实验研究了在混凝土表面添加SiO?纳米颗粒和硬脂酸后，制备的具有耐用性、疏水性和自清洁功能的砂浆涂层的效果

《Journal of Materials Research and Technology》：Experimental study of durable, hydrophobic, and self-cleaning mortar coating enhanced with SiO 2 nanoparticles and stearic acid on concrete

混凝土因多孔结构易受水和环境因素侵蚀，本研究通过添加硬脂酸（SA）和二氧化硅（SiO?）纳米颗粒制备纳米结构疏水涂层，优化SA含量（0.38-3 wt%）并评估其疏水性、抗水渗透、抗压强度、耐磨性及抗冰附着力。结果表明，2.25 wt% SA涂层接触角达137°，24小时水吸收仅0.061 kg/m2，抗压强度提升3.5%，经50次磨损后接触角仍稳定，且抗冰附着力降低90%。

　　混凝土作为一种广泛应用的建筑材料，其结构中的多孔性使其容易受到水和其他环境因素的影响，进而导致性能下降和寿命缩短。为了提高混凝土的耐久性和防护能力，研究者们不断探索新的材料和方法，以增强其防水、抗冻、自清洁等特性。本文探讨了一种新型的纳米结构疏水砂浆涂层，该涂层由硬脂酸和二氧化硅（SiO?）纳米颗粒组成，并评估了不同比例的硬脂酸对涂层性能的影响。

### 混凝土的多孔性与水的危害

混凝土在硬化过程中会产生大量孔隙，这些孔隙主要由水泥水化反应中形成的羟基团所导致。这些孔隙使得混凝土具有较高的亲水性，从而容易受到水分渗透的影响。水的渗透不仅会导致混凝土的体积膨胀，还会在冻结时产生内部压力，进而引发裂纹和结构破坏。此外，水中的腐蚀性物质，如氯离子、硫酸盐和二氧化碳，会进一步加剧混凝土的劣化过程，影响其承载能力和稳定性。因此，提高混凝土的疏水性能成为延长其使用寿命和提升其应用范围的重要研究方向。

### 疏水涂层的作用机制

疏水涂层的主要作用是通过降低材料表面的表面能，使其对水的接触角增大，从而减少水分子与材料表面的相互作用。硬脂酸作为一种常见的疏水剂，其分子结构中含有长链的非极性碳氢链，能够通过化学键与混凝土表面结合，形成疏水屏障。同时，SiO?纳米颗粒的加入不仅能够提高涂层的表面粗糙度，还能通过其微纳米结构形成更多的空气滞留点，进一步增强疏水效果。这种结构与材料表面的协同作用，使得疏水涂层能够有效防止水分渗透，提高混凝土的耐久性。

### 实验设计与材料选择

在本研究中，研究人员采用了多种方法来优化疏水砂浆涂层的性能。首先，通过调整水与水泥及砂的比例，确定了最佳的配比方案。实验表明，水与水泥及砂的重量比控制在0.225至0.300之间，能够使涂层保持良好的强度和附着力，同时避免因水分过多而产生的裂纹。其次，通过改变硬脂酸的添加比例（0.38、0.75、1.5、2.25和3 wt%），研究人员评估了不同比例对涂层性能的影响。同时，SiO?纳米颗粒与硬脂酸的重量比固定为3:1，以确保涂层的疏水性和机械性能之间的平衡。

### 疏水性能的评估

通过测量水接触角（WCA）和水吸收率，研究人员评估了不同比例涂层的疏水性能。实验结果显示，随着硬脂酸含量的增加，涂层的疏水性显著提升。其中，含有2.25 wt%硬脂酸的样品在10天和30天后分别表现出137°和136.55°的WCA，表明其具有优异的疏水性能。此外，含有2.25 wt%和3 wt%硬脂酸的样品在24小时内表现出最低的水吸收率，仅为0.061和0.0165 kg/m2，远低于未涂层样品的4.938 kg/m2。这说明，疏水涂层能够显著降低水分渗透的风险，从而提升混凝土的耐久性。

### 表面形态分析

通过扫描电子显微镜（SEM）观察涂层的表面形态，研究人员发现含有2.25 wt%硬脂酸的样品具有更致密的结构和更高的表面粗糙度。SEM图像显示，涂层表面覆盖着分层结构的硬脂酸颗粒和球形的SiO?纳米颗粒，这些结构有助于形成更有效的疏水屏障。相比之下，含有较低比例硬脂酸的样品则表现出更多的孔隙和不规则的表面结构，这可能影响其疏水性能。此外，含有3 wt%硬脂酸的样品在高倍率下还显示出一些额外的结构特征，如球形颗粒的分布，这可能进一步增强了其疏水性。

### 机械性能的提升

尽管疏水涂层可能会对混凝土的机械性能产生一定影响，但实验结果表明，适量的硬脂酸添加能够提高混凝土的抗压强度。含有2.25 wt%硬脂酸的样品在30天后表现出3.5%的强度提升，这可能与SiO?纳米颗粒的加入有关。纳米颗粒能够通过裂纹偏转机制增强混凝土的结构完整性，从而在不显著降低其疏水性能的前提下，提高其机械强度。这种平衡的性能优化为疏水涂层在实际工程中的应用提供了理论依据。

### 抗磨损性能

为了评估涂层在实际应用中的耐久性，研究人员进行了磨损测试。结果表明，含有2.25 wt%硬脂酸的样品在经历50次刮擦后仍能保持较高的WCA（约137°），说明其具有良好的抗磨损能力。这种性能对于混凝土在桥梁、隧道和斜坡等易受机械磨损的环境中尤为重要。磨损测试还表明，涂层在长期使用中能够保持其疏水特性，不易因物理损伤而失效。

### 自清洁性能

疏水涂层的自清洁能力是其在实际应用中的一大优势。通过模拟污染物在涂层表面的去除过程，研究人员发现，水滴在滚动过程中能够有效地带走可溶性或不可溶性的污染物。这是因为疏水表面的弱粘附力使得污染物难以附着，从而在水滴的作用下被迅速清除。这种自清洁特性不仅能够减少维护成本，还能提高混凝土表面的长期清洁度和美观性。

### 抗冰剥离性能

在抗冰剥离测试中，含有2.25 wt%硬脂酸的样品表现出显著的性能提升。其所需的剪切力仅为未涂层样品的90%（93 kPa vs. 995 kPa），这表明疏水涂层能够有效减少冰与混凝土之间的粘附力。根据Cassie-Baxter模型，涂层表面的粗糙结构能够捕获空气或蒸汽，形成固-液界面，从而减少接触面积，降低冰的附着力。这一特性对于寒冷地区的混凝土结构尤为重要，能够有效防止冰冻对结构的破坏。

### 涂层的耐候性

为了评估涂层在长期使用中的稳定性，研究人员进行了200小时的QUV紫外线老化测试。结果显示，含有2.25 wt%硬脂酸的样品在紫外线照射后仍能保持较高的疏水性能，其WCA仅下降了10%（从137°降至123°）。这一结果表明，尽管硬脂酸等有机材料可能在紫外线照射下发生一定程度的降解，但其性能下降幅度较小，且在与其他材料的协同作用下，涂层仍能保持良好的稳定性。此外，SiO?纳米颗粒的加入有助于提高涂层的耐候性，使其在不同气候条件下均能保持良好的性能。

### 实际应用意义

本研究的成果表明，通过合理选择硬脂酸和SiO?纳米颗粒的比例，可以有效提升混凝土的疏水性能，同时保持其机械强度和耐久性。这种新型的疏水砂浆涂层不仅能够防止水分渗透，还能提高混凝土的抗冻、抗磨损和自清洁能力，使其在恶劣环境下具有更强的适应性。此外，该涂层的经济性和可操作性也使其在实际工程中具有较高的应用价值。研究人员指出，相比于传统的表面处理方法，这种纳米结构的疏水涂层能够在不显著增加材料成本的情况下，提供更全面的保护。

### 研究展望

尽管本研究取得了显著成果，但仍有一些问题需要进一步探讨。例如，涂层在长期使用中的性能变化、不同环境条件下的耐久性、以及涂层对混凝土其他性能（如抗压、抗拉和抗裂）的影响等。此外，如何进一步优化涂层的配方，以在不牺牲疏水性能的前提下，提高其机械强度和抗磨损能力，也是未来研究的重要方向。同时，探索其他类型的疏水剂和纳米材料的组合，以获得更优异的性能，也是值得研究的课题。

总之，本研究为提高混凝土的耐久性和功能性提供了一种新的解决方案。通过合理的材料配比和表面处理技术，研究人员成功开发了一种具有优异疏水性能、良好机械强度和抗磨损能力的纳米结构砂浆涂层。这种涂层不仅能够有效防止水分渗透，还能提升混凝土的自清洁能力和抗冰剥离性能，为未来混凝土材料的发展提供了新的思路和方法。