基于卡斯通量瓶测试水泥基渗...材料表面增强效果的吸水规律_毛科强.pdf

第 40 卷第 5 期2023 年 5 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.5May 2023收稿日期:20220314作者简介:毛科强(1987)，男，山东日照人，硕士研究生.(409993116 )*通讯作者:王少鹏(1993)，男，河北石家庄人，硕士研究生.(734919180 )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.05.011基于卡斯通量瓶测试水泥基渗透结晶材料表面增强效果的吸水规律毛科强1，王少鹏*2，贺亮1，刘刚1，任磊1(1.山东高速集团烟威公路有限公司，山东烟台264000;2.交通运输部公路科学研究院，北京100088)摘要:水泥基渗透结晶材料可生成结晶物堵塞混凝土孔隙从而使混凝土表层更加密实，进而提升结构耐久性。为研究能够便捷表征渗透结晶材料对混凝土原结构密实度增强效果的方法，采用卡斯通量瓶测试了该种材料对混凝土表面的抗渗性增强性能，研究了其吸水渗透规律，并得出表征渗透结晶材料对混凝土表面密实度增强效果的合理参数。基于吸水规律提出了采用卡斯通量瓶测试水泥基渗透结晶材料表面增强效果的试验方法与表征参数。结果表明:卡斯通量瓶吸水试验，其吸水规律并不严格符合试件吸水量与 t0.5成正比的规律，其吸水量在前 3 h 内与 t0.5呈线性关系，在 312 h 内，吸水量与 t 呈线性关系;两段吸水规律表达式中，03 h 段内，t0.5的斜率参数受试验注水过程人为因素影响较大，不具稳定性;312 h 段内，t 的斜率参数不受人为因素影响，稳定性好，即在单位时间内的吸水增量不变，建议采用 312 h 试验结果中 t 的斜率参数表征水泥基渗透结晶材料对原混凝土表面增强效果的优劣，定义试件表面卡斯通量瓶吸水速率为在 312 h 内吸水量增加速率与吸水面积的比值，则试件表面卡斯通量瓶吸水速率的物理意义为单位时间渗透通过表层吸水面的水量长度，可以此吸水速率作为判断渗透结晶材料防护效果的参数。关键词:桥梁工程;混凝土结构;吸水试验;水泥基渗透结晶材料;吸水规律;表面增强;表征参数中图分类号:U446.1文献标识码:A文章编号:10020268(2023)05007807Testing Water Absorption ule for Enhancing Surface of CementitiousCapillary Crystalline Materials by Karsten TubeMAO Ke-qiang1，WANG Shao-peng*2，HE Liang1，LIU Gang1，EN Lei1(1 Shandong Hi-speed Group YantaiWeihai Highway Co.，Ltd.，Yantai Shandong 264000，China;2 esearch Institute of Highway，Ministry of Transport，Beijing 100088，China)Abstract:Cementitious Capillary Crystalline Material(CCCW)can generate crystals to block the pores ofconcrete so as to make the surface of concrete denser and improve the durability of the structure.Toinvestigate a convenient method for characterizing the enhancement effect of capillary crystalline materials onthe original compactness of concrete structures，the impermeability enhancement performance of this materialon concrete surface is tested by using Karsten tube，the water absorption and permeability rules are studied，and the reasonable parameters for characterizing the enhancement effect of permeable crystalline materials onthe surface compactness of concrete are obtained.Based on the water absorption rule，the test method and thecharacterization parameters for testing the surface enhancement effect of CCCW by using Karsten tube areproposed.The result shows that(1)The water absorption rule of the Karsten tube test does not strictly followthe rule that the water absorption of the specimen is proportional to t0.5，the water absorption in the first 3hours is linearly related to t0.5，while the water absorption is proportional to t within the 312 hours.(2)In第 5 期毛科强，等:基于卡斯通量瓶测试水泥基渗透结晶材料表面增强效果的吸水规律the two-stage water absorption rule expressions，the slope parameter of t0.5in the first 3 hours is greatlyaffected by artificial factors in the test water injection process and is unstable.(3)The slope parameter of tin the 312 hour stage is unaffected by artificial factors and has good stability，which means that the waterabsorption increment per unit time is constant.Therefore，it is recommended to use the test result of the slopeparameter of t in the 312 hour stage to characterize the effectiveness of CCCW on the surface enhancementof original concrete.The water absorption rate on the surface of the sample in the Karsten tube test is definedas the ratio of the increase rate of the water absorption amount to the water absorption area within 312hours，thus the physical meaning of the water absorption rate on the surface of the sample in the Karsten tubetest the water length that penetrates through the surface water absorption surface per unit time，which can beused for a parameter to determine the protective effect of the capillary crystalline material.Key words:bridge engineering;concrete structure;water absorption test;CCCW;water absorption rule;surface enhancement;characterization parameter0引言水泥基渗透结晶材料是一种由水泥、填充砂、渗透结晶活性成分、助剂等组成的，其活性化学成分能够在水的作用下渗透进入混凝土内部并反应生成结晶物，堵塞原结构表层孔隙从而达到防水效果的一种新型刚性防水材料13。该材料涂刷在混凝土表层，使混凝土表层更加密实，对表层形成增强效果，并且能修复微裂缝提高混凝土表层抵抗环境侵蚀的能力，增强结构耐久性能。该材料在防水工程中有优良的性能，在结构防护、耐久性提升方面也有了广泛的应用48。该材料用于提升混凝土结构的耐久性，其关键在于增加混凝土材料表层的密实性，有效提高其表层的抗渗能力910。本研究通过卡斯通量瓶测试涂刷渗透结晶材料试件的表层吸水情况判断混凝土表层的密实性，探究其吸水规律，得出表征渗透结晶材料对混凝土表面密实增强效果的合理参数，并研究基于卡斯通量瓶测试水泥基渗透结晶材料表面增强效果的方法。1混凝土表层渗透性测试方法混凝土表层渗透性的测试评价方法有多种，主要可分为水压力法、透气法、吸水法等9。水泥基渗透结晶材料主要依据的标准为 水泥基渗透结晶型防水材料(GB184452012)，该标准以砂浆与混凝土抗渗性能规定了防水性能要求，试验方法为测试空白试件与涂层试件的抗渗压力，通过抗渗压力比判断抗渗能力提升程度，从而表征材料的增强效果。Autoclam 渗透性测试仪可测试混凝土表面的空气或水的渗透性、吸水性以及透气性11。在进行渗气性测试时，仪器记录气体压力衰减的速率，进行渗水性和吸水性测试时，记录恒压状态(渗水性测试水压 0.5 bar，吸水性测试水压 0.02 bar)下渗入混凝土中水的体积1213，适用于工程结构的无损检测。水运工程结构耐久性设计标准(JTS1532015)14 对硅烷浸渍试件采用吸水率的方法来表征混凝土表层硅烷防护效果，硅烷浸渍面浸入水中，测试经不同时间的吸水量并计算吸水高度，以试件吸水高度为纵坐标，对应经过时间的平方根为横坐标，绘制两者线性关系图，以直线斜率表示硅烷浸渍吸水率。在文献 1516 研究了以卡斯通量瓶测试硅烷浸渍混凝土防水效果的现场评价方法，其以单位时间内平均渗透系数来评判防水效果，平均渗透系数表达式如式(1)所示，式中 V 为吸水量;A 为吸水面积;t 为吸水时间。其以 2 h 的平均渗透系数作评定依据，该过程缺少了对更长时间试件渗透吸水规律的分析。本论文研究了卡斯通量瓶吸水试验测试方法，研究了采用卡斯通量瓶 012 h 的吸水规律，探讨了表征渗透结晶材料对混凝土表面密实性增强效果的参数。k=V/At。(1)2卡斯通量瓶测试混凝土表面渗透性试验本试验研究了采用卡斯通量瓶测试混凝土涂刷水泥基渗透结晶材料后的表层吸水规律。选取两种渗透结晶材料进行试验，代号分别为 X 材料、Y 材料。混凝土配比如表 1 所示，水泥为 42.5 级普通硅酸盐水泥，砂为细度模数 2.67 的河砂，石子为粒径510 mm 石灰石，按照国标混凝土物理力学性能97公路交通科技第 40 卷表 1混凝土配合比Tab.1Mixing ratio of concrete水泥水砂石子10.531.83.04试验方法标准(GB/T 500812019)中的方法制作100 mm100 mm100 mm 的立方体混凝土试件，试件脱模后用砂纸打磨掉顶面表层浮浆，然后在试件顶面分别涂刷两种渗透结晶材料，并相应设置空白组试件。待涂层硬化后将全部试件浸在深度为试件高度 3/4 的水中养护(涂层面不浸水)，水温为(20 2)，环境湿度大于 95%。在养护第 7 d，14 d，28 d 时对试件进行卡斯通量瓶吸水试验。卡斯通量瓶如图 1 所示，其下端为喇叭口状，该部分通过橡皮泥或玻璃胶粘接在被测试件表面，上段为带刻度的玻璃管，用来读取吸水量。选用的卡斯通量瓶喇叭口内直径为 54 mm，刻线分度值为 0.05 mL，量程为 10 mL。试件到达养护龄期后，将涂层打磨掉，然后在 80 的烘箱中烘干 6 h。待试件冷却后用玻璃胶将卡斯通量瓶粘接在吸水测试面，并保证其粘接密闭性以防止漏水。玻璃胶凝固后即可开始吸水试验。向卡斯通量瓶中加水至 0 刻度线后开始计时，为探究吸水规律，分别在第 1，5，10，20，30，40，50 min，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5，5.5，6，7，8，9，10，11，12 h 时记录试件吸水量。图 1卡斯通量瓶测试吸水率图示Fig.1Diagram of water absorption rate tested byKarsten tube3吸水规律与表征参数讨论各混凝土试件涂刷渗透结晶材料养护规定时间后表面吸水量卡斯通量瓶测试结果如图 2 所示，编图 2试件表面吸水量变化趋势Fig.2Variation trend of water absorption on specimen surface号 1，2，3 分别代表养护时间 7，14，28 d，K，X，Y 分别代表空白组，X 材料组、Y 材料组，其中 1K空白试件、2K 空白试件由于表层密实度低、吸水速度快，分别在 3，9 h 时吸水量超过最大量程10 mL。由图可知采用卡斯通量瓶测试的吸水量在前期增速较快，在后期的吸水增量趋于稳定。参照 水运工程结构耐久性设计标准(JTS1532015)中规定的吸水速率表征方法，吸水量与时间的 0.5 次方成线性关系，采用式(2)进行吸水量的拟合分析:V=kt+c，(2)式中，V 为吸水量;t 为吸水时间;k，c 为拟合参数;拟合结果如图 3 所示。图 3试件吸水量与 t0.5的变化趋势Fig.3Variation trend of water absorption and t0.5由结果可知，在 012 h 的吸水过程中吸水曲线(t0.5)并非为严格直线，即表示采用卡斯通量瓶测试的 012 h 吸水量与时间的 0.5 次方并非严格的线性关系。为得到更合理的卡斯通量瓶吸水量变化模型，分析图2 与图 3，在前 3 h 内吸水量增速较快，在312 h 内吸水增量较为稳定，故将卡斯通量瓶吸水试验过程分为两阶段分析，即03 h 段和312 h 段。08第 5 期毛科强，等:基于卡斯通量瓶测试水泥基渗透结晶材料表面增强效果的吸水规律3.1吸水试验 03 h 规律该阶段前期吸水量增长迅速，仍采用 V=kt+c对卡斯通量瓶吸水数据进行分析拟合，试件养护 7，14，28 d 时 03 h 内吸水量拟合曲线如图 4 所示，拟合参数 k，c 以及拟合决定系数 2见表 2，其中有6 组的拟合决定系数 2大于 0.99，其余 3 个大于0.93。可知，3 个养护阶段试件吸水量拟合结果匹配度高，在 03 h 内采用卡斯通量瓶测试的试件吸水量与 t0.5成线性关系。图 4试件 03 h 表面吸水量拟合Fig.4Fitted 03 h surface water absorption ofspecimens表 2试件 03 h 表面吸水量拟合参数Tab.2Fitting parameters of 03 h surface waterabsorption of specimens试件参数 k参数 c决定系数 21K0.693 810.860 010.990 181X0.189 920.247 80.994 731Y0.280 960.513 60.990 722K0.363 30.340 030.996 252X0.224 760.655 090.963 852Y0.291 620.414 330.993 393K0.140 420.246 780.994 763X0.149 960.576 150.931 613Y0.196 30.511 720.943 533.2吸水试验 312 h 规律在该阶段卡斯通量瓶测试的试件吸水量增长稳定趋近于直线，采用式(3)进行吸水量拟合。试件养护 7，14，28 d 时 312 h 内吸水量拟合如图 5 所示，拟合直线的斜率 I、截距 b 和相关系数 见表 3，9 组试件拟合的相关系数 均大于 0.99，高度线性相关。可知，在 312 h 内采用卡斯通量瓶测试的试件吸水量与时间 t 呈线性关系。V=It+b。(3)图 5试件 312 h 表面吸水量拟合Fig.5Fitting of 312 h surface water absorption of specimens表 3试件 312 h 表面吸水量拟合参数Tab.3Fitting parameters of 312 h surface waterabsorption of specimens试件斜率截距相关系数1X0.007 381.420 280.999 931Y0.009 012.655 80.999 92K0.014 752.628 10.999 852X0.006 632.350 040.999 512Y0.007 213.023 670.999 53K0.007 660.802 270.999 873X0.002 561.966 880.999 613Y0.004 322.207 110.999 718公路交通科技第 40 卷3.3卡斯通量瓶吸水试验规律分析由以上分析可知，采用卡斯通量瓶对渗透结晶涂层试件进行吸水测试，其吸水规律并不严格符合试件吸水量与 t0.5成正比的规律，在前 3 h 内符合该规律，而在 312 h 内则符合吸水量与时间 t 呈线性关系规律。在 水运工程结构耐久 性 设 计 标 准(JTS1532015)的吸水率试验中，其吸水量符合与 t0.5成正比的规律，该试验中试件通过底面进行吸水，过程中水分传输初始主要由毛细吸附和扩散主导，当水面以下部分混凝土吸水饱和后水分继续向上传输，水分受到向上的毛细吸附作用同时还受到向下的重力作用，即抵消部分向上的吸附力。在卡斯通量筒吸水试验中，早期水分传输主要受混凝土表层的毛细吸收和扩散作用主导，同时受到卡斯通量瓶内水液体的水头压力作用1718。在混凝土表层经吸水达到饱和后，表层水分还会在重力作用向下渗透。吸水的前期阶段对于干燥的混凝土毛细吸附力远大于卡斯通量瓶内水液体的水头压力，该部分水头压力可不计，因此前期的卡斯通量瓶吸水规律与 水运工程结构耐久性设计标准(JTS 1532015)中吸水率试验相一致，即吸水速率与 t0.5成线性关系。在后期吸水过程中水头压力与向下重力的叠加使卡斯通量筒吸水速率较 水运工程结构耐久性设计标准吸水率试验更快，即在 312 h 内吸水速率与时间的 1 次方成线性关系。两者试验中水分传输动力，卡斯通量瓶吸水试验中水分传输增加了水头压力与重力的正向影响。3.4渗透结晶防护效果表征参数由卡斯通量瓶吸水试验测试结果可知，采用卡斯通量瓶可以较好地区分不同渗透结晶材料的防护增强效果。在 3.1 与 3.2 节的分析中，根据吸水量随时间的变化规律将吸水过程分为两段，即 03 h的 V=k t+c 式(2)段、312 h 的 V=It+b 式(3)段，两段中可分别以参数 k，I 作为吸水快慢的表征参数。下面对两段的吸水过程与参数进行比较，以确定更适宜表征渗透结晶防护效果的参数。不同养护时间下各组试验中参数 k 与参数 I 的值如图 6 所示，其中养护 7 d 的空白组试块由于渗水过快在 3 h 前即超出了卡斯通量瓶 10 mL 的量程，其参数 I 取最后两测点的斜率值。已知 2 种渗透结晶材料中 X 材料的渗透结晶防护效果优于 Y 材料。在同一养护时间的试验中，参图 6试验不同养护期的参数值Fig.6Parameter values of specimens in differentcuring periods数 k 与 I 均能反映出不同渗透结晶材料防护效果的强弱。在不同养护时间下，随时间增长试件的密实度会增大透水性降低，参数 I 随时间呈减小趋势，与变化规律相符;参数 k 随时间的变化与此并不匹配，两种材料在养护 14 d 时的 k 值较 7 d 时的 k 值更高。在养护 28 d 的试验中，空白试件在前 3 h 内吸水缓慢，吸水量甚至低于涂刷渗透结晶材料的试件，k 值较涂刷渗透结晶材料的试件更小，此现象与试件的透水性相悖;在 3 h 后其吸水速度增大，吸水量超过涂刷渗透结晶材料的试件，在 312 h 的 I 值大于涂刷渗透结晶材料，与试件的透水性相符。以上出现 k 值与试件实际渗透性相悖的情况。吸水试验计时开始前需向卡斯通量瓶内注水至 0 刻度线，在该过程中注水速度以及恰好液面至 0 刻度的调节受人为操作因素影响大，注水时间不尽相同。在注水期间干燥的混凝土试件会在毛细作用下快速吸水，即在吸水试验开始计时前其试件已经吸收了一定量的水分，之后的吸水速率会减小，从而对 k值产生影响。试件经 3 h 吸水后，吸水增量趋于稳定，在 312 h 的吸水过程形成稳定的斜率，且该过程不受人为因素影响。因此，在表征渗透结晶防护效果优劣28第 5 期毛科强，等:基于卡斯通量瓶测试水泥基渗透结晶材料表面增强效果的吸水规律的过程中参数 a 更具稳定性且更符合规律。试件吸水 3 12 h 吸水量与时间具有稳定的斜率，即在单位时间内的吸水量不变，定义试件表面卡斯通量瓶吸水速率为:v=I/A，(4)式中，I 为 312 h 吸水量与时间的斜率;A 为试件吸水面积，即卡斯通量瓶的内径面积，为 22.9 cm2。则试件表面卡斯通量瓶吸水速率的物理意义为单位时间渗透通过表层吸水面的水量长度，计算试件在不同养护时间的卡斯通量瓶表面吸水速率如表 4 所示，该结果可清晰表述稳定吸水段的吸水速率，进而可比较出不同材料的渗透结晶增强防护效果，以28 d 试件为例，涂刷 X 材料后吸水速率降为空白试件的 33%，涂刷 Y 材料后吸水速率降为空白试件的 56%。表 4试件卡斯通量瓶表面吸水速率Tab.4Water absorption rate on surface obtained byKarsten tube试件速率/(mmh1)7 d14 d28 dK0.8080.3860.201X0.1930.1740.067Y0.2360.1890.1134结论通过试验研究了采用卡斯通量瓶测试水泥基渗透结晶材料表面增强效果的吸水规律，并得出表征渗透结晶材料对混凝土表面密实增强效果的合理参数。吸水试验中在 03 h 内，卡斯通量瓶吸水量与t0.5呈线性关系，其吸水量可表示为 V=kt+c;在312 h 内，吸水量与时间 t 呈线性关系，吸水量可表示为 V=It+b。两段吸水规律表达式中 03 h 段内参数 k 受试验注水过程人为因素影响较大，不具稳定性;3 12 h段中的参数 I 不受人为因素影响，稳定性好，即在单位时间内的吸水增量不变，建议采用 312 h 试验结果中参数 I 表征水泥基渗透结晶材料表面增强效果的优劣。定义试件表面卡斯通量瓶吸水速率为 v=I/A，则试件表面卡斯通量瓶吸水速率的物理意义为单位时间渗透通过表层吸水面的水量长度，可将此参数 v作为判断渗透结晶材料防护效果的参数。参考文献:eferences:1胡洋，刁龙，邓鑫，等 渗透结晶型防水剂对水泥基材料自修复性能的影响及其机理研究 J 混凝土与水泥制品，2018(10):14HU Yang，DIAO Long，DENG Xin，et al Effect ofOsmotic Crystalline Water-proofing Agent on Self-healingProperty of Cement-based Materials and Its Mechanism J China Concrete and Cement Products，2018(10):14 2陈晓雨，曾俊杰，范志宏，等 渗透结晶材料改善混凝土抗蚀增强的效果及机理 J 硅酸盐通报，2017，36(增 1):229234CHEN Xiao-yu，ZENG Jun-jie，FAN Zhi-hong，et alImprovementEffectandMechanismofPermeableCrystallization Material on Concrete Anticorrosion J Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2017，36(S1):229234 3张艺腾，杨进超，赵维霞，等 水泥基渗透结晶型防水材料的微观结构与机理分析 J 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