有机硅改性丙烯酸乳液防护涂层的合成及其对混凝土性能的影响研究
李柯, 陆文雄, 党俐, 乔燕, 王律, 张月星
（上海大学理学院，上海200444）

0 前言
混凝土和钢筋混凝土是建设工程中重要的建筑材料，但是混凝土构筑物在耐久性方面存在不同程度的问题，例如钢筋锈蚀、混凝土开裂及抗有害离子渗透性、抗碳化性能差等等，严重影响了混凝土结构的使用使命。混凝土腐蚀劣化过程中，混凝土保护层被侵蚀介质破坏后，空气中的O2 和CO2 通过混凝土孔隙扩散到钢筋表面时就会发生锈蚀，后可能导致混凝土开裂，使混凝土构筑物存在严重的安全隐患。传统的混凝土保护材料有环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂、氯化橡胶及乙烯树脂等，但这些传统保护材料有着自身难以克服的缺点，如耐碱性差、附着力小、耐久性差、施工困难等诸多问题。从20 世纪90 年代起，随着有机硅技术的发展，新型有机硅材料已被广泛应用于建筑物防水、防腐蚀和保护等领域。
本文介绍一种新型的混凝土防护涂层———有机硅改性丙烯酸乳液防护涂层，并研究其对混凝土耐久性的影响。

1 有机硅改性丙烯酸乳液的合成
采用预乳化法与种子乳液聚合法相结合的聚合工艺合成有机硅改性丙烯酸乳液。
1.1 合成材料
甲基丙烯酸甲酯（MMA）：CP；丙烯酸丁酯（BA）：CP；甲基丙烯酸（HA）：CP；乙烯基三甲氧基硅烷（A- 171）：工业级；乙烯基三乙氧基硅烷（A- 151）：工业级；烷基酚聚氧乙烯（10）醚（OP- 10）：CP；十二烷基硫酸钠（SDS）：CP；过硫酸铵（APS）：CP；碳酸氢钠：CP；丙二醇：CP；去离子水：自制。
1.2 合成方法
在预乳化釜中，加入部分去离子水、乳化剂及甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸的单体混合液，高速分散乳化30 min 待用。在装有温度计、搅拌装置和冷凝器的250 ml 四口烧瓶中加入剩余部分去离子水、碳酸氢钠、乳化剂和10%预乳化液，充分搅拌升温至80 ℃。开始滴加引发剂溶液4 ml，于3 h 内将剩余预乳化单体混合物（含有机硅氧烷单体）、引发剂溶液慢慢滴完，补加少量引发剂保温1 h 出料，过筛，即得有机硅改性丙烯酸乳液。
1.3 有机硅改性丙烯酸乳液的性能（见表1）

注：①m（质量浓度5%CaCl2 水溶液）∶m（乳液）=5∶1。
混凝土是亲水物质，表面具有数量不等的羟基（来源于水泥不断水化时持续析出的氢氧化钙）而且活性很大。有机硅聚合物的2 个显著的特点就是高耐氧化性和低表面能，而低表面能会产生优良的疏水性。有机硅化合物与无机硅酸盐材料如混凝土、砂浆、加气混凝土、陶瓷、砖、瓦等有很大的化学亲和力，因而能改变这些硅酸盐材料的表面特性。这是由于带有反应活性基的硅氧烷能通过活性基团的相互作用形成网状疏水性硅氧烷膜。这种疏水性网状硅氧烷分子膜具有很低的表面张力，能均匀地分布在多孔的硅酸盐基材的微孔孔壁上，而不是封闭其毛细管通道，水在毛细管壁的接触角100°以上，使滴在其上的水成为小水珠，无法渗入到基材内部。这样，经有机硅处理过的基材就具有良好的疏水效应，有效地阻止水分的浸入，又由于它并没有封闭基材毛细管通道，不妨碍水气由里向外扩散，使得基材具有好的透水性。经有机硅处理的混凝土面层具有较强的疏水性，可以大大减少水的渗入量，也抑制了氯离子和硫酸根离子等有害离子的迁入，从而起到保
护混凝土的作用。
有机硅树脂中的Si—O 键能（451 kJ/mol）远远大于C—C键能（356 kJ/mol）和C—O 键能（336 kJ/mol），结合得牢固稳定，使其耐候性、抗氧化能力增强；聚硅氧烷分子呈螺旋结构，甲基向外排列并绕Si—O 键旋转，分子体积大，内聚能密度低，使有机硅氧烷有很强的防水性和防尘性。丙烯酸树脂具有优良的耐候性、耐紫外线降解性及常温自干，并且对基层有很强的附着性能，但其耐高温性差，容易高温回粘导致耐沾污性下降；而有机硅树脂有很高的耐热性、韧性、高弹性及可塑性，此外还具有耐水、耐磨蚀及耐大气老化等性能。因而，在丙烯酸树脂结构中引入一定数量的有机硅基团进行改性，使所得树脂既兼具2 种树脂优点，又能弥补各自不足，更能适合涂覆混凝土要求。

3 涂覆硅丙乳液对混凝土耐久性影响试验
3.1 试验方法
混凝土碳化试验按GBJ 82—85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中的快速碳化试验法进行。采用100 mm×100 mm×300 mm 的长方体试件，标准养护28 d，在60 ℃烘48h 后取出进行测试。混凝土氯离子渗透试验采用ASTMC1 202[1]建议的电量法测试。试件为直径100 mm，高度50 mm的圆柱状混凝土。混凝土抗硫酸盐侵蚀试验，采用100 mm×100 mm×100mm 试件，按GB/T 50081—2002 要求成型，标准养护28 d，在硫酸盐溶液中浸泡28 d 后取出测其抗压强度。
3.2 试验结果与分析
3.2.1 涂层对混凝土抗氯离子渗透性的影响
涂覆硅丙乳液对混凝土抗氯离子渗透性影响的试验结果见图1。

由图1 可见，掺加复合掺合料的混凝土在6 h 内的通电量小于不加掺合料的混凝土的通电量，而在混凝土表面涂覆有机硅改性丙烯酸保护涂层又可进一步降低混凝土通电量。这就说明，在混凝土表面涂覆保护涂层降低了氯离子向混凝土内部的渗透，提高了混凝土的抗氯离子渗透性能。