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1、,水泥基材料的表面硬化防护及其作用机理,结语,作用效果,表面处理剂的种类和作用机理,水泥基表面硬化处理现状,主要内容,渗透结晶型表面处理剂,一、水泥基表面硬化处理现状不同处理方法比较,高标号水泥覆盖,环 氧 地 坪,金刚砂、石英砂、金属粉,渗透型液体硬化剂,效果一般,美观,施工成本高,防尘,硬度低,有机物挥发,硬度高,施工复杂,不耐酸,不美观,硬度高,施工简单,耐腐蚀,美观度一般,无毒不燃,不防火,二、表面处理剂的种类,1. 非渗透型表面处理剂,2. 渗透型表面处理剂,3.复合型表面处理剂,按作用机理分类,环氧树脂类涂料、聚酯纤维类树脂涂料、丙烯酸树脂涂料、乙烯基涂料、硅酮涂料、氯丁橡胶、丁基
2、橡胶以及其他有机涂料。,有机硅类材料，如烷基/烷氧基硅烷等。,目前应用最为广泛。亚麻子油和环氧树脂密封剂等。,无机物为主要作用成分，如硅酸钠/锂、酸性液体硬化剂等。,渗透结晶型表面处理材料,表面处理剂,硬化剂,渗透结晶型表面处理剂,二、表面处理剂的种类,国内首家！白云机场纳米技术改造货站库区地坪,民航资源网2014年11月25日消息：近日，白云机场采用纳米环保技术完成国内货站库区地坪改造，成为国内首个采用纳米技术的机场货站。,经过用纳米技术处理过的地坪，表面不会形成一层薄膜，也不会因薄膜脱落而形成粉尘，具有极佳的耐磨、抗压、耐冲击、耐刻划等性能。值得一提的是，这种地面不需要特别保养，仅需使用拖
3、把水洗或使用温和的洗涤剂清洗即可，无需打蜡，亦无需除尘除残渣。,渗透结晶型处理剂作用示意图,反应后结晶填补缝隙,渗透进入基体,混凝土/水泥基体,二、表面处理剂的种类,渗透结晶型表面处理剂,直接强化水泥基体，使用寿命长，一次处理一劳永逸。,施工方法简单，用料少，成本低。,无机物为主要成分，无毒、不易燃，无污染。,处理后可经打磨提高光泽度、也可复配添加颜色，有一定美观度。,二、表面处理剂的种类,三、水泥基复合材料的组成结构特点,定义：“由水泥浆作为粘结材料/胶凝材料，将两个或两个以上的物理相，包含颗粒、纤维或片状材料组成的一种固体产物”。,由气液固三相组成，进一步可描述为由： 1）骨料相 2）硬化
4、水泥浆体相 3）过渡区相,凝胶，氢氧化钙和水化硫铝酸钙,三、水泥基复合材料的性能特点,水泥基材料包括水泥浆、砂浆和混凝土材料。其结构特点决定了材料的性能特性 微观不均匀（宏观可以匀质）；泌水 起砂水线裂缝离析 水灰比不均匀-骨料下沉含气量 孔隙振捣 蜂窝麻面空洞水泥基材料抗拉强度低（只有抗压强度的不到1/10），粘结强度差，颗粒容易脱落。水泥基材料中 100nm为毛细孔； 50nm为少害孔。,可见光这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。波长400nm700nm之间。由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分；,水泥基复合材料的性能特点,中国地坪协会年会及技术交流-上海-2014-12,
5、三、水泥基复合材料的性能特点,四、实验及测试方法,材料科学与工程学院,研究方案：,氟硅酸盐,耐磨度,干燥度及渗透量,力学强度抗折、抗压强度,作用机理与硅酸盐作对比,直接掺入实验,微观分析实验XRD、SEM、EDS,结合分析,表面处理实验,确定强化效果,表面硬度,优化工艺,材料科学与工程学院,原材料：,实验原材料,水泥：基准水泥。 GB8076-2008混凝土外加剂性能检验用基准水泥技术条件,砂子：标准砂。,表面活性剂：OP-10。,氟硅酸盐：水玻璃：模数2M，水溶液浓度17%20%，波美度20。,白色晶体，纯度99%以上。,非离子型活性剂，成分是烷基酚聚氧乙烯醚，具有优良的匀染、乳化、润湿、扩
6、散，抗静电性，HLB=13.3，掺量总溶液的0.3%。,SiO2含量不小于96%的天然硅砂，粒度范围为0.250.65mm,其中0.250.40mm占60%，0.400.65mm占40%。,12,耐磨度测试方法,材料科学与工程学院,实验测试方法,混凝土及其制品耐磨性试验方法(滚珠轴承法)GB/T 16925-1997。,天津三思牌NS-2型滚珠式耐磨试验机,试块尺寸：10cm10cm10cm,13,GBT 17671-1999 水泥胶砂强度检验方法(ISO法),力学强度测试方法,表面硬度测试方法,材料科学与工程学院,1#净浆试块（100倍）,砂粒,水泥基,2#胶砂比1：3的胶砂试块（100倍）
7、,砂粒,水泥基,3#胶砂比1：5的胶砂试块（100倍）,实验测试方法,试块尺寸：2cm2cm2cm 载荷：50g 硬度(Hv)无单位,14,维氏显微硬度测试方法,渗透量和干燥度测试方法,材料科学与工程学院,实验测试方法,干燥度： 将水养28天的试块取出，用干布擦拭至表面没有液滴，称重m0。 预处理后，放置干燥器皿30分钟，称重m1。干燥度=(m0-m1)/m0100%渗透量： 预处理后的试件放入溶液浸泡处理，用干布擦拭至表面没有液滴，称重m2。渗透量=m2 - m1m0 饱和面干质量，g；m1 干燥失水后质量，g；m2 浸泡后饱和面干质量，g。,试块尺寸：40mm40mm160mm,15,五、
8、氟硅酸盐表面硬化处理对砂浆性能的影响,氟硅酸盐表面处理对比实验设计思路,材料科学与工程学院,主要测试内容及测试方法： 耐磨度、表面硬度 GB/T 16925 - 1997混凝土及其制品耐磨性试验方法(滚珠轴承法) 维氏显微硬度测试法,16,预处理方法对硬化效果的影响,打磨去浮浆操作：使用200号砂纸来回打磨50次，看见明显的白色水泥浆，用清水将其冲刷 干净；再使用200号砂 纸来回打磨50次，白色水泥浆出现量较少后，用清水冲刷干净。,材料科学与工程学院,五、氟硅酸盐表面硬化处理对砂浆性能的影响,17,预处理方法对渗透量的影响,材料科学与工程学院,五、氟硅酸盐表面硬化处理对砂浆性能的影响,18,
9、预处理方法对干燥度和渗透量的影响,材料科学与工程学院,五、氟硅酸盐表面硬化处理对砂浆性能的影响,19,预处理方法对耐磨度的影响,材料科学与工程学院,五、氟硅酸盐表面硬化处理对砂浆性能的影响,注：0#空白样未经过任何前期处理和浸泡处理，其他试件均在预处理之后进行了1h的氟硅酸盐溶液浸泡处理。5组试件在浸泡处理之后都在自然环境下风干2d。,20,预处理方法对表面硬度的影响,材料科学与工程学院,五、氟硅酸盐表面硬化处理对砂浆性能的影响,21,水泥基材料基体对硬化处理效果的影响,配合比：胶砂比1:3，水胶比0.5,配合比：胶砂比1:5，水胶比0.6,材料科学与工程学院,基体品质对渗透量的影响,五、氟硅
10、酸盐表面硬化处理对砂浆性能的影响,22,水泥基材料基体对硬化处理效果的影响,30%,20%,材料科学与工程学院,基体性能对耐磨度的影响,五、氟硅酸盐表面硬化处理对砂浆性能的影响,23,水泥基材料基体对硬化处理效果的影响,材料科学与工程学院,基体性能对表面硬度的影响,五、氟硅酸盐表面硬化处理对砂浆性能的影响,24,不同表面处理方法对硬化效果的影响：,20%氟硅酸镁溶液，每30min喷涂一次，共喷涂5次。,材料科学与工程学院,氟硅酸盐溶液涂覆耐磨试验结果,五、氟硅酸盐表面硬化处理对砂浆性能的影响,25,浸泡时间对硬化效果的影响:,材料科学与工程学院,浸泡时间和耐磨度的关系曲线,表面硬度随浸泡时间变
11、化结果,五、氟硅酸盐表面硬化处理对砂浆性能的影响,26,处理后时间对硬化效果的影响:,材料科学与工程学院,五、氟硅酸盐表面硬化处理对砂浆性能的影响,处理后龄期与耐磨度试验 胶砂比1:5,处理后龄期与耐磨度试验 胶砂比1:3,27,不同阳离子氟硅酸盐对硬化效果的影响：,材料科学与工程学院,五、氟硅酸盐表面硬化处理对砂浆性能的影响,不同阳离子氟硅酸盐和硅酸盐处理砂浆试块的耐磨度,28,材料科学与工程学院,（1）水泥基材料表面预处理方法对氟硅酸盐溶液的渗透和反应具有显著影响。通过表面打磨去除浮浆和烘干干燥处理，可以数倍的增加溶液的渗透量，提高硬化处理效果。 （2）经过科学合理处理工艺（预处理采用60
12、C-80C干燥3-6小时，采用氟硅酸盐20%水溶液处理，浸泡时间6小时），采用氟硅酸盐溶液处理的水泥基材料的表面硬度可以提高50%以上、耐磨性提高30%以上。并且表面硬度和耐磨性提高幅度与水泥基材料基体的性能有关。 （3）液体硬化剂与水泥水化产物反应速率快，处理后1天耐磨性提高显著，随后增长缓慢。 （4）不同阳离子的氟硅酸盐对水泥基材料的强化效果略有差别，但都是优于硅酸盐类硬化剂的强化效果。,小结：,五、氟硅酸盐表面硬化处理对砂浆性能的影响,29,六、渗透结晶型表面处理剂与水泥作用机理,硅酸盐类液体表面硬化剂,Na2SiO3 + Ca(OH)2 = CaSiO3 + 2NaOHLi2SiO3
13、+ Ca(OH)2 = CaSiO3 + 2LiOH,填补水泥基的微空隙，达到强化效果,硅酸盐以溶液形式渗透进入水泥基体缝隙中,与水化产物Ca(OH)2反应,生成不溶的胶状物质,泛白碱骨料反应,六、渗透结晶型表面处理剂与水泥作用机理,硅酸盐类与碱-骨料反应问题,膨胀，导致开裂,原来混凝土中和新生成的碱性物质,生成碱-硅酸凝胶,与骨料中的活性SiO2反应,吸水,Li+的加入，可以取代碱-骨料反应中的K+和Na+，生成锂-硅酸凝胶（L-S-H），这种物质不会吸水膨胀，所以可以有效抑制碱-骨料反应。,六、渗透结晶型表面处理剂与水泥作用机理,酸性液体液体硬化剂,MSiX6(M:Mg),M2+SiX62
14、-,SiX62-+H2OSiO2+ X-,M2+2X- MgX2Ca2+2X- CaX2,填补空隙，使得混凝土更加致密,形成SiO2凝胶,MSiX6+ 2Ca(OH)2 = MX2 + 4CaX2 + Si(HO)4MSiX6+ 2Ca(OH)2 = MX2+ 4CaX2+ SiO2 + H2O,生成SiO2凝胶，消耗了碱,材料科学与工程学院,氟硅酸盐与水泥的作用机理,XSiF6和Ca(OH)2反应XRD结果,1# ：MgSiF6和Ca(OH)2等量,2# ：Ca(OH)2过量,3# ： MgSiF6过量,CxSxH : Ca6SiO4Si2O7(OH)2,33,经氟硅酸盐表面处理的混凝土的孔
15、结构显微图像,材料科学与工程学院,氟硅酸盐与水泥的作用机理,SiO2凝胶,34,经氟硅酸盐表面处理的混凝土的孔结构显微图像,材料科学与工程学院,氟硅酸盐与水泥的作用机理,内部6-8mm可检测出F元素,35,材料科学与工程学院,结论,硅酸钠液体硬化剂有碱-骨料隐患，并且Li成本昂贵。氟硅酸盐表面硬化剂可以消耗碱，阻止表面泛白，抑制碱-骨料反应。,氟硅酸盐直接掺入对水泥基材料早期强度有4%-15%的提高，但有局限性，超过1%的掺量会缓凝。但对品质差的有20%的强化效果。,氟硅酸盐类和硅酸盐类液体硬化剂相似，是通过渗透和化学反应填补缝隙实现对水泥基材料表面硬化作用的。硅酸盐硅酸钙；氟硅酸盐晶体和凝胶。,合理的预处理方法和表面处理方法，氟硅酸盐使其表面硬度提高50%以上、耐磨性提高30%以上，处理见效快。强化效果和基体品质有关。,36,
