有机硅防水剂对氯盐侵蚀混凝土的防护效果研究

0 引言
从混凝土耐久性的破坏机理可以看出, 水是混凝土性能劣化的必要条件之一, 除此之外水还是氯离子和其它化学物质侵入的运输工具, 因此对混凝土进行表面防水处理是提高混凝土耐久性的有效途径之一。相关研究已经证实表面防水处理是提高混凝土耐久性的一个有效措施[1], 它能在混凝土和外界环境之间形成隔离层, 通过改变混凝土的表面性质来阻止或延缓水和氯离子等有害物质侵入, 从而阻止或延缓混凝土的劣化。目前, 随着有机硅防水剂的不断发展, 有机硅防水剂品种越来越多, 其中硅烷溶液、凝胶和乳液在欧洲工程领域得到了广泛应用。在相同用量的条件下, 不同防水剂具有不同的防水效果; 另外, 对不同混凝土进行防水处理获得的防水效果也存在差异。

1 试验
试验选用水灰比为0.5 的混凝土, 由于本试验是针对于沿海地区的工程进行防水处理研究, 因此, 首先将混凝土试块与浓度为3%NaCl 溶液分别接触0、28、90 d, 使其遭受不同程度的氯盐侵蚀, 然后采用三种防水剂对其进行防水处理。

1.1 试件的制备和养护
试验用原材料均来自青岛本地, 其中碎石最大粒径20 mm,砂的细度模数2.9, 属于中砂, 水泥为青岛山水水泥股份有限公司生产的32.5 级普通硅酸盐水泥, 外加剂采用萘系高效减水剂。具体配合比见表1。

成型试件为100 mm×100 mm×100 mm 的立方体, 为了不影响混凝土表面防水处理效果, 浇筑时不使用脱模剂。试块成型48 h 后拆模, 将其放入标准养护室( ( 20±3) ℃, RH≥90%) 中养护。14 d 后将混凝土试块取出, 沿试块顶面( 混凝土成型时的上表面) 中线切成相等两半( 100 mm×100 mm×50 mm) , 并将其放置于( 20±3) ℃, 相对湿度约为50%的试验室中继续养护14 d。

1.2 氯盐侵蚀试验
试块养护28 d 后, 用石蜡将试块的四个侧面密封, 仅留下两个相对面( 100 mm×100 mm) 以确保混凝土的毛细吸收过程为一维吸收。在平底容器中放入支架, 将试块成型时与模具的接触面( 切面的对面) 朝下放到支架上, 把配制好的3%的NaCl( 质量浓度)溶液缓慢倒入容器, 直至液面高出试块底面( 5±1) mm。用平底盖盖住容器, 以防止水分蒸发引起溶液浓度变化。为了让混凝土试块遭受不同程度的氯盐侵蚀, 试块分别需要浸泡0、28 和90 d。

1.3 测氯离子含量
从混凝土试块接触NaCl 溶液的表面开始以1 mm 为单位分层研磨混凝土, 称取1 g 混凝土粉末利用选择电极法测得氯离子相对于混凝土的百分含量。

1.4 混凝土表面防水处理
1.4.1 试验用防水剂的性能
试验用的三种防水剂均由德国公司提供, 其中一种为德国瓦克( Wacker) 公司生产的溶液型有机硅防水剂WACKER BS1701; 另外两种分别为德国申德欧( Sto) 公司生产的乳液型StoCry1 HC 100 和凝胶型StoCry1 HG 200 有机硅防水剂。三种防水剂的性能和主要技术指标见表2。

1.4.2 混凝土表面防水处理
混凝土半立方体试块的防水处理面是成型时与模具的接触面, 也是与NaCl 溶液的接触面。试验前, 将混凝土试块的四个侧面用石蜡密封, 以确保混凝土对防水剂的毛细吸收过程为一维吸收。
( 1) 硅烷溶液表面防水处理: 在一平底容器中放入支撑试块的三角支架, 把预备处理的混凝土表面朝下放在支架上。将硅烷溶液慢慢倒入容器中, 直至液面高出试块底面( 5±1) mm。混凝土试块对硅烷溶液吸收1 h 后, 拿出放入试验室干燥一周,然后进行吸水试验。
( 2) 硅烷乳液和硅烷凝胶表面防水处理: 两种防水剂进行防水处理的方法和用量相同, 试验均采用一次处理, 涂刷量为400 g/m2。按400 g/m2 的用量将防水剂均匀涂在混凝土表面, 防水处理一周后进行吸水试验。

1.5 毛细吸水试验
毛细吸水试验与氯离子侵蚀试验及硅烷溶液毛细吸收试验其过程基本相同, 也是将混凝土试块放入平底容器, 底部用三角支架支撑, 然后向容器中倒入水, 直至水面高出试块底面( 5±1) mm。在吸收时间为0、0.5、1、2、4、8、24 h 时, 称量试块重量。

2 试验结果及分析
为了便于阅读和区分, 文中有关混凝土的代号及其表示含义如下:

2.1 受氯盐不同程度侵蚀的混凝土中氯离子含量及分布
混凝土试块与NaCl 溶液接触0、28、90 d 后, 其中的氯离子含量与分布见图1。从图中可以看出, 新建混凝土中的氯离子是在浇筑过程中随着水泥、外加剂、拌合水、砂子等混凝土原材料的掺加而进入到混凝土内部, 氯离子近似均匀地分布在混凝土内部。而随着侵蚀时间的增长, 混凝土中的氯离子含量逐渐增大, 其侵蚀程度越来越严重。尤其与NaCl 溶液接触3 个月后,混凝土表面的氯离子含量达到0.517%。

2.2 受氯盐侵蚀后的混凝土其毛细吸水变化
混凝土试块在与NaCl 溶液接触0、28、90 d 后, 吸水量降低( 见图2) 。在t=0 时, 毛细吸水系数由原来AB0=786 g/( m2·h1/2) 降低到AB1=491 g/( m2·h1/2) 最后降为AB3=348 g/( m2·h1/2) 。其原因是: 将混凝土试块从NaCl 溶液取出放在试验室自然干燥过程中, 进入到混凝土中的NaCl 溶液在一定条件下转化成NaCl 晶体, 体积成倍增大, 在一定程度上堵塞了混凝土内部孔隙, 减少了混凝土的吸水。接下来做毛细吸水试验时, 混凝土试块中的NaCl 晶体遇水溶解, 使混凝土试块吸水面附近局部区域的水的粘滞系数增大, 从而减少了混凝土吸水量, 导致吸水系数降低。

2.3 不同防水剂的防水效果
从图3 可以看出, 在硅烷溶液吸收1 h、硅烷凝胶和乳液用量均为400 g/m2 的条件下, 三种防水剂的防水效果相差不大,但从对试块CB0、CB3 进行的二组试验结果看出硅烷凝胶的防水效果要优于硅烷溶液和硅烷乳液。J·Ciabach[2]发现, 如果孔隙中含盐量较高, 会使水性乳液的稳定性破坏, 导致水性乳液由均匀单相分离为水相和油相, 结果, 水首先被吸收到混凝土孔隙中, 从而阻塞了油相的渗透, 造成乳液防水剂的渗透深度比其它防水剂小。受氯盐侵蚀的混凝土CB1、CB3 用硅烷乳液处理后的防水效果要比硅烷溶液和凝胶的要差, 这一结果与J·Ciabach 得出的关于盐污染会导致有机硅乳液其防水效果降低的结论一致。

3 结论
在硅烷溶液吸收1 h、硅烷凝胶和乳液用量均为400 g/m2这一给定用量的条件下, 三种防水剂的防水效果相差不大。但总体来说, 硅烷凝胶的防水效果要优于其它两种。盐污染导致水性乳液的稳定性破坏, 使乳液防水剂的渗透深度降低, 从而降低了防水效果。

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