硅烷防護(hù)對C50混凝土抗氯離子滲透性能的影響

王益遜，劉海生，姚悅，雷笑，吉伯海

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京210098）

硅烷防護(hù)對C50混凝土抗氯離子滲透性能的影響

王益遜，劉海生，姚悅，雷笑，吉伯海

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京210098）

通過對2組混凝土強(qiáng)度等級為C50的混凝土立方體試塊進(jìn)行氯鹽鹽霧侵蝕對比試驗，從質(zhì)量損失和氯離子含量變化的角度，研究了硅烷防護(hù)對氯鹽鹽霧干濕循環(huán)作用下不同礦物摻合料配比的混凝土抗氯離子滲透性能的影響。結(jié)果表明，干濕循環(huán)條件下相同侵蝕時間內(nèi)，涂覆硅烷的試件質(zhì)量損失較沒有防護(hù)措施的試件要??；隨著粉煤灰和礦粉的比例增大，涂覆硅烷的試件各層氯離子含量和沒有防護(hù)措施的試件呈現(xiàn)相同的變化趨勢，但使用硅烷作為防護(hù)措施時，有效抑制了氯離子滲透，各層氯離子含量約為沒有防護(hù)措施的試件的50%。

氯鹽鹽霧；混凝土；硅烷防護(hù)；礦物摻合料；質(zhì)量損失；氯離子含量

0 引言

潮汐區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)受海水干濕循環(huán)影響，耐久性及使用壽命遭到極大削弱。氯鹽對混凝土的干濕循環(huán)侵蝕是復(fù)雜的物理化學(xué)過程，物理侵蝕表現(xiàn)為氯鹽的結(jié)晶侵蝕，化學(xué)侵蝕是指氯離子對混凝土中膠凝材料的腐蝕作用[1-2]。朱蓓蓉等[3]認(rèn)為氯鹽會促進(jìn)混凝土中Ca（OH）2的溶出與C-S-H凝膠分解，生成膨脹性復(fù)鹽CaCl2·Ca（OH）2·H2O，從而破壞Ca（OH）2和C-S-H凝膠之間的平衡，而復(fù)鹽主要集中在混凝土表面，因此表面C-S-H凝膠的分解和復(fù)鹽的膨脹必然導(dǎo)致混凝土表層潰散，達(dá)到一定程度后會使混凝土材料出現(xiàn)疏松、脫皮等現(xiàn)象，影響混凝土強(qiáng)度，嚴(yán)重時將導(dǎo)致混凝土開裂。

提高硅酸鹽水泥混凝土抗氯離子腐蝕性能的措施包括兩個方面：1）對于來自混凝土內(nèi)部的氯離子。不同的水泥對不同的侵蝕介質(zhì)具有不同的抗腐蝕能力，應(yīng)當(dāng)選用與腐蝕類型或程度相適應(yīng)的水泥品種，嚴(yán)格控制拌合帶入的氯離子含量。2）外部的氯離子都是通過混凝土的孔隙進(jìn)入內(nèi)部

的。選用適當(dāng)?shù)乃冶群蛽胶狭?，最大限度提高混凝土本身密?shí)性，或者在混凝土表面涂覆抗?jié)B涂層如環(huán)氧、硅烷等方式提高混凝土的抗?jié)B性，延緩鋼筋腐蝕。涂覆硅烷防護(hù)層的方法能提高結(jié)構(gòu)中混凝土抗氯離子侵蝕的性能，又不對混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，具有良好的使用前景[4]。添加礦物摻合料的混凝土是多相復(fù)合材料，受氯離子侵蝕后產(chǎn)生多種難溶的鹽類礦物，破壞規(guī)律會隨摻合料的不同而發(fā)生改變[5]。因此，有必要對添加礦物摻合料的混凝土涂覆硅烷前后的抗氯離子性能進(jìn)行研究。

目前，對混凝土受氯離子干濕循環(huán)侵蝕的研究多集中在對硅烷種類、浸漬技術(shù)的探討，礦物摻合料配合比對硅烷抗氯離子性能影響的研究并不多。據(jù)此，本文通過室內(nèi)試驗?zāi)M干濕循環(huán)作用下添加不同礦物摻合料配合比的混凝土受氯離子侵蝕過程，以混凝土質(zhì)量損失和氯離子含量為主要指標(biāo)，從不同侵入層的角度分析硅烷防護(hù)對提高混凝土抗氯離子干濕循環(huán)侵蝕的效果。

1 試驗過程

1.1 試驗原材料及配合比

混凝土試件的配合比如表1所示。其中水泥采用中國水泥廠生產(chǎn)的金寧羊P·II42.5級水泥；礦物摻合料為鎮(zhèn)江諫壁Ⅰ級粉煤灰，杭鋼紫恒公司生產(chǎn)的S95級礦粉；細(xì)集料采用贛江中砂，細(xì)度模數(shù)為2.90；粗骨料為湖北陽新產(chǎn)石灰石，表觀密度為2 700 kg/m3；拌合用水為普通自來水；減水劑為具有緩凝效果的聚羧酸高效減水劑；硅烷采用張家港市國泰華容化工新材料公司生產(chǎn)的WRG-908型硅烷膏體；混凝土的坍落度均在180 mm左右。由于臨海地區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)受氯離子侵害嚴(yán)重，故采用C50混凝土開展試驗。

1.2 試驗方法

試驗采用100 mm×100 mm×100 mm試件，養(yǎng)護(hù)至28 d齡期后取出，在55℃的烘箱里烘干48 h。待試件溫度降至室溫后，在機(jī)械天平上分別稱量其質(zhì)量，然后在所有立方體試件的6個面中，選取一個非成型面作為鹽霧腐蝕面，其余5面用環(huán)氧樹脂涂覆，以形成單面滲透的試驗條件，并在每種配合比的10個試件中取5個試件，在暴露面上用刷子涂覆硅烷，涂刷量為300 mL/m3。涂覆后放入（20±2）℃、濕度為（60±2）%的恒溫恒濕室靜置7 d。5種配合比混凝土試件的抗壓強(qiáng)度平均值分別為53.91 kPa、52.06 kPa、60.47 kPa、56.96 kPa、58.65 kPa。

將試件放入交變式鹽霧試驗箱中，保持暴露面與鹽霧沉降方向成30°角。鹽霧為5%的NaCl溶液，開始循環(huán)試驗。以24 h為一循環(huán)，其中0.5 h升溫，8 h在35℃條件下噴鹽霧，15.5 h為在55℃的烘箱中進(jìn)行干燥。每種配合比試件分別在30 d，60 d，90 d，120 d，150 d鹽霧侵蝕后取出試件擦去表面的鹽溶液，送烘箱烘干后，再次分別稱量其質(zhì)量，然后劈成兩半，依次從距離試驗暴露面0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm、15～ 20 mm分層鉆取混凝土粉末試樣，研磨至全部通過0.63 mm的篩并進(jìn)行滴定測試氯離子含量。

表1 混凝土配合比Table1 Concrete mix proportion

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試件質(zhì)量變化分析

隨著干濕循環(huán)作用的進(jìn)行，氯離子對試件的侵蝕作用進(jìn)一步深入，促進(jìn)了混凝土內(nèi)部膠凝材料的腐蝕，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造產(chǎn)生松弛、微裂縫和剝蝕等。由于混凝土內(nèi)部發(fā)生龜裂，經(jīng)過多次干濕循環(huán)后導(dǎo)致表面產(chǎn)生劣化，從而出現(xiàn)剝蝕與崩裂，由此各試件的質(zhì)量也隨之降低。利用機(jī)械天平分別稱量了每組試件試驗前后的質(zhì)量變化，并對比了相同礦物摻合料配合比下涂覆硅烷與未涂覆硅烷試件的質(zhì)量變化。試驗結(jié)果如表2所示。

氯鹽鹽霧干濕循環(huán)對混凝土具有一定的破壞作用，經(jīng)過腐蝕后的試件質(zhì)量有所降低，且未添加摻合料的混凝土質(zhì)量減少最為明顯。涂覆硅烷

的試件質(zhì)量損失相對于沒有防護(hù)措施的試件要小，這是由于氯鹽鹽霧干濕循環(huán)下混凝土破壞的誘因是氯離子的侵入[2]，硅烷防護(hù)層減少了氯離子的滲透量，降低混凝土遭到破壞的程度，但質(zhì)量損失的多少與侵蝕時間在本試驗中不存在定量關(guān)系。

2.2 無硅烷防護(hù)下氯離子滲透性能分析

將經(jīng)過不同侵蝕循環(huán)次數(shù)的混凝土試塊取出，分層鉆孔滴定，可以得到樣品各層中氯離子的含量。圖1給出了每30 d后，距離侵蝕面0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm和15～20 mm深度處的氯離子含量變化曲線。從圖中可以看出，混凝土內(nèi)部各層的氯離子滲入量基本符合Fick第二定律[6]，且滲入量隨著侵蝕時間的延長而逐漸增多。

表2 干濕循環(huán)試驗前后混凝土試塊質(zhì)量變化Table2 Mass changes ofspecimens before and after dry-wet cycle experiments

圖1 5組試件各深度處氯離子含量Fig.1 Chloride content of 5 concrete samples atdifferentdepth

圖2 為每30 d，各試件不同深度處氯離子含量變化曲線。可以看出，混凝土內(nèi)氯離子含量隨著取樣深度的增加而降低，且降低十分明顯，在150 d以前，10 mm深度之下幾乎沒有氯離子存在。隨著粉煤灰和礦粉的比例增大，各層氯離子含量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且侵蝕150 d時，當(dāng)粉煤灰和礦粉等量摻加時，各層氯離子含量只有不摻摻合料組的30%～50%；當(dāng)粉煤灰和礦粉的摻加比例為1∶2或2∶1時，氯離子的滲入量相差不大；當(dāng)單摻粉煤灰，取代水泥的量達(dá)到40%時，涂覆硅烷的試件內(nèi)部氯離子含量與普通混凝土試件內(nèi)部氯離子含量相仿，對混凝土的抗氯離

子性能影響甚微。按試驗顯示的變化趨勢，倘若繼續(xù)增大粉煤灰的取代量，則不但無法抑制氯離子的滲透，甚至可能起到負(fù)面作用。

添加礦物摻合料能夠減小氯離子的擴(kuò)散。配合比2、3、4試件的各層氯離子含量均小于配合比1和5，氯離子含量隨侵蝕時間延長而衰減，且配合比3具有最小的氯離子含量。因為粉煤灰具有“微集料效應(yīng)”[7]和“火山灰效應(yīng)”[8]。“微集料效應(yīng)”指粉煤灰中存在粒徑很小的微珠和碎屑，在水泥中相當(dāng)于未水化的水泥顆粒。極細(xì)小的微珠相當(dāng)于活潑的納米材料，能明顯改善和增強(qiáng)混凝土及制品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高勻質(zhì)性與致密性?！盎鹕交倚?yīng)”指與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，生成具有凝膠性質(zhì)的C-S-H，能對混凝土起到增強(qiáng)作用，并堵塞混凝土中的毛細(xì)組織，同時吸附一部分氯離子，而且對氯離子具有固化作用。而與摻入礦粉和粉煤灰效果類似，水泥熟料水化生成的氫氧化鈣和摻入的石膏作為礦渣微粉的堿性激發(fā)劑和硫酸鹽激發(fā)劑，并與礦渣微粉中的活性組分發(fā)生相互作用，生成水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣或水化硫鐵酸鈣，還可能形成水化鋁硅酸鈣等水化產(chǎn)物，而水化硅酸鈣等能夠充填孔隙，降低孔隙率。

2.3 硅烷防護(hù)下氯離子滲透性能分析

采用硅烷膏體作為防護(hù)措施的試件表層氯離子含量與普通試件氯離子含量對比結(jié)果如表3所示，其中P代表普通混凝土試件，Si表示硅烷混凝土試件，其余符號意義與前文相同。

干濕循環(huán)條件下相同侵蝕時間內(nèi)，隨著粉煤灰和礦粉的比例增大，涂覆硅烷的試件各層氯離子含量和沒有防護(hù)措施的試件呈現(xiàn)相同的變化趨勢。但通過表3可以得出，用硅烷作為防護(hù)措施時，有效抑制了氯離子滲透，各層氯離子含量約為不使用防護(hù)措施的試件的50%。這是由于硅烷的有效成分是正/異辛基三乙氧基硅烷，將其均勻噴涂到干凈的混凝土結(jié)構(gòu)表面上，能夠緩慢液化并通過毛細(xì)孔滲透到混凝土內(nèi)部幾毫米深處，與混凝土基材中的堿性物質(zhì)作用，生成穩(wěn)定的網(wǎng)狀

有機(jī)硅樹脂憎水薄膜，并不影響混凝土的透氣性，從而有效阻擋水分和水分所攜帶的有害物質(zhì)滲入混凝土內(nèi)部，抑制鋼筋銹蝕和混凝土腐蝕的發(fā)生，顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命[9]。

圖2 同一試件各深度處的氯離子含量Fig.2 Chloride contentofthe same sample at different depth

表3 腐蝕后的硅烷試件與普通試件氯離子含量對比Table3 Comparison of chloride ion content between silane specimens and without silane after corrosion %

3 結(jié)語

1）干濕循環(huán)條件下相同侵蝕時間內(nèi)，隨著粉煤灰和礦粉的比例增大，涂覆硅烷的試件各層氯離子含量和沒有防護(hù)措施的試件呈現(xiàn)相同的變化趨勢，即氯離子含量均逐漸減小。

2）通過腐蝕后的硅烷試件與普通試件的質(zhì)量損失對比表可以看出，涂覆硅烷的試件質(zhì)量損失較沒有防護(hù)措施的試件要小，表明涂覆硅烷的試件抗氯離子滲透性能更好。

3）通過腐蝕后的硅烷試件與普通試件表層氯離子含量對比圖可以看出，使用硅烷作為防護(hù)措施時，有效的抑制了氯離子滲透，各層氯離子含量約為不使用防護(hù)措施的試件的50%。

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Effect of silane treatment on chloride ion penetration resistance of C50 concrete

WANG Yi-xun,LIU Hai-sheng,YAO Yue,LEIXiao,JIBo-hai
（College ofCiviland Transportation Engineering,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu 210098,China）

A chlorine salt spray erosion contrast test was carried out on 2 groups of concrete cubes with C50 compressive strength.From perspective of mass loss and chloride ion content changes,we studied the effect of silane treatment on chloride ion penetration resistance of concrete with different content of mineral admixtures under dry-wet cycle.The results show that the mass loss of specimens with surface silane treatment is less than those without silane treatment in the same corrosion time under dry-wet cycle;with the increasing proportion of fly ash and slag,the changes of chloride ion content of specimens with and without surface silane treatment have the same tendency.Yet the chloride ion content of specimens with surface silane treatment is up to 50%of those without surface silane treatment as the silane can suppress the chloride ion penetration effectively.

chlorine salt spray;concrete;silane treatment;mineral admixtures;mass loss;chloride ion content

U654；TU528.33

A

2095-7874（2015）12-0021-05

10.7640/zggwjs201512005

2015-07-20

2015-08-13

江蘇省交通科學(xué)研究計劃項目（2011Y32-2）

王益遜（1994—），男，江蘇泰州人，橋梁工程方向。E-mail：531849819@qq.com