涂覆异丁基三乙氧基硅烷混凝土氯离子渗透性

汪 琪，栾海洋，范颖芳

(大连海事大学 土木工程系，辽宁 大连116026)

0 引 言

随着我国工程建设的发展及国家进一步的改革开放，许多花费巨大的重要建(构)筑物已经竣工或正在建设，混凝土作为基本建筑材料被广泛应用于水利工程、桥隧工程、高层建筑、大跨度公共建筑和工业建筑等相关领域。然而，对于采油平台、海底隧道、公路桥梁等长期暴露于海洋环境下和融雪剂存在条件下的混凝土结构，水分和氯离子渗透至钢筋表面，将直接导致钢筋腐蚀、混凝土开裂和剥落，致使混凝土结构发生破坏，丧失其耐久性能［1-2］。

在混凝土表面涂覆保护层可以隔离有害物质，改善混凝土结构抗渗性能。表面硅烷浸渍作为一种有效的防护方法，在海洋环境及其他恶劣环境下逐渐得到广泛应用［3-5］。已有相关研究表明:水分在混凝土结构整个服役过程中发挥着至关重要的作用［6-9］。混凝土发生冻融破坏、化学侵蚀、钢筋锈蚀及碱骨料反应等结构耐久性破坏均与水分的直接参与有关。硅烷利用自身的小分子结构，可穿透混凝土表层，渗透至混凝土内部数毫米深度，并相互缩合在基材表面毛细孔壁形成一层均匀致密且连续的网状斥水性硅氧烷憎水薄膜，能起到防水的功效和阻止外部有害物质的侵入［10］。使用硅烷对混凝土材料进行表面防水处理能够抑制外部水分侵入，降低钢筋腐蚀概率，是一种延长混凝土结构服役寿命的有效措施［11-12］。可以采用在混凝土材料表面直接涂覆硅烷，使近表面处形成憎水区域从而防水。正是由于硅烷浸渍混凝土良好的防水性能，决定了其良好的抗氯离子渗透性能。

为了明确硅烷浸渍剂对混凝土材料抗氯离子渗透性能的影响效果及改善机理，本文结合大连长海县长山大桥工程，在承台、墩身及箱梁等部位使用硅烷浸渍保护，并基于室内试验研究了不同硅烷涂覆层数(1、2、3 层)、不同养护龄期(1、3、7、14、28 d)混凝土氯离子扩散系数的变化规律，为实际工程中选择硅烷产品对混凝土结构进行防腐处理提供了科学参考。

1 试验研究

1.1 原材料

试验用水泥为大连小野田P.O 42.5 级普通硅酸盐水泥，其化学成分详见表1。采用大沙河砂;按5 ～10 mm:10 ～20 mm=329:768，326:760(质量比)配为5 ～20 mm 连续级配碎石;依照工程实际选用青岛产PC-2 引气剂;上海马贝产SR3减水剂;庄河黑岛产粉煤灰;大连金桥产矿粉;自来水;福建思康新材料发展有限公司产SP-205 异丁基三乙氧基硅烷，浓度98.9%以上。

表1 水泥化学成分Tab.1 Chemical composition of cement

1.2 试件制作

依据工程要求，本试验采用两种不同混凝土配合比，承台、墩身试件选用C40 混凝土，水胶比为0.36;箱梁试件选用C50 混凝土，水胶比为0.33。具体配合比参数见表2。

表2 试验用混凝土配合比参数Tab.2 Mix proportions of the concrete in the test kg·m-3

本次试验根据不同试验条件制作了40 组试件，3 个试件为1 组，采用Φ100 mm×50 mm 的混凝土钢制圆柱形试模成型，试件成型后1 d 拆模。将混凝土试件置于养护室进行标准养护，养护温度控制在(20±2)℃，空气相对湿度90%以上，分别养护至1，3，7，14，28 d。取出试样放至面干后，对需要涂覆硅烷的试样面先进行打磨，并将打磨表面浮灰清理干净，做到平整干净。表中试件编号C 组试件表示承台、墩身混凝土试件，L 组试件表示箱梁混凝土试件。

1.3 涂覆过程

涂覆硅烷时混凝土表面应为面干状态，将圆柱体试件置于水平桌面上，试件被涂面平行于桌面。用毛刷蘸取硅烷浸渍剂，在试件被涂面上均匀涂刷，使被涂表面饱和溢流，保持被涂表面至少有5 s 目视为湿镜面状态。每遍喷涂量为300 mL/m2，间隔时间为6 h，这样在上层完全固化情况下，以达到更高的渗透深度。涂刷完成后被涂面裸露自然风干即可。浸渍所需硅烷材料使用前启封，启封后72 h 废弃。

1.4 试验方法

为了评价硅烷浸渍混凝土抗氯离子渗透性能，本文参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》及JTJ275-2000《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》，利用Tang 等［13-14］提出的快速氯离子迁移法(RCM)测试了不同混凝土试件氯离子扩散系数，其测试原理是利用外界溶液浓度差来驱动氯离子在混凝土材料中的传输，并通过施加外部电势来加速氯离子向试件中迁移。试验中采用DS-5510DTH 型超声波清洗机、RCM-DAL 型氯离子扩散系数测定仪等(图1)，施加初始电流值与试验时间关系详见表3。

图1 RCM-DAL 氯离子扩散系数测定仪Fig.1 RCM-DAL chloride ion diffusion coefficient testera.sketch b.test device

表3 初始电流和试验时间Tab.3 Initial current and testing time

在试件最后1 次涂刷硅烷完成后至少养护7 d 方可进行硅烷浸渍混凝土氯离子扩散深度的测试。测试时试验室温度应控制在(20±1)℃，试件在安装前需进行5 min 超声浴清洗，使试件表面干净，同时需将电解槽用室温饮用水清洗干净。在硅胶筒的一端放入试件，为使试件侧面处于密封状态，采用两个不锈钢环箍进行固定，将两个环箍上的螺丝拧紧至扭矩为(30±5)N·m。把安装好试件的硅胶筒放入电解槽中，将主机测试线分别与试验夹具的正负极相连。阳极电解液采用300 mL 的0.2 mol/L KOH 溶液，缓慢注入硅胶筒内浸没试件表面和阳极板。阴极电解液采用含5%NaCl 的0.2 mol/L KOH 溶液，注入电解槽中直至与硅胶筒内KOH 溶液液面齐平。在阳极溶液中放入温度传感器，打开测定仪主机电源进行电迁移过程，并立即同步测定串联电流大小及阳极溶液初始温度(精确到0.2 ℃)，试验时间由初始电流值确定。试验结束时记录阳极溶液的最终温度，断开主机测试线，取出试件后将电解槽清洗干净。

在通电一定时间后(取决于初始电流大小)取出试件并将试件放平沿中心劈开。在试件被劈开面均匀喷涂0.1 mol/L 的AgNO3溶液，约15 min 后即可观察到白色氯化银沉淀，白色沉淀物宽度即为该试件氯离子扩散深度。

试件氯离子扩散系数按公式(1)计算:

式中:DRCM为试件氯离子扩散系数，m2/s;T 为阳极电解液初始温度和最终温度的平均值，K;h 为试件高度，m;xd为试件氯离子扩散深度，m;t 为试验通电时间，s;α 为辅助变量。

以试验测得每组3 个试件氯离子扩散系数的算术平均值作为该组试件氯离子扩散系数测定值。当三个测值中的最大值或最小值与中间值之差超过中间值的15%时，则舍去此值，再取另外两值的平均值作为该组测定值;当两个测值与中间值相差均超过15%时，取中间值作为该组测定值。

2 试验结果及分析

本试验分别测试了两种混凝土试件经涂刷1、2、3 层硅烷，硅烷浸渍时的养护龄期分别为1、3、7、14、28 d 时的氯离子扩散系数，C-0、L-0 为未涂覆硅烷的承台、墩身及箱梁混凝土对比试件。试验结果见表4。

表4 混凝土氯离子扩散系数Tab.4 Chloride diffusion coefficient values of specimens

2.1 硅烷涂覆层数对混凝土氯离子扩散系数的影响

图2 分别给出了承台、墩身混凝土试件及箱梁混凝土试件在养护龄期相同经不同层数硅烷浸渍剂涂覆时其氯离子扩散系数值。

图2 不同硅烷涂刷层数对氯离子扩散系数的影响Fig.2 Chloride diffusion coefficient with various layers of silane impregnation

由图2(a)、(b)可以看出，早龄期(1、3、7 d)时，随着硅烷涂刷层数增加，C 组试件氯离子扩散系数总体呈先减小后增大趋势;当试件养护龄期超过14 d 后，氯离子扩散系数随硅烷涂刷层数的增加而稳定减小，14 d 龄期涂刷2 层和3 层硅烷试件氯离子扩散系数较未涂覆硅烷对比试件分别减小了50.6%和52.6%，28 d 龄期涂刷2 层和3 层硅烷试件氯离子扩散系数较未涂覆硅烷对比试件分别减小了37.4%、46.3%。L 组试件早龄期(1、3、7 d)氯离子扩散系数随着硅烷涂刷层数增加总体呈先增大后减小趋势，1 d 龄期试件表面浸渍硅烷后氯离子扩散系数反而较未涂覆硅烷对比试件大，查阅文献［9］知这是由于早龄期混凝土水化不充分，过早地涂覆硅烷将限制其水化过程，因而混凝土中孔隙率较大;当试件养护龄期超过14 d 后，氯离子扩散系数随硅烷涂刷层数的增加而逐渐减小，28 d 龄期涂刷2 层硅烷试件氯离子扩散系数较未涂覆硅烷对比试件减小了37.6%，而当涂刷3 层硅烷时，氯离子扩散系数较未涂覆硅烷对比试件减小了25.3%，说明增加硅烷涂刷层数将不利于混凝土抗氯离子渗透性能的提高。

2.2 养护龄期对混凝土氯离子扩散系数的影响

试验中各组试件氯离子扩散系数值均在(1 ～10)×10-12m2/s，取C-0-1 试件氯离子扩散系数值为基准值，其他试件相对氯离子扩散系数按式(2)计算:

式中:DRRCM为试件相对氯离子扩散系数;DiRCM为第i 个试件氯离子扩散系数;D1RCM为C-0-1 试件氯离子扩散系数。

承台、墩身混凝土试件及箱梁混凝土试件经涂刷同一层数硅烷浸渍剂时其相对氯离子扩散系数随龄期的变化如图3 所示。

图3 不同养护龄期对混凝土氯离子扩散系数的影响Fig.3 Chloride diffusion coefficient at various curing age

从图3(a)、(b)可以看出，随着养护龄期的增加，未经硅烷浸渍与经过硅烷浸渍后的试件相对氯离子扩散系数均明显降低，表明混凝土抗氯离子渗透性能均有不同程度的提高，这主要是由于随着养护龄期的增长，混凝土密实性提高、孔隙率降低，氯离子较难渗透。早龄期(1、3 d)时，经硅烷浸渍后的试件抗氯离子渗透性能并未稳定较未经硅烷浸渍试件更优;当试件养护龄期超过7 d 时，涂刷2 层及3 层硅烷试件相对氯离子扩散系数值均较未经硅烷浸渍或涂刷1 层硅烷试件更低。图3(a)中C 组试件表面经涂刷2 层和3 层硅烷时其相对氯离子扩散系数随养护龄期变化趋势接近，涂刷2 层硅烷时养护龄期为3、7、14、28 d 的试件相对氯离子扩散系数较养护1 d 试件分别降低了10.7%、44.7%、67.6%、70.5%;涂刷3 层硅烷时养护龄期为3、7、14、28 d 的试件相对氯离子扩散系数较养护1 d 试件分别降低了22.8%、53.1%、74.9%、79.6%。图3(b)中L 组试件表面经涂刷2 层硅烷时养护龄期为3、7、14、28 d的试件相对氯离子扩散系数较养护1 d 试件分别降低了50.4%、54.5%、66.8%、78.0%;经涂刷3层硅烷时养护龄期为3、7、14、28 d 的试件相对氯离子扩散系数较养护1 d 试件分别降低了35.7%、66.3%、52.3%、63.2%。这说明随着养护龄期的增大降低幅度呈减小趋势，即早龄期氯离子扩散系数值降低更明显，但由于受到涂覆工艺、混凝土性能等条件限制，试验存在一定的误差，L 组试件养护龄期为7 d 时经涂刷3 层硅烷其相对氯离子扩散系数值反而较14、28 d 龄期小。因此还需进一步进行试验研究分析。

2.3 配合比对混凝土氯离子扩散系数的影响

图4 给出了相同硅烷涂覆层数下两种不同配合比试件相对氯离子扩散系数变化规律。

图4 配合比对混凝土氯离子扩散系数的影响Fig.4 Chloride diffusion coefficientfor various mix proportions

由图4(b)、(c)可以看出，经过1 层或2 层硅烷浸渍处理时，C 组试件及L 组试件相对氯离子扩散系数变化趋势接近，硅烷浸渍对两种配合比混凝土抗氯离子渗透性能的影响差别不大。图4(a)中养护龄期为3 d 表面未经硅烷浸渍处理的L 组试件相对氯离子扩散系数稍大于C 组试件，而在其他龄期下L 组试件均较C 组试件的相对氯离子扩散系数低。L 组试件1、7、14、28 d 对氯离子扩散系数较对应C组试件分别小58%、16.7%、9.6%、13.2%。图4(d)中早龄期(1、3、7 d)经涂覆3 层硅烷的L 组试件相对氯离子扩散系数较对应C 组试件分别小33.3%、45.4%、24.0%，14 d 及28 d 龄期时略大于C 组试件。与C 组试件相比，L 组试件水胶比较小。水胶比是影响混凝土毛细孔率的主要因素之一，水胶比较小，则内部孔隙率较小，混凝土密实度较大，氯离子等有害物质较难渗透，从而提高混凝土抗渗性能。

3 结 语

本文对涂覆不同层数硅烷浸渍剂不同养护龄期混凝土氯离子渗透性能进行了详细的实验室试验研究，主要得到以下结论:

①硅烷对混凝土早期(1、3、7 d)氯离子扩散系数降低效果较差，过早进行硅烷浸渍处理不利于提高混凝土抗渗性能。

②当混凝土养护龄期超过14 d 后，涂刷2 层硅烷混凝土抗氯离子渗透性能较涂刷3 层硅烷试件改善效果更加显著。综合考虑硅烷浸渍剂成本及现场施工可操作性，选择涂刷2 层硅烷浸渍剂进行混凝土结构防腐处理。

③涂覆硅烷能够显著降低混凝土长期氯离子扩散系数。C 组试件养护14、28 d 时经涂覆2 层硅烷浸渍剂其氯离子扩散系数分别为2.03×10-12、1.85×10-12，较相应未涂覆硅烷对比试件分别减小了50.6%、37.4%;L 组试件养护14、28 d 时经涂覆2 层硅烷浸渍剂其氯离子扩散系数分别为2.46×10-12、1.63×10-12，较相应未涂覆硅烷对比试件分别减小了32.5%、37.6%。因而施工时可选择在14～28 d 龄期内进行硅烷表面浸渍处理。

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