疏水材料處理下道路混凝土凍融性能研究

孔魯霞 ,季亞茹

(濟寧市鴻翔公路勘察設計研究院有限公司,濟寧 272000)

在潮濕的環境下如何提高混凝土的耐久性,許多學者嘗試通過改變其成分或使用不同類型的添加劑和外加劑來提高混凝土的耐久性。有學者研究采用疏水材料作為混凝土表面浸漬劑,以控制由于水或腐蝕性化學物質的進入引起混凝土的侵蝕。任小明等[1]對硅烷疏水乳液在泡沫混凝土防水上的應用進行了研究,結果表明:相較未作防水處理的空白試塊,硅烷疏水乳液對泡沫混凝土的防水效果較好;魯湞湞等[2]對超疏水涂層在瀝青路面上的抗凝冰性能進行了分析,結果表明:當涂層作用在瀝青路面上,涂層表面團聚形成微納粗糙結構,使涂層具有超疏水性能,此性能可降低水與路面之間的粘結力,有效減小了路面的結冰量,提高了瀝青路面的抑冰性能;呂晨等[3]研究了疏水礦物對高強自密實混凝土流動性能及強度的影響,研究結果表明:混凝土中摻入適量的空心玻璃微珠和適量滑石粉,可顯著提升新拌混凝土的工作性能,降低拌和物的屈服應力和黏度;魯湞湞等[4]對環氧樹脂/SiO2涂層混凝土表面主動抗凝冰性及除冰性能進行了研究,研究結果表明:相較于普通混凝土,超疏水涂層混凝土表面的結冰量明顯減小,混凝土表面的結冰更容易清除;丁永剛等[5]研究了不同類型納米粒子改性涂層對混凝土疏水和抗凍性能的影響,研究結果表明:適量的納米SiO2疏水性能最好,有機成膜涂料+納米SiO2粒子復合涂層對混凝土抗凍性能改善效果明顯。該文對不同含水率的混凝土進行空氣凍融循環試驗,分析混凝土在凍融循環下的質量變化及吸水率。

1 試 驗

1.1 材料

為使混凝土達到疏水效果,試驗使用四種疏水材料作用于混凝土表面,四種材料分別為醋酸鈉、硅樹脂、含氟聚合物及溶劑型硅烷。醋酸鈉作用于混凝土表面時,吸收混凝土孔隙中的水,并與水結合,形成醋酸鈉晶體覆蓋在混凝土表面,使混凝土達到疏水效果。硅樹脂材料具有疏水的性能,當作用于混凝土表面時,使混凝土具有硅樹脂材料相同的疏水效果。含氟聚合物所含的氟使材料具有疏水性能,當含氟聚合物進入混凝土的孔隙后,形成的氟基團使混凝土具有疏水的效果。溶劑型硅烷的疏水效果與醋酸鈉類似。

根據試驗要求,共制備78個混凝土試塊,其規格為100 mm×100 mm×100 mm(長×寬×高)。將制備好的混凝土放在溫度為(21±0.5)℃、濕度為95%的環境下進行28 d的標準養護,養護結束后,將混凝土放入烘干箱中進行烘干。當混凝土孔隙中的水分烘干后,再對混凝土試塊進行不同含水量的處理,混凝土的含水量分別為完全干燥(含水量0)、含水量2.5%、含水量4.5%,完全飽合(含水量100%)。混凝土試塊經過處理后,取72個混凝土試塊將四種疏水材料涂抹在混凝土表面作為試驗對象,6個混凝土試塊不作任何處理。

1.2 方法

試驗在冷凍室內進行,將混凝土試件放入冷凍室內,在冷凍室內添加了加熱和通風系統來支持解凍循環。通過冷凍室的溫度和濕度控制系統,控制溫度為-20～20 ℃,以24 h作為一次凍融循環過程,室內濕度保持穩定在60%。試驗進行6個月,共180次凍融循環,凍融試驗完成后,記錄混凝土試件質量相對于凍融循環前的初始質量的差異。凍融循環試驗結束后,通過對損壞的試件進行ISTA(混凝土初始表面吸水性測試)試驗,測試了材料在惡劣條件下保護混凝土免受水滲透的功效,同時采用ISAT試驗評價了混凝土的吸水率。

2 結果與分析

2.1 空氣凍融循環下混凝土質量變化

混凝土在冷凍室進行180次凍融循環后,根據質量測量結果,可得混凝土在凍融循環下的質量變化,如圖1所示。

如圖1所示,當混凝土處于充分干燥狀態時,經硅烷涂抹過的混凝土質量增加最小;在90次凍融循環前,所有混凝土試塊的質量增加均無明顯變化;在90次凍融循環后,未處理的混凝土試塊質量明顯增大,其它疏水材料處理過的混凝土質量增加緩慢。

當混凝土含水率分別為2.5%、4.5%及完全飽合狀態時,經過醋酸鈉處理的混凝土,其質量增加最小,曲線較平緩,而未處理的混凝土,其質量增加最大。當硅烷應用于完全干燥的混凝土表面時,質量增加最小,因此在混凝土干燥的條件下能有效地保護混凝土不因溫度的變化而破壞。當硅烷應用于完全飽和的混凝土表面時,相較于其它疏水材料處理的混凝土,其質量增加最大,因混凝土濕的表面降低了硅烷的疏水性能,硅烷的疏水性能不能有效的發揮。含氟聚合物對降低混凝土的質量變化有較好的效果,而且這種保護作用隨著混凝土的含水率增加而增大。當混凝土水分高于2.5%時,經含氟聚合物處理的混凝土質量變化逐漸減小。當混凝土含水率為4.5%時,相較于其它疏水材料處理的混凝土,硅烷處理的混凝土質量增加最大,醋酸鈉處理的混凝土質量增加最小,硅樹脂處理的混凝土質量變化小于含氟聚合物。

2.2 空氣凍融循環下混凝土的吸水率

混凝土在冷凍室進行180次凍融循環后,根據試驗中吸水數據,可得混凝土在凍融循環下的吸水率變化,如圖2所示。

由圖2可知,在混凝土充分干燥的情況下,隨著時間的增加,經硅烷處理的混凝土吸水率最小,相較于其它混凝土,其吸水率變化最小。因硅烷中的硅元素與混凝土中的硅酸鹽進行反應,形成的物質附著于混凝土的孔隙內,阻止了水分的吸收。未經處理的混凝土,因內部孔隙的存在增加了混凝土對水分的吸收,在相同時間條件下,其吸水率變化最大。

因醋酸鈉有較強的親水性能,當醋酸鈉作用于含水的混凝土時,可使混凝土的吸水率降低,相較于其它混凝土試塊,經醋酸鈉處理的混凝土吸水率最低。未經疏水材料處理的混凝土,相較于其它處理過的混凝土,其吸水率最高。當疏水材料應用于完全飽和的混凝土后,混凝土中的活性含量較低,在長期溫度變化的情況下,削弱了保護材料與混凝土的附著力,導致所應用的材料分解。

當硅烷作用于含水的混凝土表面后,混凝土濕的表面降低了硅烷的疏水性能。混凝土含水量越高,硅烷的疏水性能越低,混凝土的吸水率將增大。當硅樹脂作用于在完全飽和的混凝土時,在混凝土表面表現出適度的抗吸水保護,其保護效果優于含氟聚合物和硅烷。當在完全干燥的混凝土中應用硅樹脂,由于硅樹脂與混凝土孔隙的聯系需要水分,因此在混凝土完全干燥的情況下,硅樹脂在降低混凝土的吸水率效果較差。含氟聚合物對混凝土在凍融循環條件下具有良好的保護作用,這種保護作用隨著混凝土的含水率增加而降低。當混凝土水分高于2.5%時,含氟聚合物對混凝土的保護高于硅烷。

3 結 論

在經過不同疏水材料處理的條件下,通過對不同含水率的混凝土進行空氣凍融循環試驗,分析混凝土在180次凍融循環下的質量變化及凍融循環結束后的吸水率,得到如下結論:

a.充分干燥狀態時,硅烷作用于混凝土表面后,混凝土質量增加最小。在90次凍融循環前,混凝土的質量增加均無明顯變化,90次凍融循環后,相較疏水材料處理過的混凝土,未處理的混凝土質量明顯增大。

b.混凝土含水率分別為2.5%、4.5%及完全飽合狀態時,醋酸鈉處理的混凝土,其質量增加最小,未處理的混凝土,其質量增加最大。硅烷應用于完全干燥的混凝土表面時,質量增加最小,硅烷應用于完全飽和的混凝土表面時,相較于其它疏水材料處理的混凝土,質量增加最大。

c.充分干燥狀態時,硅烷作用于混凝土表面后,混凝土吸水率最小,吸水率變化最小。未經處理的混凝土,相同時間條件下,吸水率變化最大。醋酸鈉作用于含水的混凝土時,相較于其它混凝土試塊,經醋酸鈉處理的混凝土吸水率最小。

d.硅樹脂作用在完全飽和的混凝土時,混凝土表面的吸水保護效果優于含氟聚合物和硅烷。混凝土在完全干燥的條件下,硅樹脂在降低混凝土的吸水率效果較差。凍融循環條件下,含氟聚合物對混凝土有較好的保護作用,混凝土水分高于2.5%時,含氟聚合物對混凝土的保護高于硅烷。