纳米复合浆料掺入量对硅丙混凝土保护剂性能的影响

马军旗，尹晨旭，王 轶，李 程，李 芳，柳志丹，陈军程，张志增

（1.中电建路桥集团有限公司，北京 100000；2.中原工学院建筑工程学院，河南郑州 450000；3.北京科技大学，北京 100000）

0 引言

混凝土长期受到自然环境的侵蚀，对其使用寿命有较大的影响，延长混凝土的使用寿命成为当前需要解决的重要问题之一［1-3］。以往对混凝土耐久性的研究一般集中在增加添加剂或改变配合比方面，此方法只能应用在拟建的混凝土工程中［4］。而通过对混凝土表面涂覆保护剂，也可以提高混凝土的耐久性和装饰效果，此方法不仅可以应用在拟建的混凝土工程中，而且还可以应用在既有的混凝土工程中，应用范围更加广泛［5-6］。

复合浆料中的纳米SiO2利用其纳米粒径对保护剂流变性的影响，可以使硅丙混凝土保护剂的施工性能得到很大改善［7］，同时纳米SiO2利用纳米粒子对紫外线的吸收性，可以提高硅丙保护剂的耐久性；纳米CaCO3利用纳米粒径与树脂之间强大的结合力，可以使保护剂颜填料与硅丙树脂更好地相容，纳米粒子还能更好地填充颜填料粒子间的空隙，使保护剂涂层更加致密，强度更高。由此，近年来人们通过添加纳米浆料研制出性能更好的涂料，例如王轶等［8］通过降低氟碳乳液含量和添加纳米浆料研制出一款水性氟碳保护剂，不仅降低了氟碳保护剂的成本，还增强了保护剂的耐沾污性；Macan等［9］将纳米SiO2进行表面改性，掺入环氧树脂中制备出一种纳米复合环氧涂料，使涂料的机械性能、稳定性都有很大提升；吴刚等［10］将硅烷改性纳米SiO2分散到丙烯酸改性水性环氧乳液中，制备出的纳米复合涂料具有较好的耐水性以及优异的防腐性能。在以上研究基础上，本研究研制出一款纳米改性硅丙混凝土保护剂，并对纳米复合浆料的添加量对保护剂性能的影响进行了研究。

1 试验部分

1.1 纳米材料的选择

本研究选用的是洛阳大豫实业有限公司自主研制的一款纳米SiO2改性复合浆料，该纳米复合浆料具有易分散、贮存稳定性好等特点，适合保护剂的制备，产品的性能指标如表1所示。

表1 纳米SiO2复合浆料的性能指标Table 1 Performance index of the nano-SiO2 composite slurry

1.2 纳米复合浆料掺入量的确定

纳米材料的掺入量与保护剂的性能存在一种二次抛物线的关系，其添加量低于最优掺入量时，纳米粒子可充分填充树脂、颜填料的空隙中，保护剂的性能与纳米材料的添加量存在正相关关系；当纳米材料添加量超过最优掺入量时，纳米粒子开始与保护剂中的颜填料以及自身形成团聚，掺入量越高团聚现象越明显，从而破坏了保护剂的施工性、贮存稳定性等，使得保护剂性能下降。经过前期的试验，复合浆料选用保护剂的占比0、2 %、4 %、6 %、8 %、10 %、12 %（质量分数）7个梯度进行纳米改性硅丙混凝土保护剂性能的研究。

1.3 保护剂性能测试方法

附着力按照GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的划格试验》进行测试；耐水性按照GB/T 1733—1993《漆膜耐水性测定法》进行测试；耐碱性按照GB/T 9265—2009《建筑涂料涂层耐碱性的测定》进行测试；耐洗刷性按照GB/T 9266—2009《建筑涂料涂层耐洗刷性的测定》进行测试；耐沾污性按照GB/T 9780—2013《建筑涂料涂层耐沾污性试验方法》进行测试；耐紫外老化按照ISO 11507—2007《色漆和清漆 涂层暴露于人工风化环境·暴露于荧光紫外线灯和水环境》进行测试。

2 试验结果与讨论

2.1 纳米复合浆料掺入量对保护剂附着力的影响

纳米复合浆料掺入量对保护剂附着力的影响如表2所示。

表2 纳米复合浆料掺入量对保护剂附着力的影响Table 2 Effect of the nano-composite slurry addition on adhesion of the protective agent

由表2数据可知，当纳米复合浆料掺入量在0~6 %时，纳米改性硅丙混凝土保护剂的附着力均未发生变化，稳定在1级；当纳米复合浆料的掺入量为8 %~10 %时，纳米改性硅丙混凝土保护剂的附着力降低，变为2级；当其掺入量为12 %时，保护剂的附着力降为3级。当纳米复合浆料的掺入量较低时，纳米粒子与硅丙树脂结合性较好，使得硅丙乳液与颜填料之间的相容性增强，保护剂涂层变得更加致密，保护剂的附着力也更加稳定。但随着其掺入量的增多，纳米粒子逐渐开始团聚，硅丙树脂与纳米粒子的结合性变差，进而影响了保护剂的附着力。

2.2 纳米复合浆料掺入量对保护剂耐水性的影响

纳米复合浆料掺入量对保护剂的耐水性影响试验数据如图1所示。

图1 纳米复合浆料掺入量对保护剂耐水性的影响Figure 1 Effect of the nano-composite slurry addition on water resistance of the protective agent

由图1可知，纳米复合浆料掺入量在0~6 %时，保护剂的耐水时间随着其掺入量的增加而提升；当纳米复合浆料的掺入量为6 %时，保护剂的耐水时间最高，达到2 684 h，是普通硅丙混凝土保护剂的15倍之多；当其掺入量超过6 %时，保护剂的耐水时间随其掺入量的增加而下降。其原因是纳米复合浆料的加入填充了保护剂漆膜的细小孔隙，使得保护剂漆膜的孔隙率降低，漆膜更加致密，阻挡了水分子的浸入，从而使得保护剂的耐水性大幅提升。但是当保护剂中掺入过多的纳米复合浆料时，纳米粒子发生了团聚，粒径增大，不能较好地填充于保护剂漆膜的细小孔隙中，从而降低了保护剂的耐水时长。

2.3 纳米复合浆料掺入量对保护剂耐碱性的影响

纳米复合浆料掺入量对保护剂的耐碱性影响试验数据如图2所示。

图2 纳米复合浆料掺入量对保护剂耐碱性的影响Figure 2 Effect of the nano-composite slurry addition on alkaline resistance of the protective agent

由图2可知，当纳米复合浆料掺入量在0~8 %时，保护剂的耐碱性能随着纳米复合浆料掺入量的增加而提升；当纳米浆料掺入量在8 %时，保护剂的耐碱性达到峰值，是正常硅丙保护剂的8倍之多；当其掺入量大于8 %后，保护剂的耐碱性能出现小幅下降。纳米粒子的掺入可以很好地与硅丙树脂相结合，使树脂与颜填料更好地结合在一起，提高了保护剂漆膜的强度，使得保护剂的耐碱性得到提升。

2.4 纳米复合浆料掺入量对保护剂耐沾污性的影响

纳米复合浆料掺入量对保护剂的耐沾污性影响试验结果见图3。

图3 纳米复合浆料掺入量对保护剂耐沾污性的影响Figure 3 Influence of the nano-composite slurry addition on stain resistance of the protective agent

由图3可知，保护剂的反射系数下降率随着纳米复合浆料掺入量的增加先下降后上升，当其掺入量在6 %时，保护剂的反射系数下降率为4 %，达到最优值，与普通的硅丙保护剂相比，性能提升了69 %；随着纳米浆料持续的增加，过多的纳米粒子发生团聚现象，在保护剂中充当了填料的作用，反而致使保护剂的耐沾污性能下降。

2.5 纳米复合浆料掺入量对保护剂耐紫外老化性的影响

纳米复合浆料掺入量对保护剂的耐紫外老化性影响试验数据见表3。

表3 纳米复合浆料掺入量对保护剂耐紫外老化性的影响＊Table 3 Effect of the nano-composite slurry addition on UV aging resistance of the protective agent

由表3数据可知，纳米复合浆料的加入显著提升了硅丙保护剂的耐久性，其掺入量在4 %~8 %时，纳米改性硅丙混凝土保护剂的耐紫外老化性等级达到JG/T 512—2017《建筑外墙涂料通用技术要求》Ⅲ级以上，其中纳米复合浆料掺入量为6 %的保护剂耐久性最为优异，耐紫外老化无粉化时长可达2 500 h，达到规范Ⅳ级要求，与硅丙保护剂相比，耐紫外时长提升了66.7 %。纳米粒子（特别是纳米SiO2）可以很好地反射屏蔽紫外线，使得紫外线对漆膜的降解速率放缓，使漆膜的耐久性得到了提升。当纳米复合浆料的掺入量较高时，纳米改性硅丙保护剂的粉化程度与硅丙保护剂相当甚至更加严重，这是由于纳米粒子团聚粒径增大，保护剂分散不均匀，漆膜表层附着较多的大粒径粒子，导致漆膜的光泽度下降，漆膜对紫外线的反射降低，加速了紫外线对漆膜的降解。

2.6 综合分析

纳米复合浆料的加入可以使硅丙混凝土保护剂的综合性能得到显著提升，随着纳米复合浆料的加入，纳米改性硅丙混凝土保护剂的大部分性能都呈现出先大幅提升后再小幅降低的趋势。当纳米复合浆料的掺入量在6 %~8 %时，纳米改性硅丙混凝土保护剂的性能达到峰值。当纳米复合浆料加入量过多，反而会加速保护剂的老化，降低保护剂的耐久性。

3 结语

（1） 纳米SiO2复合浆料的掺入使保护剂的耐碱性、耐沾污性等性能呈现出先大幅提升后再小幅降低的趋势，但总体远远优于未经改性的硅丙混凝土保护剂。

（2） 当纳米SiO2复合浆料的掺入量为6 %时，纳米改性硅丙混凝土保护剂的耐洗刷性可达64 394次，耐紫外老化时长达2 500 h。

（3） 当纳米SiO2复合浆料的掺入量为6 %~8 %时，保护剂的综合性能最好，远优于未经改性的硅丙混凝土保护剂。当纳米SiO2复合浆料的掺入量过高，反而会降低保护剂的耐久性。