硅烷浸渍剂在寒区挡潮闸防护中的试验与应用研究

(辽宁省水利水电科学研究院， 辽宁 沈阳 110003)

1 概 述

硅烷浸渍剂为水性高分散渗透型膏体有机硅，有效成分为异辛基三乙氧基硅烷。小分子结构在穿透混凝土表面并渗入到内部后，在碱性物质激发下能与混凝土内的水分发生水解反应，水解反应过程生成带有3个羟基的活性硅醇，邻近的硅醇分子可以起交联反应；然后，硅醇在混凝土及其毛细管孔隙的表面与羟基反应，形成不稳定的硅醇键，从而以化学键合方式相连，在混凝土表面和毛细管孔隙表面上形成憎水性的反应层，并起到一定的防水作用[1-2]。硅烷浸渍混凝土表面防水作用机理见图1。

图1 硅烷浸渍混凝土表面防水作用机理

通过硅烷浸渍剂上述防水机理可知，该材料能够全面提高混凝土的抗渗性能，但抗渗性能具体提高多少，它对混凝土抗冻性能又有何影响呢？本文结合处于寒区沿海地区的辽宁东港挡潮闸防护工程，开展了混凝土试块抗渗、抗冻耐久性对比试验以及现场示范应用研究。

2 性能试验

2.1 材料基本特性

硅烷浸渍剂基本性能(见表1)。

表1 硅烷浸渍剂基本性能

2.2 混凝土试件表面处理与养护方法

混凝土试件拆模后，若表面存在蜂窝、麻面等缺陷时，需用水泥浆修补平整；养护一周后，用钢丝刷对混凝土基材表面进行清理，除去油污、灰尘、碎屑等有害物质，并用清水冲洗干净，然后放入混凝土标准养护室养护。混凝土试件达到要求的养护龄期后，取出清洗干净，在室温下晾干，确保混凝土试件表面为面干状态。涂刷硅烷浸渍剂要求修补混凝土养护龄期不少于14天，新浸渍处理混凝土养护龄期不少于28天。

2.3 硅烷浸渍方法

当试样的顶面为被涂面时，用毛刷在被涂面上多次重复均匀地涂刷，使被涂表面浸渍饱和，要保持被涂面至少5s“看上去是湿的镜面”状态。浸渍硅烷一般刷涂两遍，如果被保护的混凝土基面在水位变动区或较重要区域，可多涂刷几次，适当增加涂覆量，每遍之间的间隔时间至少为6h。试件涂刷后的状况见图2。

2.4 抗渗性能试验

2.4.1 试验依据

试验根据《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)混凝土相对渗透性试验的内容进行。此次试验抗渗试件较密实，试验水压为1.2MPa，试验时间为24h[3]。

图2 硅烷浸渍涂刷

2.4.2 试验材料

抗渗试件采用混凝土标准抗渗试模(规格为上口直径175mm、下口直径185mm、高150mm的截头圆锥体)在东港挡潮闸施工现场浇筑成型，共9块。拆模后，用钢丝刷刷去两端面的水泥砂浆，然后在混凝土标准养护室养护28天以上。混凝土抗渗试件配合比见表2。

表2 混凝土抗渗试件配合比

试件平均分成3组，每组3块，其中第一组为硅烷组，第二组为选用邦德牌K01透明防水渗透剂的防水剂组，第三组为不涂抹任何防护材料的空白组。

2.4.3 试验过程

从混凝土标准养护室取出试件，室温下自然风干72h，确保试件为干燥状态；3块试件涂刷硅烷浸渍剂，涂覆量为400g/m2；3块试件涂刷透明防水渗透剂，涂覆量为200g/m2，均涂刷2遍，时间间隔为24h，剩下3块试件不做处理；

第二遍涂抹完成后，在室温下养护14天。按照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)要求，将9组试件安装到抗渗仪试验台上，将抗渗仪水压力一次加到1.2MPa，在此压力下恒定24h后，用压力机将试件劈开，再将劈开面底边10等分，在各等分点处量出渗水高度，以平均值作为渗水高度(见图3)。

图3 硅烷浸渍混凝土渗水高度试验

2.4.4 试验结果及分析

从试件劈开面上看，浸渍硅烷的试件渗水高度连线为一条不规则的线条，浸渍防水渗透剂的渗水高度连线为一条中间略有凸起的曲线，不做任何处理的试件渗水高度连线曲线呈抛物线型。

试验取10个等分点处渗水高度平均值作为试验结果值(见表3)。然后以渗水高度为纵坐标，组别为横坐标作图(见图4)。

表3 相对渗透性试验渗水高度值

试验结果表明：浸渍硅烷后的混凝土试件在1.2MPa恒压24h后，渗水高度在4.50mm左右，渗水高度几乎和硅烷浸渍的深度相同。由此可见，硅烷浸渍混凝土后在其内部形成的一道憎水层，可以有效地阻挡外界水的渗入。该憎水层使硅烷组的抗渗性能

图4 相对渗透性试验渗水高度

较未涂刷防护材料的空白组提高10倍以上，比采用邦德牌K01透明防水渗透剂的防水剂组抗渗性能提高4倍以上。

2.5 抗冻性能试验

2.5.1 试验依据

试验根据《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)混凝土抗冻性试验的内容进行。试验仪器为混凝土快冻试验台(HTD-B型)。

2.5.2 试件制备

混凝土耐久性能不仅与混凝土的强度有关，还与混凝土的集料组成、孔隙率等因素有关。此次试验采用不同配合比的2组混凝土试件进行试验，主要检验孔隙率、密实情况不同的混凝土基材浸渍硅烷后抗冻性能的提高效果。混凝土试件配合比见表4。

表4 混凝土试件配合比

2.5.3 试验过程

混凝土试件在标准养护室养护28天后，置于室温下自然风干72h，确保试件为干燥状态；对试件6个面全部涂抹，涂覆量为400g/m2，涂刷2遍，时间间隔为24h；第二遍涂刷完成后，在室温下养护14天。

按照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)要求，将试件放置于混凝土快冻试验台进行试验，并按时测定质量和自振频率，试验结果评定要求为：相对动弹性模量下降至初始值的60%或质量损失率到达5%时，即可认为试件已达破坏。其中，相对动弹性模量按式(1)计算，质量损失率按式(2)计算，均以3个试件试验结果的平均值为测定值。

(1)

式中Pn——n次冻融循环后试件相对动弹性模量，%；

fn——试件冻融n次循环后的自振频率，Hz；

fo——试件冻融循环前的自振频率，Hz。

(2)

式中Wn——n次冻融循环后试件质量损失率，%；

Gn——n次冻融循环后的试件质量，g；

G0——冻融前的试件质量，g。

2.5.4 试验结果及分析

通过试验，取得A组和B组基准混凝土试件和硅烷浸渍后的混凝土试件抗冻性试验结果(见表5和图5)。

表5 硅烷浸渍混凝土试件抗冻性能试验结果

续表

图5 不同次冻融循环后基准和硅烷浸渍混凝土的相对动弹性模量变化曲线

试验结果表明:在混凝土表面浸渍硅烷浸渍剂以后，混凝土耐冻融循环次数至少提高50次以上，其质量随着冻融次数的增多，先有所增加，随后便开始大幅减少，同时混凝土随之剥蚀破坏。

以B组试验为例，基准混凝土试件与硅烷浸渍后混凝土试件350次冻融循环后表面状态如图6所示。通过基准试件和硅烷浸渍后试件的对比可见，在混凝土表面浸渍硅烷浸渍剂后，混凝土的抗冻性能有大幅度的提高。

图6 冻融循环后基准和硅烷浸渍混凝土表面变化情况

此次试验A组试件强度低，密实程度差，而B组试件强度高，密实程度高，从试验结果看，B组试件硅烷浸渍后大幅度提高了混凝土的抗冻性能。硅烷浸渍剂能够提高混凝土的抗冻性能，主要原因是硅烷渗入混凝土内部后，能够形成一道憎水层，从而阻挡或降低水分的渗入，有效提高了混凝土的冻融循环次数。

从试验结果来看，憎水层的阻水效果与混凝土本身的致密程度密切相关，混凝土本身的致密性好、孔隙率小，形成的憎水层就相对致密，憎水效果就好；若混凝土本身密实程度差、孔隙率大，尽管硅烷渗透深度可以相对增大，但是硅烷形成的憎水层的致密程度也会相对减弱，水分还是可以通过大的孔隙渗入混凝土内部，以致不能大幅提高混凝土的抗冻性能。

3 现场示范应用实例

2005年，硅烷浸渍剂在辽宁东港挡潮闸混凝土防护工程中得到了示范应用，现场防护施工情况见图7。工程运行2年来，被硅烷浸渍剂防护的混凝土构件表观质量已明显优于未被防护的构件，随着时间的推移，其提升混凝土耐久性的效果将日渐突出。

图7 硅烷浸渍剂现场防护施工情况

4 结 语

试验与现场应用表明：硅烷浸渍剂对混凝土产生的憎水保护层，可有效防止混凝土抗渗、防碳化、抗氯盐侵蚀能力，对混凝土表层的防护效果明显增强。当前该材料在海洋、交通等领域应用较为广泛[4-5]，但在水利工程应用尚不普及，随着试验和示范应用的不断深入，硅烷浸渍剂必将在水利工程中得到更广泛应用。

[1] 李化建，易忠来，谢永江.混凝土结构表面硅烷浸渍处理技术研究进展[J].材料导报,2012(2):120-125.

[2] 陈丹，崔洪，张敏，等.硅烷浸渍防护混凝土的机理及其研究方法[J].中国建筑防水,2015(17):17-21.

[3] SL 352—2006水工混凝土试验规程[S].北京：中国水利水电出版社，2006.

[4] 杨海城,熊建波,范志宏.硅烷防护对混凝土抗氯离子渗透性的影响[J].水运工程,2013(8):63-68.

[5] 蒋庆华,刘慈军,温小栋,等.海洋环境下硅烷浸渍混凝土复合体系的耐久性[J].公路,2013(2):180-182.