水工混凝土表面不同防護(hù)材料抗?jié)B性能對(duì)比試驗(yàn)研究

宋 峰

(江蘇省淮沭新河管理處， 江蘇 淮安 223005)

滲透性的基本原理為氣體、液體或離子等介質(zhì)，在一定的壓力梯度、電勢(shì)等作用下浸入或滲過水工混凝土多孔材料的難易程度?？?jié)B特性可以直接影響水工混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性、耐腐蝕性以及抗碳化能力等。一般而言，抗?jié)B性能好的水工混凝土結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)較密實(shí)，混凝土的功效亦能被充分發(fā)揮。因此，水工混凝土的抗?jié)B性能是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵因素。

水工混凝土結(jié)構(gòu)物處在干濕交替、生物、氣候等復(fù)雜的多因素耦合環(huán)境中，而海水中的混凝土結(jié)構(gòu)還要遭受較強(qiáng)氯鹽等侵蝕介質(zhì)作用，所處服役環(huán)境十分惡劣。隨著科技的進(jìn)步，混凝土表面防護(hù)技術(shù)在水利工程、橋梁工程等中均已得到廣泛應(yīng)用。如水閘工程中閘墩、翼墻、排架，大鏟灣碼頭，青馬大橋等均使用了滲透型防護(hù)材料；青島海灣大橋使用了成膜型防護(hù)材料。為提高防護(hù)材料的應(yīng)用性能，專家們不斷改進(jìn)各類材料，涌現(xiàn)出了越來越多的新型防護(hù)材料[6-7]。這些新型防護(hù)材料防護(hù)效果卻參差不齊，在水工建設(shè)中需依據(jù)混凝土建筑物所處的服役環(huán)境有針對(duì)性的進(jìn)行選擇使用，而關(guān)于此方面的研究卻鮮有報(bào)道。

基于上述背景，根據(jù)水工混凝土復(fù)雜的服役環(huán)境，設(shè)計(jì)了開展室內(nèi)混凝土防滲性能檢測(cè)試驗(yàn)方法，選取了在水工混凝土中廣泛使用的4種表面防護(hù)材料，分別為環(huán)氧厚漿(HS943)、施而固、優(yōu)止水和永凝液，以期檢驗(yàn)不同材料對(duì)提高混凝土抗?jié)B效能，為此類材料在水利工程實(shí)際中的應(yīng)用提供參考。

1 室內(nèi)滲透試驗(yàn)原理及方法

1.1 試驗(yàn)原理

水工混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)基本原理為視混凝土為多孔材料結(jié)構(gòu)，運(yùn)用流體力學(xué)知識(shí)中的達(dá)西定律，進(jìn)一步測(cè)算混凝土結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)值，開展對(duì)混凝土的抗?jié)B性綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)試驗(yàn)介質(zhì)的不同，混凝土結(jié)構(gòu)滲透性室內(nèi)檢測(cè)方法亦不同，主要包括水滲透試驗(yàn)檢測(cè)法與氣體滲透試驗(yàn)檢測(cè)法。根據(jù)達(dá)西定律，則其流量和壓力差間的關(guān)系為

Q=KAΔP/μL

(1)

K=μQL/AΔP

(2)

式中：Q為流體介質(zhì)體積流量，m3/s；K為水工混凝土的滲透系數(shù)，m/d；A為流體介質(zhì)滲過水工混凝土的總截面面積，m2；ΔP為施加的壓力差，N；μ為流體介質(zhì)的黏度，m2/s；L為水工混凝土的厚度，m。

1.2 檢測(cè)方法

水工混凝土結(jié)構(gòu)滲透性室內(nèi)檢測(cè)方法主要有水滲透試驗(yàn)檢測(cè)法(水滲法)與氣體滲透試驗(yàn)檢測(cè)法(氣滲法)。檢測(cè)時(shí)可根據(jù)不同需求選擇試驗(yàn)方法，水滲法主要思路為：在結(jié)構(gòu)一側(cè)借助加載機(jī)施加一定的壓力，利用計(jì)算的滲透系數(shù)表征試水滲入混凝土的難易程度。氣滲法種類較多，分為常規(guī)檢測(cè)方法與非常規(guī)檢測(cè)方法。常規(guī)檢測(cè)法有抗?jié)B標(biāo)號(hào)試驗(yàn)方法、穩(wěn)定流動(dòng)試驗(yàn)方法及滲透深度試驗(yàn)方法等。

抗?jié)B標(biāo)號(hào)試驗(yàn)方法為規(guī)范推薦的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，其基本思想為：設(shè)置1組6個(gè)混凝土圓臺(tái)形試件，試塊幾何上口直徑、下口直徑、圓臺(tái)高度對(duì)應(yīng)的尺寸分別為：175mm、185mm、150mm，試塊去模后需在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d，達(dá)到齡期后開展檢測(cè)，采用逐級(jí)加壓方式對(duì)同組的所有試件持續(xù)施加壓力，直至2個(gè)試件出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。但此試驗(yàn)方法僅適用于滲透性較大的混凝土結(jié)構(gòu)。

穩(wěn)定流動(dòng)試驗(yàn)方法的基本思想為：在多孔混凝土結(jié)構(gòu)材料內(nèi)注入壓力液體，通過檢測(cè)其內(nèi)壓力液體流量、速度，再運(yùn)用式(2)計(jì)算確定滲透系數(shù)K。但此試驗(yàn)方法僅適用于高滲透性的混凝土，要求混凝土試件需在足夠緩慢的單向穩(wěn)定流中開展且數(shù)據(jù)誤差較大。

滲透深度試驗(yàn)方法的基本思想為：一定壓力作用下，流體介質(zhì)一定時(shí)間內(nèi)滲入混凝土的深度，但此試驗(yàn)方法僅適用于低滲透性的混凝土。

2 室內(nèi)檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 檢測(cè)設(shè)備

本次混凝土表面不同防護(hù)材料抗?jié)B性能對(duì)比試驗(yàn)儀器為HP-4.0自動(dòng)調(diào)壓混凝土抗?jié)B儀。試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)嚴(yán)格按照規(guī)范[10-11]中混凝土抗?jié)B性試驗(yàn)的操作要求開展，檢測(cè)方法采用規(guī)范推薦的抗?jié)B標(biāo)號(hào)試驗(yàn)方法。

2.2 檢測(cè)材料

選用的水泥為C32.5普通硅酸鹽水泥，水泥的物理特性指標(biāo)見表1。選用的砂為中砂，其細(xì)度模數(shù)為2.5、泥含量為0.9%，所選中砂符合Ⅱ區(qū)顆粒級(jí)配區(qū)以及配制規(guī)范規(guī)定C25強(qiáng)度以上的混凝土。碎石選用含泥量為0.2%的碎石，壓碎值符合配制C25強(qiáng)度以上混凝土規(guī)范的要求，碎石級(jí)配分布情況見表2。

試驗(yàn)所采用水工混凝土試塊的水泥、砂、石子、水配比為1∶1.30∶2.64∶0.50，水工混凝土試塊中水泥、砂、石子、水用量分別為430kg/m3、560kg/m3、1137kg/m3、215kg/m3。

表1 選用水泥物理特性指標(biāo)

表2 選用碎石級(jí)配分布

水工混凝土表面防護(hù)材料優(yōu)止水與施而固均為水泥基滲透非結(jié)晶型材料，涂刷前需進(jìn)行調(diào)制，其調(diào)制的步驟為：①將容器清洗干凈，待容器干燥后將亞克力增強(qiáng)劑與清水按1∶6的配比攪拌成均勻混合液；②將優(yōu)止水高效防護(hù)劑粉料倒入拌合均勻混合的液容器中，繼續(xù)攪拌使之成為糊狀混合物；值得注意的是：為使優(yōu)止水與混合液能夠充分融合，中途需暫停攪拌5min；③繼續(xù)攪拌10min形成均勻的混合物待用。

2.3 試件制作

按照抗?jié)B標(biāo)號(hào)試驗(yàn)方法的要求，將水工混凝土抗?jié)B檢測(cè)試件制作為圓臺(tái)形試塊，試塊的幾何上口直徑、下口直徑、圓臺(tái)高度分別對(duì)應(yīng)的尺寸為：175mm、185mm、150mm，共制作了5組30個(gè)試件。將制作成型后的試件放置室外保濕養(yǎng)護(hù)28d，自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境為20～24℃，并保持相對(duì)濕度為65%～70%。

2.4 檢測(cè)方法

對(duì)養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到28d的試塊進(jìn)行涂刷，涂刷方法見表3。涂刷過環(huán)氧厚漿(HS943)、優(yōu)止水(施而固)和永凝液材料的3組試塊需要繼續(xù)養(yǎng)護(hù)2d，待試塊表面完全干燥后用于試驗(yàn)。將側(cè)面涂刷了硅橡膠的試塊壓入試模內(nèi)，待硅橡膠固結(jié)后把試塊連同試模放在抗?jié)B儀上并放水灌滿試塊坑開展檢測(cè)。

表3 不同防護(hù)材料涂刷方法

2.5 檢測(cè)結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn)

試塊的檢測(cè)步驟為：①將試塊從試模中取出；②用壓力機(jī)將試件劈開；③在試塊上均分成10等分以測(cè)定滲水高度。水工混凝土的抗?jié)B等級(jí)可以通過下面的公式計(jì)算得到：

W=10H-1

(3)

式中：W為水工混凝土抗?jié)B等級(jí)；H為6個(gè)水工混凝土試塊中含有3個(gè)滲水時(shí)的水壓力，MPa。

試驗(yàn)時(shí)若壓力機(jī)加載到設(shè)計(jì)最大抗?jié)B壓力且保持穩(wěn)壓8h后，表面滲水的水工混凝土試塊少于3個(gè)，則視為水工混凝土試塊的抗?jié)B等級(jí)≥規(guī)定值；反之則認(rèn)為其抗?jié)B等級(jí)<規(guī)定值。

試驗(yàn)時(shí)試塊受到的初始?jí)毫?.1MPa，然后按照每隔8h增加0.1MPa的梯度逐級(jí)加壓，并實(shí)時(shí)觀察水工混凝土試塊表面的狀況。若發(fā)現(xiàn)這組6個(gè)水工混凝土試塊中有3個(gè)試塊表面出現(xiàn)滲水；或加載機(jī)加載至設(shè)計(jì)最大抗?jié)B壓力1.2MPa時(shí)，并且在8h內(nèi)水工混凝土試塊表面出現(xiàn)滲水的試塊少于3個(gè)，即可根據(jù)判定標(biāo)準(zhǔn)停止試驗(yàn)并記錄此時(shí)的試驗(yàn)壓力。

3 檢測(cè)結(jié)果分析與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)加載機(jī)將壓力加至1.2MPa并保持穩(wěn)壓8h后，水工混凝土試塊的表面均未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，量測(cè)并統(tǒng)計(jì)劈開試塊的滲水高度。計(jì)算出每組6塊試件的平均值并繪圖，噴涂防護(hù)材料后試塊滲透試驗(yàn)滲水高度見圖1。

圖1 噴涂防護(hù)材料后試塊滲透試驗(yàn)滲水高度

由圖1可以看出：普通混凝土試塊、涂刷優(yōu)止水材料試塊、噴涂永凝液試塊、涂刷施而固材料試塊以及涂刷HS943環(huán)氧厚漿涂層試塊的滲水高度分別為9.0cm、5.6cm、5.1cm、3.2cm、0.0cm。涂刷防護(hù)材料后混凝土試塊的抗?jié)B性能均有不同程度的提高。涂刷HS943環(huán)氧厚漿的試塊滲水高度約為0，表征所選4種防護(hù)材料中HS943環(huán)氧厚漿材料的防滲性能最好，涂刷優(yōu)止水的試塊、噴涂永凝液試塊、涂刷施而固試塊滲水高度均遠(yuǎn)小于普通混凝土試塊滲水高度，其值分別為普通混凝土試塊滲水高度的62.22%、56.67%、35.56%，表征涂刷施而固后混凝土試塊的抗?jié)B效果明顯，噴涂?jī)?yōu)止水與永凝液涂層混凝土試塊的防滲效果均較弱且滲水高度相差較小，差值僅為5.55%。

雖然涂刷HS943環(huán)氧厚漿材料的混凝土試塊防滲性能最好，但材料不透氣的性能會(huì)影響混凝土內(nèi)部的水化作用；且在實(shí)際工程中施工較困難，難以完全收面磨光，涂刷時(shí)亦會(huì)散發(fā)刺鼻的氣味；此外，環(huán)氧厚漿材料與混凝土多孔材料的收縮率不一致，后期易出現(xiàn)成片脫落現(xiàn)象。

施而固和優(yōu)止水組成成分均為水泥基滲透非結(jié)晶型防護(hù)材料，它們的活性物質(zhì)經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)在混凝土結(jié)構(gòu)表面生成非晶態(tài)水化硅酸鈣物質(zhì)，能逐漸滲入水工混凝土結(jié)構(gòu)的毛細(xì)孔中，填充結(jié)構(gòu)的孔隙和裂縫，以達(dá)到提高結(jié)構(gòu)的密實(shí)度來降低透水性的目的。施而固中含有的活性物質(zhì)和亞克力增強(qiáng)劑，能保證防護(hù)材料與水工混凝土基底可靠粘結(jié)，還具有較好的自愈合能力。優(yōu)止水防護(hù)材料含較粗顆粒細(xì)度，其凝硬反應(yīng)比施而固較差，生成的表面防護(hù)層亦沒有施而固密實(shí)。

永凝液是一種堿激活性的水基滲透結(jié)晶型防水材料，材料本身具有較好的親水性及滲透性，永凝液能在水環(huán)境作用下與水工混凝土中堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的硅酸鈣凝膠能覆蓋毛細(xì)孔隙以達(dá)到提高混凝土密實(shí)度的目的。但此化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在水工混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，無法阻止水從結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行浸入。

4 結(jié) 論

(1)涂刷防護(hù)材料后混凝土試塊的抗?jié)B性能均有不同程度的提高。涂刷HS943環(huán)氧厚漿材料混凝土試塊的防滲性能最好，涂刷優(yōu)止水的試塊、噴涂永凝液試塊、涂刷施而固試塊滲水高度均遠(yuǎn)小于普通混凝土試塊滲水高度，其值分別為普通混凝土試塊滲水高度的62.22%、56.67%、35.56%，表征涂刷施而固后混凝土試塊的抗?jié)B效果明顯，噴涂?jī)?yōu)止水與永凝液涂層混凝土試塊的防滲效果均較弱且滲水高度相差較小，差值僅為5.55%。

(2)HS943環(huán)氧厚漿與施而固防護(hù)材料均在混凝土試塊表面形成了密實(shí)度較高的涂層，該試塊表面堅(jiān)硬涂層防滲效果顯著。但此兩種涂層材料的構(gòu)成成分差異較大，施而固防護(hù)材料是一種微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部呈多細(xì)小毛細(xì)孔隙的無機(jī)材料；而環(huán)氧厚漿是一種內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)無孔隙的有機(jī)材料，能夠封閉住混凝土表面孔隙從而阻止水分的滲入。優(yōu)止水成分與施而固相似，但防滲效果較施而固差。永凝液涂層的抗?jié)B效果一般，其能填充結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙但阻止水從結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行浸入。