新型建材疏水性海綿磚制備及其物性研究

陸 峰，劉 月

(1.淮北職業技術學院 機電工程系，安徽 淮北 235000；2.淮北師范大學 物理與電子信息學院，安徽 淮北 235000)

0 引言

目前建筑多采用常重混凝土，不僅增加了基礎及結構的負荷且建筑原料正面臨枯竭，因此急需替代品.海綿磚是一種新型建材，海綿磚里面布滿許多獨立氣孔，能有效隔絕熱能和聲音穿透，低密度、重量輕能有效減少工程結構的載荷，且能使用特殊的預鑄工法來減少施工時間.海綿磚雖具備重量輕、隔熱、隔音、耐熱等優點，但是海綿磚具有超強吸水性，如果能讓海綿磚原本親水性的表面具有疏水性的效果，就可以避免雨水滲入到海綿磚里面而導致產生鋼筋腐蝕等情況[1-2].

本文采用仿生礦化方法對海綿磚表面進行處理，使海綿磚表面的碳酸鈣晶型受到控制，從而使表面碳酸鈣具有疏水特性[3-4].將海綿磚經過仿生礦化處理后與使用表面處理(鋰基、二氧化硅)的海綿磚進行抗壓測試、表面平均接觸角WCA測量、酸堿度pH實驗、表面微硬度HV實驗，觀察海綿磚表面晶體結構，探討仿生礦化與其他表面處理的差異[5-7].

1 碳酸鈣仿生礦化反應機制

實驗使用模板劑為硬脂酸，其反應式為

C17H35COO-+NaOH→C17H35COONa+OH-；

(1)

(2)

(3)

根據上述的反應，使用“加壓碳化法”合成疏水性碳酸鈣，海綿磚經水化反應后會產生氫氧化鈣Ca(OH)2，最終在混凝土表面形成具有長鏈狀官能基的疏水性碳酸鈣[8-10].如果在自然環境下與二氧化碳接觸后形成碳酸鈣，則存在多種變因條件，例如：空氣中二氧化碳體積濃度、水氣含量、溫度和壓力變化，將會導致海綿磚表面生成的碳酸鈣晶體大小不一樣且晶體間因為松散而使縫隙較寬，從而導致水和具腐蝕性的液體入侵[11].加壓碳化法可以控制碳酸鈣結晶顆粒大小和晶相[12-14]，根據上述的化學反應讓硬脂酸鈉的鈉離子跟海綿磚表面鈣離子反應，鈉離子被鈣離子替換形成硬脂酸鈣，且與高壓反應釜里的二氧化碳溶解于水中的碳酸根離子反應，形成帶有疏水性的碳酸鈣顆粒，在高壓高溫環境影響下，會將具有疏水性的碳酸鈣顆粒附著在海綿磚的表面，使得海綿磚表面帶有疏水性[15-16].

2 研究方法

2.1 實驗材料

本實驗所使用的材料有水泥粉(硅酸鹽水泥Ⅰ型)、植物性發泡劑、自來水、木制模板、二氧化硅、鋰基(本實驗使用的是Li2SO4)、生石灰.

2.2 實驗過程

(1)將一包硅酸鹽水泥Ⅰ型與水倒入攪拌機，水和水泥的質量比為0.35.

(2)水泥與水依照上面質量比在水泥攪拌機5～8 min后，打開空壓機將空氣打入到植物性發泡劑中產生泡沫，由管線將這些泡沫輸入到混凝土攪拌機中，攪拌約10 min.

(3)將木制模具(25 cm×25 cm×5 cm)放置于混凝土攪拌機下收集海綿磚漿體，之后將漿體擺在一般環境下24 h等待凝結.

(4)隔天將凝結后的樣品取出并且用鋸子將樣品裁成5 cm×5 cm×5 cm的大小.

(5)將5 cm×5 cm×5 cm的樣品分成兩種不同養護方法(自然環境養護、氫氧化鈣養護)進行前處理，養護28 d.

(6)樣品經過28 d上述養護后，將樣品取出并置于50 ℃烘箱中烘干24 h去除表面多余的水氣，以利于后續進行表面處理.

(7)樣品經過50 ℃烘箱烘干24 h后，依不同后處理方法(無表面處理、二氧化硅、鋰基)進行表面處理.

(8)海綿磚經過表面處理后，觀測顆粒結晶形貌、晶體結構特性、抗壓強度、表面微硬度(HV)、表面平均接觸角(WCA)和酸堿度(pH).

2.3 海綿磚后處理方法

2.3.1 無表面處理

(1)把經過28 d兩種養護的海綿磚取出；

(2)置于50 ℃烘箱中烘干24 h后，于室內環境下進行實驗.

2.3.2 二氧化硅處理

二氧化硅效果：提高混凝土表面硬度、不起砂、不起塵，密封混凝土面層.

(1)把經過28 d兩種養護的海綿磚取出；

(2)在50 ℃烘箱中烘干24 h；

(3)先用刷子將樣品表面清潔干凈(清除所有涂覆物、油漬、污漬、粉塵等)，再用拋光機搭配#120的砂紙整平表面；

(4)將二氧化硅與水以1∶4的體積比進行稀釋；

(5)海綿磚浸泡在二氧化硅溶液下約 20 min后取出晾干，在室內環境下進行實驗.

2.3.3 鋰基處理

鋰基使用效果：使混凝土表面具有超耐磨性、優異抗龜裂性、高耐水性及耐化學藥品性.

(1)把經過28 d兩種養護的海綿磚取出；

(2)在50 ℃烘箱中烘干24 h；

(3)先用刷子將樣品表面清潔干凈(清除所有涂覆物、油漬、污漬、粉塵等)，再用拋光機搭配#120的砂紙整平表面；

(4)鋰基不必經過稀釋，直接使用刷子涂刷表面；

(5)涂抹2 h后表面出現結晶功能的形狀，于室內環境下進行實驗.

3 實驗條件

本實驗對海綿磚進行不同前處理(自然環境養護、氫氧化鈣養護)及不同后處理(無表面處理、二氧化硅、鋰基)，按其處理方式將實驗分成不同組別名稱，如表1.

表1 海綿磚實驗組別

表1中自然環境養護組計為RT，例如RTT代表自然環境下無表面處理.氫氧化鈣養護組計為CA，例如CASI代表氫氧化鈣養護后用二氧化硅溶液處理.海綿磚樣品尺寸為5 cm×5 cm×5 cm.海綿磚樣品重量：自然環境養護組為(76.22±2.58) g；氫氧化鈣養護組為(77.03±4.83) g.

4 結果與討論

4.1 顆粒結晶分析

4.1.1 自然環境養護組

利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顆粒結晶形貌.圖1為無表面處理海綿磚-RTT組SEM圖，表面上因為水化反應所造成的水分蒸發形成了細小的孔洞，其表面為親水性.圖2為經過二氧化硅表面處理的海綿磚-RTSI組SEM圖，表面仍有些縫隙會導致液體滲入因此疏水性不佳.圖3為經過鋰基表面處理的海綿磚-RTLI 組SEM圖，表面經鋰基處理后，鋰基會與海綿磚表面的物質產生化學反應，產生具有疏水性的晶體并且使其微硬度增強.

圖1(無表面處理)海綿磚-RTT組SEM圖

圖2(二氧化硅)海綿磚-RTSI組SEM圖

圖3(鋰基)海綿磚-RTLI組SEM圖

4.1.2 氫氧化鈣養護組

海綿磚浸泡在氫氧化鈣溶液中養護，有利于表面形成碳酸鈣.圖4為無表面處理海綿磚-CAT組SEM圖，附著在樣品表面的氫氧化鈣會與空氣中的二氧化碳反應形成碳酸鈣，而在自然環境下無法控制形成的碳酸鈣因此晶體較不規則.圖5為經過二氧化硅表面處理海綿磚-CASI 組SEM圖，表面的氫氧化鈣與二氧化硅產生晶體，因此表面增強的微硬度會比二氧化硅表面處理的海綿磚-RTSI組高.圖6為經過鋰基表面處理海綿磚-CALI組SEM圖，表面的氫氧化鈣與經鋰基產生的晶體覆蓋了整個海綿磚表面，提高了海綿磚表面疏水性及其微硬度.

圖4(無表面處理)海綿磚-CAT組SEM圖

圖5(二氧化硅)海綿磚-CASI組SEM圖

圖6(鋰基)海綿磚-CALI組SEM圖

4.2 海綿磚表面平均接觸角WCA實驗結果

圖7為海綿磚表面平均接觸角WCA實驗結果，明顯看出由兩種處理方法所測得的表面接觸角非常低，當去離子水滴在經過(無表面處理、二氧化硅)表面處理的表面，經過數秒后就滲入到樣品里面，因此該表面不具備疏水性.

海綿磚表面經鋰基處理后均帶有疏水性，這是因為其能與水泥中的石灰質產生化學反應，并生成能夠固化堅硬的結晶體，有效地增加了表面的致密度和微硬度而使其表面帶有疏水性.

圖7 海綿磚表面平均接觸角WCA實驗結果

4.3 海綿磚表面平均微硬度HV實驗結果

4.3.1 自然環境養護組的結果

根據圖8來看共有4組樣品測到表面平均微硬度，其中以鋰基RTLI組測得的平均微硬度最高.RTSI 組和 RTLI 組經過(二氧化硅和鋰基)表面處理后，能有效提升海綿磚表面微硬度.

4.3.2 氫氧化鈣養護組的結果

根據圖9來看實驗測到的微硬度，鋰基CALI組測得的平均表面微硬度最高，表面微硬度最弱者為無表面處理的CAT組.CALI組的樣品經鋰基涂抹后增加了微硬度，使得測量微硬度的試驗儀錐無法在樣品表面打出壓痕對角線的長度，因此強度無法測得.從這次實驗整體來看，海綿磚放置在氫氧化鈣養護下有利于各種表面處理(二氧化硅、鋰基)，而在自然環境養護的海綿磚就算經過表面處理其強度仍比氫氧化鈣養護的低.

圖8 自然環境養護組各樣品的平均微硬度Fig.8 Average microhardness of each sample in natural environmental curing group

圖9 氫氧化鈣養護組各樣品的平均微硬度Fig.9 Average microhardness of each sample in the calcium hydroxide curing group

4.4 pH實驗結果

海綿磚經過表面處理后用廣用試紙來檢測樣品表面pH是否有改變，用以辨別是否受到表面處理.海綿磚表面經過(二氧化硅和鋰基)處理后測到的pH都比無表面處理的高，顯示有經過(二氧化硅和鋰基)處理.

圖10 海綿磚pH檢測

4.5 抗壓測試結果

由圖11和表2看出不同表面處理方法對于海綿磚的影響.自然環境養護組經過90 ℃的碳化處理后，樣品強度最高為(26.4±3.58) kgf/cm2.氫氧化鈣養護組中經過二氧化硅溶液處理后，樣品強度最高為(30.617±0.5) kgf/cm2.

圖11 海綿磚抗壓測試檢測結果

表2 海綿磚抗壓測試實驗結果

4.6 晶粒特性分析

RTLI組表面經鋰基Li2SO4處理后，主要形成C-S-H膠體.而RTSI組表面使用二氧化硅處理后，也同樣形成C-S-H膠體.每組海綿磚都有出現方解石的峰值，原因在于海綿磚經28 d自然環境養護后，樣品本身的氫氧化鈣會與空氣中二氧化碳產生反應，形成方解石晶相.海綿磚浸泡在氫氧化鈣養護下，有利于海綿磚表面氫氧化鈣與二氧化碳產生反應形成碳酸鈣.使用鋰基、二氧化硅處理海綿磚表面利于形成C-S-H膠體，因此使樣品表面微硬度增強.利用X射線單晶體衍射儀(XRD)檢測晶體特性.圖12是碳酸鈣各晶型XRD譜圖，圖13是氫氧化鈣與鈣-硅-水化物晶型XRD譜圖，圖14是自然環境養護組樣品XRD譜圖，圖15是氫氧化鈣養護組樣品XRD譜圖.可見方解石主要特征峰值約在29°、36°、39°、43°處，C-S-H膠體主要特征峰值約在29°、32°、7°處，氫氧化鈣主要峰值約在18°、34°處.

圖12 碳酸鈣各晶型XRD譜圖

圖14 自然環境養護組樣品XRD譜圖

圖15 氫氧化鈣養護組樣品XRD譜圖

5 結論

通過仿生礦化方法對海綿磚表面進行處理，使海綿磚表面的碳酸鈣晶型受到控制，從而使得表面碳酸鈣具有疏水特性.實驗結果表明其疏水性效果比用鋰基和二氧化硅表面處理更好，因此仿生礦化能帶給海綿磚最佳疏水性效果，從而也拓展了海綿磚的應用范圍.