硅溶胶辛基三乙氧基硅烷杂化材料对水泥基材料性能的影响研究Word文档格式.docx

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Abstract

Cementbasecompositematerialistheworldleadingengineeringmaterials,andconcreteisthedominantmaterialoftheconstructionindustry。

Withtheextensiveuseofconcrete,thedurabilityproblemsgraduallybecomethemainproblemslimitingitsdevelopment.Causedbytheinsufficientdurabilityofconcreteinwater,istheleadingcauseoftheerosionresistanceofchlorideionandsoonlow,ifthissituationisnotcontrolledwillbringsthehugeeconomiclossestotheproductionandconstruction。

Inpronetoerosionenvironment,therefore,concretematerialwaterproofmeasuresbecomesveryimportant.Withsurfacecoatingwaterproofmaterialwithintoday,istoextendtheservicelifeofcementbasematerial,andaneffectivewaytoimprovethedurabilityofit.

Thistopicisstudiedtousesiliconsol-octyltriethoxyhybridliquidsurfacetreatmentandthemixingprocessofcementbasematerialwaterproof.Testchosedifferenthybridizationpercentageofhybridliquidsurfacetreatmentsonconcrete,netofcementslurryandcementmortarinmineralprocessing.Concretewatercementratioof0.4and0.5.Afterprocessing,testtheconcreteofwaterabsorptionandresistancetochlorideionerosion,28dofnetcementslurryandcementmortarstrength,bibulousrateofcementmortar.Analysisofdifferenttreatmentontheinfluencelawofcementbasematerialpropertiesandwaterabsorption.

Throughtestresearchshowsthat,dopedsiliconsol-octyltriethoxyhybridliquidofnetcementslurryandcementmortarstrength,inthehybridliquiddosagewas2%strengthcanbeenhancedabout6%,theliquidhybridmixed5%intensityfellbyabout8%,whenthe28daysofcementmortarwaterproofeffectismoreapparent,bibulousrateismostcanreduce35.9%.Outsidecoatedsilicasol-octyltriethoxyhybridfluidcaneffectivelyreducethewaterquantityofconcrete,waterquantitylowerthandoubled.

Keywords:

Silicasol；

Silicone；

Hybridmaterials；

surfacetreatment；

resistance

目录

摘要I

AbstractII

目录I

第一章前言1

1.1课题研究背景与意义1

1.2水泥基材料的耐久性研究现状2

1.3水泥基材料的耐久性防护3

1.3.1防水处理技术3

1.3.2防水涂料4

1.3.3国内的研究概况6

1.4相关理论6

1.4.1混凝土氯盐腐蚀6

1.4.2混凝土的毛细吸收8

1.5本课题研究目的和内容8

第二章实验准备10

2.1基本原材料10

2.2杂化液10

2.2.1杂化液的制备10

2.2.2试验用防水原料性能11

2.2.3杂化液储存稳定性12

2.3混凝土12

2.3.1混凝土配合比12

2.3.2混凝土试件成型和养护12

2.3.3混凝土表面处理13

2.4水泥净浆与水泥砂浆13

2.4.1配合比13

2.4.2水泥净浆与砂浆试件成型与养护13

2.4.3内掺处理14

第三章内掺处理对水泥净浆与砂浆强度的影响16

3.1试验方法16

3.1.1抗折强度测定16

3.1.2抗压强度测试16

3.2试验结果分析与讨论16

3.2.1凝结时间与安定性测定17

3.3本章小结23

第四章吸水试验24

4.1试验方法24

4.1.1混凝土试件吸水24

4.1.2水泥砂浆试件吸水25

4.2试验结果分析与讨论26

4.2.1混凝土吸水率26

4.2.2水泥砂浆吸水率28

4.3本章小结29

第五章表面处理对混凝土抗氯离子侵蚀的影响31

5.1试验方法31

5.1.1RCM法氯离子渗透试验31

5.2试验结果分析与讨论33

5.2.1表面处理对混凝土氯离子扩散系数的影响33

5.3本章小结33

第六章结论35

第七章外文文献翻译36

7.1英文原文36

7.2翻译51

参考文献68

致谢70

第一章前言

1.1课题研究背景与意义

随着国际经济的不断发展进步，人们的开发涉略的范围越来越广，在建筑行业上的发展也空前迅猛，水泥基材料的使用范围也覆盖了全世界，但是也相应出现了各种新的需要解决的问题。

各种环境中都使用了水泥基材料，不同的环境都对水泥基材料的耐久性造成影响。

耐久性问题的已经严重影响到了建筑产业的发展，给社会带来了巨大的经济损失。

因此，水泥基材料的耐久性问题已经引起了全世界的高度重视。

延长水泥基材料的使用寿命，以及对存在耐久性问题的各种水泥基材料结构修复补强也成为了世界性的焦点问题。

所谓耐久性是指水泥基材料在使用过程中由于内部和外部的或者人为的环境的作用下抵抗侵蚀或者破坏的能力。

水泥基材料是一种多孔材料，在硬化水泥基材料中常存在孔径不同的孔，如凝胶孔、毛细孔、微细裂纹等。

当这些孔形成连续不断和相互衔接的通路时，水分极易渗入。

水泥基材料与环境间的水、热量和化学物质的复合迁移及控制这些迁移机理的参数构成影响水泥基材料性能的主要因素。

水或水分的存在是控制各类型的劣化过程的一个单独且重要的因素。

研究新型防水材料、防止水分向水泥基材料内部渗透技术与方法对改善水泥基材料的性能有重要意义。

因此，如何提高混凝土结构表面防水性能是研发新型的防水材料重点考虑的方面。

从混凝土耐久性的破坏机理可以看出,水在混凝土材料的整个服役过程中起着至关重要的作用，尤其是在混凝土的各种劣化作用（冻融碳化化学侵蚀碱-骨料反应钢筋锈蚀等）中，水更是不可或缺的必要条件和大多数失效机理与模型的控制因素[1-4]。

水是混凝土性能劣化的必要条件之一,除此之外水还是氯离子和其它化学物质侵入的运输工具,因此对混凝土进行防水处理是提高混凝土耐久性的有效途径之一。

相关研究已经证实表面防水处理是提高混凝土耐久性的一个有效措施,它能在混凝土和外界环境之间形成隔离层,通过改变混凝土的表面性质来阻止或延缓水和氯离子等有害物质侵入,从而阻止或延缓混凝土的劣化。

目前,随着有机硅防水剂的不断发展,有机硅防水剂品种越来越多,其中硅烷溶液、凝胶和乳液在建筑工程领域得到了广泛应用。

在相同用量的条件下,不同防水剂具有不同的防水效果；

另外,对不同混凝土进行防水处理获得的防水效果也存在差异。

为提高水泥基材料的的耐久性能，目前人们通常采用内掺矿粉粉煤灰等掺和料来提高混凝土的耐久性，但是这种传统方法不是在任何地方都适用，在既定的混凝土结构和大体积的混凝土中适用不仅极为不便而且不经济。

现在比较有效的新近的方法之一是将水泥基材料基层的憎水剂处理与表面的成膜涂层相结合[5-6]。

基层憎水剂处理是指采用渗透型表面防水涂料进行处理，这样当表层涂膜损坏后，仍可防止水及有害物质渗透到水泥基材料内部。

然而一旦水泥基表面遭受到破损从而破坏了表面防水涂层，这就会大大降低防水的效果，所以这就需要从内部进行防水处理。

内部处理则是通过内掺有机硅等防水物质改善水泥基内部状况，改变其物理性能，从而提高耐久性。

例如内掺硅溶胶，硅溶胶分子能填充水泥基更细的孔隙，并能有效吸收水泥基材料早期产生的氢氧化钙和改变水泥硬化浆体和骨料之间的界面，更有效的细化氢氧化钙晶粒，改善水泥基材料的内部结构，从而提高混凝土的力学性能和耐久性[7-15]。

硅烷类渗透结晶型防水材料是目前应用十分广泛的一种水泥基材料表面防水材料之一。

然而，硅烷类材料存在着降低水泥基材料的力学性能、耐老化性能差等缺点。

硅溶胶是一种价廉的以水为分散介质的纳米级高分子无机聚偏硅酸的胶体溶液，能明显加速水泥的水化硬化。

硅溶胶颗粒细微，其中的硅羟基具有较高的活性，易与活性有机硅中的活性基团发生化学键合而形成纳米杂化复合材料。

综上，从水泥基材料技术发展、结构渗水的原因、建筑墙体材料的发展趋势与防水材料存在的问题分析来看，选择使用一种复合的防水材料才能更好的从水泥基材料内部和外部双层防水，来提高水泥基材料的使用寿命和耐久性。

本文主要通过采用不同杂化比例与不同内掺量的硅溶胶-辛基三乙氧基硅烷杂化液水泥基材料进行外涂和内掺处理。

1.2水泥基材料的耐久性研究现状

水泥基材料的结构一直被认为是经济、节能、用途非常广泛的人工耐久性材料。

但是，随着材料的老化和环境的作用，水泥基材料的耐久性问题也越来越引起国内外逛到研究者的关注。

水泥基材料的耐久性研究主要是混凝土耐久性的研究。

对混凝土结构耐久性问题的研究可追溯到三四十年代,但最近十几年才受到广泛重视。

美国ACI437委员会于1991年提出了“已有混凝土房屋抗力评估”的最新报告,提出了检测试验的详细方法和步骤。

美国联邦公路管理局制定计划,研究了桥面板耐久性检测和钢筋锈蚀的防护问题。

日本建设省从1980年就组织进行“建筑物耐久性提高技术”的开发研究,并于1985年提交了研究成果概要报告,1986年开始陆续出版发行了《建筑物耐久性系列规程》。

日本建筑学会（AIJ）1988年推出了《建筑物使用指南》，1992年又推出了《建筑物现状调查、诊断、维修指南》；

同年，欧洲混凝土委员会颁布的《耐久性混凝土结构设计指南》反映了当今欧洲混凝土结构耐久性的研究水平。

混凝土耐久性问题在我们国内也得到相当高的重视。

1991年建设部已经组织成立了混凝土耐久性学会，1992年相继成立了混凝土耐久性专业委员会，也组织编制了《混凝土耐久性设计规范》。

我国对混凝土耐久性的问题的研究也进入了相应的发展阶段。

1.3水泥基材料的耐久性防护

1.3.1防水处理技术

水泥基是一种多孔性材料，在硬化水泥基材料中常存在孔径不同的孔，如凝胶孔、毛细孔、微细裂纹等。

其孔径分布大概在纳米至毫米量级以上。

空气中的二氧化碳通过这些空隙进入水泥基材料的内部，与其中的碱性物质发生碳化反应。

碳化反应堆水泥基材料的耐久性影响很大，例如降低了碱度，强度，弹性模量，甚至还会产生收缩裂缝，其中危害最大的还是会破坏钢筋钝化膜，使钢筋加速腐蚀，降低了钢筋混凝土的使用寿命。

另外水分不仅会通过这些孔隙的毛细作用而吸附到基材表面，附带一些有害物质进一步渗透入基材的内部，例如，氯离子，硫酸根离子等能给钢筋带来严重锈蚀的离子。

并且水分还是基材内部发生各种化学反应的必要条件。

例如冻融破坏、化学侵蚀、碳化等。

因此，水泥基材料的吸水性在很大程度上据定的决定了其耐久性的好坏，因此对水泥基材进行表面防护和内部处理是提高水泥基材耐久性的有效途径。

表面防水处理：

采用硅烷进行表面防护处理，它能使水泥基材与外界环境隔离，并改变水泥基材表面的性质延缓或者阻止水分和其他有害离子渗入水泥基材，从而提高了水泥基材的耐久性。

采用硅烷涂装水泥基材料表面，主要有以下几个作用：

（1）防水作用：

阻止水分侵入水泥基材料内部引起钢筋锈蚀和水泥基劣化。

（2）防腐蚀作用：

在水泥基材料表面形成一层隔离膜，阻止有害物质氯离子、硫酸根离子等腐蚀介质侵入水泥基材料造成腐蚀。

（3）防潮作用：

在潮湿的环境中能确保水泥基内部的干燥，从而提高水泥基材料的使用寿命。

内掺防水处理：

利用防水剂进行传统的表面处理，只能获得很小的渗透深度，因此防水效果有限。

而且，对防水处理后的结构进行质量控制（比如，渗透深度的检测）。

不仅费事而且有时难以测量准确。

如果将防水剂作为砂浆或混凝土的一种成分掺入其中，效果则更好。

所谓内掺防水处理,是通过正确的混凝土配比设计，将有机硅防水剂作为一组分加入到混凝土拌和物中。

研究表明，水性烷基烷氧基硅烷在碱性条件下稳定性好，是混凝土合适的外加剂。

内掺防水处理的混凝土可显著降低吸水量及氯离子渗透量。

但是如果将混凝土结构整体施以内部防水处理，则会增加防水处理成本。

另一种可供选择的办法是内掺防水处理的水泥基保护层。

这种防水层提供了一系列新的保护技术。

防水层可作为有效的氯离子隔离层，同时，为混凝土提供了很好的养护条件。

通过这种方式，可使结构在使用期间，避免氯离子通过表层混凝土渗透到结构的承载部分。

施以恰当的保护层可显著提高混凝土的耐久性，同时，可以准确地预测混凝土的耐久性。

当前，水泥基防水材料发展迅速，样品多样，在工程上的应用日益广泛。

选择合适的防水材料与技术是保证水泥基性能和使用寿命的基础。

硅溶胶

1.3.2防水涂料

近年来，通过对混凝土表面处理，防止水分和有害物质侵入混凝土内部，减少对混凝土结构的腐蚀、提高混凝土的耐久性方面，取得的研究成果很多。

混凝土应用范围非常广泛，所以不同品种的防护涂料也很多。

例如环氧树脂、聚合物水泥及防水涂料、环氧沥青以及硅烷等涂料。

其中的涂料又可以按其作用方式分为渗透型和成膜型。

（1）渗透型涂料可以渗入混凝土内部，并与混凝土孔隙中的水泥水化产物发生反应形成具有较强憎水性的物质，并能阻止水分和其他有害离子的侵入对混凝土造成破坏。

典型的代表性涂料就是有机硅类涂料。

（2）成膜型，顾名思义就是在混凝土表面形成一层保护膜，使混凝土与环境之间隔离，从而阻止水分和有害物质的侵入，而成膜的好坏直接影响到混凝土的防护效果与耐久性。

然而传统的防护涂料覆盖混凝土时从而使混凝土孔隙被堵塞，其本身不具有透气性，当混凝土内部水分排出时，会把表面涂层冲破，使涂层及其防护寿命缩短，传统的涂料各种缺点难以克服。

另外还有一些溶剂型有机硅渗透剂，主要成分是硅烷类或硅氧烷类如异丁基硅烷、辛基或异辛基硅烷，使用时加入有机溶剂作为载体。

带有活性基的硅氧烷，尤其是高级烷基化硅氧烷，其聚合物分子链上含有一定数量的反应活性基团，如羟基、羧基、氨基等。

这类有机硅防渗剂喷涂到硅酸盐基材表面，在催化剂或本身引入的氨基作用下交联固化，同时与基材表面羟基反应，形成末端有疏水基．Si-R-的网状有机硅分子膜。

在形成疏水膜时，既不需要从外界引入二氧化碳，也不会生成碱性碳酸盐之类有害于基材的物质，无论是产品贮存稳定性，还是疏水膜耐久性均比甲基硅醇盐、烷基含氢硅油好。

当施涂于基材表面时，溶剂很快挥发，于是在混凝土表面或毛细孔上沉积一层极薄的薄膜，这层薄膜无色、无光，所以不会改变混凝土的自然外观。

溶剂型有机硅渗透受外界的影响比甲基硅酸钠小得多，防水效果也较好，适用于钢筋混凝土，大理石等孔隙率低的基材，其耐久性好，渗透深度大，但使用时要求基材干燥。

由于要以有机溶剂作为载体，对环境可能会存在一定的污染，这一问题逐渐引起社会关注，需要进一步的研究解决。

本试验用的材料主要为两类：

有机硅

（1）有机硅防水剂具有良好的防水、防污和防尘性能，是一种理想的混凝土、砂浆、砖石等建材的防水材料。

能够有效提高建材的防水、耐沾污性能和耐久性能。

目前工程商使用的有机硅防水剂是环保型的，主要是由烷氧基烷基硅烷制备而成的，是一种对水稳定又能起斥水作用的有机硅化合物。

这类有机硅化合物与混凝土水泥等无机材料有很大的亲和力，因此能有效改变混凝土的材料表面的特性。

这是由于带有反应活性基的硅氧烷，不但能通过活性基团的相互作用形成均匀致密的硅氧烷憎水膜。

还能与硅酸盐基材中的羟基反应形成末端带有-SI-R基的硅氧烷链。

这是一种具有斥水性的非极性基，其形成的膜的表面张力很低，使其能均匀的覆盖在毛细孔上，而不至于完全堵塞封闭毛细孔，且水在毛细管壁的接触角＞100°

使基材表面的水成为小水珠，无法渗人到基材内部[16-17]。

这样，经过有机硅防水剂处理过的基材就具有良好的疏水作用，有效地阻止水分的侵入。

又由于它没有封闭基材毛细管通道，不妨碍水气由里向外扩散，使得基材具有良好的透气性。

各种有机硅及其改性产品一般都具有良好的渗透性和黏附性而使用在混凝土中，并且其经涂刷在混凝土表面后具有良好的疏水性，能有效改善和提高混凝土的抵抗水分和有害物质侵入的能力。

（2）硅溶胶是一种价廉的以水为分散介质的纳米级高分子无机聚偏硅酸的胶体溶液，能明显加速水泥的水化硬化。

硅溶胶川作水泥添加剂，其本身的性质是比较特殊的。

一方面硅溶胶对基体有增强作用。

另一方面水泥体系中硅溶胶的形膜行为与高聚物涂料类似（胶体粒子牢固的附着在物体表面，粒子间形成硅氧键合）。

这使硅溶胶在对水泥的增强行为上存在两种效应：

一种是“增强作用”，一种是在基体中的形膜过程（其成分形成硅-氧-硅无机膜层的过程影响水化反应）中硅溶胶对水化颗粒的“阻隔”。

这两种效应是相互竞争的。

单独的内掺有机硅会引起水泥基材料强度的降低，而内掺硅溶胶会在一定量内会提高水泥基材料的强度，所以本文研究的是有机硅与硅溶胶杂化液对水泥基材料的基本性能的影响。

采用硅溶胶与有机硅制成不同比例的杂化液的混合类防护材料，用于试验研究其对混凝土的防水性能、抗氯离子侵蚀和物理性能的影响。

1.3.3国内的研究概况

国内采用有机硅渗透剂对混凝土进行保护还处于起步阶段，对有机硅的开发研究较少。

1994年胡竹魂网研制了溶剂性和水乳液两种有机硅浸渗涂料。

通过试验测定，证明该涂料在混凝土或砂浆层中可渗透0.5mm-7mm的深度，24h防水效果可提高3-12倍以上，经32d浓盐水浸泡后抗氧离子能力可提高l倍左右，能10℃-60℃干湿交替作用和100℃的高温烘烤。

2000年王燕、张保利等人通过采用水解抑制和后交联控制技术，以甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸和有机硅氧烷为单体，加入自制的乳化剂FM和保护胶，使聚合物中有机硅含量达25％以上，实现了乳液聚合反应过程和贮存的稳定，制得了性能优异的丙烯酸有机硅乳胶涂料[18].

2003年吴三余等通过硅烷、硅氧烷（或聚硅氧烷）与活性扩展剂进行优配代替单分子硅烷产品。

他们采用国内原料合成制备有机硅中间体，筛选原料主剂、扩散助剂，进行配方的研究工作，再通过憎水性、渗透性、耐海水性等性能实验对配方进行调整最终制得合格的GSY有机硅渗透剂，并总结出相应的施工配套技术。

2006党俐、陆文雄等人采用预乳化与种子乳液聚合法相结合的聚合工艺及机硅单体后添加技术，半连续乳液聚合方法，将带乙烯基的有机硅活性单体和丙烯酸酯类单体共聚，对丙烯酸树脂进行改性，合成了一种新型的混凝土防护涂层，增强了混凝土的耐水性，同时混凝土的耐碱性和透气性均满足要求。

1.4相关理论

1.4.1混凝土氯盐腐蚀

氯离子入侵混凝土有三种方式：

（1）毛细吸收：

混凝土毛细孔隙张力作用把溶有氯离子的水溶液吸收到混凝土内部。

（2）扩散作用：

溶液中由于氯离子浓度不同而产生的浓度梯度，氯离子自发流动侵入混凝土。

（3）渗透：

在有压力作用的情况下，氯离子水溶液在混凝土内部产生流动。

这几种氯离子侵入的方式毛细吸收速度最快，混凝土在非饱和状态下，毛细吸收作用下很快就能吸收率盐溶液达到混凝土至少5mm的深度，在吸水饱和状态下的混凝土，常压下氯离子迁移主要以扩散为主，在高压情况下主要以渗透为主。

影响氯离子侵蚀混凝土的主要因素：

（1）混凝土氯离子的扩散方式

氯离子的扩散方式是影响氯离子侵蚀的主要因素。

在混凝土表层氯离子侵入主要靠毛细吸收作用，在表面侵入完毕后，进入混凝土内部，此时氯离子主要是靠扩散作用完成迁移。

（2）水灰比

混凝土的水灰比大小影响混凝土的密实度，而混凝土的密实度越大，氯离子渗透越困难。

抵御氯离子侵蚀能力越强。

所以混凝土的水灰比与渗透性、耐久性密切联系。

（3）温度

季节性温度的变化。

冬季固化的氯离子在夏季的时候被释放出来形成