凍融損傷對表面防水混凝土滲透性影響研究

王喜彬,張 進,馬志鳴，管 庭

(1.中原工學院建筑工程學院，河南 鄭州 450007；2.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033)

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凍融損傷對表面防水混凝土滲透性影響研究

王喜彬1,張 進1,馬志鳴2，管 庭2

(1.中原工學院建筑工程學院，河南 鄭州 450007；2.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033)

對表面防水混凝土和普通混凝土試件進行加速凍融循環試驗，在不同循環次數下測定試件的水和氯離子滲透性，旨在研究凍融損傷對表面防水混凝土滲透性影響，為實際工程中表面防水混凝土的結構和耐久性設計提供理論依據。試驗結果表明：表面防水混凝土的水和氯離子滲透量均隨著凍融循環次數的增加而增加，但是，對比普通混凝土試件，在相同的凍融循環次數下，表面防水混凝土仍具有較好的抗滲透性能，可以有效降低水和氯離子的侵入量；當凍融循環次數為100次時，水灰比為0.4的普通混凝土試件最大毛細吸水量和氯離子含量分別是表面防水混凝土試件的10.18倍和1.89倍。

混凝土結構；表面防水；凍融循環；滲透性；耐久性

0 引言

混凝土耐久性是影響混凝土服役壽命的主要因素，尤其在嚴酷環境下(如凍融循環環境、海洋暴露環境等)，混凝土結構在多因素耦合作用下其耐久性快速劣化，使混凝土結構提前發生耐久性破壞[1]。孫朋朋等[2]研究了海洋暴露環境下混凝土中氯離子的滲透行為；M.Saito等[3]研究了凍融循環環境下混凝土的抗氯離子滲透性，發現海洋暴露環境和凍融循環環境加劇了氯離子侵入速率，加速了混凝土耐久性的劣化。滲透性作為評價混凝土耐久性的重要指標，主要包括水滲透性和氯離子滲透性。水分作為侵蝕性介質的主要傳輸媒介，是評價混凝土滲透性的主要指標[4-5]；氯離子侵入是造成混凝土結構內部鋼筋銹蝕的主要原因，也是評價混凝土滲透性和耐久性的重要指標[6-7]。增強混凝土的抗滲透性，是提高混凝土耐久性、延長其服役壽命的重要手段。

以往學者研究表明，對混凝土進行防水處理是提高混凝土滲透性和耐久性的有效手段，對混凝土的防水處理主要有內摻硅烷乳液制備整體防水混凝土和表面硅烷凝膠處理的表面防水混凝土。張鵬等[8-9]研究了摻入硅烷乳液制備整體防水混凝土在一般環境下的抗滲透性能；馬志鳴等[10]研究了摻入硅烷乳液制備整體防水混凝土的抗凍性能，但是對防水混凝土的研究均是在普通環境下的滲透性評價，大多數結果未考慮極端環境下的影響。我國地域遼闊，在東北地區和西北地區存在著范圍較廣的凍融損傷環境，研究凍融損傷環境下防水混凝土的滲透性即是本文的主要研究目的。本文制備了表面防水混凝土試件，分別對其開展了加速凍融循環試驗和滲透性試驗，測定不同凍融損傷下水和氯離子的滲透行為，以期為實際工程中表面防水混凝土的應用提供理論依據。

1 原材料與配合比

本試驗所用材料均來自青島，試驗用原材料指標均滿足國家規范標準。分別制備水灰比為0.4和0.6的普通混凝土和表面防水混凝土試件，A和C為普通混凝土試件，GA和GC為表面防水混凝土試件，試件尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm。本試驗混凝土配合比見表1，試驗用硅烷凝膠性能和主要技術指標見表2。待混凝土試件成型硬化后，將混凝土試件置于標準養護室內養護28 d，經測定，水灰比為0.4的混凝土試件抗壓強度為57.2 MPa，水灰比為0.6的混凝土試件抗壓強度為36.7 MPa。將達到標準養護齡期的混凝土試件取出，對一部分試件進行表面防水處理，制備表面防水混凝土試件，硅烷凝膠外涂量為400 g/m2。試驗用硅烷凝膠防水機制見圖1。最后，開展加速凍融循環試驗和滲透性試驗。

表1 混凝土配合比

表2 試驗用硅烷凝膠的性能和主要技術指標

2 試驗內容與試驗方法

按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行快速凍融循環試驗。先將普通混凝土試件和經過硅烷凝膠表面防水處理后的表面防水混凝土試件置于清水中浸泡4 d，然后將不同混凝土試件置于加速凍融循環試驗箱中開展加速凍融循環試驗。試驗用凍融循環設備滿足國家標準規定，凍融循環次數分別為0、10、25、50、75、100次，分別在不同凍融循環次數下測定混凝土試件的相對動彈性模量(凍融循環試驗用試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm)、水和氯離子滲透性(滲透性試驗用試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm)。

圖1 硅烷凝膠表面防水機制

本文利用毛細吸收試驗評價混凝土的水和氯離子滲透行為，滲透用溶液為3%NaCl。先將100 mm×100 mm×100 mm試件切割成尺寸為100 mm×100 mm×50 mm的混凝土試件，然后將試件放入電熱鼓風箱干燥至恒重，最后用石蠟密封除切割面及相對面(吸水面)之外的4個側面，以保證水分和氯離子只沿一維方向傳輸。從加水開始時刻計時，分別在吸水時間為0.5、1、2、4、8、12、24 h時記錄吸水量，進而繪制出單位面積吸水量ΔW與毛細吸水時間平方根的關系曲線。具體滲透性試驗裝置如圖2所示。在不考慮重力影響的情況下，短時間內由毛細吸水試驗得出單位面積混凝土的毛細水吸收量與時間的平方根之間呈近似線性關系[11-12]，有：

式中：ΔW為單位面積混凝土的毛細吸水量，g/m2；A為混凝土的毛細吸收系數，g/(m2h1/2)；t為吸水時間，h。

圖2 水和氯離子滲透性試驗(單位：mm)

待滲水試驗結束后，將試件置于烘干箱內烘干，然后利用混凝土打磨機從與3%NaCl溶液接觸的混凝土表面開始打磨，取混凝土粉樣，每次打磨深度為2 mm。根據GB 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中氯離子含量測定方法，測定不同侵入深度下混凝土中的氯離子含量。

3 試驗結果與討論

3.1 凍融環境下表面防水混凝土試件抗凍性試驗結果與分析

試驗結果如表3所示。由表3中數據可知，不同混凝土試件的相對動彈性模量均隨著凍融循環次數的增加而降低。根據以往研究[13-15]，分析其原因是因為隨著凍融損傷加速了混凝土試件的劣化速率，在凍融膨脹應力的重復作用下，試件內部發生了膨脹破壞，更多的裂縫和氣孔形成，從而造成混凝土相對動彈性模量降低。同時，本試驗結果說明混凝土的凍融破壞隨著水灰比的增加而增加。但是，在相同凍融循環次數和水灰比下，表面防水混凝土較普通混凝土的相對動彈性模量高。當凍融循環次數為100次時，普通混凝土試件A的相對動彈性模量降低量為23.88%，而表面防水混凝土試件GA的相對動彈性模量降低量僅為8%，說明表面防水混凝土在凍融循環環境下具有較低的凍融損傷。其原因為：由于硅烷凝膠的存在，在混凝土外表面形成了致密的憎水膜，使侵入混凝土內部的水分含量降低，從而在凍融循環環境下由水凍結成冰的過程中產生的重復凍融膨脹應力降低，所以表面防水混凝土具有較低的凍融損傷。

表3 不同凍融循環次數后混凝土的相對動彈性模量

Table 3 Relative dynamic elastic modulus of concrete after different freezing-thawing cycles %

3.2 表面防水混凝土的水滲透性結果與分析

不同凍融循環次數下普通混凝土和表面防水混凝土的水滲透曲線見圖3。由圖3可知，凍融損傷對混凝土的滲水量有明顯的影響，滲水量隨著凍融循環次數的增加而增加。對于水灰比為0.4的普通混凝土試件A，當凍融循環次數為0次和100次時，最大滲水量分別是868 g/(m2h0.5)和1 721 g/(m2h0.5)，后者的滲水量約為前者的1.98倍；對于水灰比為0.4的表面防水混凝土試件GA，當凍融循環次數為0次和100次時，最大滲水量分別是75 g/(m2h0.5)和169 g/(m2h0.5)，后者的滲水量約為前者的2.25倍。但是對比圖3(a)和圖3(b)的數據可知，在相同凍融循環次數下，表面防水混凝土較普通混凝土具有較低的滲水量，當凍融循環次數分別為0、50、100次時，普通混凝土的最大滲水量分別是表面防水混凝土的11.57、14.57、10.18倍。

(a) A配比混凝土毛細吸水曲線

(b) GA配比混凝土毛細吸水曲線

圖3 不同凍融循環次數下普通混凝土和表面防水混凝土滲水性試驗結果(w/c=0.4)

Fig.3 Comparison between surface water-proofing concrete and common concrete in terms of capillary suction volume (w/c=0.4)

毛細吸收系數是評價水滲透性的主要指標。對圖3中的試驗數據進行擬合，得到不同配合比混凝土試件在不同凍融循環次數下的毛細吸收系數。當凍融循環次數分別為0、10、50、100次時，A配比混凝土的毛細吸收系數分別為512.62、612.25、643.52、848.29 g/(m2h0.5)，GA配比混凝土的毛細吸收系數分別為29.2、30.177、25.3、45.8 g/(m2h0.5)。由以上數據可知，毛細吸收系數隨著凍融循環次數的增加而增加，但在相同凍融循環次數下，表面防水混凝土較普通混凝土具有更低的毛細吸收系數，使水分侵入混凝土內部的速率大幅度降低。其原因為：隨著凍融循環次數的增加，混凝土內部的毛細孔和裂縫增加，所以混凝土的最大滲水量和毛細吸收系數均隨著凍融循環次數的增加而增加；但是對于表面防水混凝土，由于硅烷凝膠形成的憎水膜覆蓋了大部分混凝土外表面，并具有良好的憎水性，在水滲透環境下仍可以有效抵抗水分的侵入，從而使相同凍融循環次數下的表面防水混凝土較普通混凝土具有更好的抗水滲透性。

圖4是水灰比為0.6的普通混凝土和表面防水混凝土試件在不同凍融循環次數下的滲水性試驗結果，滲水量的變化趨勢與圖3相似。對比圖3和圖4可知，在凍融損傷環境下的普通混凝土和表面防水混凝土滲水性均隨著水灰比的增加而增加。由圖4(b)可知，對于較高水灰比且經過較高凍融循環次數后的表面防水混凝土試件，其滲水量急劇增加，這是由于水灰比較高的混凝土試件在凍融循環環境下受到的凍融損傷更加嚴重，當經過較高凍融循環次數后，出現了更多孔隙和裂縫，并且未被由硅烷凝膠形成的憎水膜覆蓋，這些新形成的孔隙和裂縫為水滲透提供了通道，致使滲水量急劇增加。

(b) GC配比混凝土毛細吸水曲線

圖4 不同凍融循環次數下普通混凝土和表面防水混凝土滲水性試驗結果(w/c=0.6)

Fig.4 Comparison between surface water-proofing concrete and common concrete in terms of capillary suction volume (w/c=0.6)

3.3 表面防水混凝土氯離子滲透性結果與分析

氯離子的滲透是造成混凝土內部鋼筋銹蝕的主要原因。本節主要探討不同凍融循環次數下普通混凝土和表面防水混凝土試件的抗氯離子侵蝕性能，試驗結果見圖5。由圖5可知，對于普通混凝土和表面防水混凝土試件，氯離子最大含量均隨著凍融循環次數的增加而增加，但是在相同凍融循環次數下，表面防水混凝土的氯離子最大滲透量仍明顯低于普通混凝土的氯離子最大滲透量。當凍融循環次數為100次時，A和GA試件的表面氯離子含量分別為 0.425%和 0.225%，前者約為后者的1.89倍。經Fick第二定律擬合，得到不同混凝土試件在不同凍融循環次數下的氯離子擴散系數。當凍融循環次數為0次時，A和GA的氯離子擴散系數分別為2.14×10-12m2/s和1.54×10-12m2/s；當凍融循環次數為100次時，A和GA的氯離子擴散系數分別為7.67×10-12m2/s和2.5×10-12m2/s。表面防水混凝土具有較低的氯離子擴散系數。其原因為：氯離子侵入混凝土內部的主要傳輸介質是水，由于硅烷凝膠形成的憎水膜可以有效抵抗水分的侵入，從而以水分為傳輸介質的氯離子侵入量和侵入速率也明顯降低。

(a) A配比混凝土試件氯離子侵蝕曲線

(b) GA配比混凝土試件氯離子侵蝕曲線

圖5 不同凍融循環次數下普通混凝土和表面防水混凝土試件氯離子侵蝕曲線

Fig.5 Comparison between surface water-proofing concrete and common concrete in terms of chloridion content

4 結論與討論

1)對于普通混凝土和硅烷表面防水混凝土，在凍融循環環境下的相對動彈性模量均隨著凍融循環次數的增加而降低，但是在相同凍融循環次數下，表面防水混凝土具有較高的相對動彈性模量，受到的凍融損傷較普通混凝土低。

2)滲水量和毛細吸收系數均隨著凍融循環次數的增加而明顯增加，但是在相同凍融循環次數下，表面防水混凝土較普通混凝土具有更低的滲水量和毛細吸收系數，即凍融環境下表面防水混凝土仍具有較好的抗水滲透性能；同時，降低水灰比可以明顯提高表面防水混凝土的抗水滲透性。

3)最大氯離子滲透量隨著凍融循環次數的增加而增加，但是在相同凍融循環次數下，表面防水混凝土具有更低的氯離子滲透量以及更好的抗氯離子滲透性。

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Study of Influence of Freezing-thawing Damage on Permeability Behavior of Surface Water-proofing Concrete

WANG Xibin1,ZHANG Jin1,MA Zhiming2,GUAN Ting2

(1.SchoolofArchitectural&CivilEngineering,ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,Henan,China; 2.SchoolofCivilEngineering,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266033,Shandong,China)

The accelerated freezing-thawing cycle tests with different cycling times are carried out for surface water-proofing concrete and common concrete,so as to learn the influence of freezing-thawing damage on permeability behavior of surface water-proofing concrete.The test results show that:1) The penetrations of water and chloridion of surface water-proofing concrete increase with the freezing-thawing cycle time increases.2) The permeability behavior of surface water-proofing concrete is superior to that of common concrete in same freezing-thawing cycle time.3) The maximum capillary suction volume and the chloridion content of common concrete with water-concrete ratio of 0.4 and under 100 times of freezing-thawing cycles are 10.18 times and 1.89 times that of surface water-proofing concrete respectively.

concrete structure; surface water-proofing; freezing-thawing cycle; permeability; durability

2016-03-07;

2016-04-18

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2009CB623203)

王喜彬(1978—)，女，吉林九臺人，2007年畢業于鄭州大學，建筑與土木工程專業，碩士，講師，現主要從事建筑材料及其耐久性的研究工作。E-mail：wxb_submit@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.008

U 454

A

1672-741X(2016)10-1216-05