内掺憎水与引气外加剂对寒地交通工程混凝土的改性效应.pdf

2 0 1 1年 第 4期 (总 第 2 5 8 期 Nu mb e r4i n 2 01 1 ( To t a l No 2 5 8) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 MATERI AL AND ADM 1 N I CLE 内掺憎水与引气 , b J g 剂对寒地交通工程 混凝土的改性效应 唐明 ，田 勇 ，张大利 ，康勇 ( 1 沈阳建筑大学 材料科学 与 程学院 ，辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 8 ；2 辽宁省建 没科学 研究 院，辽 宁 沈 阳 1 1 0 o o 5 ) 摘要： 严寒地 区交通T程经常受到除冰盐 冻害 的影响 ， 通常掺入引气剂可 以提高交通 工程的混凝土抗 冻性 ， 但片不能改善混凝土 的渗 透性 ， 交通 工程 中混凝 土结构 的破坏往往是 由于环境中氯离子因混凝土孔隙的毛细管作用渗入到混凝土 内部 ， 引发钢 筋锈 蚀而使 混凝土 结构发生的破坏 严重者盐冻直接剥蚀破坏 ， 为此 ， 通过探索严寒地区交通 程t 昆 凝土在 内掺憎水和引气双重 条件下对混凝土的改性效 应 ， 结合 A S T M C1 2 0 2测试手段 和 S E M 微观方法 ， 发现在 内掺憎水和引气 条件 下 ， 憎水剂的加 入可以明显改善混凝 土由于含气量过大 而造 成的抗氯离子扩散能力下降 ， 同时内掺憎水剂可 以显著改善混凝土的微观孔 隙表面特征 ， 降低 昆凝土做孔 隙的毛细管作用 ： 表明内掺憎水 和引气外加剂 条件下埘严寒地区交通工程混凝土具有明显的改善效应。 关键 词： 混凝 士；憎水 ；引气 ；改性 中图分类号： T U5 2 8 0 4 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 】 ) 0 4 0 0 6 9 0 4 M o di f i c a t i on e ffec t of c onc r e t e mi xe d b y dr ophobi c a nd ai r en t r ai ni ng a dm i x t ur e i n t r a ffi c e ngi ne e r i ng i n c ol d a r ea T ANG M i n g ， TI AN Yo n g ， ZHANG Da 一 1 i 2 , KANG Yo n g (1 S c h o ol o f N l a t e r i a l s S c i e n c e a ndE n g i n e e r i n g， S h e n y a n g J i a n z h uUn i v e r s i t y， S h e n y a n g 1 1 01 6 8， Ch i n a 2 Li a o n i n g Bu i l d i n g Sc i e n c e Re s e a r c h i n s t i t u t e ， S he n y a n g 1 1 0 0 0 5， Ch i n a) Abs t r a c t ：F o r t h e c o l d a r e a t r a ffi c e n gine e r i n g， i n t h e d e i c i n g s a l t e n vi r o n me n t ， t h e a d d i t i o n o f a i r e n t r a i n i n g a g e n t c a n i mp r o ve t he f r o s t r e s i s t a n c e o fc o n c r e t e i n t r a ffi c e n g i n e e r i n g， b u t i t d o e s n o t i mp r o v e t he p e r me a b i l i t y o f t he c o nc r e t e， t h e d e s t r uc t i o n of c o n c r e t e s t r uc t u r e s in t r a ffi c e n g i n e e r i n g i s o Re n d ue t o c h l o r i d e o f e nv i r o n me n t p e n e t r a t i o n i n t o t h e p o r e of c o n c r e t e b y c a p i l l a r y a c t i o n 1 e a d t o r e ba r c o r r o s i o n c a u s e s t h e d e s t r u c t i o n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e o c c u r r e d Th i s p a p e r s t ud y o n t h e d o u b l e mo d i fi c a t i o n e ffe c t o f c o n c r e t e mi x e d h y d r op h ob i c a n d a i r e n t r a i n i n g a d m i x t u r e i n t r a f f i c e n g i n e e r i n g i n c ol d a r e a Co mb i n e d wi t h AS TM C1 2 0 2 t e s t me a s n r e s a nd SEM m i c r o s c o pic me t h o d s ， f o u n d t h a t mi x i n g b y - d r o p h o b i c a n d a i r - e n t r a i n i n g a d m ixtur e ， t h e a d d i t i o n o f h y d r o p ho bi c a d m i x t u r e c a n s i g ni fi c a n t ly i mp r o v e d t he a b i l i ty o f t h e c o n c r e te a n t i - c h l o r i d e， wh i c h i s c a u s e d d e c r e a s e d b y e x c e s s i v e a i r c o n t e n t ， a t t h e s a m e t i me wi t h i n t he m i x e d h y d r o p h o b i c a d m i x t u r e c a n s i gn i fic a n t l y impr o v e t h e s u r f a c e c h a r a c t e r i s t i c s of c o n c r e t e m i c r o p o r e s ， r e d u c e t h e c a p i l l a r y a c t i o n o f c o n c r e t e mi c r o p o r e s S h o w t h a t t h e mi x e d h y d r o p ho bi c a n d a i r c n - t r a i n i n g a d mi x t u r e s h a s s i g n i fic a n t l y i m p r o v e d e f f e c t o f c o n c r e t e i n t he c ol d a r e a e n g i n e e r i n g Ke y w or ds ： c o n c r e t e； h y d r o p h o b i c ； a i r e n t r a i n i n g； m o di f i c a t i o n ( ) 引 言 混凝 土耐久性定 义为混凝 土材 料在给定 的环境条件 下 的 服役寿命f 】 1 。 混凝土中掺人引气剂后引入大量独立 的、 微小的 、 稳 定 的、 均匀分布 的气泡 ， 在很大程度上改善了混凝土的抗冻性 。 严寒地区交通工程的普通混 凝土 ， 冬季经常处 于除冰盐的环境 影响中， 引气剂的加入可 以提高交通工程的混凝土一般抗冻性 ， 但并不一定 能彻底 改善 混凝 土的耐盐 冻能 力 ， 加上环境 中氯离 子由混凝土孔隙的毛细管作用渗入到内部， 引发钢筋锈蚀而使 混凝土结构发生破坏和损伤。 很多学者在研究过程 中， 发现大多数水 和盐类物质 的侵 入 过程都是 由于混凝 土的渗透性 ， 然 而在很多 时候 ， 在 局部浸泡 或者于湿条件下， 甚至在遭受静水压力的空心混凝土结构中， 影 响混凝土耐久性 的l并不是渗透性 ， 而是 吸附性或 者毛细管 的吸 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 1 1 1 9 附力才是水和盐类等有害物质的渗透的病害机理。 在混凝 土外层涂刷 有机硅类憎水 物质来提 高混凝 土抗盐 冻能力研究 已见到多篇报道 。 混凝土结构外层涂刷有机硅可 以改善混凝土结构表面的显微结构 ， 降低混凝土结构 表面孔隙 的毛细管作用， 从而进一步增强混凝土抗渗透的能力， 从而显 著改善混凝土的耐久性。 然而利用外层涂刷有机硅的方式对于 混凝土结构来说 ， 特别是对于交通工程所使用的普通混凝土结 构来说 ， 随着时间的推移， 其可靠性受到影响， 失去有效地防护 作用 ， 由此带来 的混凝土耐久性也会大打折扣 。 对于内掺憎水剂是否能够减小混凝土中毛细孑 L 的吸附作 用， 从而提高混凝土的抗氯离子及其他盐类物质扩散能力还未 见相关研究。 本文结合 AS T M C1 2 0 2电通量测试 ， 通过电通量测 试从宏观 研究了内掺憎水和引气 f- )m剂对交通工程普通混凝土 抗氯离子能力的改善效应， 并参照国家标准 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 6 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 所提供的慢冻法， 结合 S E M等微观手段， 探索了交通工程中普通混凝土在内掺憎 水与引气外加剂双重改性条件下抗盐冻的效应和机理。 1 原材料 与试验 1 1 试验 材料 水泥： 本试验的水泥选用沈阳冀东水泥有限公司的P O 4 2 5 级水泥， 化学成分见表 1 。 表 1 水泥化 学成分 粉煤灰： 辽宁发电厂 I 级粉煤灰， 其技术指标， 见表2 。 表 2粉煤灰物理性能 引气剂 ： 江苏省新沂市飞皇化工有 限公司生产的 T C R型非 离子型引气剂， 其主要成分为三萜皂甙， 外观为淡黄色粉末， 固含 量19 5 ， p H值 5 7 ， 引气剂的建议掺量为水泥掺量的 0 0 0 4 0 01 5 。 憎水剂 ： 沈 阳运 龙防水材 料有限公 司生产 的 G Y F B型混 凝土防水剂 ， 其掺量可按配合比中水泥质量的0 8 1 4 掺人 有机硅 防水剂。 1 2试 验 配 合 比 曾有研究表明， 引气剂对混凝土抗氯离子渗透能力有很大 的影响【 4 。 当混凝土含气量在 5 0 以内时， 随着含气量的增加， 混凝土抗氯离子渗透能力逐渐增强 ， 并在含气量为 5 O 时达到 最佳 ； 当混凝土含气量超过 5 1 时 ， 随着含气量 的增加 ， 混凝土 的抗氯离子渗透能力逐渐减弱。 所以在拌制混凝土过程中， 制备 了含气量大于 5 1 的混凝土。 其次， 采用常用的阴离子引气剂， 掺人 有机硅防水剂 的混凝土引气效果 不明显 ， 对 比发现 ， 有机 硅类憎水剂的内掺对引入的气泡具有一定的消泡作用。 改用非 离子引气剂 ， 发现有机硅类憎水剂的消泡作用不是很显著 。 根据 试验结果最终选择非离子引气剂。 最终确定的试验配合比， 见 表 4 。 表 4 混凝土配合比 1 3试验 方法 新拌混凝 土含 气量采用 日本三洋公 司生 产的 L C 一 6 1 5 A直 读式精密混凝土含气量测定仪测定。 混凝土按照表 4 配合 比制成 1 0 0 mmx l 0 0 m m 1 0 0tu r n立方体试件， 试件成型后 1 d拆模， 放 在标准养护室进行养护 ， 养护 2 8 、 5 6 d之后按照 AS T M C 1 2 0 2 方法加工成厚度为 5 0 H 蚰 ， 直径为 1 0 0 H 1 m的试件， 进行电通量 测试， 具体方法参照 AS T M C 1 2 0 2 要求。 2 试验结果及 分析 2 1 电通量测试结果与分析 电通量的测试数据 ， 如表 5所示。 内掺憎水和引气外加剂与只内掺憎水剂的混凝土的 2 8 d 电通量的测试值如图 1 所示。 图 1 ( a ) 表明， 空白的试件电通量 最大， 单掺有机硅的试件最小 ， 有机硅可以有效地改善引气较 高时电通量较高的问题。 为进 一步描述有机硅掺量对 电通量 的作用 ， 对 比效应图见 图 1 ( b ) 。 图 1 ( b ) 表明非引气单掺憎水剂的混凝土电通量随着憎 水剂掺量的增加而不断减小 ， 而且具有较好的线性关系。 7 0 表 5电通量测试结果 C 5 6 d电通量 的测试 结果见 图 2 。 由图 2 ( a ) 可知 ， 随着龄期 的增长 ， 混凝土的抗氯离子渗透能力逐渐增强。 同时 ， 混凝土内 掺憎水剂对 引气混凝土 的抗氯离子渗透也有着 明显 的提高 ， 随 着憎水剂掺量的增加电通量值不断减小。 图 2 ( b ) 表明， 5 6 d 单掺 憎水剂， 掺量的增加和电通量的降低之间也有较好的线性关系。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 含 气最 f ) 2 8 d 不 同 含气 量及憎 水剂作 崩 F的电通量 测 试值 憎 水剂 掺量 b 1憎 水剂 掺量对 电通量 的影响 图 1 2 8 d不同含气量及憎 水剂作 用下的 电通量测试值 含气量 f a ) 5 6 d 不 同含气 量及憎 水剂作 用下 的电通量 测试值 憎 水剂掺 量 ( b ) 掺小 同量憎水 剂时 的电通量测 试结 果 图 2 5 6 d不 同含气量及憎水剂作用下的电通量测试值 E组 电通量指标 最好( 未掺引气组 分 ) ， 但从 耐盐 冻角度 ， 考 虑 引气还是非常必要的。 2 2冻 融测试 结果 与分析 冻融循环采用慢冻法 ， 试验采用的方法 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通 混凝土 长期性 能和耐 久性 能试验 方法 所 提 供的方 法 ， 溶 液采 用 的是 2 0 C条件 下 Na C 1 饱 和溶 液 。 经过 6 0次 冻融 循 环。 混凝土冻融循环之后应该按照式( 1 ) 进行 强度损失率进行 计算 ： ， ， 1 0 0 ( 1 ) j 式 中： ， v 次冻融循环后混凝 土的强度损失率 ； ， 对 比试件 的抗 强度 ； 一 次冻融循环后 的混凝土试件抗压强度值 。 经过 6 0次饱和盐水冻融循环之后 ， 发现混凝土表面无明显 剥落痕迹( 如图3 ( b ) 所示) ， 冻融循环后的强度损失率如表 6 所示。 f a 1 盐冻前 混凝 土时试块 f h ) 6 0 次盐 冻后混凝 土表 面 ( c 1 电通量测 试现场 图 3 试验过程照片 表 6再生骨料的针 片状颗粒含量 南图 4 ( a ) 可知， 混凝土的强度损失率随着含气量的增加而 降低， 并且由图4 ( a ) 可以看出A、 B、 C组当憎水剂掺量增加时， 其强度损失率均很小 ； 同样 ， 从单掺憎水剂的 C、 D、 E及 F组的试 验结果可以看出， 空白混凝土( F组) 强度损失率最大， 为 8 5 7 ， 随着引气剂和憎水剂掺量的增加 ， 混凝土的抗盐冻性越好 ， c 3 组 憎水剂掺 量为 1 1 2 5 k g m 的混凝土 含气量 为 7 0 的试件 ， 其 强度损失率仅为空白组的 1 7 4 。 2 3机理 分析 有机硅憎水剂的主要成分是甲基硅醇钠， 内掺到新拌的混 7】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 0 8 i6 莲 憩 2 有机 硅掺 量 ( a ) 双掺 F 盐冻后 的强度 损失率 o 1 5 2 o 2 5 有机 硅掺量 ( b ) 单掺憎水 剂盐冻 后的强 度损失率 图 4 6 0次盐冻之后混凝土的强度损失率 凝土后， 随着水泥的水化硬化， 在混凝土中碱性物质的激发之 下 ， 甲基硅醇钠脱水缩聚成多缩硅醇 ， 通过物理吸附和化学吸 附与混凝土中的羟基反应形成聚硅氧烷， 反应产物具有憎水集 团 R， 在毛 细孑 L 中形成 网状 的憎水膜 ， 混凝 土孔壁 上聚硅氧烷 的存在， 使水与孔壁的接触角远大于 9 0 。 ， 从而有效地减小 了有 害物质通过毛细孔随水进人混凝土内部的可能性 ， 从而提高 了 混凝土的抗渗能力 。 图 5为未掺有机硅憎水剂的混凝土盐冻后的扫描电镜照 片， 通过电镜图片， 我们可以看出大量含有 Na C I 的水通过毛细 孔进入到混凝土内部( 包括孑 L 隙中) 的结晶状态 ， 孔内的过饱和 溶液产生的盐结晶后导致混凝土的破坏。 网 6为术掺憎水剂混 凝土孔洞中水化产物的 E DS能谱 ， 表明未掺憎水剂的混凝土 孔洞中含有大量 的 N a C I 晶体 。 f a ) Na C 1 在 水化产 物 I - 的结 晶 ( b ) Na C l 在孔 隙中 的结晶 图 5 未掺憎水剂 的混凝土盐冻后扫描电镜照片 密闭容器冻害的临界含水率为 9 1 7 ， 憎水后的混凝土 南此 72 Ca 谮 5 0 ( l 飙 L 一 。 L o 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 20 图 6 未掺憎水剂的混凝土孔洞水化产 物 ED S谱 冻害的可能性大大降低 ， 加上高引气密闭气泡的弹性复原效应 ， 进一 步减少 了盐 冻带 来的损伤程 度 ， 因此 ， 引气和憎水双重效 应下 不仅改善 丫混凝 土抗盐冻 能力 ， 而且 ， 对 于混凝土结构的 抗氯离子扩散 能力也有很大的提升 。 3结 论 ( 1 ) 2 8 d空 F 1 的试件电通量最大 ， 单掺有机硅 的试件最小 ， 有机硅可 以有效地改善引气 较高 时电通量较高 的问题 。 5 6 d非 引气单掺憎水剂的混凝土电通量随着憎水剂掺量的增加而不 断减小 ， 而且具有较好 的线性关 系。 ( 2 ) 随着龄 期的增长 ， 混凝 土的抗氯离子 渗透能力逐渐 增 强。 同时 ， 混凝土内掺憎水剂对引气混凝土的抗氯离子渗透也有 着明显的提高， 随着憎水剂掺量 的增加电通量值不断减小 。 虽说 未掺引气组分 电通量指标最好 ， 但 从耐盐冻角度 ， 考 虑弓 l 气 还 是非 常必要的 。 ( 3 ) 混凝土的强度损失率随着含气量的增加而降低 ， 非引 气单掺憎 水剂 的混凝 土其强度损失率均很小 。 空白混凝 土强度 损失率最大 ， 为 8 5 7 ， 随着 引气 剂和憎水剂掺量的增加 ， 混凝 土的抗盐冻性越好 ， 憎水剂掺量 为 1 1 2 5 k g m 且含气量为 7 0 的混凝土 试件 ， 其强度损失率仅 为空 白组的 1 7 4 。 ( 4 ) 密闭容器冻害的临界含水率为 9 1 7 ， 憎水后 的混凝土 由此 冻害的可能性大大 降低 ， 加上高引气密闭气泡 的弹性复原 效 应 ， 进一步减少了盐冻带来的损伤程度 ， 凶此 ， 引气和憎水双 重效应下 不仅 改善 混凝 土抗 盐冻能力 ， 而且 ， 对 于混凝 土结 构的抗氯离子扩散 能力也有很大的提升。 参考文献： 【 1 ME T HA P K C o n c r e t e ： mi c r o s t r u c t u r e ， p r o p e r t i e s a n d m a t e r i a l s M 3 r d e d Ne w Yo r k： Me Gr a w Hi l l ， 2 0 0 5 2 1 吴平， D r H e i n z G e i c h 硅烷膏体浸渍剂在保护混凝土中的实际应用印 混凝土 ， 2 0 0 3 f 3 1 李中华， 巴恒静 除冰盐环境下混凝土有机硅涂层防护性能研究f J 】 _ 中国矿业大学学报， 2 0 0 8 万惠文 ， 杨淑 雁 ， 吕艳 峰 引气混凝 土抗氯 离子渗 透性与孔结构 特 J性 J 1 建筑材 料学报 ， 2 0 0 8 吴中伟 ， 廉慧珍 高性 能混凝土 M】 北京 ： 中国铁道出版社 ， 1 9 9 9 【 6 J P O WE R S T c F r e e z i n g e f f e c t i n c o n c r e t e J I n ： S e h o l e r C F， D u r a b i l i t y f 1f r n n c r e t De t r o i t A n l e r j f -a n Co n c r e t e I n s t i t u t e 1 9 7 5 作者简介 ： 唐明( 1 9 5 6 一 ) ， 男 ， 教授 ， 博士。 联 系地址 ： 沈 阳市浑南新区浑南东路 9号( 1 1 0 1 6 8 ) 联 系电话 ： 0 2 4 2 4 6 9 0 3 0 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m