新型偶联剂改良超疏水混凝土工程性能研究

胡小云

(江西赣禹工程建设有限公司，江西 南昌 330209)

1 概述

水工混凝土的疏水性、抗渗性是影响其力学性质和长期服役性能的重要因素[1- 3]。在水力尤其是海水或岩溶地带地下水的持续侵蚀下，混凝土内部容易产生各种各样的损伤，劣化其力学性质[4- 6]。因此，研究和开发具有疏水性的、强抗渗性的超疏水性混凝土对于我国水利工程建设具有重要意义。

现有关超疏水混凝土的研究较少，于梅[7]基于室内实验研究，深入对比分析了2种不同超疏水混凝土的制备工艺和力学性质，最后指出，利用“细砂浆+1.5%氟硅烷溶液”浸渍混凝土表面制备的环保型超疏水混凝土综合性能最佳，其性质能够在我国水利工程结构施工中推广应用。田雷等[8]基于国内外现有研究，深入对比分析了不同超疏水性水泥基材料的制备方法和应用可行性，指出(超)疏水水泥基材料具有性能优异、经济环保的特殊优势。高英力等[9]利用氟硅烷疏水剂制备了一种新型超疏水性混凝土，并指出该混凝土具有很强的疏水性，接触角高达159.8°。

综上所述，现有关于超疏水性混凝土的研究较少，且均存在一定的局限性。本文利用KH- 580型偶联剂制备了具有超疏水性的水工混凝土，并对其开展了吸水性试验、抗压强度试验以及抗折强度试验。研究成果为我国水利工程建设提供了一定借鉴作用。

2 试验设计

2.1 原材料

本次研究室内制备了一种新型偶联剂改良超疏水混凝土，以有效解决现有水工混凝土抗渗性不强的问题。其中，偶联剂采用辛基三乙氧基硅烷(KH- 380)为主要原材料制备，该偶联剂是一种乳白色液体，常用于石材的防水与防护，材料价格低廉，且具有绿色环保的特殊优势。水泥选用普通硅酸盐水泥(PO42.5)，粗骨料为再生建筑废料(粒径7.5～12mm)，细骨料为河砂(粒径<0.15mm)。

2.2 试样制备

为研究超疏水混凝土的工程特性，本次试验基于现有关于超疏水混凝土工程特性的相关试验研究[10- 12]，制备了配比设计为水:水泥:河砂:KH- 380偶联剂=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。将上述材料搅拌均匀后放入尺寸为150mm×150mm×150mm的模具中，制备得到150mm3的立方体试件；抗折强度的试验标准试样则为40mm×40mm×160mm棱柱体试件。此外，为研究养护时间对超疏水混凝土工程特性的影响，制备了养护龄期分别为3、7、28d的普通混凝土和超疏水混凝土试样。

2.3 试验设计

为研究偶联剂改良超疏水混凝土的综合工程特性，室内对其展开了3方面的试验，分别为吸水性试验和力学试验(抗压强度试验、抗折强度试验)，见表1。其中，吸水性试验是对不同浸水时间下混凝土的质量进行称重，计算其吸水率；抗压强度试验和抗折强度试验则是使用万能试验机开展。

表1 试验设计

3 试验结果分析

3.1 吸水性分析

吸水性是决定混凝土抗渗能力和抗冻能力的重要指标，基于室内试验，得到普通混凝土和超疏水混凝土的吸水率随浸水时间的变化曲线如图1所示。由图1可知，随着浸水时间的不断增大，普通混凝土和超疏水混凝土的吸水率均逐渐增大；在前5h内混凝土的吸水率曲线增长最快，此后混凝土的吸水率曲线趋于平稳，增长较为缓慢。进一步对比普通混凝土和超疏水混凝土吸水率曲线可以发现，超疏水混凝土的吸水性远低于普通混凝土。当浸水时间达到120h时，新型偶联剂改良超疏水混凝土的吸水率仅为3.71%，而此时普通混凝土的吸水率达到9.25%，是超疏水混凝土的2.49倍，这表明超疏水混凝土抗渗性远高于普通混凝土。

图1 吸水率曲线

3.2 抗压强度分析

基于室内立方体抗压强度试验，得到超疏水混凝土与普通混凝土(养护时间28d)的应力-应变曲线如图2所示。由图2可知，超疏水混凝土和普通混凝土的应力应变曲线特征基本一致，均表现出明显的脆性特征。然而，在应力加载阶段，超疏水混凝土表现出明显的压密特征，这表明偶联剂的加入使得混凝土内部产生了一定范围的孔隙。

图2 试样应力应变曲线(养护龄期28d)

基于不同养护龄期下混凝土的应力应变曲线，得到不同混凝土试件的抗压强度见表2。由表2可知，随着养护龄期的不断增长，普通混凝土和超疏水混凝土的立方体抗压强度均呈现出不断增大的变化趋势。养护龄期为3d的超疏水混凝土强度仅为18.11MPa；当养护时间达到28d时，抗压强度达到28.67MPa，较养护3d条件下增大58.31%。养护时间越长，则混凝土的承载能力越好。此外，进一步观察可以发现，养护时间为3d时，普通混凝土和超疏水混凝土之间的强度差为4.32MPa；而当养护时间达到28d时，二者的立方体抗压强度差仅有2.72MPa。

表2 不同养护龄期下混凝土试件的抗压强度

3.3 抗折强度分析

基于室内抗折强度试验，得到不同养护时间条件下普通混凝土和超疏水混凝土的抗折强度见表3。可以看出：相较于普通混凝土，超疏水混凝土的抗折强度有所降低。当养护时间为3d时，超疏水混凝土的抗折强度仅有2.27MPa，而普通混凝的抗折强度则可以达到3.35MPa，超疏水混凝土相对普通混凝土要低32.3%。此外，两种不同混凝土试件的抗折强度均随着养护时间的增加而增大，养护时间越长则混凝土的抗折性能越好。

表3 不同养护龄期下混凝土试件的抗折强度

4 结论

(1)超疏水混凝土的吸水性远低于普通混凝土。当浸水时间达到120h时，新型偶联剂改良超疏水混凝土的吸水率仅为3.71%，而此时普通混凝土的吸水率达到9.25%，是超疏水混凝土的2.49倍。

(2)超疏水混凝土表现出明显的压密特征，随着养护时间的增长，超疏水混凝土的抗压强度和抗折强度均逐渐增大。不同养护时间下，超疏水混凝土的抗压强度和抗折强度均低于普通混凝土，但二者之间差距较小。

(3)本次研究成果为我国水利工程建设提供了一定指导作用，然而本次研究不够全面，下一步应当考虑不同偶联剂掺量条件下超疏水混凝土的综合性能研究。