渗透型表面处理技术对混凝土性能的影响.pdf

2 0 1 1年 第 1 2期 ( 总 第 2 6 6期 ) N u mb e r 1 2 in2 0 1 1 ( To t a l No ． 2 6 6 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHN0LOGY d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ． 2 0 1 1 ． 1 2 ． 0 4 0 渗透型表面处理技术对混凝土性能的影响 李化建 1 _ ，易忠来 1 l 。谢永江 1 I ( 1 ． 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 1 0 0 0 8 1 ；2 ． 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 1 0 0 0 8 1 ) 摘要： 对比研究了液体硅烷 、 膏体硅烷以及渗透结晶材料等 3 种渗透型表面处理技术对混凝土抗压强度、 吸水率、 氯离子吸收降低率、 抗氯离子渗透性以及抗冻性的影响。 结果表明： 3 种渗透型表面处理技术对混凝土抗压强度略有提高， 对混凝土吸水率和氯离子吸收降低 率显著降低， 对混凝土抗氯离子渗透性显著提高， 即电通量降低。 液体硅烷与膏体硅烷表面处理技术对混凝土性能的改善程度相当， 优于 渗透结晶材料表面处理技术； 硅烷表面处理技术在一定程度上可以改善混凝土的抗冻性。 关键词： 渗透型；表面处理 ； 混凝土；硅烷；渗透结晶材料 中图分类号： T U 5 2 8 ．0 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 2 — 0 1 2 9 — 0 2 Effe c t s o f per me ab l e s urfac e t r ea t m e n t t e c hnol og y on c onc r et e per f or man c e L I Hu a -j i a n ． Y 7 Z h o n g - l a i 1 , 2 X ／ E Y o n g - j i a n g ’ ( 1 ． R a i l wa yE n g i n e e r i n gRe s e a r c hI n s t i t u t e ， Ch i n a Ac a d e myo f Ra i l w a yS c i e n c e ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ； 2 ． S t a t eK e y L a b o r a t o r yf o r T r a c kT e c h n o l o g y o f Hi g h S p e e dR ail w a y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Effe c t s o f t h r e e p e r me a b l e s u r f a c e t r e a t me n t t e c h n o l o g i e s ， l i q u i d s i l a n e ， p a s t e s i l a n e a n d c a p i l l a r y c r y s t a l l i n e ma t e ria l o n c o mp r e s s i v e s tre ng t h， wa t e r a b s o r p t i o n， d e b a s i n g r a t i o o f c h l o fid e i o ns a b s o rpt i o n， pe n e t r a t i o n r e s i s t a n c e o fc h l o rid e i o ns a n d a nt i — f r e e z e o fc o n c r e t e h a v e b e e n s tud i e d i n t h i s p a p e r ． Th e r e s u l t s s h o w t ha t t h e c o mp r e s s i v e s tre n g t h i s i mp r o v e d s l i g h t l y， t h e wa t e r a bs o r p t i o n and t h e de b a s i n g r a t i o o f c h l o r i d e i o n s a bs o rpt i o n a r e g r e a t l y r e d uc e d．Th e p e n e trati o n r e s i s t an c e of c h l o nd e i o n s i s i mp r o v e d ma r ke d l y wh i c h c a n be p r o v e d b y pass e d e l e c t r i c c h a r g e ．Th e i mpr o v e me n t o f l i q u i d s i l an e l i q u i d p e rm e a b l e s u rfa c e t r e a t me n t t e c h n o l o gy t o c o n c r e t e p e r f o rm anc e e q u a l s t o that o f p a s t e s i l an e pa s t e an d i s s u p e r i - o r t o that o f c a pi l l a r y c rys t all ine ． T h e p e rm e a b l e s u r f a c e tre a t me n t t e c h n o l o gy o f s i l a ne c a i 1 i mp r o v e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n ere t e t o s o me d e gre e ． Ke y wor ds ： p e rm e a b l e； s urf a c e tre a tm e n t ； c o nc r e t e； s i l a n e ； c a p i l l a r y c rys t a l l i n e ma t e ria l 0 引言 在严重腐蚀环境下 ， 仅靠提高混凝土保护层材料的质量 与厚度 ， 是无法保证混凝土结构在设计使用年限内安全服役 的， 必须采取一种或多种防腐蚀强化措施[ 1 ] 。 国内外海洋工程 实践表明【2 _ 7 】 ， 渗透型表面处理技术是提高严重腐蚀环境下混 凝土结构耐久性较为有效的技术途径。 以硅烷为代表的表面 处理技术最早纳入到我国海工规范 ， 即 J T J 2 7 5 《 海港工程混 凝土结构防腐蚀技术规范》 嘲 ， 《 混凝土结构耐久性设计及施工 指南》 【9 ] 、 《 公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》 【 1 0 】 以及《 铁路 为防腐蚀强化的技术措施。 本文系统研究了液体硅烷、 膏体硅 烷和渗透结晶材料 3 种表面浸渍处理技术措施对混凝土力学 性能、 吸水率、 氯离子吸收降低率 、 抗氯离子渗透性以及抗冻 性的影响， 旨在为不同环境作用下混凝土防腐蚀技术强化措施 的设计提供参考。 ． 1 试验方案 1 ． 1 试验原材料与配合比 ( 1 ) 原材料。 表面处理用材料为液体硅烷( 简称 L ． S i l a n e ) 、 膏体硅烷( 简称 P ． S i l a n e ) 和渗透结晶材料( 简称 C C M) ， 其性能 混凝土结构耐久性设计规范》 [ 1 1 ] 都将表面渗透型处理技术作 和厂家如表 1 所示。 表 1 表面处理材料性能 ( 2 ) 配合比。 基准混凝土选择 C 3 0 和 C 4 5 强度等级的混凝 土， 配合比如表 2所示。 1 ． 2试验 方 法 混凝土抗压强度按 G B 5 0 0 8 1 《 普通混凝土力学性能试验 方法》 规定的方法进行； 电通量、 氯离子扩散系数和抗冻性按 G B ／ T 5 0 0 8 2 ( 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 规定的方法进行 ； 吸收率和氯离子吸收降低率按 J T J 2 7 5 ( 海港 工程混凝土结构防腐蚀技术规范》 规定的方法进行。 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ J0 6 - 0 6 基金项目：铁道部科技开发计划项目( 2 0 0 8 G 0 3 1 - N) ； 中国铁道科学研究院行业服务技术创新项目( 2 0 0 9 Y J 2 1 ) 1 29 表 2 试验用混凝土配合 比 k g ／ m 注： 减水剂及引气剂用量根据混凝土状态控制， 坍落度( 2 0 0 +_ 2 0 ) m m。 2 试验结果与讨论 2 ． 1 抗 压 强度 图 1为不同渗透型表面处理方式对混凝土抗压强度的影 响。 由图 1 可知， 3种处理方式混凝土的抗压强度都有一定的提 高， 提高的幅度为 7 ． 7 ％～ 9 ． 8 ％。 比较而言 ， 液体硅烷处理与渗透 结晶处理对强度提高的幅度相当， 而膏体硅烷对混凝土抗压强 度提高的幅度略低。 3 种渗透型表面处理方式对混凝土表面都 有一定的硬化作用， 其原因是渗透型表面处理材料能够渗透到 混凝土的毛细孔道和微细裂隙中， 与混凝土的水化产物发生反 应， 从而起到了强化混凝土表面作用。 不 同表 面处理方式 图 1 不同表面处理方式对混凝土抗压强度的影响 2 ． 2吸 水率 图 2为不同渗透型表面处理方式混凝土的渗水高度。 随着 吸收时间的延长， 混凝土中吸水高度逐渐增加。 液体硅烷和膏体 硅烷吸水高度很小， 吸水 7 0 h混凝土的吸水小于 0 ．0 5 mm； 在吸 水早期， 渗透结晶表面处理混凝土的吸水高度低于不处理基准混 凝土， 但到 7 0h 左右， 两者吸水高度相当。 图3为不同渗透型表 面处理方式} 昆 凝土的吸水率。 表面处理时间推迟( 从 3 d涂刷到 7 d 涂刷再到2 8 d涂刷) ， 即涂刷时间晚， } 昆 凝土的吸水率逐渐降 低， 其原因是混凝土本身的继续水化， 一些毛细孔被水化产物堵 塞， 混凝土的吸水率降低； 原因之二是表面处理所用的硅烷和渗 透结晶材料能够与水泥水化产物发生反应形成新的物质 ， 起到 减少毛细孔的功能。 三种表面处理方式， 均能够降低混凝土的吸 水率， 硅烷浸渍处理方式对吸水率降低的幅度远大于渗透结晶 材料处理。 硅烷浸渍材料对混凝土吸水率降低能够满足不大于 0 ． 叭 ram ／ rai n 的要求， 而渗透结晶材料处理方式不满足要求。 2 ． 3 氯离子吸收降低率 氯离子吸收降低率是表征} 昆 凝土能否可以应用于氯盐环 境下混凝土的主要指标。 规范要求氯离子吸收量降低率不应小 1 3 O l O 0 g o 。 摧 。 饕 0 0 0 0 图2 不同表面处理方式混凝土的吸水高度 暑 o ． 0 2 0 呈 0 ．O l 5 霎o -0 l 0 00％ 一 10 0％ 3 7 ． 4 ％ 一 2 9 ． O ％ 【 】 _ ( 】 。 L I? I i , n ~ ％ 1 3 ．3 ％ ． 普通L — S i l a n e p - S i l a n e C C M 图 3 不同表面 处理方式混凝土的吸水率 于9 0 ％， 钢筋混凝土中氯离子含量不得大于 0 ． 0 6 ％。 图4为不同 表面处理方式混凝土氯离子含量以及氯离子吸收降低率。 3种 处理方式， } 昆 凝土中氯离子浓度均小于 0 ． 0 6 ％， 氯离子吸收降低 率大于 9 0 ％。 硅烷表面处理对混凝土起到憎水作用， 带有氯盐的 腐蚀介质很难渗透到混凝土的毛细孔内， 从而降低了混凝土氯 离子吸收率。 渗透结晶材料在混凝土毛细孔中结晶， 腐蚀介质无 法渗入， 混凝土氯离子吸收率降低。 誊 删 Ⅲ Ij 把 艟 O l 00 孽9 8 婪9 6 逝 9 4 不 同浸渍 处理方式 ( a ) 1 0O 8O 接 6 0 40 2 0 下转第 1 3 8页 以进行控制。 混凝土强度与水灰比及使用的水泥强度成线性关 系， 按式( 2 ) 计算。 W I G ： 厶!! ： ： 坠 一 ( 2 ) 厶， 机 A。 B‘ K 。 式中： ／ c ——水灰比； ， —— 水泥强度标准值； A， B， K ——均为系数。 A为水泥等级系数取 0 ．4 6 ， 曰为粗骨料系数取 0 ． 0 7 ， 为水泥 富裕系数取 1 ． 0 、 1 ． 0 6 、 1 ．0 8 ， 按此系数计算 3 个不同 WI C的初步 配合比进行试拌试验。 试配时根据工程需要掺人的外加剂和掺合料时， 由此作为相 关因素并以三个不同水胶比的配合比进行正交试验， 择优选用， 求 出能满足掺速凝剂后试配强度的混凝土配合比作为理论配合比。 3 ． 3 单位用水量设计 喷射混凝土使用的粗骨料粒径基本 匕 变化不大， 混凝土单位用 水量只与 砂的细度模数和混凝土坍落度等因素有关， 按式( 3 ) 计算： ro w = ( 2 ． 5 H + 2 3 0 M~ ~ ) ( 1 — 口) ( 3 ) 式中： m ——混凝土单位立方米用水量， k g ； —— ? 昆 凝土坍落度， 一般取 1 4 ～ 1 8 c r n ； 慨 ——砂细度模数； ‘ —— 高效减水剂的减水率， ％。 按掺量 1 ％减水率 2 8 ％， 当需要不同混凝土坍落度时则改变 减水剂的掺量来调整减水剂的减水率。 4 结论与建议 ( 1 ) 湿喷混凝土混合料是在搅拌站按需要的坍落度拌和好， 上接第 1 3 0页 琶 糌 融 0 2 0 4 0 6 0 8 O l 0 0 l 2 O 1 4 0 l 6 0 冻融循 环 ／ 次 图6 不同表面处理方式混凝土的抗冻性 能够提高混凝土的抗冻性， 而渗透结晶材料则对混凝土抗冻性 产生不利影响。 硅烷浸渍处理能够提高混凝土抗冻性的原因与 硅烷的憎水效应以及硅烷显著降低混凝土吸水率有关， 这从不 同表面处理方式} 昆 凝土的吸水率可以证明。 硅烷浸渍处理后的 混凝土试件饱水程度要低于基准混凝土， 因此 ， 可以在一定程 度上缓解混凝土的冻融破坏。 3结论 ( 1 ) 膏体硅烷和液体硅烷表面处理技术在一定程度上能够 提高混凝土抗压强度、 显著降低混凝土的水渗透性、 氯离子吸 收率和抗氯离子渗透 性， 适当改善混凝土的抗冻性。 ( 2 ) 渗透结晶材料表面处理技术对混凝土吸水率 、 抗氯离 子渗透性等降低的程度小于硅烷表面处理技术， 对混凝土抗冻 性有不利影响。 ( 3 ) 氯盐环境下、 冻融破坏环境下以及磨蚀环境下混凝土 】 38 喷射混凝土时， 喷射手在喷头处无需再加水， 操作简单 ， 且混凝土 容易得到保证， 且喷射机旁及喷咀处都不产生粉尘， 作业环境好。 ( 2 ) 喷射} 昆 凝土质量好， 喷后混凝土表面光亮平整， 喷层质 量均匀， 抗压强度 、 与岩面黏结力和与钢筋表面握裹力， 抗渗性 能等均比过去采用的干喷或半湿喷混凝土有提高 ( 3 ) 掺加矿物细粉料和高效减水剂湿式喷射混凝土降低水 胶比， 提高混凝土密实度和强度 ； 同时， 极大改=蓦了新拌混凝土 的和易性， 黏聚度好 ， 更易于喷射； 且使混凝土中后期强度持续 增长， 减少因掺速凝剂而产生的后期强度损失。 ( 4 ) 建议湿喷混凝土选用水泥应根据不同等级的混凝土选 用相应的水泥等级并掺加高效减水剂， 使立方米混凝土水泥用 量( 包括活性掺合料) 控制在 4 2 0 , - 4 6 0 k g为宜。 参考文献 ： f 1 1 G B 5 0 0 8 6 --2 0 0 1 ， 锚杆喷射混凝土支护技术规范『 s 1 E 京： 中国建筑 工业出版社， 2 0 0 1 ． [ 2 ] 武卫平， 李柱． 改善喷射混凝士性能的研究[ J J _市政技术 ， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 6 3 2 —6 3 8 ． [ 3 ] 廖金福．掺 S T C 黏稠剂半湿式喷射混凝土工法[J 】 ． 国家级工法， 1 9 9 2 ： 】 0 3 -l 】 4． [ 4 ]王琪． 喷射混凝土配合比设计及其质量控制l J l _ 北方交通， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 98 - 1 O 】 ． [ 5 ]肖军， 胡斌， 1 03 =1 0 5 ． 口 混凝土， 2 0 1 0 ( 2 ) [ 6 】 姜正凯， 孙士成．湿喷碳素纤维混凝土在大断面黄土隧道中的应用『J 1 ． 中国港湾建设， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 6 3 — 6 5 ． 作者简介 联 系地址 联 系电话 张胜利( 1 9 7 8 一 ) ， 男， 助教 ， 研究方向： 新材料在土木工程中 的应用。 广西柳州市广西工学院鹿山学院土木工程系( 5 4 5 6 1 6 ) 0 7 7 2 — 3 5 1 7 7 2 6 结构的防腐蚀强化措施可以选择硅烷表面处理技术。 ( 4 ) 冻融破坏环境下不宜采用渗透结晶材料表面处理技术。 参考文献 ： [ 1 ]G B ／ T 5 0 4 7 6 --2 0 0 8 ， 混凝土结构耐久性设计规范[ s ] ． ] E 京： 中国建筑 工业出版 社 ， 2 0 0 8 ． f 2 ]赵铁军． 渗透型涂料表面处理与混凝土耐久性[ M ] ． 北京： 科学出版 社 ， 2 0 0 9 ． [ 3 】B U E N F E L D N R， Z H AN G J Z ． C h l o r i d e d i f f u s i o n t h r o u g h s u r f a c e - t r e a t e d m o r t a r s p e c i m e n [ J ] ．C e me n t a n dC o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 8 ， 2 8 ) ： 6 6 5 - 6 7 4 ． 『 4 1 T HO MS O N J L， S I L S B E E M R， G I L L P M， e t a 1 ． C h a r a c t e r i z a t i o n( s i l i c a t e s e a l e r s o n c o n c r e t e [J ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 1 O ) ： 1 5 6 1 ． [ 5 ]蒋正武．混凝土结构的表面防护技 J J 新型建筑材料， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 1 2 - 1 4 ． [ 6 ]F O S AC AN T E R E， K L I N E H H． C o a t i n g c o n c r e t e — a n o v e r v i e w [ J ] ． Ma t e — r i a l s P e r f o r m a n c e ， 1 9 9 8 ， 2 7 ( 9 ) ： 2 5 9 ． [ 7 】T I T r A R E L L I F， MO R I C O N I G．T h e e f f e c t o f s i l a n e - h a s e d h y d r o p h o b i c a d mi x t u r e o n c o r r o s i o n o f r e i n f o r c i n g s t e e l i n c o n c r e t e [ J ] ． C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 1 ) ： 1 3 5 4 — 1 3 5 7 ． [ 8 】 J T J 2 7 5 --2 0 0 0 ， 海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范【 s ] ，北京： 人民 交通出版社． 『 9 ] C C E S O 1 —2 0 O 4 ， 混凝土结构耐久性设计及施工指南【 s 】 ． 北京 ： 中国 计划出版社， 2 0 0 4 ． 『 I O ] J T G ／ T B O 7 —O 1 —2 0 0 6 ， 公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范[ s ] ． 北 京： 人民交通出版社， 2 0 0 6 ． f 1 1 ] T B 1 0 0 0 5 --2 0 1 0 ， 铁路混凝土结构耐久性设计规范[ s ] ． 北京： 中国铁 道出版社， 2 0 1 0 ． 作者简介 联 系地址 联 系电话 李化建( 1 9 7 6 ～ ) ， 男， 副研究员。 北京市海淀区大柳树路 2 号 中国铁道科学研究院铁建所 00 0 0 8 1 ) O l 0 — 51 8 7 41 8 3