碳化硅纳米镜面涂层材料，聚合物涂层对纳米SiO抗冻融和抗碳化性能有何影响
文| 青橘罐头
编辑 | 青橘罐头
●○前言○●
近年来，研究人员发现添加一系列纳米粒子和纤维添加到传统水泥材料中可以显著增加它们的韧性，力量和耐久性。
在混凝土中添加纳米颗粒可以提高骨料和水泥之间的粘结强度迫击炮并改善它们之间的弱界面过渡区，纳米核效应是改善胶凝材料性能的内在机制。
纳米粒子包括碳纳米管，纳米氧化铝，纳米二氧化硅，纳米氮化硼，纳米碳酸钙，和纳米粘土广泛用于混凝土中，目前研究最多和使用最广泛的纳米粒子是纳米二氧化硅，纳米二氧化硅的尺寸能更好的填充毛孔硅粉，增加耐压强度水泥复合材料。
●○PVA纤维对水泥复合材料性能的影响○●
通过实验可以得知，添加适量的纳米二氧化硅在渗透性、抗冻融性、抗断裂性和抗碳化性方面，混凝土可以大大提高其耐久性。
然而，裂缝扩展是影响混凝土耐久性的最突出的问题之一，水泥基复合材料的破坏通常是一个渐进的多级加载过程，导致材料破坏的宏观裂纹是由已有的或新的裂纹转化而来的微裂纹。
在这些纤维中，聚乙烯醇(PVA)纤维由于其高的弹性模数耐酸性、耐磨性和耐碱性，将PVA纤维添加到水泥复合材料中增加了它们的抗压和挠曲强度，并且这种增强的效率随着PVA纤维的长度而增加。
在混凝土中加入体积浓度为0.6–1.5%的PVA纤维可以显著提高其强度和延展性，含纳米二氧化硅的水泥基复合材料和PVA纤维可以表现出显著改善的机械性能和耐用性。
对工程质量的要求越来越高，而聚合物涂层是进一步提高水泥基复合材料耐久性的有效措施，涂层可分为以下三种类型:金属涂层、有机涂层和无机涂层。
其中，有机涂层由于其优异的密封性而经常被使用，耐蚀性、和抗老化性，聚合物涂料是有机涂料的一种。
混凝土碳化是导致结构劣化的最常见原因之一，也是影响结构耐久性的最重要因素之一，其周围环境中的浓度、水胶比、养护条件、水泥含量、温度、含水量和其他因素通常会影响混凝土的碳化反应速率。
在碳化过程中会发生一系列反应，削弱混凝土的碱性，当钢筋混凝土中孔隙水的pH值小于9时，防护氧化膜钢筋的表面溶解，钢筋暴露在腐蚀的危险中，混凝土可以有效地喷涂保护层，以降低碳化率。
与此同时，我们发现使用聚亚安酯， 聚氯乙烯、环氧树脂和丙烯酸的混凝土表面保护用酸能有效抑制一氧化碳的渗透和扩散在混凝土里。
聚氨酯涂层具有扩散系数0.66 × 10的−12 m2/s，渗透系数为1.73 × 10−17一氧化碳克摩尔/秒米千帕，模型预测显示，30年后喷有丙烯酸涂层的混凝土的碳化深度不会超过0.008米，比没有丙烯酸保护的深度低71.4%。
现代工程不再局限于陆地平原，而是越来越多地延伸到海洋和高海拔的寒冷地区，冻融破坏已成为寒冷地区水利工程、港口、道路和桥梁中水泥结构的主要破坏模式，表面松动、剥落、骨料暴露、弹性模量损失和其他故障机制也很常见。
在过去的几十年里，研究人员提出了各种解决冻害问题的方法，同时应用一个无机敷层发现经过120次冻融循环后，涂有无机涂层的混凝土的动态弹性模量比对照组的混凝土提高了74.4%。
成膜涂层可以在试件表面生成一层致密的膜层，将试件与外界环境隔离，防止腐蚀介质进入基体，这是材料的耐久性随着涂层的应用而增加的原因之一。
将聚合物材料结合到水泥结构中也提高了耐久性，但是这种提高是短暂的，这是因为在水泥材料中加入水溶性聚合物材料后，随着时间的推移，一定量的水将从材料中蒸发，留下的孔隙将对材料的吸水性、抗碳化性和抗冻融性产生负面影响。
●○氧化橡胶涂层和硅烷浸渍剂○●
由于其高效率和低成本，聚氨酯涂料，氯化橡胶涂层和硅烷浸渍剂用作表面聚合物涂层这次调查的材料。
氯化橡胶面漆是由氯化橡胶树脂、增韧剂、颜料、填料和助剂制成的单组份涂料，颜色为红色，聚氨酯面漆是一种双组分涂料，由低分子量氨基甲酸酯聚合物和含羟基树脂组成，颜色为蓝色。
测试中使用的硅烷是浸渍剂，而硅烷是一种无色液体，沸点为190°C，闪点为62°C，同时也可测出石英砂的粒度范围为212-380微米，目数为40-70目。
研究聚合物涂层的类型和层数对纳米二氧化硅耐久性的影响，以及PVA纤维增强水泥基复合材料、水胶比、水泥砂比和纳米二氧化硅的量和PVA纤维的添加量保持不变。
通过改变水胶比获得理想的混合比例，可以得出本研究中使用的水泥砂比为2，粉煤灰和纳米二氧化硅分别以35%和2%的浓度添加到水泥中。
PVA纤维以0.9%的体积剂量加入到混合物后，根据表观密度的计算，每立方米PVA纤维的含量为8.19千克。
对于加速碳化试验，样品尺寸为100 × 100 × 100 mm，固化26天后，浇铸样品在60°C的烘箱中干燥2天，然后将样品从烘箱中取出并用石蜡密封。
最后用钢丝涂布机和细刷保护样品表面，碳化试验在样品的相应表面处理后进行，其它试验条件如下：温度:21 ℃，湿度：73.3 %， CO22加速碳酸化测试仪内部环境中的浓度：20.46%。
当碳化龄期达到7、14和28天时，取出样品，用压机垂直于碳化表面将其分开，并喷洒1%酚酞醇溶液指示剂。
由于酚酞醇指示剂在与碱接触时变红的性质，使用数显游标卡尺来测量碳化深度，仪器的精度为0.1 mm，仪器不变色的部分代表碳化面积。
为了确保数值的准确性，每个试件选择8个测量点，每个测量点的平均碳化深度被认为是该试件的碳化深度的测量值。
一般来说，在冰冻期间进行解冻试验，容易造成室外环境复杂多变，难以人为控制，所以研究人员在冻融循环试验中，会选择在室内环境下进行相关研究。
固化24天后，取出冻融循环试样，浸泡在20±2°C的水中4天。
在冻融循环之前，对样品的初始质量进行称重。每次冰冻–解冻周期必须控制在4小时以内，每个样品的中心温度必须保持在−冷冻期间为20℃和7℃–解冻期。
在每25次冻融循环后，监测质量重量和超声波速度，并测定相对动力学弹性模数和质量损失率。
冻融循环试验的终止标准根据中国标准GBT50082-2009评估样品的冻融破坏时，一般来说，如果满足下列条件之一，就可以确定试件损伤，并可以终止试验。
将材料经过300次冷冻-解冻循环后，可以发现相对动态弹性模量降低到小于60%，由此得出质量损失率为5%的实验结果。
●○水泥基复合材料的吸水率○●
聚合物涂层处理对水胶比为0.35的水泥基复合材料吸水性的影响见下图，该图表明，三种保护涂层的应用显著降低了水泥基复合材料的毛细吸水性。
可渗透的硅烷对毛细管吸水表现出最明显的保护效果，当吸收阶段达到151 h时，吸水率为0.2%，比未保护时降低了73.3%，另外两种类型的成膜涂层效果较差。
涂层的保护效率越好，图中所示曲线的斜率越小，证明受保护的试样吸水速度越慢，每条曲线的斜率似乎先增长，然后下降，最终在151小时毛细吸水过程中变平。
在样品上涂上可渗透的硅烷后，硅烷会渗透到样品的内部孔隙中，并在毛细管壁上形成一层疏水膜，有效地防止渗透外部水。
在一定程度上，毛细管吸水率曲线的斜率代表了水泥基复合材料的毛细管吸水率，由于压力差，在试验的早期阶段，外部水迅速进入水泥基复合材料的孔隙。
然而当材料的含水量增加时，大部分孔隙被填满，材料接近水饱和，毛细驱动力逐渐降低，材料的吸水率也开始降低。
当受不同聚合物涂层保护的试样的吸水龄期达到151小时时，水胶比对毛细管吸水率的影响。
该图表明，在吸水龄期为151小时时，水胶比为0.4%的试样表现出1%的吸水率，比水胶比为0.35的试样高出33.3%，水-粘合剂比为0.45的样品表现出1.65%的吸水率，比水-粘合剂比为0.35的样品高120%。
即使存在保护涂层，试件的毛细吸水率仍然随着水胶比的增加而增加，这与Diamanti的研究结论一致，这是因为试样中水-粘合剂比率的增加会导致材料密度的降低、孔隙率的增加和内部缺陷的增加。
对于具有不同水胶比的水泥基复合材料试件，三种涂层的保护效率与从下式推断的结论一致。
因此，尽管水泥基复合材料的水胶比的增加降低了涂层的保护效率，但该定律保持不变，也就是说，三种聚合物涂层的保护效率遵循给定的递减顺序：硅烷浸渍剂，氯化橡胶涂层和聚氨酯涂层。
纳米二氧化硅水胶比为0.35的PVA纤维增强水泥基复合材料由单层和双层聚合物涂层保护，随后进行加速碳化试验。
在保护涂层处理后，试件的碳化深度显著降低，成膜氯化橡胶和聚氨酯涂层显著提高了试件的抗碳化能力，碳化深度分别比对照组降低了50-60%和60-70%。
与对照组相比，硅烷保护材料的碳化性能略有提高，碳化深度降低了5-10%，氯化橡胶和聚氨酯涂层能在标本表面形成一层致密的保护膜，对标本起到良好的物理屏障作用，有效阻止二氧化碳气体的侵入，这种保护具有良好的持久性。
●○结语○●
随着人们对结构耐久性要求的不断提高，许多致力于提高水泥基复合材料耐久性的研究正在迅速发展，在本研究中，研究了三种不同聚合物涂层对材料的毛细吸水性、抗碳化性和抗冻融性的增强效率，并得出以下结论:
对于水胶比为0.35的样品，在表面涂覆单层聚氨酯涂层、氯化橡胶涂层和渗透性硅烷涂层后，样品的毛细吸水率、碳化深度和冻融循环后的质量损失分别比没有涂层的样品降低了14.7-73.3%、12-66%和30.2-60.4%。
表面涂覆双层聚合物涂层后，试件的耐久性进一步提高，聚合物涂层的保护效率随着水-粘合剂比从0.35增加到0.45而降低。
与无涂层的水泥基复合材料相比，双层硅烷涂层对材料的毛细吸水率的保护效果最好，受保护试件的毛细吸水率仅为0.15%。
双层聚氨酯涂层对材料的抗碳化性能保护效果最好，28d碳化深度仅为0.4mm，双层硅烷涂层对材料的抗冻融性能保护效果最好，100次冻融循环后质量损失率仅为4.1%，所以我们需要根据实际需要选择合适的涂层材料。
扫描电镜结果表明，成膜氯化橡胶和聚氨酯涂层能在试件表面生成一层致密的膜层，对试件表面的孔隙和裂纹具有良好的封闭效果。
双层成膜涂层的对比表明，聚氨酯涂层表面均匀光滑，结构致密，由于溶剂的挥发，氯化橡胶涂层的表面出现了一些缺陷，硅烷浸渍剂渗透到基质中，但没有形成致密的物理膜，因此没有密封表面上的裂缝和孔隙。
