表面疏水劑對混凝土中水和氯離子滲透效果的研究

董建忠

(新疆維吾爾自治區塔里木河流域管理局信息中心，新疆 庫爾勒 841000)

0 引言

近年來，鋼筋腐蝕導致混凝土結構快速劣化[1]，世界各地均投入大量資源進行修復[2]。已有研究針對密封劑和其他混凝土表面處理材料的有效性進行評估[3]。

疏水浸漬的影響在混凝土外觀上較為有限，主要是對其毛細吸水性能產生抑制作用。疏水劑主要用于暴露在環境條件下的混凝土垂直表面，其在經過6個月的混凝土垂直表面上的有效期可達10年以上。然而，其長期效率可能在年輕混凝土上難以實現。疏水浸漬產品的形成通常需要至少28d或更長時間，且在使用疏水劑時，必須避免高溫、低溫、高空氣濕度和高建筑元件濕度等不利條件。然而，疏水劑的應用條件尚需進一步研究，以避免應用不足的問題。

本研究的主要目標是探討疏水劑對混凝土運輸機制的影響，這些信息對工程師制定鋼筋混凝土結構的防護策略至關重要。此外，研究也揭示了涂層數量對疏水劑防護效果的影響。

1 材料與方法

1.1 疏水劑作用機制及要求

疏水劑會形成硅樹脂，并與混凝土基體發生化學結合[4]。常用的是硅烷、硅氧烷低聚物和這2種組分的混合物。硅氧烷(烷氧基硅)是無色的疏水劑，耐久性好，不易去除。疏水劑的性能因其固含量和基材孔隙率而異。在化學角度上，硅烷由一個硅原子組成，而硅氧烷是由幾個硅原子組成的短鏈，其中的分子帶有與硅原子相連的烷氧基，能與混凝土中的硅酸鹽反應，形成穩定的鍵。

鋼筋的腐蝕受環境濕度和氧氣供應影響，疏水劑的關鍵功能是降低混凝土吸水性，其效能需在多年時間周期內持續發揮。因此，疏水劑充分滲透混凝土是至關重要的[5]。此外，生產密度更大、抵抗力更強的混凝土需要能夠容易穿透混凝土孔隙結構的產品。

1.2 材料

基板的混凝土采用礦渣改性硅酸鹽水泥。粗骨料是一種致密的碎花崗石。細骨料為天然硅質砂。本研究中使用的混凝土比例為1.0(硅酸鹽水泥)：1.8(細骨料)：2.7(粗骨料)，水/水泥比等于0.52。該基板在水中固化28d后，其抗壓強度為32MPa。砂漿含量(a)為51%，水泥消耗量(C)為358kg/m3。

所使用的表面疏水劑是硅烷/硅氧烷基產品。一種分散在水中，另一種分散在溶劑中，具體信息見表1。

表1 關于所研究的產品的數據

使用保護產品之前，將樣品在100℃的通風烘箱中干燥至恒定質量。然后在應用產品之前將它們保存在實驗室中冷卻。

1.3 試驗步驟

用作疏水劑應用基質的樣品為圓柱形(直徑10cm，長20cm)，在相對濕度為100%的濕室中固化91d。養護期的選擇是為了消除在暴露于水的試樣中可能發生的額外養護的影響，這會影響到控制序列。根據指導方針，2次應用之間的等待時間為6h，測試在7d后執行。

1.3.1 浸漬吸收

本試驗按照DB37/T 4383—2021《水利工程質量檢測管理規范》規范進行。在樣品上涂上2種硅烷/硅氧烷基疏水劑。試驗受體的水位固定在25cm，保證其水壓變化在250kgf/m2(底部)和50kgf/m2(頂部)之間。

其次是將標本保存在相對濕度為70%±3%，溫度為21℃±2℃的嚴格控制環境中。主要目標是觀察樣品是否具有阻止水分從混凝土中逸出的能力。

1.3.2 毛細吸水

該試驗按照標準GB/T 9966.13—2021《天然石材試驗方法 第13部分：毛細吸水系數的測定》，采用高20cm、直徑10cm的圓柱形試樣。標本的側面用3cm高的硅密封，只暴露1個圓形的表面在水里。在與水接觸時間內(0～96h)監測試樣的重量，并設置保護材料的涂層數量為1～4。

1.3.3 氯化物擴散系數的估算

該計算方法基于使用0.1M AgNO3溶液測量混凝土表面在氯化物流動方向上的顏色變化深度[6]，并在遷移試驗中應用式(1)。

(1)

式中，D—擴散系數，cm2/s；R—氣體常數，J/mol K；T—溫度，K；z—離子的價態；F—法拉第常數，J/V mol；E—場密度，V/m；xd—穿透深度，m；t—測試時間，s；a、b—測試常數。對于氯離子，當E=-600V/m，T=298K時，z=-1。則a=1.061，b=0.589。

通過鋸割圓柱形試樣的中間部分，獲得厚度為50mm的切片，并在100℃的烤箱中保存。在試件表面涂上保護材料，施加保護7d后進行飽和試驗。將50mm厚的薄片放置在2個丙烯酸電池之間，2個反應器分別充滿0.3N的NaOH溶液和3.0%NaCl溶液，連接30v電源并維持30h。加速氯化物遷移測試電池的示意圖如圖1所示。

圖1 氯離子加速遷移試驗池的示意圖

2 結果和討論

2.1 浸漬吸收

如圖2所示，分散在水中的硅烷/硅氧烷并沒有提高混凝土的防濕能力。分散在溶劑中的硅烷/硅氧烷延緩了水的滲透，但96h后飽和度與對照組相同。當某鋼筋混凝土結構承受250kgf/m2的水壓時，疏水產品不適用。經過處理的混凝土分散在水中的結果在統計上是相同的，用溶劑分散的疏水混凝土浸漬3d后，其結果與對照混凝土的結果在統計學上相等。

圖2 涂覆2種疏水劑的未處理和處理混凝土表面的浸漬吸水率

在浸漬吸收試驗結束時，對照試樣和2種硅烷/硅氧烷類疏水劑處理的試樣的滲透水量幾乎相同。因此，還比較了在相對濕度為70±3%，溫度為21±2℃時環境中的水分損失，如圖3所示。本研究中使用的硅烷/硅氧烷基疏水劑符合混凝土水分蒸發量必須為未經處理的混凝土的60%。這證明了疏水劑不會阻塞混凝土表面的孔隙，使水蒸氣形式的水進入和離開處理過的混凝土。

圖3 涂覆兩種疏水劑的未處理和處理混凝土表面的水分干燥損失率

2.2 毛細吸水

如圖4所示，顯示了毛細管吸水試驗的結果，表明硅烷/硅氧烷基疏水表面劑在通過毛細管吸水滲透時具有顯著的影響。此外，分散在溶劑中的疏水劑的處理效率更高。采用雙因素方差分析模型對結果進行了統計分析。硅烷/硅氧烷分散在溶劑中的優越性可以解釋為該產品較低的粘度。粘度較低的液體更容易被混凝土的孔隙吸收，并提供更有效的保護。

圖4 涂覆2種疏水劑的未處理和處理混凝土表面的毛細吸水率

本研究進一步證明了疏水表面劑的效率，見表2。

表2 處理后和未處理的混凝土試樣的吸附率(24h的測量值)

表2顯示了在這項工作中測試的疏水表面劑的效率的進一步證據。這個表給出了吸附性的結果，它是單位面積和時間內滲透的水的體積。在本工作中，計算吸附率的時間為24h，這是該領域采用最廣泛的時間段。吸附率是由進水表面單位面積的累計吸收率與時間的平方根的斜率經驗得出的。根據圖4中的數據，利用式(2)計算處理后和未處理混凝土的吸附率。

(2)

式中，Vw—試樣吸水體積，mm3；Ac—各試樣的截面積，mm2；t—暴露時間，h。

表2顯示，表面疏水劑的使用大大降低了吸附率。分散在水中和溶劑中的硅烷/硅氧烷的吸附率分別降低了2.12倍和7.0倍，這一結果可以解釋為水滴與處理后的混凝土表面接觸角的增加，這說明疏水劑降低了毛細管吸水勢。如圖5—6所示，顯示了硅水劑在一段時間內的毛細管吸水曲線，結果表明隨著涂層數量的增加，吸水性降低，其可靠性為99%。需要強調的是，2種疏水劑涂層與同一試劑的一個涂層相比，沒有統計學上的顯著優勢。此外，該產品的3個和4個涂層的結果與圖5—6相同。綜上，該疏水劑的3層以上應用沒有任何優勢。

圖5 不同涂層數下的毛細吸水率(分散在水中的硅烷/硅氧烷)

圖6 不同涂層數下的毛細吸水率(分散在溶劑中的硅烷/硅氧烷)

2.3 氯化物擴散系數

在混凝土表面應用疏水劑可以降低氯擴散系數(如圖7所示)，但這種影響只與擴散有關，不包括吸收污染水導致的氯離子滲透。這種表面處理主要是減少了可能被氯離子污染的水的滲透率，而不是抑制氯離子的穿透。分散在溶劑中的硅烷/硅氧烷效率大于分散在水中的硅烷/硅氧烷，最大滲透率是由于前者粘度較低(表1)。

圖7 未處理和已處理混凝土表面的表觀氯離子擴散系數(Dapp)

2.4 測試類型間的結果比較

本研究比較了2種測試結果，與預期相同，毛細管吸收試驗與浸沒試驗之間的相關性并不高(r2=0.52)。這可以解釋為前者是由毛細吸力控制，而后者是滲透率(如圖8所示)。因此，可以認為這些機制是不同的。

圖8 浸漬吸收(96h)與毛細吸水(96h)的關系

3 結語

本研究通過研究浸漬和毛細吸水機制，得出：①在毛細吸力下，表面疏水劑對于水滲透具有顯著的抑制效果。然而，疏水劑的能力通常不足以阻止在高壓下水的滲透。②硅烷/硅氧烷在水中的分散比在溶劑中更能有效地降低水的滲透性。疏水處理的主要效果是降低混凝土的吸附率，水中和溶劑中的硅烷/硅氧烷分別降低了2.12倍和7.0倍。③疏水劑降低了擴散系數，但幅度卻相對較小(水中和溶劑中的硅烷/硅氧烷分別為11%和17%)。

在本研究的基礎上，可以進一步對疏水劑持久性效果的實際影響進行研究。