水泥基材料硅烷浸渍老化机理研究
发布时间：2021-02-07 02:15
硅烷浸渍处理是一种应用广泛的耐久性防护措施。目前对于硅烷浸渍水泥基材料表面憎水性长期衰减的研究并不深入,导致对硅烷-水泥基材料防腐体系的寿命无法进行定量设计与评估。本文针对这一现状,开展机理层面的研究。通过实验手段研究机理,使用相同水灰比（0.5）的硬化水泥浆体、硬化砂浆、混凝土作为浸渍基体,异丁基三乙氧基硅烷作为浸渍材料,使用红外光谱、裂解气相色谱-质谱、水蒸气的等温脱吸附、气体渗透性、毛细吸水性等测试方法,研究了硅烷浸渍材料在光氧老化过程、碱液浸泡过程中所发生的变化。得出结论:（1）红外光谱和裂解色谱-质谱可以表征硅烷的烷基结构、计算样品中硅烷的含量。通过两种方法得到的硅烷含量有一些差别。结果表明,光氧老化过程中硅烷的含量、结构都未发生明显变化,碱液浸泡的前两周可被抽提去除的硅烷含量有所减少,后续硅烷含量变化规律不明显,硅烷结构未发生变化。（2）水泥基材料的吸附过程分为三个阶段,在40%-30%相对湿度区间脱附量明显增加,可能由孔隙结构“墨水瓶效应”引起。硅烷浸渍对低湿度下的脱吸附没有明显影响,而抑制了50%湿度以上水蒸气的凝聚。光氧老化过程硅烷的憎水处理效果没有明显变化。碱液浸泡...
【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
工程常用耐久性防护措施
第1章概述2外使用硅烷浸渍处理技术的重大工程包括丹麦大贝尔特海峡工程（1989-1997）、香港青马大桥（1992-1997）以及刚通车的港珠澳大桥（2009-2018）等。国内外的耐久性技术标准均将表明硅烷浸渍作为有效的表面防护措施[7-9]。硅烷作为有机材料在环境因素作用下会发生老化，混凝土表面（层）的憎水效果会随着这一老化过程而丧失。硅烷材料老化机理尚在研究过程中，老化过程的定量描述在科学研究层面上并没有解决，因此硅烷浸渍在工程应用中的保护年限尚不能准确预测，这导致目前技术标准基本都将表面硅烷浸渍处理作为耐久性安全储备，不能定量考虑其对结构使用寿命的贡献[10-12]。1.2文献综述1.2.1硅烷与混凝土表面的作用1.2.1.1硅烷在水泥基材料表面的反应机理硅烷是一种小分子物质，液态硅烷具有较低的黏度，在涂刷或喷涂在混凝土表面之后，可通过表面开放孔隙渗透到材料内部一定深度；膏状硅烷在涂敷与混凝土表面之后附着于其上，在附着期间膏体内的硅烷成分会持续渗入混凝土内部。硅烷单体分子在混凝土内部水分的作用下发生水解反应生成羟基硅烷：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]。水解产物羟基硅烷活性较高，羟基硅烷之间可继续发生缩合反应，方程式如下：2R-Si-(OH)3→R-(OH)2SiOSi(OH)2-R+H2O(1-2)上述缩合反应可发生在羟基硅烷之间以及混凝土表面水化产物之间，前者使硅烷在混凝土表面形成二聚体甚至多聚体的网状结构，后者使硅烷和混凝土表面之间建立化学连接，两类缩合反应如图1.2、图1.3所示[13]。图1.2羟基硅烷之间的缩合反应
第1章概述3图1.3羟基硅烷与水化产物之间的缩合反应缩合反应会引起脱水过程，相对干燥的混凝土（孔隙）表面更有利于反应（1-2）的进行，另外干燥的表面有利于硅烷的渗透（液态水的存在会堵塞孔隙），因此在工程中硅烷浸渍在相对干燥的混凝土表面更加有效。通过（1-1）、（1-2）两步反应，硅烷在混凝土孔隙表面形成了稳定的聚合网络，其中的烷基R赋予了混凝土孔隙表面憎水性。在自然条件下，干燥的混凝土表面一般需要数小时到数天来完成水解和缩合过程[14]。研究表明，硅烷单体分子越小越有利于渗入混凝土孔隙，单体分子越大则越有利于缩合反应的进行；硅烷单体的反应速率同时还与混凝土内部的pH值和温度有密切关系[6]。混凝土获得的憎水性可用材料表面接触角来表征，文献[15-16]中的研究表明：未经硅烷浸渍处理的混凝土表面亲水，接触角为0°；经过硅烷（异辛/丁基三乙氧基硅烷、短链烷基烷氧基硅烷）浸渍处理的混凝土表面的接触角在117.5°到127.5°之间。硅烷浸渍处理影响水蒸气在硅烷浸渍材料中的传输过程，还会降低外界水分以及溶解在水分中的有害离子对混凝土材料的侵入，下面介绍文献中相关的研究结果。1.2.1.2硅烷浸渍对水蒸气传输的影响在一定温度和相对湿度的环境中，水泥基材料会与环境进行水分交换，这个过程会逐渐进行，直到材料孔隙中水蒸气分压与环境一致，称为水泥基材料的水蒸气等温脱吸附过程[17]。等温脱吸附实验可以反映材料的表面性质、孔隙结构等。Selander[6]对未浸渍和浸渍的混凝土材料做了等温脱吸附实验，发现曲线相对湿度50%以下的部分二者没有明显差别，而更高湿度下浸渍的混凝土材料吸收的水分明显较少。文献[6]对此的解释是，50%RH对应孔径约为3nm，大约是硅烷分子在反应过程中过程物的尺寸，因?
【参考文献】：
期刊论文
[1]混凝土用有机硅渗透剂耐紫外老化性能研究[J]. 王学川,孙红尧,申明霞,李震. 水利水运工程学报. 2016(05)
[2]疲劳荷载作用下道路混凝土硫酸盐侵蚀及防护[J]. 关博文,於德美,马慧,张纪阳,谢超,杨涛. 表面技术. 2016(03)
[3]硅烷膏体浸渍混凝土表面性能研究[J]. 马虎,马爱斌,刘冠国,明静,谷昌宇. 混凝土. 2011(06)
[4]浅谈湛江海湾大桥主墩承台耐久性技术措施[J]. 许若. 广西质量监督导报. 2008(05)
[5]不同湿度条件下混凝土防水处理的有效性研究[J]. 朱桂红,赵铁军,郭平功,宋增红. 新型建筑材料. 2007(05)
[6]硅烷对海工高性能混凝土防腐蚀性能的影响[J]. 蒋正武,孙振平,王培铭. 中国港湾建设. 2005(01)
[7]硅烷浸渍剂对混凝土保护作用的研究[J]. 熊建波,王胜年,吴平. 混凝土. 2004(09)
博士论文
[1]水泥基材料气体渗透性研究[D]. 桂强.清华大学 2016
硕士论文
[1]TEOS/异丁基三乙氧基硅烷复合乳液的制备及其对水泥基材料耐久性能的影响[D]. 陈旭.青岛理工大学 2016
[2]硅烷浸渍混凝土性能研究及寿命预测模拟分析[D]. 王原原.山东大学 2016
[3]海工混凝土表面渗透型有机硅防护涂料耐久性研究[D]. 许星鑫.武汉理工大学 2012
本文编号：3021475
【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
工程常用耐久性防护措施
第1章概述2外使用硅烷浸渍处理技术的重大工程包括丹麦大贝尔特海峡工程（1989-1997）、香港青马大桥（1992-1997）以及刚通车的港珠澳大桥（2009-2018）等。国内外的耐久性技术标准均将表明硅烷浸渍作为有效的表面防护措施[7-9]。硅烷作为有机材料在环境因素作用下会发生老化，混凝土表面（层）的憎水效果会随着这一老化过程而丧失。硅烷材料老化机理尚在研究过程中，老化过程的定量描述在科学研究层面上并没有解决，因此硅烷浸渍在工程应用中的保护年限尚不能准确预测，这导致目前技术标准基本都将表面硅烷浸渍处理作为耐久性安全储备，不能定量考虑其对结构使用寿命的贡献[10-12]。1.2文献综述1.2.1硅烷与混凝土表面的作用1.2.1.1硅烷在水泥基材料表面的反应机理硅烷是一种小分子物质，液态硅烷具有较低的黏度，在涂刷或喷涂在混凝土表面之后，可通过表面开放孔隙渗透到材料内部一定深度；膏状硅烷在涂敷与混凝土表面之后附着于其上，在附着期间膏体内的硅烷成分会持续渗入混凝土内部。硅烷单体分子在混凝土内部水分的作用下发生水解反应生成羟基硅烷：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]。水解产物羟基硅烷活性较高，羟基硅烷之间可继续发生缩合反应，方程式如下：2R-Si-(OH)3→R-(OH)2SiOSi(OH)2-R+H2O(1-2)上述缩合反应可发生在羟基硅烷之间以及混凝土表面水化产物之间，前者使硅烷在混凝土表面形成二聚体甚至多聚体的网状结构，后者使硅烷和混凝土表面之间建立化学连接，两类缩合反应如图1.2、图1.3所示[13]。图1.2羟基硅烷之间的缩合反应
第1章概述3图1.3羟基硅烷与水化产物之间的缩合反应缩合反应会引起脱水过程，相对干燥的混凝土（孔隙）表面更有利于反应（1-2）的进行，另外干燥的表面有利于硅烷的渗透（液态水的存在会堵塞孔隙），因此在工程中硅烷浸渍在相对干燥的混凝土表面更加有效。通过（1-1）、（1-2）两步反应，硅烷在混凝土孔隙表面形成了稳定的聚合网络，其中的烷基R赋予了混凝土孔隙表面憎水性。在自然条件下，干燥的混凝土表面一般需要数小时到数天来完成水解和缩合过程[14]。研究表明，硅烷单体分子越小越有利于渗入混凝土孔隙，单体分子越大则越有利于缩合反应的进行；硅烷单体的反应速率同时还与混凝土内部的pH值和温度有密切关系[6]。混凝土获得的憎水性可用材料表面接触角来表征，文献[15-16]中的研究表明：未经硅烷浸渍处理的混凝土表面亲水，接触角为0°；经过硅烷（异辛/丁基三乙氧基硅烷、短链烷基烷氧基硅烷）浸渍处理的混凝土表面的接触角在117.5°到127.5°之间。硅烷浸渍处理影响水蒸气在硅烷浸渍材料中的传输过程，还会降低外界水分以及溶解在水分中的有害离子对混凝土材料的侵入，下面介绍文献中相关的研究结果。1.2.1.2硅烷浸渍对水蒸气传输的影响在一定温度和相对湿度的环境中，水泥基材料会与环境进行水分交换，这个过程会逐渐进行，直到材料孔隙中水蒸气分压与环境一致，称为水泥基材料的水蒸气等温脱吸附过程[17]。等温脱吸附实验可以反映材料的表面性质、孔隙结构等。Selander[6]对未浸渍和浸渍的混凝土材料做了等温脱吸附实验，发现曲线相对湿度50%以下的部分二者没有明显差别，而更高湿度下浸渍的混凝土材料吸收的水分明显较少。文献[6]对此的解释是，50%RH对应孔径约为3nm，大约是硅烷分子在反应过程中过程物的尺寸，因?
【参考文献】：
期刊论文
[1]混凝土用有机硅渗透剂耐紫外老化性能研究[J]. 王学川,孙红尧,申明霞,李震. 水利水运工程学报. 2016(05)
[2]疲劳荷载作用下道路混凝土硫酸盐侵蚀及防护[J]. 关博文,於德美,马慧,张纪阳,谢超,杨涛. 表面技术. 2016(03)
[3]硅烷膏体浸渍混凝土表面性能研究[J]. 马虎,马爱斌,刘冠国,明静,谷昌宇. 混凝土. 2011(06)
[4]浅谈湛江海湾大桥主墩承台耐久性技术措施[J]. 许若. 广西质量监督导报. 2008(05)
[5]不同湿度条件下混凝土防水处理的有效性研究[J]. 朱桂红,赵铁军,郭平功,宋增红. 新型建筑材料. 2007(05)
[6]硅烷对海工高性能混凝土防腐蚀性能的影响[J]. 蒋正武,孙振平,王培铭. 中国港湾建设. 2005(01)
[7]硅烷浸渍剂对混凝土保护作用的研究[J]. 熊建波,王胜年,吴平. 混凝土. 2004(09)
博士论文
[1]水泥基材料气体渗透性研究[D]. 桂强.清华大学 2016
硕士论文
[1]TEOS/异丁基三乙氧基硅烷复合乳液的制备及其对水泥基材料耐久性能的影响[D]. 陈旭.青岛理工大学 2016
[2]硅烷浸渍混凝土性能研究及寿命预测模拟分析[D]. 王原原.山东大学 2016
[3]海工混凝土表面渗透型有机硅防护涂料耐久性研究[D]. 许星鑫.武汉理工大学 2012
本文编号：3021475
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