膠砂比改性的高分子材料對古建筑修復的影響及性能研究

申 琳,李曉剛

(1.楊凌職業技術學院,陜西 楊凌 712100;2.蘇州協鑫零碳能源科技有限公司,江蘇 蘇州 215100)

為了保護和修復古建筑,針對石灰類病害治理材料的研究成為現代科學研究的一個熱點。對此,許多學者進行了研究。研究了我國梅雨氣候區古建筑的病害機理并分析主要致病因子[1]。而通過添加脫脂奶粉的方式改良誘導碳酸鈣沉淀技術,來對古建筑材料進行修復和加固[2]。研究了3種防水材料對建筑文物的修復效果,分別是石灰注漿料NHL-i07、瓦克膏體硅烷材料以及碧林增強劑KSEOH300[3]?；诖?試驗以熟石灰為膠凝材料,微硅粉為火山灰材料,采用3種硅烷偶聯劑制備石灰類膠凝修復材料,并研究其性能。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料:熟石灰(工業純,山東鑫特化工);活性微硅粉(工業純,靈壽縣天晨礦產品);水泥標準砂(工業純,滄州筑龍工程儀器);丙基硅烷偶聯劑(分析純,廣州遠達新材料);辛基硅烷偶聯劑(分析純,浙江沃興曼新材料);十二烷基硅烷偶聯劑(分析純,廣州市建化工)。

主要設備:NJ-160型水泥膠砂攪拌機(河北炬科儀器設備);DZF6090BZ型真空干燥箱(紹興博緯儀器設備);JA203P型電子天平(上海根拓機電);JITAI-S10KN型電子多功能試驗機(北京吉泰科儀檢測設備);GF-10L型集熱式磁力攪拌器(上海華中光釜科技設備);AD-GX521-A型接觸角測量儀(廣東奧帝自動化儀器)。

1.2 試驗方法

1.2.1材料配合比設計

為了更好地獲得修復古建筑材料,試驗選擇了3種不同的硅烷偶聯劑來制備石灰類改性修復材料,并對不同膠砂比和不同硅烷偶聯劑摻量進行研究,具體配合比設計方案如表1所示[4-5]。

表1 材料配合比設計

1.2.2試件制備

(1)根據表1的配比方案,在攪拌機中放入適量的熟石灰和硅粉,在自轉速度為150 r/min、公轉速度60 r/min的條件下,慢速攪拌1 min使干料混合均勻;

(2)加入適量的去離子水,繼續慢速攪拌2 min,得到水泥凈漿基體;

(3)在水泥凈漿基體中加入適量的硅烷偶聯劑,先慢速攪拌1 min,然后在自轉速度為300 r/min、公轉速度120 r/min的條件下,快速攪拌1 min,得到硅烷改性凈漿;

(4)將步驟(3)中制備好的水泥砂漿倒入模具中,模具尺寸為160 mm×40 mm×40 mm,用抹灰刀抹平多余的漿料,然后在振實臺上處理2 min,振實并排出水泥砂漿內部的氣泡;

(5)放入養護箱中養護2 d,設置溫度為20 ℃,濕度為70%,脫模,然后稱量初始質量,再繼續養護一定時間。

1.3 性能測試

1.3.1質量損失測試

用電子天平稱量各試件脫模后的初始質量,然后再稱量養護28 d后的最終質量,分析材料的損失率。

1.3.2強度測試

通過電子萬能試驗機對修復材料試件進行試驗,分析材料強度性能。

1.3.3防水性測試

通過接觸角測定儀對試件進行防水性測試,分析材料的防水性。

1.3.4耐水性測試

通過計算材料軟化系數分析其耐水性能,具體計算公式[6-7]:

(1)

式中:η為軟化系數;f0為絕干時的砂漿抗壓強度,MPa;f1為飽和時的砂漿抗壓強度,MPa。

1.3.5耐久性分析

在硫酸鹽環境下,采用干濕循環法對材料進行耐久性試驗,通過材料的質量損失情況,分析其耐久性。

2 結果與分析

2.1 膠砂比對修復材料的影響

2.1.1質量損失率分析

圖1為在不同膠砂比條件下,養護28 d后3種硅烷偶聯劑試件的質量損失率曲線。

圖1 質量損失率曲線

由圖1可知,當膠砂比減小時,3種硅烷偶聯劑試件的質量損失率均明顯下降;當膠砂比為1∶1時,辛基三乙氧基硅烷(Octyl)試件的質量損失率最大為18.23%,此時,丙基三乙氧基硅烷(Propyl)試件和十二烷基三乙氧基硅烷(Dodecyl)試件的質量損失率分別為12.41%和11.22%;當膠砂比為1∶3時,Propyl試件、Octyl試件和Dodecyl試件的質量損失率分別為4.49%、7.26%和8.42%,各試件間的質量損失率差距較小,且對比膠砂比1∶1時,質量損失率分別下降了63.82%、60.18%和24.96%,這表明了膠砂比對長鏈硅烷試件的影響程度較小。因此,當膠砂比為1∶3時,可以明顯降低Propyl試件和Octyl試件的質量損失率。

2.1.2強度分析

圖2為在不同膠砂比條件下,養護28 d后3種硅烷偶聯劑試件的抗折強度圖以及抗壓強度圖。

(a)抗折強度

由圖2(a)可知,當膠砂比減小時,各試件的抗折強度均出現上升的現象,其中,當膠砂比為1∶3時,Octyl試件和Dodecyl試件的抗折強度分別為2.08 MPa和2.03 MPa,對比膠砂比1∶1時上升幅度分別為31.65%和26.88%,增幅明顯。而Propyl試件的抗折強度隨膠砂比變化較小,且抗折強度一直低于其他硅烷偶聯劑試件。由圖2(b)可知,當膠砂比從1∶1減小到1∶3時,不同硅烷試件的抗壓強度呈現增加的現象;當膠砂比為1∶3時,Propyl試件的抗壓強度為17.32 MPa,而Octyl試件和Dodecyl試件的抗壓強度分別為16.26 MPa和16.51 MPa,這種現象的原因是,當膠砂比減小時,長鏈硅烷材料中的橋聯耦合作用增強,會形成更多的孔隙缺陷,從而導致強度下降[8-9]。綜合分析來看,當膠砂比為1∶3時,各試件的強度性能均得到提升,且辛基三乙氧基硅烷偶聯劑試件的抗折強度以及抗壓強度比較優異。因此,最佳膠砂比為1∶3。

2.2 不同偶聯劑摻量對修復材料的影響

2.2.1強度分析

圖3為在不同硅烷偶聯劑摻量條件下,養護28 d后3種硅烷偶聯劑試件的強度測試結果。

(a)抗折強度

由圖3(a)可知,當材料中的硅烷偶聯劑摻量為0.5%時,抗折強度最大,Propyl試件、Octyl試件和Dodecyl試件的抗折強度分別為2.12、2.11和2.63 MPa,這表明長鏈硅烷的耦合作用效果更好;而當偶聯劑摻量達到1.5%時,各硅烷試件明顯下降。由圖3(b)可知,當硅烷偶聯劑摻量增多時,Propyl試件的抗壓強度先增后降;Octyl試件的抗壓強度先降后升,當摻量為0.5%時,抗壓強度最大為21.43 MPa;Dodecyl試件的抗壓強度先升后降。發生這些現象的原因:較大的偶聯劑摻量阻礙了材料水化反應以及碳化反應的發生,使材料內部產生孔隙、裂紋等缺陷,降低材料的強度性能;而當較少的硅烷偶聯劑加入到材料中時,可以更好地發揮橋聯耦合效應,增加水泥砂漿基體緊密性,使材料強度性能良好[10-11]。

2.2.2防水性分析

由圖4可知,隨著試件中硅烷摻量的增加,各試件接觸角基本上呈現增大的現象,特別是當硅烷摻量為1.5%時,各試件接觸角均達到最大值?？捎^察到,Propyl試件的防水性能較差,當硅烷摻量為0.5%時,Propyl試件的接觸角僅為34.41°;而Octyl試件的表面接觸角在不同摻量情況下均高于其他硅烷偶聯劑試件,且接觸角均在100°以上。在實際應用中,較大的表面接觸角可以使材料表面液滴滾落,從而減少在材料表面的停留時間,進而減少材料對水分的吸收和水分的滲透作用,因此,辛基三乙氧基硅烷偶聯劑制備的試件的防水性能較好,耐久性良好[12]。

圖4 試件的表面接觸角

2.2.3耐水性分析

根據1.3.4中的測試方法,對不同硅烷摻量的砂漿試件進行耐水性測試,圖5為軟化系數測試結果。

圖5 試件軟化系數曲線圖

由圖5可知,隨著硅烷摻量增加,各試件軟化系數基本上呈現上升的現象;對于不同摻量的Octyl硅烷試件,軟化系數均達到0.84以上,這表明該硅烷偶聯劑試件的耐水性較好;同樣,對于不同摻量的Dodecyl硅烷試件,軟化系數均能達到0.8以上,這表明,該硅烷材料的耐水性良好,但是,耐水性能仍然低于Octyl硅烷試件;而Propyl硅烷試件在摻量為0.5%和1%時,軟化系數均在0.74以下,所以,Propyl硅烷試件的耐水性較差。發生這些現象的原因是,長鏈硅烷在材料基體中的疏水作用效果更好,且長鏈硅烷可以增強材料內部各組分間的連接,增加材料密實度,因此,長鏈硅烷試件的軟化系數較高,耐水性較好[13]。

2.2.4耐久性分析

根據1.3.5中的試驗方法,本試驗對不同摻量的硅烷試件進行了10次硫酸鹽-干濕循環測試,各硅烷試件的質量變化情況如圖6所示。

圖6 試件質量變化率曲線

由圖6可知,當硅烷摻量從0.5%增加到1.5%時,Propyl硅烷試件和Dodecyl硅烷試件的質量增加率下降,這表明,在材料中摻入較多的Propyl硅烷或Dodecyl硅烷,可以增強試件抵御水分侵蝕、硫酸鹽侵蝕的能力。對于Octyl硅烷試件,其質量增加率呈現先減后升的現象,當摻量為1%時,Octyl試件的質量變化率為最低值0.81%,此時,Octyl試件的耐硫酸鹽侵蝕能力最優。整體分析可知,在不同硅烷摻量情況下,Octyl試件和Dodecyl試件的質量增加率均明顯小于Propyl試件,特別是摻量為0.5%和1%的情況下,這種現象最明顯。因此,Octyl試件和Dodecyl試件的耐久性表現良好[15]。

3 結語

(1)減小膠砂比可以降低質量損失率,同時提升材料的抗壓、抗折強度,最佳膠砂比為1∶3;

(2)對于不同摻量硅烷試件,長鏈硅烷的抗折強度較好,軟化系數較高,耐水性、耐久性良好;

(3)當硅烷偶聯劑摻量為0.5%時,各試件抗折強度最大,此時,辛基三乙氧基硅烷試件抗壓強度也最大;

(4)在不同硅烷摻量下,辛基三乙氧基硅烷試件的接觸角均在100°以上,防水性最好;

(5)當硅烷偶聯劑摻量為1%時,辛基三乙氧基硅烷試件耐水性最好,耐硫酸鹽侵蝕能力最優;

(6)最優硅烷偶聯劑為辛基三乙氧基硅烷,最佳硅烷摻量為1%。此時,試件的抗折強度和抗壓強度分別為2.11、21.43 MPa,試件表面的接觸角為108.26°,材料軟化系數為0.85,硫酸鹽試驗后質量變化率為0.81%,因此,材料綜合性能良好。