硅烷防水材料的研制及其在混凝土防护中的应用工艺探究

裴须强，朱玉雪

（1.中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024；2.中建材中岩科技有限公司，北京 100024；3.全国建筑材料行业防护修复与加固材料工程技术中心，北京 100024）

0 引言

混凝土作为一种多孔材料，具有一定的渗透性，经空气中二氧化碳、水、氯离子、硫酸盐等有害离子的作用，混凝土会出现明显的性能劣化[1-3]。混凝土中的钢筋长期处于氧气、水分以及侵蚀离子的共同作用下会逐渐脱钝、锈蚀；当钢筋锈胀应力大于混凝土内聚力时就会使其开裂，而开裂又会进一步加剧混凝土内部的钢筋锈蚀，导致混凝土结构失稳、失效速度加快[4]。

传统的处理方法是通过涂刷聚脲、聚氨酯等对混凝土进行防护，但聚脲、聚氨酯防水材料在混凝土表面涂刷后会形成一种密闭的膜，导致混凝土内部的蒸气难以散发出去，长时间累积下会损害道床混凝土的内部结构，同时还会造成防水涂层空鼓[5-7]。针对这一问题，近年来硅烷防水材料由于优异的防水性能，得到研究者的青睐。硅烷防水材料是一种新型的防水透气材料，涂刷混凝土表面后会吸附在其毛细孔壁上，阻隔外部水分子进入的同时不会影响内部水分子的透出，可赋予混凝土防水、防污、防腐蚀等性能，有效延长混凝土的使用寿命[8-12]。然而，当前常用的硅烷防水材料的挥发率一般很大，真正应用到混凝土基体中硅烷吸收量不足30%，一定程度上降低了对混凝土的保护，浪费了材料，且普遍采用的非环保型溶剂油D40或石脑油作为稀释剂会屏蔽硅烷与混凝土表面接触，不利于硅烷与表面或界面反应，导致硅烷防水材料存在低吸收和高挥发的问题[13-15]。

基于此，本文以链烷基硅烷、硅氧烷低聚物、硅烷偶联剂为主要原料，制备了一种新型硅烷防水材料。同时，从不同混凝土结构、防水材料用量及涂覆工艺出发，探究应用工艺对硅烷防水材料防护性能的影响，旨在解决目前混凝土防水存在的问题，为后续相关领域的研究提供一定的参考。

1 试验

1.1 试验原料

（1）制备硅烷防水材料主要原料

链烷基硅烷：十二烷基三乙氧基硅烷，工业级，济宁百川化工有限公司；硅烷偶联剂：乙烯基三乙氧基硅烷，工业级，济宁华凯树脂有限公司；硅氧烷低聚物：自制，聚合度6～10，红外图谱如图1所示。

图1中3350 cm-1处为—NH—伸缩振动峰；1070 cm-1处为Si—O—Si不对称伸缩振动峰；1250、790 cm-1处为Si—CH3的峰；950 cm-1处为Si—CH2的伸缩振动峰；2850～3000 cm-1处为甲基和亚甲基的特征峰。

（2）防护性能测试用原料

水泥：P·O42.5，冀东水泥厂；粉煤灰、矿粉：灵寿县光辉矿产品加工有限公司；砂、石：灵寿县盛凯矿产品加工厂；SR-1减水剂：中建材中岩科技有限公司；水：自来水。

1.2 试验仪器设备

红外光谱仪（FT-IR）：德国Bruker公司；电子天平：JJ1000A，常熟双杰测试仪器厂；视频光学接触角测量仪：OCA20，德国Dataphysics公司；真空干燥箱：重庆四达实验仪器厂；高精度低温试验箱：沧州华屹试验仪器有限公司；电动搅拌机：JJ-5型，上海恒州机械设备有限公司；混凝土试验用搅拌机：无锡建仪仪器机械有限公司。

1.3 试验制备

1.3.1 硅烷防水材料的制备

保持硅烷偶联剂的用量不变，通过复配不同比例的十二烷基三乙氧基硅烷和硅氧烷低聚物，制备了3种不同的硅烷防水材料。具体制备方法为：按照一定的比例分别称取链烷基硅烷、硅氧烷低聚物、硅烷偶联剂及助剂，依次倒入搅拌容器内，在500 r/min转速下混合搅拌10 min，然后室温静置30 min制得硅烷防水材料。

表1 硅烷防水材料的配比 质量份

1.3.2 防护性能评价用混凝土试块制备

依据不同混凝土强度等级要求，分别按表2配比称量所需原料后在混凝土搅拌机内混合搅拌均匀，然后倒入100 mm×100 mm×100 mm的模具中成型。1 d拆模后，在温度为（20±2）℃，相对湿度＞90%的标准养护箱内继续养护至28 d；养护结束后，对混凝土试样进行轻微的打磨处理，去除表面的杂物，然后置于（40±5）℃的烘箱中48 h，进行烘干处理。

表2 制备混凝土试块所用配比 kg/m3

1.4 性能测试

（1）红外测试：取少量的样品均匀涂抹在KBr片上，采用FT-IR进行红外光谱测试，测试范围400～4000 cm-1，扫描速率20 cm-1。

（2）挥发率测试：称取1 g左右的硅烷防水材料放到表面皿中，然后放入设定温度的低温箱和烘箱内，24 h后测试剩余硅烷防水材料的质量。根据烘干前后硅烷防水材料质量的变化率即可计算得出挥发率。

（3）渗透深度：参照JC/T 2235—2014《混凝土用硅质防护剂》中的测试方法进行防水材料涂刷和渗透深度测试。

（4）涂刷后混凝土吸水率、氯化物吸收量的降低效果：参照JTJ275—2000《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规程》对涂刷防水材料混凝土的吸水率和氯化物吸收量的降低效果进行测试。

（5）接触角：利用德国Dataphysics公司的OCA20视频光学接触角测量仪，在涂刷防水材料混凝土的界面上测试其与水的接触角。

2 结果与讨论

2.1 硅烷防水材料的性能

硅烷防水材料的防护性能往往与材料的渗透深度和吸收量有很大关系，而这两者又与材料的挥发率有一定关系。同时，检测防水效果最直观简便的方法是观察混凝土表面的荷叶效果。基于此，从硅烷防水材料挥发率、渗透深度以及涂刷硅烷防水材料的混凝土接触角3个方面对防水材料的性能进行了评价。

2.1.1 硅烷防水材料的挥发率

为更好贴合硅烷防水材料实际施工气温的现场情况，设定了5、15℃的冷却箱温度，25、35、45℃的烘箱温度，有效模拟现场施工的地表温度，对不同温度下硅烷防水材料的挥发率进行了测试，结果如图2所示。

由图2可见，随着温度的升高，硅烷防水材料的挥发率均有所增大。这是因为当温度较低时，不足以使硅烷防水材料中一些易挥发分子挥发，相应的挥发率较低；但随着温度的升高，大量的硅烷分子会发生挥发，相应的挥发率有所增大。同时，相比1#、2#防水材料，3#防水材料的挥发率较大，这是本研究设计的防水材料体系中硅氧烷低聚物充当溶剂作用，与链烷基硅烷相比其挥发率偏高，因此体系中含量越大，相应的挥发率也会增大。此外，1#和2#防水材料的挥发率非常接近，25℃下的挥发率分别为2.6%、2.8%。

2.1.2 硅烷防水材料的渗透深度

防水材料对混凝土防护效果的好坏与其渗透深度有直接的关系，特别是对于易磨耗混凝土结构，渗透深度越大，对混凝土的保护年限越久。本研究选择C40混凝土，采用相同的涂覆工艺和涂覆量对3种硅烷防水材料的渗透深度进行测试，结果如图3所示。

由图3可见，与1#、3#硅烷防水材料体系相比，2#硅烷防水材料具有更好的渗透性，渗透深度达5.8mm。这是因为该防水材料体系主要由链烷基硅烷、硅氧烷低聚物以及硅烷偶联剂组成，体系中起主要作用的为链烷基硅烷，硅氧烷低聚物主要是替代传统易挥发性、非环保性溶剂，其加入比例过大会增大材料的挥发率，降低防水材料的渗透深度；加入比例过小会使得体系的黏度有所偏大，不利于防水材料在混凝土内部中渗透，渗透深度也会偏低。此外，3种硅烷防水材料在C40混凝土中的渗透深度均＞4 mm，高于JTJ275—2000中混凝土表面硅烷浸渍对渗透深度的要求。

2.1.3 硅烷防水材料处理后混凝土界面与水的接触角

硅烷防水材料涂刷到混凝土表面后会对混凝土产生保护，提高其使用寿命，但最直观的还是会降低混凝土表面的张力，使混凝土本身具有一定的防水效果，使得外界水分子在其表面易产生荷叶效应。本研究对涂刷防水材料的C40混凝土界面进行接触角（水与混凝土界面）测试，结果如图4所示。

由图4可见，相比2#、3#防水材料，经1#防水材料涂刷后的混凝土界面其与水的接触角更大，也就是荷叶效应更为明显，防水效果更佳。这是因为本研究设计的防水材料中起主要作用的为链烷基硅烷，体系含量增大时虽然不利于其渗透，但会提升混凝土表面张力，荷叶效应相应的也就会越明显。但与1#体系相比，2#硅烷防水材料的接触角虽然有所降低，但仍＞130°，满足实际要求。

综上，通过挥发率、渗透深度及接触角测试，对比3种硅烷防水材料可以发现，m（链烷基硅烷）∶m（硅氧烷低聚物）∶m（硅烷偶联剂）=6∶3∶1（2#防水材料体系）时，防水材料综合性能最佳，25℃下材料挥发率为2.8%、渗透深度（C40混凝土）为5.8 mm，经硅烷防水材料处理后C40混凝土界面与水的接触角为135°。

2.2 硅烷防水材料应用工艺探究

通过性能测试优选出2#硅烷防水材料，结合实际施工情况需求，同时考虑到施工时混凝土本身结构、防水材料用量以及施工方式均会对其防护性能产生影响，本研究对硅烷防水材料的应用工艺进行了探究。

2.2.1 混凝土强度等级对硅烷防水材料防护性能的影响

不同类型混凝土其内部结构有所不同，强度等级越高，混凝土的密实性越好，相应的防水材料渗透性会越差。试验在25℃下采用喷涂的方式，防水材料用量为300g/m2，不同强度等级混凝土时硅烷防水材料的防护效果见表3。

表3 混凝土强度等级对硅烷防水材料防护性能的影响

由表3可见，随着混凝土强度等级增高，混凝土吸水率逐渐降低，渗透深度变小，氯化物吸收量的降低效果增加，这是由于混凝土强度等级增高，混凝土内部就越密实，在一定程度上阻止水分的渗入，同样的喷涂完防水材料后，密实结构和防水材料共同作用会导致其吸水率降低，氯化物吸收量的降低效果增加。同时，相应的密实结构还会阻止硅烷防水材料的渗入，因此宏观的表现出混凝土强度等级越高，其渗透深度越小。此外，不论混凝土密实程度如何，涂刷硅烷防水材料后，均会在其表面形成一层保护膜，进而形成一定的疏水性，因此宏观显现出接触角变化并不是很大。

2.2.2 硅烷防水材料用量对混凝土防护性能的影响

硅烷防水材料在实际应用时，其单位面积喷涂量一般会提前进行测试，以确保所有区域均被覆盖，且具有较佳的防护效果。试验在25℃和C40混凝土下进行，采用喷涂方式，硅烷防水材料用量对混凝土防护性能的影响见表4。

表4 硅烷防水材料用量对混凝土防护性能的影响

由表4可见，随着硅烷防水材料的用量增加，其对混凝土的防护效果增强，吸水率降低、硅烷渗透深度增大，氯化物吸收量的降低效果增加。这是由于硅烷防水材料的用量增加，其在混凝土的界面处更能形成致密的保护膜，阻止外部水分子和氯离子进入，降低混凝土的吸水率和氯离子的吸收量。同样，由于硅烷防水材料用量增加，其在混凝土的内部更容易渗透，相应的渗透深度增加。另外，硅烷防水材料用量的多少，不会影响其在混凝土的界面形成保护膜，因此接触角变化并不是很大。当硅烷防水材料的用量高于300g/m2时，其防护性能指标变化不大，这是由于该用量下混凝土表面的硅氧烷保护膜已经形成，此时继续喷涂硅氧烷材料对其防护效果影响不大。

2.2.3 硅烷防水材料涂覆工艺对混凝土防护性能的影响

实际施工时不同涂覆工艺也会给硅烷防水材料的防护性能带来一定的影响。试验在25℃和C40混凝土下进行，采用刷涂、滚涂、喷涂3种不同涂覆工艺，防水材料用量为300 g/m2，试验结果见表5。

表5 硅烷防水材料的涂覆工艺对混凝土防护性能的影响

由表5可见，相比滚涂和喷涂，刷涂形成的保护效果稍好，吸水率更低，渗透深度更大。这是由于刷涂工艺一般不会遗漏混凝土表面的任何区域，且形成的保护膜更致密，因此会直观表现出防护效果较好。另外，实际施工中，一般采用的是喷涂工艺，滚涂和刷涂耗时耗力，不利于大面积施工。

综合以上研究结果发现，混凝土的强度等级越高，相应的硅烷防水材料渗透深度越小，C30、C40、C50混凝土表面的渗透深度分别为7.4、5.8、3.8 mm。另外，随着硅烷防水材料用量增加，其相应的应用效果也有所提高，渗透深度增大，吸水率减小，施工时最佳涂覆用量为300 g/m2；同样，涂覆工艺对防护性能有一定影响，相比喷涂、滚涂，刷涂的防护效果更好，但考虑到大面积施工，普遍优选喷涂工艺。

3 硅烷防水材料工程应用案例

本研究开发制备的硅烷防水材料在某高铁混凝土防护中进行了应用，涂刷过防水材料后混凝土表面显示出明显的荷叶效应（见图5）。具体施工工艺流程如下：

（1）基面清理：施工前修补好混凝土结构缺陷，将表面浮灰、污水、油污和其它污染物清除干净，并保持表面干燥3d以上。

（2）喷涂：采用连续喷涂的方式。当水平面施工时，应保证基材表面湿润或至镜面状；当立面施工时，应自下而上，垂流长度为15～20 cm，使被喷涂表面保持湿润状态几分钟。切忌喷涂过程中遗漏喷涂区域，且至少喷涂2遍。

（3）养护：施工后至少保证24 h内不淋雨，自然风干；为确保理想的处理效果，在夏季应保持表面干燥至少36 h以上，冬季至少干燥72 h以上。

4 结语

（1）以链烷基硅烷、硅氧烷低聚物以及硅烷偶联剂为原料制备了3种硅烷防水材料。当m（链烷基硅烷）∶m（硅氧烷低聚物）∶m（硅烷偶联剂）=6∶3∶1（2#防水材料体系）时，防水材料综合性能最佳，25℃下材料挥发率为2.8%、渗透深度（C40混凝土）为5.8 mm、经硅烷防水材料处理后C40混凝土界面水的接触角为135°。

（2）应用工艺探究显示，混凝土的强度等级越高，相应的硅烷防水材料渗透深度越小，且随着硅烷防水材料用量增加，其相应的防护效果也有所提高，渗透深度增加，吸水率降低，施工时最佳涂覆用量为300 g/m2。涂覆工艺也对防护性能有一定影响，相比喷涂、滚涂，刷涂的防护效果更好，但考虑到大面积施工，普遍优选喷涂工艺。