硅烷防水材料的研制及其在混凝土防護中的應用工藝探究

裴須強，朱玉雪

（1.中國建筑材料科學研究總院有限公司，北京 100024；2.中建材中巖科技有限公司，北京 100024；3.全國建筑材料行業(yè)防護修復與加固材料工程技術中心，北京 100024）

0 引言

混凝土作為一種多孔材料，具有一定的滲透性，經空氣中二氧化碳、水、氯離子、硫酸鹽等有害離子的作用，混凝土會出現(xiàn)明顯的性能劣化[1-3]。混凝土中的鋼筋長期處于氧氣、水分以及侵蝕離子的共同作用下會逐漸脫鈍、銹蝕；當鋼筋銹脹應力大于混凝土內聚力時就會使其開裂，而開裂又會進一步加劇混凝土內部的鋼筋銹蝕，導致混凝土結構失穩(wěn)、失效速度加快[4]。

傳統(tǒng)的處理方法是通過涂刷聚脲、聚氨酯等對混凝土進行防護，但聚脲、聚氨酯防水材料在混凝土表面涂刷后會形成一種密閉的膜，導致混凝土內部的蒸氣難以散發(fā)出去，長時間累積下會損害道床混凝土的內部結構，同時還會造成防水涂層空鼓[5-7]。針對這一問題，近年來硅烷防水材料由于優(yōu)異的防水性能，得到研究者的青睞。硅烷防水材料是一種新型的防水透氣材料，涂刷混凝土表面后會吸附在其毛細孔壁上，阻隔外部水分子進入的同時不會影響內部水分子的透出，可賦予混凝土防水、防污、防腐蝕等性能，有效延長混凝土的使用壽命[8-12]。然而，當前常用的硅烷防水材料的揮發(fā)率一般很大，真正應用到混凝土基體中硅烷吸收量不足30%，一定程度上降低了對混凝土的保護，浪費了材料，且普遍采用的非環(huán)保型溶劑油D40或石腦油作為稀釋劑會屏蔽硅烷與混凝土表面接觸，不利于硅烷與表面或界面反應，導致硅烷防水材料存在低吸收和高揮發(fā)的問題[13-15]。

基于此，本文以鏈烷基硅烷、硅氧烷低聚物、硅烷偶聯(lián)劑為主要原料，制備了一種新型硅烷防水材料。同時，從不同混凝土結構、防水材料用量及涂覆工藝出發(fā)，探究應用工藝對硅烷防水材料防護性能的影響，旨在解決目前混凝土防水存在的問題，為后續(xù)相關領域的研究提供一定的參考。

1 試驗

1.1 試驗原料

（1）制備硅烷防水材料主要原料

鏈烷基硅烷：十二烷基三乙氧基硅烷，工業(yè)級，濟寧百川化工有限公司；硅烷偶聯(lián)劑：乙烯基三乙氧基硅烷，工業(yè)級，濟寧華凱樹脂有限公司；硅氧烷低聚物：自制，聚合度6～10，紅外圖譜如圖1所示。

圖1中3350 cm-1處為—NH—伸縮振動峰；1070 cm-1處為Si—O—Si不對稱伸縮振動峰；1250、790 cm-1處為Si—CH3的峰；950 cm-1處為Si—CH2的伸縮振動峰；2850～3000 cm-1處為甲基和亞甲基的特征峰。

（2）防護性能測試用原料

水泥：P·O42.5，冀東水泥廠；粉煤灰、礦粉：靈壽縣光輝礦產品加工有限公司；砂、石：靈壽縣盛凱礦產品加工廠；SR-1減水劑：中建材中巖科技有限公司；水：自來水。

1.2 試驗儀器設備

紅外光譜儀（FT-IR）：德國Bruker公司；電子天平：JJ1000A，常熟雙杰測試儀器廠；視頻光學接觸角測量儀：OCA20，德國Dataphysics公司；真空干燥箱：重慶四達實驗儀器廠；高精度低溫試驗箱：滄州華屹試驗儀器有限公司；電動攪拌機：JJ-5型，上海恒州機械設備有限公司；混凝土試驗用攪拌機：無錫建儀儀器機械有限公司。

1.3 試驗制備

1.3.1 硅烷防水材料的制備

保持硅烷偶聯(lián)劑的用量不變，通過復配不同比例的十二烷基三乙氧基硅烷和硅氧烷低聚物，制備了3種不同的硅烷防水材料。具體制備方法為：按照一定的比例分別稱取鏈烷基硅烷、硅氧烷低聚物、硅烷偶聯(lián)劑及助劑，依次倒入攪拌容器內，在500 r/min轉速下混合攪拌10 min，然后室溫靜置30 min制得硅烷防水材料。

表1 硅烷防水材料的配比 質量份

1.3.2 防護性能評價用混凝土試塊制備

依據不同混凝土強度等級要求，分別按表2配比稱量所需原料后在混凝土攪拌機內混合攪拌均勻，然后倒入100 mm×100 mm×100 mm的模具中成型。1 d拆模后，在溫度為（20±2）℃，相對濕度＞90%的標準養(yǎng)護箱內繼續(xù)養(yǎng)護至28 d；養(yǎng)護結束后，對混凝土試樣進行輕微的打磨處理，去除表面的雜物，然后置于（40±5）℃的烘箱中48 h，進行烘干處理。

表2 制備混凝土試塊所用配比 kg/m3

1.4 性能測試

（1）紅外測試：取少量的樣品均勻涂抹在KBr片上，采用FT-IR進行紅外光譜測試，測試范圍400～4000 cm-1，掃描速率20 cm-1。

（2）揮發(fā)率測試：稱取1 g左右的硅烷防水材料放到表面皿中，然后放入設定溫度的低溫箱和烘箱內，24 h后測試剩余硅烷防水材料的質量。根據烘干前后硅烷防水材料質量的變化率即可計算得出揮發(fā)率。

（3）滲透深度：參照JC/T 2235—2014《混凝土用硅質防護劑》中的測試方法進行防水材料涂刷和滲透深度測試。

（4）涂刷后混凝土吸水率、氯化物吸收量的降低效果：參照JTJ275—2000《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)程》對涂刷防水材料混凝土的吸水率和氯化物吸收量的降低效果進行測試。

（5）接觸角：利用德國Dataphysics公司的OCA20視頻光學接觸角測量儀，在涂刷防水材料混凝土的界面上測試其與水的接觸角。

2 結果與討論

2.1 硅烷防水材料的性能

硅烷防水材料的防護性能往往與材料的滲透深度和吸收量有很大關系，而這兩者又與材料的揮發(fā)率有一定關系。同時，檢測防水效果最直觀簡便的方法是觀察混凝土表面的荷葉效果?；诖?，從硅烷防水材料揮發(fā)率、滲透深度以及涂刷硅烷防水材料的混凝土接觸角3個方面對防水材料的性能進行了評價。

2.1.1 硅烷防水材料的揮發(fā)率

為更好貼合硅烷防水材料實際施工氣溫的現(xiàn)場情況，設定了5、15℃的冷卻箱溫度，25、35、45℃的烘箱溫度，有效模擬現(xiàn)場施工的地表溫度，對不同溫度下硅烷防水材料的揮發(fā)率進行了測試，結果如圖2所示。

由圖2可見，隨著溫度的升高，硅烷防水材料的揮發(fā)率均有所增大。這是因為當溫度較低時，不足以使硅烷防水材料中一些易揮發(fā)分子揮發(fā)，相應的揮發(fā)率較低；但隨著溫度的升高，大量的硅烷分子會發(fā)生揮發(fā)，相應的揮發(fā)率有所增大。同時，相比1#、2#防水材料，3#防水材料的揮發(fā)率較大，這是本研究設計的防水材料體系中硅氧烷低聚物充當溶劑作用，與鏈烷基硅烷相比其揮發(fā)率偏高，因此體系中含量越大，相應的揮發(fā)率也會增大。此外，1#和2#防水材料的揮發(fā)率非常接近，25℃下的揮發(fā)率分別為2.6%、2.8%。

2.1.2 硅烷防水材料的滲透深度

防水材料對混凝土防護效果的好壞與其滲透深度有直接的關系，特別是對于易磨耗混凝土結構，滲透深度越大，對混凝土的保護年限越久。本研究選擇C40混凝土，采用相同的涂覆工藝和涂覆量對3種硅烷防水材料的滲透深度進行測試，結果如圖3所示。

由圖3可見，與1#、3#硅烷防水材料體系相比，2#硅烷防水材料具有更好的滲透性，滲透深度達5.8mm。這是因為該防水材料體系主要由鏈烷基硅烷、硅氧烷低聚物以及硅烷偶聯(lián)劑組成，體系中起主要作用的為鏈烷基硅烷，硅氧烷低聚物主要是替代傳統(tǒng)易揮發(fā)性、非環(huán)保性溶劑，其加入比例過大會增大材料的揮發(fā)率，降低防水材料的滲透深度；加入比例過小會使得體系的黏度有所偏大，不利于防水材料在混凝土內部中滲透，滲透深度也會偏低。此外，3種硅烷防水材料在C40混凝土中的滲透深度均＞4 mm，高于JTJ275—2000中混凝土表面硅烷浸漬對滲透深度的要求。

2.1.3 硅烷防水材料處理后混凝土界面與水的接觸角

硅烷防水材料涂刷到混凝土表面后會對混凝土產生保護，提高其使用壽命，但最直觀的還是會降低混凝土表面的張力，使混凝土本身具有一定的防水效果，使得外界水分子在其表面易產生荷葉效應。本研究對涂刷防水材料的C40混凝土界面進行接觸角（水與混凝土界面）測試，結果如圖4所示。

由圖4可見，相比2#、3#防水材料，經1#防水材料涂刷后的混凝土界面其與水的接觸角更大，也就是荷葉效應更為明顯，防水效果更佳。這是因為本研究設計的防水材料中起主要作用的為鏈烷基硅烷，體系含量增大時雖然不利于其滲透，但會提升混凝土表面張力，荷葉效應相應的也就會越明顯。但與1#體系相比，2#硅烷防水材料的接觸角雖然有所降低，但仍＞130°，滿足實際要求。

綜上，通過揮發(fā)率、滲透深度及接觸角測試，對比3種硅烷防水材料可以發(fā)現(xiàn)，m（鏈烷基硅烷）∶m（硅氧烷低聚物）∶m（硅烷偶聯(lián)劑）=6∶3∶1（2#防水材料體系）時，防水材料綜合性能最佳，25℃下材料揮發(fā)率為2.8%、滲透深度（C40混凝土）為5.8 mm，經硅烷防水材料處理后C40混凝土界面與水的接觸角為135°。

2.2 硅烷防水材料應用工藝探究

通過性能測試優(yōu)選出2#硅烷防水材料，結合實際施工情況需求，同時考慮到施工時混凝土本身結構、防水材料用量以及施工方式均會對其防護性能產生影響，本研究對硅烷防水材料的應用工藝進行了探究。

2.2.1 混凝土強度等級對硅烷防水材料防護性能的影響

不同類型混凝土其內部結構有所不同，強度等級越高，混凝土的密實性越好，相應的防水材料滲透性會越差。試驗在25℃下采用噴涂的方式，防水材料用量為300g/m2，不同強度等級混凝土時硅烷防水材料的防護效果見表3。

表3 混凝土強度等級對硅烷防水材料防護性能的影響

由表3可見，隨著混凝土強度等級增高，混凝土吸水率逐漸降低，滲透深度變小，氯化物吸收量的降低效果增加，這是由于混凝土強度等級增高，混凝土內部就越密實，在一定程度上阻止水分的滲入，同樣的噴涂完防水材料后，密實結構和防水材料共同作用會導致其吸水率降低，氯化物吸收量的降低效果增加。同時，相應的密實結構還會阻止硅烷防水材料的滲入，因此宏觀的表現(xiàn)出混凝土強度等級越高，其滲透深度越小。此外，不論混凝土密實程度如何，涂刷硅烷防水材料后，均會在其表面形成一層保護膜，進而形成一定的疏水性，因此宏觀顯現(xiàn)出接觸角變化并不是很大。

2.2.2 硅烷防水材料用量對混凝土防護性能的影響

硅烷防水材料在實際應用時，其單位面積噴涂量一般會提前進行測試，以確保所有區(qū)域均被覆蓋，且具有較佳的防護效果。試驗在25℃和C40混凝土下進行，采用噴涂方式，硅烷防水材料用量對混凝土防護性能的影響見表4。

表4 硅烷防水材料用量對混凝土防護性能的影響

由表4可見，隨著硅烷防水材料的用量增加，其對混凝土的防護效果增強，吸水率降低、硅烷滲透深度增大，氯化物吸收量的降低效果增加。這是由于硅烷防水材料的用量增加，其在混凝土的界面處更能形成致密的保護膜，阻止外部水分子和氯離子進入，降低混凝土的吸水率和氯離子的吸收量。同樣，由于硅烷防水材料用量增加，其在混凝土的內部更容易滲透，相應的滲透深度增加。另外，硅烷防水材料用量的多少，不會影響其在混凝土的界面形成保護膜，因此接觸角變化并不是很大。當硅烷防水材料的用量高于300g/m2時，其防護性能指標變化不大，這是由于該用量下混凝土表面的硅氧烷保護膜已經形成，此時繼續(xù)噴涂硅氧烷材料對其防護效果影響不大。

2.2.3 硅烷防水材料涂覆工藝對混凝土防護性能的影響

實際施工時不同涂覆工藝也會給硅烷防水材料的防護性能帶來一定的影響。試驗在25℃和C40混凝土下進行，采用刷涂、滾涂、噴涂3種不同涂覆工藝，防水材料用量為300 g/m2，試驗結果見表5。

表5 硅烷防水材料的涂覆工藝對混凝土防護性能的影響

由表5可見，相比滾涂和噴涂，刷涂形成的保護效果稍好，吸水率更低，滲透深度更大。這是由于刷涂工藝一般不會遺漏混凝土表面的任何區(qū)域，且形成的保護膜更致密，因此會直觀表現(xiàn)出防護效果較好。另外，實際施工中，一般采用的是噴涂工藝，滾涂和刷涂耗時耗力，不利于大面積施工。

綜合以上研究結果發(fā)現(xiàn)，混凝土的強度等級越高，相應的硅烷防水材料滲透深度越小，C30、C40、C50混凝土表面的滲透深度分別為7.4、5.8、3.8 mm。另外，隨著硅烷防水材料用量增加，其相應的應用效果也有所提高，滲透深度增大，吸水率減小，施工時最佳涂覆用量為300 g/m2；同樣，涂覆工藝對防護性能有一定影響，相比噴涂、滾涂，刷涂的防護效果更好，但考慮到大面積施工，普遍優(yōu)選噴涂工藝。

3 硅烷防水材料工程應用案例

本研究開發(fā)制備的硅烷防水材料在某高鐵混凝土防護中進行了應用，涂刷過防水材料后混凝土表面顯示出明顯的荷葉效應（見圖5）。具體施工工藝流程如下：

（1）基面清理：施工前修補好混凝土結構缺陷，將表面浮灰、污水、油污和其它污染物清除干凈，并保持表面干燥3d以上。

（2）噴涂：采用連續(xù)噴涂的方式。當水平面施工時，應保證基材表面濕潤或至鏡面狀；當立面施工時，應自下而上，垂流長度為15～20 cm，使被噴涂表面保持濕潤狀態(tài)幾分鐘。切忌噴涂過程中遺漏噴涂區(qū)域，且至少噴涂2遍。

（3）養(yǎng)護：施工后至少保證24 h內不淋雨，自然風干；為確保理想的處理效果，在夏季應保持表面干燥至少36 h以上，冬季至少干燥72 h以上。

4 結語

（1）以鏈烷基硅烷、硅氧烷低聚物以及硅烷偶聯(lián)劑為原料制備了3種硅烷防水材料。當m（鏈烷基硅烷）∶m（硅氧烷低聚物）∶m（硅烷偶聯(lián)劑）=6∶3∶1（2#防水材料體系）時，防水材料綜合性能最佳，25℃下材料揮發(fā)率為2.8%、滲透深度（C40混凝土）為5.8 mm、經硅烷防水材料處理后C40混凝土界面水的接觸角為135°。

（2）應用工藝探究顯示，混凝土的強度等級越高，相應的硅烷防水材料滲透深度越小，且隨著硅烷防水材料用量增加，其相應的防護效果也有所提高，滲透深度增加，吸水率降低，施工時最佳涂覆用量為300 g/m2。涂覆工藝也對防護性能有一定影響，相比噴涂、滾涂，刷涂的防護效果更好，但考慮到大面積施工，普遍優(yōu)選噴涂工藝。