密封固化對(duì)水泥混凝土的改善效果

許建騰

(廣州誠(chéng)安路橋檢測(cè)有限公司，廣州 510420)

廣東省處于中國(guó)東南部，海岸線較長(zhǎng)，因海洋潮汐作用，很多臨海工程經(jīng)干燥-海水浸泡-干燥的干濕循環(huán)腐蝕作用，引發(fā)一系列腐蝕破壞，使臨海建筑結(jié)構(gòu)物使用年限大大降低，甚至引發(fā)事故[1-2]。由于受到腐蝕作用，混凝土的表觀性能和微觀結(jié)構(gòu)隨養(yǎng)護(hù)齡期不斷發(fā)展變化，從宏觀和微觀兩個(gè)層次把握其發(fā)展規(guī)律，對(duì)研究混凝土耐久性具有十分重要的意義[3]。混凝土的常規(guī)保護(hù)措施主要有涂料涂覆、護(hù)筒包覆防護(hù)等[4]。有機(jī)涂層會(huì)因溶劑揮發(fā)而產(chǎn)生針孔及高分子鏈結(jié)構(gòu)的微間隙，H2O和含Cl-液體等會(huì)沿著這些針孔和微觀間隙進(jìn)入水泥混凝土的間隙，導(dǎo)致涂層出現(xiàn)附著力下降、脫落等問(wèn)題[5]。

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，硅基材料的使用日益廣泛，美國(guó)道路橋梁的混凝土結(jié)構(gòu)也開(kāi)始使用有機(jī)硅烷材料進(jìn)行防護(hù)。研究表明，硅烷具有合適的疏水基長(zhǎng)度，能滲透至混凝土內(nèi)部，具有較好的疏水性能[6-7]；硅烷浸漬劑對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果與硅烷品種以及混凝土的密實(shí)度有關(guān)[8-11]。將有機(jī)硅防水涂料噴涂到混凝土結(jié)構(gòu)表面，可以使有機(jī)硅與混凝土內(nèi)部游離的鈣離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，堵塞或填充混凝土表層的微觀孔隙，阻止H2O、含有Cl-的溶液及其他腐蝕性液體滲入混凝土內(nèi)部，顯著提高建筑的使用壽命。上述硅烷密封劑對(duì)混凝土表層的防護(hù)性能改善均取得一系列有益效果，但目前關(guān)于涂抹硅烷密封劑后混凝土表層硬度及耐磨耗性的研究較少,硅烷對(duì)混凝土表層微觀層面改善效果的研究更少。本工作采用硅滲劑對(duì)水泥混凝土進(jìn)行密封固化,研究了密封固化對(duì)水泥混凝土抗壓強(qiáng)度、硬度、耐磨性能等性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 水泥混凝土制備

試驗(yàn)原料有水泥、外加劑、碎石和碎石。水泥為廣東惠州產(chǎn)的海螺牌散裝42.5普通硅酸鹽水泥，相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)表1。外加劑為萘系高效緩凝減水劑；碎石為粒形完整、質(zhì)地堅(jiān)硬的花崗巖，其性能符合相關(guān)規(guī)范要求；河砂產(chǎn)自惠州，細(xì)度模數(shù)為2.70，含泥量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，表觀密度為2 690 kg/m3。

表1 水泥的物理性質(zhì)

按表2所示配比制備不同尺寸的水泥混凝土試件。為了保證試驗(yàn)初始條件相同，試件在同一天成型，并在相同條件下養(yǎng)生至28 d齡期。

表2 水泥混凝土的配比

1.2 密封固化

以硅滲劑為密封固化劑對(duì)水泥混凝土試件進(jìn)行密封固化。硅滲劑主要成分為硅酸鈉、硅酸鋰、氟硅酸鎂及穩(wěn)定劑等，其物理性質(zhì)見(jiàn)表3。密封固化前，先用質(zhì)地較硬的毛刷將水泥混凝土試件表面的白堿和浮塵徹底清掃干凈。接著使用細(xì)毛刷蘸取密封固化劑材料，涂刷于試件表面，間隔一段時(shí)間涂刷一次，試樣表面處于濕潤(rùn)狀態(tài)的時(shí)間不少于30 min，密封固化劑涂刷量應(yīng)不低于1.5 kg/m2。涂刷完成后，試件需放置7 d左右，待其完全固化。涂刷密封固化劑后的試件應(yīng)注意遮蓋，24 h內(nèi)不能淋雨，否則待試件表面干燥后應(yīng)重新涂刷。同時(shí)，以未密封固化的水泥混泥土(以下稱空白試件)為對(duì)比試件進(jìn)行性能測(cè)試。

表3 硅滲劑物理性質(zhì)

1.3 性能測(cè)試

參照J(rèn)TG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)水泥混泥土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，按式(1)計(jì)算抗壓強(qiáng)度，結(jié)果取3個(gè)試件的平均值。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試件的四個(gè)面進(jìn)行了密封固化。

(1)

式中：fcu為水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度，MPa；F為試驗(yàn)的極限荷載，N；A為試件的受壓面積，mm2。

參照莫氏硬度試驗(yàn)和評(píng)判方法測(cè)水泥混凝土的表面硬度，即使用不同硬度的標(biāo)準(zhǔn)礦石來(lái)劃試件表面，如果礦石能在混凝土表面留下劃痕，說(shuō)明該礦石的硬度高于混凝土表面的硬度，應(yīng)再使用低一級(jí)硬度的礦石進(jìn)行試驗(yàn)；若低一級(jí)硬度的礦石不能在混凝土表面留下劃痕，說(shuō)明混凝土表面的硬度比礦石的高?；炷帘砻嬗捕葹閮杉?jí)硬度的中間值。

參照J(rèn)TG E30-2005標(biāo)準(zhǔn)測(cè)水泥混凝土表面的耐磨性。試驗(yàn)儀器為改進(jìn)后的水泥混凝土磨耗試驗(yàn)機(jī)，見(jiàn)圖1。試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，對(duì)一成型側(cè)面進(jìn)行密封固化。磨耗試驗(yàn)前稱量試件的初始質(zhì)量m0，然后在200 N負(fù)荷下進(jìn)行磨耗試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)規(guī)范試驗(yàn)方法進(jìn)行如下改進(jìn)：分別在磨耗圈數(shù)為5、10、15、20、25、30圈時(shí)，取下試件刷凈其表面粉塵后稱量，按式(2)計(jì)算試件的磨損量。

(2)

式中：Gc為單位面積的磨損量，kg/m2；m0為試件初始質(zhì)量，kg；mi為試件磨損后的質(zhì)量，kg；A為試件的磨損面積，為0.012 5 m2。

圖1 改進(jìn)后的水泥混凝土磨耗試驗(yàn)機(jī)

參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中的RCM方法對(duì)水泥混凝土進(jìn)行抗氯離子滲透試驗(yàn)。僅對(duì)試件的一個(gè)圓形切面涂刷密封固化劑，該切面為測(cè)試面。水泥混凝土抗氯離子滲透性試驗(yàn)的陰極溶液為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl溶液，陽(yáng)級(jí)溶液為0.3 mol/L NaOH溶液。結(jié)束后將試件劈開(kāi)并噴涂AgNO3，約15 min后用游標(biāo)卡尺測(cè)量劈裂面變色區(qū)域的深度。

在基體混凝土和涂密封固化劑混凝土試件表面分別敲取一個(gè)自然斷面進(jìn)行SEM分析，觀察表面的致密性和結(jié)構(gòu)形態(tài)。

在進(jìn)行靜態(tài)接觸角試驗(yàn)前，將試件放入無(wú)水乙醇中超聲清洗15 min，再置入恒溫恒濕箱中干燥24 h。采用Vertion2.8接觸角測(cè)試儀在每個(gè)水泥混凝土試件表面選取3個(gè)不同的位置，用針管將液滴滴在上面，當(dāng)液滴穩(wěn)定后，對(duì)其進(jìn)行拍照測(cè)量，取平均值作為靜態(tài)接觸角。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

由圖2可知，密封固化劑前后水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為48.0 MPa和49.0 MPa。結(jié)果表明，密封固化對(duì)水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度并無(wú)明顯影響。這主要是因?yàn)槊芊夤袒瘎┲荒軡B透至水泥混凝土表面以下一定深度，與試件整體厚度相比，受密封固化劑作用的區(qū)域不足以對(duì)試件的整體強(qiáng)度產(chǎn)生加強(qiáng)影響。

圖2 密封固化前后水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度

2.2 硬度

硬度試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于未經(jīng)密封固化的水泥混凝土，莫氏硬度為6.0的標(biāo)準(zhǔn)礦石不能在其表面留下劃痕，但莫氏硬度為7.0的標(biāo)準(zhǔn)礦石能在其表面留下劃痕，因此未經(jīng)密封固化的水泥混凝土表面硬度為6.5；同理，密封固化后水泥混凝土表面硬度為8.5，比密封固化前提升了30.8%。水泥混凝土表面涂刷密封固化劑后，密封固化劑與水泥混凝土發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)水泥混凝土的微觀孔隙被密封固化劑逐步填充，隨著密封固化劑中水分蒸發(fā)，形成一層硬度大于水泥混凝土的密封固化劑膜，使混凝土表面硬度增加。

2.3 耐磨性能

由圖3可見(jiàn)：與密封固化前相比，密封固化后水泥混凝土的磨耗量明顯減小，表明密封固化后水泥混凝土的耐磨性能得到顯著提高。這是因?yàn)槊芊夤袒瘎B入水泥混凝土內(nèi)部后生成的新物質(zhì)具有高強(qiáng)度和良好的耐磨性能，可以提高水泥混凝土表層的耐磨性能。另外，隨著磨耗圈數(shù)的增加，兩組水泥混凝土試件磨耗量曲線的斜率也逐漸變大，即試件的磨耗速率逐漸增大。密封固化劑的作用深度有限，從混凝土表面到內(nèi)部，密封固化劑對(duì)內(nèi)部空隙的填充和密實(shí)作用逐漸減小，因此隨著磨耗深度增加，密封固化劑作用逐漸減弱，表現(xiàn)為磨耗速率增大。

圖3 水泥混凝土磨耗量曲線

2.4 抗氯離子滲透性

圖4為氯離子在水泥混凝土中的滲透深度。根據(jù)氯離子滲透深度，按式(3)計(jì)算混凝土中非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

(3)

式中：DRCM為混凝土的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)，精確到0.1×10-12m2/s;U為所用電壓的絕對(duì)值，V；T為陽(yáng)級(jí)溶液的初始溫度和結(jié)束溫度的平均值，℃；L為試件厚度，精確到0.1 mm；Xd為氯離子滲透深度的平均值，精確到0.1 mm；t為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，s。

圖4 氯離子在水泥混凝土中的滲透深度對(duì)比

圖5 水泥混凝土中非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)

由圖4和圖5可知，氯離子在密封固化劑后水泥混凝土中的滲透深度比密封固化前降低42.8%，混凝土非穩(wěn)態(tài)遷移系數(shù)降低37.2%。這主要是因?yàn)槊芊夤袒瘎﹥?nèi)的有機(jī)硅與水泥基材料的成分發(fā)生偶聯(lián)橋鍵作用，形成整體牢固的憎水層，使混凝土內(nèi)部孔隙密閉，造成氯離子在水泥混凝土內(nèi)部遷移運(yùn)動(dòng)減緩。

2.5 表面接觸角

由圖6可見(jiàn)，密封固化前,水泥混凝土表面接觸角為24.5°，且可以看到有部分水已經(jīng)滲入混凝土內(nèi)部，表現(xiàn)為親水特性；密封固化后，水泥混凝土表面接觸角為105.2°，表現(xiàn)出憎水特性。

2.6 微觀形貌

由圖7可見(jiàn)：密封固化前，在距離水泥混凝土試件表面1 mm處發(fā)現(xiàn)水化產(chǎn)物之間相互搭接，存在不少孔隙，礦物顆粒呈不規(guī)則堆積，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不是很致密；密封固化后，水泥混凝土表面的致密性明顯提高。這是因?yàn)樵囼?yàn)所用密封固化劑是一種多成分的化學(xué)試劑，黏度很小，涂裝后由于毛細(xì)作用可迅速滲入混凝土內(nèi)部，密封固化劑中氟硅酸鎂、硅酸鋰與Ca(OH)2、C-S-H等與游離鈣反應(yīng)，生成新的硅酸鹽化合物附著在水泥混凝土表面和填充孔隙，提高了混凝土的強(qiáng)度、耐磨性能，并且提高其密實(shí)性和抗?jié)B透性。

(a) 密封固化前

(b) 密封固化后

(a) 密封固化前

(b) 密封固化后

3 結(jié)論

(1) 密封固化劑作用深度有一定范圍，受密封固化劑作用的區(qū)域不足以對(duì)整體強(qiáng)度產(chǎn)生加強(qiáng)影響。因此，密封固化后混凝土的抗壓強(qiáng)度并無(wú)明顯增加。

(2) 水泥混凝土表面涂刷密封固化劑后，微觀孔隙被逐步填充，隨著密封固化劑中的水分蒸發(fā)，表面形成一層硬度大于混凝土的密封固化劑膜，混凝土表面硬度由6.5增加到8.5。

(3) 密封固化后，水泥混凝土的耐磨性能顯著提高，但隨著磨耗深度增加，密封固化劑作用逐漸減弱，導(dǎo)致磨耗速率增大。

(4) 密封固化后水泥混凝土中氯離子滲透深度比密封固化前水泥混凝土中的降低42.8%，遷移系數(shù)降低37.2%。密封固化后，水泥混凝土表面呈明顯的憎水特性。這主要是因?yàn)槊芊夤袒瘎﹥?nèi)的有機(jī)硅與水泥基材料的成分發(fā)生偶聯(lián)橋鍵作用，形成整體牢固的憎水層，使水泥混凝土內(nèi)部孔隙密閉，造成氯離子在混凝土內(nèi)部遷移運(yùn)動(dòng)減緩。

(5) 在未密封固化的水泥混凝土中，水化產(chǎn)物之間相互搭接，存在不少孔隙，礦物顆粒呈不規(guī)則堆積。密封固化后，由于毛細(xì)作用滲入混凝土內(nèi)部，與游離鈣反應(yīng)，生成莫氏硬度較大的硅酸鹽產(chǎn)物附著在表面和填充孔隙，改善了水泥混凝土表面微觀結(jié)構(gòu)，提高了其致密程度。