表面疏水劑對混凝土中水和氯離子滲透效果的研究

董建忠

(新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域管理局信息中心，新疆 庫爾勒 841000)

0 引言

近年來，鋼筋腐蝕導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)快速劣化[1]，世界各地均投入大量資源進(jìn)行修復(fù)[2]。已有研究針對密封劑和其他混凝土表面處理材料的有效性進(jìn)行評估[3]。

疏水浸漬的影響在混凝土外觀上較為有限，主要是對其毛細(xì)吸水性能產(chǎn)生抑制作用。疏水劑主要用于暴露在環(huán)境條件下的混凝土垂直表面，其在經(jīng)過6個月的混凝土垂直表面上的有效期可達(dá)10年以上。然而，其長期效率可能在年輕混凝土上難以實現(xiàn)。疏水浸漬產(chǎn)品的形成通常需要至少28d或更長時間，且在使用疏水劑時，必須避免高溫、低溫、高空氣濕度和高建筑元件濕度等不利條件。然而，疏水劑的應(yīng)用條件尚需進(jìn)一步研究，以避免應(yīng)用不足的問題。

本研究的主要目標(biāo)是探討疏水劑對混凝土運輸機制的影響，這些信息對工程師制定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的防護(hù)策略至關(guān)重要。此外，研究也揭示了涂層數(shù)量對疏水劑防護(hù)效果的影響。

1 材料與方法

1.1 疏水劑作用機制及要求

疏水劑會形成硅樹脂，并與混凝土基體發(fā)生化學(xué)結(jié)合[4]。常用的是硅烷、硅氧烷低聚物和這2種組分的混合物。硅氧烷(烷氧基硅)是無色的疏水劑，耐久性好，不易去除。疏水劑的性能因其固含量和基材孔隙率而異。在化學(xué)角度上，硅烷由一個硅原子組成，而硅氧烷是由幾個硅原子組成的短鏈，其中的分子帶有與硅原子相連的烷氧基，能與混凝土中的硅酸鹽反應(yīng)，形成穩(wěn)定的鍵。

鋼筋的腐蝕受環(huán)境濕度和氧氣供應(yīng)影響，疏水劑的關(guān)鍵功能是降低混凝土吸水性，其效能需在多年時間周期內(nèi)持續(xù)發(fā)揮。因此，疏水劑充分滲透混凝土是至關(guān)重要的[5]。此外，生產(chǎn)密度更大、抵抗力更強的混凝土需要能夠容易穿透混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。

1.2 材料

基板的混凝土采用礦渣改性硅酸鹽水泥。粗骨料是一種致密的碎花崗石。細(xì)骨料為天然硅質(zhì)砂。本研究中使用的混凝土比例為1.0(硅酸鹽水泥)：1.8(細(xì)骨料)：2.7(粗骨料)，水/水泥比等于0.52。該基板在水中固化28d后，其抗壓強度為32MPa。砂漿含量(a)為51%，水泥消耗量(C)為358kg/m3。

所使用的表面疏水劑是硅烷/硅氧烷基產(chǎn)品。一種分散在水中，另一種分散在溶劑中，具體信息見表1。

表1 關(guān)于所研究的產(chǎn)品的數(shù)據(jù)

使用保護(hù)產(chǎn)品之前，將樣品在100℃的通風(fēng)烘箱中干燥至恒定質(zhì)量。然后在應(yīng)用產(chǎn)品之前將它們保存在實驗室中冷卻。

1.3 試驗步驟

用作疏水劑應(yīng)用基質(zhì)的樣品為圓柱形(直徑10cm，長20cm)，在相對濕度為100%的濕室中固化91d。養(yǎng)護(hù)期的選擇是為了消除在暴露于水的試樣中可能發(fā)生的額外養(yǎng)護(hù)的影響，這會影響到控制序列。根據(jù)指導(dǎo)方針，2次應(yīng)用之間的等待時間為6h，測試在7d后執(zhí)行。

1.3.1 浸漬吸收

本試驗按照DB37/T 4383—2021《水利工程質(zhì)量檢測管理規(guī)范》規(guī)范進(jìn)行。在樣品上涂上2種硅烷/硅氧烷基疏水劑。試驗受體的水位固定在25cm，保證其水壓變化在250kgf/m2(底部)和50kgf/m2(頂部)之間。

其次是將標(biāo)本保存在相對濕度為70%±3%，溫度為21℃±2℃的嚴(yán)格控制環(huán)境中。主要目標(biāo)是觀察樣品是否具有阻止水分從混凝土中逸出的能力。

1.3.2 毛細(xì)吸水

該試驗按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9966.13—2021《天然石材試驗方法 第13部分：毛細(xì)吸水系數(shù)的測定》，采用高20cm、直徑10cm的圓柱形試樣。標(biāo)本的側(cè)面用3cm高的硅密封，只暴露1個圓形的表面在水里。在與水接觸時間內(nèi)(0～96h)監(jiān)測試樣的重量，并設(shè)置保護(hù)材料的涂層數(shù)量為1～4。

1.3.3 氯化物擴散系數(shù)的估算

該計算方法基于使用0.1M AgNO3溶液測量混凝土表面在氯化物流動方向上的顏色變化深度[6]，并在遷移試驗中應(yīng)用式(1)。

(1)

式中，D—擴散系數(shù)，cm2/s；R—氣體常數(shù)，J/mol K；T—溫度，K；z—離子的價態(tài)；F—法拉第常數(shù)，J/V mol；E—場密度，V/m；xd—穿透深度，m；t—測試時間，s；a、b—測試常數(shù)。對于氯離子，當(dāng)E=-600V/m，T=298K時，z=-1。則a=1.061，b=0.589。

通過鋸割圓柱形試樣的中間部分，獲得厚度為50mm的切片，并在100℃的烤箱中保存。在試件表面涂上保護(hù)材料，施加保護(hù)7d后進(jìn)行飽和試驗。將50mm厚的薄片放置在2個丙烯酸電池之間，2個反應(yīng)器分別充滿0.3N的NaOH溶液和3.0%NaCl溶液，連接30v電源并維持30h。加速氯化物遷移測試電池的示意圖如圖1所示。

圖1 氯離子加速遷移試驗池的示意圖

2 結(jié)果和討論

2.1 浸漬吸收

如圖2所示，分散在水中的硅烷/硅氧烷并沒有提高混凝土的防濕能力。分散在溶劑中的硅烷/硅氧烷延緩了水的滲透，但96h后飽和度與對照組相同。當(dāng)某鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承受250kgf/m2的水壓時，疏水產(chǎn)品不適用。經(jīng)過處理的混凝土分散在水中的結(jié)果在統(tǒng)計上是相同的，用溶劑分散的疏水混凝土浸漬3d后，其結(jié)果與對照混凝土的結(jié)果在統(tǒng)計學(xué)上相等。

圖2 涂覆2種疏水劑的未處理和處理混凝土表面的浸漬吸水率

在浸漬吸收試驗結(jié)束時，對照試樣和2種硅烷/硅氧烷類疏水劑處理的試樣的滲透水量幾乎相同。因此，還比較了在相對濕度為70±3%，溫度為21±2℃時環(huán)境中的水分損失，如圖3所示。本研究中使用的硅烷/硅氧烷基疏水劑符合混凝土水分蒸發(fā)量必須為未經(jīng)處理的混凝土的60%。這證明了疏水劑不會阻塞混凝土表面的孔隙，使水蒸氣形式的水進(jìn)入和離開處理過的混凝土。

圖3 涂覆兩種疏水劑的未處理和處理混凝土表面的水分干燥損失率

2.2 毛細(xì)吸水

如圖4所示，顯示了毛細(xì)管吸水試驗的結(jié)果，表明硅烷/硅氧烷基疏水表面劑在通過毛細(xì)管吸水滲透時具有顯著的影響。此外，分散在溶劑中的疏水劑的處理效率更高。采用雙因素方差分析模型對結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計分析。硅烷/硅氧烷分散在溶劑中的優(yōu)越性可以解釋為該產(chǎn)品較低的粘度。粘度較低的液體更容易被混凝土的孔隙吸收，并提供更有效的保護(hù)。

圖4 涂覆2種疏水劑的未處理和處理混凝土表面的毛細(xì)吸水率

本研究進(jìn)一步證明了疏水表面劑的效率，見表2。

表2 處理后和未處理的混凝土試樣的吸附率(24h的測量值)

表2顯示了在這項工作中測試的疏水表面劑的效率的進(jìn)一步證據(jù)。這個表給出了吸附性的結(jié)果，它是單位面積和時間內(nèi)滲透的水的體積。在本工作中，計算吸附率的時間為24h，這是該領(lǐng)域采用最廣泛的時間段。吸附率是由進(jìn)水表面單位面積的累計吸收率與時間的平方根的斜率經(jīng)驗得出的。根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)，利用式(2)計算處理后和未處理混凝土的吸附率。

(2)

式中，Vw—試樣吸水體積，mm3；Ac—各試樣的截面積，mm2；t—暴露時間，h。

表2顯示，表面疏水劑的使用大大降低了吸附率。分散在水中和溶劑中的硅烷/硅氧烷的吸附率分別降低了2.12倍和7.0倍，這一結(jié)果可以解釋為水滴與處理后的混凝土表面接觸角的增加，這說明疏水劑降低了毛細(xì)管吸水勢。如圖5—6所示，顯示了硅水劑在一段時間內(nèi)的毛細(xì)管吸水曲線，結(jié)果表明隨著涂層數(shù)量的增加，吸水性降低，其可靠性為99%。需要強調(diào)的是，2種疏水劑涂層與同一試劑的一個涂層相比，沒有統(tǒng)計學(xué)上的顯著優(yōu)勢。此外，該產(chǎn)品的3個和4個涂層的結(jié)果與圖5—6相同。綜上，該疏水劑的3層以上應(yīng)用沒有任何優(yōu)勢。

圖5 不同涂層數(shù)下的毛細(xì)吸水率(分散在水中的硅烷/硅氧烷)

圖6 不同涂層數(shù)下的毛細(xì)吸水率(分散在溶劑中的硅烷/硅氧烷)

2.3 氯化物擴散系數(shù)

在混凝土表面應(yīng)用疏水劑可以降低氯擴散系數(shù)(如圖7所示)，但這種影響只與擴散有關(guān)，不包括吸收污染水導(dǎo)致的氯離子滲透。這種表面處理主要是減少了可能被氯離子污染的水的滲透率，而不是抑制氯離子的穿透。分散在溶劑中的硅烷/硅氧烷效率大于分散在水中的硅烷/硅氧烷，最大滲透率是由于前者粘度較低(表1)。

圖7 未處理和已處理混凝土表面的表觀氯離子擴散系數(shù)(Dapp)

2.4 測試類型間的結(jié)果比較

本研究比較了2種測試結(jié)果，與預(yù)期相同，毛細(xì)管吸收試驗與浸沒試驗之間的相關(guān)性并不高(r2=0.52)。這可以解釋為前者是由毛細(xì)吸力控制，而后者是滲透率(如圖8所示)。因此，可以認(rèn)為這些機制是不同的。

圖8 浸漬吸收(96h)與毛細(xì)吸水(96h)的關(guān)系

3 結(jié)語

本研究通過研究浸漬和毛細(xì)吸水機制，得出：①在毛細(xì)吸力下，表面疏水劑對于水滲透具有顯著的抑制效果。然而，疏水劑的能力通常不足以阻止在高壓下水的滲透。②硅烷/硅氧烷在水中的分散比在溶劑中更能有效地降低水的滲透性。疏水處理的主要效果是降低混凝土的吸附率，水中和溶劑中的硅烷/硅氧烷分別降低了2.12倍和7.0倍。③疏水劑降低了擴散系數(shù)，但幅度卻相對較小(水中和溶劑中的硅烷/硅氧烷分別為11%和17%)。

在本研究的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步對疏水劑持久性效果的實際影響進(jìn)行研究。