遷移性阻銹劑在混凝土中的滲透性能研究

劉喜旭，張小平，嚴(yán)涵，馬琳，柯偉席

（1.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430070；2.武漢源錦建材科技有限公司，湖北 武漢 430070）

0 引言

鋼筋銹蝕是導(dǎo)致混凝土耐久性退化的主要因素之一，因鋼筋銹蝕而引起的混凝土服役周期縮短，結(jié)構(gòu)破壞及損傷等問(wèn)題已成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)。美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)（ACI）認(rèn)為，使用阻銹劑是防止鋼筋銹蝕最方便且有效的措施之一[1]。內(nèi)摻型阻銹劑主要應(yīng)用于新建混凝土結(jié)構(gòu)，在混凝土拌合時(shí)摻入阻銹劑作用于鋼筋表面阻止鋼筋銹蝕。遷移性阻銹劑（MCI）則主要應(yīng)用于長(zhǎng)期劣化需要維護(hù)和加固的建筑。

隨著老舊建筑修補(bǔ)加固市場(chǎng)需求不斷增加，將遷移性阻銹劑涂覆于混凝土表面，通過(guò)混凝土空隙滲透到鋼筋表面，可保護(hù)既有建筑不受破壞。周華林、張建標(biāo)等[2-3]的研究發(fā)現(xiàn)，Cortec公司和Techochem化學(xué)公司的遷移性阻銹劑可有效提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。劉志勇等[4]深入研究了遷移性阻銹劑在混凝土中的傳輸機(jī)制并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。麻福斌[5]采用總氮測(cè)定——過(guò)硫酸鉀氧化法和納氏試劑分光光度法捕捉阻銹劑中的氮元素，通過(guò)測(cè)定總氮量和氨氮含量，表征遷移性阻銹劑的滲透性能。本研究主要圍繞阻銹劑在混凝土中的滲透性能展開(kāi)，采用2種不同方法對(duì)不同養(yǎng)護(hù)條件混凝土進(jìn)行阻銹劑滲透深度測(cè)試，對(duì)比研究阻銹劑對(duì)混凝土氯離子遷移系數(shù)及強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：P·O42.5水泥，比表面積340 m2/kg，其化學(xué)成分如表1所示；石：5～15 mm花崗巖碎石；砂：細(xì)度模數(shù)為2.6的本地河砂；阻銹劑：SY-TF遷移性鋼筋阻銹劑，一種醇胺類(lèi)混合型液體阻銹劑，推薦用量為500 g/m2，武漢三源特種建材有限責(zé)任公司。

表1 水泥的化學(xué)成分 %

1.2 試件成型及試驗(yàn)方法

（1）混凝土強(qiáng)度和滲透深度測(cè)試：試塊按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行成型，試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后取出，選擇試塊一個(gè)非成型面和底面作為測(cè)試面，按照推薦用量將阻銹劑分3次涂刷于混凝土測(cè)試面，每次間隔時(shí)間為90～120 min，最后一次涂覆結(jié)束后覆蓋保鮮膜后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。分別在涂覆阻銹劑后的7、28、60、90 d進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。由涂覆面向下（50±5）mm處取3組混凝土薄片，經(jīng)研缽粉磨過(guò)0.15 mm的方孔篩后，混合后作為待檢樣。按照J(rèn)GJ/T 192—2009《鋼筋阻銹劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》測(cè)試對(duì)應(yīng)齡期混凝土的氨氮濃度?；炷猎囼?yàn)配合比按照GB 8076—2008《混凝土外加劑》和JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體配合比如表2所示。

表2 混凝土的配合比 kg/m3

（2）氯離子遷移系數(shù)：按照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法進(jìn)行測(cè)試，試件為Φ=（100±1）mm、h=（50±2）mm圓柱體混凝土。試件成型養(yǎng)護(hù)28 d后，在試塊圓切側(cè)面上進(jìn)行試驗(yàn)。涂覆及養(yǎng)護(hù)方法同上。

（3）驗(yàn)證不同養(yǎng)護(hù)條件對(duì)遷移性阻銹劑滲透深度的影響時(shí)，將涂覆阻銹劑的立方體試塊覆蓋薄膜分別置于溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度分別為（95±5）%（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)）、（50±4）%（干燥養(yǎng)護(hù)）的2種條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，按照HJ 535—2009《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》進(jìn)行測(cè)試。將混凝土粉末與水混合攪拌取上清液測(cè)試氨氮濃度，當(dāng)待測(cè)液預(yù)處理不充分時(shí)，殘留的游離Ca2+與測(cè)試試劑發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)生成小顆粒懸浮于測(cè)試皿中，對(duì)分光光度計(jì)測(cè)量影響極大。為更準(zhǔn)確地測(cè)試混凝土中的氮含量，采用HJ 717—2014《土壤質(zhì)量全氮的測(cè)定凱氏法》與上述方法對(duì)比測(cè)試試件的28 d滲透深度，試件成型方法同上。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 阻銹劑對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

將推薦用量阻銹劑涂覆于混凝土表面，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)不同齡期時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度如表3所示。

表3 涂覆性阻銹劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表3可知：空白組混凝土和涂覆遷移性阻銹劑試驗(yàn)組混凝土對(duì)應(yīng)各齡期的抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)相似；涂覆遷移性阻銹劑試塊各齡期的抗壓強(qiáng)度比均大于100%。表明阻銹劑涂覆于混凝土試塊表面對(duì)不同齡期混凝土的強(qiáng)度無(wú)不良影響。

2.2 遷移性阻銹劑對(duì)混凝土氨氮濃度的影響

遷移性阻銹劑以氣相或液相滲透到鋼筋表面形成吸附膜，產(chǎn)生阻銹效果。各齡期空白組和試驗(yàn)組混凝土涂覆面向下（50±5）mm處的氨氮濃度測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 遷移性阻銹劑在混凝土（50±5）mm處的氨氮濃度

由圖3可知：（1）不同齡期空白混凝土試塊涂覆面向下（50±5）mm處的氨氮濃度穩(wěn)定在0.487～0.543 mol/L范圍內(nèi)，表明測(cè)試的混凝土粉末中含有少量的氮元素，主要是因?yàn)榛炷翑嚢钑r(shí)加入的骨料表面殘存一定量含氮有機(jī)物質(zhì)。（2）涂覆阻銹劑試塊養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)，氨氮濃度僅為1.422 mol/L；養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，表面的阻銹劑逐漸向混凝土內(nèi)部遷移，氨氮濃度增大至2.885 mol/L，較7 d時(shí)增大了1倍；但28 d后，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，氨氮濃度不再增大，始終保持在小范圍波動(dòng)，60、90 d時(shí)的氨氮濃度分別為2.726、2.943 mol/L?；炷磷陨淼亩嘞喽嗫左w系決定了其可被氣體或者液體等介質(zhì)滲透其中。前期氨氮含量較低，隨著齡期的延長(zhǎng)，氨氮濃度不斷向內(nèi)部擴(kuò)散，最終達(dá)到各自微小區(qū)域的動(dòng)態(tài)平衡，距離涂覆面近處區(qū)域先達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡且氨氮濃度大于距離涂覆面較遠(yuǎn)的區(qū)域。當(dāng)氨氮濃度在50 mm處達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，此處氨氮濃度不再發(fā)生明顯變化。

2.3 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)阻銹劑滲透性能的影響

遷移性阻銹劑依靠擴(kuò)散滲透作用向混凝土內(nèi)部遷移，環(huán)境濕度對(duì)氨氮的遷移具有較大影響。表4為在2種不同養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，在混凝土（50±5）mm處分別采用納氏試劑法和凱氏定氮法測(cè)得的氨氮濃度。

表4 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)阻銹劑滲透性能的影響

由表4可知：（1）當(dāng)采用納氏試劑法測(cè)試時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)測(cè)得的混凝土涂覆面向下（50±5）mm處氨氮濃度為2.838 mol/L，與前期數(shù)據(jù)基本保持一致；干燥養(yǎng)護(hù)時(shí)測(cè)得的氨氮濃度為3.297 mol/L，高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)測(cè)得的氨氮含量。（2）當(dāng)采用凱氏定氮法測(cè)試時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與干燥養(yǎng)護(hù)時(shí)的全氮含量分別為345.859、393.850 mg/kg，干燥養(yǎng)護(hù)時(shí)的測(cè)試結(jié)果依舊高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)的測(cè)試結(jié)果。采用2種不同方法時(shí)的測(cè)試結(jié)果總體保持一致，即干燥養(yǎng)護(hù)條件下的滲透性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的。

遷移性阻銹劑是一種低表面張力的液體，涂覆于混凝土表面后通過(guò)混凝土毛細(xì)管吸附、阻銹劑濃度差及低蒸氣壓組分的揮發(fā)擴(kuò)散等方式積累遷移至到混凝土內(nèi)部[6-7]。毛細(xì)管的吸附能力是影響阻銹劑遷移的最重要因素?；炷猎诟稍镳B(yǎng)護(hù)時(shí)處于非飽和狀態(tài)，毛細(xì)孔中的自由水含量急劇降低，毛細(xì)管吸收作用占據(jù)主導(dǎo)地位，阻銹劑通過(guò)毛細(xì)管吸附迅速進(jìn)入混凝土內(nèi)部。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)，混凝土毛細(xì)管中充滿(mǎn)自由水，此時(shí)濃度差作用下的擴(kuò)散作用為遷移滲透的主要途徑，其效果不及毛細(xì)吸附作用，因而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)的遷移性不及干燥養(yǎng)護(hù)時(shí)的。

2.4 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土氯離子遷移系數(shù)的影響

采用RCM法測(cè)試不同養(yǎng)護(hù)條件下空白組和試驗(yàn)組混凝土試塊的氯離子遷移系數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表5 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土氯離子遷移系數(shù)的影響

由表5可見(jiàn)：不同養(yǎng)護(hù)條件下試驗(yàn)組的氯離子遷移系數(shù)比均小于100%，且標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的氯離子遷移系數(shù)比小于干燥養(yǎng)護(hù)的。2種不同養(yǎng)護(hù)條件下試驗(yàn)組的氯離子遷移系數(shù)均小于空白組的主要原因是，遷移性阻銹劑涂覆于混凝土表面時(shí)向混凝土內(nèi)部滲透，混凝土空隙內(nèi)的吸附作用，帶有電負(fù)性的氮原子增加，RCM試驗(yàn)中帶有電負(fù)性氯離子在電極的作用下向混凝土內(nèi)部遷移[8]。當(dāng)遇到帶有相同電負(fù)性的氮原子時(shí)滲透過(guò)程必然受阻，進(jìn)而減小了氯離子滲透深度。試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)比干燥養(yǎng)護(hù)時(shí)的氯離子遷移系數(shù)比略小，其主要是因?yàn)殡娯?fù)性排斥作用達(dá)到極限時(shí)，混凝土自身水化程度對(duì)結(jié)果產(chǎn)生微弱的影響，而一直標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土相較于干燥養(yǎng)護(hù)水化更加完全，因此標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)氯離子遷移系數(shù)更小些。

3 結(jié)論

（1）遷移性阻銹劑涂覆于混凝土表面對(duì)不同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土的強(qiáng)度無(wú)負(fù)面影響，對(duì)應(yīng)的7、28、60、90 d抗壓強(qiáng)度比分別為104%、102%、105%、102%。

（2）采用納氏試劑分光光度法測(cè)試氨氮濃度來(lái)表征混凝土的滲透性能，結(jié)果表明，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，混凝土涂覆面下（50±5）mm處的氨氮濃度呈先增大后趨基本穩(wěn)定，28 d時(shí)氨氮濃度達(dá)到最大，28 d后氨氮濃度基本趨于穩(wěn)定。

（3）納氏試劑分光光度法和凱氏定氮法所測(cè)結(jié)果規(guī)律一致，即干燥養(yǎng)護(hù)條件下遷移性阻銹劑的滲透性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的。

（4）遷移性阻銹劑涂覆于混凝土表面可明顯減小混凝土的氯離子遷移系數(shù)，提高混凝土的耐久性。