不同表面处理剂对受损混凝土抗冻性的影响研究_宫光明.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期81文章编号：2095-6835（2023）13-0081-03不同表面处理剂对受损混凝土抗冻性的影响研究宫光明，曹斌琪，姚 超（陕西省住房和城乡建设厅，陕西 西安 710004）摘要：为研究硅渗剂、硅酸乙酯和纳米 SiO2这 3 种表面处理剂对受损混凝土抗冻性的影响，通过盐冻法对受损混凝土在盐水浸泡后的剥落情况进行测试。结果表明，硅渗剂和硅酸乙酯能够有效地降低受损混凝土的 7 d 吸水量，提高受损混凝土的抗冻性。其中，硅酸乙酯的效果最显著，7 d 吸水量降低率达到 65%，经历 28 次冻融循环后剥落物总量仅为679 g/m2。硅渗剂表面处理也有不错的效果，能够将冻融循环次数提高 8 次。而纳米 SiO2的处理效果不理想，未能提高受损混凝土的冻融循环次数。关键词：硅渗剂；硅酸乙酯；纳米 SiO2；受损混凝土中图分类号：TU528.78文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.13.022在中国北方地区，混凝土道面极易受到冰冻的影响，在冰冻作用下会出现裂缝、表面脱落等病害，导致道面表面受损、承载力降低1。目前为减少道面表面结冰的影响，通常采取在混凝土表面洒布除冰盐，虽然除冰盐可以消除冰雪，但也会加速混凝土表面的剥落，给混凝土道面的使用与维护带来了新的问题。目前，提高混凝土抗冻性的方法有很多2-3，其中，表面固化处理是一种简单有效、经济适用的方法。张鹤等4探究了硅酸锂溶液与硅酸钠的复合溶液对混凝土表面性能的影响，结果表明复合溶胶对砂浆表面微孔隙进行了填充，形成致密的微观结构，提高了表面回弹值并降低了表面渗水性。HAN 等5证实了以硅酸钙为基本成分的无机处理材料对混凝土抗碳化能力、抗氯离子渗透及抗冻害能力的提升，当采用多层处理时，效果更为明显。侯涛等6系统探讨了硅酸乙酯作为水泥混凝土表面处理材料的效果，结果表明，当硅酸乙酯与乙醇的体积比为 11 时处理效果最好，硅酸乙酯处理有明显的长期效应，能够提高混凝土的抗冻性能。BARBERENA-FERNNDEZ等7利用FTIR（FourierTransform Infrared Spectrometer，傅里叶变换红外光谱仪）分析了经硅酸乙酯固化处理后混凝土发生的反应，研究发现硅酸乙酯能与羟钙石反应生成 C-S-H 凝胶，同时也能与水化产物中已存在的 C-S-H 凝胶发生反应，生成比原物质链条更长的长链 C-S-H，硅酸乙酯表 面 固 化 处 理 降 低 了 水 泥 砂 浆 的 孔 隙 率。BARBERENA-FERNNDEZ 等8还将纳米 SiO2加入TEOS 中对水泥砂浆表面进行处理，相对于未掺纳米材料而言，纳米 SiO2的掺入可以同时减小孔隙率和吸水量。SCARFATO 等9将纳米粒子掺入到环氧树脂内对混凝土进行表面处理，纳米填料通过堵塞混凝土的孔隙和降低聚合物基体扩散性能来提高固化处理后混凝土的抗水渗透性。HOU 等10系统地研究了水泥砂浆经纳米 SiO2和 TEOS 表面固化处理后的性能，结果表明，TEOS 和纳米 SiO2均可以有效地降低水泥砂浆的吸水率、水蒸气传输系数及孔隙率，相对而言，TEOS 的处理效果更好一些。在实际工程中，由于自然侵蚀或人为破坏等原因混凝土道面会受到不同程度的损害。为此，本文选择硅渗剂、硅酸乙酯和纳米 SiO2作为表面处理剂，采用盐冻法对表面固化处理前后受损混凝土的剥落情况进行对比分析，研究硅渗剂、硅酸乙酯和纳米 SiO2对受损混凝土抗冻性的影响。1试验原料表 1 为混凝土配合比及基本性能，其中水泥采用42.5 普通硅酸盐水泥，粗集料为石灰石，细集料采用灞河河砂，水为普通自来水。表 1混凝土配合比及基本性能水泥质量浓度/（kgm-3）水的质量浓度/（kgm-3）粗集料质量浓度/（kgm-3）细集料质量浓度/（kgm-3）维勃稠度/s7 d 抗折强度/MPa28d 抗折强度/MPa320.0115.6610.01 278.023.05.45.8硅渗剂采用湖南峰航新材料公司的产品，硅酸乙酯采用山东丰盼新材料公司产品，纳米 SiO2采用上海志创精细化工公司的纳米硅固化剂产品，具体性能指标如表 2、表 3、表 4 所示。本文用 K、S、T、N 分别表示未处理、硅渗剂处理、硅酸乙酯处理和纳米 SiO2处理的混凝土试件。科技与创新Science and Technology&Innovation822023 年 第 13 期表 2硅渗剂性能参数密度/（gm-3）固体质量分数/（%）粘度/（Pas）表面张力/（mNm-1）1.180.0322.02.211130表 3硅酸乙酯性能参数密度/（gm-3）固体质量分数/（%）粘度/（Pas）挥发性有机化合物质量分数/（%）1.05840.615.043表 4纳米 SiO2性能参数粒径/nm密度/（gcm-3）固体质量分数/（%）pH 值1011.1250.00712.51.011.00.52试验方法参照 GB/T 500822009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准11中的盐冻法进行试验，采用 150 mm150 mm150 mm 的立方体试件，养护到28 d 龄期后直接进行 7 d 预吸水和 6 次冻融循环，此时剥落物累积量约 250 g/m2，该状态的混凝土表面处于麻面阶段，在实际工程中比较常见。将混凝土试件取出在室内环境下干燥 1 个月后用毛刷将表面清洁然后进行表面涂刷处理，在室内环境下固化 7 d 后进行预吸水和单面冻融循环，每组 5 个试件，每 4 个循环对混凝土的质量、剥落物质量及超声传播时间进行测试。当达到下述条件之一时即可停止试验：循环次数达到28 次，剥落物总质量达到 1 500 g/m2，超声波相对弹性模量降低到 80%。3试验结果与讨论图 1 为混凝土试件的 7 d 预吸水量。从图中可以看出，3 种表面处理剂均能降低受损混凝土的 7 d 预吸水量，S、T 和 N 试件的 7 d 吸水量相对于 K 试件而言分别降低了 31%、65%和 9%，硅酸乙酯的处理效果最好，硅渗剂次之，纳米 SiO2的处理效果不明显。这是因为3 种表面处理剂会与混凝土水化产物发生反应生成凝胶，凝胶堵塞孔隙和微裂缝，从而降低混凝土的吸水性，硅渗剂在混凝土表面上形成一层透明的薄膜，纳米 SiO2虽然也会有大量粉末状物质覆盖表层，但强度较低，硅酸乙酯的渗透作用最强，并且硅酸乙酯处理能够增大混凝土表面的接触角，在混凝土表面和内部缝隙孔洞的表面形成憎水保护层，所以硅酸乙酯表面处理试件的吸水量最低。同时，可以看出在预吸水 1 d 时，除硅酸乙酯处理试件外，其他试件第 1 d 吸水量可达到 7 d 吸水量的 64%以上，表面固化处理主要改善混凝土试件浸泡后第 1 d 的吸水量，后续时间内试件的吸水量差距比较小。图 1混凝土试件的 7 d 预吸水量图 2 为冻融循环后混凝土试件的剥落物质量。试验过程中发现，混凝土在经历冻融循环后超声波相对动弹模量远未达到试验终止条件，因此以试件单位表面面积剥落物总质量作为试验终止指标。图 2冻融循环后混凝土试件的剥落物总质量由图 2 可以看出，硅渗剂表面固化处理将受损混凝土的冻融循环次数由 20 次提升至 28 次，硅酸乙酯表面固化处理试件在经历28次循环后单位面积剥落物总量仅为 679 g/m2，远没有达到试验终止条件，而纳米 SiO2表面固化处理试件的冻融循环次数则没有提升。这是因为吸水量的减少会降低混凝土中结冰的深度和数量，同时盐水渗入的减少会削弱它加速劣化的影响，从而增强抗冻性，由于纳米 SiO2在混凝土表面形成的粉末状物质在冻融循环过程中脱落，导致处理效果大打折扣。4结论根据测试可以得到以下 3 个结论：3 种表面处理剂均能够降低受损混凝土的 7 d 预吸水量，其中，硅酸乙酯的效果最明显，吸水量降低率能够达到 64%；硅渗剂次之，吸水量降低率为 31%；而纳米 SiO2处理后混凝土的吸水量仅能降低 9%。3 种表面处理剂主要改善混凝土试件浸泡后第 1 天的吸水量，后续时间内试件的吸水量差距较小。硅酸乙酯对受损混凝土抗冻性的提升效果最好，28 次冻融循环后单位面积剥落物总质量仅为 679 g/m2，硅渗剂能够将受损混凝土的预吸水时间/d冻融循环次数/次Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期83冻融循环次数从 20 次提高至 28 次，而纳米 SiO2未能提高混凝土的冻融循环次数。参考文献：1苏立海，吕燕，冀勋高，等.表层强化材料增强机场道面混凝土抗冻性能研究J.混凝土，2019（3）：30-34，39.2张爱勤，贾坚，刘芝敏，等.环氧树脂对混凝土抗盐冻能力的影响研究J.硅酸盐通报，2019，38（4）：1278-12833杨冬鹏.不同防护涂层对水工混凝土抗冻性能的影响研究J.水利技术监督，2020（4）：155-158.4张鹤，詹树林，巫华婷，等.硅酸锂基复合溶胶对混凝土表面性能影响研究J.稀有金属材料与工程，2016，45（增刊 1）：85-88.5HAN Y M，DONG G S，CHOI D S.Evaluation of thedurability of mortar and concrete applied with inorganiccoatingmaterialandsurfacetreatmentsystemJ.Construction and building materials，2007，21（2）：362-369.6侯涛，齐誉，时运刚，等.渗透结晶反应对砂浆吸水率和微观结构的影响J.混凝土，2016（3）：126-131.7BARBERENA-FERNNDEZ A M，CARMONA-QUIROGA P M，BLANCO-VARELA M T.Interaction ofTEOS with cementitious materials:chemical and physicaleffectsJ.Cement and concrete composites，2015，55：145-152.8BARBERENA-FERNNDEZ AM，BLANCO-VARELA MT，CARMONA-QUIROGA P M.Use of nanosilica ornanolime-additionedTEOStoconsolidatecementitiousmaterials in heritage structures:physical and mechanicalproperties of mortarsJ.Cement and concrete composites，2019，95：271-276.9 SCARFATO P，DI MAIO L，FARIELLO M L，et al.Preparation and evaluation of polymer/clay nanocompositesurfacetreatmentsforconcretedurabilityenhancementJ.Cement and concrete composites，2012，34（3）：297-305.10HOU P，CHENG X，QIAN J，et al.Characteristics ofsurface-treatment of nano-SiO2on the transport properties ofhardened cement pastes with different water-to-cementratiosJ.Cement and concrete composites，2015，55：26-33.11中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T 500822009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准S.北京：中国建筑工业出版社，2009.作者简介：宫光明（1969），男，硕士，副高职称，2 级高级主管。（编辑：严丽琴）（上接第 80 页）7EROL S，JAGER A，HOLD P，et al.Tangible industry 4.0：a scenariobased approach to learning for the future ofproductionJ.Procedia cirp，2016，54：13-18.8PRINZ C，MORLOCK F，FREITH S，et al.Learning factorymodules for smart factories in industrie 4.0J.Procedia cirp，2016，54：113-118.9冯毅萍，荣冈，赵久强，等.面向工程教育的智能制造教学工厂J.实验技术与管理，2018（5）：167-173.10袁锡明.校企合作共建“教学工厂”运行机制研究J.教育与职业，2013（27）：33-34.11单强.“教学工厂”的人才培养模式：S 学院案例研究J.高校教育管理，2009（2）：16-22.12吴媛媛，余海明，吴隆.基于 WITNESS 的看板生产系统建模仿真与优化研究J.成组技术与生产现代化，2008，25（4）：9-12.13曾鸣，许彦斌，王晟嫣，等.基于数据管护理论的能源互联网数据资产治理方法及关键问题研究J.电网技术，2020，44（7）：2420-2429.14陶飞，戚庆林.面向服务的智能制造J.机械工程学报，2018，54（16）：11-23.15王淼，李玲，赵宏霞.信息技术在橡胶企业定制生产中的应用J.橡胶工业，2008（2）：118-121.作者简介：李汾娟（1983），女，山西太原人，硕士，副教授，高级工程师，研究方向为高职制造类专业中的 ERP 的教学与实践，主要从事机械制造及自动化专业相关领域的教学与科研工作。（编辑：丁琳）