基于量瓶法研究硅烷浸漬混凝土的防水效果

張文博，孔高強，王 雪，楊 斌，李成亮

(東北林業(yè)大學土木工程學院)

1 引 言

近年來，我國國民經(jīng)濟飛速發(fā)展，為拉動內(nèi)需，加大了在基礎設施方面的投入，混凝土的應用也越來越廣泛。由于混凝土結構長期暴露在復雜而惡劣的環(huán)境中，故其耐久性問題變得日益嚴峻，受到人們的關注。水是造成混凝土結構破壞及性能劣化的重要因素。水作為氯離子和其它化學物質侵入的載體，使得大多數(shù)混凝土結構在嚴重滲水的情況下發(fā)生侵蝕破壞，縮短了結構的使用壽命。滲透型表面處理技術，即在混凝土結構表面涂刷或噴涂防水涂層，成為提高改善混凝土結構耐久性的有效的技術途徑。硅烷作為一種高滲透型的防水材料，可以在混凝土表面和毛細孔內(nèi)壁形成憎水薄膜，阻止毛細孔對水的毛細吸收，達到防水和提高混凝土耐久性的目的。目前，硅烷浸漬技術已被推廣應用于建筑、橋梁、隧道、道路、堤壩、海港等混凝土結構的表面防護。在《鐵路混凝土結構耐久性修補及防護》(TB/T 3228－2010)、《鐵路混凝土結構耐久性設計》(TB10005－2010)、《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范》(JTJ275－2000)和《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范》(JTG/T B07－01－2006)中已將硅烷浸漬處理技術作為防腐蝕措施。而在實際工程中，如何準確高效地評價硅烷的浸漬效果變得尤為重要。

2 硅烷防水劑簡介及防護機理

2.1 硅烷防水劑簡介

硅烷防水劑是一種無色、透明、無味、無毒、無腐蝕性的滲透型混凝土保護劑。近年來，硅烷防護技術得到廣泛應用，并迅速發(fā)展起來。硅烷按主要成分可分為烷基烷氧基硅烷和烯烴基烷氧基硅烷兩大類。其中，烷基烷氧基硅烷應用較為廣泛，如異丁基三乙氧基硅烷、異丁基三甲氧基硅烷、異辛基烯三甲氧基硅烷等。硅烷的典型結構形式為R－ Si(OC2H5)3。工程中應用的硅烷一般有液體、膏體、凝膠、乳液等類型，可進行直接噴涂和稀釋后涂裝。膏體及凝膠狀硅烷的出現(xiàn)，克服了對結構立面、底面噴涂的施工困難，減少了硅烷的消耗。

用硅烷浸漬混凝土，使混凝土表面及毛細孔內(nèi)壁形成具有憎水性和化學穩(wěn)定性的保護膜，有效地阻止水分和有害離子的滲入，達到防水防腐的目的，從而提高混凝土結構的耐久性，延長使用壽命，降低維修成本。

2.2 硅烷防水劑防護機理

將硅烷防水劑噴涂在混凝土結構表面，利用硅烷分子小的結構特點，與混凝土有較好的親和力，硅烷能夠滲入到混凝土內(nèi)部幾毫米，與混凝土中的堿性物質發(fā)生相互作用。首先，硅烷發(fā)生水解反應生成硅羥基，硅羥基與硅羥基及硅羥基與混凝土接觸面中的羥基之間會發(fā)生進一步的縮合反應，脫醇后生成有機硅樹脂。有機硅樹脂與混凝土通過穩(wěn)定的硅氧化學鍵結合，會在與混凝土表面與毛細孔壁內(nèi)形成一層膜。由于長鏈烷基是憎水性基團，則這層膜就變成一種極好的防水保護層，見圖1。這層保護膜能夠降低混凝土表面及毛細孔壁內(nèi)的表面張力，使得水和新界面的接觸角在100°～130°之間，水則不能滲入混凝土，而是以小水珠狀態(tài)存在，見圖2。這樣就有效防止水的滲入，阻擋以水為載體的有害物質滲入混凝土內(nèi)部，從而保護了混凝土的內(nèi)部結構，提高了整個混凝土結構的耐久性。

第一步:水解反應

第二步:縮合反應

圖1 硅烷浸漬混凝土防護機理圖

3 量瓶法的應用

目前國內(nèi)外的主要規(guī)范與標準對硅烷表面防護處理效果進行評價多采用實驗室評價，不僅試驗測試時間較長，而且檢測評價方法操作復雜，且對原有結構存在一定的損壞。通過借鑒國外的相關研究成果，提出使用量瓶法評價硅烷表面防護處理的吸水率指標。該方法是一種簡單、快捷、方便、準確的現(xiàn)場試驗評價方法。所用的量瓶為帶刻度的玻璃量瓶，分為水平式和垂直式兩種，可能夠快速地對混凝土的防水效果做出評價，判斷出混凝土表面是否被硅烷浸漬過及經(jīng)硅烷浸漬過的混凝土的防水性能的強弱。同時，該方法可對混凝土結構的水平或垂直表面測試出其單位時間內(nèi)的吸水量。

使用量瓶法的測試混凝土結構吸水率的試驗方法如下:

(1)采用橡皮泥將其同定在混凝土結構表面，并使其周圍密封，保證不漏水;

(2)向量瓶內(nèi)加入水至0 ml 刻度，再在水表面滴一滴液體石蠟，以防止水分的揮發(fā);

(3)記錄此時量瓶中水位所在的刻度，并開始計時，記錄測試15 min、30 min、45 min、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、4 h、8 h、24 h 量瓶內(nèi)水位所在的刻度，并計算出經(jīng)過不同時間后量瓶內(nèi)水位下降的高度;

(4)計算出量瓶表面的吸水量，并進一步計算出一定時間內(nèi)使用量瓶法的混凝土表面吸水系數(shù)。

采用量瓶法進行混凝土吸水率測試時，發(fā)現(xiàn)量瓶法試驗時還存在一定的水頭高度，但是混凝土24 h 的吸水量仍能夠保持與時間的平方呈近似的線性關系，且在前2 個小時以內(nèi)的時間范圍，吸水量與時間的平方的線性關系最為良好，隨著時間的增長，后期的數(shù)據(jù)有些發(fā)散。考慮到現(xiàn)場測試時的條件限制，并參考前期的研究成果，這里取量瓶法測試時間為2 小時的吸水率作為評價指標。

4 量瓶法的評價指標選擇

目前已有的規(guī)范對硅烷表面防護處理吸水率的評價方法做了如下規(guī)定:

(1)交通部規(guī)范《公路工程混凝土結構防腐技術規(guī)范》(JTG/T B07－01－2006)6.2.3 規(guī)定，不同時間制備的兩批混凝土試件，浸漬硅烷后的吸水率平均值與未浸漬硅烷的相比，應小于7.5%;

(2)交通部規(guī)范《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范》(JTJ275－2000)7.2.3 規(guī)定，吸水率平均值不應大于0.01 mm/min1/2;

(3)德國交通部的混凝土表面保護技術規(guī)范ZTV－SIB 90，單位時間內(nèi)平均滲透系數(shù)可以定量地比較硅烷浸漬混凝土的防水效果，平均滲透系數(shù)按公式(1)進行計算。

式中:K 為平均滲透系數(shù)，m/s;V 為混凝土試件在單位時間內(nèi)的吸水量，m3;S 為量瓶法測試中量瓶的吸水表面積，m2;T為吸水時間，s。

影響混凝土結構耐久性的關鍵因素是進入混凝土材料內(nèi)部的自由水總量，只要混凝土內(nèi)部保持干燥，自由水量較小，碳化、氯離子腐蝕以及凍融等耐久性問題均不會發(fā)生，故認為評價耐久性防護處理效果的優(yōu)劣，關鍵在于評價采用該方法進行耐久性防護處理后混凝土材料的吸水量絕對值，而不是相對降低值。根據(jù)這一研究思路，取用交通部規(guī)范《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范》(JTJ275－2000)7.2.3規(guī)定，吸水率平均值不應大于0.01 mm/min1/2 作為硅烷表面防護處理吸水率的評價指標。

5 量瓶法的吸水率評定方法

根據(jù)量瓶法的試驗原理，擬定量瓶法對硅烷表面防護處理的吸水率的評定方法如下:

(1)按原試驗方式進行前兩步;

(2)開始計時，記錄在5 min、30 min、60 min、90 min 和120 min 時量瓶內(nèi)水位下降的高度(即吸水量)，分別記為h1、h2、h3、h4和h5;

(3)按公式(2)計算量瓶法吸水系數(shù)K(ml/h0.5);

式中:hi為第i 個時刻瓶內(nèi)水位下降的高度，ml;ti為5 min、30 min、60 min、90 min 和120 min 5 個時刻換算成單位為小時后的開方值，即0.288 68 h0.5，0.707 11 h0.5，1 h0.5，1.224 74 h0.5，1.414 21 h0.5;

K 為量瓶法吸水系數(shù)，單位為ml/h0.5。

(4)按公式(3)計算該位置的吸水率平均值F(mm/min1/2)

式中:K 為量瓶法吸水系數(shù)，mL/h0.5;S 為量瓶的底面積，mm2;F 為吸水率平均值，mm/min1/2。

(5)將得到的吸水率平均值F(mm/min1/2)與0.01 mm/min1/2進行比較，若計算結果為F≤0.01 mm/min1/2，則判定該位置的硅烷表面防護處理質量符合規(guī)范要求。

6 結 論

硅烷防水劑材料憑借其優(yōu)越的憎水性和化學穩(wěn)定性，有效地改善了混凝土結構的耐久性，提高了其使用壽命，得到了廣泛地應用。通過對使用量瓶法測試混凝土材料硅烷表面防護處理吸水性效果分析，得到以下結論:

(1)量瓶法可以用于硅烷表面防護處理吸水率指標的現(xiàn)場評價，且現(xiàn)場試驗時間為2 小時的結果完全可以滿足測試要求，簡便、快捷、準確;

(2)采用交通部規(guī)范《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范》(JTJ275—2000)7.2.3 規(guī)定的吸水率平均值不應大于0.01mm/min1/2 作為硅烷表面防護處理吸水率的評價指標;

(3)根據(jù)量瓶法的試驗原理，提出吸水率平均值的計算方法，并以此作為硅烷表面防護處理吸水率的評定方法。

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