TEOS-IBT协同改性水泥净浆的疏水性能及机理研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1160

摘要/Abstract

摘要：

为提升水泥基材料的疏水性能，采用异丁基三乙氧基硅烷（IBT）与正硅酸四乙酯（TEOS）对P·I 52.5水泥净浆（水灰比0.35）进行单掺与复掺改性，IBT或TEOS的掺量设置为1%~6%（质量分数），并在固定IBT掺量3%的基础上复掺1%~3%的TEOS。通过流动度、凝结时间、抗压强度、接触角、毛细吸水系数（S）、水化热等测试，并结合SEM、FTIR、XRD等手段对水泥净浆进行表征。结果表明：复掺体系能显著增强表面疏水性，IBT-3%+TEOS-3%复掺使接触角增大至140.0°，较单掺3% IBT时的接触角增大了58.37%。在水分传输性能方面，IBT-4%将毛细吸水系数S由对照组的0.004 19 mm·s^-1/2降至0.000 99 mm·s^-1/2；在固定IBT掺量为3%的基础上复掺TEOS（1%~3%）时，S为0.002 93~0.003 63 mm·s^-1/2，虽高于IBT-3%单掺组，但较对照组降低13%~30%。基于上述结果，本研究揭示了TEOS和IBT内掺改性水泥净浆的作用机制，为疏水型水泥基材料的设计提供了可操作依据。

关键词: 水泥基材料, 异丁基三乙氧基硅烷, 正硅酸四乙酯, 疏水性, 改性

Abstract:

To improve the hydrophobic properties of cement-based materials， isobutyl triethoxysilane （IBT） and tetraethyl orthosilicate （TEOS） were used to singly and jointly modify P·I 52.5 Portland cement paste （water-cement ratio of 0.35）. The content of IBT or TEOS was set to 1%~6% （mass fraction）， and 1%~3% TEOS was compounded on the basis of fixing the IBT content at 3% （mass fraction）. The cement paste was characterized by tests of fluidity， setting time， compressive strength， contact angle， capillary water absorption coefficient （S）， heat of hydration， combined with characterization techniques such as SEM、FTIR and XRD. The results show that the co-admixture markedly amplifies surface hydrophobicity， the compound addition of IBT-3%+TEOS-3% increases the contact angle up to 140.0°， compared with the single addition of 3% IBT， the contact angle is increased by 58.37%. In terms of moisture transport performance， IBT-4% reduces capillary water absorption coefficient （S） from the control value of 0.004 19 mm·s^-1/2 to 0.000 99 mm·s^-1/2； When TEOS of 1%~3% is compounded on the basis of fixing the IBT content at 3%， S is 0.002 93~0.003 63 mm·s^-1/2， higher than IBT-3% alone group but still 13%~30% lower than the control. Based on the above results， this study reveals the synergistic mechanism of TEOS and internally mixed IBT in modified cement paste， and provides an operable basis for the design of hydrophobic cement-based materials.

Key words: cement-based material, isobutyl triethoxysilane, tetraethyl orthosilicate, hydrophobicity, modification

中图分类号:

TU528.042

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图/表 16

表1 硅酸盐水泥的主要化学成分

Table 1 Main chemical composition of Portland cement

Chemical composition	CaO	SiO₂	Al₂O₃	MgO	Fe₂O₃	SO₃	Other
Mass fraction/%	58.884	22.885	7.181	3.361	2.919	2.162	0.897

图1 硅酸盐水泥的XRD谱

Fig.1 XRD pattern of Portland cement

图2 化学原料结构示意图

Fig.2 Schematic diagram of chemical structures of raw materials

表2 水泥净浆试块配合比

Table 2 Mix ratio of cement paste test blocks

Sample	Mass/g
Sample	Cement	Water	IBT	TEOS
Control	300	105	0	0
IBT-1%	300	105	3	0
IBT-2%	300	105	6	0
IBT-3%	300	105	9	0
IBT-4%	300	105	12	0
IBT-5%	300	105	15	0
IBT-6%	300	105	18	0
TEOS-1%	300	105	0	3
TEOS-2%	300	105	0	6
TEOS-3%	300	105	0	9
TEOS-4%	300	105	0	12
TEOS-5%	300	105	0	15
TEOS-6%	300	105	0	18
IBT-3%+TEOS-1%	300	105	9	3
IBT-3%+TEOS-2%	300	105	9	6
IBT-3%+TEOS-3%	300	105	9	9

图3 水泥净浆制备流程图

Fig.3 Preparation flow chart of cement paste

图4 疏水剂对水泥净浆流动度的影响

Fig.4 Effect of hydrophobic agent on fluidity of cement paste

图5 疏水剂对水泥净浆凝结时间的影响

Fig.5 Effect of hydrophobic agent on setting time of cement paste

图6 疏水剂对水泥净浆抗压强度的影响

Fig.6 Effect of hydrophobic agent on compressive strength of cement paste

图7 疏水剂对水泥净浆接触角的影响

Fig.7 Effect of hydrophobic agent on contact angle of cement paste

图 8 疏水机理图

Fig.8 Hydrophobic mechanism diagram

图 9 疏水剂对水泥净浆毛细吸水量的影响

Fig.9 Effect of hydrophobic agent on capillary water absorption of cement paste

图 10 各体系水泥净浆毛细吸水系数

Fig.10 Capillary water absorption coefficient of cement paste in each system

图11 疏水剂对水泥净浆水化热的影响

Fig.11 Effect of hydrophobic agent on hydration heat of cement paste

图12 水泥净浆的SEM照片

Fig.12 SEM images of cement paste

图13 水泥净浆红外光谱

Fig.13 FTIR of cement pastes

图14 水泥净浆XRD谱

Fig.14 XRD patterns of cement pastes

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