密封防水剂改善水泥混凝土性能的试验分析

杨仁图

(广州诚安路桥检测有限公司，广州 510420)

0 引言

我国沿海省份很多临海工程经常受到海水干湿循环的腐蚀作用[1-2]，在混凝土服役过程中经常受到Cl-、CO2、酸雨等腐蚀作用，由此引发钢筋腐蚀、氯离子和硫酸根离子等腐蚀和破坏，不仅影响混凝土构筑物的使用寿命，甚至因腐蚀作用，诱发安全问题。

针对混凝土抗腐蚀的问题，许多学者进行了相关的试验和研究，并得出一系列成果。常规的保护措施有涂料涂覆和护筒包覆防护等[3]，但实际应用中发现，护筒包覆防护由于难以做到与混凝土完全贴合，并且受防护筒材质寿命等影响，水等物质会沿着护筒与混凝土之间的间隙渗入到混凝土内，继续诱发腐蚀；而有机涂层防护虽然初期效果较好，但随着使用年限的增加，内部溶剂挥发，并且有机涂层受到太阳光紫外线等作用，发生老化，久之产生微间隙，导致涂层脱落，影响养护和防护的效果[4]。

国内对密封防水材料的研究方面，徐桑振等提出了用硅烷浸渍的方式改善寒区机场道面的使用性能[5]；朱懋江等在混凝土表面刷涂硅烷保护剂，研究表明，密封防水剂内的主要成分硅烷能沿着混凝土空隙渗透至混凝土内部，生成疏水性能的物质[6-9]。

本文参照以上研究成果，使用纳米级有机硅材料对混凝土表面进行养护处理，其原理是这些纳米级的硅烷材料渗入混凝土内部后，与混凝土内部游离的钙离子、铝离子发生物理化学作用，可生成不溶于水的结晶物质，堵塞混凝土内部孔隙，阻止H2O、Cl-等渗透侵蚀混凝土内的钢筋，从而提高混凝土构筑物的使用寿命。

1 试验的原材料与喷洒方法

1.1 原材料及配合比

采用海螺牌散装P.O 42.5普通硅酸盐水泥和连续级配的优质花岗岩碎石；河砂细度模数为2.7，密度为2.69g/cm3，含泥量为0.6%。混凝土配合比采用水泥：河砂：碎石=1:1.57:3.14；水灰比为0.45，减水剂用量为胶凝材料的1.8%。

1.2 密封防水剂喷洒方法

将养护好的试件表面的白碱和浮尘彻底清扫干净，使用密封防水剂润湿表面，采用低压刷涂、滚涂或者刷涂的方法涂布，并保持表面一直处于润湿状态10～20 min，即表面触摸有液体。刷涂量不低于1.2kg/m2。养护刷涂完毕后24h内不能淋雨，若淋雨，表干后重新刷涂。

2 试验方案

试验分为空白样品组和刷涂密封防水剂组，分别标记为“空白”和“硅渗”两组试件，以相同配比，同时成型，养生相同龄期进行试验。

吸水率依照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)[10]，涂刷试件侧面。水泥混凝土表面回弹强度试验依照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)[11]回弹仪(图1)测试水泥混凝土强度的方法，测试面为混凝土试件侧面。由于是新拌混凝土试件，故碳化深度默认为0。

图1 莫氏硬度计

耐磨耗试验依照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)[11]，试验过程及仪器如图2所示，试件尺寸为150mm的立方体试件。为避免试件收面时，局部砂浆层厚度不均匀对试验造成影响，试验涂刷选择成型侧面。对试件逐一称重，记录初始质量m0。为探究经密封防水剂处理后的混凝土表层耐磨耗性能，在混凝土磨耗试验中每磨耗5圈，对试件磨耗下来的粉末进行称重，直至磨耗至30圈，磨耗试验负荷为200N。

图2 TMS-240型水泥胶砂耐磨试验机

抗碳化性能依照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)[10]，抗冻融循环试验系统如图3与图4所示。冻融循环是为了模仿自然环境条件下混凝土受到气候变化、表面承受水分子冻结膨胀及融化后能否保持自身表层坚固性的能力。

图3 盐冻试验控制系统

图4 盐冻融循环试验箱

3 试验结果及分析

3.1 混凝土7d吸水率及回弹强度

随机选择混凝土试件的一个侧面作为测试区，每个测区测试16个测点的回弹值，去掉3个最大值及3个最小值，再计算平均回弹值。混凝土抗压强度通过查表法得到。

根据图5和图6所示的试验结果，空白组与硅渗组抗压强度存在一定的差异，分别为38MPa和46MPa。水泥混凝土多孔材料强度理论认为，其强度发展主要取决于混凝土的孔隙率。根据图5和图6，可以看到表面刷涂密封防水剂后混凝土试件的吸水率由2.32%降低至0.94%，抗压强度由38MPa增加至46MPa，增幅为21%。可见，由于密封防水剂渗入混凝土内部，生成填充混凝土内部孔隙的物质，混凝土体内部致密性增加，从而导致刷涂密封防水剂后的试件吸水率降低，表面回弹强度增加，混凝土体的抗压强度增大。

图5 试件吸水率

图6 试件抗压强度

3.2 混凝土7d抗碳化性能

为防止因成型过程中不同的收面造成试件表面砂浆层厚度差异对碳化试验造成影响，选择碳化试验测试面时，尽量避开试件顶面，随机选择一个侧面作为碳化试验的表面。其余的5个面，采用石蜡密封(图7)。

图7 封蜡后的试件

将试件放置于碳化试验箱内，各个试件间距不小于50mm。碳化试验进行到7d时，取出试件，破型测定碳化深度。碳化深度按下式计算。

(1)

di—各测点的碳化深度(mm)；

n—测点总数。

记录两组试件的平均碳化深度，结果见表1。

表1 混凝土碳化深度 (单位：mm)

根据表1的试验结果，试件7d碳化深度空白组与硅渗组分别为8.5mm、4.1mm，碳化深度降低51.8%。

研究表明，混凝土体是一种多孔结构，由于混凝土成型后强度形成过程中本身消耗一定量的内部水和表面持续蒸发作用，内部分布着众多大孔、过度孔、凝胶孔和毛细孔隙。碳化混凝土体是一个先致密，即随水份进入混凝土体内部孔隙的二氧化碳与内部游离的钙离子反应生成性质更稳定的碳酸钙的过程。但在碳化反应的后期，进入混凝土体的二氧化碳逐渐改变混凝土内部碱性环境，造成混凝土体逐渐疏松。刷涂密封防水剂，可阻止水与二氧化碳进入混凝土内部，对于提高混凝土的耐久性具有较好的促进作用。

3.3 混凝土表层耐磨性能

混凝土表面磨耗试验主要反映混凝土表层经受冲击和磨蚀的性能，该试验在混凝土表层硬度变化的基础上，考证表层生成的硬度高于普通混凝土的密封防水剂膜在冲击和磨耗作用下的耐久性。

图8 空白组磨耗试件

图9 硅渗组磨耗试件

用单位面积的磨损量来表示混凝土的磨耗性能:

(2)

式中：i—取值范围为0、5、15、20、25；

Gc—单位面积的磨损量(kg/m2)；

mi—试件初始质量(kg)；

mi+5—试件磨损后的质量(kg)；

A—试件磨损面积，为0.0125(m2)。

根据上式，将两组试件的磨耗量试验结果绘制成试件磨耗量曲线(图10)。

图10 试件磨耗量曲线

从图10可见，刷涂密封防水剂后，混凝土的磨耗量由3.85kg/m2降低至2.05kg/m2，降低46.8%。两组混凝土磨耗试验结果表明，密封防水剂一方面可以填充混凝土表面微观孔隙，提高密实度；另一方面可以与混凝土内部的游离活性离子反应，提高表层水泥浆体和集料结合的牢固度。

3.4 混凝土耐盐冻性能

混凝土耐盐冻性能试验采用养护22d的直径20cm、高8cm的圆柱体试件，3个试件为一组，养护22d后去除进行干燥和侧面的密封处理，密封后饱水处理4d，第28d进行试验。每5次冻融循环测量一次试件的剥落量，该试验冻结温度和融化温度区间为-20℃～10℃，试验环境升降温速度为10℃/h±1℃/h，每个循环周期冻结时间为2h，融化时间为2h。剥落物按下式计算。

(3)

式中：mi—i次冻融循环后，单个试件单位测试面积表面剥落物总质量；

us—每次测量间隙得到的试件剥落物质量，精确至0.01g；

S—单个试件测试表面积。

图11 盐冻试验后试块表面(空白组)

图12 盐冻试验后试块表面(硅渗组)

取出试件，称量试件的质量损失。由于不同试件的初始质量存在一定的差异，为客观评价试件质量损失及剥落量，在计算试件剥落量时，以试验前后试件的相对质量损失来进行计算和分析。两组试件的剥落量对比如图13所示。

图13 混凝土盐冻试验剥落量对比

从图13可见，试件表面刷图密封防水剂后，相同的盐冻循环周期，试件表面砂浆层剥落量由1 278.4g/m2降低至511.2g/m2，降幅达到60%。说明刷涂密封防水剂并养生一定龄期后，混凝土内部变得更致密，密封防水剂与混凝土发生一系列物理和化学反应，生成了更难溶于氯盐的产物，使得经密封防水剂养护后的混凝土体在沿海及盐腐蚀较为严重的地区，具有更好的抵抗盐腐蚀的性能。

4 结论

(1)由于密封防水剂渗入混凝土内部，生成填充混凝土内部孔隙的物质，使得混凝土体内部致密性增加，从而使得刷涂密封防水剂后的试件吸水率由2.32%降低至0.94%，表面抗压强度由38MPa增加至46MPa，增幅为21%。

(2)刷涂密封防水剂，阻止水与二氧化碳进入混凝土内部，较少混凝土内部氢氧化钙与碳酸的接触和反应，试块7d碳化深度由8.5mm降低至4.1mm，碳化深度降低51.8%，可以看出密封防水剂可以使混凝土的抗碳化性能得到一定程度的提升。

(3)刷涂密封防水剂后，混凝土的耐磨度提高，混凝土的磨耗量由3.85kg/m2降低至2.05kg/m2，降低46.8%。因此，可通过在混凝土表层刷涂密封防水剂,提高混凝土的耐磨性能，延长路面使用寿命。

(4)试件表面砂浆层剥落量由1278.4g/m2降低至511.2g/m2，降幅达到60%。表明刷涂密封防水剂并养生一定龄期后，混凝土内部变得更致密，密封防水剂与混凝土发生一系列物理和化学反应，生成了更难溶于氯盐的产物，使得经密封防水剂养护后的混凝土体在沿海及盐腐蚀较为严重的地区，具有更好的抵抗盐腐蚀的性能。