水泥基材料硅烷浸漬老化機(jī)理研究
發(fā)布時(shí)間：2021-02-07 02:15
硅烷浸漬處理是一種應(yīng)用廣泛的耐久性防護(hù)措施。目前對(duì)于硅烷浸漬水泥基材料表面憎水性長(zhǎng)期衰減的研究并不深入,導(dǎo)致對(duì)硅烷-水泥基材料防腐體系的壽命無法進(jìn)行定量設(shè)計(jì)與評(píng)估。本文針對(duì)這一現(xiàn)狀,開展機(jī)理層面的研究。通過實(shí)驗(yàn)手段研究機(jī)理,使用相同水灰比（0.5）的硬化水泥漿體、硬化砂漿、混凝土作為浸漬基體,異丁基三乙氧基硅烷作為浸漬材料,使用紅外光譜、裂解氣相色譜-質(zhì)譜、水蒸氣的等溫脫吸附、氣體滲透性、毛細(xì)吸水性等測(cè)試方法,研究了硅烷浸漬材料在光氧老化過程、堿液浸泡過程中所發(fā)生的變化。得出結(jié)論:（1）紅外光譜和裂解色譜-質(zhì)譜可以表征硅烷的烷基結(jié)構(gòu)、計(jì)算樣品中硅烷的含量。通過兩種方法得到的硅烷含量有一些差別。結(jié)果表明,光氧老化過程中硅烷的含量、結(jié)構(gòu)都未發(fā)生明顯變化,堿液浸泡的前兩周可被抽提去除的硅烷含量有所減少,后續(xù)硅烷含量變化規(guī)律不明顯,硅烷結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化。（2）水泥基材料的吸附過程分為三個(gè)階段,在40%-30%相對(duì)濕度區(qū)間脫附量明顯增加,可能由孔隙結(jié)構(gòu)“墨水瓶效應(yīng)”引起。硅烷浸漬對(duì)低濕度下的脫吸附?jīng)]有明顯影響,而抑制了50%濕度以上水蒸氣的凝聚。光氧老化過程硅烷的憎水處理效果沒有明顯變化。堿液浸泡...
【文章來源】：清華大學(xué)北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：103 頁
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
工程常用耐久性防護(hù)措施
第1章概述2外使用硅烷浸漬處理技術(shù)的重大工程包括丹麥大貝爾特海峽工程（1989-1997）、香港青馬大橋（1992-1997）以及剛通車的港珠澳大橋（2009-2018）等。國內(nèi)外的耐久性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均將表明硅烷浸漬作為有效的表面防護(hù)措施[7-9]。硅烷作為有機(jī)材料在環(huán)境因素作用下會(huì)發(fā)生老化，混凝土表面（層）的憎水效果會(huì)隨著這一老化過程而喪失。硅烷材料老化機(jī)理尚在研究過程中，老化過程的定量描述在科學(xué)研究層面上并沒有解決，因此硅烷浸漬在工程應(yīng)用中的保護(hù)年限尚不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，這導(dǎo)致目前技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)基本都將表面硅烷浸漬處理作為耐久性安全儲(chǔ)備，不能定量考慮其對(duì)結(jié)構(gòu)使用壽命的貢獻(xiàn)[10-12]。1.2文獻(xiàn)綜述1.2.1硅烷與混凝土表面的作用1.2.1.1硅烷在水泥基材料表面的反應(yīng)機(jī)理硅烷是一種小分子物質(zhì)，液態(tài)硅烷具有較低的黏度，在涂刷或噴涂在混凝土表面之后，可通過表面開放孔隙滲透到材料內(nèi)部一定深度；膏狀硅烷在涂敷與混凝土表面之后附著于其上，在附著期間膏體內(nèi)的硅烷成分會(huì)持續(xù)滲入混凝土內(nèi)部。硅烷單體分子在混凝土內(nèi)部水分的作用下發(fā)生水解反應(yīng)生成羥基硅烷：R-Si-(OR)3+nH2O→R-Si-(OR)3-n(OH)n+nROH(1-1)其中n≤3，表示硅烷水解的程度[4]。水解產(chǎn)物羥基硅烷活性較高，羥基硅烷之間可繼續(xù)發(fā)生縮合反應(yīng)，方程式如下：2R-Si-(OH)3→R-(OH)2SiOSi(OH)2-R+H2O(1-2)上述縮合反應(yīng)可發(fā)生在羥基硅烷之間以及混凝土表面水化產(chǎn)物之間，前者使硅烷在混凝土表面形成二聚體甚至多聚體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，后者使硅烷和混凝土表面之間建立化學(xué)連接，兩類縮合反應(yīng)如圖1.2、圖1.3所示[13]。圖1.2羥基硅烷之間的縮合反應(yīng)
第1章概述3圖1.3羥基硅烷與水化產(chǎn)物之間的縮合反應(yīng)縮合反應(yīng)會(huì)引起脫水過程，相對(duì)干燥的混凝土（孔隙）表面更有利于反應(yīng)（1-2）的進(jìn)行，另外干燥的表面有利于硅烷的滲透（液態(tài)水的存在會(huì)堵塞孔隙），因此在工程中硅烷浸漬在相對(duì)干燥的混凝土表面更加有效。通過（1-1）、（1-2）兩步反應(yīng)，硅烷在混凝土孔隙表面形成了穩(wěn)定的聚合網(wǎng)絡(luò)，其中的烷基R賦予了混凝土孔隙表面憎水性。在自然條件下，干燥的混凝土表面一般需要數(shù)小時(shí)到數(shù)天來完成水解和縮合過程[14]。研究表明，硅烷單體分子越小越有利于滲入混凝土孔隙，單體分子越大則越有利于縮合反應(yīng)的進(jìn)行；硅烷單體的反應(yīng)速率同時(shí)還與混凝土內(nèi)部的pH值和溫度有密切關(guān)系[6]�；炷莲@得的憎水性可用材料表面接觸角來表征，文獻(xiàn)[15-16]中的研究表明：未經(jīng)硅烷浸漬處理的混凝土表面親水，接觸角為0°；經(jīng)過硅烷（異辛/丁基三乙氧基硅烷、短鏈烷基烷氧基硅烷）浸漬處理的混凝土表面的接觸角在117.5°到127.5°之間。硅烷浸漬處理影響水蒸氣在硅烷浸漬材料中的傳輸過程，還會(huì)降低外界水分以及溶解在水分中的有害離子對(duì)混凝土材料的侵入，下面介紹文獻(xiàn)中相關(guān)的研究結(jié)果。1.2.1.2硅烷浸漬對(duì)水蒸氣傳輸?shù)挠绊懺谝欢囟群拖鄬?duì)濕度的環(huán)境中，水泥基材料會(huì)與環(huán)境進(jìn)行水分交換，這個(gè)過程會(huì)逐漸進(jìn)行，直到材料孔隙中水蒸氣分壓與環(huán)境一致，稱為水泥基材料的水蒸氣等溫脫吸附過程[17]。等溫脫吸附實(shí)驗(yàn)可以反映材料的表面性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)等。Selander[6]對(duì)未浸漬和浸漬的混凝土材料做了等溫脫吸附實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)曲線相對(duì)濕度50%以下的部分二者沒有明顯差別，而更高濕度下浸漬的混凝土材料吸收的水分明顯較少。文獻(xiàn)[6]對(duì)此的解釋是，50%RH對(duì)應(yīng)孔徑約為3nm，大約是硅烷分子在反應(yīng)過程中過程物的尺寸，因?
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]混凝土用有機(jī)硅滲透劑耐紫外老化性能研究[J]. 王學(xué)川,孫紅堯,申明霞,李震. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào). 2016(05)
[2]疲勞荷載作用下道路混凝土硫酸鹽侵蝕及防護(hù)[J]. 關(guān)博文,於德美,馬慧,張紀(jì)陽,謝超,楊濤. 表面技術(shù). 2016(03)
[3]硅烷膏體浸漬混凝土表面性能研究[J]. 馬虎,馬愛斌,劉冠國,明靜,谷昌宇. 混凝土. 2011(06)
[4]淺談?wù)拷炒髽蛑鞫粘信_(tái)耐久性技術(shù)措施[J]. 許若. 廣西質(zhì)量監(jiān)督導(dǎo)報(bào). 2008(05)
[5]不同濕度條件下混凝土防水處理的有效性研究[J]. 朱桂紅,趙鐵軍,郭平功,宋增紅. 新型建筑材料. 2007(05)
[6]硅烷對(duì)海工高性能混凝土防腐蝕性能的影響[J]. 蔣正武,孫振平,王培銘. 中國港灣建設(shè). 2005(01)
[7]硅烷浸漬劑對(duì)混凝土保護(hù)作用的研究[J]. 熊建波,王勝年,吳平. 混凝土. 2004(09)
博士論文
[1]水泥基材料氣體滲透性研究[D]. 桂強(qiáng).清華大學(xué) 2016
碩士論文
[1]TEOS/異丁基三乙氧基硅烷復(fù)合乳液的制備及其對(duì)水泥基材料耐久性能的影響[D]. 陳旭.青島理工大學(xué) 2016
[2]硅烷浸漬混凝土性能研究及壽命預(yù)測(cè)模擬分析[D]. 王原原.山東大學(xué) 2016
[3]海工混凝土表面滲透型有機(jī)硅防護(hù)涂料耐久性研究[D]. 許星鑫.武漢理工大學(xué) 2012
本文編號(hào)：3021475
【文章來源】：清華大學(xué)北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：103 頁
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
工程常用耐久性防護(hù)措施
第1章概述2外使用硅烷浸漬處理技術(shù)的重大工程包括丹麥大貝爾特海峽工程（1989-1997）、香港青馬大橋（1992-1997）以及剛通車的港珠澳大橋（2009-2018）等。國內(nèi)外的耐久性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均將表明硅烷浸漬作為有效的表面防護(hù)措施[7-9]。硅烷作為有機(jī)材料在環(huán)境因素作用下會(huì)發(fā)生老化，混凝土表面（層）的憎水效果會(huì)隨著這一老化過程而喪失。硅烷材料老化機(jī)理尚在研究過程中，老化過程的定量描述在科學(xué)研究層面上并沒有解決，因此硅烷浸漬在工程應(yīng)用中的保護(hù)年限尚不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，這導(dǎo)致目前技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)基本都將表面硅烷浸漬處理作為耐久性安全儲(chǔ)備，不能定量考慮其對(duì)結(jié)構(gòu)使用壽命的貢獻(xiàn)[10-12]。1.2文獻(xiàn)綜述1.2.1硅烷與混凝土表面的作用1.2.1.1硅烷在水泥基材料表面的反應(yīng)機(jī)理硅烷是一種小分子物質(zhì)，液態(tài)硅烷具有較低的黏度，在涂刷或噴涂在混凝土表面之后，可通過表面開放孔隙滲透到材料內(nèi)部一定深度；膏狀硅烷在涂敷與混凝土表面之后附著于其上，在附著期間膏體內(nèi)的硅烷成分會(huì)持續(xù)滲入混凝土內(nèi)部。硅烷單體分子在混凝土內(nèi)部水分的作用下發(fā)生水解反應(yīng)生成羥基硅烷：R-Si-(OR)3+nH2O→R-Si-(OR)3-n(OH)n+nROH(1-1)其中n≤3，表示硅烷水解的程度[4]。水解產(chǎn)物羥基硅烷活性較高，羥基硅烷之間可繼續(xù)發(fā)生縮合反應(yīng)，方程式如下：2R-Si-(OH)3→R-(OH)2SiOSi(OH)2-R+H2O(1-2)上述縮合反應(yīng)可發(fā)生在羥基硅烷之間以及混凝土表面水化產(chǎn)物之間，前者使硅烷在混凝土表面形成二聚體甚至多聚體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，后者使硅烷和混凝土表面之間建立化學(xué)連接，兩類縮合反應(yīng)如圖1.2、圖1.3所示[13]。圖1.2羥基硅烷之間的縮合反應(yīng)
第1章概述3圖1.3羥基硅烷與水化產(chǎn)物之間的縮合反應(yīng)縮合反應(yīng)會(huì)引起脫水過程，相對(duì)干燥的混凝土（孔隙）表面更有利于反應(yīng)（1-2）的進(jìn)行，另外干燥的表面有利于硅烷的滲透（液態(tài)水的存在會(huì)堵塞孔隙），因此在工程中硅烷浸漬在相對(duì)干燥的混凝土表面更加有效。通過（1-1）、（1-2）兩步反應(yīng)，硅烷在混凝土孔隙表面形成了穩(wěn)定的聚合網(wǎng)絡(luò)，其中的烷基R賦予了混凝土孔隙表面憎水性。在自然條件下，干燥的混凝土表面一般需要數(shù)小時(shí)到數(shù)天來完成水解和縮合過程[14]。研究表明，硅烷單體分子越小越有利于滲入混凝土孔隙，單體分子越大則越有利于縮合反應(yīng)的進(jìn)行；硅烷單體的反應(yīng)速率同時(shí)還與混凝土內(nèi)部的pH值和溫度有密切關(guān)系[6]�；炷莲@得的憎水性可用材料表面接觸角來表征，文獻(xiàn)[15-16]中的研究表明：未經(jīng)硅烷浸漬處理的混凝土表面親水，接觸角為0°；經(jīng)過硅烷（異辛/丁基三乙氧基硅烷、短鏈烷基烷氧基硅烷）浸漬處理的混凝土表面的接觸角在117.5°到127.5°之間。硅烷浸漬處理影響水蒸氣在硅烷浸漬材料中的傳輸過程，還會(huì)降低外界水分以及溶解在水分中的有害離子對(duì)混凝土材料的侵入，下面介紹文獻(xiàn)中相關(guān)的研究結(jié)果。1.2.1.2硅烷浸漬對(duì)水蒸氣傳輸?shù)挠绊懺谝欢囟群拖鄬?duì)濕度的環(huán)境中，水泥基材料會(huì)與環(huán)境進(jìn)行水分交換，這個(gè)過程會(huì)逐漸進(jìn)行，直到材料孔隙中水蒸氣分壓與環(huán)境一致，稱為水泥基材料的水蒸氣等溫脫吸附過程[17]。等溫脫吸附實(shí)驗(yàn)可以反映材料的表面性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)等。Selander[6]對(duì)未浸漬和浸漬的混凝土材料做了等溫脫吸附實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)曲線相對(duì)濕度50%以下的部分二者沒有明顯差別，而更高濕度下浸漬的混凝土材料吸收的水分明顯較少。文獻(xiàn)[6]對(duì)此的解釋是，50%RH對(duì)應(yīng)孔徑約為3nm，大約是硅烷分子在反應(yīng)過程中過程物的尺寸，因?
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]混凝土用有機(jī)硅滲透劑耐紫外老化性能研究[J]. 王學(xué)川,孫紅堯,申明霞,李震. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào). 2016(05)
[2]疲勞荷載作用下道路混凝土硫酸鹽侵蝕及防護(hù)[J]. 關(guān)博文,於德美,馬慧,張紀(jì)陽,謝超,楊濤. 表面技術(shù). 2016(03)
[3]硅烷膏體浸漬混凝土表面性能研究[J]. 馬虎,馬愛斌,劉冠國,明靜,谷昌宇. 混凝土. 2011(06)
[4]淺談?wù)拷炒髽蛑鞫粘信_(tái)耐久性技術(shù)措施[J]. 許若. 廣西質(zhì)量監(jiān)督導(dǎo)報(bào). 2008(05)
[5]不同濕度條件下混凝土防水處理的有效性研究[J]. 朱桂紅,趙鐵軍,郭平功,宋增紅. 新型建筑材料. 2007(05)
[6]硅烷對(duì)海工高性能混凝土防腐蝕性能的影響[J]. 蔣正武,孫振平,王培銘. 中國港灣建設(shè). 2005(01)
[7]硅烷浸漬劑對(duì)混凝土保護(hù)作用的研究[J]. 熊建波,王勝年,吳平. 混凝土. 2004(09)
博士論文
[1]水泥基材料氣體滲透性研究[D]. 桂強(qiáng).清華大學(xué) 2016
碩士論文
[1]TEOS/異丁基三乙氧基硅烷復(fù)合乳液的制備及其對(duì)水泥基材料耐久性能的影響[D]. 陳旭.青島理工大學(xué) 2016
[2]硅烷浸漬混凝土性能研究及壽命預(yù)測(cè)模擬分析[D]. 王原原.山東大學(xué) 2016
[3]海工混凝土表面滲透型有機(jī)硅防護(hù)涂料耐久性研究[D]. 許星鑫.武漢理工大學(xué) 2012
本文編號(hào)：3021475
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