不同含水率條件下路面疏水混凝土凍融循環(huán)性能研究

摘 要：為了研究路面疏水混凝土在凍融循環(huán)條件下是否滿足工程需求，本文在不同含水率條件下，通過對不同材料處理的混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，對混凝土性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，硅烷應(yīng)用于干混凝土表面時，混凝土的吸水率最小，質(zhì)量損失最?。还柰閼?yīng)用于完全飽和混凝土表面時，質(zhì)量損失最大。醋酸鈉應(yīng)用于含水率為2%、4%的混凝土和完全飽和混凝土?xí)r，混凝土的吸水率最小，混凝土質(zhì)量損失＜4%。當(dāng)醋酸鈉應(yīng)用于完全干燥的混凝土?xí)r，質(zhì)量損失＞5%。以上研究可為類似混凝土工程提供參考。

關(guān)鍵詞：疏水混凝土；質(zhì)量損失；含水率；凍融循環(huán)

中圖分類號：TU 52" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

如何延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命一直是國內(nèi)、外研究人員和行業(yè)管理人員關(guān)注的問題。目前，許多研究嘗試通過改變混凝土的成分或使用不同類型的添加劑、外加劑來提高混凝土的耐久性。因此，疏水材料被用作表面浸漬劑，以控制由水和腐蝕性化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入引起的混凝土劣化。本文在不同含水量條件下，對不同材料處理的混凝土在水中進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，分析了混凝土在1080次凍融循環(huán)下的質(zhì)量損失率和凍融循環(huán)結(jié)束后的吸水率。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)的混凝土采用水泥、粗骨料、細(xì)骨料和水?dāng)嚢瓒桑酁镻.O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥中硫酸鹽＜3.5%，氯化物＜0.10%，初凝時間約75min。粗骨料為粒徑為20mm的花崗巖碎石，細(xì)骨料為0.5mm～1mm的中砂，水為生活用水。混凝土的配合比為水泥462kg/m3，粗骨料1069kg/m3，細(xì)骨料658kg/m3，水205kg/m3。

試驗(yàn)采用4種材料用于混凝土保護(hù)，分別為含氟聚合物、硅樹脂、醋酸鈉和溶劑型硅烷。其中含氟聚合物主要由氟組成，氟可使材料具有疏水性能。含氟聚合物的功效主要取決于氟基團(tuán)的形成，這些氟基團(tuán)排列在混凝土的孔隙中，并賦予它們排斥水的能力。試驗(yàn)使用的硅樹脂具有較高疏水性，將其應(yīng)用于混凝土?xí)a(chǎn)生較明顯的疏水效果。當(dāng)醋酸鈉溶液浸泡到混凝土表面時，醋酸鈉溶液中的醋酸鈉化合物吸收孔隙中的水，并在表面形成晶體，這些晶體覆蓋毛孔，并排斥混凝土中吸收的水。試驗(yàn)將溶劑型硅烷應(yīng)用于混凝土表面，并將其作為參考，與其他3種保護(hù)材料進(jìn)行性能比較。將混凝土制成長×寬×高分別為100mm×100mm×100mm的試塊，共制備72個，將制備好的試塊放在22℃的水中浸泡28d，保持水的恒定溫度為22℃，浸泡結(jié)束后取出放在烤箱里，將混凝土內(nèi)部毛孔的水分烘干。試驗(yàn)開始前，將制備好的64個混凝土試塊進(jìn)行不同含水量的預(yù)處理，其含水量分別為完全干燥、含水量2%和4%。經(jīng)過預(yù)處理后，采用醋酸鈉、含氟聚合物、硅樹脂和硅烷對混凝土進(jìn)行浸泡處理，再將剩余的8個混凝土試件作為試驗(yàn)對照，將試驗(yàn)結(jié)果與處理后的混凝土進(jìn)行比較。為確保凍融試驗(yàn)精確，試驗(yàn)分2組進(jìn)行，每組分配36個混凝土試件，試驗(yàn)完成后取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

1.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用水中凍融方法，將混凝土試件浸泡在水中，放置在環(huán)境測試箱中，將溫度調(diào)節(jié)在-10℃～6℃，以4小時作為一次凍融循環(huán)過程，進(jìn)行6個月，共1080次凍融循環(huán)，在完成1080個循環(huán)后，對所有樣品的質(zhì)量進(jìn)行檢查，確定暴露于凍融前后的質(zhì)量變化，其溫度-時間變化如圖1所示。凍融試驗(yàn)結(jié)束后，通過對損壞的試件進(jìn)行測試，可得混凝土試件在免受水滲透情況下的吸水率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水中凍融循環(huán)下混凝土的質(zhì)量損失

在水中進(jìn)行1080次凍融循環(huán)后，測量所有混凝土試件的質(zhì)量變化。根據(jù)測量數(shù)據(jù)可得所有預(yù)處理混凝土在1080次循環(huán)后的質(zhì)量百分比如圖2所示。

在不同水分含量條件下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，所有經(jīng)過處理和未經(jīng)處理的混凝土的質(zhì)量損失率均逐漸增大。在6個月的凍融循環(huán)下，未處理的混凝土的質(zhì)量損失率最大。硅烷應(yīng)用于干混凝土表面時（圖2（a）），與其他處理后的混凝土試件相比，其損傷最小，質(zhì)量損失最大為3.9%。由此可知，干混凝土對硅烷的排斥率是最小的，這種特性能讓硅烷更深地滲透孔隙中并加強(qiáng)孔隙結(jié)構(gòu)。硅烷的活性成分，即硅醇基團(tuán)的形成需要較低的水分含量或沒有水分才能被激活，然后與毛孔形成強(qiáng)有力的聯(lián)系，這種情況有效體現(xiàn)了硅烷在干燥混凝土中的抗劣化性能。

根據(jù)圖2（a）～圖2（d）可知，采用硅烷對混凝土處理前，增加混凝土的含水率會降低凍融循環(huán)中硅烷防止混凝土劣化的功效。當(dāng)硅烷應(yīng)用于完全飽和混凝土?xí)r，孔隙中活性含量缺失，混凝土的質(zhì)量率損失最大，接近其他未處理的混凝土。硅烷中烷氧基的存在使其具有疏水性，能較好地與孔隙中的硅酸鹽反應(yīng)，并與混凝土建立穩(wěn)定的粘結(jié)。由于混凝土中存在大量的水，并且烷氧基具有疏水性，因此硅烷與混凝土間的結(jié)合越發(fā)困難，在凍融條件下，其破壞程度較其他混凝土嚴(yán)重。當(dāng)醋酸鈉應(yīng)用于高含水量的混凝土?xí)r，能為混凝土提供高水平的保護(hù)，當(dāng)醋酸鈉應(yīng)用于含水率為2%、4%的混凝土和完全飽和混凝土?xí)r，混凝土質(zhì)量損失＜4%，當(dāng)醋酸鈉應(yīng)用于完全干燥的混凝土?xí)r，質(zhì)量損失為5%以上，原因是它的主要成分醋酸鈉需要一定量的水才能形成活性晶體。含氟聚合物和硅樹脂材料在所有飽和水平上都遵循類似趨勢，平均性能介于乙酸鈉和硅烷之間。在將氟聚合物和硅樹脂應(yīng)用于干燥混凝土的情況下，用含氟聚合物處理的混凝土破壞程度較小。當(dāng)硅樹脂應(yīng)用于完全飽和混凝土?xí)r，性能優(yōu)于含氟聚合物，在與混凝土的相互作用機(jī)制下，利用水分的作用，硅樹脂可強(qiáng)烈地粘附在孔隙上。

2.2 水中凍融循環(huán)下混凝土的吸水率

完成1080次水凍融循環(huán)后，測試混凝土試件的吸水性。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，可得所有預(yù)處理混凝土在1080次循環(huán)影響后的吸水率，如圖3所示。

由圖3可知，凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后，混凝土的吸水率明顯增大。隨著時間增加，吸水率逐漸降低。當(dāng)硅烷應(yīng)用于干燥混凝土?xí)r，經(jīng)凍融沖擊后，硅烷對混凝土吸水率的保護(hù)率最高。當(dāng)硅烷被應(yīng)用于干燥的混凝土表面時，硅烷中與硅原子結(jié)合的烷氧基會與已經(jīng)存在于混凝土中的硅酸鹽發(fā)生反應(yīng)，強(qiáng)烈附著在孔隙中。由于凍融試驗(yàn)中存在結(jié)垢效應(yīng)，因此硅烷仍能對混凝土提供良好的保護(hù)，與未處理的混凝土相比，處理后的保護(hù)率提高了88%，證明了硅烷應(yīng)用于干燥表面時的高滲透深度。當(dāng)硅烷應(yīng)用于水分含量為2%的混凝土試件時，硅烷在防護(hù)水平上已表現(xiàn)出高度不足，其中吸水率明顯增加。硅烷應(yīng)用于完全飽和的混凝土?xí)r，保護(hù)水平為最低，原因是硅烷與混凝土間的結(jié)合在水的存在下很難實(shí)現(xiàn)。飽和混凝土中硅烷的滲透深度較小，結(jié)垢發(fā)生后，硅烷對混凝土的保護(hù)率會降低[1]。

由圖3（a）～圖3（d）可知，鑒于醋酸鈉對水的高親和力，將其應(yīng)用于含水率為2%、4%的混凝土和含水飽和混凝土?xí)r，可以顯著降低老化混凝土的吸水率。與其他材料處理的混凝土和未處理的混凝土相比，經(jīng)醋酸鈉處理后的混凝土表現(xiàn)出高水平的耐水性能。形成的醋酸鈉晶體吸收已經(jīng)存在的水分，與混凝土形成氫鍵，并在孔隙中正確連接[2]。而完全干燥的混凝土中缺乏水分，這種粘結(jié)的形成過程將停止，醋酸鈉的保護(hù)效果會降低。硅樹脂需要孔隙內(nèi)的一些水分才能較好地粘附在混凝土上，含水率增至2%以上時，硅樹脂比硅烷和未處理混凝土的性能更好，孔隙內(nèi)硅樹脂的存在有助于增強(qiáng)孔隙強(qiáng)度，并減少由孔隙內(nèi)水的膨脹產(chǎn)生的裂縫[3]。經(jīng)含氟聚合物處理的混凝土在不同的飽和水平下均表現(xiàn)出較好的抗凍性，在干燥表面上的性能略好。含氟聚合物在水分存在的情況下會降低材料與混凝土的粘附。

3 結(jié)論

本文在不同含水量條件下，在水中對不同材料處理的混凝土進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)，分析了混凝土在1080次凍融循環(huán)下的質(zhì)量損失率和凍融循環(huán)結(jié)束后的吸水率，得出以下4個結(jié)論。1）在不同水分含量條件下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，混凝土的質(zhì)量損失率均逐漸增大。硅烷應(yīng)用于干混凝土表面時，與其他處理后的混凝土相比，質(zhì)量損失最小。硅烷應(yīng)用于完全飽和混凝土表面時，與其他處理后的混凝土相比，質(zhì)量損失最大。2）醋酸鈉應(yīng)用于含水率為2%、4%的混凝土和完全飽和混凝土?xí)r，混凝土質(zhì)量損失＜4%，醋酸鈉應(yīng)用于完全干燥的混凝土?xí)r，質(zhì)量損失為5%以上。硅樹脂應(yīng)用于完全飽和混凝土?xí)r，其性能優(yōu)于含氟聚合物。3）凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后，混凝土的吸水率明顯增大，隨著時間增加，吸水率逐漸降低。硅烷被應(yīng)用于干燥的混凝土表面時，混凝土的吸水率最小。硅烷應(yīng)用于水分含量4%和完全飽和的混凝土?xí)r，與其他處理后的混凝土相比，混凝土的吸水率最大。4）醋酸鈉應(yīng)用于含水率為2%、4%的混凝土和含水飽和混凝土?xí)r，混凝土的吸水率最小。含水率增至2%以上時，與硅烷處理的混凝土和其他未處理混凝土相比，硅樹脂吸水率較低。

參考文獻(xiàn)

[1]張麗靜.凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用下水工混凝土力學(xué)性能分析[J].黑龍江水利科技，2022，50（9）：43-45，58.

[2]王界元.凍融循環(huán)下巖粉改良水工混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2022，28（8）：115-118.

[3]劉桐渤.水工混凝土新型防護(hù)涂層抗凍融性試驗(yàn)研究[J].黑龍江水利科技，2022，50（4）：1-3，49.