憎水性复合砂浆材料表面排水性能试验研究

税 欢 李 龙 易虹宇 郑 茂 颜川奇

(1.中国市政工程西南设计研究总院有限公司 成都 610081； 2.中建西南咨询顾问有限公司 成都 610042；3.西南交通大学土木工程学院 成都 610031； 4.道路工程四川省重点实验室 成都 610031；5.四川省交通建设集团股份有限公司 成都 610000)

透水混凝土是一种不含细骨料，由粗骨料和其表面包覆的薄层水泥浆相互黏结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构，具有透气、透水和重量轻的特点[1]。但透水混凝土路面在实际使用过程中，随着其使用年限的增加，表层路面的堵塞率增大，透水系数下降，同时受堵塞影响其对于径流中污染物的控制削减作用也会下降[2]。蒋佳等[3]研究发现砂土等无机堵塞物是造成空隙堵塞的主要物质；蒋剑彪[4]研究也发现黏土砂堵塞材料对透水混凝土渗透性能影响最大。如何提高透水路面的抗堵塞能力是行业界关注的重点问题，在透水混凝土路面堵塞后，可以依靠一定的后期维护措施，对透水混凝土清除堵塞物，张娟等[5]采用先高压水冲洗后负压抽吸的设备对排水路面进行空隙维护试验，对堵塞有恢复效果，但仅依靠后期维护措施，也存在一定的问题：透水堵塞后进行恢复，无法达到恢复前100%的透水效果，同时需定期进行清洗处理，费时费力，维护费用大。如何提高透水路面的抗堵塞能力是业界关注的重点问题。

现有研究表明黏土砂是影响堵塞的主要因素，其机理是黏土砂易积聚在透水混凝土孔隙内部，不易清洗，且严重影响排水效果；鉴于此，为了增强抗堵塞性能，提出在工程材料中添加憎水剂，增强其荷叶效应，水滴从材料表面滚落的同时并将沙子、灰尘类小颗粒带走，使材料表面保持干净，进而增强其抗堵塞性能。在混凝土材料内添加憎水剂，可以在混凝土的孔隙表面形成了憎水层，但不封闭孔隙，阻止了液态水的渗入并保持了混凝土的透气性，内掺憎水外加剂的混凝土孔隙全部被憎水剂覆盖表现憎水性，形成了整体憎水混凝土[6]。

由于透水混凝土这种工程材料存在较大的空隙率，其蜂窝状结构会导致其试块各表面均不存在较为平整的平面，无法对其表面的润湿边角进行准确测量；而砂浆和透水混凝土具有很多相似的工程特性，两者均可以认为是单(断)级配的特殊水泥混合工程材料，但砂浆试块表面可以达到较平整的效果，可以对其润湿边角进行测量计算；所以文中将借助试验砂浆试块材料探究如何提高材料本身的憎水性，讨论工程材料的润湿边角与表面排水性的相应关系，评价不同掺量的内掺和外涂憎水剂试验条件，综合分析试验数据。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，砂采用天然河沙，粉煤灰来自成都博磊资源循环开发有限公司，3种原材料的物理性能见表1～3。试验用水为成都市普通生活用水。

表1 水泥的物理性能

表2 河沙的物理性能

表3 粉煤灰的物理性能 %

为改善砂浆的和易性，克服砂浆收缩大和强度低等缺点，本研究在配制砂浆试块中掺入增塑剂；本文所使用增塑剂产自眉山市彭山区明羽鼎盛建材有限公司，外观为浅褐色粉剂，其物理性能见表4。

表4 增塑剂的物理性能

为论证如何增强材料的表面排水性能，本研究在配制砂浆试块中还掺入憎水剂，选择了内掺和外涂2种类型，且每种类型各选了2种市面上工程常用的代表性产品，具体如下。

1) 内掺型憎水剂：①美国道康宁公司生产的SHP60硅烷基憎水剂，外观为乳白色粉末固体，硅烷活性含量的质量分数为25%，密度为600 g/L，pH值(10%于水中)呈中性或弱碱性，建议掺量为干粉用量的0.2%～0.5%，本试验设计掺量为干粉用量的0.35%；②易来泰公司生产的Seal-80硅烷基憎水剂，外观为白色粉末固体，密度为200～400 g/L，pH值(10%于水中)呈中性或弱碱性，建议掺量为干态用量的0.2%～1%，本试验设计掺量为干态用量的0.5%。

2) 外涂型憎水剂：①德国悍能公司生产的hahne悍能外涂型憎水剂，为白色半透明液体，耐高温，抗冷冻，建议滚刷涂刷，使用可将hahne悍能与水按1∶10比例配合，建议使用量为200 mL/m2，本试验设计使用量为建议使用量；②中国漳州市万可涂公司产生的WKT-3外涂型憎水剂，为乳白色浓缩液体，使用可将WKT-3万可涂与水按1∶10比例配合，建议水溶液使用量为200 mL/m2，本试验设计使用量为建议使用量。

1.2 配合比

设计了5组试验进行对比分析：第1组为基准组，基准组不掺加内掺型憎水剂及外涂型憎水剂，为空白对照组；第2、3组为内掺型憎水剂，第2组掺加SHP60憎水剂，第3组掺加Seal-80憎水剂；第4、5组为外掺型憎水剂，第4组外涂hahne憎水剂，第5组外涂WKT-3憎水剂。各组配合比具体情况见表5。

表5 各实验组的砂浆配合比

1.3 试验方法

砂浆试块在实验室室内进行制备，室内温度为20 ℃，相对湿度保持为60%以上，使用清洗干净的锅和铲等工具进行搅拌成型。试块脱模后在湿养护箱中养护2 d，然后在20 ℃水中养护5 d，再在20 ℃、相对湿度90%的干养护箱中恒温恒湿养护21 d。待到养护期后，取出砂浆试块，擦干表面，立即进行相应试验。

采用量高法[7-8]对水滴润湿边角试验进行计算，量高法为纺织学科测量拒水织物表面接触角的一种重要液滴接触角测量方法，采用量高法更准确、更快捷,且量高法比量角法误差小。其测量原理为：当1滴液体的体积小于6 μL时，可以忽略地球引力对其形状的影响，液滴将呈标准圆的一部分。量高法示意图见图1。

图1 量高法计算水滴润湿边角原理

由图1可见，通过测量液滴在砂浆表面上的高度h以及与砂浆接触面的直径D,即可计算出水滴润湿边角。其计算公式推导过程如下，在直角三角形ACG中：

α+β=90°

(1)

θ=90°+(β-α)=(α+β)+(β-α)=2β

(2)

(3)

(4)

式中：h为液滴在砂浆表面的高度；D为液滴与砂浆接触面的接触长度。

按式(4)计算水滴润湿边角θ，不论θ>90°还是θ<90°，式(4) 都适用。计算各组砂浆的润湿边角结果，每组3个试块，对结果取平均值。

本试验使用微量数字移液枪将水的小液滴滴在各组砂浆试块表面，设计每次滴液量为5 μL，然后使用USB电子数码工业显微镜进行拍摄图片。试验拍照所使用的USB电子数码工业显微镜见图2，其可以放大的最大倍数为1 600倍；滴水滴所使用的微量数字移液枪见图3，其量程为0.5～10 μL。

图2 USB电子数码工业显微镜

图3 微量数字移液枪

参照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(以下简称《标准》)[9]进行砂浆试块的吸水率测试，将制备好的砂浆试块放入80 ℃的烘箱干燥48 h后取出，冷却到室温后，称出各组砂浆试块的重量G0。再把试块放入低温恒温水浴箱内，设定水温为20 ℃，分别测量浸泡10，20，30 min、1，3，6，24，48 h后取出，用湿布擦去试块表面水后，立即称出各组试块重量G1，精确到0.1 g，每组3个试块，取平均值。

砂浆的密度参照采用《标准》进行砂浆试块的密度试验测试，每组3个试块，取平均值。

砂浆的抗压强度参照采用《标准》进行砂浆试块的抗压试验测试，每组3个试块，取平均值。

2 试验结果与分析讨论

2.1 水滴润湿边角试验

各组砂浆的水滴润湿边角试验现象见图4，润湿边角测试结果见图5。

图4 各组的水滴润湿边角试验

图5 各组复合砂浆的润湿边角

由图4和图5可知，基准组的润湿边角小于90°，说明基准砂浆组有亲水性；掺憎水剂的各组润湿边角大于90°，说明具有憎水性，且憎水性存在差异；图5显示润湿边角Seal-80组>SHP60组>hahne组>WKT-3组>基准组，内掺型憎水剂的效果优于外掺型，表面憎水性效果最好的是内掺型的Seal-80组。

2.2 吸水率试验

各组砂浆的吸水率见图6。

图6 各组复合砂浆的吸水率

由图6可知，不同吸水时间下的吸水率表现为Seal-80组

由上述各组砂浆的润湿边角、吸水率试验结果可知，润湿边角越大，吸水率越小，二者呈负相关关系。其中润湿边角越大，憎水性越好，表面排水性越好。当表面排水性好的工程材料用于道路工程时，可以有效地增强其荷叶效应，水滴从材料表面滚落的同时将沙子、灰尘类小颗粒堵塞物一并带走，使工程材料表面保持干净，进而可以增强透水型道路的抗堵塞性能。

2.3 密度试验

各组砂浆的密度结果见图7。

图7 各组砂浆的密度

由图7可见，内掺型憎水剂和外涂型憎水剂均可增加砂浆的密度；内掺型憎水剂对砂浆的密度提升较大，而外涂型憎水剂对砂浆的密度提升较小。因为外涂型憎水剂仅会影响砂浆试块表层的很浅层，影响范围很小，不会影响作用于砂浆试块内部结果，故对其密度影响很小。

而内掺型憎水剂SHP60和Seal-80均为硅烷基憎水剂，硅烷基憎水剂的内掺对砂浆内部的气泡具有一定的消泡作用，从而减少砂浆内部的气泡，增大砂浆的密度，使内掺型憎水剂复合砂浆的密度较基准组有所增加。

2.4 强度试验

各组砂浆的抗压强度结果见图8。

图8 各组砂浆的抗压强度

由图8可见，外涂型憎水剂仅改变其表面排水性，对抗压强度较准基组砂浆增加幅度很小；因为外涂型憎水剂仅会影响砂浆试块表层的很浅层，影响范围很小，不会影响作用于砂浆试块内部结果，故对其抗压强度影响很小。SHP60憎水剂可以大幅增加砂浆的抗压强度，增加系数约为9.96%，而掺Seal-80的砂浆抗压强度增加了7.47%；证明内掺型憎水剂可提高砂浆抗压强度；这是因为掺入有机硅的试样，由于密度的变大，孔隙率变低，使得水泥颗粒与水的接触面积增加，增强水化效应，以及气孔内表面的缺陷减少，在一定掺量范围内，有机硅添加剂可以增强其抗压强度。

3 结论

1) 憎水剂的添加能够有效提高工程材料的表面排水性能。掺憎水剂后，砂浆试块的吸水率减小，表面排水性得到增强，二者呈负相关关系，即润湿边角越大，憎水性越好，表面排水性越好。4种憎水剂的表面排水性效果排序为Seal-80组>SHP60组>hahne组>WKT-3组。

2) 外涂型憎水剂hahne组和WKT-3组仅能提升复合砂浆的表面排水性，对砂浆的抗压强度提升较小。

3) 内掺型憎水剂Seal-80组和SHP60组均有较优的表面排水性能，同时兼顾提高砂浆抗压强度；推荐Seal-80为最佳憎水剂添加剂，特别在1 h时间内，各组试件吸水率差异明显，Seal-80组表现最优，同时可以提升约7.5%的砂浆抗压强度，为透水混凝土在道路工程方面的实际工程应用提供了试验参考。