超疏水混凝土如何实现力学与耐久性能的高效提升？

上海市土木工程学会

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Sustainable Concrete of Tongji University

编者按

混凝土具有强度高、成本低、耐久性好、可塑性强等优点，在建筑中得到广泛的应用。然而，由于其亲水性和多孔结构，混凝土易受到氧化腐蚀、离子腐蚀、冰冻环境等因水渗透引起的破坏。为解决混凝土的耐久性遭水侵蚀破坏问题，仿生超疏水涂层发挥着关键性的作用，但涂层力学与耐久较差的缺陷致使超疏水混凝土在实际应用中面临着巨大挑战。制备机械耐久的超疏水混凝土技术，对超疏水混凝土的应用推广有着重要的意义。本文对目前国内外力学性能与耐久性超疏水混凝土的研究现状进行了介绍，为超疏水技术在混凝土中的应用提供了一些研究思路。

1. 整体法超疏水混凝土研究现状

目前高强耐久型超疏水混凝土的研究主要集中在对混凝土进行整体化的超疏水处理，即在混凝土的制备过程中加入超疏水化改性剂，使混凝土从内到外整体都拥有超疏水特性，这种整体超疏水的混凝土在经受机械磨损、锤击、划伤、剥落后仍能保持稳定的超疏水性。

大连理工大学宋金龙^[^1]等在制备硅酸盐水泥砂浆过程中，加入氟硅烷，得到含氟硅烷的拌和物，倒入铺有铜网的模具中，养护成型，去除铜网得到超疏水混凝土。这种改性混凝土的水接触达到156±0.8°，滑动角6.1±1.2°，具备超疏水特性（如图1所示）。改性混凝土在经历刀划、锤击、砂纸磨损后，表面仍然保持不变的超疏水特性（如图2所示），防结冰、防冰力测量和冻融循环试验显示超疏水混凝土具有优异的防冰抗冻能力（如图3所示），抗腐蚀测试则表明超疏水混凝土提高了钢筋的防腐能力（图4所示）。此外，该研究^[^2]还尝试了另一类商用水性石头保护剂（DC-30,含硅烷和硅氧烷），同样获得了超高的疏水性和耐冻融的超疏水混凝土。这类整体改性的超疏水混凝土具备超强的力学性能与优异的耐久性，在寒冷地区的道路混凝土和沿海地区的桥梁混凝土领域有很大的应用前景。

图1 水滴在改性混凝土表面的状态（红墨水染色）

图2 涂层法超疏水混凝土和整体法超疏水混凝土的划伤试验对比（S-coating为涂层法超疏水混凝土，S-concrete为整体法超疏水涂层）

图3 超疏水混凝土的抗结冰能力（O-concrete为普通混凝土，S-concrete为超疏水混凝土）

图4 超疏水钢筋混凝土的耐腐蚀试验（O-concrete为普通混凝土，S-concrete为超疏水混凝土）

东南大学佘伟^[^3]研究团队首先制备了NS溶液（超疏水改性液，含有疏水性非晶态纳米二氧化硅和异丁基三乙氧基硅烷），然后在白色硅酸盐水泥砂浆制备过程中，加入NS溶液，养护成型，得到改性混凝土。这种改性混凝土的水接触角可达167°，对超疏水混凝土进行磨削试验，接触角变化不明显，保持在超疏水状态，而对比组的涂层超疏水混凝土则出现了接触角的迅速下降。江苏理工学院的王法军等人^[^4]，将含有端羟基聚二甲基硅氧烷(PDMS)、四乙氧基硅烷(TEOS)和二丁基二脲酸酯(DBDL)的液体混合物，接触角 156±0.8°，滑动角 6.1±1.2°；东南大学张友发等人^[^5]采用的是两步法制备了超疏水混凝土，首先用全氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTS)对水泥和砂进行改性，然后用聚乙烯醇表面活性剂水溶液分散改性后的水泥和砂颗粒，拌和后，养护定型，即得超疏水混凝土，接触角159± 0.8°，滑动角 5± 0.5，其超疏水特性也具有很好的耐锉磨、砂纸磨损、锤击的能力。

中国科学技术大学徐鑫^[^6]以辛烷、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和正硅酸四乙酯(TEOS)的混合物为预混油，然后加入二月桂酸二丁基锡（催化剂），搅拌，加入到铝酸钙水泥中制成拌和物，倒入模具中，在25℃、99%相对湿度下养护7天，然后经过一系列的热处理（50℃烘干12 h，再110℃烘干12 h，最后400℃氮气热处理1h），成功制得了可抵抗多种恶劣环境（如机械磨削、热处理和化学侵蚀）的超疏水混凝土。

中国山东科技大学王清^[^7]以硬脂酸（STA）为改性剂加入到硅酸盐水泥拌和物中，并结合铜网对混凝土表面改性的方法，制得得到了耐腐蚀、力学性能稳定的海洋环境超疏水混凝土，改性混凝土的水接触角159°，滚动角 5°。

美国威斯康辛大学Scott Muzenski^[^8]以外加剂的形式在混凝土拌合物中加入聚甲基氢硅氧烷（PMHS）、聚乙烯醇表面活性剂(PVAS)、偏高岭土、SiO₂纳米粒子和水的混合物，制得耐冻融性和抗氯离子渗透性能优异的超疏水混凝土。

2. 结论与展望

越来越多的研究者将目光聚焦在对混凝土的整体化超疏水改性领域，这种方法不但制备工艺简单，而且得到的超疏水混凝土具有优异的抗损伤能力和更强的抗水、抗离子渗能力。整体改性法是将超疏水改性剂以外加剂的形式加入到混凝土中，但目前在超疏水改性剂对水泥的水化过程和混凝土基础性能的影响方面仍缺乏了解，需要进一步的深入研究。

参考文献

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供稿 / 张斌

编辑 / 谢明君