水性渗透结晶防护材料的试验研究

杨 梓，郝 邺， 翟 娟， 赵剑楠， 孙志恒

(1. 北京市京密引水管理处，北京 101400；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

在我国已建的大量水工建筑物中，混凝土建筑物占据了绝对位置并发挥着重要作用。水工混凝土建筑物在运行过程中，由于自身质量问题以及受荷载作用与外界环境因素(冻融冻胀、干湿交替、温度变化、水流冲磨、溶蚀、水质侵蚀、氯离子侵蚀、碱骨料反应等)的不利影响，容易导致混凝土耐久性劣化，并产生裂缝、渗漏、冻融破坏、冲磨空蚀、碳化、钢筋锈蚀、混凝土腐蚀等病害缺陷[1-4]。如不及时对混凝土老化病害采取科学有效的防护措施，其积累发展到一定程度时，将加速混凝土结构老化，导致建筑物的承载能力和稳定性下降，使混凝土结构不能满足原设计要求，严重的甚至危及建筑物安全运行[5-8]。

已有研究表明[9-12]，影响混凝土强度和综合耐久性的主要原因是混凝土的微观组织结构，混凝土内部的多孔结构变成了水分及有害介质的渗入通道，同时水化产物中的一些成分容易与某些渗入介质发生有害的化学反应，使得混凝土结构的耐久性大大降低。水性渗透结晶防护涂料是一种新型的纳米级尺寸刚性防水材料，采用纳米微细化改性技术得到的“纳米尺寸”的硅酸盐分子，辅以深度渗透技术和结晶促进技术，可从混凝土表面深度渗透至内部，与混凝土内部的游离钙离子发生化学反应，生成不可溶解的水化硅酸钙凝胶体，填充毛细通道，改善混凝土内部孔隙结构，使得混凝土内部结构密实，从而具有抑制裂缝，提高抗渗性能，防止冻害、耐酸耐碱耐老化，以及对微细裂纹的自修复等作用。

1 水性渗透结晶防护材料性能测试

1.1 混凝土配制与养护

依据GB 8076—2008《混凝土外加剂》配制不引气的基准混凝土，用于水性渗透结晶防护涂料的性能对比测试，混凝土配合比见表1。

表1 基准混凝土配合比

基准混凝土成型后静置24h脱模，放入标准养护室至规定龄期进行试验；喷水性渗透结晶防护涂料混凝土养护方法：试件成型后静置24h脱模，放入养护室水槽中养护6d，再移入干缩室放置28d后喷涂水性渗透结晶防护涂料，最后标准养护14d进行性能测试；分2次喷涂水性渗透结晶防护涂料，第一次喷涂量为150ml/m2，表面干燥后第二次喷涂量为100ml/m2。

1.2 抗压强度

混凝土抗压强度试验依据SL 352—2006《水工混凝土试验规程》进行，结果见表2。由试验结果可知，喷涂喷水性渗透结晶防护涂料后，混凝土抗压强度略有提高，49和90d分别提高1.89%和3.98%。

表2 混凝土抗压强度试验结果

1.3 抗冻性能

混凝土抗冻性能是影响耐久性的重要因素之一，特别是在寒冷地区，提高混凝土抗冻性能，对于结构耐久性的提升有着举足轻重的作用。抗冻性能试验依据SL 352—2006进行，结果见表3。由试验结果可知，经过50次冻融循环，基准混凝土的相对动弹模和质量损失率分别为57%和1.42%，说明不引气的基准混凝土抗冻性较差，只能达到F25，喷涂水性渗透结晶防护涂料混凝土的相对动弹模和质量损失率分别为61%和0.60%，喷涂水性渗透结晶防护涂料后，对混凝土抗冻性能有所改善。

表3 混凝土抗冻性能试验结果

1.4 抗渗性能

提高混凝土抗渗性能是混凝土耐久性能提升的重要措施之一，本项目从材料角度出发，在混凝土表面喷涂水性渗透结晶防护涂料，试图提高混凝土自身抵抗外界水等介质侵入的能力。抗渗性能试验依据SL 352—2006进行，结果见表4。由试验结果可知，基准混凝土抗渗等级为W6，喷水性渗透结晶防护涂料混凝土的抗渗等级为W8，水性渗透结晶防护涂料渗透至混凝土内部，与游离钙离子发生化学反应，生产水化硅酸钙凝胶，填充混凝土内部孔隙，提高混凝土抗渗性能。

表4 混凝土抗渗性能试验结果

1.5 抗氯离子渗透性能

可溶性盐可随空隙渗入混凝土内部，对钢筋造成侵蚀，因此水泥基材料的渗透性和孔隙率增大会增加混凝土结构被破坏的可能性。抗氯离子渗透性能试验依据SL 352—2006进行，结果见表5。由试验结果可知，28d龄期，基准混凝土的电通量为2803C，喷水性渗透结晶防护涂料混凝土的电通量为2320C，总电通量越小，混凝土抗渗性能越好。水性渗透结晶防护涂料通过改善混凝土孔结构，密实混凝土内部孔隙，明显提高混凝土抗氯离子渗透性能。

表5 混凝土抗氯离子渗透性能试验结果

1.6 干缩性能

混凝土的干缩变形是指在不饱和的空气中混凝土停止养护后，由于毛细孔结构中的水和吸附于凝胶体表面的水散失而引起的混凝土试件收缩现象。混凝土干缩过程是由外到内的，导致混凝土内部湿度和干缩变形也是不均匀的，且干缩引起的开裂也是大体积混凝土浇筑施工过程中常见的难题之一。

混凝土干缩性能试验依据SL 352—2006进行，结果见表6。

表6 混凝土干缩性能

由试验结果可知，28d龄期，基准混凝土和喷水性渗透结晶防护涂料混凝土的干缩率分别为316×10-6和243×10-6，混凝土干缩率降低23%。水性渗透结晶防护涂料通过细化混凝土表面毛细孔结构，增强混凝土致密性，减少毛细水与吸附于凝胶体上的水蒸气流失，降低混凝土干缩率，提高混凝土抗裂性能。

2 混凝土微细裂纹修复

成型600mm×600mm×100mm的混凝土平板，在混凝土表面制造不规则且不同宽度与深度的龟裂缝(非贯穿型裂缝)，如图1所示。图中2#与3#裂缝宽约0.3～0.5mm。每天在混凝土裂缝处喷涂2次水性渗透结晶防护涂料，2d后裂缝修复效果如图2所示。观察试验结果可知，水性渗透结晶防护涂料通过裂缝渗入混凝土内部与游离钙离子发生化学反应，生产水化硅酸钙凝胶体填充裂缝，促进混凝土表面微细裂纹修复。

图1 混凝土表面裂缝

图2 裂缝修复效果

3 现场试验

水性渗透结晶防护涂料现场试验选择在北京十三陵抽水蓄能电站上库混凝土面板坝表面实施，施工工艺流程为： ①打磨、清洗面板混凝土表面；②洒水润湿面板基面，第1遍喷涂或滚涂水性渗透结晶防护涂料(如图3所示)；③水性渗透结晶防护涂料表干后再次洒水润湿基面，喷涂或滚涂第2遍；④洒水湿润养护。

图3 水性渗透结晶防护涂料喷涂施工

运行一年后对现场试验情况进行跟踪检查，同时采用回弹仪对涂刷与未涂刷水性渗透结晶防护涂料的混凝土坝面强度进行了检测。现场检测发现，涂刷水性渗透结晶防护涂料后，混凝土表面无异常，未发现有新的裂缝出现，面板混凝土回弹强度基本相当。

4 小结

试验表明，水性渗透结晶防护涂料可明显提高混凝土的抗渗性能、抗氯离子渗透性能，降低混凝土干缩，并改善抗冻性能，但对混凝土强度提高效果不明显。水性渗透结晶防护涂料可修复混凝土表面微细裂缝，促进混凝土表面裂缝愈合。水性渗透结晶防护涂料工艺简单，操作便捷，对基面混凝土温湿度和平整度要求低，无需找平层和保护层，与混凝土结构同寿命，可用于混凝土坝、水闸、输水建筑物等结构的耐久性提升及微细裂纹修复。