憎水性復(fù)合砂漿材料表面排水性能試驗研究

稅 歡 李 龍 易虹宇 鄭 茂 顏川奇

(1.中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司 成都 610081； 2.中建西南咨詢顧問有限公司 成都 610042；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 610031； 4.道路工程四川省重點實驗室 成都 610031；5.四川省交通建設(shè)集團股份有限公司 成都 610000)

透水混凝土是一種不含細骨料，由粗骨料和其表面包覆的薄層水泥漿相互黏結(jié)而形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有透氣、透水和重量輕的特點[1]。但透水混凝土路面在實際使用過程中，隨著其使用年限的增加，表層路面的堵塞率增大，透水系數(shù)下降，同時受堵塞影響其對于徑流中污染物的控制削減作用也會下降[2]。蔣佳等[3]研究發(fā)現(xiàn)砂土等無機堵塞物是造成空隙堵塞的主要物質(zhì)；蔣劍彪[4]研究也發(fā)現(xiàn)黏土砂堵塞材料對透水混凝土滲透性能影響最大。如何提高透水路面的抗堵塞能力是行業(yè)界關(guān)注的重點問題，在透水混凝土路面堵塞后，可以依靠一定的后期維護措施，對透水混凝土清除堵塞物，張娟等[5]采用先高壓水沖洗后負壓抽吸的設(shè)備對排水路面進行空隙維護試驗，對堵塞有恢復(fù)效果，但僅依靠后期維護措施，也存在一定的問題：透水堵塞后進行恢復(fù)，無法達到恢復(fù)前100%的透水效果，同時需定期進行清洗處理，費時費力，維護費用大。如何提高透水路面的抗堵塞能力是業(yè)界關(guān)注的重點問題。

現(xiàn)有研究表明黏土砂是影響堵塞的主要因素，其機理是黏土砂易積聚在透水混凝土孔隙內(nèi)部，不易清洗，且嚴重影響排水效果；鑒于此，為了增強抗堵塞性能，提出在工程材料中添加憎水劑，增強其荷葉效應(yīng)，水滴從材料表面滾落的同時并將沙子、灰塵類小顆粒帶走，使材料表面保持干凈，進而增強其抗堵塞性能。在混凝土材料內(nèi)添加憎水劑，可以在混凝土的孔隙表面形成了憎水層，但不封閉孔隙，阻止了液態(tài)水的滲入并保持了混凝土的透氣性，內(nèi)摻憎水外加劑的混凝土孔隙全部被憎水劑覆蓋表現(xiàn)憎水性，形成了整體憎水混凝土[6]。

由于透水混凝土這種工程材料存在較大的空隙率，其蜂窩狀結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致其試塊各表面均不存在較為平整的平面，無法對其表面的潤濕邊角進行準(zhǔn)確測量；而砂漿和透水混凝土具有很多相似的工程特性，兩者均可以認為是單(斷)級配的特殊水泥混合工程材料，但砂漿試塊表面可以達到較平整的效果，可以對其潤濕邊角進行測量計算；所以文中將借助試驗砂漿試塊材料探究如何提高材料本身的憎水性，討論工程材料的潤濕邊角與表面排水性的相應(yīng)關(guān)系，評價不同摻量的內(nèi)摻和外涂憎水劑試驗條件，綜合分析試驗數(shù)據(jù)。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，砂采用天然河沙，粉煤灰來自成都博磊資源循環(huán)開發(fā)有限公司，3種原材料的物理性能見表1～3。試驗用水為成都市普通生活用水。

表1 水泥的物理性能

表2 河沙的物理性能

表3 粉煤灰的物理性能 %

為改善砂漿的和易性，克服砂漿收縮大和強度低等缺點，本研究在配制砂漿試塊中摻入增塑劑；本文所使用增塑劑產(chǎn)自眉山市彭山區(qū)明羽鼎盛建材有限公司，外觀為淺褐色粉劑，其物理性能見表4。

表4 增塑劑的物理性能

為論證如何增強材料的表面排水性能，本研究在配制砂漿試塊中還摻入憎水劑，選擇了內(nèi)摻和外涂2種類型，且每種類型各選了2種市面上工程常用的代表性產(chǎn)品，具體如下。

1) 內(nèi)摻型憎水劑：①美國道康寧公司生產(chǎn)的SHP60硅烷基憎水劑，外觀為乳白色粉末固體，硅烷活性含量的質(zhì)量分數(shù)為25%，密度為600 g/L，pH值(10%于水中)呈中性或弱堿性，建議摻量為干粉用量的0.2%～0.5%，本試驗設(shè)計摻量為干粉用量的0.35%；②易來泰公司生產(chǎn)的Seal-80硅烷基憎水劑，外觀為白色粉末固體，密度為200～400 g/L，pH值(10%于水中)呈中性或弱堿性，建議摻量為干態(tài)用量的0.2%～1%，本試驗設(shè)計摻量為干態(tài)用量的0.5%。

2) 外涂型憎水劑：①德國悍能公司生產(chǎn)的hahne悍能外涂型憎水劑，為白色半透明液體，耐高溫，抗冷凍，建議滾刷涂刷，使用可將hahne悍能與水按1∶10比例配合，建議使用量為200 mL/m2，本試驗設(shè)計使用量為建議使用量；②中國漳州市萬可涂公司產(chǎn)生的WKT-3外涂型憎水劑，為乳白色濃縮液體，使用可將WKT-3萬可涂與水按1∶10比例配合，建議水溶液使用量為200 mL/m2，本試驗設(shè)計使用量為建議使用量。

1.2 配合比

設(shè)計了5組試驗進行對比分析：第1組為基準(zhǔn)組，基準(zhǔn)組不摻加內(nèi)摻型憎水劑及外涂型憎水劑，為空白對照組；第2、3組為內(nèi)摻型憎水劑，第2組摻加SHP60憎水劑，第3組摻加Seal-80憎水劑；第4、5組為外摻型憎水劑，第4組外涂hahne憎水劑，第5組外涂WKT-3憎水劑。各組配合比具體情況見表5。

表5 各實驗組的砂漿配合比

1.3 試驗方法

砂漿試塊在實驗室室內(nèi)進行制備，室內(nèi)溫度為20 ℃，相對濕度保持為60%以上，使用清洗干凈的鍋和鏟等工具進行攪拌成型。試塊脫模后在濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護2 d，然后在20 ℃水中養(yǎng)護5 d，再在20 ℃、相對濕度90%的干養(yǎng)護箱中恒溫恒濕養(yǎng)護21 d。待到養(yǎng)護期后，取出砂漿試塊，擦干表面，立即進行相應(yīng)試驗。

采用量高法[7-8]對水滴潤濕邊角試驗進行計算，量高法為紡織學(xué)科測量拒水織物表面接觸角的一種重要液滴接觸角測量方法，采用量高法更準(zhǔn)確、更快捷,且量高法比量角法誤差小。其測量原理為：當(dāng)1滴液體的體積小于6 μL時，可以忽略地球引力對其形狀的影響，液滴將呈標(biāo)準(zhǔn)圓的一部分。量高法示意圖見圖1。

圖1 量高法計算水滴潤濕邊角原理

由圖1可見，通過測量液滴在砂漿表面上的高度h以及與砂漿接觸面的直徑D,即可計算出水滴潤濕邊角。其計算公式推導(dǎo)過程如下，在直角三角形ACG中：

α+β=90°

(1)

θ=90°+(β-α)=(α+β)+(β-α)=2β

(2)

(3)

(4)

式中：h為液滴在砂漿表面的高度；D為液滴與砂漿接觸面的接觸長度。

按式(4)計算水滴潤濕邊角θ，不論θ>90°還是θ<90°，式(4) 都適用。計算各組砂漿的潤濕邊角結(jié)果，每組3個試塊，對結(jié)果取平均值。

本試驗使用微量數(shù)字移液槍將水的小液滴滴在各組砂漿試塊表面，設(shè)計每次滴液量為5 μL，然后使用USB電子數(shù)碼工業(yè)顯微鏡進行拍攝圖片。試驗拍照所使用的USB電子數(shù)碼工業(yè)顯微鏡見圖2，其可以放大的最大倍數(shù)為1 600倍；滴水滴所使用的微量數(shù)字移液槍見圖3，其量程為0.5～10 μL。

圖2 USB電子數(shù)碼工業(yè)顯微鏡

圖3 微量數(shù)字移液槍

參照JGJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)[9]進行砂漿試塊的吸水率測試，將制備好的砂漿試塊放入80 ℃的烘箱干燥48 h后取出，冷卻到室溫后，稱出各組砂漿試塊的重量G0。再把試塊放入低溫恒溫水浴箱內(nèi)，設(shè)定水溫為20 ℃，分別測量浸泡10，20，30 min、1，3，6，24，48 h后取出，用濕布擦去試塊表面水后，立即稱出各組試塊重量G1，精確到0.1 g，每組3個試塊，取平均值。

砂漿的密度參照采用《標(biāo)準(zhǔn)》進行砂漿試塊的密度試驗測試，每組3個試塊，取平均值。

砂漿的抗壓強度參照采用《標(biāo)準(zhǔn)》進行砂漿試塊的抗壓試驗測試，每組3個試塊，取平均值。

2 試驗結(jié)果與分析討論

2.1 水滴潤濕邊角試驗

各組砂漿的水滴潤濕邊角試驗現(xiàn)象見圖4，潤濕邊角測試結(jié)果見圖5。

圖4 各組的水滴潤濕邊角試驗

圖5 各組復(fù)合砂漿的潤濕邊角

由圖4和圖5可知，基準(zhǔn)組的潤濕邊角小于90°，說明基準(zhǔn)砂漿組有親水性；摻憎水劑的各組潤濕邊角大于90°，說明具有憎水性，且憎水性存在差異；圖5顯示潤濕邊角Seal-80組>SHP60組>hahne組>WKT-3組>基準(zhǔn)組，內(nèi)摻型憎水劑的效果優(yōu)于外摻型，表面憎水性效果最好的是內(nèi)摻型的Seal-80組。

2.2 吸水率試驗

各組砂漿的吸水率見圖6。

圖6 各組復(fù)合砂漿的吸水率

由圖6可知，不同吸水時間下的吸水率表現(xiàn)為Seal-80組

由上述各組砂漿的潤濕邊角、吸水率試驗結(jié)果可知，潤濕邊角越大，吸水率越小，二者呈負相關(guān)關(guān)系。其中潤濕邊角越大，憎水性越好，表面排水性越好。當(dāng)表面排水性好的工程材料用于道路工程時，可以有效地增強其荷葉效應(yīng)，水滴從材料表面滾落的同時將沙子、灰塵類小顆粒堵塞物一并帶走，使工程材料表面保持干凈，進而可以增強透水型道路的抗堵塞性能。

2.3 密度試驗

各組砂漿的密度結(jié)果見圖7。

圖7 各組砂漿的密度

由圖7可見，內(nèi)摻型憎水劑和外涂型憎水劑均可增加砂漿的密度；內(nèi)摻型憎水劑對砂漿的密度提升較大，而外涂型憎水劑對砂漿的密度提升較小。因為外涂型憎水劑僅會影響砂漿試塊表層的很淺層，影響范圍很小，不會影響作用于砂漿試塊內(nèi)部結(jié)果，故對其密度影響很小。

而內(nèi)摻型憎水劑SHP60和Seal-80均為硅烷基憎水劑，硅烷基憎水劑的內(nèi)摻對砂漿內(nèi)部的氣泡具有一定的消泡作用，從而減少砂漿內(nèi)部的氣泡，增大砂漿的密度，使內(nèi)摻型憎水劑復(fù)合砂漿的密度較基準(zhǔn)組有所增加。

2.4 強度試驗

各組砂漿的抗壓強度結(jié)果見圖8。

圖8 各組砂漿的抗壓強度

由圖8可見，外涂型憎水劑僅改變其表面排水性，對抗壓強度較準(zhǔn)基組砂漿增加幅度很?。灰驗橥馔啃驮魉畡﹥H會影響砂漿試塊表層的很淺層，影響范圍很小，不會影響作用于砂漿試塊內(nèi)部結(jié)果，故對其抗壓強度影響很小。SHP60憎水劑可以大幅增加砂漿的抗壓強度，增加系數(shù)約為9.96%，而摻Seal-80的砂漿抗壓強度增加了7.47%；證明內(nèi)摻型憎水劑可提高砂漿抗壓強度；這是因為摻入有機硅的試樣，由于密度的變大，孔隙率變低，使得水泥顆粒與水的接觸面積增加，增強水化效應(yīng)，以及氣孔內(nèi)表面的缺陷減少，在一定摻量范圍內(nèi)，有機硅添加劑可以增強其抗壓強度。

3 結(jié)論

1) 憎水劑的添加能夠有效提高工程材料的表面排水性能。摻憎水劑后，砂漿試塊的吸水率減小，表面排水性得到增強，二者呈負相關(guān)關(guān)系，即潤濕邊角越大，憎水性越好，表面排水性越好。4種憎水劑的表面排水性效果排序為Seal-80組>SHP60組>hahne組>WKT-3組。

2) 外涂型憎水劑hahne組和WKT-3組僅能提升復(fù)合砂漿的表面排水性，對砂漿的抗壓強度提升較小。

3) 內(nèi)摻型憎水劑Seal-80組和SHP60組均有較優(yōu)的表面排水性能，同時兼顧提高砂漿抗壓強度；推薦Seal-80為最佳憎水劑添加劑，特別在1 h時間內(nèi)，各組試件吸水率差異明顯，Seal-80組表現(xiàn)最優(yōu)，同時可以提升約7.5%的砂漿抗壓強度，為透水混凝土在道路工程方面的實際工程應(yīng)用提供了試驗參考。