硅烷抗水劑在混凝土防護(hù)中的應(yīng)用

崔 巍

(黑龍江省交通科學(xué)研究所)

0 前言

水泥混凝土橋梁和路面在公路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展上起到了巨大的作用，但同時(shí)也出現(xiàn)了一些技術(shù)和質(zhì)量問(wèn)題，主要是耐久性不足造成的路面、橋面早期損壞問(wèn)題，而且這些問(wèn)題在近幾年已經(jīng)突出地?cái)[在世人面前。橋梁的主要病害是混凝土裂縫、表面開(kāi)裂與剝蝕、骨料與鋼筋裸露、鋼筋銹蝕、混凝土碳化等。橋梁病害中多發(fā)且危害最大的是橋墩水位變化區(qū)域混凝土剝落和鋼筋銹蝕。水泥混凝土路面的主要病害體現(xiàn)為有的面層局部發(fā)生裂紋、起皮、麻面、坑洞等損壞，有的是縱橫向裂縫、交叉裂縫和板角裂縫等，影響路面通車(chē)質(zhì)量。尤其是在氣候嚴(yán)寒、水文地質(zhì)條件不良地區(qū)，其早期損壞現(xiàn)象更為嚴(yán)重影響混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的主要內(nèi)在因素有很多，諸如鋼筋銹蝕、混凝土堿集料反映和混凝土凍融循環(huán)損壞等等。這些破壞過(guò)程都少不了水的存在和參與，即水的侵蝕。黑龍江省地處高緯度、嚴(yán)寒地區(qū)，受到冰凍作用的程度更為強(qiáng)烈，因此防水技術(shù)問(wèn)題造成的橋梁結(jié)構(gòu)的早期損壞問(wèn)題更為嚴(yán)重。

可見(jiàn)，混凝土防水，對(duì)路面和橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能，尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性的影響，起著至關(guān)重要的作用。混凝土防水是結(jié)構(gòu)防腐的第一道屏障，有了防水屏障，就會(huì)大幅改善橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全性，從而大大提高結(jié)構(gòu)的耐久性。作為國(guó)家交通運(yùn)輸體系重要組成部分的路面和橋梁結(jié)構(gòu)，其耐久性和安全性迫切需要加以改善。因此，做好混凝土的防水防護(hù)意義重大，針對(duì)黑龍江省寒冷地區(qū)，開(kāi)展混凝土防水技術(shù)的研究，并將此項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際工程中加以應(yīng)用，符合黑龍江省公路建設(shè)的需要，同時(shí)也符合“預(yù)防性養(yǎng)護(hù)”新思維。

1 硅烷浸漬技術(shù)簡(jiǎn)介

“硅烷浸漬”就是將無(wú)色、透明、無(wú)味、滲透型的硅烷混凝土保護(hù)劑產(chǎn)品，均勻地噴涂到水泥混凝土表面，憑借先進(jìn)的科技與質(zhì)量，不僅能防水、防凍融循環(huán)對(duì)混凝土的持續(xù)性損害，而且還能抵御氯離子(除冰鹽，融雪劑)的侵蝕，極大地延長(zhǎng)了寒冷環(huán)境下混凝土的使用壽命。這種方法已被很多重大工程所采用，俗稱(chēng)“硅烷浸漬”。據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，用硅烷抗水劑浸漬混凝土，只要施工得當(dāng)，滲透層(DOP)可達(dá)2.0 mm以上，混凝土使用壽命可延長(zhǎng)8～10年。

硅烷抗水劑的活性化學(xué)成分為異丁基—三乙氧基硅烷，公路及橋梁工程專(zhuān)用型為JC-9802型。這種硅烷抗水劑產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是。

產(chǎn)生憎水性，抑制水分滲入基體中，透氣性好，可調(diào)節(jié)濕度，紫外線穩(wěn)定，減少體積變形，增加處理層的使用壽命，小分子結(jié)構(gòu)，深入滲透到混凝土內(nèi)部，不會(huì)改變混凝土的外觀和顏色，優(yōu)異的抗氯離子能力，耐酸堿腐蝕，減少由于凍融和風(fēng)化產(chǎn)生的開(kāi)裂和剝落，從而提高基材的使用壽命。

至今為止，應(yīng)用過(guò)硅烷抗水劑的工程包括:美國(guó)匹茲堡鋼鐵大廈、美國(guó)宇航大廈;澳大利亞悉尼歌劇院混凝土結(jié)構(gòu)、澳大利亞TOWNSSVILLE碼頭;英國(guó)SEVERN大橋，英國(guó)M5伯明翰大橋;新加坡樟宜碼頭;臺(tái)灣高雄機(jī)場(chǎng)跑道工程等等。美國(guó)匹茲堡鋼鐵大廈使用道康寧有機(jī)材料歷經(jīng)40年，至今完好無(wú)損。美國(guó)宇航大廈于2002年建設(shè)時(shí)使用了道康寧防水系列產(chǎn)品(地下、屋面、混凝土養(yǎng)護(hù)、石材養(yǎng)護(hù)等)。芝加哥理工學(xué)院大廈防水工程施工失敗后，于1992年選用道康寧產(chǎn)品，至今使用完好。澳大利亞悉尼歌劇院混凝土結(jié)構(gòu)體使用道康寧抗水劑進(jìn)行了全面養(yǎng)護(hù)。

利用硅烷活性物質(zhì)的滲透性，并與混凝土基材中的堿性物質(zhì)作用，可以生成幾毫米至十幾毫米厚度的憎水薄膜，這層憎水薄膜在混凝基材表面以下，所以不會(huì)因噴涂而改變混凝土表面的外觀，也不會(huì)因表面磨損而破壞防水薄膜，從而提高混凝土表面的防水、抗?jié)B能力，進(jìn)而提高混凝土的抗凍融能力，防止氯離子對(duì)混凝土的損害，抵御除冰鹽、融雪劑對(duì)公路混凝土路面的鹽腐蝕破壞，增加混凝土的耐久性，有效地延長(zhǎng)高寒地區(qū)混凝土公路的使用壽命，降低其維護(hù)成本。

2 硅烷抗水劑使用性能室內(nèi)試驗(yàn)研究

室內(nèi)試驗(yàn)采用濃度為20%的硅烷對(duì)混凝土表面進(jìn)行處理，開(kāi)展?jié)B透深度、氯離子吸收量降低、氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)。

2.1 硅烷滲透深度試驗(yàn)

隨著時(shí)間的推移，混凝土表面的硅烷能夠逐步滲入到混凝土內(nèi)部一定深度。硅烷在混凝土中的滲透試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 硅烷滲透深度

硅烷在混凝土中的滲透深度與混凝土的強(qiáng)度等級(jí)有關(guān)，強(qiáng)度等級(jí)越高滲透深度越低，這主要是強(qiáng)度高的混凝土具有較低的水灰比，其內(nèi)部的孔隙數(shù)量較少，故滲透深度相對(duì)較低。

2.2 氯離子吸收量降低率試驗(yàn)

混凝土試件涂刷硅烷前后的氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 涂刷硅烷前后混凝土的氯離子吸收量降低率

通過(guò)表2可以看出，混凝土在涂刷硅烷后，氯離子吸收量均有大幅度的降低，降低率均在93%以上。

2.3 氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)

混凝土試件涂刷硅烷前后的氯離子擴(kuò)散系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 涂刷硅烷前后混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，混凝土在涂刷硅烷后，氯離子擴(kuò)散系數(shù)均降低，約降低42% ～48%。

以上兩項(xiàng)試驗(yàn)表明，涂刷硅烷的混凝土，可以有效抵抗氯鹽的侵蝕作用。

2.4 混凝土抗鹽凍試驗(yàn)

涂刷硅烷后混凝土的在氯化鈉溶液中的凍融次數(shù)見(jiàn)表4。

表4 涂刷硅烷后混凝土的在氯化鈉溶液中的凍融次數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在涂刷硅烷后混凝土的抗鹽凍能力有大幅度的提高。

3 硅烷抗水劑實(shí)體工程應(yīng)用

在實(shí)體工程應(yīng)用過(guò)程中，分別對(duì)路面和橋面、墩柱混凝土的防水效果進(jìn)行了研究。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)噴涂混凝土滲入深度試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)兩個(gè)冬季之后，對(duì)訥克公路試驗(yàn)路路面、橋面、橋梁墩柱的硅烷滲透深度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。平均滲透深度檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 路面、橋面、墩柱水泥混凝土中硅烷平均滲透深度 mm

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，硅烷可通過(guò)混凝土表面，以不同程度滲入到混凝土內(nèi)部，從而提高混凝土的抗水能力，延長(zhǎng)混凝土抗水損害的時(shí)間，提高混凝土的耐久性。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)噴涂路面混凝土吸水率試驗(yàn)

水泥路面、收費(fèi)站路面現(xiàn)場(chǎng)噴涂混凝土吸水率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

硅烷處理后的混凝土，吸水率有所降低，說(shuō)明硅烷可以有效防止水分侵入混凝土內(nèi)部，避免造成強(qiáng)度降低，從而達(dá)到較好的防水、抗水效果，提高混凝土材料的耐久性。

通過(guò)照片對(duì)比可以看出，未經(jīng)硅烷處理的水泥路面，表面灑水后，水分立即滲入到混凝土空隙中，經(jīng)過(guò)硅烷處理的水泥路面，表面水分形成漫流，不會(huì)滲入到混凝土內(nèi)部，具有良好的防水效果。

表6 噴涂硅烷的水泥混凝土路面吸水率

3.3 橋面欄桿基座損壞情況

同樣暴露于自然環(huán)境，經(jīng)硅烷處理的“聯(lián)眾橋”橋面及人行道混凝土雖經(jīng)歷兩個(gè)冬季的冰凍作用，其混凝土表面狀況仍比較完好，無(wú)嚴(yán)重脫落現(xiàn)象。而處于同樣條件的另一側(cè)未經(jīng)硅烷處理的人行道混凝土，則明顯出現(xiàn)表層剝落現(xiàn)象。

4 結(jié)論

室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的結(jié)果表明，采用硅烷抗水劑對(duì)路面和橋梁混凝土表面進(jìn)行噴涂處理，可以取得良好的防水、抗水效果，降低吸水率。硅烷抗水劑有利于提高混凝土的抗凍性、改善混凝土的路用性能，特別是耐久性。硅烷抗水劑的使用可以有效降低氯離子的吸收和擴(kuò)散，提高抗鹽凍能力，保護(hù)水泥混凝土不受凍融、鹽凍以及鹽腐蝕的效果，有利于路面、橋梁混凝土的冬季養(yǎng)護(hù)，能夠有效延長(zhǎng)混凝土的使用壽命。利用硅烷處理水泥路面、橋面以及橋梁下部結(jié)構(gòu)，可以有效提高混凝土抵抗惡劣自然環(huán)境的能力，抑制混凝土病害的發(fā)生，降低混凝土表面損壞的發(fā)生率。為保證硅烷處理的效果，施工時(shí)須采取措施，保證所用材料合理、配比準(zhǔn)確、施工工藝合理，并應(yīng)在合適的氣候條件施工。建議氣溫較低，風(fēng)速較大時(shí)不進(jìn)行硅烷噴涂施工。

總之，使用硅烷抗水劑，有利于提高水泥路面和橋梁混凝土的綜合使用性能，適用于公路、橋梁工程建設(shè)和養(yǎng)護(hù)。