新型建材疏水性海绵砖制备及其物性研究

陆 峰，刘 月

(1.淮北职业技术学院 机电工程系，安徽 淮北 235000；2.淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000)

0 引言

目前建筑多采用常重混凝土，不仅增加了基础及结构的负荷且建筑原料正面临枯竭，因此急需替代品.海绵砖是一种新型建材，海绵砖里面布满许多独立气孔，能有效隔绝热能和声音穿透，低密度、重量轻能有效减少工程结构的载荷，且能使用特殊的预铸工法来减少施工时间.海绵砖虽具备重量轻、隔热、隔音、耐热等优点，但是海绵砖具有超强吸水性，如果能让海绵砖原本亲水性的表面具有疏水性的效果，就可以避免雨水渗入到海绵砖里面而导致产生钢筋腐蚀等情况[1-2].

本文采用仿生矿化方法对海绵砖表面进行处理，使海绵砖表面的碳酸钙晶型受到控制，从而使表面碳酸钙具有疏水特性[3-4].将海绵砖经过仿生矿化处理后与使用表面处理(锂基、二氧化硅)的海绵砖进行抗压测试、表面平均接触角WCA测量、酸碱度pH实验、表面微硬度HV实验，观察海绵砖表面晶体结构，探讨仿生矿化与其他表面处理的差异[5-7].

1 碳酸钙仿生矿化反应机制

实验使用模板剂为硬脂酸，其反应式为

C17H35COO-+NaOH→C17H35COONa+OH-；

(1)

(2)

(3)

根据上述的反应，使用“加压碳化法”合成疏水性碳酸钙，海绵砖经水化反应后会产生氢氧化钙Ca(OH)2，最终在混凝土表面形成具有长链状官能基的疏水性碳酸钙[8-10].如果在自然环境下与二氧化碳接触后形成碳酸钙，则存在多种变因条件，例如：空气中二氧化碳体积浓度、水气含量、温度和压力变化，将会导致海绵砖表面生成的碳酸钙晶体大小不一样且晶体间因为松散而使缝隙较宽，从而导致水和具腐蚀性的液体入侵[11].加压碳化法可以控制碳酸钙结晶颗粒大小和晶相[12-14]，根据上述的化学反应让硬脂酸钠的钠离子跟海绵砖表面钙离子反应，钠离子被钙离子替换形成硬脂酸钙，且与高压反应釜里的二氧化碳溶解于水中的碳酸根离子反应，形成带有疏水性的碳酸钙颗粒，在高压高温环境影响下，会将具有疏水性的碳酸钙颗粒附着在海绵砖的表面，使得海绵砖表面带有疏水性[15-16].

2 研究方法

2.1 实验材料

本实验所使用的材料有水泥粉(硅酸盐水泥Ⅰ型)、植物性发泡剂、自来水、木制模板、二氧化硅、锂基(本实验使用的是Li2SO4)、生石灰.

2.2 实验过程

(1)将一包硅酸盐水泥Ⅰ型与水倒入搅拌机，水和水泥的质量比为0.35.

(2)水泥与水依照上面质量比在水泥搅拌机5～8 min后，打开空压机将空气打入到植物性发泡剂中产生泡沫，由管线将这些泡沫输入到混凝土搅拌机中，搅拌约10 min.

(3)将木制模具(25 cm×25 cm×5 cm)放置于混凝土搅拌机下收集海绵砖浆体，之后将浆体摆在一般环境下24 h等待凝结.

(4)隔天将凝结后的样品取出并且用锯子将样品裁成5 cm×5 cm×5 cm的大小.

(5)将5 cm×5 cm×5 cm的样品分成两种不同养护方法(自然环境养护、氢氧化钙养护)进行前处理，养护28 d.

(6)样品经过28 d上述养护后，将样品取出并置于50 ℃烘箱中烘干24 h去除表面多余的水气，以利于后续进行表面处理.

(7)样品经过50 ℃烘箱烘干24 h后，依不同后处理方法(无表面处理、二氧化硅、锂基)进行表面处理.

(8)海绵砖经过表面处理后，观测颗粒结晶形貌、晶体结构特性、抗压强度、表面微硬度(HV)、表面平均接触角(WCA)和酸碱度(pH).

2.3 海绵砖后处理方法

2.3.1 无表面处理

(1)把经过28 d两种养护的海绵砖取出；

(2)置于50 ℃烘箱中烘干24 h后，于室内环境下进行实验.

2.3.2 二氧化硅处理

二氧化硅效果：提高混凝土表面硬度、不起砂、不起尘，密封混凝土面层.

(1)把经过28 d两种养护的海绵砖取出；

(2)在50 ℃烘箱中烘干24 h；

(3)先用刷子将样品表面清洁干净(清除所有涂覆物、油渍、污渍、粉尘等)，再用抛光机搭配#120的砂纸整平表面；

(4)将二氧化硅与水以1∶4的体积比进行稀释；

(5)海绵砖浸泡在二氧化硅溶液下约 20 min后取出晾干，在室内环境下进行实验.

2.3.3 锂基处理

锂基使用效果：使混凝土表面具有超耐磨性、优异抗龟裂性、高耐水性及耐化学药品性.

(1)把经过28 d两种养护的海绵砖取出；

(2)在50 ℃烘箱中烘干24 h；

(3)先用刷子将样品表面清洁干净(清除所有涂覆物、油渍、污渍、粉尘等)，再用抛光机搭配#120的砂纸整平表面；

(4)锂基不必经过稀释，直接使用刷子涂刷表面；

(5)涂抹2 h后表面出现结晶功能的形状，于室内环境下进行实验.

3 实验条件

本实验对海绵砖进行不同前处理(自然环境养护、氢氧化钙养护)及不同后处理(无表面处理、二氧化硅、锂基)，按其处理方式将实验分成不同组别名称，如表1.

表1 海绵砖实验组别

表1中自然环境养护组计为RT，例如RTT代表自然环境下无表面处理.氢氧化钙养护组计为CA，例如CASI代表氢氧化钙养护后用二氧化硅溶液处理.海绵砖样品尺寸为5 cm×5 cm×5 cm.海绵砖样品重量：自然环境养护组为(76.22±2.58) g；氢氧化钙养护组为(77.03±4.83) g.

4 结果与讨论

4.1 颗粒结晶分析

4.1.1 自然环境养护组

利用扫描电子显微镜(SEM)观察颗粒结晶形貌.图1为无表面处理海绵砖-RTT组SEM图，表面上因为水化反应所造成的水分蒸发形成了细小的孔洞，其表面为亲水性.图2为经过二氧化硅表面处理的海绵砖-RTSI组SEM图，表面仍有些缝隙会导致液体渗入因此疏水性不佳.图3为经过锂基表面处理的海绵砖-RTLI 组SEM图，表面经锂基处理后，锂基会与海绵砖表面的物质产生化学反应，产生具有疏水性的晶体并且使其微硬度增强.

图1(无表面处理)海绵砖-RTT组SEM图

图2(二氧化硅)海绵砖-RTSI组SEM图

图3(锂基)海绵砖-RTLI组SEM图

4.1.2 氢氧化钙养护组

海绵砖浸泡在氢氧化钙溶液中养护，有利于表面形成碳酸钙.图4为无表面处理海绵砖-CAT组SEM图，附着在样品表面的氢氧化钙会与空气中的二氧化碳反应形成碳酸钙，而在自然环境下无法控制形成的碳酸钙因此晶体较不规则.图5为经过二氧化硅表面处理海绵砖-CASI 组SEM图，表面的氢氧化钙与二氧化硅产生晶体，因此表面增强的微硬度会比二氧化硅表面处理的海绵砖-RTSI组高.图6为经过锂基表面处理海绵砖-CALI组SEM图，表面的氢氧化钙与经锂基产生的晶体覆盖了整个海绵砖表面，提高了海绵砖表面疏水性及其微硬度.

图4(无表面处理)海绵砖-CAT组SEM图

图5(二氧化硅)海绵砖-CASI组SEM图

图6(锂基)海绵砖-CALI组SEM图

4.2 海绵砖表面平均接触角WCA实验结果

图7为海绵砖表面平均接触角WCA实验结果，明显看出由两种处理方法所测得的表面接触角非常低，当去离子水滴在经过(无表面处理、二氧化硅)表面处理的表面，经过数秒后就渗入到样品里面，因此该表面不具备疏水性.

海绵砖表面经锂基处理后均带有疏水性，这是因为其能与水泥中的石灰质产生化学反应，并生成能够固化坚硬的结晶体，有效地增加了表面的致密度和微硬度而使其表面带有疏水性.

图7 海绵砖表面平均接触角WCA实验结果

4.3 海绵砖表面平均微硬度HV实验结果

4.3.1 自然环境养护组的结果

根据图8来看共有4组样品测到表面平均微硬度，其中以锂基RTLI组测得的平均微硬度最高.RTSI 组和 RTLI 组经过(二氧化硅和锂基)表面处理后，能有效提升海绵砖表面微硬度.

4.3.2 氢氧化钙养护组的结果

根据图9来看实验测到的微硬度，锂基CALI组测得的平均表面微硬度最高，表面微硬度最弱者为无表面处理的CAT组.CALI组的样品经锂基涂抹后增加了微硬度，使得测量微硬度的试验仪锥无法在样品表面打出压痕对角线的长度，因此强度无法测得.从这次实验整体来看，海绵砖放置在氢氧化钙养护下有利于各种表面处理(二氧化硅、锂基)，而在自然环境养护的海绵砖就算经过表面处理其强度仍比氢氧化钙养护的低.

图8 自然环境养护组各样品的平均微硬度Fig.8 Average microhardness of each sample in natural environmental curing group

图9 氢氧化钙养护组各样品的平均微硬度Fig.9 Average microhardness of each sample in the calcium hydroxide curing group

4.4 pH实验结果

海绵砖经过表面处理后用广用试纸来检测样品表面pH是否有改变，用以辨别是否受到表面处理.海绵砖表面经过(二氧化硅和锂基)处理后测到的pH都比无表面处理的高，显示有经过(二氧化硅和锂基)处理.

图10 海绵砖pH检测

4.5 抗压测试结果

由图11和表2看出不同表面处理方法对于海绵砖的影响.自然环境养护组经过90 ℃的碳化处理后，样品强度最高为(26.4±3.58) kgf/cm2.氢氧化钙养护组中经过二氧化硅溶液处理后，样品强度最高为(30.617±0.5) kgf/cm2.

图11 海绵砖抗压测试检测结果

表2 海绵砖抗压测试实验结果

4.6 晶粒特性分析

RTLI组表面经锂基Li2SO4处理后，主要形成C-S-H胶体.而RTSI组表面使用二氧化硅处理后，也同样形成C-S-H胶体.每组海绵砖都有出现方解石的峰值，原因在于海绵砖经28 d自然环境养护后，样品本身的氢氧化钙会与空气中二氧化碳产生反应，形成方解石晶相.海绵砖浸泡在氢氧化钙养护下，有利于海绵砖表面氢氧化钙与二氧化碳产生反应形成碳酸钙.使用锂基、二氧化硅处理海绵砖表面利于形成C-S-H胶体，因此使样品表面微硬度增强.利用X射线单晶体衍射仪(XRD)检测晶体特性.图12是碳酸钙各晶型XRD谱图，图13是氢氧化钙与钙-硅-水化物晶型XRD谱图，图14是自然环境养护组样品XRD谱图，图15是氢氧化钙养护组样品XRD谱图.可见方解石主要特征峰值约在29°、36°、39°、43°处，C-S-H胶体主要特征峰值约在29°、32°、7°处，氢氧化钙主要峰值约在18°、34°处.

图12 碳酸钙各晶型XRD谱图

图14 自然环境养护组样品XRD谱图

图15 氢氧化钙养护组样品XRD谱图

5 结论

通过仿生矿化方法对海绵砖表面进行处理，使海绵砖表面的碳酸钙晶型受到控制，从而使得表面碳酸钙具有疏水特性.实验结果表明其疏水性效果比用锂基和二氧化硅表面处理更好，因此仿生矿化能带给海绵砖最佳疏水性效果，从而也拓展了海绵砖的应用范围.