汪 琪，欒海洋，范穎芳

(大連海事大學(xué) 土木工程系，遼寧 大連116026)

0 引 言

隨著我國(guó)工程建設(shè)的發(fā)展及國(guó)家進(jìn)一步的改革開(kāi)放，許多花費(fèi)巨大的重要建(構(gòu))筑物已經(jīng)竣工或正在建設(shè)，混凝土作為基本建筑材料被廣泛應(yīng)用于水利工程、橋隧工程、高層建筑、大跨度公共建筑和工業(yè)建筑等相關(guān)領(lǐng)域。然而，對(duì)于采油平臺(tái)、海底隧道、公路橋梁等長(zhǎng)期暴露于海洋環(huán)境下和融雪劑存在條件下的混凝土結(jié)構(gòu)，水分和氯離子滲透至鋼筋表面，將直接導(dǎo)致鋼筋腐蝕、混凝土開(kāi)裂和剝落，致使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，喪失其耐久性能［1-2］。

在混凝土表面涂覆保護(hù)層可以隔離有害物質(zhì)，改善混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B性能。表面硅烷浸漬作為一種有效的防護(hù)方法，在海洋環(huán)境及其他惡劣環(huán)境下逐漸得到廣泛應(yīng)用［3-5］。已有相關(guān)研究表明:水分在混凝土結(jié)構(gòu)整個(gè)服役過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［6-9］?；炷涟l(fā)生凍融破壞、化學(xué)侵蝕、鋼筋銹蝕及堿骨料反應(yīng)等結(jié)構(gòu)耐久性破壞均與水分的直接參與有關(guān)。硅烷利用自身的小分子結(jié)構(gòu)，可穿透混凝土表層，滲透至混凝土內(nèi)部數(shù)毫米深度，并相互縮合在基材表面毛細(xì)孔壁形成一層均勻致密且連續(xù)的網(wǎng)狀斥水性硅氧烷憎水薄膜，能起到防水的功效和阻止外部有害物質(zhì)的侵入［10］。使用硅烷對(duì)混凝土材料進(jìn)行表面防水處理能夠抑制外部水分侵入，降低鋼筋腐蝕概率，是一種延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命的有效措施［11-12］?？梢圆捎迷诨炷敛牧媳砻嬷苯油扛补柰?，使近表面處形成憎水區(qū)域從而防水。正是由于硅烷浸漬混凝土良好的防水性能，決定了其良好的抗氯離子滲透性能。

為了明確硅烷浸漬劑對(duì)混凝土材料抗氯離子滲透性能的影響效果及改善機(jī)理，本文結(jié)合大連長(zhǎng)?？h長(zhǎng)山大橋工程，在承臺(tái)、墩身及箱梁等部位使用硅烷浸漬保護(hù)，并基于室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同硅烷涂覆層數(shù)(1、2、3 層)、不同養(yǎng)護(hù)齡期(1、3、7、14、28 d)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律，為實(shí)際工程中選擇硅烷產(chǎn)品對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐處理提供了科學(xué)參考。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原材料

試驗(yàn)用水泥為大連小野田P.O 42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分詳見(jiàn)表1。采用大沙河砂;按5 ～10 mm:10 ～20 mm=329:768，326:760(質(zhì)量比)配為5 ～20 mm 連續(xù)級(jí)配碎石;依照工程實(shí)際選用青島產(chǎn)PC-2 引氣劑;上海馬貝產(chǎn)SR3減水劑;莊河黑島產(chǎn)粉煤灰;大連金橋產(chǎn)礦粉;自來(lái)水;福建思康新材料發(fā)展有限公司產(chǎn)SP-205 異丁基三乙氧基硅烷，濃度98.9%以上。

表1 水泥化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of cement

1.2 試件制作

依據(jù)工程要求，本試驗(yàn)采用兩種不同混凝土配合比，承臺(tái)、墩身試件選用C40 混凝土，水膠比為0.36;箱梁試件選用C50 混凝土，水膠比為0.33。具體配合比參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用混凝土配合比參數(shù)Tab.2 Mix proportions of the concrete in the test kg·m-3

本次試驗(yàn)根據(jù)不同試驗(yàn)條件制作了40 組試件，3 個(gè)試件為1 組，采用Φ100 mm×50 mm 的混凝土鋼制圓柱形試模成型，試件成型后1 d 拆模。將混凝土試件置于養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度控制在(20±2)℃，空氣相對(duì)濕度90%以上，分別養(yǎng)護(hù)至1，3，7，14，28 d。取出試樣放至面干后，對(duì)需要涂覆硅烷的試樣面先進(jìn)行打磨，并將打磨表面浮灰清理干凈，做到平整干凈。表中試件編號(hào)C 組試件表示承臺(tái)、墩身混凝土試件，L 組試件表示箱梁混凝土試件。

1.3 涂覆過(guò)程

涂覆硅烷時(shí)混凝土表面應(yīng)為面干狀態(tài)，將圓柱體試件置于水平桌面上，試件被涂面平行于桌面。用毛刷蘸取硅烷浸漬劑，在試件被涂面上均勻涂刷，使被涂表面飽和溢流，保持被涂表面至少有5 s 目視為濕鏡面狀態(tài)。每遍噴涂量為300 mL/m2，間隔時(shí)間為6 h，這樣在上層完全固化情況下，以達(dá)到更高的滲透深度。涂刷完成后被涂面裸露自然風(fēng)干即可。浸漬所需硅烷材料使用前啟封，啟封后72 h 廢棄。

1.4 試驗(yàn)方法

為了評(píng)價(jià)硅烷浸漬混凝土抗氯離子滲透性能，本文參照GB/T50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》及JTJ275-2000《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》，利用Tang 等［13-14］提出的快速氯離子遷移法(RCM)測(cè)試了不同混凝土試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)，其測(cè)試原理是利用外界溶液濃度差來(lái)驅(qū)動(dòng)氯離子在混凝土材料中的傳輸，并通過(guò)施加外部電勢(shì)來(lái)加速氯離子向試件中遷移。試驗(yàn)中采用DS-5510DTH 型超聲波清洗機(jī)、RCM-DAL 型氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀等(圖1)，施加初始電流值與試驗(yàn)時(shí)間關(guān)系詳見(jiàn)表3。

圖1 RCM-DAL 氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀Fig.1 RCM-DAL chloride ion diffusion coefficient testera.sketch b.test device

表3 初始電流和試驗(yàn)時(shí)間Tab.3 Initial current and testing time

在試件最后1 次涂刷硅烷完成后至少養(yǎng)護(hù)7 d 方可進(jìn)行硅烷浸漬混凝土氯離子擴(kuò)散深度的測(cè)試。測(cè)試時(shí)試驗(yàn)室溫度應(yīng)控制在(20±1)℃，試件在安裝前需進(jìn)行5 min 超聲浴清洗，使試件表面干凈，同時(shí)需將電解槽用室溫飲用水清洗干凈。在硅膠筒的一端放入試件，為使試件側(cè)面處于密封狀態(tài)，采用兩個(gè)不銹鋼環(huán)箍進(jìn)行固定，將兩個(gè)環(huán)箍上的螺絲擰緊至扭矩為(30±5)N·m。把安裝好試件的硅膠筒放入電解槽中，將主機(jī)測(cè)試線分別與試驗(yàn)夾具的正負(fù)極相連。陽(yáng)極電解液采用300 mL 的0.2 mol/L KOH 溶液，緩慢注入硅膠筒內(nèi)浸沒(méi)試件表面和陽(yáng)極板。陰極電解液采用含5%NaCl 的0.2 mol/L KOH 溶液，注入電解槽中直至與硅膠筒內(nèi)KOH 溶液液面齊平。在陽(yáng)極溶液中放入溫度傳感器，打開(kāi)測(cè)定儀主機(jī)電源進(jìn)行電遷移過(guò)程，并立即同步測(cè)定串聯(lián)電流大小及陽(yáng)極溶液初始溫度(精確到0.2 ℃)，試驗(yàn)時(shí)間由初始電流值確定。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)記錄陽(yáng)極溶液的最終溫度，斷開(kāi)主機(jī)測(cè)試線，取出試件后將電解槽清洗干凈。

在通電一定時(shí)間后(取決于初始電流大小)取出試件并將試件放平沿中心劈開(kāi)。在試件被劈開(kāi)面均勻噴涂0.1 mol/L 的AgNO3溶液，約15 min 后即可觀察到白色氯化銀沉淀，白色沉淀物寬度即為該試件氯離子擴(kuò)散深度。

試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)按公式(1)計(jì)算:

式中:DRCM為試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;T 為陽(yáng)極電解液初始溫度和最終溫度的平均值，K;h 為試件高度，m;xd為試件氯離子擴(kuò)散深度，m;t 為試驗(yàn)通電時(shí)間，s;α 為輔助變量。

以試驗(yàn)測(cè)得每組3 個(gè)試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)的算術(shù)平均值作為該組試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定值。當(dāng)三個(gè)測(cè)值中的最大值或最小值與中間值之差超過(guò)中間值的15%時(shí)，則舍去此值，再取另外兩值的平均值作為該組測(cè)定值;當(dāng)兩個(gè)測(cè)值與中間值相差均超過(guò)15%時(shí)，取中間值作為該組測(cè)定值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)分別測(cè)試了兩種混凝土試件經(jīng)涂刷1、2、3 層硅烷，硅烷浸漬時(shí)的養(yǎng)護(hù)齡期分別為1、3、7、14、28 d 時(shí)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，C-0、L-0 為未涂覆硅烷的承臺(tái)、墩身及箱梁混凝土對(duì)比試件。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)Tab.4 Chloride diffusion coefficient values of specimens

2.1 硅烷涂覆層數(shù)對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

圖2 分別給出了承臺(tái)、墩身混凝土試件及箱梁混凝土試件在養(yǎng)護(hù)齡期相同經(jīng)不同層數(shù)硅烷浸漬劑涂覆時(shí)其氯離子擴(kuò)散系數(shù)值。

圖2 不同硅烷涂刷層數(shù)對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響Fig.2 Chloride diffusion coefficient with various layers of silane impregnation

由圖2(a)、(b)可以看出，早齡期(1、3、7 d)時(shí)，隨著硅烷涂刷層數(shù)增加，C 組試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)總體呈先減小后增大趨勢(shì);當(dāng)試件養(yǎng)護(hù)齡期超過(guò)14 d 后，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨硅烷涂刷層數(shù)的增加而穩(wěn)定減小，14 d 齡期涂刷2 層和3 層硅烷試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)較未涂覆硅烷對(duì)比試件分別減小了50.6%和52.6%，28 d 齡期涂刷2 層和3 層硅烷試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)較未涂覆硅烷對(duì)比試件分別減小了37.4%、46.3%。L 組試件早齡期(1、3、7 d)氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著硅烷涂刷層數(shù)增加總體呈先增大后減小趨勢(shì)，1 d 齡期試件表面浸漬硅烷后氯離子擴(kuò)散系數(shù)反而較未涂覆硅烷對(duì)比試件大，查閱文獻(xiàn)［9］知這是由于早齡期混凝土水化不充分，過(guò)早地涂覆硅烷將限制其水化過(guò)程，因而混凝土中孔隙率較大;當(dāng)試件養(yǎng)護(hù)齡期超過(guò)14 d 后，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨硅烷涂刷層數(shù)的增加而逐漸減小，28 d 齡期涂刷2 層硅烷試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)較未涂覆硅烷對(duì)比試件減小了37.6%，而當(dāng)涂刷3 層硅烷時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)較未涂覆硅烷對(duì)比試件減小了25.3%，說(shuō)明增加硅烷涂刷層數(shù)將不利于混凝土抗氯離子滲透性能的提高。

2.2 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

試驗(yàn)中各組試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)值均在(1 ～10)×10-12m2/s，取C-0-1 試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)值為基準(zhǔn)值，其他試件相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)按式(2)計(jì)算:

式中:DRRCM為試件相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù);DiRCM為第i 個(gè)試件氯離子擴(kuò)散系數(shù);D1RCM為C-0-1 試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

承臺(tái)、墩身混凝土試件及箱梁混凝土試件經(jīng)涂刷同一層數(shù)硅烷浸漬劑時(shí)其相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨齡期的變化如圖3 所示。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響Fig.3 Chloride diffusion coefficient at various curing age

從圖3(a)、(b)可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，未經(jīng)硅烷浸漬與經(jīng)過(guò)硅烷浸漬后的試件相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)均明顯降低，表明混凝土抗氯離子滲透性能均有不同程度的提高，這主要是由于隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，混凝土密實(shí)性提高、孔隙率降低，氯離子較難滲透。早齡期(1、3 d)時(shí)，經(jīng)硅烷浸漬后的試件抗氯離子滲透性能并未穩(wěn)定較未經(jīng)硅烷浸漬試件更優(yōu);當(dāng)試件養(yǎng)護(hù)齡期超過(guò)7 d 時(shí)，涂刷2 層及3 層硅烷試件相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)值均較未經(jīng)硅烷浸漬或涂刷1 層硅烷試件更低。圖3(a)中C 組試件表面經(jīng)涂刷2 層和3 層硅烷時(shí)其相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)齡期變化趨勢(shì)接近，涂刷2 層硅烷時(shí)養(yǎng)護(hù)齡期為3、7、14、28 d 的試件相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)較養(yǎng)護(hù)1 d 試件分別降低了10.7%、44.7%、67.6%、70.5%;涂刷3 層硅烷時(shí)養(yǎng)護(hù)齡期為3、7、14、28 d 的試件相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)較養(yǎng)護(hù)1 d 試件分別降低了22.8%、53.1%、74.9%、79.6%。圖3(b)中L 組試件表面經(jīng)涂刷2 層硅烷時(shí)養(yǎng)護(hù)齡期為3、7、14、28 d的試件相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)較養(yǎng)護(hù)1 d 試件分別降低了50.4%、54.5%、66.8%、78.0%;經(jīng)涂刷3層硅烷時(shí)養(yǎng)護(hù)齡期為3、7、14、28 d 的試件相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)較養(yǎng)護(hù)1 d 試件分別降低了35.7%、66.3%、52.3%、63.2%。這說(shuō)明隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大降低幅度呈減小趨勢(shì)，即早齡期氯離子擴(kuò)散系數(shù)值降低更明顯，但由于受到涂覆工藝、混凝土性能等條件限制，試驗(yàn)存在一定的誤差，L 組試件養(yǎng)護(hù)齡期為7 d 時(shí)經(jīng)涂刷3 層硅烷其相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)值反而較14、28 d 齡期小。因此還需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究分析。

2.3 配合比對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

圖4 給出了相同硅烷涂覆層數(shù)下兩種不同配合比試件相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化規(guī)律。

圖4 配合比對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響Fig.4 Chloride diffusion coefficientfor various mix proportions

由圖4(b)、(c)可以看出，經(jīng)過(guò)1 層或2 層硅烷浸漬處理時(shí)，C 組試件及L 組試件相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化趨勢(shì)接近，硅烷浸漬對(duì)兩種配合比混凝土抗氯離子滲透性能的影響差別不大。圖4(a)中養(yǎng)護(hù)齡期為3 d 表面未經(jīng)硅烷浸漬處理的L 組試件相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)稍大于C 組試件，而在其他齡期下L 組試件均較C 組試件的相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)低。L 組試件1、7、14、28 d 對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)較對(duì)應(yīng)C組試件分別小58%、16.7%、9.6%、13.2%。圖4(d)中早齡期(1、3、7 d)經(jīng)涂覆3 層硅烷的L 組試件相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)較對(duì)應(yīng)C 組試件分別小33.3%、45.4%、24.0%，14 d 及28 d 齡期時(shí)略大于C 組試件。與C 組試件相比，L 組試件水膠比較小。水膠比是影響混凝土毛細(xì)孔率的主要因素之一，水膠比較小，則內(nèi)部孔隙率較小，混凝土密實(shí)度較大，氯離子等有害物質(zhì)較難滲透，從而提高混凝土抗?jié)B性能。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)涂覆不同層數(shù)硅烷浸漬劑不同養(yǎng)護(hù)齡期混凝土氯離子滲透性能進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究，主要得到以下結(jié)論:

①硅烷對(duì)混凝土早期(1、3、7 d)氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低效果較差，過(guò)早進(jìn)行硅烷浸漬處理不利于提高混凝土抗?jié)B性能。

②當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)齡期超過(guò)14 d 后，涂刷2 層硅烷混凝土抗氯離子滲透性能較涂刷3 層硅烷試件改善效果更加顯著。綜合考慮硅烷浸漬劑成本及現(xiàn)場(chǎng)施工可操作性，選擇涂刷2 層硅烷浸漬劑進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)防腐處理。

③涂覆硅烷能夠顯著降低混凝土長(zhǎng)期氯離子擴(kuò)散系數(shù)。C 組試件養(yǎng)護(hù)14、28 d 時(shí)經(jīng)涂覆2 層硅烷浸漬劑其氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別為2.03×10-12、1.85×10-12，較相應(yīng)未涂覆硅烷對(duì)比試件分別減小了50.6%、37.4%;L 組試件養(yǎng)護(hù)14、28 d 時(shí)經(jīng)涂覆2 層硅烷浸漬劑其氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別為2.46×10-12、1.63×10-12，較相應(yīng)未涂覆硅烷對(duì)比試件分別減小了32.5%、37.6%。因而施工時(shí)可選擇在14～28 d 齡期內(nèi)進(jìn)行硅烷表面浸漬處理。

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