新型偶聯(lián)劑改良超疏水混凝土工程性能研究

胡小云

(江西贛禹工程建設(shè)有限公司，江西 南昌 330209)

1 概述

水工混凝土的疏水性、抗?jié)B性是影響其力學(xué)性質(zhì)和長期服役性能的重要因素[1- 3]。在水力尤其是海水或巖溶地帶地下水的持續(xù)侵蝕下，混凝土內(nèi)部容易產(chǎn)生各種各樣的損傷，劣化其力學(xué)性質(zhì)[4- 6]。因此，研究和開發(fā)具有疏水性的、強(qiáng)抗?jié)B性的超疏水性混凝土對于我國水利工程建設(shè)具有重要意義。

現(xiàn)有關(guān)超疏水混凝土的研究較少，于梅[7]基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，深入對比分析了2種不同超疏水混凝土的制備工藝和力學(xué)性質(zhì)，最后指出，利用“細(xì)砂漿+1.5%氟硅烷溶液”浸漬混凝土表面制備的環(huán)保型超疏水混凝土綜合性能最佳，其性質(zhì)能夠在我國水利工程結(jié)構(gòu)施工中推廣應(yīng)用。田雷等[8]基于國內(nèi)外現(xiàn)有研究，深入對比分析了不同超疏水性水泥基材料的制備方法和應(yīng)用可行性，指出(超)疏水水泥基材料具有性能優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的特殊優(yōu)勢。高英力等[9]利用氟硅烷疏水劑制備了一種新型超疏水性混凝土，并指出該混凝土具有很強(qiáng)的疏水性，接觸角高達(dá)159.8°。

綜上所述，現(xiàn)有關(guān)于超疏水性混凝土的研究較少，且均存在一定的局限性。本文利用KH- 580型偶聯(lián)劑制備了具有超疏水性的水工混凝土，并對其開展了吸水性試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。研究成果為我國水利工程建設(shè)提供了一定借鑒作用。

2 試驗(yàn)設(shè)計

2.1 原材料

本次研究室內(nèi)制備了一種新型偶聯(lián)劑改良超疏水混凝土，以有效解決現(xiàn)有水工混凝土抗?jié)B性不強(qiáng)的問題。其中，偶聯(lián)劑采用辛基三乙氧基硅烷(KH- 380)為主要原材料制備，該偶聯(lián)劑是一種乳白色液體，常用于石材的防水與防護(hù)，材料價格低廉，且具有綠色環(huán)保的特殊優(yōu)勢。水泥選用普通硅酸鹽水泥(PO42.5)，粗骨料為再生建筑廢料(粒徑7.5～12mm)，細(xì)骨料為河砂(粒徑<0.15mm)。

2.2 試樣制備

為研究超疏水混凝土的工程特性，本次試驗(yàn)基于現(xiàn)有關(guān)于超疏水混凝土工程特性的相關(guān)試驗(yàn)研究[10- 12]，制備了配比設(shè)計為水:水泥:河砂:KH- 380偶聯(lián)劑=0.95∶1∶1∶0.05的超疏水混凝土以及配比相同的普通混凝土。將上述材料攪拌均勻后放入尺寸為150mm×150mm×150mm的模具中，制備得到150mm3的立方體試件；抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣則為40mm×40mm×160mm棱柱體試件。此外，為研究養(yǎng)護(hù)時間對超疏水混凝土工程特性的影響，制備了養(yǎng)護(hù)齡期分別為3、7、28d的普通混凝土和超疏水混凝土試樣。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計

為研究偶聯(lián)劑改良超疏水混凝土的綜合工程特性，室內(nèi)對其展開了3方面的試驗(yàn)，分別為吸水性試驗(yàn)和力學(xué)試驗(yàn)(抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗折強(qiáng)度試驗(yàn))，見表1。其中，吸水性試驗(yàn)是對不同浸水時間下混凝土的質(zhì)量進(jìn)行稱重，計算其吸水率；抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)則是使用萬能試驗(yàn)機(jī)開展。

表1 試驗(yàn)設(shè)計

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 吸水性分析

吸水性是決定混凝土抗?jié)B能力和抗凍能力的重要指標(biāo)，基于室內(nèi)試驗(yàn)，得到普通混凝土和超疏水混凝土的吸水率隨浸水時間的變化曲線如圖1所示。由圖1可知，隨著浸水時間的不斷增大，普通混凝土和超疏水混凝土的吸水率均逐漸增大；在前5h內(nèi)混凝土的吸水率曲線增長最快，此后混凝土的吸水率曲線趨于平穩(wěn)，增長較為緩慢。進(jìn)一步對比普通混凝土和超疏水混凝土吸水率曲線可以發(fā)現(xiàn)，超疏水混凝土的吸水性遠(yuǎn)低于普通混凝土。當(dāng)浸水時間達(dá)到120h時，新型偶聯(lián)劑改良超疏水混凝土的吸水率僅為3.71%，而此時普通混凝土的吸水率達(dá)到9.25%，是超疏水混凝土的2.49倍，這表明超疏水混凝土抗?jié)B性遠(yuǎn)高于普通混凝土。

圖1 吸水率曲線

3.2 抗壓強(qiáng)度分析

基于室內(nèi)立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到超疏水混凝土與普通混凝土(養(yǎng)護(hù)時間28d)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可知，超疏水混凝土和普通混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征基本一致，均表現(xiàn)出明顯的脆性特征。然而，在應(yīng)力加載階段，超疏水混凝土表現(xiàn)出明顯的壓密特征，這表明偶聯(lián)劑的加入使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了一定范圍的孔隙。

圖2 試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線(養(yǎng)護(hù)齡期28d)

基于不同養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線，得到不同混凝土試件的抗壓強(qiáng)度見表2。由表2可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的不斷增長，普通混凝土和超疏水混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢。養(yǎng)護(hù)齡期為3d的超疏水混凝土強(qiáng)度僅為18.11MPa；當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間達(dá)到28d時，抗壓強(qiáng)度達(dá)到28.67MPa，較養(yǎng)護(hù)3d條件下增大58.31%。養(yǎng)護(hù)時間越長，則混凝土的承載能力越好。此外，進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護(hù)時間為3d時，普通混凝土和超疏水混凝土之間的強(qiáng)度差為4.32MPa；而當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間達(dá)到28d時，二者的立方體抗壓強(qiáng)度差僅有2.72MPa。

表2 不同養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土試件的抗壓強(qiáng)度

3.3 抗折強(qiáng)度分析

基于室內(nèi)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，得到不同養(yǎng)護(hù)時間條件下普通混凝土和超疏水混凝土的抗折強(qiáng)度見表3。可以看出：相較于普通混凝土，超疏水混凝土的抗折強(qiáng)度有所降低。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間為3d時，超疏水混凝土的抗折強(qiáng)度僅有2.27MPa，而普通混凝的抗折強(qiáng)度則可以達(dá)到3.35MPa，超疏水混凝土相對普通混凝土要低32.3%。此外，兩種不同混凝土試件的抗折強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加而增大，養(yǎng)護(hù)時間越長則混凝土的抗折性能越好。

表3 不同養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土試件的抗折強(qiáng)度

4 結(jié)論

(1)超疏水混凝土的吸水性遠(yuǎn)低于普通混凝土。當(dāng)浸水時間達(dá)到120h時，新型偶聯(lián)劑改良超疏水混凝土的吸水率僅為3.71%，而此時普通混凝土的吸水率達(dá)到9.25%，是超疏水混凝土的2.49倍。

(2)超疏水混凝土表現(xiàn)出明顯的壓密特征，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增長，超疏水混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均逐漸增大。不同養(yǎng)護(hù)時間下，超疏水混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均低于普通混凝土，但二者之間差距較小。

(3)本次研究成果為我國水利工程建設(shè)提供了一定指導(dǎo)作用，然而本次研究不夠全面，下一步應(yīng)當(dāng)考慮不同偶聯(lián)劑摻量條件下超疏水混凝土的綜合性能研究。