聚二甲基硅氧烷整體疏水改性鋁酸鈣水泥制品研究

李冰 張豪楓 郭育森 洪旭民 董賓賓 楊秀麗

1）中鋼洛耐科技股份有限公司 河南洛陽471000

2）洛陽耐研陶瓷纖維有限公司 河南洛陽471023

3）洛陽理工學(xué)院 河南洛陽471023

鋁酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間較短，可用于緊急工程施工；水化時(shí)會釋放大量的熱，可在溫度較低的情況下使用；水化硬化后密實(shí)度大，具有極強(qiáng)的抗硫酸鹽腐蝕性能；耐熱性能好，可用作耐火澆注料的結(jié)合劑［1-6］。但是，水分滲入帶入的腐蝕性離子會使水泥的水化產(chǎn)物轉(zhuǎn)化或分解，使鋼筋發(fā)生銹蝕，降低水泥制品的強(qiáng)度。

為了阻止外界水分的滲入，目前主要采用增加密實(shí)度和進(jìn)行疏水修飾的方法。降低水灰比能提高致密性，但會降低砂漿的流動(dòng)性，極易導(dǎo)致制品在使用過程中開裂［7-11］；此外，該方法只能在一定程度上降低水的滲入。因此，近年來采用疏水修飾引起了研究者的極大興趣。疏水修飾的方法主要分為表面改性和整體改性。表面改性的制品在使用過程中不可避免地會受到機(jī)械沖刷而失去疏水功能，整體改性的制品則不存在此問題。但是，整體改性制品中添加的疏水改性劑對水泥水化性能以及制品的致密度和強(qiáng)度等有何影響，相關(guān)研究還不夠完善。

在本工作中，研究整體改性時(shí)疏水改性劑聚二甲基硅氧烷加入量對鋁酸鈣水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間、疏水性，以及剛玉澆注料的致密度、強(qiáng)度、疏水性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

試驗(yàn)原料有：Secar 71鋁酸鈣水泥，疏水修飾劑聚二甲基硅氧烷，修飾助劑正硅酸乙酯（化學(xué)純），乳化劑吐溫80（化學(xué)純），添加劑三聚磷酸鈉；制備剛玉澆注料的原料有板狀剛玉（粒度5～3、3～1、≤1和≤0.045 mm），活性氧化鋁微粉（d50＝1.5μm），SiO2微粉。

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 水泥凈漿試驗(yàn)

水泥凈漿的設(shè)計(jì)配比如下：水和鋁酸鈣水泥的質(zhì)量比為33∶100；疏水修飾劑聚二甲基硅氧烷的加入量分別為加水質(zhì)量的0、1%、2%和5%；吐溫80、正硅酸乙酯、聚二甲基硅氧烷的質(zhì)量比為1∶10∶5。

按設(shè)計(jì)配比備料。將水置于燒杯中，邊攪拌邊依次加入吐溫80、正硅酸乙酯和聚二甲基硅氧烷，然后繼續(xù)攪拌1 h制得疏水修飾劑混合液。

將鋁酸鈣水泥置于攪拌鍋中，邊攪拌邊加入疏水修飾劑混合液，然后繼續(xù)攪拌3 min。取一部分凈漿，按GB／T 1346—2011檢測其凝結(jié)時(shí)間；將其余凈漿澆注于模具中，置于溫度為20℃、相對濕度為90%的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)3 d。用針管在水泥凈漿試樣表面滴加水滴，使用CA100C型接觸角測量儀測量水與試樣的接觸角。

1.2.2 澆注料試驗(yàn)

澆注料的主料配比（w）設(shè)計(jì)如下：5～3 mm板狀剛玉28%，3～1 mm板狀剛玉25%，≤1 mm板狀剛玉15%，≤0.045 mm板狀剛玉細(xì)粉20%，活性氧化鋁微粉3%，SiO2微粉3%，鋁酸鈣水泥6%。其他原料的設(shè)計(jì)配比如下：水和三聚磷酸鈉的量分別為上述原料總質(zhì)量的6%和0.15%；疏水修飾劑聚二甲基硅氧烷的加入量分別為加水質(zhì)量的0、1%、2%和5%；吐溫80、正硅酸乙酯、聚二甲基硅氧烷的質(zhì)量比為1∶10∶5。

按設(shè)計(jì)配比配料。將水、聚二甲基硅氧烷、吐溫80、正硅酸乙酯等按“1.2.1”的方法制成疏水修飾劑混合液備用；將板狀剛玉、活性氧化鋁微粉、SiO2微粉、鋁酸鈣水泥和三聚磷酸鈉置于攪拌鍋中干混3 min，然后加入混合乳液繼續(xù)攪拌3 min，用模具澆注成型，置于溫度為20℃、相對濕度為90%的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)3 d。

按GB／T 2997—2015檢測澆注料試樣的顯氣孔率和體積密度，按GB／T 3001—2017檢測澆注料試樣的常溫抗折強(qiáng)度，按GB／T 5072—2008檢測澆注料試樣的常溫耐壓強(qiáng)度。使用接觸角測量儀（CA100C，上海盈諾）測量水、咖啡、牛奶、醬油、啤酒等與試樣斷面的接觸角；將澆注料試樣分別置入0.01 mol·L-1的NaOH溶液、40 mg·L-1的腐殖酸溶液和100℃熱水中浸泡24 h，在熱風(fēng)烘箱中烘干后滴加水滴，然后使用接觸角測量儀測試其水接觸角。

2 結(jié)果與討論

2.1 對凈漿凝結(jié)時(shí)間及凈漿試樣疏水性的影響

疏水修飾劑加入量對水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響見圖1。由圖可知：隨著疏水修飾劑聚二甲基硅氧烷加入量的增加，水泥凈漿的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均有所延長。這是由于修飾劑吸附在水泥顆粒的表面，阻止了水泥與水的接觸，降低了其水化速率。

圖1 疏水修飾劑加入量對凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響

在疏水修飾劑加入量為水質(zhì)量1%的試樣上滴加水滴后的普通照片和水滴正側(cè)面剪影照片見圖2。可以看出：水滴未發(fā)生滲透現(xiàn)象，并且呈近球形立在試樣的表面；經(jīng)測試，試樣的水接觸角為153°，表明試樣具有超疏水性能。試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傾斜試樣時(shí)，水滴會從試樣表面滾落。因此，引入疏水修飾劑對鋁酸鈣水泥制品進(jìn)行整體改性可獲得超疏水性能的鋁酸鈣水泥制品。

圖2 水滴在凈漿試樣表面的存在狀態(tài)照片

2.2 對澆注料試樣致密度和常溫強(qiáng)度的影響

疏水修飾劑加入量對澆注料試樣顯氣孔率和體積密度的影響見圖3。由圖可知：隨著疏水修飾劑加入量的增加，試樣的顯氣孔率逐漸緩慢增大，體積密度逐漸緩慢減小。這可能是由于在加水量一定的情況下，疏水修飾劑的加入降低了澆注料的流動(dòng)性，從而影響了澆注料的致密度。

圖3 疏水修飾劑加入量對澆注料顯氣孔率和體積密度的影響

疏水修飾劑加入量對澆注料試樣常溫強(qiáng)度的影響見圖4。由圖可知：隨著疏水修飾劑加入量的增加，試樣的常溫耐壓強(qiáng)度和常溫抗折強(qiáng)度顯著減小。這是因?yàn)?，疏水修飾劑的加入既降低了澆注料的致密度，又降低了水泥的水化速率?/p>

圖4 疏水修飾劑加入量對澆注料常溫強(qiáng)度的影響

2.3 對澆注料試樣疏水性的影響

水、咖啡、牛奶、醬油、啤酒5種液滴在添加不同量修飾劑的澆注料試樣斷面的存在狀態(tài)（普通照片和水滴正側(cè)面剪影照片）見圖5。由圖可知：5種液滴滴加在無修飾劑澆注料試樣斷面后，均迅速滲透到試樣內(nèi)部，表明該試樣不具備疏水性能。當(dāng)修飾劑添加量由加水質(zhì)量的1%增大至加水質(zhì)量的5%時(shí)，水接觸角由113°增大至151°，疏水性能逐漸提高。咖啡、牛奶、醬油、啤酒液滴的表現(xiàn)與水滴的表現(xiàn)差別不大。

圖5 水、咖啡、牛奶、醬油、啤酒液滴在添加不同量修飾劑的澆注料試樣斷面的存在狀態(tài)

疏水修飾劑添加量為加水質(zhì)量的1%的澆注料分別經(jīng)0.01 mol·L-1的NaOH溶液、40 mg·L-1的腐殖酸溶液和100℃熱水浸泡24 h并烘干后，水滴在其表面的存在狀態(tài)見圖6。由圖可知：試樣的水接觸角均大于150°，表明其仍具有較高的疏水性。

圖6 水滴在經(jīng)不同液體處理后澆注料試樣表面的存在狀態(tài)

3 結(jié)論

（1）隨著疏水修飾劑聚二甲基硅氧烷加入量的增多，鋁酸鈣水泥凈漿的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均有所延長。

（2）隨著疏水修飾劑聚二甲基硅氧烷加入量的增多，澆注料試樣的致密度緩慢減小，常溫耐壓強(qiáng)度和常溫抗折強(qiáng)度顯著減??；水接觸角由113°增大至151°，疏水性能逐漸提高，且對酸、堿、沸水具有極高的穩(wěn)定性。