基于量瓶法研究硅烷浸渍混凝土的防水效果

张文博，孔高强，王 雪，杨 斌，李成亮

(东北林业大学土木工程学院)

1 引 言

近年来，我国国民经济飞速发展，为拉动内需，加大了在基础设施方面的投入，混凝土的应用也越来越广泛。由于混凝土结构长期暴露在复杂而恶劣的环境中，故其耐久性问题变得日益严峻，受到人们的关注。水是造成混凝土结构破坏及性能劣化的重要因素。水作为氯离子和其它化学物质侵入的载体，使得大多数混凝土结构在严重渗水的情况下发生侵蚀破坏，缩短了结构的使用寿命。渗透型表面处理技术，即在混凝土结构表面涂刷或喷涂防水涂层，成为提高改善混凝土结构耐久性的有效的技术途径。硅烷作为一种高渗透型的防水材料，可以在混凝土表面和毛细孔内壁形成憎水薄膜，阻止毛细孔对水的毛细吸收，达到防水和提高混凝土耐久性的目的。目前，硅烷浸渍技术已被推广应用于建筑、桥梁、隧道、道路、堤坝、海港等混凝土结构的表面防护。在《铁路混凝土结构耐久性修补及防护》(TB/T 3228－2010)、《铁路混凝土结构耐久性设计》(TB10005－2010)、《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ275－2000)和《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTG/T B07－01－2006)中已将硅烷浸渍处理技术作为防腐蚀措施。而在实际工程中，如何准确高效地评价硅烷的浸渍效果变得尤为重要。

2 硅烷防水剂简介及防护机理

2.1 硅烷防水剂简介

硅烷防水剂是一种无色、透明、无味、无毒、无腐蚀性的渗透型混凝土保护剂。近年来，硅烷防护技术得到广泛应用，并迅速发展起来。硅烷按主要成分可分为烷基烷氧基硅烷和烯烃基烷氧基硅烷两大类。其中，烷基烷氧基硅烷应用较为广泛，如异丁基三乙氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、异辛基烯三甲氧基硅烷等。硅烷的典型结构形式为R－ Si(OC2H5)3。工程中应用的硅烷一般有液体、膏体、凝胶、乳液等类型，可进行直接喷涂和稀释后涂装。膏体及凝胶状硅烷的出现，克服了对结构立面、底面喷涂的施工困难，减少了硅烷的消耗。

用硅烷浸渍混凝土，使混凝土表面及毛细孔内壁形成具有憎水性和化学稳定性的保护膜，有效地阻止水分和有害离子的渗入，达到防水防腐的目的，从而提高混凝土结构的耐久性，延长使用寿命，降低维修成本。

2.2 硅烷防水剂防护机理

将硅烷防水剂喷涂在混凝土结构表面，利用硅烷分子小的结构特点，与混凝土有较好的亲和力，硅烷能够渗入到混凝土内部几毫米，与混凝土中的碱性物质发生相互作用。首先，硅烷发生水解反应生成硅羟基，硅羟基与硅羟基及硅羟基与混凝土接触面中的羟基之间会发生进一步的缩合反应，脱醇后生成有机硅树脂。有机硅树脂与混凝土通过稳定的硅氧化学键结合，会在与混凝土表面与毛细孔壁内形成一层膜。由于长链烷基是憎水性基团，则这层膜就变成一种极好的防水保护层，见图1。这层保护膜能够降低混凝土表面及毛细孔壁内的表面张力，使得水和新界面的接触角在100°～130°之间，水则不能渗入混凝土，而是以小水珠状态存在，见图2。这样就有效防止水的渗入，阻挡以水为载体的有害物质渗入混凝土内部，从而保护了混凝土的内部结构，提高了整个混凝土结构的耐久性。

第一步:水解反应

第二步:缩合反应

图1 硅烷浸渍混凝土防护机理图

3 量瓶法的应用

目前国内外的主要规范与标准对硅烷表面防护处理效果进行评价多采用实验室评价，不仅试验测试时间较长，而且检测评价方法操作复杂，且对原有结构存在一定的损坏。通过借鉴国外的相关研究成果，提出使用量瓶法评价硅烷表面防护处理的吸水率指标。该方法是一种简单、快捷、方便、准确的现场试验评价方法。所用的量瓶为带刻度的玻璃量瓶，分为水平式和垂直式两种，可能够快速地对混凝土的防水效果做出评价，判断出混凝土表面是否被硅烷浸渍过及经硅烷浸渍过的混凝土的防水性能的强弱。同时，该方法可对混凝土结构的水平或垂直表面测试出其单位时间内的吸水量。

使用量瓶法的测试混凝土结构吸水率的试验方法如下:

(1)采用橡皮泥将其同定在混凝土结构表面，并使其周围密封，保证不漏水;

(2)向量瓶内加入水至0 ml 刻度，再在水表面滴一滴液体石蜡，以防止水分的挥发;

(3)记录此时量瓶中水位所在的刻度，并开始计时，记录测试15 min、30 min、45 min、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、4 h、8 h、24 h 量瓶内水位所在的刻度，并计算出经过不同时间后量瓶内水位下降的高度;

(4)计算出量瓶表面的吸水量，并进一步计算出一定时间内使用量瓶法的混凝土表面吸水系数。

采用量瓶法进行混凝土吸水率测试时，发现量瓶法试验时还存在一定的水头高度，但是混凝土24 h 的吸水量仍能够保持与时间的平方呈近似的线性关系，且在前2 个小时以内的时间范围，吸水量与时间的平方的线性关系最为良好，随着时间的增长，后期的数据有些发散。考虑到现场测试时的条件限制，并参考前期的研究成果，这里取量瓶法测试时间为2 小时的吸水率作为评价指标。

4 量瓶法的评价指标选择

目前已有的规范对硅烷表面防护处理吸水率的评价方法做了如下规定:

(1)交通部规范《公路工程混凝土结构防腐技术规范》(JTG/T B07－01－2006)6.2.3 规定，不同时间制备的两批混凝土试件，浸渍硅烷后的吸水率平均值与未浸渍硅烷的相比，应小于7.5%;

(2)交通部规范《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ275－2000)7.2.3 规定，吸水率平均值不应大于0.01 mm/min1/2;

(3)德国交通部的混凝土表面保护技术规范ZTV－SIB 90，单位时间内平均渗透系数可以定量地比较硅烷浸渍混凝土的防水效果，平均渗透系数按公式(1)进行计算。

式中:K 为平均渗透系数，m/s;V 为混凝土试件在单位时间内的吸水量，m3;S 为量瓶法测试中量瓶的吸水表面积，m2;T为吸水时间，s。

影响混凝土结构耐久性的关键因素是进入混凝土材料内部的自由水总量，只要混凝土内部保持干燥，自由水量较小，碳化、氯离子腐蚀以及冻融等耐久性问题均不会发生，故认为评价耐久性防护处理效果的优劣，关键在于评价采用该方法进行耐久性防护处理后混凝土材料的吸水量绝对值，而不是相对降低值。根据这一研究思路，取用交通部规范《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ275－2000)7.2.3规定，吸水率平均值不应大于0.01 mm/min1/2 作为硅烷表面防护处理吸水率的评价指标。

5 量瓶法的吸水率评定方法

根据量瓶法的试验原理，拟定量瓶法对硅烷表面防护处理的吸水率的评定方法如下:

(1)按原试验方式进行前两步;

(2)开始计时，记录在5 min、30 min、60 min、90 min 和120 min 时量瓶内水位下降的高度(即吸水量)，分别记为h1、h2、h3、h4和h5;

(3)按公式(2)计算量瓶法吸水系数K(ml/h0.5);

式中:hi为第i 个时刻瓶内水位下降的高度，ml;ti为5 min、30 min、60 min、90 min 和120 min 5 个时刻换算成单位为小时后的开方值，即0.288 68 h0.5，0.707 11 h0.5，1 h0.5，1.224 74 h0.5，1.414 21 h0.5;

K 为量瓶法吸水系数，单位为ml/h0.5。

(4)按公式(3)计算该位置的吸水率平均值F(mm/min1/2)

式中:K 为量瓶法吸水系数，mL/h0.5;S 为量瓶的底面积，mm2;F 为吸水率平均值，mm/min1/2。

(5)将得到的吸水率平均值F(mm/min1/2)与0.01 mm/min1/2进行比较，若计算结果为F≤0.01 mm/min1/2，则判定该位置的硅烷表面防护处理质量符合规范要求。

6 结 论

硅烷防水剂材料凭借其优越的憎水性和化学稳定性，有效地改善了混凝土结构的耐久性，提高了其使用寿命，得到了广泛地应用。通过对使用量瓶法测试混凝土材料硅烷表面防护处理吸水性效果分析，得到以下结论:

(1)量瓶法可以用于硅烷表面防护处理吸水率指标的现场评价，且现场试验时间为2 小时的结果完全可以满足测试要求，简便、快捷、准确;

(2)采用交通部规范《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ275—2000)7.2.3 规定的吸水率平均值不应大于0.01mm/min1/2 作为硅烷表面防护处理吸水率的评价指标;

(3)根据量瓶法的试验原理，提出吸水率平均值的计算方法，并以此作为硅烷表面防护处理吸水率的评定方法。

［1］孙峰，吴忆南.有机硅建筑防水材料的研究进展［J］.有机硅材料，2009，23(1):55－59.

［2］赵铁军.混凝土的渗透性［M］.北京:科学出版社，2006，(1):87－104.

［3］江向平，秦明强，肖 军，张永辰，徐文冰.硅烷浸渍条件对混凝土防腐蚀效果影响研究［J］.铁道建筑，2013，(7):146－149.

［4］陈明波，王艳梅，蒋正武.硅烷浸渍混凝土防水技术［J］.中国建筑防水，2010，(2):1－4.

［5］戴建才，李建中.渗透型硅烷浸渍剂在公路混凝土桥梁保护中的应用研究［J］.公路交通科技:应用技术版，2011，(11):176－180.

［6］德国交通部.混凝土表面保护技术规范(ZTV－SIB 90)［S］.