅烷，并在加入后置于立式攪拌器下進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為lh;

3）將攪拌后的混凝土倒人模具中，并用銅網(wǎng)進(jìn)行覆蓋;

4）待混凝土硬化后，去掉銅網(wǎng)，從而得到制備好的兩組樣品。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1混凝土最佳配比

高強(qiáng)度混凝土的最佳配比中，水灰比設(shè)定為0.45的時(shí)候，得到的混凝土性能較好。文章主要的試驗(yàn)?zāi)康?，是在不同疏水劑下，混凝土的最佳疏水性能。氟硅烷作為一種低表面修飾材料，可改變混凝土表面的濕潤(rùn)性的問(wèn)題。由此，合適的添加量，可提高混凝土表面的濕潤(rùn)性。而為了減少實(shí)驗(yàn)步驟，文章在設(shè)計(jì)之初，水灰比選擇0.45，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C60，研究在不同疏水劑用量下混凝土的疏水性能。而在疏水性的衡量中，混凝表面的超疏水接觸角與滾動(dòng)角是參考的重要指標(biāo)。由此設(shè)計(jì)試驗(yàn)配比方案，如表2所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，得到圖1和圖2在不同摻量下的混凝土表面疏水滾動(dòng)角和接觸角。

通過(guò)上述的結(jié)果可以看出，在不同的摻量下，混凝土的表面的疏水滾動(dòng)角和接觸角各有不同。從圖1的結(jié)果看出，當(dāng)氟硅烷的摻量在0.08%-0.3%的區(qū)間下，其表明接觸角從149.6°變化到156°，接觸角有一定的增加，但是變化幅度都不明顯;而當(dāng)摻量在0.04～0.16的情況下，混凝土表面滾動(dòng)角沒(méi)有出現(xiàn)變化，當(dāng)超過(guò)O.16%的時(shí)候，開(kāi)始逐步減小，并在0.3%的情況下，達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)的滾動(dòng)角為5.4。實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，在滾動(dòng)角角度小于10°的情況下，滿足疏水性的要求。由此，可以得出，當(dāng)摻量在0.24%的時(shí)候，其滾動(dòng)較為6.1°，小于于10°，說(shuō)明在含量為0.24%的時(shí)候，則滿足了疏水性的要求。

由此，根據(jù)上述的結(jié)果，得到最佳的混凝土配合比：水灰比為0.45，疏水劑質(zhì)量百分比為0.24%。

2.2混凝土微觀形貌

使用SEM電子顯微鏡觀察制備的疏水混凝土，得到實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組兩種不同混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，具體見(jiàn)圖3和圖4所示。

通過(guò)上述的微觀形貌看出，普通混凝土的表面存在較為密集的立方體結(jié)構(gòu)。而在摻入疏水劑的混凝土表面，僅存在微微凸起的粗糙結(jié)構(gòu)。根據(jù)Wenzel模型原理，越為粗糙的混凝土表面，其親水性更高。所以從微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看，摻入疏水劑的混凝土疏水性更佳。

2.3表面結(jié)構(gòu)分析

用X射線衍射儀對(duì)制備的材料表征進(jìn)行分析，得到圖5和圖6的元素分析圖譜。

通過(guò)上述的結(jié)果看出，兩者表面的晶體種類，說(shuō)明在摻入疏水劑后，并沒(méi)有改變混凝土表面的晶體結(jié)構(gòu)與種類。

2.4混凝土表面化學(xué)元素分析

文中，摻入適量的疏水劑，其主要的目的是降低混凝土材料表明能，從而使得混凝土從原來(lái)的親水變?yōu)槭杷?。研究認(rèn)為，之所以十三氟辛基三乙氧基硅烷具有良好的疏水性，其主要的原因與其中的C-F鍵和所形成的表面能有很大的關(guān)系。部分學(xué)者認(rèn)為，C-F鍵越多，得到的表面能就越低。如-CF2-基團(tuán)所擁有的表明能在18mJ/m²，-CF3表面能更低。因此，要驗(yàn)證十三氟辛基三乙氧基硅烷對(duì)混凝土疏水性的影響，只需要分析其表面的，-CF3基團(tuán)、-CF2-基團(tuán)等。而通過(guò)X射線光電子能譜分析，得到如圖7和圖8的化學(xué)結(jié)果組成分析結(jié)果。

通過(guò)上述的結(jié)果看出，普通混凝土表明不存在F元素，所以不可能存在-CF3等基團(tuán)。而疏水性的混凝土中含有F離子，則結(jié)論認(rèn)為可能存在-CF3等基團(tuán)。

3疏水性能分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述制備的混凝土性能，本文采用凍融實(shí)驗(yàn)對(duì)混凝土性能進(jìn)行驗(yàn)證。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程參照GBT50082-2009的標(biāo)準(zhǔn)要求，在冷凍和融化中，分別放在-18℃±2℃和5℃±2℃的溫度下進(jìn)行循環(huán)凍融，最后測(cè)量?jī)鋈诤蟮馁|(zhì)量損失率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到圖9的結(jié)果。

通過(guò)上述的結(jié)果看出，在不同凍融系數(shù)下，混凝土的質(zhì)量損失率變化趨勢(shì)不同。普通混凝土的變化趨勢(shì)是質(zhì)量損失率一直在上升，并在凍融110次左右后，損失達(dá)到7%;而疏水混凝土來(lái)講，在凍融的初期，其質(zhì)量損失不升反降，并且在超過(guò)110次后，其質(zhì)量損失率也要明顯小于普通混凝土的損失率。說(shuō)明疏水性混凝土具有較好的抗凍性能。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述的試驗(yàn)看出，結(jié)合當(dāng)前在混凝土制備研究的主流方向，提出在混凝土中加入十三氟辛基三乙氧基硅烷，并通過(guò)表征性能和抗凍性能等，驗(yàn)證了上述制備的這種疏水性高強(qiáng)度混凝土具有很好的性能。而之所以在加入十三氟辛基三乙氧基硅烷會(huì)提高混凝土的疏水性，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是十三氟辛基三乙氧基硅烷中含有-CF3等官能基團(tuán)，通過(guò)該官能基團(tuán)，大大降低了混凝土表面能，進(jìn)而提高了其疏水性，降低了親水性。但是該材料還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證，包括抗腐蝕性、抗壓性等。