不同含水率条件下路面疏水混凝土冻融循环性能研究

摘 要：为了研究路面疏水混凝土在冻融循环条件下是否满足工程需求，本文在不同含水率条件下，通过对不同材料处理的混凝土进行冻融循环试验，对混凝土性能进行了研究。结果表明，硅烷应用于干混凝土表面时，混凝土的吸水率最小，质量损失最小；硅烷应用于完全饱和混凝土表面时，质量损失最大。醋酸钠应用于含水率为2%、4%的混凝土和完全饱和混凝土时，混凝土的吸水率最小，混凝土质量损失＜4%。当醋酸钠应用于完全干燥的混凝土时，质量损失＞5%。以上研究可为类似混凝土工程提供参考。

关键词：疏水混凝土；质量损失；含水率；冻融循环

中图分类号：TU 52" " " 文献标志码：A

如何延长混凝土结构的使用寿命一直是国内、外研究人员和行业管理人员关注的问题。目前，许多研究尝试通过改变混凝土的成分或使用不同类型的添加剂、外加剂来提高混凝土的耐久性。因此，疏水材料被用作表面浸渍剂，以控制由水和腐蚀性化学物质进入引起的混凝土劣化。本文在不同含水量条件下，对不同材料处理的混凝土在水中进行冻融循环试验，分析了混凝土在1080次冻融循环下的质量损失率和冻融循环结束后的吸水率。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本次试验的混凝土采用水泥、粗骨料、细骨料和水搅拌而成，水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，水泥中硫酸盐＜3.5%，氯化物＜0.10%，初凝时间约75min。粗骨料为粒径为20mm的花岗岩碎石，细骨料为0.5mm～1mm的中砂，水为生活用水。混凝土的配合比为水泥462kg/m3，粗骨料1069kg/m3，细骨料658kg/m3，水205kg/m3。

试验采用4种材料用于混凝土保护，分别为含氟聚合物、硅树脂、醋酸钠和溶剂型硅烷。其中含氟聚合物主要由氟组成，氟可使材料具有疏水性能。含氟聚合物的功效主要取决于氟基团的形成，这些氟基团排列在混凝土的孔隙中，并赋予它们排斥水的能力。试验使用的硅树脂具有较高疏水性，将其应用于混凝土会产生较明显的疏水效果。当醋酸钠溶液浸泡到混凝土表面时，醋酸钠溶液中的醋酸钠化合物吸收孔隙中的水，并在表面形成晶体，这些晶体覆盖毛孔，并排斥混凝土中吸收的水。试验将溶剂型硅烷应用于混凝土表面，并将其作为参考，与其他3种保护材料进行性能比较。将混凝土制成长×宽×高分别为100mm×100mm×100mm的试块，共制备72个，将制备好的试块放在22℃的水中浸泡28d，保持水的恒定温度为22℃，浸泡结束后取出放在烤箱里，将混凝土内部毛孔的水分烘干。试验开始前，将制备好的64个混凝土试块进行不同含水量的预处理，其含水量分别为完全干燥、含水量2%和4%。经过预处理后，采用醋酸钠、含氟聚合物、硅树脂和硅烷对混凝土进行浸泡处理，再将剩余的8个混凝土试件作为试验对照，将试验结果与处理后的混凝土进行比较。为确保冻融试验精确，试验分2组进行，每组分配36个混凝土试件，试验完成后取平均值作为试验结果。

1.2 试验方法

本次试验采用水中冻融方法，将混凝土试件浸泡在水中，放置在环境测试箱中，将温度调节在-10℃～6℃，以4小时作为一次冻融循环过程，进行6个月，共1080次冻融循环，在完成1080个循环后，对所有样品的质量进行检查，确定暴露于冻融前后的质量变化，其温度-时间变化如图1所示。冻融试验结束后，通过对损坏的试件进行测试，可得混凝土试件在免受水渗透情况下的吸水率。

2 试验结果与分析

2.1 水中冻融循环下混凝土的质量损失

在水中进行1080次冻融循环后，测量所有混凝土试件的质量变化。根据测量数据可得所有预处理混凝土在1080次循环后的质量百分比如图2所示。

在不同水分含量条件下，随着冻融循环次数增加，所有经过处理和未经处理的混凝土的质量损失率均逐渐增大。在6个月的冻融循环下，未处理的混凝土的质量损失率最大。硅烷应用于干混凝土表面时（图2（a）），与其他处理后的混凝土试件相比，其损伤最小，质量损失最大为3.9%。由此可知，干混凝土对硅烷的排斥率是最小的，这种特性能让硅烷更深地渗透孔隙中并加强孔隙结构。硅烷的活性成分，即硅醇基团的形成需要较低的水分含量或没有水分才能被激活，然后与毛孔形成强有力的联系，这种情况有效体现了硅烷在干燥混凝土中的抗劣化性能。

根据图2（a）～图2（d）可知，采用硅烷对混凝土处理前，增加混凝土的含水率会降低冻融循环中硅烷防止混凝土劣化的功效。当硅烷应用于完全饱和混凝土时，孔隙中活性含量缺失，混凝土的质量率损失最大，接近其他未处理的混凝土。硅烷中烷氧基的存在使其具有疏水性，能较好地与孔隙中的硅酸盐反应，并与混凝土建立稳定的粘结。由于混凝土中存在大量的水，并且烷氧基具有疏水性，因此硅烷与混凝土间的结合越发困难，在冻融条件下，其破坏程度较其他混凝土严重。当醋酸钠应用于高含水量的混凝土时，能为混凝土提供高水平的保护，当醋酸钠应用于含水率为2%、4%的混凝土和完全饱和混凝土时，混凝土质量损失＜4%，当醋酸钠应用于完全干燥的混凝土时，质量损失为5%以上，原因是它的主要成分醋酸钠需要一定量的水才能形成活性晶体。含氟聚合物和硅树脂材料在所有饱和水平上都遵循类似趋势，平均性能介于乙酸钠和硅烷之间。在将氟聚合物和硅树脂应用于干燥混凝土的情况下，用含氟聚合物处理的混凝土破坏程度较小。当硅树脂应用于完全饱和混凝土时，性能优于含氟聚合物，在与混凝土的相互作用机制下，利用水分的作用，硅树脂可强烈地粘附在孔隙上。

2.2 水中冻融循环下混凝土的吸水率

完成1080次水冻融循环后，测试混凝土试件的吸水性。根据测量数据，可得所有预处理混凝土在1080次循环影响后的吸水率，如图3所示。

由图3可知，冻融循环试验结束后，混凝土的吸水率明显增大。随着时间增加，吸水率逐渐降低。当硅烷应用于干燥混凝土时，经冻融冲击后，硅烷对混凝土吸水率的保护率最高。当硅烷被应用于干燥的混凝土表面时，硅烷中与硅原子结合的烷氧基会与已经存在于混凝土中的硅酸盐发生反应，强烈附着在孔隙中。由于冻融试验中存在结垢效应，因此硅烷仍能对混凝土提供良好的保护，与未处理的混凝土相比，处理后的保护率提高了88%，证明了硅烷应用于干燥表面时的高渗透深度。当硅烷应用于水分含量为2%的混凝土试件时，硅烷在防护水平上已表现出高度不足，其中吸水率明显增加。硅烷应用于完全饱和的混凝土时，保护水平为最低，原因是硅烷与混凝土间的结合在水的存在下很难实现。饱和混凝土中硅烷的渗透深度较小，结垢发生后，硅烷对混凝土的保护率会降低[1]。

由图3（a）～图3（d）可知，鉴于醋酸钠对水的高亲和力，将其应用于含水率为2%、4%的混凝土和含水饱和混凝土时，可以显著降低老化混凝土的吸水率。与其他材料处理的混凝土和未处理的混凝土相比，经醋酸钠处理后的混凝土表现出高水平的耐水性能。形成的醋酸钠晶体吸收已经存在的水分，与混凝土形成氢键，并在孔隙中正确连接[2]。而完全干燥的混凝土中缺乏水分，这种粘结的形成过程将停止，醋酸钠的保护效果会降低。硅树脂需要孔隙内的一些水分才能较好地粘附在混凝土上，含水率增至2%以上时，硅树脂比硅烷和未处理混凝土的性能更好，孔隙内硅树脂的存在有助于增强孔隙强度，并减少由孔隙内水的膨胀产生的裂缝[3]。经含氟聚合物处理的混凝土在不同的饱和水平下均表现出较好的抗冻性，在干燥表面上的性能略好。含氟聚合物在水分存在的情况下会降低材料与混凝土的粘附。

3 结论

本文在不同含水量条件下，在水中对不同材料处理的混凝土进行了冻融循环试验，分析了混凝土在1080次冻融循环下的质量损失率和冻融循环结束后的吸水率，得出以下4个结论。1）在不同水分含量条件下，随着冻融循环次数增加，混凝土的质量损失率均逐渐增大。硅烷应用于干混凝土表面时，与其他处理后的混凝土相比，质量损失最小。硅烷应用于完全饱和混凝土表面时，与其他处理后的混凝土相比，质量损失最大。2）醋酸钠应用于含水率为2%、4%的混凝土和完全饱和混凝土时，混凝土质量损失＜4%，醋酸钠应用于完全干燥的混凝土时，质量损失为5%以上。硅树脂应用于完全饱和混凝土时，其性能优于含氟聚合物。3）冻融循环试验结束后，混凝土的吸水率明显增大，随着时间增加，吸水率逐渐降低。硅烷被应用于干燥的混凝土表面时，混凝土的吸水率最小。硅烷应用于水分含量4%和完全饱和的混凝土时，与其他处理后的混凝土相比，混凝土的吸水率最大。4）醋酸钠应用于含水率为2%、4%的混凝土和含水饱和混凝土时，混凝土的吸水率最小。含水率增至2%以上时，与硅烷处理的混凝土和其他未处理混凝土相比，硅树脂吸水率较低。

参考文献

[1]张丽静.冻融循环与硫酸盐侵蚀耦合作用下水工混凝土力学性能分析[J].黑龙江水利科技，2022，50（9）：43-45，58.

[2]王界元.冻融循环下岩粉改良水工混凝土力学性能试验研究[J].水利科技与经济，2022，28（8）：115-118.

[3]刘桐渤.水工混凝土新型防护涂层抗冻融性试验研究[J].黑龙江水利科技，2022，50（4）：1-3，49.