改性水泥基涂料對(duì)水工混凝土抗?jié)B性能的影響

楊同文

(山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心棘洪灘水庫(kù)管理站，山東 青島 266109)

0 引言

混凝土是當(dāng)今使用最廣泛的建筑材料之一。當(dāng)其長(zhǎng)期暴露在惡劣環(huán)境中，容易通過(guò)腐蝕介質(zhì)引發(fā)一系列物理效應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)而損壞。相關(guān)文獻(xiàn)表明，在水環(huán)境中，H2O、O2、CO2和氯離子在混凝土腐蝕損傷過(guò)程中起著關(guān)鍵作用[1]?；炷恋臐B透性與其耐久性密切相關(guān)。因此，混凝土在水環(huán)境中的防水效果好壞與混凝土耐久性能優(yōu)劣關(guān)系尤為密切。混凝土表面成膜涂層通常主要為有機(jī)聚合物，如丁苯橡膠、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、環(huán)氧樹(shù)脂、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇等[2]。但有機(jī)涂層對(duì)基材的附著力低，抗沖擊性弱，柔韌性差。例如，環(huán)氧樹(shù)脂涂層對(duì)混凝土表面具有很高的附著力，特別處于堿性和鹽性的環(huán)境中。但是，當(dāng)暴露于紫外線環(huán)境時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂容易降解和斷鏈[3]。有機(jī)硅涂層具有良好的耐化學(xué)性和抗?jié)B性，但附著力不足，不耐有機(jī)溶劑[4]。因此，高性能、環(huán)保的無(wú)機(jī)涂料，特別是聚合物改性水泥基涂料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用越來(lái)越受到學(xué)者的關(guān)注。龍慶等[5]研究使用聚合物改性水泥基涂料的混凝土的吸水性、抗?jié)B性和抗氯離子侵蝕性，發(fā)現(xiàn)涂層大大降低了混凝土的吸水率和氯離子滲透系數(shù)。韓建軍等[6]得出結(jié)論，不同涂層材料中摻入少量納米二氧化硅時(shí)，成膜復(fù)合涂層混凝土的抗氯離子滲透性能最好，對(duì)二氧化硅改性后效果更佳。二氧化硅顆?？梢蕴畛渫繉拥奈⒖紫?，減少孔隙率，增加致密性，并減少吸附水量。同時(shí)，由于二氧化硅的高表面活性，生成了更多的C-S-H凝膠，使聚合物改性水泥基涂料的微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，提高了混凝土對(duì)氯離子滲透的抵抗力，降低了混凝土的吸水率[7]。

下文以二氧化硅和聚丙烯酸乳液為主要原料制備高柔性二氧化硅改性水泥基涂料，對(duì)其拉伸性能、吸水性能等進(jìn)行了探索，研究了改性硅涂料對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響，以提高混凝土的抗?jié)B性能。

1 材料和實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

聚丙烯酸乳液選用BA-310TS型號(hào)，外觀為白色液體，固含量為(55±1)%，pH值為6～8，黏度為2～4Pa·s，Tg值為-25℃，最低成膜溫度低于0℃。二氧化硅粉末的SiO2含量為99.5%，密度為49g/L，比表面積為146m2/g。試驗(yàn)選用32.5MPa級(jí)白色硅酸鹽水泥和45μm細(xì)度的滑石粉混合為聚合物改性水泥基涂料。白色硅酸鹽水泥的主要性能如表1所示。

表1 水泥主要性能參數(shù)

1.2 試樣制備

1.2.1 二氧化硅改性水泥基涂料

將聚丙烯酸乳液和二氧化硅進(jìn)行混合。二氧化硅占乳液質(zhì)量的百分比分別為0%、5%、10%和15%，以轉(zhuǎn)速1000r/min攪拌15min，成為均勻混合的液體；將水泥和滑石粉以4∶1的比例，均勻混合于二氧化硅-聚丙烯酸乳液，以轉(zhuǎn)速1000r/min攪拌15min。硅酸鹽水泥用作無(wú)機(jī)膠結(jié)成分，滑石粉被用作填料，以改善涂層的可加工性和均勻性。

1.2.2 混凝土試件

為評(píng)估二氧化硅改性水泥基涂料的防水效果，制備了一批強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土砌塊。本研究使用PO42.5R普通硅酸鹽水泥。細(xì)骨料采用天然河沙，細(xì)度模數(shù)為2.7。粗骨料采用碎石，粒徑為5～30mm，比重為2.76，堆積密度為1620kg/m3。混凝土的配合比，見(jiàn)表2?；炷猎噳K在23℃的水中養(yǎng)護(hù)28d，而后將二氧化硅改性水泥基涂料均勻地涂在混凝土表面，涂層厚(1.5±0.3)mm。

表2 混凝土試件配合比

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量二氧化硅改性水泥基涂料的干燥時(shí)間。將二氧化硅改性水泥基涂料涂覆在鋁板上，將從涂覆到二氧化硅改性水泥基涂料表面不被手接觸的時(shí)間記錄為表面干燥時(shí)間。一段時(shí)間后，二氧化硅改性水泥基涂料的表面沒(méi)有被手觸摸接觸，則將該時(shí)間記錄為完全干燥時(shí)間。根據(jù)GB/T 16777—2008標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試了二氧化硅改性水泥基涂料的拉伸性能。將二氧化硅改性水泥基涂料制成I型試件，以200mm/min的速度拉伸，直到樣品斷裂。試件的抗拉強(qiáng)度公式：

(1)

式中，T—抗拉強(qiáng)度，MPa；F—試件的最大拉力，N；B—試件中部寬度，mm；H—試件厚度，mm。

試樣的斷裂伸長(zhǎng)率計(jì)算公式：

(2)

式中，E0—為斷裂伸長(zhǎng)率，%；L1—試樣初始標(biāo)記之間的距離，mm；L2—試樣斷裂時(shí)標(biāo)記線之間的距離，mm；

按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，進(jìn)行涂覆有二氧化硅改性水泥基涂料的混凝土的氯離子滲透試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 二氧化硅改性水泥基涂料的基本性質(zhì)

2.1.1吸水率

分析二氧化硅粉末對(duì)硬化聚丙烯酸乳液涂層吸水率的影響。結(jié)果表明：二氧化硅-聚丙烯酸乳液，添加5%二氧化硅情況下的吸水率最低，添加15%的二氧化硅的吸水率最高。例如，在15h時(shí)，未摻加二氧化硅的水泥基涂料的吸水率為8.42%，摻入5%二氧化硅的水泥基涂料的吸水率為7.17%，相較未摻二氧化硅，下降了14.9%。而分別摻入10%、15%二氧化硅的水泥基涂料的吸水率，較未摻二氧化硅分別增加了14.3%和28.65%。研究表明，少量的二氧化硅粉末降低了硬化聚丙烯酸乳液的吸水率。但用量過(guò)大時(shí)，吸水率顯著增加。當(dāng)摻量大于5%時(shí)，反而容易結(jié)塊，會(huì)在與涂層表面膜的界面處形成薄弱區(qū)域。此外，二氧化硅摻量過(guò)大時(shí)，乳液中的水分會(huì)損失過(guò)快，導(dǎo)致許多乳液顆粒沒(méi)有時(shí)間聚集，乳液的成膜性能降低，微裂紋增加。觀察硬化聚丙烯酸乳液涂層的表面形態(tài)，添加5%二氧化硅粉末后，涂層膜的表面光滑，基本無(wú)缺陷。但過(guò)量的二氧化硅粉末，由于團(tuán)聚導(dǎo)致涂層膜中出現(xiàn)一些裂紋，使水容易進(jìn)入，導(dǎo)致吸水率反而顯著增加。

2.1.2 拉伸性能

分析二氧化硅粉末對(duì)硬化聚丙烯酸酯乳液涂層拉伸性能的影響。結(jié)果表明：二氧化硅改性水泥基涂料的抗拉強(qiáng)度，在二氧化硅含量為5%時(shí)最大，為3.62MPa，較未摻加二氧化硅的改性水泥基涂料的抗拉強(qiáng)度增加了63.6%。二氧化硅含量增加到10%時(shí)，拉伸強(qiáng)度反而降低至3.04MPa。在二氧化硅含量為15%時(shí)，二氧化硅改性水泥基涂料的抗拉強(qiáng)度為2.69MPa，較未摻加涂料的抗拉強(qiáng)度增加了22.7%。二氧化硅粉末對(duì)硬化聚丙烯酸酯乳液涂層的斷裂伸長(zhǎng)率，隨著硅粉的增加而逐漸減少。二氧化硅含量為5%、10%和15%時(shí)，二氧化硅改性水泥基涂料的斷裂伸長(zhǎng)率，較未摻二氧化硅的斷裂伸長(zhǎng)率分別下降了10.3%、45.5%和55.1%。分析原因，發(fā)現(xiàn)二氧化硅粉末表面的基團(tuán)，導(dǎo)致其與聚合物大分子的極性基團(tuán)之間有分子間作用力，形成氫鍵，甚至強(qiáng)化學(xué)鍵，這有助于在成膜過(guò)程中形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了界面聯(lián)結(jié)力。因此，二氧化硅粉末對(duì)硬化聚丙烯酸酯乳液涂層拉伸性能起到增加作用[8]。當(dāng)二氧化硅粉末的含量過(guò)多，顆粒會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致二氧化硅改性水泥基涂料薄膜厚度增加，拉伸性能降低[9]。綜合分析，表明二氧化硅粉末對(duì)硬化聚丙烯酸酯乳液涂層拉伸性能的最佳摻量為5%。二氧化硅粉末的分散程度，對(duì)二氧化硅改性水泥基涂料的性能有重要影響。二氧化硅粉末均勻分散于水泥基涂料時(shí)，才會(huì)對(duì)其性能有改善作用。若出現(xiàn)二氧化硅粉末團(tuán)聚現(xiàn)象，顆粒尺寸反而增加，導(dǎo)致涂層膜中的應(yīng)力增加。

2.1.3 干燥時(shí)間

分析二氧化硅粉末對(duì)硬化聚丙烯酸酯乳液涂層干燥時(shí)間的影響。結(jié)果表明：摻入二氧化硅粉末后，二氧化硅改性水泥基涂料的干燥時(shí)間縮短。未摻入二氧化硅的改性水泥基涂層的表面干燥時(shí)間和完全干燥時(shí)間分別為112min和189min。相比之下，5%含量分?jǐn)?shù)的二氧化硅改性水泥基涂料的表面和完成干燥時(shí)間僅為86min和161min，分別減少了23.2%和14.8%。10%含量分?jǐn)?shù)的二氧化硅改性水泥基涂料的表面和完成干燥時(shí)間為73min和154min，分別減少了34.8%和18.5%。15%含量分?jǐn)?shù)的二氧化硅改性水泥基涂料的表面和完成干燥時(shí)間為54min和132min，分別減少了51.8%和30.2%。綜上，摻入二氧化硅粉末后，二氧化硅改性水泥基涂料的干燥時(shí)間有顯著縮短，表面干燥時(shí)間縮短效果較完全干燥時(shí)間更顯著[10]。

2.2 混凝土氯離子滲透性

混凝土的吸水性和氯離子滲透性在很大程度上影響混凝土的耐久性能。為評(píng)估二氧化硅改性水泥基涂料對(duì)混凝土滲透性的影響，將二氧化硅改性水泥基涂料，均勻地涂在混凝土表面，進(jìn)行氯離子滲透性能試驗(yàn)。結(jié)果表明：沒(méi)有涂層的普通混凝土的氯離子滲透系數(shù)為14.406×10-12m2/s。涂覆未摻二氧化硅的水泥基涂料時(shí)，氯離子滲透系數(shù)降低了11.1%，改性二氧化硅的改性水泥基涂料添加5%時(shí)，氯離子滲透系數(shù)降低了21.5%，添加15%改性二氧化硅的改性水泥基涂料的氯離子滲透系數(shù)最低，為8.852×10-12m2/s，降低了38.6%。綜上，二氧化硅改性水泥基涂料的涂覆對(duì)于混凝土的抗?jié)B性能有顯著提高，隨著二氧化硅含量分?jǐn)?shù)的增加，氯離子滲透系數(shù)持續(xù)降低，提高混凝土的抗?jié)B性能。

3 結(jié)論

研究分析了二氧化硅改性水泥基涂料的吸水率、拉伸性能和干燥時(shí)間及二氧化硅改性水泥基材料涂覆混凝土的抗?jié)B性能，得出以下結(jié)論。

(1)二氧化硅粉末降低了硬化聚丙烯酸乳液的吸水率，提高了的改性水泥基涂料的抗拉強(qiáng)度，縮短了二氧化硅改性水泥基涂料的干燥時(shí)間。

(2)二氧化硅改性水泥基涂料的涂覆顯著提高混凝土的抗?jié)B性能，隨著二氧化硅含量分?jǐn)?shù)的增加，氯離子滲透系數(shù)持續(xù)降低，提高混凝土的抗?jié)B性能。

(3)研究結(jié)果受原材料的性質(zhì)、施工質(zhì)量、試驗(yàn)誤差等影響較大，應(yīng)用時(shí)，建議再次試驗(yàn)確認(rèn)。