納米復(fù)合漿料摻入量對硅丙混凝土保護劑性能的影響

馬軍旗，尹晨旭，王 軼，李 程，李 芳，柳志丹，陳軍程，張志增

（1.中電建路橋集團有限公司，北京 100000；2.中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南鄭州 450000；3.北京科技大學(xué)，北京 100000）

0 引言

混凝土長期受到自然環(huán)境的侵蝕，對其使用壽命有較大的影響，延長混凝土的使用壽命成為當(dāng)前需要解決的重要問題之一［1-3］。以往對混凝土耐久性的研究一般集中在增加添加劑或改變配合比方面，此方法只能應(yīng)用在擬建的混凝土工程中［4］。而通過對混凝土表面涂覆保護劑，也可以提高混凝土的耐久性和裝飾效果，此方法不僅可以應(yīng)用在擬建的混凝土工程中，而且還可以應(yīng)用在既有的混凝土工程中，應(yīng)用范圍更加廣泛［5-6］。

復(fù)合漿料中的納米SiO2利用其納米粒徑對保護劑流變性的影響，可以使硅丙混凝土保護劑的施工性能得到很大改善［7］，同時納米SiO2利用納米粒子對紫外線的吸收性，可以提高硅丙保護劑的耐久性；納米CaCO3利用納米粒徑與樹脂之間強大的結(jié)合力，可以使保護劑顏填料與硅丙樹脂更好地相容，納米粒子還能更好地填充顏填料粒子間的空隙，使保護劑涂層更加致密，強度更高。由此，近年來人們通過添加納米漿料研制出性能更好的涂料，例如王軼等［8］通過降低氟碳乳液含量和添加納米漿料研制出一款水性氟碳保護劑，不僅降低了氟碳保護劑的成本，還增強了保護劑的耐沾污性；Macan等［9］將納米SiO2進行表面改性，摻入環(huán)氧樹脂中制備出一種納米復(fù)合環(huán)氧涂料，使涂料的機械性能、穩(wěn)定性都有很大提升；吳剛等［10］將硅烷改性納米SiO2分散到丙烯酸改性水性環(huán)氧乳液中，制備出的納米復(fù)合涂料具有較好的耐水性以及優(yōu)異的防腐性能。在以上研究基礎(chǔ)上，本研究研制出一款納米改性硅丙混凝土保護劑，并對納米復(fù)合漿料的添加量對保護劑性能的影響進行了研究。

1 試驗部分

1.1 納米材料的選擇

本研究選用的是洛陽大豫實業(yè)有限公司自主研制的一款納米SiO2改性復(fù)合漿料，該納米復(fù)合漿料具有易分散、貯存穩(wěn)定性好等特點，適合保護劑的制備，產(chǎn)品的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 納米SiO2復(fù)合漿料的性能指標(biāo)Table 1 Performance index of the nano-SiO2 composite slurry

1.2 納米復(fù)合漿料摻入量的確定

納米材料的摻入量與保護劑的性能存在一種二次拋物線的關(guān)系，其添加量低于最優(yōu)摻入量時，納米粒子可充分填充樹脂、顏填料的空隙中，保護劑的性能與納米材料的添加量存在正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)納米材料添加量超過最優(yōu)摻入量時，納米粒子開始與保護劑中的顏填料以及自身形成團聚，摻入量越高團聚現(xiàn)象越明顯，從而破壞了保護劑的施工性、貯存穩(wěn)定性等，使得保護劑性能下降。經(jīng)過前期的試驗，復(fù)合漿料選用保護劑的占比0、2 %、4 %、6 %、8 %、10 %、12 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）7個梯度進行納米改性硅丙混凝土保護劑性能的研究。

1.3 保護劑性能測試方法

附著力按照GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》進行測試；耐水性按照GB/T 1733—1993《漆膜耐水性測定法》進行測試；耐堿性按照GB/T 9265—2009《建筑涂料涂層耐堿性的測定》進行測試；耐洗刷性按照GB/T 9266—2009《建筑涂料涂層耐洗刷性的測定》進行測試；耐沾污性按照GB/T 9780—2013《建筑涂料涂層耐沾污性試驗方法》進行測試；耐紫外老化按照ISO 11507—2007《色漆和清漆 涂層暴露于人工風(fēng)化環(huán)境·暴露于熒光紫外線燈和水環(huán)境》進行測試。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 納米復(fù)合漿料摻入量對保護劑附著力的影響

納米復(fù)合漿料摻入量對保護劑附著力的影響如表2所示。

表2 納米復(fù)合漿料摻入量對保護劑附著力的影響Table 2 Effect of the nano-composite slurry addition on adhesion of the protective agent

由表2數(shù)據(jù)可知，當(dāng)納米復(fù)合漿料摻入量在0~6 %時，納米改性硅丙混凝土保護劑的附著力均未發(fā)生變化，穩(wěn)定在1級；當(dāng)納米復(fù)合漿料的摻入量為8 %~10 %時，納米改性硅丙混凝土保護劑的附著力降低，變?yōu)?級；當(dāng)其摻入量為12 %時，保護劑的附著力降為3級。當(dāng)納米復(fù)合漿料的摻入量較低時，納米粒子與硅丙樹脂結(jié)合性較好，使得硅丙乳液與顏填料之間的相容性增強，保護劑涂層變得更加致密，保護劑的附著力也更加穩(wěn)定。但隨著其摻入量的增多，納米粒子逐漸開始團聚，硅丙樹脂與納米粒子的結(jié)合性變差，進而影響了保護劑的附著力。

2.2 納米復(fù)合漿料摻入量對保護劑耐水性的影響

納米復(fù)合漿料摻入量對保護劑的耐水性影響試驗數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 納米復(fù)合漿料摻入量對保護劑耐水性的影響Figure 1 Effect of the nano-composite slurry addition on water resistance of the protective agent

由圖1可知，納米復(fù)合漿料摻入量在0~6 %時，保護劑的耐水時間隨著其摻入量的增加而提升；當(dāng)納米復(fù)合漿料的摻入量為6 %時，保護劑的耐水時間最高，達到2 684 h，是普通硅丙混凝土保護劑的15倍之多；當(dāng)其摻入量超過6 %時，保護劑的耐水時間隨其摻入量的增加而下降。其原因是納米復(fù)合漿料的加入填充了保護劑漆膜的細小孔隙，使得保護劑漆膜的孔隙率降低，漆膜更加致密，阻擋了水分子的浸入，從而使得保護劑的耐水性大幅提升。但是當(dāng)保護劑中摻入過多的納米復(fù)合漿料時，納米粒子發(fā)生了團聚，粒徑增大，不能較好地填充于保護劑漆膜的細小孔隙中，從而降低了保護劑的耐水時長。

2.3 納米復(fù)合漿料摻入量對保護劑耐堿性的影響

納米復(fù)合漿料摻入量對保護劑的耐堿性影響試驗數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 納米復(fù)合漿料摻入量對保護劑耐堿性的影響Figure 2 Effect of the nano-composite slurry addition on alkaline resistance of the protective agent

由圖2可知，當(dāng)納米復(fù)合漿料摻入量在0~8 %時，保護劑的耐堿性能隨著納米復(fù)合漿料摻入量的增加而提升；當(dāng)納米漿料摻入量在8 %時，保護劑的耐堿性達到峰值，是正常硅丙保護劑的8倍之多；當(dāng)其摻入量大于8 %后，保護劑的耐堿性能出現(xiàn)小幅下降。納米粒子的摻入可以很好地與硅丙樹脂相結(jié)合，使樹脂與顏填料更好地結(jié)合在一起，提高了保護劑漆膜的強度，使得保護劑的耐堿性得到提升。

2.4 納米復(fù)合漿料摻入量對保護劑耐沾污性的影響

納米復(fù)合漿料摻入量對保護劑的耐沾污性影響試驗結(jié)果見圖3。

圖3 納米復(fù)合漿料摻入量對保護劑耐沾污性的影響Figure 3 Influence of the nano-composite slurry addition on stain resistance of the protective agent

由圖3可知，保護劑的反射系數(shù)下降率隨著納米復(fù)合漿料摻入量的增加先下降后上升，當(dāng)其摻入量在6 %時，保護劑的反射系數(shù)下降率為4 %，達到最優(yōu)值，與普通的硅丙保護劑相比，性能提升了69 %；隨著納米漿料持續(xù)的增加，過多的納米粒子發(fā)生團聚現(xiàn)象，在保護劑中充當(dāng)了填料的作用，反而致使保護劑的耐沾污性能下降。

2.5 納米復(fù)合漿料摻入量對保護劑耐紫外老化性的影響

納米復(fù)合漿料摻入量對保護劑的耐紫外老化性影響試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 納米復(fù)合漿料摻入量對保護劑耐紫外老化性的影響＊Table 3 Effect of the nano-composite slurry addition on UV aging resistance of the protective agent

由表3數(shù)據(jù)可知，納米復(fù)合漿料的加入顯著提升了硅丙保護劑的耐久性，其摻入量在4 %~8 %時，納米改性硅丙混凝土保護劑的耐紫外老化性等級達到JG/T 512—2017《建筑外墻涂料通用技術(shù)要求》Ⅲ級以上，其中納米復(fù)合漿料摻入量為6 %的保護劑耐久性最為優(yōu)異，耐紫外老化無粉化時長可達2 500 h，達到規(guī)范Ⅳ級要求，與硅丙保護劑相比，耐紫外時長提升了66.7 %。納米粒子（特別是納米SiO2）可以很好地反射屏蔽紫外線，使得紫外線對漆膜的降解速率放緩，使漆膜的耐久性得到了提升。當(dāng)納米復(fù)合漿料的摻入量較高時，納米改性硅丙保護劑的粉化程度與硅丙保護劑相當(dāng)甚至更加嚴(yán)重，這是由于納米粒子團聚粒徑增大，保護劑分散不均勻，漆膜表層附著較多的大粒徑粒子，導(dǎo)致漆膜的光澤度下降，漆膜對紫外線的反射降低，加速了紫外線對漆膜的降解。

2.6 綜合分析

納米復(fù)合漿料的加入可以使硅丙混凝土保護劑的綜合性能得到顯著提升，隨著納米復(fù)合漿料的加入，納米改性硅丙混凝土保護劑的大部分性能都呈現(xiàn)出先大幅提升后再小幅降低的趨勢。當(dāng)納米復(fù)合漿料的摻入量在6 %~8 %時，納米改性硅丙混凝土保護劑的性能達到峰值。當(dāng)納米復(fù)合漿料加入量過多，反而會加速保護劑的老化，降低保護劑的耐久性。

3 結(jié)語

（1） 納米SiO2復(fù)合漿料的摻入使保護劑的耐堿性、耐沾污性等性能呈現(xiàn)出先大幅提升后再小幅降低的趨勢，但總體遠遠優(yōu)于未經(jīng)改性的硅丙混凝土保護劑。

（2） 當(dāng)納米SiO2復(fù)合漿料的摻入量為6 %時，納米改性硅丙混凝土保護劑的耐洗刷性可達64 394次，耐紫外老化時長達2 500 h。

（3） 當(dāng)納米SiO2復(fù)合漿料的摻入量為6 %~8 %時，保護劑的綜合性能最好，遠優(yōu)于未經(jīng)改性的硅丙混凝土保護劑。當(dāng)納米SiO2復(fù)合漿料的摻入量過高，反而會降低保護劑的耐久性。