硅烷浸漬技術提高渾河閘護坦板耐久性的試驗研究

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

1 引 言

混凝土因其原材料取材方便、價格低廉而成為目前應用最廣泛的人工材料，但其長期耐久性能卻受到環境條件的制約。由于混凝土服役環境的不同，影響其長期耐久性能的主要因素各不相同，總結起來主要有凍融破壞、有害離子的侵蝕、碳化、堿骨料反應等[1-5]。

對于未開始建造的混凝土結構，可以通過優化配合比等建造高性能混凝土以提高其長期耐久性能，但對于已經建造成型的混凝土工程，如何通過一定措施提高其長期耐久性能，延長現有混凝土結構的服役壽命是一個亟待研究的課題。研究表明，水的存在是造成混凝土結構破壞的一個關鍵因素，例如有害離子侵蝕、凍融破壞和堿骨料反應的發生都必須有水的參與，因此，如何有效控制水分侵入混凝土成為提高其耐久性能的一個重要研究方向。目前防止水分進入混凝土內部的主要措施根據作用方式的不同可以分為封閉型和滲透型兩大類。封閉型防水劑通過在混凝土表面形成一個保護層以防止外界水、有害離子等有害物質進入混凝土內部，但保護層的存在同樣阻止了混凝土內部的水分向外揮發，所以當混凝土內部水分揮發形成水蒸氣時，產生的蒸汽壓力就足以破壞保護層與混凝土之間的黏結，導致保護層最終從混凝土表面脫落而喪失保護作用，這類防水材料常見的有環氧膠泥、環氧涂料類。滲透型防水劑主要通過滲入混凝土內部，與混凝土中物質產生反應而形成憎水層以達到防止外界水分進入的目的，目前應用較多的這類材料主要是硅烷類。浸漬類硅烷產品的原理是因為硅烷特殊的小分子結構，能夠穿透混凝土表層而進入混凝土內部，能在不改變混凝土孔隙透氣性的前提下在內部毛細孔壁形成一種烷基憎水薄膜，而且處理后的混凝土表面張力要低于水的表面張力，這樣會產生一種毛細逆氣壓現象，使混凝土孔隙表面由親水性變為疏水性，能有效地阻止內部孔隙對水的毛細吸收作用，從而達到長期有效的防水效果。處理后的混凝土在具有防水特性的同時不堵塞毛細孔，具有防水效果又能使混凝土正常“呼吸”，混凝土孔隙保持開放，不影響氣體和水蒸氣的擴散，能夠保持混凝土內外壓力的平衡，不會因為水分蒸發產生水蒸氣而導致混凝土內部產生應力。

本文依托實際工程案例，研究了既有混凝土結構在噴涂了異丁基三乙氧基硅烷(SP-205)后硅烷浸漬深度、吸水率、氯化物吸收量降低效果及氯離子在不同深度處的分布特點，為類似工程的應用提供了參考依據。

圖1 渾河閘護坦板防護涂層平面

2 工程概況

本次工程對象為位于渾河中下游的渾河閘，該水閘距離大伙房水庫75km，是沈陽城市防洪的出口控制斷面，承擔著沈陽城市的防洪任務。2015年，遼寧省水利廳開展了遼寧省水工混凝土結構質量控制與耐久性提升關鍵技術研究項目，依托于該項目子課題之一遼寧省水閘混凝土結構質量控制與耐久性提升技術研究項目，開展了渾河閘護坦板提高防滲防腐抗凍耐久性防護涂層研究，經過前期實驗室室內試驗和資料收集與調查整理，對比了9種防護材料，并于2015年9月12日經過專家論證，最終選取了SP-205硅烷作為渾河閘護坦板防護工程的備選材料，2015年9月對渾河閘護坦板進行了硅烷噴涂現場試驗，試驗結果良好，2015年11月1—4日對渾河閘護坦板正式進行了硅烷噴涂現場施工，施工噴涂面積共計16909m2，詳細施工范圍見圖1。

本項目所用硅烷為高純度的異丁基三乙氧基硅烷(SP-205)，其基本性能指標見表1。

表1 SP-205基本性能指標

3 試驗結果及分析

3.1 浸漬深度試驗

依據《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范》(JTJ 275—2000)，硅烷浸漬深度試驗采用染料指示法[7]，具體操作如下：將芯樣在40℃烘箱內烘干24h，利用壓力機將試樣沿直徑方向劈開，然后涂刷諾丹明B，最后應用游標卡尺測量浸漬深度(見圖2)。依據規范，試驗部位混凝土硅烷浸漬深度應達到3～4mm。在施工結束后，10個樣品浸漬深度平均值為4.22～5.30mm，詳細檢測結果見表2。

圖2 游標卡尺測量浸漬深度

表2 硅烷浸漬深度檢測結果

續表

3.2 吸水率

將芯樣加工為滿足試驗條件的試樣后，晾干，然后在試樣除原表面外，其余面包括原表面上小于5mm的周邊，均涂以無溶劑環氧涂料，待環氧涂料完全干透后，將所有試樣放在40℃烘箱內烘干48h，見圖3。在適當的容器底部，放置多根直徑100mm的玻璃棒，將這些芯樣原表面朝下放在這些玻璃棒上，注入23℃的水，使水面在玻璃棒上1～2mm，以5min、10min、30min、60min、120min和140min的時間間隔，取出芯樣，稱重后立即放回去，直至完成所有這些間隔時間的測試。吸水率平均值的計算是將每一個時間間隔的吸水增量，折算為吸水高度(mm)，然后以吸水高度為縱坐標，以該時間間隔平方根為橫坐標作圖，取該關系直線的斜率(mm/min1/2)為吸水率值[6]。

本次試驗中10個芯樣的吸水率為0.0031～0.0098mm/min1/2，詳細檢測結果見表3。

圖3 吸水試驗

表3 吸水率試驗詳細檢測結果

3.3 氯化物吸收量的降低效果

依據《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范》(JTJ 275—2000)，噴涂硅烷養護10d后，鉆取芯樣進行氯化物吸收量的降低效果測試，測試時，除芯樣原表面外，其余各面包括原表面上小于5mm的周邊，均涂以無溶劑環氧涂料加以密封。將芯樣原表面朝下放在合適的容器中，注入溫度為23℃的5mol的NaCl溶液，其液面在芯樣上10mm。24h后取出芯樣，在40℃下烘24h，然后從該芯樣的深度2mm處切片，棄去該切片，將原芯樣上的新切面磨到深度為10mm，按現行行業標準《水運工程混凝土試驗規程》(JTJ 270—1998)的混凝土酸溶性氯化物含量測定法分析所得粉樣的氯化物含量[6-7]。在深度為11～20mm和21～30mm處，重復上述程序。本次試驗中10個芯樣的氯化物吸收量的降低效果為90.4%～92.5%，詳細檢測結果見表4。

表4 氯化物吸收量的降低效果檢測結果

3.4 氯離子滲透情況試驗

在進行混凝土氯化物吸收量降低效果測試的同時，隨機選取了2個空白試樣和6個噴涂SP-205硅烷試樣，依照NTBuild443中規定的高濃度鹽溶液浸泡法測試了試樣不同深度處自由氯離子的含量。試驗采用混凝土打磨機對芯樣進行逐層打磨研粉，方向垂直于氯離子滲透面。深度在小于等于4mm的范圍內每1mm取一個試樣，即0～1mm、1～2mm、2～3mm、3～4mm各取一個試樣；深度大于4mm的范圍內每2mm取一個試樣。分析試驗數據時，以所取范圍內的中值坐標為試樣代表深度，即2～3mm范圍內試驗代表深度為2.5mm，4～6mm范圍內試驗代表深度為5mm。所取試樣都要經過0.63mm的方孔篩，取樣后分別按照《水運工程混凝土試驗規程》(JTJ 270—1998)中7.16節(混凝土中砂漿的水溶性氯離子含量的測定)和7.17節(混凝土中砂漿的氯離子總含量測定)化學滴定的方式測試每個試樣中的自由氯離子含量及總氯離子含量，結果用氯離子占混凝土質量百分比來表示。測試結果見圖4。

圖4 芯樣不同深度處自由氯離子含量

分析試驗數據可知，與空白試驗對比，硅烷浸漬能夠有效地降低氯離子向混凝土內部的擴散速度。在0～2mm范圍內，空白試樣的氯離子含量要小于硅烷浸漬試樣的含量，而在深度大于2mm后，硅烷浸漬試樣中自由氯離子含量明顯小于空白試驗。分析原因主要是因為噴涂硅烷后，在硅烷浸漬深度范圍內會產生的一個保護層，能夠有效地阻擋或減緩水分及其中有害離子向內部擴散的速度，進入硅烷浸漬試驗表層的氯離子由于不能向內部遷移擴散而富集在表層，因此表現為硅烷浸漬試樣表層氯離子含量較空白試驗高而內部明顯低的現象。

4 結 論

通過以上試驗，可以看出對既有混凝土結構在進行硅烷浸漬處理后，可以大幅降低混凝土的吸水性，有效阻擋或減緩有害氯離子向內侵蝕擴散的速度。對處于嚴寒沿海地區的既有混凝土結構，硅烷浸漬處理技術是提高其抗凍性能、抗氯離子侵蝕性能的有效技術途徑，且具有施工簡便、不改變現有結構外觀形狀的特點，具有良好的推廣應用價值。此外，該技術若能結合混凝土配比優化及其他防滲防腐方法，也可以較好地提高處于較惡劣環境中混凝土構筑物的耐久性及使用壽命。