新型材料提高既有建筑混凝土強(qiáng)度和耐久性方法及其機(jī)理的分析比較

韓兵康 奧斯卡

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系,上海 200092)

0 引 言

混凝土是目前世界上最廣泛使用的建筑材料。近幾十年的發(fā)展中,其強(qiáng)度及性能不斷提高,但在提出高強(qiáng)度和高性能的同時(shí),混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題越來越被人們所關(guān)注。大多數(shù)建筑使用幾十年后需要進(jìn)行大修復(fù)。建筑物的耐久性會(huì)影響到混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,在工程設(shè)計(jì)中混凝土強(qiáng)度是主要的參數(shù)之一,要保證建筑在使用過程當(dāng)中保持原設(shè)計(jì)的混凝土強(qiáng)度否則混凝土強(qiáng)度的降低會(huì)導(dǎo)致部分或整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。因此,提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、減少維修費(fèi)用、延長(zhǎng)使用壽命是建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵目標(biāo)。

1 影響鋼筋混凝土耐久性的因素

理論上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限為50～100年,但實(shí)際中使用10～20年后,大部分建筑需要進(jìn)行大規(guī)模的修復(fù)與修繕,這是由于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的降低引起的。影響混凝土耐久性的因素有以下幾點(diǎn)[1]。

1.1 混凝土結(jié)構(gòu)碳化

混凝土的碳化是指空氣中的CO2與混凝土中的的Ca(OH)2反應(yīng),見式(1),使得混凝土的堿性下降,混凝土發(fā)生中性化反應(yīng)(圖1)。當(dāng)中性化超過混凝土保護(hù)層厚度,鋼筋的鈍化膜開始破壞,鋼筋就會(huì)出現(xiàn)銹蝕。鋼筋銹蝕引起的膨脹導(dǎo)致混凝土構(gòu)件開裂、承載能力降低,最終將使混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞或者失效[2]。

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

(1)

由于碳化的作用,Ca(OH)2轉(zhuǎn)化成了CaCO3,水泥石的強(qiáng)堿性逐漸降低。水泥石的中性化是指原來的pH降到8.5左右。pH值低于11.5時(shí),鋼筋的鈍化膜處于不穩(wěn)定狀態(tài),因此,為了避免混凝土中鋼筋的銹蝕,要保持混凝土pH值大于11.5[3]。

圖1 混凝土碳化示意Fig.1 Carbonization of concrete

1.2 鋼筋混凝土的凍融破壞

為了發(fā)生水化反應(yīng)混凝土需要0.23的水灰比,但是這樣很難得到混凝土拌合物必要的流動(dòng)性,加入的拌合混凝土用水總要多于水泥水化所需要的水,這部分滯留于混凝土中多余的水蒸發(fā)后形成毛細(xì)孔。這樣混凝土很容易滲水。毛細(xì)孔中的水是混凝土遭受凍害的主要因素,因?yàn)樗畠鼋Y(jié)成冰后發(fā)生體積膨脹,引起混凝土開裂破壞,如圖2所示。

1.3 侵蝕性介質(zhì)的腐蝕

侵蝕性介質(zhì)作用下的混凝土?xí)a(chǎn)生腐蝕,最終可能導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度大幅度下降。比較常見的侵蝕性腐蝕有氯離子與硫酸鹽侵蝕。

在冬季下雪之后為了保持公路交通的暢通一般采取撒鹽水方法,但這樣使得氯離子進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部,跟混凝土中的Ca(OH)2反應(yīng)生成CaCl2和Mg(OH)2,見式(2)。

圖2 混凝土凍融循環(huán)破壞Fig.2 Concrete freezing and thawing cycle destruction

(2)

CaCl2會(huì)讓水泥石中OH-濃度降低,導(dǎo)致鋼筋的銹蝕。Mg (OH)2是一種微溶于水的疏松物質(zhì),并且很容易被水浸出。

近年來,在基礎(chǔ)、橋梁、公路、水電等工程中發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受硫酸鹽侵蝕越來越嚴(yán)重。地下水侵蝕介質(zhì)硫酸鹽進(jìn)入混凝土的孔隙內(nèi)部,與混凝土中的Ca (OH)2反應(yīng)如式(3)、式(4),使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松和開裂。對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化影響最大的硫酸鹽是Na2SO4和MgSO4,反應(yīng)生成的CaSO4再與混凝土中的水化鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石,其體積約為原水化鋁酸鈣的2.5倍,體積增加產(chǎn)生極大的內(nèi)應(yīng)力,致使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞。

Na2SO4+Ca(OH)2+2H2O→

CaSO4·2H2O+2NaOH

(3)

MgSO4+Ca(OH)2+2H2O→

CaSO4·2H2O+Mg(OH)2

(4)

圖3可以看出,混凝土腐蝕16個(gè)月后,在漿體骨料界面區(qū)的表面及孔洞區(qū)域主要腐蝕產(chǎn)物是針狀的鈣礬石,鈣礬石的膨脹引起混凝土的開裂[4]。

1.4 混凝土堿集料反應(yīng)

混凝土堿集料反應(yīng)也稱為“混凝土的癌癥”,是指混凝土原材料中的堿性物質(zhì)(NaOH,KOH)與集料活性成分反應(yīng)生成膨脹物質(zhì)導(dǎo)致混凝土開裂。堿集料反應(yīng)一般混凝土成型后若干年后發(fā)生,其結(jié)果造成混凝土強(qiáng)度下降。

堿集料反應(yīng)發(fā)生的原因大致上有三個(gè):

(1) 水泥堿含量過高。水泥堿含量一般不能超過0.6%。

(2) 集料內(nèi)含活性物質(zhì)。

圖3 漿體骨料界面區(qū)的硫酸鹽腐蝕Fig.3 Sulfate corrosion in interfacial zone of slurry aggregate

(3) 混凝土內(nèi)有水分存在?；炷撩軐?shí)度越低,發(fā)生堿集料反應(yīng)的可能性越高?；炷粮稍餇顟B(tài)下此反應(yīng)無法發(fā)生。

2 提高既有建筑混凝土強(qiáng)度和耐久性方法

不論是上述哪一種原因引起的鋼筋混凝土的劣化過程,其共同點(diǎn)是混凝土不夠密實(shí),所以各種各樣的有害物會(huì)通過水為載體向混凝土內(nèi)滲入。混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性與其密實(shí)度有關(guān)系。若要提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和強(qiáng)度,必須降低混凝土的孔隙率,填充毛細(xì)孔和微裂縫,改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.1 硅烷浸漬混凝土技術(shù)

硅烷浸漬混凝土技術(shù)是用來提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的新型材料,主要指三乙氧基硅烷和異辛基三乙氧基硅烷。

硅烷浸漬防護(hù)劑的工作原理是通過硅烷特殊小分子結(jié)構(gòu)滲入混凝土表層與混凝土中的水分產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)如圖4所示,生成憎水保護(hù)層,防止水分及氯化物、硫酸鹽的滲入,從而避免混凝土中鋼筋的銹蝕。硅烷防護(hù)劑能夠?yàn)榛炷撂峁╅L(zhǎng)期的保護(hù),提高建筑的使用壽命[5]。

圖4 硅烷與混凝土基材表面反應(yīng)示意Fig.4 Surface reaction between silane and concrete substrate

混凝土結(jié)構(gòu)的病害,包括堿集料反應(yīng)、凍融循環(huán)、鋼筋銹蝕破壞的主要原因是混凝土滲水性,有效阻止了水的滲入,混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性就提高了。北方地區(qū)冬季混凝土處于飽水狀態(tài)是發(fā)生凍融破壞的必要條件。采取硅烷浸漬混凝土技術(shù)保護(hù)的混凝土含水量小,混凝土中的水分凍結(jié)膨脹不會(huì)引起混凝土的開裂。硅烷浸漬混凝土技術(shù)有效地解決了混凝土凍融破壞問題,提高了混凝土的抗?jié)B性。硅烷有以下性能和特點(diǎn)[6]:

(1) 具有優(yōu)越的防水性能,能使混凝土結(jié)構(gòu)的吸水率降低90%以上。

(2) 硅烷在混凝土內(nèi)形成的憎水帶具有很好的呼吸性,幫助混凝土結(jié)構(gòu)保持自然干濕平衡狀態(tài)。

(3) 具有很好的滲透能力,能滲透到混凝土結(jié)構(gòu)表面下4 mm的深度。膏狀硅烷相對(duì)于液體硅烷的附著力強(qiáng),所以膏狀硅烷的滲透深度和氯化物吸收量降低效果均優(yōu)于液體硅烷。

(4) 能有效處理小于0.2 mm的裂縫。

(5) 施工方便,可采用噴涂、涂刷、滾涂等多種方法施工。

(6) 不改變建筑物原有的外觀,特別適合用于保護(hù)建筑加固工程。

(7) 耐久性好,保護(hù)壽命達(dá)15年以上。

經(jīng)小分子結(jié)構(gòu)的含氫硅油、異辛基三乙氧基硅烷、硅烷膏體處理的高性能混凝土吸水率低于0.01 mm/min0.5,氯化物吸收量降低效果大于93%,滲透深度達(dá)到3 mm,達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。硅烷浸漬處理過的混凝土試塊凍融循環(huán)次數(shù)比未處理過的試塊多20次[7]。

熊建波[17]等專家研究了硅烷材料對(duì)混凝土試件吸水率和氯離子吸收量的影響,試驗(yàn)結(jié)果見表1和表2。

表1硅烷浸漬混凝土的吸水率測(cè)試

Table 1Water absorption test of silane impregnated concrete

表2硅烷對(duì)氯離子吸收量降低效果

Table 2Effect of silane on decrease of chloride absorption

硅烷材料作為一種憎水劑不提高混凝土強(qiáng)度,不過能夠很明顯地降低混凝土的吸水率,從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B、抗凍、抗碳化和抗腐蝕能力;是目前最有效的混凝土結(jié)構(gòu)防護(hù)方法之一。

2.2 SPUA保護(hù)混凝土技術(shù)

SPUA(Spray Polyurea Elastomer Technology)聚脲彈性體不會(huì)改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu),但還是能夠很好的提高混凝土耐久性。聚脲涂層有效地阻止氯離子和硫酸鹽的滲透,大幅度的提高混凝土的抗?jié)B和抗凍性能,對(duì)混凝土具有很好的保護(hù)作用。聚脲有以下性能和特點(diǎn)[8-9]:

(1) 快速固化,聚脲反應(yīng)非常迅速,10 s以內(nèi)凝膠,1 min可以達(dá)到步行強(qiáng)度。

(2) 對(duì)環(huán)境要求較低,噴涂聚脲彈性體施工基本上不受雨、風(fēng)等氣候影響。

(3) 具有優(yōu)越的力學(xué)性能,抗拉強(qiáng)度可達(dá)20 MPa以上,延伸率可達(dá)500%以上,附著力2.5 MPa以上。

(4) 施工快捷,可以在任何角度進(jìn)行施工,不會(huì)產(chǎn)生涂料掛流現(xiàn)象,涂層表面平整,對(duì)基層混凝土有很好的保護(hù)和裝飾作用。

(5) 耐熱性好,可以在150oC下長(zhǎng)期使用。

(6) 綠色環(huán)保,對(duì)周圍環(huán)境無任何影響。

馮菁等[10]專家研究了新型聚脲對(duì)混凝土耐久性的影響,經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新型聚脲大幅度的提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍、抗碳化、抗沖磨能力。

經(jīng)凍融試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),未涂刷聚脲材料的混凝土試件在經(jīng)歷150次凍融循環(huán)后,混凝土試件質(zhì)量損失達(dá)18%,相對(duì)動(dòng)彈性模量降低55.4%;而涂刷聚脲材料的混凝土試件經(jīng)過150次凍融循環(huán)后,試件質(zhì)量損失只有1%,相對(duì)動(dòng)彈性模量降低4.8% (圖5)。

圖5 經(jīng)150次凍融循環(huán)后兩種混凝土試件的對(duì)比Fig.5 Comparison of two kinds of concrete specimens after 150 freeze-thaw cycles

經(jīng)28 d碳化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),聚脲能顯著提高混凝土的抗碳化能力;未涂刷任何保護(hù)材料的混凝土試件碳化深度達(dá)8 mm,涂刷聚脲混凝土試件未發(fā)生碳化(圖6)。

經(jīng)72 h沖磨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),聚脲材料能顯著提高混凝土的抗沖磨能力;未涂刷任何保護(hù)材料的混凝土試件質(zhì)量損失達(dá)1.50 kg,涂刷聚脲混凝土試件的質(zhì)量損失小于0.01 kg (圖7)。

圖6 經(jīng)28 d碳化試驗(yàn)后兩種試件的對(duì)比Fig.6 Comparison of two kinds of concrete specimens after 28 d carbonization test

圖7 經(jīng)72 h沖磨試驗(yàn)后兩種試件的對(duì)比Fig.7 Comparison of two kinds of concrete specimens after 72 h abrasion test

表3SPUA涂層厚度對(duì)混凝土試件抗?jié)B能力的影響

Table 3Influence of SPUA coating thickness on impermeability of concrete specimens

聚脲涂層對(duì)混凝土強(qiáng)度沒有任何影響,但可以看出,聚脲涂層能夠有效地提高混凝土試件的抗?jié)B能力,從而能夠提高其抗凍、抗碳化和抗腐蝕性能。

2.3 滲透結(jié)晶型材料

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性跟混凝土密實(shí)度有直接的關(guān)系,混凝土越密實(shí),其性能越高。C3S與 C2S水化過程中析出大量的Ca(OH)2,見式(5)、式(6):

2(3CaO·SiO2)+6H2O→

3CaO·SiO2·3H2O+3Ca(OH)2

(5)

2(2CaO·SiO2)+4H2O→

3CaO·SiO2·3H2O+Ca(OH)2

(6)

C3S水化反應(yīng)析出的Ca(OH)2量最多。水化完成之后水泥石Ca(OH)2含量大約在15-20%范圍之內(nèi)。Ca(OH)2是一種強(qiáng)度低,微溶于水疏松物質(zhì),不但對(duì)強(qiáng)度基本沒有貢獻(xiàn),Ca(OH)2的溶出導(dǎo)致整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性的下降。因此,Ca(OH)2是水泥石耐久性差的主要原因。

提高既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能最合理的方法是對(duì)混凝土中的Ca(OH)2進(jìn)行第二次化學(xué)反應(yīng),使得Ca(OH)2轉(zhuǎn)化成強(qiáng)度高,不溶于水的物質(zhì)。

水泥基滲透結(jié)晶型材料由堿金屬鹽、堿土金屬鹽、金屬離子螯合劑等組成。這些化學(xué)活性物質(zhì)有以下性能和特點(diǎn)[11]:

(1) 較強(qiáng)的滲透性?；瘜W(xué)活性物質(zhì)通過濃度梯度和毛細(xì)孔壓力滲入到混凝土內(nèi)部,與水泥石中的Ca(OH)2反應(yīng)生成水化晶體使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密。

(2) 永久的混凝土防護(hù)作用?；钚曰瘜W(xué)物質(zhì)滲入封堵混凝土內(nèi)部孔隙、改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)、對(duì)鋼筋起保護(hù)作用。鋼筋銹蝕和化學(xué)侵蝕在混凝土干燥狀態(tài)下是無法發(fā)生,從而最大程度地降低了水分子、氯化物、硫酸鹽的侵入。

(3) 自修復(fù)能力。處理過的混凝土,當(dāng)出現(xiàn)新的微裂縫時(shí),休眠狀態(tài)下的活性物質(zhì)就會(huì)再次反應(yīng)生成新的結(jié)晶,自動(dòng)修復(fù)微裂縫和填充孔隙。

以大方當(dāng)?shù)厮魑幕癁橐劳校鶕?jù)地形地貌和當(dāng)?shù)貍髡f彝族史詩《勒俄特依》為線索，慕俄格古城設(shè)計(jì)了十二個(gè)節(jié)點(diǎn)，九大集群、三十多個(gè)旅游特色點(diǎn)，全面展示彝族生活，將整個(gè)項(xiàng)目以參與式、互動(dòng)式的旅游體驗(yàn)為特色，打造古彝圣地，原味重現(xiàn)彝人生活的風(fēng)情畫卷，將游戲體驗(yàn)和風(fēng)情體驗(yàn)相結(jié)合，讓游客感受到非同尋常的旅游體驗(yàn)。更讓酒店在當(dāng)前市場(chǎng)消費(fèi)市場(chǎng)中不斷脫穎而出，成為眾多會(huì)議、旅居、舉辦婚禮的首選之地。

(4) 對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)起到補(bǔ)強(qiáng)作用。由于使用水泥基滲透結(jié)晶型材料后,混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)度增加了,因此混凝土的強(qiáng)度也有所提升,一般能提高20%～30%。

(5) 無毒、無公害。滲透結(jié)晶型材料可以使用于飲用水、水庫等施工項(xiàng)目。

3 滲透結(jié)晶型材料活性物質(zhì)的作用機(jī)理

為了順利研制成功具有高性能的水泥基滲透結(jié)晶型材料,選擇有效的化學(xué)活性物質(zhì)是首要工作,化學(xué)活性物質(zhì)是水泥基滲透結(jié)晶型材料的核心成分?；钚曰瘜W(xué)物質(zhì)必須具有良好的滲透能力和水溶性。

3.1 結(jié)晶沉淀劑的作用

按照沉淀反應(yīng)原理,水泥基滲透結(jié)晶型材料中的化學(xué)活性物質(zhì)涂料涂敷初期,在濃度梯度作用下向混凝土內(nèi)滲透,與毛細(xì)孔道和微裂縫中的Ca(OH)2反應(yīng)生成不溶于水的結(jié)晶體,堵塞毛細(xì)孔道及微裂縫[12](圖8)。

圖8 沉淀反應(yīng)原理示意Fig.8 Schematic diagram of precipitation reaction

可溶性的碳酸鹽與硅酸鹽能夠與鈣離子直接反應(yīng)生成不溶晶體。CO32-與SiO32-能夠與鈣離子反應(yīng)后生成結(jié)晶體,而且本身具有很好的滲透性,在混凝土毛細(xì)孔中會(huì)發(fā)生如式(7)、式(8)所反應(yīng):

Ca2++SiO32-+nH2O→CaSiO3·nH2O

(7)

Ca2++CO32-+nH2O→CaCO3·nH2O

(8)

K2CO3是一種易溶于水的白色粉末,具有良好的滲透能力,與水泥石中Ca(OH)2反應(yīng)生成不溶于水、強(qiáng)度高的物質(zhì),見式(9):

2K2CO3+Ca(OH)2→CaCO3+2KOH

(9)

生成的CaCO3基本不溶于水,很好地解決了水泥石中Ca(OH)2溶出的問題?；炷林蠳a+、K+濃度越高,pH值越大;混凝土含堿量增加,碳化后CaCO3的溶解度減小。所以KOH能夠保持混凝土的強(qiáng)堿性,防止鋼筋的銹蝕。

K2CO3能夠降低水泥石中的Ca(OH)2含量,從此外界滲入混凝土內(nèi)的氯化物、硫酸鹽、亞硝酸鹽等無法反應(yīng)破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

CaCO3的體積是Ca(OH)2的1.11倍,所以水泥石中的Ca(OH)2轉(zhuǎn)化成CaCO3會(huì)降低孔隙率和提高強(qiáng)度。

3.2 鈣離子螯合劑的作用

按照絡(luò)合—沉淀原理水泥基滲透結(jié)晶型材料的化學(xué)活性物質(zhì)通過混凝土毛細(xì)孔與微裂縫滲入混凝土內(nèi)部與鈣離子生成溶于水的螯合物,當(dāng)這種螯合物遇到未水化的水泥顆粒與水泥凝膠,化學(xué)活性物質(zhì)被硅酸根、碳酸根取代,生成不溶于水的結(jié)晶體,從而堵塞毛細(xì)孔與微裂縫,化學(xué)活性物質(zhì)繼續(xù)向混凝土內(nèi)部滲透。

在絡(luò)合—沉淀原理中,由于化學(xué)活性物質(zhì)能夠不斷地絡(luò)合、釋放、再絡(luò)合、再釋放,因此化學(xué)活性物質(zhì)數(shù)量不會(huì)減少,能夠持續(xù)發(fā)揮作用,這很好地解釋了水泥基滲透結(jié)晶型材料的第二次抗?jié)B作用。當(dāng)混凝土處于干燥狀態(tài)時(shí),化學(xué)活性物質(zhì)處于休眠狀態(tài);混凝土一旦開裂進(jìn)入水,化學(xué)活性物質(zhì)被激活再次進(jìn)入新一輪的循環(huán)反應(yīng)[12](圖9)。

圖9 絡(luò)合—沉淀原理示意Fig.9 Schematic diagram of complexation precipitation

羧酸鹽類物質(zhì)能夠與混凝土中的金屬離子發(fā)生螯合作用,形成絡(luò)合物沉淀。但滲入混凝土內(nèi)部遇到CO32-、SiO32-類原子團(tuán)時(shí),鈣離子會(huì)被這類原子團(tuán)奪取,當(dāng)滲入到鈣離子濃度較高的區(qū)域時(shí),又會(huì)與鈣離子發(fā)生絡(luò)合沉淀作用,所以這種鈣離子絡(luò)合劑很好地解決了化學(xué)活性物質(zhì)總量不足,無法產(chǎn)生再次修補(bǔ)的缺陷。

C4H4Na2O6是一種羧酸鹽,溶于水,能夠與水泥石中的鈣離子發(fā)生螯合作用,見式(10)。在水泥漿體的堿性環(huán)境中與游離的鈣離子反應(yīng)生成不穩(wěn)定的螯合物,對(duì)水泥漿體有緩凝作用。隨著水化的進(jìn)行,不穩(wěn)定螯合物自行分解,并不影響后期水化。

C4H4Na2O6+Ca(OH)2→

C4H4CaO6+2NaOH

(10)

鈣離子螯合劑溶于水后向混凝土內(nèi)滲透與水泥石中鈣離子形成短時(shí)間不穩(wěn)定、溶于水的螯合物,長(zhǎng)時(shí)間后形成穩(wěn)定沉淀物,填充混凝土中的毛細(xì)孔。

若單純的K2CO3用作活性化學(xué)物質(zhì)加入水泥,由于K2CO3有促凝作用,一方面會(huì)與水泥基滲透結(jié)晶型材料中的Ca(OH)2反應(yīng),大部分K2CO3被消耗于涂層中;另一方面,涂料與水?dāng)嚢韬?由于K2CO3的促凝作用涂料漿體會(huì)迅速凝結(jié),使得活性化學(xué)物質(zhì)不能夠滲透到混凝土中,也難以施工。

當(dāng)水泥基滲透結(jié)晶材料中有C4H4Na2O6螯合劑時(shí),C4H4Na2O6能夠立即吸附于水泥顆粒的表面,形成一層保護(hù)膜,K2CO3不能夠與涂料中Ca(OH)2發(fā)生大規(guī)模的反應(yīng),便會(huì)在較大的濃度梯度下,通過水為載體向混凝土內(nèi)部滲透?？梢婒蟿┎粌H解決了K2CO3促凝問題,而且還有效地促進(jìn)了K2CO3向混凝土內(nèi)的滲透(表4)。

表4K2CO3摻量對(duì)水泥凝固時(shí)間的影響[13]

Table 4Effect of K2CO3 content on solidification time of cement

3.3 納米二氧化硅的作用

納米材料是粒徑在1～100 nm范圍之內(nèi)的物質(zhì)。納米SiO2摻入水泥基滲透結(jié)晶型材料后,能夠改善涂層的性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu),而且納米SiO2具有一定的填充作用,在使用過程當(dāng)中將其作為涂料填充物,能夠提高涂層的密實(shí)度,從而提高涂層中活性化學(xué)物質(zhì)往混凝土內(nèi)滲入的速度。涂層中納米SiO2有一定的活性,具有一定的滲透性能,能夠與水泥石中的Ca(OH)2反應(yīng)生成不溶于水的物質(zhì),見式(11):

SiO2+Ca(OH)2+n(H2O)→

(1-1.5)CaO·SiO2·(0.5-2.5)H2O

(11)

雖然此反應(yīng)是漫長(zhǎng)的,但生成的CaO·SiO2不溶于水,能提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性。

4 水泥基滲透結(jié)晶型材料對(duì)混凝土性能的影響

吳明[14]研究了水泥基滲透結(jié)晶型材料對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響,見表5,研究表明混凝土抗?jié)B性能的提高與混凝土試件水泥含量和用水量有關(guān);在空白試件抗?jié)B強(qiáng)度低于0.4 MPa時(shí),混凝土試件中水泥石含量低,毛細(xì)孔大而多,所以能夠與化學(xué)活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的對(duì)象不足,并且反應(yīng)生成的結(jié)晶體無法堵塞過大的毛細(xì)孔,故表現(xiàn)出低的抗?jié)B強(qiáng)度。

表5不同抗?jié)B強(qiáng)度空白混凝土試件對(duì)滲透結(jié)晶
涂料試樣滲透壓力比測(cè)試結(jié)果的影響

Table 5Effects of different impervious strength of blank concrete specimens on permeability pressure ratio test results of osmotic crystalline coatings

在空白試件抗?jié)B強(qiáng)度高于0.4 MPa時(shí),混凝土試件中水泥石含量較高,能夠與化學(xué)活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的對(duì)象含量較高,故表現(xiàn)出較高的抗?jié)B強(qiáng)度。

李興旺[15]成功研制出了LG滲透結(jié)晶型防水涂料,此涂料有水泥、石英砂、反應(yīng)結(jié)晶劑、鈣離子絡(luò)合劑和硅助劑所組成;該涂料的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單,原材料便宜,可以進(jìn)行大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。經(jīng)過試驗(yàn)分析,LG涂料的各性能已達(dá)到或超過了標(biāo)準(zhǔn),是一種具有優(yōu)越性能的水泥基滲透結(jié)晶型材料,見表6。

表6

LG涂料與Penetron401涂料不同抗?jié)B性能對(duì)比

Table 6Comparison of impermeability between LG coating and Penetron 401 coating

通過與美國的Penetron 401水泥基滲透結(jié)晶型材料進(jìn)行抗?jié)B對(duì)比,結(jié)果表明LG涂料的抗?jié)B性能指標(biāo)達(dá)到了美國Penetron 401同類產(chǎn)品的水平。

王可良等[16]專家研究了混凝土齡期與滲透深度的關(guān)系,研究表明,隨著混凝土齡期的增長(zhǎng),滲透深度逐漸增加,如圖10所示。

圖10 涂滲透結(jié)晶型材料水泥漿試件在不同齡期、不同深度處的SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM photographs of cement paste specimens coated with CCCW at different ages and depths

由圖10可見,齡期7 d時(shí),深度為40 mm處可以看到結(jié)晶體出現(xiàn);齡期為14 d和28 d時(shí),深度為55 mm和75 mm;180 d時(shí),深度為120 mm處可以看見結(jié)晶體出現(xiàn)。

5 結(jié) 論

(1) 混凝土的密實(shí)度對(duì)其抗?jié)B、抗凍、抗腐蝕性能力有重大影響。混凝土的密實(shí)度越高,就使混凝土的孔隙率越小,這樣,水和其他的有害物越難滲入混凝土內(nèi)部。并且,混凝土的密實(shí)度越高,會(huì)使混凝土強(qiáng)度提高。

(2) 硅烷浸漬和聚脲保護(hù)混凝土技術(shù)能夠有效地保護(hù)混凝土,提高混凝土的耐久性,提高建筑的使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益,但是不能夠改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu),并且解決不了混凝土中氫氧化鈣浸出的問題。

(3) 硅烷浸漬和聚脲保護(hù)混凝土技術(shù)不適合用于地下結(jié)構(gòu)背水面防水工程。

(4) 水泥基滲透結(jié)晶型材料能夠改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu);能夠與水泥石中Ca (OH)2反應(yīng)生成不溶于水的結(jié)晶體,堵塞混凝土中的毛細(xì)孔和微裂縫。

(5) 筆者認(rèn)為,在工程上先采用滲透結(jié)晶型材料改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu),再使用硅烷浸漬或聚脲材料保護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)表面,效果最佳。