密封固化對水泥混凝土的改善效果

許建騰

(廣州誠安路橋檢測有限公司，廣州 510420)

廣東省處于中國東南部，海岸線較長，因海洋潮汐作用，很多臨海工程經干燥-海水浸泡-干燥的干濕循環腐蝕作用，引發一系列腐蝕破壞，使臨海建筑結構物使用年限大大降低，甚至引發事故[1-2]。由于受到腐蝕作用，混凝土的表觀性能和微觀結構隨養護齡期不斷發展變化，從宏觀和微觀兩個層次把握其發展規律，對研究混凝土耐久性具有十分重要的意義[3]。混凝土的常規保護措施主要有涂料涂覆、護筒包覆防護等[4]。有機涂層會因溶劑揮發而產生針孔及高分子鏈結構的微間隙，H2O和含Cl-液體等會沿著這些針孔和微觀間隙進入水泥混凝土的間隙，導致涂層出現附著力下降、脫落等問題[5]。

從20世紀80年代開始，硅基材料的使用日益廣泛，美國道路橋梁的混凝土結構也開始使用有機硅烷材料進行防護。研究表明，硅烷具有合適的疏水基長度，能滲透至混凝土內部，具有較好的疏水性能[6-7]；硅烷浸漬劑對混凝土結構的防護效果與硅烷品種以及混凝土的密實度有關[8-11]。將有機硅防水涂料噴涂到混凝土結構表面，可以使有機硅與混凝土內部游離的鈣離子發生化學反應，堵塞或填充混凝土表層的微觀孔隙，阻止H2O、含有Cl-的溶液及其他腐蝕性液體滲入混凝土內部，顯著提高建筑的使用壽命。上述硅烷密封劑對混凝土表層的防護性能改善均取得一系列有益效果，但目前關于涂抹硅烷密封劑后混凝土表層硬度及耐磨耗性的研究較少,硅烷對混凝土表層微觀層面改善效果的研究更少。本工作采用硅滲劑對水泥混凝土進行密封固化,研究了密封固化對水泥混凝土抗壓強度、硬度、耐磨性能等性能的影響。

1 試驗

1.1 水泥混凝土制備

試驗原料有水泥、外加劑、碎石和碎石。水泥為廣東惠州產的海螺牌散裝42.5普通硅酸鹽水泥，相關指標見表1。外加劑為萘系高效緩凝減水劑；碎石為粒形完整、質地堅硬的花崗巖，其性能符合相關規范要求；河砂產自惠州，細度模數為2.70，含泥量為0.6%(質量分數)，表觀密度為2 690 kg/m3。

表1 水泥的物理性質

按表2所示配比制備不同尺寸的水泥混凝土試件。為了保證試驗初始條件相同，試件在同一天成型，并在相同條件下養生至28 d齡期。

表2 水泥混凝土的配比

1.2 密封固化

以硅滲劑為密封固化劑對水泥混凝土試件進行密封固化。硅滲劑主要成分為硅酸鈉、硅酸鋰、氟硅酸鎂及穩定劑等，其物理性質見表3。密封固化前，先用質地較硬的毛刷將水泥混凝土試件表面的白堿和浮塵徹底清掃干凈。接著使用細毛刷蘸取密封固化劑材料，涂刷于試件表面，間隔一段時間涂刷一次，試樣表面處于濕潤狀態的時間不少于30 min，密封固化劑涂刷量應不低于1.5 kg/m2。涂刷完成后，試件需放置7 d左右，待其完全固化。涂刷密封固化劑后的試件應注意遮蓋，24 h內不能淋雨，否則待試件表面干燥后應重新涂刷。同時，以未密封固化的水泥混泥土(以下稱空白試件)為對比試件進行性能測試。

表3 硅滲劑物理性質

1.3 性能測試

參照JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》，使用萬能試驗機對水泥混泥土進行抗壓強度測試，按式(1)計算抗壓強度，結果取3個試件的平均值。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試件的四個面進行了密封固化。

(1)

式中：fcu為水泥混凝土的抗壓強度，MPa；F為試驗的極限荷載，N；A為試件的受壓面積，mm2。

參照莫氏硬度試驗和評判方法測水泥混凝土的表面硬度，即使用不同硬度的標準礦石來劃試件表面，如果礦石能在混凝土表面留下劃痕，說明該礦石的硬度高于混凝土表面的硬度，應再使用低一級硬度的礦石進行試驗；若低一級硬度的礦石不能在混凝土表面留下劃痕，說明混凝土表面的硬度比礦石的高。混凝土表面硬度為兩級硬度的中間值。

參照JTG E30-2005標準測水泥混凝土表面的耐磨性。試驗儀器為改進后的水泥混凝土磨耗試驗機，見圖1。試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，對一成型側面進行密封固化。磨耗試驗前稱量試件的初始質量m0，然后在200 N負荷下進行磨耗試驗。試驗過程中，對規范試驗方法進行如下改進：分別在磨耗圈數為5、10、15、20、25、30圈時，取下試件刷凈其表面粉塵后稱量，按式(2)計算試件的磨損量。

(2)

式中：Gc為單位面積的磨損量，kg/m2；m0為試件初始質量，kg；mi為試件磨損后的質量，kg；A為試件的磨損面積，為0.012 5 m2。

圖1 改進后的水泥混凝土磨耗試驗機

參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》標準中的RCM方法對水泥混凝土進行抗氯離子滲透試驗。僅對試件的一個圓形切面涂刷密封固化劑，該切面為測試面。水泥混凝土抗氯離子滲透性試驗的陰極溶液為10%(質量分數)NaCl溶液，陽級溶液為0.3 mol/L NaOH溶液。結束后將試件劈開并噴涂AgNO3，約15 min后用游標卡尺測量劈裂面變色區域的深度。

在基體混凝土和涂密封固化劑混凝土試件表面分別敲取一個自然斷面進行SEM分析，觀察表面的致密性和結構形態。

在進行靜態接觸角試驗前，將試件放入無水乙醇中超聲清洗15 min，再置入恒溫恒濕箱中干燥24 h。采用Vertion2.8接觸角測試儀在每個水泥混凝土試件表面選取3個不同的位置，用針管將液滴滴在上面，當液滴穩定后，對其進行拍照測量，取平均值作為靜態接觸角。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度

由圖2可知，密封固化劑前后水泥混凝土的抗壓強度分別為48.0 MPa和49.0 MPa。結果表明，密封固化對水泥混凝土的抗壓強度并無明顯影響。這主要是因為密封固化劑只能滲透至水泥混凝土表面以下一定深度，與試件整體厚度相比，受密封固化劑作用的區域不足以對試件的整體強度產生加強影響。

圖2 密封固化前后水泥混凝土的抗壓強度

2.2 硬度

硬度試驗結果表明：對于未經密封固化的水泥混凝土，莫氏硬度為6.0的標準礦石不能在其表面留下劃痕，但莫氏硬度為7.0的標準礦石能在其表面留下劃痕，因此未經密封固化的水泥混凝土表面硬度為6.5；同理，密封固化后水泥混凝土表面硬度為8.5，比密封固化前提升了30.8%。水泥混凝土表面涂刷密封固化劑后，密封固化劑與水泥混凝土發生一系列化學反應，同時水泥混凝土的微觀孔隙被密封固化劑逐步填充，隨著密封固化劑中水分蒸發，形成一層硬度大于水泥混凝土的密封固化劑膜，使混凝土表面硬度增加。

2.3 耐磨性能

由圖3可見：與密封固化前相比，密封固化后水泥混凝土的磨耗量明顯減小，表明密封固化后水泥混凝土的耐磨性能得到顯著提高。這是因為密封固化劑滲入水泥混凝土內部后生成的新物質具有高強度和良好的耐磨性能，可以提高水泥混凝土表層的耐磨性能。另外，隨著磨耗圈數的增加，兩組水泥混凝土試件磨耗量曲線的斜率也逐漸變大，即試件的磨耗速率逐漸增大。密封固化劑的作用深度有限，從混凝土表面到內部，密封固化劑對內部空隙的填充和密實作用逐漸減小，因此隨著磨耗深度增加，密封固化劑作用逐漸減弱，表現為磨耗速率增大。

圖3 水泥混凝土磨耗量曲線

2.4 抗氯離子滲透性

圖4為氯離子在水泥混凝土中的滲透深度。根據氯離子滲透深度，按式(3)計算混凝土中非穩態氯離子遷移系數，結果如圖5所示。

(3)

式中：DRCM為混凝土的非穩態氯離子遷移系數，精確到0.1×10-12m2/s;U為所用電壓的絕對值，V；T為陽級溶液的初始溫度和結束溫度的平均值，℃；L為試件厚度，精確到0.1 mm；Xd為氯離子滲透深度的平均值，精確到0.1 mm；t為試驗持續時間，s。

圖4 氯離子在水泥混凝土中的滲透深度對比

圖5 水泥混凝土中非穩態氯離子遷移系數

由圖4和圖5可知，氯離子在密封固化劑后水泥混凝土中的滲透深度比密封固化前降低42.8%，混凝土非穩態遷移系數降低37.2%。這主要是因為密封固化劑內的有機硅與水泥基材料的成分發生偶聯橋鍵作用，形成整體牢固的憎水層，使混凝土內部孔隙密閉，造成氯離子在水泥混凝土內部遷移運動減緩。

2.5 表面接觸角

由圖6可見，密封固化前,水泥混凝土表面接觸角為24.5°，且可以看到有部分水已經滲入混凝土內部，表現為親水特性；密封固化后，水泥混凝土表面接觸角為105.2°，表現出憎水特性。

2.6 微觀形貌

由圖7可見：密封固化前，在距離水泥混凝土試件表面1 mm處發現水化產物之間相互搭接，存在不少孔隙，礦物顆粒呈不規則堆積，內部結構不是很致密；密封固化后，水泥混凝土表面的致密性明顯提高。這是因為試驗所用密封固化劑是一種多成分的化學試劑，黏度很小，涂裝后由于毛細作用可迅速滲入混凝土內部，密封固化劑中氟硅酸鎂、硅酸鋰與Ca(OH)2、C-S-H等與游離鈣反應，生成新的硅酸鹽化合物附著在水泥混凝土表面和填充孔隙，提高了混凝土的強度、耐磨性能，并且提高其密實性和抗滲透性。

(a) 密封固化前

(b) 密封固化后

(a) 密封固化前

(b) 密封固化后

3 結論

(1) 密封固化劑作用深度有一定范圍，受密封固化劑作用的區域不足以對整體強度產生加強影響。因此，密封固化后混凝土的抗壓強度并無明顯增加。

(2) 水泥混凝土表面涂刷密封固化劑后，微觀孔隙被逐步填充，隨著密封固化劑中的水分蒸發，表面形成一層硬度大于混凝土的密封固化劑膜，混凝土表面硬度由6.5增加到8.5。

(3) 密封固化后，水泥混凝土的耐磨性能顯著提高，但隨著磨耗深度增加，密封固化劑作用逐漸減弱，導致磨耗速率增大。

(4) 密封固化后水泥混凝土中氯離子滲透深度比密封固化前水泥混凝土中的降低42.8%，遷移系數降低37.2%。密封固化后，水泥混凝土表面呈明顯的憎水特性。這主要是因為密封固化劑內的有機硅與水泥基材料的成分發生偶聯橋鍵作用，形成整體牢固的憎水層，使水泥混凝土內部孔隙密閉，造成氯離子在混凝土內部遷移運動減緩。

(5) 在未密封固化的水泥混凝土中，水化產物之間相互搭接，存在不少孔隙，礦物顆粒呈不規則堆積。密封固化后，由于毛細作用滲入混凝土內部，與游離鈣反應，生成莫氏硬度較大的硅酸鹽產物附著在表面和填充孔隙，改善了水泥混凝土表面微觀結構，提高了其致密程度。