王 曾 藍(lán)立耿 馬 彬

（桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

通常情況下，水泥基材料的耐久性能快速下降總是與水分子的進(jìn)入相關(guān)，這是因?yàn)樗嗷牧衔降乃肿油ㄟ^(guò)孔洞裂隙滲透到混凝土的內(nèi)部，會(huì)對(duì)材料整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大危害[1]。因此，如何減少水分子對(duì)水泥基材料的侵蝕成為提高建筑耐久性能的重要途徑。針對(duì)該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，丁永剛等[2]對(duì)涂覆 SiO2、TiO2和 CaCO3改性環(huán)氧樹(shù)脂、改性氯化橡膠、改性醇酸磁漆涂層的混凝土進(jìn)行吸水率、凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)ER、CR、AR 涂層混凝土平均吸水率降幅22.8%，有效提高材料的疏水性能。Wang等[3]將聚二甲基硅氧烷作為一種外加劑摻入對(duì)水泥砂漿進(jìn)行疏水改性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PDMS 改性后表面具有超高疏水性，其接觸角為157.3°、滾動(dòng)角為8.7°，吸水率降低約92.51%，材料的抗侵蝕能力顯著增強(qiáng)。

目前，常用的水泥基材料疏水改性方法主要有2種[4]：表面疏水改性和整體疏水改性。相較于表面疏水改性，整體疏水改性受外界因素影響較小，且在遭受機(jī)械破壞后其斷裂面仍能保持良好的疏水性能，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著超疏水材料的出現(xiàn)[5]，為混凝土整體疏水改性提供了新的方法。例如石蠟，其斷面水滴接觸角達(dá)到152.4±3°，外表面水滴接觸角為108±3°[6]，具有優(yōu)異的疏水性能，目前常作為超疏水改性材料廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。

本文將以地質(zhì)聚合物為基體材料，摻入石蠟顆粒，結(jié)合烘干、負(fù)壓、加熱等工藝，制備低含水型地質(zhì)聚合物。重點(diǎn)分析水固比、粒徑尺寸、烘干時(shí)間對(duì)材料疏水性能和力學(xué)性能的影響，分別以吸水率、飽和時(shí)間和抗壓強(qiáng)度為量化指標(biāo)，分析試驗(yàn)結(jié)果及其變化規(guī)律，優(yōu)化工藝參數(shù)，為疏水型建筑工程材料的制備提供新的思路。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用石蠟的密度約為0.9g/cm3，相變溫度約為54～58℃。本文選用富鈣型地聚合物為基體材料，原材料為偏高嶺土、礦渣和水泥，其化學(xué)組成如表1 所示。其中，偏高嶺土的粒度為3000～4000 目，礦渣的粒度為1000～1200目。

表1 原材料的化學(xué)組成（單位：%）

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合前期研究[7]，可知水固比和粒徑尺寸能夠有效調(diào)控石蠟骨料的分布，當(dāng)石蠟粒徑和水固比分別為[1.75，2.25]和[0.38，0.40]時(shí)骨料分布良好和材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)異，且石蠟的摻量存在閾值為8%。因此，基于前期研究，本文在堿摻量為16%，水玻璃模數(shù)為1.4 的條件下制備富鈣型地聚合物，其中偏高領(lǐng)土、礦渣和水泥的含量分別為75%，10%和15%[8]。此外，石蠟的摻量固定為8%，通過(guò)調(diào)控水固比、石蠟粒徑、烘干時(shí)間3個(gè)變量設(shè)計(jì)3 組對(duì)照試驗(yàn)，具體如下：（1）水固比組：石蠟粒徑為2mm，40℃烘干12h，水固比分別設(shè)定為0.35、0.39、0.43、0.48、0.51；（2）粒徑組：水固比設(shè)定為0.43，40℃烘干 12h、石蠟粒徑分別為 0.5mm、1.0mm、2.0 mm、4.0mm、8.0mm；（3）烘干時(shí)間組：水固比設(shè)定為0.43，石蠟粒徑為 2mm，40℃烘干時(shí)間分別為 6h、9h、12h、15h、18h。

1.3 試樣制備

按照所述低含水型地聚合物材料的組成及配比稱取各原料，將各原料混合攪拌10min 后注入模具，脫模后立即包裹保鮮膜，放入40℃的環(huán)境下快速養(yǎng)護(hù)1d，取出并在20±5℃室溫條件下放置7d，得到養(yǎng)護(hù)后的試樣。

試驗(yàn)采用烘干處理去除試樣部分水分，以促進(jìn)石蠟在試塊孔隙中的流動(dòng)，使其均勻分布于試樣。取養(yǎng)護(hù)后的試樣置于溫度為40℃的干燥箱中干燥，充分干燥后取出，并在相對(duì)壓力為40kPa 負(fù)壓條件下加熱融化石蠟。為確保石蠟充分融化且分布均勻，采用梯度加熱的方法，具體在55℃、60℃、65℃和70℃條件下分別加熱0.2h。

1.4 疏水性能測(cè)試

對(duì)快速養(yǎng)護(hù)7d 的40mm×40mm×40mm 試樣進(jìn)行吸水率測(cè)定。將試樣放入40℃烘箱中干燥24h 后取出，測(cè)得其質(zhì)量m0。將試樣放入水中使其距水面2 mm處，每浸水10min 取出擦干表面稱重。重復(fù)n次，第n次試驗(yàn)稱得質(zhì)量為mn。若mn- mn-1≤0.1g，判定試樣已經(jīng)飽和，其中mn-1為試樣前一次稱重的質(zhì)量。此外，記錄飽和時(shí)試樣的質(zhì)量和飽和所需時(shí)間。吸水率通過(guò)公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

1.5 力學(xué)性能測(cè)定

采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》（GB/T 17671-1999）規(guī)定進(jìn)行，其中試樣尺寸為40mm×40mm×40mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水固比對(duì)試樣疏水性能的影響

圖1 所示為水固比對(duì)試樣疏水性能的影響：隨著水固比的增加，吸水率和飽和時(shí)間的變化呈相反趨勢(shì)，材料的疏水性能隨著水固比的增加先升高后降低；當(dāng)水固比為0.39時(shí)，試樣的疏水性能最優(yōu)，吸水率為最低值5.60%，飽和時(shí)間為最高值190min；然而，當(dāng)水固比大于0.43時(shí)，試樣吸水率變化幅度較小，飽和時(shí)間下降明顯，表明此時(shí)疏水改性已不能有效降低材料的吸水率。這是由于水固比很大程度上能夠影響材料孔隙率，隨著試樣初始含水量的增加，會(huì)形成更大的孔隙網(wǎng)絡(luò)[9]，導(dǎo)致石蠟的影響變?nèi)酰率乖嚇拥氖杷阅芙档汀?/p>

圖1 水固比對(duì)試樣疏水性能的影響

2.2 石蠟粒徑試樣疏水性能的影響

圖2 所示為石蠟粒徑對(duì)試樣疏水性能的影響：隨著石蠟粒徑的增大，試樣的吸水率先降低后升高，然而試樣的吸水飽和時(shí)間先升高后降低；其中，粒徑為2mm時(shí)，試樣的疏水性能最優(yōu)，較基準(zhǔn)組試樣（未加石蠟，0mm）吸水率降低8.1%，且飽和時(shí)間延遲了120min；此外，當(dāng)石蠟粒徑為8mm時(shí)，試樣的吸水率反而高于基準(zhǔn)組（未加石蠟）。這是由于含8mm石蠟的試樣在加工后所遺留的石蠟孔洞較大，增加了疏水膜薄弱面出現(xiàn)的概率，同時(shí)也增加石蠟滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，從而影響了試樣整體的疏水性能。

圖2 石蠟粒徑對(duì)試樣疏水性能影響

2.3 烘干時(shí)間對(duì)試樣疏水性能的影響

圖3 所示為烘干時(shí)間對(duì)試樣疏水性能的影響：隨著烘干時(shí)間的增加，試樣的吸水率逐漸降低，飽和時(shí)間逐漸增加，且烘干時(shí)間為15～18h 間達(dá)到峰值；當(dāng)試樣烘干時(shí)間達(dá)到15h 時(shí)，烘干時(shí)間對(duì)試樣疏水性能的影響減弱，并且較長(zhǎng)的烘干時(shí)間會(huì)引起材料過(guò)度失水和結(jié)構(gòu)損傷破壞[10]，進(jìn)而影響試樣的各項(xiàng)物理指標(biāo)。

圖3 烘干時(shí)間對(duì)試樣疏水性能的影響

2.4 不同參數(shù)對(duì)試樣力學(xué)性能的影響

圖4 所示為不同因素對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度的影響：水固比、粒徑、烘干時(shí)間等變量對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度的影響明顯，且有一定變化規(guī)律。其中，由圖4a 可知，試樣抗壓強(qiáng)度隨水固比的增大先升高后降低，且當(dāng)水固比為0.43 時(shí)試樣抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值32.4MPa。此外，增大水固比能改善漿體的流動(dòng)性[11]，但石蠟骨料在高水固比的基體中會(huì)出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，聚集在試樣上部使得試樣整體的穩(wěn)定性降低，從而導(dǎo)致試樣抗壓強(qiáng)度損失嚴(yán)重。由圖4b 可知，試樣抗壓強(qiáng)度隨石蠟粒徑的增大而降低，且當(dāng)石蠟粒徑為8mm 時(shí)試樣的抗壓性能最差。這是因?yàn)楹?mm石蠟的試樣經(jīng)過(guò)熱處理后試樣內(nèi)部會(huì)留下孔洞，這等同于在試樣內(nèi)部引入缺陷，這些缺陷使試樣整體受力不均，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度大幅度降低。

由圖4c可知，隨著烘干時(shí)間的增加，試樣抗壓強(qiáng)度逐漸降低。其中，當(dāng)試樣烘干時(shí)間為18h 時(shí)，其抗壓強(qiáng)度為34.65MPa，相比于烘干9h 試樣的抗壓強(qiáng)度下降1.74MPa。因此，在滿足疏水性能優(yōu)越的條件下盡量縮短試樣的烘干時(shí)間，以保證材料抗壓強(qiáng)度滿足基本力學(xué)性能要求。

圖4 不同因素對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度的影響

3 結(jié)束語(yǔ)

以地質(zhì)聚合物為基體材料，摻入石蠟顆粒，分析水固比、粒徑尺寸、烘干時(shí)間對(duì)材料疏水性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律，得出的主要結(jié)論如下：

（1）石蠟的摻入能有效降低材料的吸水性能，使得材料的疏水性能和抗?jié)B性大幅度提高。隨著水固比的增加，材料的疏水性能先升高后降低。隨著石蠟粒徑的增大，吸水率先降低后升高。隨著烘干時(shí)間的增加，吸水率逐漸降低，飽和時(shí)間逐漸增加。

（2）水固比、粒徑、烘干時(shí)間等變量對(duì)于試樣抗壓強(qiáng)度的影響明顯。隨水固比的增大，試樣抗壓強(qiáng)度先升高后降低；隨石蠟粒徑和烘干時(shí)間的增加，試樣抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

（3）水固比在0.39～0.43 范圍內(nèi)，石蠟粒徑為2mm，且烘干時(shí)間為12～15h 時(shí)，低含水型地聚合物的疏水性能和力學(xué)性能均最優(yōu)。