有机硅防水砂浆的耐久性研究
刘杰胜，木子佳靓，郑雄贞，邹民虎，蔡振刚，李刚，余俊
（武汉工业学院土木工程与建筑学院，湖北武汉430023）
水泥混凝土/砂浆的耐久性正受到越来越广泛的关注。水泥基材料的耐久性，通常是指在干湿交替作用以及环境中的水、气、酸、碱、盐等物质的作用下，材料能长期保持良好使用性的能力。外界环境因素对混凝土腐蚀是降低水泥基材料耐久性、造成其结构破坏的主要原因[1-5]，其中水是一个重要因素。因此，开展水泥基材料的抗渗、防水研究对保证其耐久性和使用安全、延长其服役寿命具有重要意义。有机硅具有表面张力低、耐高低温、耐氧化、耐候、憎水、耐腐蚀、无毒无味等优异特性，本研究采用具有活性作用的有机硅对水泥砂浆进行改性，制备了有机硅聚合物水泥防水砂浆（下称有机硅防水砂浆），系统研究了有机硅防水砂浆的抗渗、耐化学腐蚀、耐冻融循环和抗碳化等耐久性能。
1 实验部分
1.1 原料
水泥：普通硅酸盐水泥P.O.42.5；砂：中砂，细度模数为2.6～2.9；有机硅偶联剂：KH560，湖北环宇化工有限公司。
1.2 制备
有机硅防水砂浆按如下配比制备：砂浆的配合比为水泥∶砂∶水=1∶2∶0.4，有机硅用量为水泥用量的2%（质量分数，下同）。
1.3 测试与表征
1.3.1 防水抗渗性能
7 d 抗渗压力测试按照JC/T 984—2011《聚合物水泥防水砂浆》中有关规定进行，每个样品测试3 次，取平均值。
水滴试验：分别选取一定数量的普通砂浆和有机硅防水砂浆，用滴管在其表面各滴2 滴水，实验开始时拍照记录，并在10 min 和20 min 后同样拍照记录，以作对比。
1.3.2 耐化学腐蚀性能
试样在标准养护条件下养护28 d 后，分别在10%H2SO4 溶液、饱和Ca（OH）2 和10%NaCl 溶液中浸泡，溶液每7 d 更换一次，达到规定龄期后，对试件进行抗压强度测试。对比研究未掺加有机硅的普通砂浆和有机硅防水砂浆受化学溶液浸泡后的力学性能变化情况。
砂浆试块（立方体）的抗压强度计算公式如下：
2.2 耐化学腐蚀性能
式中：fm，cu为试块的抗压强度，MPa；Nu为试块的破坏压力，N；A 为试块的承压面积，mm2。
1.3.3 冻融循环
冷冻设备应满足以下指标：试件中心温度（-18±2）~（5±2）℃，冻融液温度-25~20 ℃，冻融循环一次历时2~4 h（融化时间不少于整个冻融历时的25%）。一次冻融循环技术参数如下：循环历时2.5~4.0h，降温历时1.5~2.5 h，升温历时1.0~1.5 h，降温和升温终了时，试件中心温度应分别控制在（-17±2）℃和（8±2）℃。整个冻融循环稳定性测试历经300 次冻融循环，研究试样冻融前后的质量和抗压强度变化。
1.3.4 碳化试验
碳化达到相应龄期后，取出试件，沿中间将其劈成两半，在断面上喷涂1％酚酞溶液，不能显红色的边缘部分即为已碳化部分。测量时在红色区域外围取3 点测量深度，取其平均值，准确到0.5 mm。
2 结果与讨论
2.1 防水抗渗性能
表1 为普通砂浆和有机硅防水砂浆的抗渗性能对比。从表1 可以看出，掺加有机硅所制备的有机硅防水砂浆的抗渗性能明显高于普通砂浆，其平均抗渗压力提高了10%以上。图1 所示为普通砂浆与有机硅防水砂浆的防水效果对比。从图1 可以看出，有机硅防水砂浆呈现出较好的疏水效果，进一步证实了有机硅防水砂浆的防水抗渗性能有了较大改善。主要原因如下：1）有机硅防水砂浆中聚合物粒子填充了更多的缝隙和孔洞，使材料更密实，吸水率降低；2）有机硅自身具有疏水作用，当水泥砂浆中掺加有机硅后，赋予了有机硅防水砂浆一定的疏水作用，提高了其抗渗性[6]。
图2、图3 所示分别为有机硅防水砂浆与普通砂浆耐化学腐蚀性的对比。从图2、图3 中可以看出，有机硅的加入会导致水泥砂浆的抗压强度降低，这主要是由于有机硅的加入降低了水泥砂浆的刚性引起的[7]。从图2 可以发现，有机硅防水砂浆和普通砂浆在10%H2SO4 溶液中浸泡后，随着浸泡时间的延长，其抗压强度均呈现下降的趋势，且试件表面受到较严重的腐蚀。但是，有机硅防水砂浆抗压强度的下降趋势较为平缓，明显低于普通砂浆。
从图3 中可以看出，有机硅防水砂浆和普通砂浆在饱和Ca（OH）2 溶液和NaCl 溶液中浸泡前后，其抗压强度基本保持不变，有机硅防水砂浆的抗压强度仍低于普通砂浆。
综上所述，有机硅的加入会降低砂浆的抗压强度，但抗化学腐蚀性尤其是抗酸性会有较大程度地提高。
2.3 冻融循环稳定性
冻融循环是造成砂浆结构损伤及破坏的常见原因，因为当砂浆内部毛细孔中的饱和水受冻结冰后，体积就会膨胀9%；而融解时冰变水又会使毛细管收缩。膨胀、收缩的反复作用将导致砂浆开裂、剥落直至破坏。影响砂浆抗冻融破坏能力的因素很多，包括砂浆内部的饱水程度、冻结低温度、降温速率、含气量以及反复冻融次数等。提高砂浆抗渗性，使外部的水无法进入砂浆内部，从而降低砂浆内部的饱水程度，是提高抗冻融能力的有效方法之一。本研究采用慢冻法，冻融循环次数为300 次，试验结果如表2 和表3所示。
从表2 和表3 可以看出，与普通砂浆相比，经有机硅改性后的水泥砂浆，其冻融后的质量损失和抗压强度损失均较小，表明有机硅能显著提升砂浆的抗冻融循环稳定性。
2.4 碳化试验
水泥基材料的碳化是指空气中的CO2 与水化产物氢氧化钙、水化铝酸钙发生化学反应，生成碳酸钙的过程。该过程会导致混凝土碱度降低和水泥基材料本身粉化。图4 所示为有机硅防水砂浆与普通砂浆的抗碳化性能对比。
从图4 可以看出，普通砂浆在各个碳化时间内，其碳化深度明显高于有机硅防水砂浆，并且随着碳化时间的延长，该差异越大。以上研究结果表明，有机硅能有效延缓水泥基材料的碳化速度，对水泥基材料起到保护作用。
3 结论
采用具有活性作用的有机硅聚合物对水泥砂浆进行改性，制备了有机硅防水砂浆，有机硅用量为水泥用量的2%。整体上看，有机硅防水砂浆虽然抗压强度不及普通砂浆，但抗渗性、抗化学腐蚀性、抗冻融循环稳定性、抗碳化性明显高于普通砂浆，即掺加有机硅的聚合物防水砂浆的耐久性普遍优于普通砂浆。
