硅烷浸漬技術(shù)提高渾河閘護(hù)坦板耐久性的試驗(yàn)研究

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006)

1 引 言

混凝土因其原材料取材方便、價(jià)格低廉而成為目前應(yīng)用最廣泛的人工材料，但其長期耐久性能卻受到環(huán)境條件的制約。由于混凝土服役環(huán)境的不同，影響其長期耐久性能的主要因素各不相同，總結(jié)起來主要有凍融破壞、有害離子的侵蝕、碳化、堿骨料反應(yīng)等[1-5]。

對(duì)于未開始建造的混凝土結(jié)構(gòu)，可以通過優(yōu)化配合比等建造高性能混凝土以提高其長期耐久性能，但對(duì)于已經(jīng)建造成型的混凝土工程，如何通過一定措施提高其長期耐久性能，延長現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命是一個(gè)亟待研究的課題。研究表明，水的存在是造成混凝土結(jié)構(gòu)破壞的一個(gè)關(guān)鍵因素，例如有害離子侵蝕、凍融破壞和堿骨料反應(yīng)的發(fā)生都必須有水的參與，因此，如何有效控制水分侵入混凝土成為提高其耐久性能的一個(gè)重要研究方向。目前防止水分進(jìn)入混凝土內(nèi)部的主要措施根據(jù)作用方式的不同可以分為封閉型和滲透型兩大類。封閉型防水劑通過在混凝土表面形成一個(gè)保護(hù)層以防止外界水、有害離子等有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部，但保護(hù)層的存在同樣阻止了混凝土內(nèi)部的水分向外揮發(fā)，所以當(dāng)混凝土內(nèi)部水分揮發(fā)形成水蒸氣時(shí)，產(chǎn)生的蒸汽壓力就足以破壞保護(hù)層與混凝土之間的黏結(jié)，導(dǎo)致保護(hù)層最終從混凝土表面脫落而喪失保護(hù)作用，這類防水材料常見的有環(huán)氧膠泥、環(huán)氧涂料類。滲透型防水劑主要通過滲入混凝土內(nèi)部，與混凝土中物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)而形成憎水層以達(dá)到防止外界水分進(jìn)入的目的，目前應(yīng)用較多的這類材料主要是硅烷類。浸漬類硅烷產(chǎn)品的原理是因?yàn)楣柰樘厥獾男》肿咏Y(jié)構(gòu)，能夠穿透混凝土表層而進(jìn)入混凝土內(nèi)部，能在不改變混凝土孔隙透氣性的前提下在內(nèi)部毛細(xì)孔壁形成一種烷基憎水薄膜，而且處理后的混凝土表面張力要低于水的表面張力，這樣會(huì)產(chǎn)生一種毛細(xì)逆氣壓現(xiàn)象，使混凝土孔隙表面由親水性變?yōu)槭杷裕苡行У刈柚箖?nèi)部孔隙對(duì)水的毛細(xì)吸收作用，從而達(dá)到長期有效的防水效果。處理后的混凝土在具有防水特性的同時(shí)不堵塞毛細(xì)孔，具有防水效果又能使混凝土正?！昂粑保炷量紫侗３珠_放，不影響氣體和水蒸氣的擴(kuò)散，能夠保持混凝土內(nèi)外壓力的平衡，不會(huì)因?yàn)樗终舭l(fā)產(chǎn)生水蒸氣而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。

本文依托實(shí)際工程案例，研究了既有混凝土結(jié)構(gòu)在噴涂了異丁基三乙氧基硅烷(SP-205)后硅烷浸漬深度、吸水率、氯化物吸收量降低效果及氯離子在不同深度處的分布特點(diǎn)，為類似工程的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

圖1 渾河閘護(hù)坦板防護(hù)涂層平面

2 工程概況

本次工程對(duì)象為位于渾河中下游的渾河閘，該水閘距離大伙房水庫75km，是沈陽城市防洪的出口控制斷面，承擔(dān)著沈陽城市的防洪任務(wù)。2015年，遼寧省水利廳開展了遼寧省水工混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制與耐久性提升關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目，依托于該項(xiàng)目子課題之一遼寧省水閘混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制與耐久性提升技術(shù)研究項(xiàng)目，開展了渾河閘護(hù)坦板提高防滲防腐抗凍耐久性防護(hù)涂層研究，經(jīng)過前期實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)試驗(yàn)和資料收集與調(diào)查整理，對(duì)比了9種防護(hù)材料，并于2015年9月12日經(jīng)過專家論證，最終選取了SP-205硅烷作為渾河閘護(hù)坦板防護(hù)工程的備選材料，2015年9月對(duì)渾河閘護(hù)坦板進(jìn)行了硅烷噴涂現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果良好，2015年11月1—4日對(duì)渾河閘護(hù)坦板正式進(jìn)行了硅烷噴涂現(xiàn)場施工，施工噴涂面積共計(jì)16909m2，詳細(xì)施工范圍見圖1。

本項(xiàng)目所用硅烷為高純度的異丁基三乙氧基硅烷(SP-205)，其基本性能指標(biāo)見表1。

表1 SP-205基本性能指標(biāo)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 浸漬深度試驗(yàn)

依據(jù)《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTJ 275—2000)，硅烷浸漬深度試驗(yàn)采用染料指示法[7]，具體操作如下：將芯樣在40℃烘箱內(nèi)烘干24h，利用壓力機(jī)將試樣沿直徑方向劈開，然后涂刷諾丹明B，最后應(yīng)用游標(biāo)卡尺測量浸漬深度(見圖2)。依據(jù)規(guī)范，試驗(yàn)部位混凝土硅烷浸漬深度應(yīng)達(dá)到3～4mm。在施工結(jié)束后，10個(gè)樣品浸漬深度平均值為4.22～5.30mm，詳細(xì)檢測結(jié)果見表2。

圖2 游標(biāo)卡尺測量浸漬深度

表2 硅烷浸漬深度檢測結(jié)果

續(xù)表

3.2 吸水率

將芯樣加工為滿足試驗(yàn)條件的試樣后，晾干，然后在試樣除原表面外，其余面包括原表面上小于5mm的周邊，均涂以無溶劑環(huán)氧涂料，待環(huán)氧涂料完全干透后，將所有試樣放在40℃烘箱內(nèi)烘干48h，見圖3。在適當(dāng)?shù)娜萜鞯撞?，放置多根直?00mm的玻璃棒，將這些芯樣原表面朝下放在這些玻璃棒上，注入23℃的水，使水面在玻璃棒上1～2mm，以5min、10min、30min、60min、120min和140min的時(shí)間間隔，取出芯樣，稱重后立即放回去，直至完成所有這些間隔時(shí)間的測試。吸水率平均值的計(jì)算是將每一個(gè)時(shí)間間隔的吸水增量，折算為吸水高度(mm)，然后以吸水高度為縱坐標(biāo)，以該時(shí)間間隔平方根為橫坐標(biāo)作圖，取該關(guān)系直線的斜率(mm/min1/2)為吸水率值[6]。

本次試驗(yàn)中10個(gè)芯樣的吸水率為0.0031～0.0098mm/min1/2，詳細(xì)檢測結(jié)果見表3。

圖3 吸水試驗(yàn)

表3 吸水率試驗(yàn)詳細(xì)檢測結(jié)果

3.3 氯化物吸收量的降低效果

依據(jù)《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTJ 275—2000)，噴涂硅烷養(yǎng)護(hù)10d后，鉆取芯樣進(jìn)行氯化物吸收量的降低效果測試，測試時(shí)，除芯樣原表面外，其余各面包括原表面上小于5mm的周邊，均涂以無溶劑環(huán)氧涂料加以密封。將芯樣原表面朝下放在合適的容器中，注入溫度為23℃的5mol的NaCl溶液，其液面在芯樣上10mm。24h后取出芯樣，在40℃下烘24h，然后從該芯樣的深度2mm處切片，棄去該切片，將原芯樣上的新切面磨到深度為10mm，按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 270—1998)的混凝土酸溶性氯化物含量測定法分析所得粉樣的氯化物含量[6-7]。在深度為11～20mm和21～30mm處，重復(fù)上述程序。本次試驗(yàn)中10個(gè)芯樣的氯化物吸收量的降低效果為90.4%～92.5%，詳細(xì)檢測結(jié)果見表4。

表4 氯化物吸收量的降低效果檢測結(jié)果

3.4 氯離子滲透情況試驗(yàn)

在進(jìn)行混凝土氯化物吸收量降低效果測試的同時(shí)，隨機(jī)選取了2個(gè)空白試樣和6個(gè)噴涂SP-205硅烷試樣，依照NTBuild443中規(guī)定的高濃度鹽溶液浸泡法測試了試樣不同深度處自由氯離子的含量。試驗(yàn)采用混凝土打磨機(jī)對(duì)芯樣進(jìn)行逐層打磨研粉，方向垂直于氯離子滲透面。深度在小于等于4mm的范圍內(nèi)每1mm取一個(gè)試樣，即0～1mm、1～2mm、2～3mm、3～4mm各取一個(gè)試樣；深度大于4mm的范圍內(nèi)每2mm取一個(gè)試樣。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，以所取范圍內(nèi)的中值坐標(biāo)為試樣代表深度，即2～3mm范圍內(nèi)試驗(yàn)代表深度為2.5mm，4～6mm范圍內(nèi)試驗(yàn)代表深度為5mm。所取試樣都要經(jīng)過0.63mm的方孔篩，取樣后分別按照《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 270—1998)中7.16節(jié)(混凝土中砂漿的水溶性氯離子含量的測定)和7.17節(jié)(混凝土中砂漿的氯離子總含量測定)化學(xué)滴定的方式測試每個(gè)試樣中的自由氯離子含量及總氯離子含量，結(jié)果用氯離子占混凝土質(zhì)量百分比來表示。測試結(jié)果見圖4。

圖4 芯樣不同深度處自由氯離子含量

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，與空白試驗(yàn)對(duì)比，硅烷浸漬能夠有效地降低氯離子向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散速度。在0～2mm范圍內(nèi)，空白試樣的氯離子含量要小于硅烷浸漬試樣的含量，而在深度大于2mm后，硅烷浸漬試樣中自由氯離子含量明顯小于空白試驗(yàn)。分析原因主要是因?yàn)閲娡抗柰楹螅诠柰榻n深度范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生的一個(gè)保護(hù)層，能夠有效地阻擋或減緩水分及其中有害離子向內(nèi)部擴(kuò)散的速度，進(jìn)入硅烷浸漬試驗(yàn)表層的氯離子由于不能向內(nèi)部遷移擴(kuò)散而富集在表層，因此表現(xiàn)為硅烷浸漬試樣表層氯離子含量較空白試驗(yàn)高而內(nèi)部明顯低的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

通過以上試驗(yàn)，可以看出對(duì)既有混凝土結(jié)構(gòu)在進(jìn)行硅烷浸漬處理后，可以大幅降低混凝土的吸水性，有效阻擋或減緩有害氯離子向內(nèi)侵蝕擴(kuò)散的速度。對(duì)處于嚴(yán)寒沿海地區(qū)的既有混凝土結(jié)構(gòu)，硅烷浸漬處理技術(shù)是提高其抗凍性能、抗氯離子侵蝕性能的有效技術(shù)途徑，且具有施工簡便、不改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)外觀形狀的特點(diǎn)，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。此外，該技術(shù)若能結(jié)合混凝土配比優(yōu)化及其他防滲防腐方法，也可以較好地提高處于較惡劣環(huán)境中混凝土構(gòu)筑物的耐久性及使用壽命。