自清潔型復合養護劑XM-1的研發與應用

摘 " " "要： 針對目前混凝土的干縮裂縫和結構疏松會因為缺乏水分而加劇，進而造成混凝土的耐久性等一系列性能的下降，以及環境問題的日益嚴重、空氣中化學品等污染物增加對混凝土結構表面的清潔度、壽命以及美觀產生極大威脅等問題，采用氟碳乳液以及中性硅溶膠復配制備了一種自清潔型復合養護劑，其集滲透養護與成膜養護于一體，并且有自清潔效果，評價了該養護劑對混凝土試塊的養護性能以及自清潔性能，探討了其對混凝土養護以及自清潔機理。結果表明：在設定養護條件下，有效保水率達94%，7 d、28 d抗壓強度比分別為112%、108%，與水的接觸角可以達到150°。

關 "鍵 "詞：混凝土；復合型；養護劑；自清潔

中圖分類號：TU528 " " 文獻標識碼： A " " 文章編號： 1004-0935（2023）07-0933-04

混凝土內部水分會通過毛細孔揮發，從而導致水泥水化不充分進而造成混凝土力學性能下降，進而導致混凝土耐久性差。因此，養護對混凝土性能發展至關重要，必須加以重視[1-5]。

隨著環境問題的日益嚴重以及空氣中化學品等污染物增加，對混凝土結構表面的清潔度、壽命以及美觀產生極大威脅。若混凝土結構表面具備自清潔效果，則可以有效解決外界污漬以及有害物黏附于表面而導致的美觀及耐久性的問題，從而減少人工清洗、維修等活動，節約人力、財力和物力[6]。

本文采用了復合體系氟碳乳液復配納米硅溶膠。硅溶膠是一種粒徑為5～40 nm的多聚硅酸的高度分散物，在涂刷初期利用其自身的納米結構可以滲透至混凝土表層一定距離，在混凝土孔隙中發生反應起到密實作用；氟碳乳液可以在水分揮發后在混凝土結構表面形成一層薄膜，內外成膜的復合體系有效阻止了水分的揮發，大大提高了混凝土在干燥環境中的養護效果。同時氟碳乳液自身具有極低的表面能，結合了納米粒子形成類似于荷葉表面的微納米結構，賦予混凝土結構表層超疏水的特點，有效實現自清潔效果。

1 "實驗部分

1.1 "原料

中性硅溶膠，30%，工業品，臨沂市綠森化工有限公司）；氟碳乳液，47%，YJ-1型，工業品，天津冶建特種材料有限公司；普通聚羧酸減水劑，10%，減水率32%，工業級，天津冶建特種材料有限公司； 水泥，華潤 P·O42.5；砂，標準砂，細度模數為 2.6～2.9；碎石 G1，粒徑 20～40 mm。混凝土配合比如表1所示。

1.2 "XM-1的制備

1）取20 g硅溶膠，加入0.5 g KH570，在30 ℃下快速攪拌10 min；

2）取20 g氟碳乳液，加入0.8 g十二碳醇酯攪拌均勻；

3）取第一步中制備的中性硅溶膠，加入第二步產物中攪拌均勻即可得XM-1型復合養護劑。

1.3 "XM-1的養護機理

氟離子的電負性最高，原子半徑較小 " "（0.135 nm），它和碳原子間形成的C—F鍵極短，鍵能高達485.6 kJ·mol-1，分子結構穩定。由于C—F是由比紫外線能量大的鍵合強度連接著，所以不易受紫外線照射而斷裂，因此耐紫外線性能優異。

硅溶膠是 SiO2以納米粒子形式存在于溶膠中，其可利用其納米尺寸的優勢滲入到混凝土表層 3～6 mm，封閉開放的毛細孔，增加封閉孔數，減少開放孔數，增強對基材的封閉作用。硅溶膠表面含有大量的活性基團（—Si—OH），可以形成二氧化硅立體網狀結構涂膜，進一步封閉孔隙，且不水解粉化、不降解，封閉作用時間長。同時硅溶膠析出時活性強，與基材中Ca（OH）2反應生成硅酸鈣溶膠，進一步堵塞孔隙，起到三重防護效果。

1.4 "XM-1的自清潔機理

自清潔表面的原理可以分為兩種：一種是表面完全被潤濕，即超親水表面，此時空氣中的水能在涂膜表面完全鋪展，粉塵等污染物與表面被水膜隔絕，用水沖洗后即能干凈如初；另一種是超疏水表面，空氣中的無機灰塵一般具有一定極性，在超疏水表面不能形成強烈吸附，當水滴在其表面滾動時， 它們就粘在水珠的表面，所以極易被雨水沖刷掉，見圖1。

所以涂層的污自清潔效果與水接觸角有很大的關系，如圖2所示[7]。本文采用賦予混凝土結構一層超疏水界面的方法實現自清潔效果。氟碳乳液具有低表面能、自清潔的特點，硅溶膠中的Si—O鍵能（450 kJ·mol-1）遠大于C—C鍵能（351 kJ·mol-1），內旋轉能壘低，分子摩爾體積大，表面能要小，兩者的結合可使得未滲透的SiO2在成膜后的氟碳乳液表面形成微納米結構（圖3），使材料表面呈現超常的雙疏水性，即荷葉效應（圖4）。

1.5 "XM-1型混凝土養護劑的評價方法

有效保水率以及抗壓強度比檢測：按照《水泥混凝土養護劑》（JC901—2002）進行評價。

耐老化性能：將按照《水泥混凝土養護劑》（JC901—2002）制備的涂刷后的試塊置于QUV老化儀中，用QUV-A紫外光照射，照射強度為 " " "1.5 W·m-2，溫度為50 ℃，照射一定時間，測試件的有效保水率。

接觸角測試：將XM-1涂刷于標養28天的混凝土試塊（70 mm × 70 mm × 70 mm），置于20±3 ℃、濕度50%的環境中放置24 h，然后在其表面滴加蒸餾水，并用JJ2000B2型接觸角測試儀進行與水的接觸角測試。

2 "結果與討論

2.1 "有效保水率比及抗壓強度比

有效保水率是判斷養護劑養護好壞的最重要指標，采用XM-1與市售養護劑、單一的氟碳乳液進行養護性能對比，結果見表２。養護劑的作用就是防止水分過早揮發，在混凝土早期為其儲備更多的水分促進水泥的水化，提早達到臨界強度，所以使用養護劑后抗壓強度的大小也是判斷養護劑好壞的指標之一，結果見表3。

從表2中可見，空白樣在未涂刷養護劑的情況下有效保水率較低，通過在紫外線照射下有效保水率有微弱的增長趨勢，這可能是因為紫外的照射促進了混凝土的碳化[8-14]，增加了混凝土內部碳酸鈣的生成，從而提高了其密實度，有效保水率提高。其他3種養護劑均有效提高了混凝土的有效保水率，這是因為其有個共同的特點，就是在混凝土表面形成了一層致密的高分子薄膜，阻止了內部水分的揮發，而XM-1養護劑效果最佳，這是因為其滲透-成膜雙重防護，水分的揮發相比其他兩種更加困難。而在紫外照射下，市售養護劑的養護性能有下降趨勢，這是因為紫外輻射對高分子成膜物質有很強的破壞能力，所以養護性能隨著紫外線照射時間增長逐步降低，保水率進一步降低。XM-1型與氟碳乳液兩種養護劑在紫外線照射下變化不大，這是因為氟碳乳液中的C—F是由比紫外線能量大的鍵合強度連接著，所以不易受紫外線照射而斷裂，因此耐紫外線性能優異。同時，硅溶膠材料耐紫外線能力突出，所以即使在紫外照射下，XM-1的有效保水率性能波動不大。

由表3可看出，3種養護劑均可有效提高混凝土的７天早期強度，這是因為早期養護劑防止了水分的揮發，從而為水泥的水化提供更多的水分，促進了水化產物的形成，促進了強度的增長，尤其是XM-1效果最為突出，也是因為硅溶膠的滲入以及一系列反應密實了混凝土表層，提高了表層強度，同時也是滲透-成膜的雙重作用阻止了水分的揮發。

2.2 "自清潔性能

表征界面自清潔性能的指標即是與水的接觸角，一般定義正常水接觸角 θlt;10°，θlt;5°為超親水，θgt;90°為疏水，θgt;150°為超疏水。本文選取了市售養護劑與單一氟碳乳液進行對比，由于水滴到混凝土試件表面會滲入到混凝土表面的毛細孔中，所以此處不顯示空白試件的接觸角。

由表4可見，市售養護劑與水的接觸角為73°，是親水性表面，但是遠遠達不到超親水性，所以自清潔能力較差。而氟碳乳液與水的接觸角為112°，具備較好的疏水性，再結合硅溶膠即可形成微納米結構，使材料表面呈現超常的雙疏水性，使自清潔效果更佳。

3 "結 論

1）制備了一種結合了氟碳乳液以及納米硅溶膠材料的自清潔型養護劑，其集滲透-成膜與一體，可以起到雙重養護以及超常雙疏水效果。

2）相比市售養護劑以及單一的氟碳乳液，其有效保水率可達94%，7 d、28 d 抗壓強度比分別為112%、108%。

3）XM-1型養護劑的自清潔效果較強，與市售養護劑以及單一的氟碳乳液相比，其不僅具備較低表面能，且可以形成類似于荷葉表面的微納米結構，與水的接觸角可以達到150°，清潔效果更佳。

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Development and Application of Self Cleaning

Composite Curing Agent XM-1

DUAN Feng-tao 1， WANG Xue-min 2

（1. East China Construction Co.， Ltd. of China Railway Third Engineering Group， Nanjing Jiangsu 210000， China;

2. Tianjin Yejian Special Materials Co.， Ltd.， Tianjin 301914， China）

Abstract： The dry shrinkage cracks and structural looseness of concrete can be exacerbated due to the lack of water， resulting in the decline of a series of properties such as the durability of concrete， the increasingly serious environmental problems and the increase of pollutants such as chemicals in the air， which pose a great threat to the cleanliness， service life and beauty of the surface of concrete structure. In this paper， a self-cleaning composite curing agent was prepared by using fluorocarbon emulsion and neutral silica sol. It was composed of permeation curing and film-forming maintenance， and had self-cleaning effect. The curing performance and self-cleaning performance of the curing agent for concrete block were evaluated， and the mechanism of concrete curing and self-cleaning was discussed. The results showed that under the condition of setting maintenance， the effective water retention rate was 94%， the compressive strength ratios of 7 d and 28 d were 112% and 108% respectively， the contact angle with water reached 150°.

Key words： Concrete; Composite; Curing agent; Self cleaning