疏水剂对高强度混凝土抗冻性的影响实验
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摘要：针对当前建筑施工中面临的复杂化学环境，结合混凝土腐蚀渗透原理，制备一种疏水性的高强度混凝土。为验证混凝土的抗冻性，采用试验对比的方式，在实验中中加入十三氟辛基三乙氧基硅烷疏水剂，在对照组中不掺入疏水剂，并通过样品表征和抗冻性性对混凝土表面疏水性进行验证。结果表明，水灰比为0.45，十三氟辛基三乙氧基硅烷质量比为0.24%时，得到的滚动角低于10°，此时满足疏水性要求。同时通过X衍射光谱图和电子图分析，得到疏水性混凝土表明含有疏水的官能团，极大降低了混凝土表面能。最后，通过抗冻性能测试，验证疏水混凝土拥有良好的抗冻性。
关键词：疏水剂;官能团;高强度混凝土;抗冻性
中图分类号：TQ437文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）07-0142-04
随着现代施工技术的深入推广，对大体积混凝土的施工要求越来越高。特别是在深基坑大体积混凝土施工中，混凝土面临着更为复杂的的环境。如在深基坑中，大体积混凝土受到水的侵蚀，水中含有Cl-和SO42-离子，长期在深基坑中侵蚀，使得Cl-和SO42-离子渗入混凝土内部，从而给混凝土造成严重的腐蚀。当前，针对该问题的解决方案，大部分集中在对腐蚀机理等方面人手，如熊晓强（2018）在发表的文章中，采用化学滴定的方法就硫酸盐对混凝土的腐蚀进行了研究，并得出其内在的腐蚀原理;李文莉（2018）则针对海洋环境对混凝土的腐蚀进行了归纳，包括氯离子、硫酸盐离子等各类腐蚀。但是归纳上述的研究中，大部分是从改变配合比，或者是加入防腐蚀的化学试剂，进而提高混凝土的防腐蚀性能。而归纳来讲，造成上述的原因，是因为水的渗透，继而造成混凝土的化学腐蚀。所以，要解决上述的问题，如果能减少水在混凝土中低渗透，势必会减少氯离子等对混凝土的腐蚀。由此，提出一种疏水的高强度混凝土，以解决当前深基坑施工环境问题，提高深基坑混凝土质量。
1 试验方案
1.1试验材料与仪器
选产自新疆乌鲁木齐某水泥有限公司生产的P.O42.5水泥，其物理性能和力学性能如表1所示。
细砂：主要成分SiO2，含泥量大于98%，粒数大小为20～60目;
疏水剂：十三氟辛基三乙氧基硅烷（分子式：C14H19F13O3Si）;生产厂家为曲串晨光化工有限公司
立式电动搅拌机：HLA-KJ，辽宁豪耐思石化装备有限公司
电子天平：上海添时科学仪器，型号为FA201MB。
1.2试验方法
首先制备混凝土。为了更好的对比本文实验制备的混凝土在抗冻方面的优势，分别制备空白对照组和实验组。两组制备的步骤基本类似：
1）称取P.042.5水泥，与细砂置于烧杯中均匀混合，并加入自来水进行搅拌，以形成混凝土泥浆;
2）向两组实验中分别不加入和加入氟硅烷，并在加入后置于立式搅拌器下进行搅拌，搅拌时间为lh;
3）将搅拌后的混凝土倒人模具中，并用铜网进行覆盖;
4）待混凝土硬化后，去掉铜网，从而得到制备好的两组样品。
2 试验结果
2.1混凝土最佳配比
高强度混凝土的最佳配比中，水灰比设定为0.45的时候，得到的混凝土性能较好。文章主要的试验目的，是在不同疏水剂下，混凝土的最佳疏水性能。氟硅烷作为一种低表面修饰材料，可改变混凝土表面的湿润性的问题。由此，合适的添加量，可提高混凝土表面的湿润性。而为了减少实验步骤，文章在设计之初，水灰比选择0.45，设计强度为C60，研究在不同疏水剂用量下混凝土的疏水性能。而在疏水性的衡量中，混凝表面的超疏水接触角与滚动角是参考的重要指标。由此设计试验配比方案，如表2所示。
根据实验测定，得到图1和图2在不同掺量下的混凝土表面疏水滚动角和接触角。
通过上述的结果可以看出，在不同的掺量下，混凝土的表面的疏水滚动角和接触角各有不同。从图1的结果看出，当氟硅烷的掺量在0.08%-0.3%的区间下，其表明接触角从149.6°变化到156°，接触角有一定的增加，但是变化幅度都不明显;而当掺量在0.04～0.16的情况下，混凝土表面滚动角没有出现变化，当超过O.16%的时候，开始逐步减小，并在0.3%的情况下，达到稳定，此时的滚动角为5.4。实验标准要求，在滚动角角度小于10°的情况下，满足疏水性的要求。由此，可以得出，当掺量在0.24%的时候，其滚动较为6.1°，小于于10°，说明在含量为0.24%的时候，则满足了疏水性的要求。
由此，根据上述的结果，得到最佳的混凝土配合比：水灰比为0.45，疏水剂质量百分比为0.24%。
2.2混凝土微观形貌
使用SEM电子显微镜观察制备的疏水混凝土，得到实验组和对照组两种不同混凝土的微观结构，具体见图3和图4所示。
通过上述的微观形貌看出，普通混凝土的表面存在较为密集的立方体结构。而在掺入疏水剂的混凝土表面，仅存在微微凸起的粗糙结构。根据Wenzel模型原理，越为粗糙的混凝土表面，其亲水性更高。所以从微观结构来看，掺入疏水剂的混凝土疏水性更佳。
2.3表面結构分析
用X射线衍射仪对制备的材料表征进行分析，得到图5和图6的元素分析图谱。
通过上述的结果看出，两者表面的晶体种类，说明在掺入疏水剂后，并没有改变混凝土表面的晶体结构与种类。
2.4混凝土表面化学元素分析
文中，掺入适量的疏水剂，其主要的目的是降低混凝土材料表明能，从而使得混凝土从原来的亲水变为疏水。研究认为，之所以十三氟辛基三乙氧基硅烷具有良好的疏水性，其主要的原因与其中的C-F键和所形成的表面能有很大的关系。部分学者认为，C-F键越多，得到的表面能就越低。如-CF2-基团所拥有的表明能在18mJ/m2，-CF3表面能更低。因此，要验证十三氟辛基三乙氧基硅烷对混凝土疏水性的影响，只需要分析其表面的，-CF3基团、-CF2-基团等。而通过X射线光电子能谱分析，得到如图7和图8的化学结果组成分析结果。
通过上述的结果看出，普通混凝土表明不存在F元素，所以不可能存在-CF3等基团。而疏水性的混凝土中含有F离子，则结论认为可能存在-CF3等基团。
3疏水性能分析
为进一步验证上述制备的混凝土性能，本文采用冻融实验对混凝土性能进行验证。整个试验过程参照GBT50082-2009的标准要求，在冷冻和融化中，分别放在-18℃±2℃和5℃±2℃的温度下进行循环冻融，最后测量冻融后的质量损失率。经实验得到图9的结果。
通过上述的结果看出，在不同冻融系数下，混凝土的质量损失率变化趋势不同。普通混凝土的变化趋势是质量损失率一直在上升，并在冻融110次左右后，损失达到7%;而疏水混凝土来讲，在冻融的初期，其质量损失不升反降，并且在超过110次后，其质量损失率也要明显小于普通混凝土的损失率。说明疏水性混凝土具有较好的抗冻性能。
4 结语
通过上述的试验看出，结合当前在混凝土制备研究的主流方向，提出在混凝土中加入十三氟辛基三乙氧基硅烷，并通过表征性能和抗冻性能等，验证了上述制备的这种疏水性高强度混凝土具有很好的性能。而之所以在加入十三氟辛基三乙氧基硅烷会提高混凝土的疏水性，一个关键的问题是十三氟辛基三乙氧基硅烷中含有-CF3等官能基团，通过该官能基团，大大降低了混凝土表面能，进而提高了其疏水性，降低了亲水性。但是该材料还需要进一步的验证，包括抗腐蚀性、抗压性等。
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