水性硅溶胶-有机硅纳米杂化材料在防水砂浆中的应用研究

2.4 改性水泥砂浆的强度和防水性能
在水泥中杂化材料为1％的用量下， 我们把各种杂化复合液改性水泥砂浆的3 d，28 d 抗压强度与24 h 吸水率列于表3 中。由表3 可见，随着杂化比从5％提高10％，强度稍有下降趋势。在相同的杂化比10％下，随着杂化材料与水泥的比例的增加，抗压强度下降（见图6）。然而，改性砂浆的28 d 抗压强度都高于空白的水泥砂浆28 d 抗压强度。

砂浆的防水功能相当重要， 水不仅能引起混凝土的霜冻破坏，而溶解于水中的物质,特别是氯化物,破坏作用更强。同时混凝土中的Ca2+ ，Mg2+，Al3+等可溶性盐易发生水溶性迁移, 从而造成建筑物表面风化, 形成盐霜, 影响了建筑物的视觉美观。吸水率是砂浆防水功能的一个重要参数，吸水率越低，砂浆防水性能越好。从表3 中我们可以看出，杂化材料改性的砂浆的24 h 吸水率都远比空白砂浆的11.2％低，具有显著的防水功能， 并且杂化比从5％提高到10％时改性砂浆的吸水率大大降低。图7 显示了不同烷基对改性水泥砂浆24 h 吸水率的影响。当RSi(OC2H5)3硅烷中烷基基团较小时（R=Methyl 甲基），其吸水率较高，当烷基链长增大到4 个碳的异丁基（Isobutyl） 或8 个碳的辛基（Octyl）时，吸水率显著下降，防水性能明显提高，m（杂化材料）/m（水泥）比为0.03 时它们的吸水率分别为5.2％，2.6％，2.0％，空白为11.2％。同时由图7还可看出，随着杂化材料用量的增加，相同烷基的有机硅偶联剂制得的杂化材料改性水泥砂浆的吸水率呈明显下降。

2.5 杂化复合液的稳定性
硅溶胶是一种纳米粒子SiO2的水分散液，其分散稳定性取决于纳米粒子的电荷相互作用及表面活性剂、酸或碱所提供的空间位阻保护作用。当溶胶的pH 值和介质的温度变化时，这种动态平衡可能会被打破而引起胶凝或团聚。纳米粒子SiO2是一种强亲水性物质，对介质的pH 环境非常敏感，容易凝胶或团聚。活性硅烷可通过化学键合、静电相互作用或吸附层状介质对纳米粒子表面进行修饰[7-8]。本实验采用不同烷基大小的硅烷偶联剂对酸性纳米粒子SiO2进行表面修饰， 其水性分散液的稳定性结果列于表4 中。由表4 可见，随着硅烷中甲基数的增加，在相同的杂化比下改性的酸性硅溶胶的稳定性增加，即稳定性甲基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、三甲基一乙氧基硅烷依次增加； 而随着硅烷中烷基链长的增长，稳定性依甲基三乙氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷顺序增加。硅烷中的烷基R 对纳米粒子SiO2提供空间位阻保护作用，避免粒子团聚或絮凝。但当硅烷改性剂过量时（按理论计算10％的杂化比已经过量[9]），其中多余的量可能会发生一些副作用而引起纳米粒子的团聚或交联反应，特别是多官能团的硅烷分子，使得水分散液稳定性下降。除此以外，实验中还发现，异丁基三乙氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷修饰改性的酸性硅溶胶分别加入微量的碱中和至pH 值为9 时， 其室温放置稳定性远大于空白的酸性硅溶胶的6 个月。

2.6 杂化微粉改性水泥砂浆的性能
聚合物干粉水泥砂浆是将水泥、碱集料、干粉聚合物和一些其它功能性添加剂混合而成， 具有施工使用方便等特点，在建筑行业中已广为使用。目前建筑上较为广泛使用的可再生胶粉， 其单一的胶粉改性的砂浆防水性能欠佳；而用Wacker 等公司生产的有机硅聚合物粉体则价格昂贵， 施工时需较长时间用水拌和润湿[10,11]。表5 中列出了有机硅改性酸性、碱性硅溶胶的杂化复合材料改性水泥砂浆的强度和吸水性能。二甲基二乙氧基硅烷（LS-2）、甲基三乙氧基硅烷（LS-3）在酸性或碱性环境中均能与硅溶胶发生反应；异丁基三乙氧基硅烷（LS-4）、辛基三乙氧基硅烷（LS-5）只在酸性环境中与硅溶胶反应；而含氢环体D4H（SS-1）和含氢硅油（SS-2）只有在碱性条件下反应并且凝胶化只能制得固体微粉。在m（杂化材料）/m（水泥）比为0.02 时，干粉砂浆的28 d 抗压强度都接近于空白的35.5MPa， 而24 h 吸水率则远低于空白的11.2％，异丁基三乙氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、含氢环体D4H、含氢硅油与硅溶胶杂化复合微粉改性的砂浆的吸水率较低，防水性能较佳。

3 结论
（1） 有机硅－硅溶胶杂化复合液对水泥砂浆有一定的缓凝作用，不同的有机硅偶联剂对水泥砂浆的凝结时间不同；而且对杂化比为20%的改性砂浆明显比10%杂化比的改性砂浆缓凝程度大得多。
（2） 改性砂浆的28 d 抗压强度都高于空白水泥砂浆的28 d 抗压强度； 而且杂化材料改性的砂浆240h 吸水率都远比空白砂浆低， 具有显著的防水功能； 杂化比从5%提高到10%时改性砂浆的吸水率大大降低。
（3） 杂化微粉改性水泥砂浆抗压强度接近于空白样，但吸水率较低，具有较佳的防水性能。