冻融损伤对表面防水混凝土渗透性影响研究

王喜彬,张 进,马志鸣，管 庭

(1.中原工学院建筑工程学院，河南 郑州 450007；2.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033)



冻融损伤对表面防水混凝土渗透性影响研究

王喜彬1,张 进1,马志鸣2，管 庭2

(1.中原工学院建筑工程学院，河南 郑州 450007；2.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033)

对表面防水混凝土和普通混凝土试件进行加速冻融循环试验，在不同循环次数下测定试件的水和氯离子渗透性，旨在研究冻融损伤对表面防水混凝土渗透性影响，为实际工程中表面防水混凝土的结构和耐久性设计提供理论依据。试验结果表明：表面防水混凝土的水和氯离子渗透量均随着冻融循环次数的增加而增加，但是，对比普通混凝土试件，在相同的冻融循环次数下，表面防水混凝土仍具有较好的抗渗透性能，可以有效降低水和氯离子的侵入量；当冻融循环次数为100次时，水灰比为0.4的普通混凝土试件最大毛细吸水量和氯离子含量分别是表面防水混凝土试件的10.18倍和1.89倍。

混凝土结构；表面防水；冻融循环；渗透性；耐久性

0 引言

混凝土耐久性是影响混凝土服役寿命的主要因素，尤其在严酷环境下(如冻融循环环境、海洋暴露环境等)，混凝土结构在多因素耦合作用下其耐久性快速劣化，使混凝土结构提前发生耐久性破坏[1]。孙朋朋等[2]研究了海洋暴露环境下混凝土中氯离子的渗透行为；M.Saito等[3]研究了冻融循环环境下混凝土的抗氯离子渗透性，发现海洋暴露环境和冻融循环环境加剧了氯离子侵入速率，加速了混凝土耐久性的劣化。渗透性作为评价混凝土耐久性的重要指标，主要包括水渗透性和氯离子渗透性。水分作为侵蚀性介质的主要传输媒介，是评价混凝土渗透性的主要指标[4-5]；氯离子侵入是造成混凝土结构内部钢筋锈蚀的主要原因，也是评价混凝土渗透性和耐久性的重要指标[6-7]。增强混凝土的抗渗透性，是提高混凝土耐久性、延长其服役寿命的重要手段。

以往学者研究表明，对混凝土进行防水处理是提高混凝土渗透性和耐久性的有效手段，对混凝土的防水处理主要有内掺硅烷乳液制备整体防水混凝土和表面硅烷凝胶处理的表面防水混凝土。张鹏等[8-9]研究了掺入硅烷乳液制备整体防水混凝土在一般环境下的抗渗透性能；马志鸣等[10]研究了掺入硅烷乳液制备整体防水混凝土的抗冻性能，但是对防水混凝土的研究均是在普通环境下的渗透性评价，大多数结果未考虑极端环境下的影响。我国地域辽阔，在东北地区和西北地区存在着范围较广的冻融损伤环境，研究冻融损伤环境下防水混凝土的渗透性即是本文的主要研究目的。本文制备了表面防水混凝土试件，分别对其开展了加速冻融循环试验和渗透性试验，测定不同冻融损伤下水和氯离子的渗透行为，以期为实际工程中表面防水混凝土的应用提供理论依据。

1 原材料与配合比

本试验所用材料均来自青岛，试验用原材料指标均满足国家规范标准。分别制备水灰比为0.4和0.6的普通混凝土和表面防水混凝土试件，A和C为普通混凝土试件，GA和GC为表面防水混凝土试件，试件尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm。本试验混凝土配合比见表1，试验用硅烷凝胶性能和主要技术指标见表2。待混凝土试件成型硬化后，将混凝土试件置于标准养护室内养护28 d，经测定，水灰比为0.4的混凝土试件抗压强度为57.2 MPa，水灰比为0.6的混凝土试件抗压强度为36.7 MPa。将达到标准养护龄期的混凝土试件取出，对一部分试件进行表面防水处理，制备表面防水混凝土试件，硅烷凝胶外涂量为400 g/m2。试验用硅烷凝胶防水机制见图1。最后，开展加速冻融循环试验和渗透性试验。

表1 混凝土配合比

表2 试验用硅烷凝胶的性能和主要技术指标

2 试验内容与试验方法

按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行快速冻融循环试验。先将普通混凝土试件和经过硅烷凝胶表面防水处理后的表面防水混凝土试件置于清水中浸泡4 d，然后将不同混凝土试件置于加速冻融循环试验箱中开展加速冻融循环试验。试验用冻融循环设备满足国家标准规定，冻融循环次数分别为0、10、25、50、75、100次，分别在不同冻融循环次数下测定混凝土试件的相对动弹性模量(冻融循环试验用试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm)、水和氯离子渗透性(渗透性试验用试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm)。

图1 硅烷凝胶表面防水机制

本文利用毛细吸收试验评价混凝土的水和氯离子渗透行为，渗透用溶液为3%NaCl。先将100 mm×100 mm×100 mm试件切割成尺寸为100 mm×100 mm×50 mm的混凝土试件，然后将试件放入电热鼓风箱干燥至恒重，最后用石蜡密封除切割面及相对面(吸水面)之外的4个侧面，以保证水分和氯离子只沿一维方向传输。从加水开始时刻计时，分别在吸水时间为0.5、1、2、4、8、12、24 h时记录吸水量，进而绘制出单位面积吸水量ΔW与毛细吸水时间平方根的关系曲线。具体渗透性试验装置如图2所示。在不考虑重力影响的情况下，短时间内由毛细吸水试验得出单位面积混凝土的毛细水吸收量与时间的平方根之间呈近似线性关系[11-12]，有：

式中：ΔW为单位面积混凝土的毛细吸水量，g/m2；A为混凝土的毛细吸收系数，g/(m2h1/2)；t为吸水时间，h。

图2 水和氯离子渗透性试验(单位：mm)

待渗水试验结束后，将试件置于烘干箱内烘干，然后利用混凝土打磨机从与3%NaCl溶液接触的混凝土表面开始打磨，取混凝土粉样，每次打磨深度为2 mm。根据GB 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中氯离子含量测定方法，测定不同侵入深度下混凝土中的氯离子含量。

3 试验结果与讨论

3.1 冻融环境下表面防水混凝土试件抗冻性试验结果与分析

试验结果如表3所示。由表3中数据可知，不同混凝土试件的相对动弹性模量均随着冻融循环次数的增加而降低。根据以往研究[13-15]，分析其原因是因为随着冻融损伤加速了混凝土试件的劣化速率，在冻融膨胀应力的重复作用下，试件内部发生了膨胀破坏，更多的裂缝和气孔形成，从而造成混凝土相对动弹性模量降低。同时，本试验结果说明混凝土的冻融破坏随着水灰比的增加而增加。但是，在相同冻融循环次数和水灰比下，表面防水混凝土较普通混凝土的相对动弹性模量高。当冻融循环次数为100次时，普通混凝土试件A的相对动弹性模量降低量为23.88%，而表面防水混凝土试件GA的相对动弹性模量降低量仅为8%，说明表面防水混凝土在冻融循环环境下具有较低的冻融损伤。其原因为：由于硅烷凝胶的存在，在混凝土外表面形成了致密的憎水膜，使侵入混凝土内部的水分含量降低，从而在冻融循环环境下由水冻结成冰的过程中产生的重复冻融膨胀应力降低，所以表面防水混凝土具有较低的冻融损伤。

表3 不同冻融循环次数后混凝土的相对动弹性模量

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

3.2 表面防水混凝土的水渗透性结果与分析

不同冻融循环次数下普通混凝土和表面防水混凝土的水渗透曲线见图3。由图3可知，冻融损伤对混凝土的渗水量有明显的影响，渗水量随着冻融循环次数的增加而增加。对于水灰比为0.4的普通混凝土试件A，当冻融循环次数为0次和100次时，最大渗水量分别是868 g/(m2h0.5)和1 721 g/(m2h0.5)，后者的渗水量约为前者的1.98倍；对于水灰比为0.4的表面防水混凝土试件GA，当冻融循环次数为0次和100次时，最大渗水量分别是75 g/(m2h0.5)和169 g/(m2h0.5)，后者的渗水量约为前者的2.25倍。但是对比图3(a)和图3(b)的数据可知，在相同冻融循环次数下，表面防水混凝土较普通混凝土具有较低的渗水量，当冻融循环次数分别为0、50、100次时，普通混凝土的最大渗水量分别是表面防水混凝土的11.57、14.57、10.18倍。

(a) A配比混凝土毛细吸水曲线

(b) GA配比混凝土毛细吸水曲线

图3 不同冻融循环次数下普通混凝土和表面防水混凝土渗水性试验结果(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)

毛细吸收系数是评价水渗透性的主要指标。对图3中的试验数据进行拟合，得到不同配合比混凝土试件在不同冻融循环次数下的毛细吸收系数。当冻融循环次数分别为0、10、50、100次时，A配比混凝土的毛细吸收系数分别为512.62、612.25、643.52、848.29 g/(m2h0.5)，GA配比混凝土的毛细吸收系数分别为29.2、30.177、25.3、45.8 g/(m2h0.5)。由以上数据可知，毛细吸收系数随着冻融循环次数的增加而增加，但在相同冻融循环次数下，表面防水混凝土较普通混凝土具有更低的毛细吸收系数，使水分侵入混凝土内部的速率大幅度降低。其原因为：随着冻融循环次数的增加，混凝土内部的毛细孔和裂缝增加，所以混凝土的最大渗水量和毛细吸收系数均随着冻融循环次数的增加而增加；但是对于表面防水混凝土，由于硅烷凝胶形成的憎水膜覆盖了大部分混凝土外表面，并具有良好的憎水性，在水渗透环境下仍可以有效抵抗水分的侵入，从而使相同冻融循环次数下的表面防水混凝土较普通混凝土具有更好的抗水渗透性。

图4是水灰比为0.6的普通混凝土和表面防水混凝土试件在不同冻融循环次数下的渗水性试验结果，渗水量的变化趋势与图3相似。对比图3和图4可知，在冻融损伤环境下的普通混凝土和表面防水混凝土渗水性均随着水灰比的增加而增加。由图4(b)可知，对于较高水灰比且经过较高冻融循环次数后的表面防水混凝土试件，其渗水量急剧增加，这是由于水灰比较高的混凝土试件在冻融循环环境下受到的冻融损伤更加严重，当经过较高冻融循环次数后，出现了更多孔隙和裂缝，并且未被由硅烷凝胶形成的憎水膜覆盖，这些新形成的孔隙和裂缝为水渗透提供了通道，致使渗水量急剧增加。

(b) GC配比混凝土毛细吸水曲线

图4 不同冻融循环次数下普通混凝土和表面防水混凝土渗水性试验结果(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 表面防水混凝土氯离子渗透性结果与分析

氯离子的渗透是造成混凝土内部钢筋锈蚀的主要原因。本节主要探讨不同冻融循环次数下普通混凝土和表面防水混凝土试件的抗氯离子侵蚀性能，试验结果见图5。由图5可知，对于普通混凝土和表面防水混凝土试件，氯离子最大含量均随着冻融循环次数的增加而增加，但是在相同冻融循环次数下，表面防水混凝土的氯离子最大渗透量仍明显低于普通混凝土的氯离子最大渗透量。当冻融循环次数为100次时，A和GA试件的表面氯离子含量分别为 0.425%和 0.225%，前者约为后者的1.89倍。经Fick第二定律拟合，得到不同混凝土试件在不同冻融循环次数下的氯离子扩散系数。当冻融循环次数为0次时，A和GA的氯离子扩散系数分别为2.14×10-12m2/s和1.54×10-12m2/s；当冻融循环次数为100次时，A和GA的氯离子扩散系数分别为7.67×10-12m2/s和2.5×10-12m2/s。表面防水混凝土具有较低的氯离子扩散系数。其原因为：氯离子侵入混凝土内部的主要传输介质是水，由于硅烷凝胶形成的憎水膜可以有效抵抗水分的侵入，从而以水分为传输介质的氯离子侵入量和侵入速率也明显降低。

(a) A配比混凝土试件氯离子侵蚀曲线

(b) GA配比混凝土试件氯离子侵蚀曲线

图5 不同冻融循环次数下普通混凝土和表面防水混凝土试件氯离子侵蚀曲线

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

4 结论与讨论

1)对于普通混凝土和硅烷表面防水混凝土，在冻融循环环境下的相对动弹性模量均随着冻融循环次数的增加而降低，但是在相同冻融循环次数下，表面防水混凝土具有较高的相对动弹性模量，受到的冻融损伤较普通混凝土低。

2)渗水量和毛细吸收系数均随着冻融循环次数的增加而明显增加，但是在相同冻融循环次数下，表面防水混凝土较普通混凝土具有更低的渗水量和毛细吸收系数，即冻融环境下表面防水混凝土仍具有较好的抗水渗透性能；同时，降低水灰比可以明显提高表面防水混凝土的抗水渗透性。

3)最大氯离子渗透量随着冻融循环次数的增加而增加，但是在相同冻融循环次数下，表面防水混凝土具有更低的氯离子渗透量以及更好的抗氯离子渗透性。

[1] Naik T R,Canpolat F,Moriconi G.Sustainability and high-performance of concrete:A review [J].Special Publication,2015,305(43)：1-10.

[2] 孙朋朋，赵铁军，金祖权，等.海洋环境下混凝土中氯离子传输规律[J].隧道建设，2011，31(5)：573-576.(SUN Pengpeng,ZHAO Tiejun,JIN Zuquan,et al.Rules of chloride ion ingression in concrete under marine environment[J].Tunnel Construction,2011,31(5)：573-576.(in Chinese))

[3]Saito M,Ohta M,Ishimori H.Chloride permeability of concrete subjected to freeze-thaw damage[J].Cement and Concrete Composites,1994,16(4):233-239.

[4] LIU Q,YANG J,XIA J,et al.A numerical study on chloride migration in cracked concrete using multi-component ionic transport models[J].Computational Materials Science,2015,99:396-416.

[5]Ramezanianpour A A,Pilvar A,Mahdikhani M,et al.Practical evaluation of relationship between concrete resistivity,water penetration,rapid chloride penetration and compressive strength[J].Construction and Building Materials，2011,25:2472-2479.

[6] 施锦杰,孙伟.混凝土中钢筋锈蚀研究现状与热点问题分析[J].硅酸盐学报,2010,38(9)：1753-1764.(SHI Jinjie,SUN Wei.Recent research on steel corrosion in concrete[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2010,38(9)：1753-1764.(in Chinese))

[7] 张俊芝,庄华夏,伍亚玲,等.临海既有混凝土氯离子侵蚀及钢筋初锈时间预测[J].建筑材料学报，2014,17(3)：454-458.(ZHANG Junzhi,ZHUANG Huaxia,WU Yaling,et al.Chloride ion erosion and prediction of initial corrosion time of steel bar in the existing coastal concrete[J].Journal of Building Materials,2014,17(3)：454-458.(in Chinese))

[8] 张鹏,赵铁军,戴建国,等.硅烷改性混凝土防水和抗氯离子性能试验研究[J].土木工程学报，2011,44(3):72-78.(ZHANG Peng,ZHAO Tiejun,DAI Jianguo,et al.Experimental study of the water repellency and chloride resistance of modified concrete with silane[J].China Civil Engineering Journal,2011,44(3):72-78.(in Chinese))

[9] 张鹏,赵铁军,金祖权,等.内掺烷基烷氧基硅烷乳液制备整体防水混凝土[J].新型建筑材料，2009，36(3)：62-65.(ZHANG Peng,ZHAO Tiejun,JIN Zuquan,et al.Preparation of integral water repellent concrete with addition of alkylalkoxysilane emulsion [J].New Building Materials，2009,36(3)：62-65.(in Chinese))

[10] 马志鸣,赵铁军,朱方之,等.掺硅烷乳液制备整体防水混凝土的抗冻性试验研究[J].新型建筑材料，2012,39(7)：53-55.(MA Zhiming,ZHAO Tiejun,ZHU Fangzhi,et al.The study of the anti-freeze performance of integral water repellent concrete with addition of silane emulsion [J].New Building Materials,2012,39(7)：53-55.(in Chinese))

[11] Wittmann F H,Yao X,Wang P,et al.Influence of an imposed tensile stress and subsequent self-healing on capillary absorption and chloride penetration into HPFRCC[C]// High Performance Fiber Reinforced Cement Composites.Stuttgart：International RILEM Workshop，2015：251-258.

[12] Kelham S A.A water absorption test for concrete [J].Magazine of Concrete Research,1988,40:106-110.

[13] JIANG L,NIU D,YUAN L,et al.Durability of concrete under sulfate attack exposed to freeze-thaw cycles [J].Cold Regions Science and Technology,2015,112:112-117.

[14] HOU H F,LIU S G,YAN C W,et al.Prediction for relative dynamic elastic modulus of PVA-ECC under freezing and thawing cycles[J].Applied Mechanics & Materials,2010,44:3893-3896.

[15] Berto L,Saetta A,Talledo D.Constitutive model of concrete damaged by freeze-thaw action for evaluation of structural performance of RC elements[J].Construction and Building Materials,2015,98:559-569.

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

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2009CB623203)

王喜彬(1978—)，女，吉林九台人，2007年毕业于郑州大学，建筑与土木工程专业，硕士，讲师，现主要从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