水性滲透結(jié)晶防護(hù)材料的試驗(yàn)研究

楊 梓，郝 鄴， 翟 娟， 趙劍楠， 孫志恒

(1. 北京市京密引水管理處，北京 101400；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

在我國(guó)已建的大量水工建筑物中，混凝土建筑物占據(jù)了絕對(duì)位置并發(fā)揮著重要作用。水工混凝土建筑物在運(yùn)行過程中，由于自身質(zhì)量問題以及受荷載作用與外界環(huán)境因素(凍融凍脹、干濕交替、溫度變化、水流沖磨、溶蝕、水質(zhì)侵蝕、氯離子侵蝕、堿骨料反應(yīng)等)的不利影響，容易導(dǎo)致混凝土耐久性劣化，并產(chǎn)生裂縫、滲漏、凍融破壞、沖磨空蝕、碳化、鋼筋銹蝕、混凝土腐蝕等病害缺陷[1-4]。如不及時(shí)對(duì)混凝土老化病害采取科學(xué)有效的防護(hù)措施，其積累發(fā)展到一定程度時(shí)，將加速混凝土結(jié)構(gòu)老化，導(dǎo)致建筑物的承載能力和穩(wěn)定性下降，使混凝土結(jié)構(gòu)不能滿足原設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)重的甚至危及建筑物安全運(yùn)行[5-8]。

已有研究表明[9-12]，影響混凝土強(qiáng)度和綜合耐久性的主要原因是混凝土的微觀組織結(jié)構(gòu)，混凝土內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)變成了水分及有害介質(zhì)的滲入通道，同時(shí)水化產(chǎn)物中的一些成分容易與某些滲入介質(zhì)發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)，使得混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性大大降低。水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料是一種新型的納米級(jí)尺寸剛性防水材料，采用納米微細(xì)化改性技術(shù)得到的“納米尺寸”的硅酸鹽分子，輔以深度滲透技術(shù)和結(jié)晶促進(jìn)技術(shù)，可從混凝土表面深度滲透至內(nèi)部，與混凝土內(nèi)部的游離鈣離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不可溶解的水化硅酸鈣凝膠體，填充毛細(xì)通道，改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，從而具有抑制裂縫，提高抗?jié)B性能，防止凍害、耐酸耐堿耐老化，以及對(duì)微細(xì)裂紋的自修復(fù)等作用。

1 水性滲透結(jié)晶防護(hù)材料性能測(cè)試

1.1 混凝土配制與養(yǎng)護(hù)

依據(jù)GB 8076—2008《混凝土外加劑》配制不引氣的基準(zhǔn)混凝土，用于水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料的性能對(duì)比測(cè)試，混凝土配合比見表1。

表1 基準(zhǔn)混凝土配合比

基準(zhǔn)混凝土成型后靜置24h脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室至規(guī)定齡期進(jìn)行試驗(yàn)；噴水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料混凝土養(yǎng)護(hù)方法：試件成型后靜置24h脫模，放入養(yǎng)護(hù)室水槽中養(yǎng)護(hù)6d，再移入干縮室放置28d后噴涂水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料，最后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)14d進(jìn)行性能測(cè)試；分2次噴涂水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料，第一次噴涂量為150ml/m2，表面干燥后第二次噴涂量為100ml/m2。

1.2 抗壓強(qiáng)度

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，結(jié)果見表2。由試驗(yàn)結(jié)果可知，噴涂噴水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料后，混凝土抗壓強(qiáng)度略有提高，49和90d分別提高1.89%和3.98%。

表2 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

1.3 抗凍性能

混凝土抗凍性能是影響耐久性的重要因素之一，特別是在寒冷地區(qū)，提高混凝土抗凍性能，對(duì)于結(jié)構(gòu)耐久性的提升有著舉足輕重的作用?？箖鲂阅茉囼?yàn)依據(jù)SL 352—2006進(jìn)行，結(jié)果見表3。由試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過50次凍融循環(huán)，基準(zhǔn)混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模和質(zhì)量損失率分別為57%和1.42%，說明不引氣的基準(zhǔn)混凝土抗凍性較差，只能達(dá)到F25，噴涂水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模和質(zhì)量損失率分別為61%和0.60%，噴涂水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料后，對(duì)混凝土抗凍性能有所改善。

表3 混凝土抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果

1.4 抗?jié)B性能

提高混凝土抗?jié)B性能是混凝土耐久性能提升的重要措施之一，本項(xiàng)目從材料角度出發(fā)，在混凝土表面噴涂水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料，試圖提高混凝土自身抵抗外界水等介質(zhì)侵入的能力。抗?jié)B性能試驗(yàn)依據(jù)SL 352—2006進(jìn)行，結(jié)果見表4。由試驗(yàn)結(jié)果可知，基準(zhǔn)混凝土抗?jié)B等級(jí)為W6，噴水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料混凝土的抗?jié)B等級(jí)為W8，水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料滲透至混凝土內(nèi)部，與游離鈣離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)水化硅酸鈣凝膠，填充混凝土內(nèi)部孔隙，提高混凝土抗?jié)B性能。

表4 混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果

1.5 抗氯離子滲透性能

可溶性鹽可隨空隙滲入混凝土內(nèi)部，對(duì)鋼筋造成侵蝕，因此水泥基材料的滲透性和孔隙率增大會(huì)增加混凝土結(jié)構(gòu)被破壞的可能性?？孤入x子滲透性能試驗(yàn)依據(jù)SL 352—2006進(jìn)行，結(jié)果見表5。由試驗(yàn)結(jié)果可知，28d齡期，基準(zhǔn)混凝土的電通量為2803C，噴水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料混凝土的電通量為2320C，總電通量越小，混凝土抗?jié)B性能越好。水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料通過改善混凝土孔結(jié)構(gòu)，密實(shí)混凝土內(nèi)部孔隙，明顯提高混凝土抗氯離子滲透性能。

表5 混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)結(jié)果

1.6 干縮性能

混凝土的干縮變形是指在不飽和的空氣中混凝土停止養(yǎng)護(hù)后，由于毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)中的水和吸附于凝膠體表面的水散失而引起的混凝土試件收縮現(xiàn)象?；炷粮煽s過程是由外到內(nèi)的，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部濕度和干縮變形也是不均勻的，且干縮引起的開裂也是大體積混凝土澆筑施工過程中常見的難題之一。

混凝土干縮性能試驗(yàn)依據(jù)SL 352—2006進(jìn)行，結(jié)果見表6。

表6 混凝土干縮性能

由試驗(yàn)結(jié)果可知，28d齡期，基準(zhǔn)混凝土和噴水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料混凝土的干縮率分別為316×10-6和243×10-6，混凝土干縮率降低23%。水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料通過細(xì)化混凝土表面毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)混凝土致密性，減少毛細(xì)水與吸附于凝膠體上的水蒸氣流失，降低混凝土干縮率，提高混凝土抗裂性能。

2 混凝土微細(xì)裂紋修復(fù)

成型600mm×600mm×100mm的混凝土平板，在混凝土表面制造不規(guī)則且不同寬度與深度的龜裂縫(非貫穿型裂縫)，如圖1所示。圖中2#與3#裂縫寬約0.3～0.5mm。每天在混凝土裂縫處噴涂2次水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料，2d后裂縫修復(fù)效果如圖2所示。觀察試驗(yàn)結(jié)果可知，水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料通過裂縫滲入混凝土內(nèi)部與游離鈣離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)水化硅酸鈣凝膠體填充裂縫，促進(jìn)混凝土表面微細(xì)裂紋修復(fù)。

圖1 混凝土表面裂縫

圖2 裂縫修復(fù)效果

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇在北京十三陵抽水蓄能電站上庫(kù)混凝土面板壩表面實(shí)施，施工工藝流程為： ①打磨、清洗面板混凝土表面；②灑水潤(rùn)濕面板基面，第1遍噴涂或滾涂水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料(如圖3所示)；③水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料表干后再次灑水潤(rùn)濕基面，噴涂或滾涂第2遍；④灑水濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)。

圖3 水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料噴涂施工

運(yùn)行一年后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況進(jìn)行跟蹤檢查，同時(shí)采用回彈儀對(duì)涂刷與未涂刷水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料的混凝土壩面強(qiáng)度進(jìn)行了檢測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，涂刷水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料后，混凝土表面無異常，未發(fā)現(xiàn)有新的裂縫出現(xiàn)，面板混凝土回彈強(qiáng)度基本相當(dāng)。

4 小結(jié)

試驗(yàn)表明，水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料可明顯提高混凝土的抗?jié)B性能、抗氯離子滲透性能，降低混凝土干縮，并改善抗凍性能，但對(duì)混凝土強(qiáng)度提高效果不明顯。水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料可修復(fù)混凝土表面微細(xì)裂縫，促進(jìn)混凝土表面裂縫愈合。水性滲透結(jié)晶防護(hù)涂料工藝簡(jiǎn)單，操作便捷，對(duì)基面混凝土溫濕度和平整度要求低，無需找平層和保護(hù)層，與混凝土結(jié)構(gòu)同壽命，可用于混凝土壩、水閘、輸水建筑物等結(jié)構(gòu)的耐久性提升及微細(xì)裂紋修復(fù)。