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)破壞及損傷等問題已成為行業(yè)研究的熱點。美國混凝土協(xié)會（ACI）認為，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)用于長期劣化需要維護和加固的建筑。

隨著老舊建筑修補加固市場需求不斷增加，將遷移性阻銹劑涂覆于混凝土表面，通過混凝土空隙滲透到鋼筋表面，可保護既有建筑不受破壞。周華林、張建標等[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制并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。麻福斌[5]采用總氮測定——過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，通過測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，采用2種不同方法對不同養(yǎng)護條件混凝土進行阻銹劑滲透深度測試，對比研究阻銹劑對混凝土氯離子遷移系數(shù)及強度的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

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 試件成型及試驗方法

（1）混凝土強度和滲透深度測試：試塊按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》進行成型，試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。標準養(yǎng)護28 d后取出，選擇試塊一個非成型面和底面作為測試面，按照推薦用量將阻銹劑分3次涂刷于混凝土測試面，每次間隔時間為90～120 min，最后一次涂覆結(jié)束后覆蓋保鮮膜后進行標準養(yǎng)護。分別在涂覆阻銹劑后的7、28、60、90 d進行強度測試。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0.15 mm的方孔篩后，混合后作為待檢樣。按照JGJ/T 192—2009《鋼筋阻銹劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》測試對應(yīng)齡期混凝土的氨氮濃度?；炷猎囼炁浜媳劝凑誈B 8076—2008《混凝土外加劑》和JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》進行設(shè)計，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《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的RCM法進行測試，試件為Φ=（100±1）mm、h=（50±2）mm圓柱體混凝土。試件成型養(yǎng)護28 d后，在試塊圓切側(cè)面上進行試驗。涂覆及養(yǎng)護方法同上。

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

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 阻銹劑對混凝土力學(xué)性能的影響

將推薦用量阻銹劑涂覆于混凝土表面，標準養(yǎng)護不同齡期時混凝土的抗壓強度如表3所示。

表3 涂覆性阻銹劑對混凝土抗壓強度的影響

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

2.2 遷移性阻銹劑對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組混凝土涂覆面向下（50±5）mm處的氨氮濃度測試結(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)，表明測試的混凝土粉末中含有少量的氮元素，主要是因為混凝土攪拌時加入的骨料表面殘存一定量含氮有機物質(zhì)。（2）涂覆阻銹劑試塊養(yǎng)護7 d時，氨氮濃度僅為1.422 mol/L；養(yǎng)護28 d時，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時增大了1倍；但28 d后，隨著養(yǎng)護齡期的延長，氨氮濃度不再增大，始終保持在小范圍波動，60、90 d時的氨氮濃度分別為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，氨氮濃度不斷向內(nèi)部擴散，最終達到各自微小區(qū)域的動態(tài)平衡，距離涂覆面近處區(qū)域先達到動態(tài)平衡且氨氮濃度大于距離涂覆面較遠的區(qū)域。當氨氮濃度在50 mm處達到動態(tài)平衡后，此處氨氮濃度不再發(fā)生明顯變化。

2.3 養(yǎng)護條件對阻銹劑滲透性能的影響

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

表4 養(yǎng)護條件對阻銹劑滲透性能的影響

由表4可知：（1）當采用納氏試劑法測試時，標準養(yǎng)護時測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)護時測得的氨氮濃度為3.297 mol/L，高于標準養(yǎng)護時測得的氨氮含量。（2）當采用凱氏定氮法測試時，標準養(yǎng)護與干燥養(yǎng)護時的全氮含量分別為345.859、393.850 mg/kg，干燥養(yǎng)護時的測試結(jié)果依舊高于標準養(yǎng)護時的測試結(jié)果。采用2種不同方法時的測試結(jié)果總體保持一致，即干燥養(yǎng)護條件下的滲透性能優(yōu)于標準養(yǎng)護條件下的。

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混凝土毛細管吸附、阻銹劑濃度差及低蒸氣壓組分的揮發(fā)擴散等方式積累遷移至到混凝土內(nèi)部[6-7]。毛細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)護時處于非飽和狀態(tài)，毛細孔中的自由水含量急劇降低，毛細管吸收作用占據(jù)主導(dǎo)地位，阻銹劑通過毛細管吸附迅速進入混凝土內(nèi)部。標準養(yǎng)護時，混凝土毛細管中充滿自由水，此時濃度差作用下的擴散作用為遷移滲透的主要途徑，其效果不及毛細吸附作用，因而標準養(yǎng)護時的遷移性不及干燥養(yǎng)護時的。

2.4 養(yǎng)護條件對混凝土氯離子遷移系數(shù)的影響

采用RCM法測試不同養(yǎng)護條件下空白組和試驗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)護條件對混凝土氯離子遷移系數(shù)的影響

由表5可見：不同養(yǎng)護條件下試驗組的氯離子遷移系數(shù)比均小于100%，且標準養(yǎng)護下的氯離子遷移系數(shù)比小于干燥養(yǎng)護的。2種不同養(yǎng)護條件下試驗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，帶有電負性的氮原子增加，RCM試驗中帶有電負性氯離子在電極的作用下向混凝土內(nèi)部遷移[8]。當遇到帶有相同電負性的氮原子時滲透過程必然受阻，進而減小了氯離子滲透深度。試塊標準養(yǎng)護比干燥養(yǎng)護時的氯離子遷移系數(shù)比略小，其主要是因為電負性排斥作用達到極限時，混凝土自身水化程度對結(jié)果產(chǎn)生微弱的影響，而一直標準養(yǎng)護的混凝土相較于干燥養(yǎng)護水化更加完全，因此標準養(yǎng)護時氯離子遷移系數(shù)更小些。

3 結(jié)論

（1）遷移性阻銹劑涂覆于混凝土表面對不同齡期標準養(yǎng)護混凝土的強度無負面影響，對應(yīng)的7、28、60、90 d抗壓強度比分別為104%、102%、105%、102%。

（2）采用納氏試劑分光光度法測試氨氮濃度來表征混凝土的滲透性能，結(jié)果表明，隨著養(yǎng)護齡期的延長，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時氨氮濃度達到最大，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結(jié)果規(guī)律一致，即干燥養(yǎng)護條件下遷移性阻銹劑的滲透性能優(yōu)于標準養(yǎng)護條件下的。

（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。