[發明專利]一種水泥基材料接觸角和表面能的測量方法

有效

• 申請號: 201410091441.7
• 申請日: 2014-03-13
• 公開（公告）號: CN103852403A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 董必欽;邢鋒;楊略;陳鎮鴻;房國豪;張健超;徐偉偉;王琰帥
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00;G01N1/32
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發明屬于土木工程技術領域，涉及一種水泥基材料接觸角和表面能的測量方法。

背景技術

混凝土廣泛運用于現代土木工程結構建筑中，是最廣泛的建筑材料和結構材料。混凝土由于結構本身的組成成分及其承載力特點，在其服役期間，隨著水化過程的持續進行，它的強度在緩慢提高；但同時混凝土遭受外界環境和各種因素的侵蝕和破壞，如鋼筋銹蝕、碳化、凍融破壞、堿骨料反應和硫酸鹽侵蝕等，其強度逐漸衰弱和削減，經歷一定年代以后，甚至會不滿足設計應有的功能而“失效”。由于鋼筋混凝土的耐久性不足帶來的經濟損失非常巨大，英國、美國、日本等國家每年用于修復鋼筋混凝土的費用動輒以億記；日本引以為豪的新干線使用不到10年就出現大面積混凝土開裂、剝蝕現象。因此，無論從結構的安全性還是從經濟性的角度，都有必要對混凝土的耐久性進行設計和提高。

混凝土的耐久性劣化過程及其機理與水分的存在和運動密切相關。水分的存在和運動使得Cl^-、Mg²⁺、SO₄^2-等有害介質得以進入混凝土并向內部傳輸,為碳化、凍融循環、堿-骨料反應、硫酸鹽侵蝕和鋼筋銹蝕等提供了反應條件和環境。因此，研究混凝土的表面吸水特性和抑制水分侵入混凝土的有效措施，對如何提高混凝土的耐久性具有指導意義。

目前，對于水泥基材料的表面性能的研究特別是對接觸角和表面能的測試開展得非常少，這里很大一部分原因是由于水泥基材料表面的物理化學特性與主流的接觸角測量方法以及表面能計算方法所要求的理想表面差異很大。

首先，水泥基材料是一種混合材料，構成化學不均勻的表面，因此，當對不同的表面部位進行接觸角測試時，其結果差異可能相當大；其次，水泥基材料是一種無機材料，就目前研究所掌握的資料而言，無機材料的表面能都較高，容易吸附空氣中的液體蒸汽降低表面能，因而用傳統方法計算得到的表面能與水泥基材料的真實表面能存在較大的誤差；第三，水泥基材料的天然表面粗糙，對接觸角的測試結果影響不容忽視；第四，由于水泥基材料孔隙率高、滲透性強，表面也分布了不少孔洞，使得主流的接觸角測試方法無法在其表面開展。

在對固體材料表面的接觸角測量以及表面能計算的研究中，躺滴法是國內外相關領域文獻最常提及和使用的。躺滴法操作方便，結果具有代表性，但是其對操作環境的要求很嚴格，溫度、濕度、灰塵含量對于測試結果的準確性影響非常大，更重要的是對于吸收材料，躺滴法無法在材料表面形成一個穩定、接觸角可測的液滴。俘獲氣泡法也是十分常用的一種接觸角測試方法,測量時將測試表面整個浸潤在水中，然后用注射器從下方緩慢釋放液滴使其貼附在測試表面上；由于整個測試過程在液體環境中進行，因此，溫度、濕度、液滴蒸發、材料吸收等問題對測量過程及結果的影響都很小，且根據相關研究，俘獲氣泡法測得的接觸角隨時間和液滴或氣泡體積變化的情況非常穩定。因此，經過適當的改進和調整，可以將俘獲氣泡法用于測量液體對水泥基材料表面的接觸角，以及用所測的接觸角計算水泥基材料的表面能。

目前有部分研究通過躺滴法測試水泥基材料的接觸角，通過離心法制備混凝土、水泥凈漿樣品，大大減小水泥基材料的孔隙率以及表面孔洞，從而避免躺滴法測試過程中，樣品對液體的吸收。但是液體暴露在空氣中存在蒸發問題，當液滴體積很小時，蒸發量就變得很可觀，這個現象帶來的液滴體積減小直接影響接觸角的穩定，導致接觸角在測量時間內發生變化，難以判斷哪個值能夠用來表征樣品的表面性能。另外，通過離心法制備的樣品表面性能與工程實際中澆筑的水泥基材料的表面差異很大，實驗中得到的樣品表面性能不能直接用以評估實際工程中水泥基材料的表面性能特別是濕潤性能。

相對之下，俘獲氣泡法測試樣品表面接觸角的過程中，由于樣品整個浸潤在水中，樣品內部開口孔隙全部被水填充，因此不存在樣品對液滴的吸收問題，實際的觀測結果顯示，俘獲氣泡法測得的接觸角在觀測時間內保持恒定；液滴也是在液相環境下與固體表面接觸，因此不存在液滴的蒸發對接觸角的影響，同時也不存在固體表面吸附液滴蒸汽降低表面能的現象。

綜上所述，我們可以認為，用俘獲氣泡法測試得到的樣品表面能可以用以評估工程中的水泥基材料表面系統的性能，也可以通過該表面能反算水泥基材料在空氣中的濕潤特性。

水泥基材料表面-水-非極性液滴構成三相接觸時，可由表面能研究的相關文獻整理推導得到以下適用于水泥基材料的表面能計算公式：