清水混凝土保護劑對混凝土耐久性影響的試驗研究

張志增，李松凡，2，張云鵬，李 芳

（1.中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南鄭州 450007；2.鄭州亞新房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，河南鄭洲 450018；3.玉溪市江通高速公路有限公司，云南玉溪 653100）

0 引言

混凝土的應(yīng)用至今已有幾百年的歷史，早期由于水泥和混凝土的質(zhì)量較差，同時設(shè)計計算理論也不夠完善，其發(fā)展比較緩慢，直到19世紀(jì)末，各種試驗、理論、材料及施工技術(shù)等都有了極大地改善，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也在這段時間里開始應(yīng)用于建筑工程中。自20世紀(jì)中葉以來，發(fā)展中國家經(jīng)濟發(fā)展迅猛，世界范圍內(nèi)人口急劇增加，更進一步推動了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的迅猛發(fā)展，如今，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以其獨特的特點，已經(jīng)成為世界上絕大多數(shù)建筑的首選［1-2］。

然而現(xiàn)實中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因耐久性問題過早損壞的情況非常嚴(yán)峻，曾經(jīng)震驚世界的美國橋梁橋面損壞事件中發(fā)現(xiàn)，數(shù)以十萬計的混凝土橋梁面板，其中許多在不到20 a的時間里就出現(xiàn)了各種問題，根本達不到設(shè)計規(guī)定的壽命要求［3］。大量的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)過早地出現(xiàn)各種劣化引起了世界范圍內(nèi)對混凝土耐久性的關(guān)注［4-5］。盡管如此，由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料本身的特殊性，各種各樣的耐久性問題依然層出不窮，形勢十分嚴(yán)峻。

目前針對已經(jīng)成型的混凝土，越來越多的工程采用涂刷清水混凝土保護劑的方法來進行外保護，以增強其耐久性，清水混凝土保護劑的種類繁多，大量的工程實踐已經(jīng)證明了各種保護劑均能對混凝土耐久性產(chǎn)生有益影響，但是缺乏足夠的數(shù)據(jù)證明每種保護劑的具體性能，從而制約了清水混凝土保護劑的進一步發(fā)展，所以開展清水混凝土保護劑的性能評價十分有必要。

1 試驗原材料準(zhǔn)備

1.1 混凝土原材料

本研究所用水泥為鄭州天瑞水泥有限公司的P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)見表1。河砂：表觀密度2 600 kg/m3，堆積密度1 580 kg/m3，細度模數(shù)2.48，含泥量5.3%。碎石：5～20 mm連續(xù)級配，表觀密度2 890 kg/m3，堆積密度1 600 kg/m3，吸水率1.9%。外加劑：德國西卡牌減水劑，主要成分為聚羧酸鹽，減水率30%。

表1 P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥的性能指標(biāo)Table 1 The performance index of P.O 42.5 ordinary portland cement

1.2 配合比設(shè)計

參考《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，混凝土強度按C40配制，水灰比為0.5，經(jīng)過多次適配得到具體配合比，見表2。

表2 混凝土配合比 kg/m3Table 2 The mix proportions of concrete

1.3 清水混凝土保護劑

清水混凝土保護劑體系通常包括底漆、中間漆和面漆，由于中間漆的主要作用是調(diào)整色差和更好地銜接底漆和面漆，對混凝土耐久性本身提升不大，故本研究僅采用底漆加面漆的組合，所有試塊涂刷均為底漆兩層和面漆兩層。對市場上應(yīng)用較廣泛的清水混凝土保護劑體系進行調(diào)研后，最終遴選了如下體系：

丙烯酸類清水混凝土保護劑體系：采用QD丙烯酸樹脂透明保護劑底漆和QD丙烯酸樹脂透明保護劑面漆。

有機硅類清水混凝土保護劑體系：采用LB有機硅清水混凝土保護劑底漆和LB有機硅清水混凝土保護劑面漆。

氟碳類清水混凝土保護劑體系：采用QD氟碳樹脂透明保護劑底漆和QD氟碳樹脂透明保護劑面漆。

2 混凝土耐久性試驗方法及結(jié)果分析

2.1 試驗方法

混凝土的吸水率試驗參照J(rèn)C/T 902—2002《建筑表面用有機硅防水劑》進行；碳化試驗參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行；氯離子滲透性采用濃度5%的NaCl溶液，通過浸泡法進行測定。

2.2 吸水率試驗結(jié)果分析

將靜置完畢的涂層混凝土試件放入容器中開始吸水試驗，分別在0、2 h、4 h、6 h、12 h、24 h、48 h時取出試件，擦干進行稱重處理，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 混凝土吸水率的測定結(jié)果Figure 1 Test results of water absorption of concrete

由圖1可以見，所有混凝土試件在浸水8 h時的吸水率均基本趨于飽和，之后隨著浸水時間的延長，吸水率的增長速率放緩，涂刷清水混凝土保護劑體系后，均有效降低了混凝土的吸水率。當(dāng)浸水時間達到48 h時，涂刷氟碳類、有機硅類和丙烯酸類清水混凝土保護劑體系的混凝土試件的吸水率分別比基準(zhǔn)試件下降了78.9%、67.0%和45.1%，即氟碳類保護劑體系防水效果最好，有機硅類保護劑體系效果次之，丙烯酸類保護劑體系防水效果最差。其主要原因是氟碳類清水混凝土保護劑本身性能優(yōu)越，涂膜致密性遠高于丙烯酸類清水混凝土保護劑，從而可以有效阻止水分的侵入，而有機硅類清水混凝土保護劑本質(zhì)上為硅烷，硅烷可以滲透到混凝土內(nèi)部與水發(fā)生水解反應(yīng)從而在混凝土表面和內(nèi)部形成一層以Si—O—Si為主鏈的憎水層，可以有效地阻止水分的侵入，具備較好的防水效果。

2.3 碳化試驗結(jié)果分析

將靜置完畢的涂層混凝土試件放入碳化試驗箱中，分別在碳化3 d、7 d、14 d、28 d、56 d時，取出試件破型，測定其碳化深度，試驗結(jié)果見圖2。

由圖2可見，混凝土試件的碳化深度隨著碳化時間的延長而增加，所選3種清水混凝土保護劑體系均能顯著降低混凝土的碳化深度。當(dāng)碳化齡期達到56 d時，涂刷氟碳類、有機硅類和丙烯酸類清水混凝土保護劑體系的混凝土試件的碳化深度分別比基準(zhǔn)試件下降了65.3%、46.9%和20.4%，其中氟碳類清水混凝土保護劑體系抗碳化效果最好，有機硅類清水混凝土保護劑體系抗碳化效果次之，丙烯酸類清水混凝土保護劑體系抗碳化效果最差。主要原因是氟碳類和丙烯酸類清水混凝土保護劑體系均為表面成膜類保護劑，氟碳類清水混凝土保護劑的成膜致密性遠高于丙烯酸類保護劑，可以有效阻止氣體及水分進入混凝土內(nèi)部，從而大大降低CO2的碳化作用，故防碳化效果最好，而有機硅類清水混凝土保護劑由于其在混凝土表面及內(nèi)部生成的憎水層具備較好的防水效果和一定的抗碳化能力，所以其抗碳化能力同樣強于丙烯酸類清水混凝土保護劑。

圖2 混凝土的碳化深度Figure 2 The carbonization depth of concrete

2.4 氯離子滲透性試驗結(jié)果分析

將靜置完畢的混凝土試件放入容器中，倒入濃度5%的NaCl溶液浸泡，分別在30 d和60 d時取出試件，經(jīng)0.1 mol/L的AgNO3溶液顯色后得到的結(jié)果如圖3所示（為保證溶液濃度，每20 d更換一次溶液）。

圖3 混凝土的氯離子滲透深度Figure 3 Chloride ion penetration depth of concrete

由圖3可見，浸泡天數(shù)為30 d和60 d時，3種清水混凝土保護劑體系均降低了混凝土中氯離子的滲透深度。當(dāng)浸泡天數(shù)為60 d時，涂刷氟碳類、有機硅類和丙烯酸類清水混凝土保護劑體系的混凝土試件的氯離子滲透深度對比基準(zhǔn)試件分別降低了47.3%、44.1%和31.2%，其中有機硅類和氟碳類清水混凝土保護劑體系效果較好且彼此相差不大，丙烯酸類清水混凝土保護劑體系效果稍差。主要原因是，涂刷道數(shù)較少時，有機硅類清水混凝土保護劑由于其滲透性的特點不容易被破壞，較好地保護了混凝土免受氯離子的侵蝕，而氟碳類和丙烯酸類清水混凝土保護劑為表面成膜類保護劑，涂刷道數(shù)較少時容易被破壞導(dǎo)致效果下降。

3 結(jié)語

（1） 3種清水混凝土保護劑體系均能顯著降低混凝土的吸水率，其中氟碳類清水混凝土保護劑體系防水效果最好，有機硅類清水混凝土保護劑體系防水效果次之，丙烯酸類清水混凝土保護劑體系防水效果最差。

（2） 3種清水混凝土保護劑體系均能有效延緩混凝土的碳化速度，降低混凝土的碳化深度，其中氟碳類清水混凝土保護劑體系抗碳化效果最好，有機硅類清水混凝土保護劑體系抗碳化效果次之，丙烯酸類清水混凝土保護劑體系抗碳化效果最差。

（3） 3種清水混凝土保護劑體系均有效降低了混凝土中氯離子的滲透深度，其中有機硅類和氟碳類清水混凝土保護劑體系效果較好且相差不大，丙烯酸類清水混凝土保護劑體系效果較差。

綜上所述，3種清水混凝土保護劑體系均能有效提升混凝土的耐久性，與丙烯酸類清水混凝土保護劑體系相比，有機硅類和氟碳類清水混凝土保護劑體系效果更好，但是由于技術(shù)的局限性和造價等因素的影響，大多數(shù)工程還是采用價格更為便宜的丙烯酸類清水混凝土保護劑體系，效果更好的有機硅類和氟碳類清水混凝土保護劑體系并未得到大范圍推廣。