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沈川越,黃佳健,汪 群,林航葳,吳 皓,蔣一彬,張文華
(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)
[摘要]為研究滲透型防水材料對(duì)混凝土耐久性的影響,對(duì)分別經(jīng)過(guò)涂刷水性滲透型無(wú)機(jī)防水劑、浸潤(rùn)水性滲透型無(wú)機(jī)防水劑、涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料處理及未經(jīng)防水材料處理的基準(zhǔn)混凝土試件進(jìn)行了NEL法快速氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)、碳化試驗(yàn)、凍融試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料對(duì)抗氯離子滲透的效果最好,浸潤(rùn)水性滲透型無(wú)機(jī)防水劑對(duì)抗凍融的效果最好,3種防水處理方式對(duì)抗碳化效果均不好。通過(guò)掃描電鏡微觀觀察證明了防水材料的滲透結(jié)晶效果。
[關(guān)鍵詞]防水工程;混凝土;滲透型防水材料;耐久性;試驗(yàn)
[中圖分類號(hào)]TU528. 042.6 [文章編號(hào)]1002-8498( 2016)09-0080-04
混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題是當(dāng)今世界工程界尤為關(guān)注的重大問(wèn)題,評(píng)價(jià)混凝土耐久性的3大重要指標(biāo)分別為抗氯離子滲透性能、抗碳化性能和抗凍融性能。采用滲透型防水材料,使材料中的有效物質(zhì)滲入混凝土內(nèi)部生成不溶于水的凝膠體以堵塞混凝土內(nèi)部孔隙和毛細(xì)孔道,降低氯離子、CO2、凍融等對(duì)混凝土的侵蝕作用,也是提高混凝土耐久性的方法之一。
混凝土滲透型防水材料主要有2種:水性滲透型無(wú)機(jī)防水劑及水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料。水性滲透型無(wú)機(jī)防水劑以堿金屬硅酸鹽溶液為基料,加入催化劑、助劑,經(jīng)混合、攪拌、反應(yīng)而成。將水性滲透型無(wú)機(jī)防水劑直接噴涂于混凝土表面,防水劑會(huì)滲入混凝土內(nèi)部與游離堿類物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成不溶于水的凝膠體以堵塞混凝土內(nèi)部孔隙、封閉毛細(xì)孔通道,同時(shí)成為混凝土整體結(jié)構(gòu)的一部分,提高混凝土密度以及硬度,使得混凝土能夠防酸堿侵蝕。水泥基滲透結(jié)晶型防水材料是一種以普通硅酸鹽水泥、精制石英砂等為基材,摻人多種活性化學(xué)物質(zhì)混配而成的淡灰色粉末狀防水材料。首先該防水材料在混凝土表面形成致密的涂層,而后與水作用,材料中含有的活性化學(xué)物質(zhì)以水為載體向混凝土內(nèi)部滲透,生成不溶于水的結(jié)晶體以封閉毛細(xì)孔道、填堵裂縫,從而達(dá)到混凝土防水的目的。
梁曉燁研究得出水性滲透型無(wú)機(jī)防水劑能夠明顯降低混凝土內(nèi)液體滲透性;鞏運(yùn)麗通過(guò)
一系列氯離子滲透試驗(yàn)得出,水性滲透型無(wú)機(jī)防水劑能顯著提高試件的抗?jié)B性能;韓雪瑩等通過(guò)碳化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料對(duì)混凝土耐久性有明顯的作用;陳永其課題組得出FT-I型水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料對(duì)提高混凝土的抗?jié)B性能具有明顯作用;章凱得出FT-I水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料可以在一定程度上提高混凝土的抗凍性;何曉雁等得出涂抹JS-Ⅱ型涂料的混凝土試件抗凍性在一定程度上得到改善;許星鑫通過(guò)研究得出經(jīng)表面滲透性有機(jī)硅防護(hù)涂料處理的砂漿試件在凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度保留率和抗折強(qiáng)度保留率下降幅度小于未處理試件。
本文綜合2種滲透型防水材料,通過(guò)氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)、碳化試驗(yàn)、凍融試驗(yàn),研究經(jīng)過(guò)不同防水材料、不同防水處理方式處理的混凝土與未做處理的混凝土的耐久性能,為得出有效提高混凝土耐久性的方法提供依據(jù)。
1試驗(yàn)準(zhǔn)備
1.1 試驗(yàn)原材料
本試驗(yàn)采用P.042.5水泥,ISO標(biāo)準(zhǔn)砂,5~20mm碎石和普通自來(lái)水制作混凝土,防水材料采用HM1500防水劑和國(guó)產(chǎn)水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料(簡(jiǎn)稱CCCW)。
1.2試驗(yàn)方案及內(nèi)容
各組混凝土基準(zhǔn)配合比相同,均采用C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土,混凝土配合比如表1所示。
1.3試件制作及養(yǎng)護(hù)
1.3.1 試件制作
根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082-2009制作試件,各試驗(yàn)試件制作尺寸如表2所示。
1.3.2 試件養(yǎng)護(hù)
各試驗(yàn)試件均在溫度( 20 +2)℃、濕度>95%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28d。
1.4防水處理及后養(yǎng)護(hù)
各試驗(yàn)根據(jù)防水材料不同、防水處理方式不同,將試驗(yàn)試件均分4組進(jìn)行,分別為A組未經(jīng)防水劑處理、B組涂刷HM1500防水劑處理、C組浸潤(rùn)HM1500防水劑處理、D組涂刷CCCW處理。
1.4.1 涂刷HM1500防水劑處理
用毛刷將HM1500涂刷在試件表面。待第1次涂刷的涂層手觸干時(shí)進(jìn)行第2次涂刷。完成后移人標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d。
1.4.2 浸潤(rùn)HM1500防水劑處理
將試件的浸潤(rùn)面浸泡在無(wú)機(jī)防水劑中,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d。
1.4.3 涂刷CCCW處理
以CCCW材料與水的配合比為1:0.4配制進(jìn)入水泥膠砂攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢枧涑墒褂猛苛。后用毛刷在試件上表面交叉涂?mm厚度涂層。試件放入水中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d,深度為試件高度3/4(涂層面不浸水)。
2試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析
2.1 快速氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)
2.1.1 試驗(yàn)方法
采用NEL法測(cè)定混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù),測(cè)試前先配制4mol/L的Na Cl溶液,將圓柱體混凝土試樣在真空條件下飽和氯化鈉溶液中浸泡24h,然后將擦去表面鹽水后的圓柱體混凝土試樣置于試驗(yàn)裝置兩極進(jìn)行測(cè)定,混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)由Nernst-Einstein方程確定。
2.1.2數(shù)據(jù)處理方法
每個(gè)試件重復(fù)測(cè)量5次求均值。取同一試件中最接近平均值的數(shù)據(jù)為中間值,將與中間值相差在5%以內(nèi)的數(shù)據(jù)做平均處理,作為該試樣的測(cè)定值。在3塊平行試樣的測(cè)定值中,對(duì)與平均值相差在15%以內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行平均,作為測(cè)試混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)值;若3塊平行試樣的測(cè)定值與平均值相比均超過(guò)15%,則需重新進(jìn)行檢測(cè)。
2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果
不同防水劑處理后混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)為:A組3. 37×10-8cm2/s, B組3.29×10-8 cm2/s, C組3. 32×10-8 cm2/s,D組3.04×10-8 cm2/s。D組數(shù)值最小,即涂刷CCCW處理的混凝土試件抗氯離子滲透的能力最好,相比空白對(duì)照組有明顯提高,提高程度達(dá)10%以上;涂刷HM1500防水劑處理的效果較好,浸潤(rùn)HM1500防水劑處理的效果次之。
2.2碳化試驗(yàn)
2.2.1試驗(yàn)方法
將除試驗(yàn)面外的試件表面封蠟處理后放入碳化箱內(nèi),各試件表面距離≥50mm。箱內(nèi)的CO2濃度保持在(20±3)%,箱內(nèi)的相對(duì)濕度控制在(70±5)%,溫度控制在(20 +5)℃。第1,2天每隔2h測(cè)定1次CO2濃度、溫度、濕度,以后每隔4h測(cè)定1次。到3,7,14,28d時(shí),取出各試件,在壓力試驗(yàn)機(jī)上劈裂以破型。每次破型后將主試件的破裂面封蠟,后進(jìn)碳化箱繼續(xù)試驗(yàn)。
刷去破型試件斷面上殘存的粉末,噴上濃度為1%的酚酞酒精溶液。約30s后,按原先標(biāo)劃的每10mm -個(gè)測(cè)量點(diǎn)用鋼板尺測(cè)出各點(diǎn)碳化深度。當(dāng)測(cè)點(diǎn)處的碳化分界線上剛好嵌有粗骨料顆粒,可取該顆粒兩側(cè)處碳化深度的算術(shù)平均值作為該點(diǎn)測(cè)出的碳化深度值。
2.2.2數(shù)據(jù)處理方法
對(duì)各試驗(yàn)齡期各試件不同點(diǎn)位的碳化深度取平均值作為該齡期下單個(gè)試件的平均碳化深度;對(duì)各試驗(yàn)齡期各組試件求平均作為該齡期下該組試件的平均碳化深度。
2.2.3試驗(yàn)結(jié)果
不同防水劑處理后混凝土碳化深度如表3所示,與齡期的關(guān)系如圖1所示。
由表3及圖1可知,從28d時(shí)測(cè)得的碳化深度上看,B,D2組碳化深度小于A組,C組與A組碳化深度相近,其中B組碳化深度最小,但無(wú)顯著差異;3,7,14d測(cè)得的B,C,D3組碳化深度均大于A組或與A組相近;4組試件碳化深度加深的速度均隨時(shí)間的推移而逐漸減慢。經(jīng)防水處理的混凝土試件,抗碳化的效果并不明顯。
2.3凍融試驗(yàn)
2.3.1試驗(yàn)方法
防水處理后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到24d,取出泡水4d。泡水結(jié)束后擦干試件表面.使其處于飽和面干狀態(tài)。對(duì)每個(gè)混凝土試件進(jìn)行稱量,并在每組中任取3個(gè)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)定。后每組取6個(gè)試件進(jìn)凍箱,進(jìn)行慢凍試驗(yàn)。每組剩余3個(gè)試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)作為對(duì)比。
凍融試驗(yàn)中凍結(jié)溫度應(yīng)保持在- 20~- 18℃。試件在箱內(nèi)溫度達(dá)到- 20℃時(shí)放入。每次從裝入試件到重新降至- 18℃所需的時(shí)間應(yīng)在(1.5~2.0)h內(nèi)。凍結(jié)結(jié)束后,試件即可取出并應(yīng)立即放入能使水溫保持在18~ 20℃的水槽中進(jìn)行融化。此時(shí),槽中水面應(yīng)至少高出試件表面20mm,試件在水中融化的時(shí)間應(yīng)≥4h。
2.3.2數(shù)據(jù)處理方法
評(píng)價(jià)混凝土抗凍融性能主要有2個(gè)指標(biāo):質(zhì)量損失率及強(qiáng)度損失率。
根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082-2009中慢凍試驗(yàn)步驟,25次凍融循環(huán)后,對(duì)凍融試件進(jìn)行外觀檢查和稱重,試件均未發(fā)生嚴(yán)重破壞且質(zhì)量損失率均未達(dá)5%。繼續(xù)試驗(yàn)至50次凍融循環(huán)后,取出試驗(yàn)組試件,對(duì)每個(gè)試件稱量,根據(jù)試驗(yàn)前后該試件質(zhì)量的變化計(jì)算單個(gè)試件質(zhì)量損失率,組內(nèi)取平均作為該組的平均質(zhì)量損失率;同時(shí)對(duì)試驗(yàn)組試件及對(duì)比組試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),由同齡期未凍融試件的抗壓強(qiáng)度有效值與凍融試件的抗壓強(qiáng)度有效值之差除以未凍融試件的抗壓強(qiáng)度有效值,得到平均強(qiáng)度損失率。
100次凍融循環(huán)的處理方式同上。
2.3.3試驗(yàn)結(jié)果
50次和100次凍融循環(huán)后各組混凝土試件強(qiáng)度與質(zhì)量損失率如表4所示。
從表4可知,3組經(jīng)過(guò)防水處理的混凝土試件的質(zhì)量損失率及強(qiáng)度損失率均小于未做防水處理的混凝土試件,說(shuō)明HM1500防水劑及CCCW均能提高混凝土試件的抗凍融性能,其中C組混凝土試件抗凍融能力最強(qiáng)。
2.4結(jié)果分析
HM1500防水劑中活性組分滲入混凝土內(nèi)部,與水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生的Ca( OH)2反應(yīng),產(chǎn)生凝膠體和硅酸鹽新生物,形成密封層,進(jìn)一步促進(jìn)水泥水化,從而使混凝土強(qiáng)度增加。
CCCW中活性物質(zhì)向混凝土內(nèi)部滲透,與毛細(xì)孔中游離石灰和氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成不溶于水的結(jié)晶體,密封毛細(xì)孔道和裂縫。另外,CCCW中活性物質(zhì)還可起到催化作用,促進(jìn)混凝土中水泥的水化深度,因?yàn)榛炷林幸话愫?5%左右的未水化水泥,當(dāng)活性物質(zhì)與混凝土中鈣離子絡(luò)合形成的鈣絡(luò)合物遇到活性較高的未水化水泥時(shí),更穩(wěn)定的硅酸根、鋁酸根將活性物質(zhì)置換,發(fā)生水化作用產(chǎn)生凝膠填充毛細(xì)孔隙及裂縫,增加混凝土的密實(shí)性;同時(shí),水化作用下混凝土可能出現(xiàn)體積增大,使凝膠出現(xiàn)裂縫,因此更多的水進(jìn)入未水化水泥,又產(chǎn)生更大體積的凝膠,如此循環(huán)使得混凝土孔隙再次封閉。
所以在快速氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)中,涂刷CCCW處理的混凝土試件的孔隙率更小,氯離子擴(kuò)散系數(shù)更小,抗氯離子滲透的效果更好。.
而CO2氣體分子直徑為0. 3nm,比水分子直徑小,經(jīng)防水材料處理的混凝土試件內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)晶體較難阻止或阻礙CO2氣體通過(guò)孔隙,從而CO2氣體仍對(duì)混凝土起到一定的碳化作用。
在凍融循環(huán)的情況下,由于HM1500和CCCW增加了混凝土的密實(shí)性,故混凝土的抗凍融能力均有提高。
3 掃描電鏡試驗(yàn)分析
從A,B,C,D4組試件中選取試件各1塊,沿防水材料滲透方向在混凝土試件表層下一定深度處取混凝土試件小樣(A,B,D組在深度為5mm處,C組在深度為15mm處),經(jīng)掃描電鏡放大5 000倍觀察結(jié)晶情況(見(jiàn)圖2)。
圖2a為未做防水處理的試樣,可看到均為板狀或片狀的、粒徑大于3 μm的水泥水化生成物。圖2b~2d為經(jīng)過(guò)滲透結(jié)晶型防水材料處理后的試樣,可以明顯地看到粒徑比水泥水化生成物更小的結(jié)晶體存在。圖2b為涂刷HM1500防水劑處理后的試樣,其結(jié)晶體主要是附著在水泥水化生成物上;圖2c為浸潤(rùn)HM1500防水劑處理后的試樣,其結(jié)晶體有的呈針狀在裂隙間細(xì)密交錯(cuò)拉連,有的呈顆粒狀附著在水泥水化生成物表面;圖2d為CCCW處理后試樣,與圖2c,2d相比,其結(jié)晶體并不僅僅附著在水化生成物上及出現(xiàn)在裂隙間,細(xì)孔道的空隙間也有很多枝蔓狀結(jié)晶體存在。
掃描電鏡鏡像證明了滲透結(jié)晶型防水材料可滲入混凝土內(nèi)部,并在內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)晶體,堵塞了部分毛細(xì)孔道或減小了毛細(xì)孔道的直徑,減緩氯離子擴(kuò)散的速度。
4 結(jié)語(yǔ)
1)兩類滲透型防水材料均有活性物質(zhì)向混凝土內(nèi)部滲透,與水泥水化生成物反應(yīng),在混凝土的毛細(xì)孔道和裂隙間產(chǎn)生結(jié)晶體來(lái)增強(qiáng)混凝土密實(shí)性,以提高混凝土耐久性。
2)涂刷CCCW產(chǎn)生的結(jié)晶體并不僅僅附著在水化生成物上及出現(xiàn)在裂隙間,毛細(xì)孔道的空隙間也有很多枝蔓狀結(jié)晶體存在,比HM1500產(chǎn)生的結(jié)晶體多且密,所以涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料對(duì)抗氯離子滲透的效果最好。
3)由于CO2氣體是直徑為0.3nm的小分子,防水材料在混凝土試件內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)晶體較難阻礙CO2氣體通過(guò)孔隙,故3種防水處理方式對(duì)抗碳化效果均不好。
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