疏水材料处理下道路混凝土冻融性能研究

孔鲁霞 ,季亚茹

(济宁市鸿翔公路勘察设计研究院有限公司,济宁 272000)

在潮湿的环境下如何提高混凝土的耐久性,许多学者尝试通过改变其成分或使用不同类型的添加剂和外加剂来提高混凝土的耐久性。有学者研究采用疏水材料作为混凝土表面浸渍剂,以控制由于水或腐蚀性化学物质的进入引起混凝土的侵蚀。任小明等[1]对硅烷疏水乳液在泡沫混凝土防水上的应用进行了研究,结果表明:相较未作防水处理的空白试块,硅烷疏水乳液对泡沫混凝土的防水效果较好;鲁浈浈等[2]对超疏水涂层在沥青路面上的抗凝冰性能进行了分析,结果表明:当涂层作用在沥青路面上,涂层表面团聚形成微纳粗糙结构,使涂层具有超疏水性能,此性能可降低水与路面之间的粘结力,有效减小了路面的结冰量,提高了沥青路面的抑冰性能;吕晨等[3]研究了疏水矿物对高强自密实混凝土流动性能及强度的影响,研究结果表明:混凝土中掺入适量的空心玻璃微珠和适量滑石粉,可显著提升新拌混凝土的工作性能,降低拌和物的屈服应力和黏度;鲁浈浈等[4]对环氧树脂/SiO2涂层混凝土表面主动抗凝冰性及除冰性能进行了研究,研究结果表明:相较于普通混凝土,超疏水涂层混凝土表面的结冰量明显减小,混凝土表面的结冰更容易清除;丁永刚等[5]研究了不同类型纳米粒子改性涂层对混凝土疏水和抗冻性能的影响,研究结果表明:适量的纳米SiO2疏水性能最好,有机成膜涂料+纳米SiO2粒子复合涂层对混凝土抗冻性能改善效果明显。该文对不同含水率的混凝土进行空气冻融循环试验,分析混凝土在冻融循环下的质量变化及吸水率。

1 试 验

1.1 材料

为使混凝土达到疏水效果,试验使用四种疏水材料作用于混凝土表面,四种材料分别为醋酸钠、硅树脂、含氟聚合物及溶剂型硅烷。醋酸钠作用于混凝土表面时,吸收混凝土孔隙中的水,并与水结合,形成醋酸钠晶体覆盖在混凝土表面,使混凝土达到疏水效果。硅树脂材料具有疏水的性能,当作用于混凝土表面时,使混凝土具有硅树脂材料相同的疏水效果。含氟聚合物所含的氟使材料具有疏水性能,当含氟聚合物进入混凝土的孔隙后,形成的氟基团使混凝土具有疏水的效果。溶剂型硅烷的疏水效果与醋酸钠类似。

根据试验要求,共制备78个混凝土试块,其规格为100 mm×100 mm×100 mm(长×宽×高)。将制备好的混凝土放在温度为(21±0.5)℃、湿度为95%的环境下进行28 d的标准养护,养护结束后,将混凝土放入烘干箱中进行烘干。当混凝土孔隙中的水分烘干后,再对混凝土试块进行不同含水量的处理,混凝土的含水量分别为完全干燥(含水量0)、含水量2.5%、含水量4.5%,完全饱合(含水量100%)。混凝土试块经过处理后,取72个混凝土试块将四种疏水材料涂抹在混凝土表面作为试验对象,6个混凝土试块不作任何处理。

1.2 方法

试验在冷冻室内进行,将混凝土试件放入冷冻室内,在冷冻室内添加了加热和通风系统来支持解冻循环。通过冷冻室的温度和湿度控制系统,控制温度为-20～20 ℃,以24 h作为一次冻融循环过程,室内湿度保持稳定在60%。试验进行6个月,共180次冻融循环,冻融试验完成后,记录混凝土试件质量相对于冻融循环前的初始质量的差异。冻融循环试验结束后,通过对损坏的试件进行ISTA(混凝土初始表面吸水性测试)试验,测试了材料在恶劣条件下保护混凝土免受水渗透的功效,同时采用ISAT试验评价了混凝土的吸水率。

2 结果与分析

2.1 空气冻融循环下混凝土质量变化

混凝土在冷冻室进行180次冻融循环后,根据质量测量结果,可得混凝土在冻融循环下的质量变化,如图1所示。

如图1所示,当混凝土处于充分干燥状态时,经硅烷涂抹过的混凝土质量增加最小;在90次冻融循环前,所有混凝土试块的质量增加均无明显变化;在90次冻融循环后,未处理的混凝土试块质量明显增大,其它疏水材料处理过的混凝土质量增加缓慢。

当混凝土含水率分别为2.5%、4.5%及完全饱合状态时,经过醋酸钠处理的混凝土,其质量增加最小,曲线较平缓,而未处理的混凝土,其质量增加最大。当硅烷应用于完全干燥的混凝土表面时,质量增加最小,因此在混凝土干燥的条件下能有效地保护混凝土不因温度的变化而破坏。当硅烷应用于完全饱和的混凝土表面时,相较于其它疏水材料处理的混凝土,其质量增加最大,因混凝土湿的表面降低了硅烷的疏水性能,硅烷的疏水性能不能有效的发挥。含氟聚合物对降低混凝土的质量变化有较好的效果,而且这种保护作用随着混凝土的含水率增加而增大。当混凝土水分高于2.5%时,经含氟聚合物处理的混凝土质量变化逐渐减小。当混凝土含水率为4.5%时,相较于其它疏水材料处理的混凝土,硅烷处理的混凝土质量增加最大,醋酸钠处理的混凝土质量增加最小,硅树脂处理的混凝土质量变化小于含氟聚合物。

2.2 空气冻融循环下混凝土的吸水率

混凝土在冷冻室进行180次冻融循环后,根据试验中吸水数据,可得混凝土在冻融循环下的吸水率变化,如图2所示。

由图2可知,在混凝土充分干燥的情况下,随着时间的增加,经硅烷处理的混凝土吸水率最小,相较于其它混凝土,其吸水率变化最小。因硅烷中的硅元素与混凝土中的硅酸盐进行反应,形成的物质附着于混凝土的孔隙内,阻止了水分的吸收。未经处理的混凝土,因内部孔隙的存在增加了混凝土对水分的吸收,在相同时间条件下,其吸水率变化最大。

因醋酸钠有较强的亲水性能,当醋酸钠作用于含水的混凝土时,可使混凝土的吸水率降低,相较于其它混凝土试块,经醋酸钠处理的混凝土吸水率最低。未经疏水材料处理的混凝土,相较于其它处理过的混凝土,其吸水率最高。当疏水材料应用于完全饱和的混凝土后,混凝土中的活性含量较低,在长期温度变化的情况下,削弱了保护材料与混凝土的附着力,导致所应用的材料分解。

当硅烷作用于含水的混凝土表面后,混凝土湿的表面降低了硅烷的疏水性能。混凝土含水量越高,硅烷的疏水性能越低,混凝土的吸水率将增大。当硅树脂作用于在完全饱和的混凝土时,在混凝土表面表现出适度的抗吸水保护,其保护效果优于含氟聚合物和硅烷。当在完全干燥的混凝土中应用硅树脂,由于硅树脂与混凝土孔隙的联系需要水分,因此在混凝土完全干燥的情况下,硅树脂在降低混凝土的吸水率效果较差。含氟聚合物对混凝土在冻融循环条件下具有良好的保护作用,这种保护作用随着混凝土的含水率增加而降低。当混凝土水分高于2.5%时,含氟聚合物对混凝土的保护高于硅烷。

3 结 论

在经过不同疏水材料处理的条件下,通过对不同含水率的混凝土进行空气冻融循环试验,分析混凝土在180次冻融循环下的质量变化及冻融循环结束后的吸水率,得到如下结论:

a.充分干燥状态时,硅烷作用于混凝土表面后,混凝土质量增加最小。在90次冻融循环前,混凝土的质量增加均无明显变化,90次冻融循环后,相较疏水材料处理过的混凝土,未处理的混凝土质量明显增大。

b.混凝土含水率分别为2.5%、4.5%及完全饱合状态时,醋酸钠处理的混凝土,其质量增加最小,未处理的混凝土,其质量增加最大。硅烷应用于完全干燥的混凝土表面时,质量增加最小,硅烷应用于完全饱和的混凝土表面时,相较于其它疏水材料处理的混凝土,质量增加最大。

c.充分干燥状态时,硅烷作用于混凝土表面后,混凝土吸水率最小,吸水率变化最小。未经处理的混凝土,相同时间条件下,吸水率变化最大。醋酸钠作用于含水的混凝土时,相较于其它混凝土试块,经醋酸钠处理的混凝土吸水率最小。

d.硅树脂作用在完全饱和的混凝土时,混凝土表面的吸水保护效果优于含氟聚合物和硅烷。混凝土在完全干燥的条件下,硅树脂在降低混凝土的吸水率效果较差。冻融循环条件下,含氟聚合物对混凝土有较好的保护作用,混凝土水分高于2.5%时,含氟聚合物对混凝土的保护高于硅烷。