改性有机硅涂料对混凝土耐久性的影响.pdf

、 2 0 1 0年 第 8 期 (总 第 2 5 0 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 01 0( To t a l No 25 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 8 0 2 5 改性有机硅涂料对混凝土耐久性的影响 张伟 ，史琛 ，项志敏 ，宋学锋 ，李振周 。 ( 1 西安建筑科技大学，陕西 西安 7 1 0 0 0 5 ；2 中铁一局，陕西 西安 7 1 0 0 5 4 ) 摘要： 使用 白行研制的改性有机硅涂料 ， 对 C3 0高性能混凝土进行表 面涂层处理 ， 并 与未涂层混凝土相 比较 ， 系统研究 了改性有机硅 涂层对混凝土耐久性的影响。结果表明： 改性有机硅涂料对混凝土具有良好的渗透性和黏附性， 涂层后的混凝土表面具有较强的疏水性； 与未涂层的混凝土相比， 涂层后的混凝土碳化速度和碳化深度大幅度降低， 抗氯离子渗透及抗冻融破坏能力大幅度提高。 关键词 ： 混凝土 ；耐久性 ；表面；改性有机硅涂料 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 8 0 0 7 3 0 3 I n f l u en c es o f modi f i e d s i l i c one c oa t i ng on t h e dur a bi l i t y of c onc r e t e ZHANG W e i ， S HICh e n ， XI ANG Zh i - mi n ， SONG Xu e - f e n g ， LI Z he n g - z h o u ( 1 X i a n Un i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e and T e c h n o l o g y ， Xi a n 7 1 0 0 0 5 ， C h i n a ； 2 1 s t B u r e a u o f C h i n a R a i l wa y ， X i a n 7 1 0 0 5 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e mo d i fie d s i l i c o n e c o a t i n g ma d e b y s e l f wa s u s e d t o h an d l i n g t h e s u r f a c e o fC3 0 HP C， c o m p a r e d t o t h e c o n c r e t e wi t h o u t c o a t i n g， t h e i n fl u e n c e s o f mo d i fie d s i l i c o n e c o a t i n g o n t h e d u r a b i l i ty of c o n c r e t e we r e s y s t e ma t i c a l l y i n v e s t i g a t e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t the mo d i fie d s i l i c o n e h a s g o o d p e n e t r a t i o n a n d a d h e s i o n t o c o n c r e t e t h e s ur f a c e of c o n c r e t e wi t h s i l i c o n e c o a t i n g wa s s t r o n g e r h y d r o ph o bi c ： c o mp a r e d t o t h e c o n c ret e w i t h o u t c o a t i n g the v e l o c i ty a n d d e p th o f c a r b o n a ti o n o f t h e c o n c r e te wi t h mo d i fi e d c o a d n g o n s u r f a c e d e c r e a s e ， a n d the r e s i s t a n c e s c 0 c h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n an d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a wi n g i n c r e a s e o b v i o u s l y Ke y wor ds ： c o n c r e t e； d ura b i l i t y； s u r f a c e c o a t i n g； mo d i fi e d s i l i c o n e c o a t i n g 0 引言 混凝土的耐久性通常是指在环境因素作用下混凝土长期 保持其良好使用性能的能力， 环境因素的作用主要包括干湿交 替 、 冻融循环， 以及环境中的水、 气、 酸、 碱、 盐等物质对混凝土 的劣化作用和对钢筋的锈蚀作用。 通常， 这些作用首先发生在 混凝土表层 ， 然后以水为载体， 以混凝土中的微细裂缝或毛细 管孔为通道， 由表及里对混凝土进行侵蚀破坏。提高混凝土抵 抗环境有害介质侵蚀能力的有效方法之一就是对混凝土进行 防水处理， 一是通过添加外加剂和矿物掺合料配制高性能混凝 土， 提高整体混凝土质量， 从而增大其抵抗有害介质侵蚀的能 力， 但这种方法对既有混凝土结构无法实施 ， 对体积较大的混 凝土也不经济， 同时， 无法克服实际混凝土建( 构) 筑物不可避 免地存在的微细裂缝对其耐久性的影响； 另一种方法是对混凝 土结构进行表面涂层处理 ， 它不仅能有效提高混凝土结构表层 的防水性能 ， 防止混凝土结构微细裂缝的危害， 提高混凝土抵 抗有害物质侵入的能力， 而且 比较方便、 经济 ， 特别是对体积较 大的海工混凝土及桥梁混凝土工程_ 】卅。 混凝土表面涂层材料很多， 如环氧树脂 、 聚合物水泥基防水 涂料、 改性沥青 、 有机硅烷等 ， 而各种有机硅及其改性产品， 由 于其对混凝土具有良好的渗透性和黏附性， 并且涂刷后混凝土 表面具有很好的疏水性， 能有效提高混凝土抵抗有害介质的侵 入能力， 同时涂刷后不改变混凝土表面颜色， 而且可提高混凝士 的观感质量 ， 所以被广泛用于 昆 凝土的表层处理， 以提高混凝土 的耐久性能， 特别是用于清水混凝土的表层防水处理6 - 8 。 采用 6 t 行研制的水溶性改性有机硅涂料 ， 将其稀释成不同 浓度的水溶液， 用于涂刷所配制的 C 3 0高性能混凝土表层 ， 系统 研究了改性有机硅涂料对混凝土的抗碳化 、 抗氯离子渗透和抗 冻融循 环等性能 的影 响。 1试 验 1 1 原材料 试验用湖南华新水泥集团公司的华新牌 P O 4 2 5级水泥； 湖北汉川电厂的 I 级粉煤灰； 山西黄腾外加剂厂的 H T HP C聚 羧酸高效减水剂( 固含量 2 5 3 ) ； 湖南洞庭湖的中砂， 细度模数 4 = 2 6 7 ； 羊楼建材公司的 5 - 3 1 5 r n lT l 碎石； 自行研制的疏水性 改性有机硅涂料 ， 淡 黄色溶液 。 1 。 2方 法 采用上述原材料配制 C 3 0 混凝土， 所用配合比、 拌合物坍 落度及标养 2 8 d混凝土的抗压强度如表 1 所示。 1 2 1 碳化试验 依据 G B J 8 2 8 5标准， 用 S J 2型标准碳化箱， 研究表面施 表 1 混凝土配合比及其性 能 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 3 1 6 7 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 涂改性有机硅无色涂料对混凝土碳化的影响。 试验采用 1 0 0 mmx l 0 0 mmx 1 0 0 m lq 立方体试件， 在标准条件下养护 2 6 d后， 取出 试件擦干表面吸附水， 放人 6 0烘箱中烘 4 8 h ， 冷却至室温。 将所研制的改性有机硅涂料稀释成不 同浓度 的溶液 ， 然后在混 凝土试件表面均匀施涂两次相应浓度的有机硅涂料 ， 总用量约 为 2 0 0 g m ， 两次间隔时间 1 2 h ， 待第二次施涂完 1 2 h后 ， 将试 件放入碳化箱中进行碳化试验。碳化箱中C O 浓度为( 2 0 + 3 ) ， 相对湿度约( 7 0 + 5 ) ， 温度( 2 0 -+ 5 )。 碳化达到相应龄期后， 取 出试件， 沿中问将其劈成两半 ， 在断面上喷涂 1 酚酞溶液， 不 能显红色的边缘部分 即为 已碳化部分。 1 2 2 氯离子渗透性试验 依据铁建设 2 0 0 5 】 1 6 0号行业标准 ， 用 N E L P DR混凝土 渗透性电测仪， 研究表面施涂改性有机硅涂料对混凝土抗氯离 子渗透性的影响。试验所用试件的制作方法是： 首先制得标准 养护 5 5 d的 1 5 0 minx 1 5 0 mmx 1 5 0 m m立方体试件 ， 然后于其 中心部位钻取 1 0 0 mm芯样， 再将芯样两头切去 5 0 r n m， 即得 1 0 0 mmx 5 0 mm的抗渗试验用圆柱体试件， 最后在圆柱体试件 表面施涂两次改性有机硅涂料， 施涂方法同碳化试验 ， 施涂及 干燥时间 1 d ， 则 5 6 d龄期开始进行氯离子渗透性试验。 1 2 3 抗冻融性能试验 依据 G B J 8 2 8 5标准 ， 采用慢 冻法 ， 研究表面施涂改性有 机硅无色涂料对混凝土抗冻融性能的影响。 试验用 1 0 0 mmx 1 0 0 mmx l 0 0 mm立方体试件， 在标准条件下养护 2 8 d后， 取出 试件擦干表面吸附水， 并在室内环境下干燥 2 4 h ， 然后在其表 面施涂两次改性有机硅涂料 ， 施涂方法同碳化试验。 施涂完涂 料 1 2 h后 ， 将试件放人 1 5 2 0水 中浸泡 4d ， 然后进行冻融循 环试验 。 2 结果 与分析 2 1 改性有机硅涂料对混凝土表面疏水性的影响 混凝土是典型的亲水性材料， 水滴滴在混凝土表面会很快 铺展开来， 并沿着微细裂缝和毛细管孔渗入到内部。 笔者所开 发的改性有机硅涂料， 水溶性好， 涂刷在混凝土表面 2 4h后， 其 渗透深度达 3 mm。 待涂层干燥后， 混凝土表面具有良好的疏 水性， 水珠效应非常明显。 为了验证所研制的改性有机硅涂料 的疏水性及与 昆 凝土的黏附性 ， 进行了在混凝土表面施涂两次 改性有机硅 涂料( 改性有机 硅原液： 水 = 1 ： 4 ) ， 施 涂方法 同 1 2 1 中的。 随后用 T L XY I I 型涂料耐洗刷测定仪对? 昆 凝土表面洗刷 1 0 0 0次和 2 0 0 0次 ， 刷洗之后混凝土表面的水珠效应如 图 1 所 示 。图 1 所示结果表 明： 经 2 0 0 0次洗刷后 ， 混凝土表面所滴水 珠仍呈“ 似球状” ， 与洗刷之前相比变化不大 ， 说明所研制的改 性有机硅涂料在混凝土表面的渗透性、 黏附性好 ， 并具有较强 的疏水性， 能有效阻断水及有害介质对混凝土的侵蚀， 提高混 凝土的耐久性 。 图 1 施涂改性有机硅涂料混凝 土试件洗刷 2 0 0 0次前后的水珠效应 2 2 改性有机硅涂料对混凝土抗碳化能力的影响 所谓? 昆 凝土的碳化是指混凝土中水泥的水化产物氢氧化钙 7 4 与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙的过程， 其化学反应如下： C a ( O H) 2 + C O 2 + H 2 O - + C a C O 3 + 2 H 2 O 碳化反应使得混凝土中的 C a ( OH) ： 转变为中性的 C a C O， ， 故也称中性化。其主要危害是降低了混凝土的碱度( 即 口 H值 ) 而引发钢筋锈蚀。 一 般情况下， 碳化前， 混凝土内部孑 L 溶液的p H值可以达到 1 3以上的强碱性， 从而使得钢筋表面生成一层致密的钝化膜， 从 而隔绝水分、 氧气与内部钢筋接触， 阻止钢筋锈蚀。若混凝土因 碳化而变为中性， 则钢筋表面将产生脱钝 ， 在混凝土内部的水 及氧气作用下钢筋将不断锈蚀， 生成红色锈蚀产物 F e 0 ， - n H 0 而产生体积膨胀。 表面涂层是抑制混凝土碳化的一种有效方法 。 将自行研制 的水溶性改性有机硅涂料 ， 按原液 ： 水为 1 ： 1 、 1 ： 2 、 1 ： 4稀释成不 同浓度的溶液 ， 将其施涂于混凝土表面， 不同浓度的改性有机 硅溶液对混凝土碳化的抑制效果如图2所示( J 未施涂有机 硅涂料试件； T - 施涂不同浓度的有机硅涂料试件。) 。 碳 化龄期 d 图 2 标 准碳化条件下 ， 碳化深度与时间的关 系 由图 2可知 ： 未施涂改性有机硅涂料的混凝土， 各个碳化 龄期的碳化深度明显高于施涂改性有机硅涂料的混凝土， 并且 龄期越长， 这种差异越大， 说明表层施涂改性有机硅涂料能有 效延缓 昆 凝土的碳化速度， 降低混凝土的碳化深度。 2 3 改性有机硅涂料对混凝土抗氯离子渗透能力的 影 响 水和土等环境介质中的氯离子侵入混凝土， 通过保护层到 达钢筋表面并逐步富集到一定浓度， 将破坏钢筋表面的钝化膜 而产生电化学锈蚀。提高混凝土的抗渗性能， 是减少环境中侵 蚀介质渗入混凝土内部， 从而提高混凝土耐久性的最重要的方 法。掺人化学# I- o N和矿物掺合料的双掺技术可提高混凝土本 体的密实度， 从而提高其抗渗性 ， 但是实际混凝土结构， 不可避 免地会存在着各种微细裂缝 ， 它们可能对混凝土的承载能力没 有影响， 但对混凝土的长期耐久性有较大影响， 因为环境侵蚀 介质可以通过微细裂缝渗入混凝土内部。因此 ， 对实际混凝土 结构进行表面涂层 ， 特别是使用水溶性渗透型涂料对桥梁等室 外混凝土建( 构) 筑物进行表面涂层 ， 在基本保持混凝土本色的 情况下， 有效地提高混凝土的抗渗性， 特别是抗氯离子的渗透 性能 o 1 。 使用 自行研制的改性有机硅涂料， 将其稀释成不同浓度的 溶液， 用以处理混凝土表面， 施涂改性有机硅涂料对混凝土抗 氯离子渗透性的影响如表 2所示。 由表 2数据可知： 在混凝土表面均匀施涂两次改性有机硅 防水涂料可以使混凝土氯离子的渗透系数降低 6 l 0倍，从而 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 混凝土试件 氯离子 的渗透 系数( 5 6 d) 大大延长钢筋表面钝化膜因氯离子的侵入而破坏的时间， 显著 提高钢筋混凝土结构的耐久性 ； 表中数据还表明， 有机硅溶液 浓度越稀， 氯离子渗透系数反而略有降低， 这可能是因为在本 文试验的浓度范围内， 有机硅溶液浓度越低 ， 则其渗透性越好 ， 施涂时渗入混凝土表层内的深度就越大的缘故。 2 4 改性有机硅涂料 对混凝土抗冻融能力的影响 冻融循环作用是造成混凝土结构损伤及破坏的常见形式， 因为当混凝土内部饱和毛细孑 L 中的水受冻结冰， 体积就会膨胀 将导致混凝土开裂、 剥落直至破坏。 影响混凝土抗冻融破坏能力的因素很多， 包括混凝土内部 饱水程度 、 冻结最低温度、 降温速率、 含气量以及反复冻融次数 等。提高混凝土抗渗性， 使外部水无法进入混凝土内部 从而降 低混凝土内部的饱水程度 ， 是提高抗冻融能力的有效方法。本 研究采用慢冻法 ， 冻融循环次数 2 5 0次， 研究了表面施涂改性 有机硅溶液( 改性有机硅原液： 水 = 1 ： 4 ) 对抗冻融能力的影响， 结 果如表 3 所示 。 由表 3数据可知： 在混凝土表面均匀施涂改性有机硅溶液 后， 与未施涂涂料的混凝土相比较 ， 质量损失率降低了5 7 9 ， 强度损失率降低了 3 1 3 ， 表明在混凝土表面施涂改性有机硅涂 9 ， 而融解时冰变水又会使毛细管收缩。 膨胀、 收缩的反复作用 料后， 混凝土的抗冻融能力得到了显著提高。 表 3 混凝土试件的抗冻融循环能力( 2 8 d) 注 ： 冻融循环次数为 2 5 0次 ， 冻融循环前抗压强度 4 0 IV I P a 。 3结 论 ( 1 ) 改性有机硅无色涂料对混凝土的渗透性、 黏附性好， 并 且具有较强的疏水性。 ( 2 ) 表层施涂改性有机硅涂料能有效延缓混凝土的碳化速 度， 降低混凝土的碳化深度。 ( 3 ) 在混凝土表面均匀施涂两次改性有机硅防水涂料可以 使混凝土氯离子的渗透系数降低 6 1 O倍。 ( 4 ) 表面施涂改性有机硅涂料的混凝土冻融 2 5 0次循环后 的质量损失率和强度降低率与未施涂的相比， 分别降低 5 7 9 和 3 l _ 3 。 综上所述， 在混凝土表面均匀施涂水溶性改性有机硅涂料 ， 对混凝土表观质量几乎无影响， 但可显著提高混凝土表面的疏 水性， 大幅度提高各项耐久性指标 ， 防止环境侵蚀性介质侵入 混凝土内部， 从而大幅度延长钢筋混凝土结构的寿命。 参考文献 ： 【 1 郑敏升表面涂层材料对混凝土耐久性的影响及应用 J 】 _福建建筑科 技 ， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 3 6 3 8 【 2 刘立湖 浅述钢筋混凝土结构表面防护方法选择【J 中国建材 ， 2 0 0 7 ( 7 ) ： 9 4 9 6 【 3 3 MC C AR T E R W J A s s e s s i n g t h e p r o t e c t i v e q u a l i t i e s o f t r e a t e d u n t r e a t e d c o n c r e t e s u r f a c e s u n d e r c y c l i c w e t t i n g a n d d r y i n g J B u i l d i n g a n d 上接第 7 0页 参考文献 ： 【 1 】刘二喜， 刘睁有机缓蚀剂在钢筋混凝土腐蚀与防护领域的研究现 状及发展趋势f J 腐蚀与防护， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 8 ) ： 4 0 7 4 1 0 【 2 汪鹰 ， 何平， 史苑芗 ， 等 缓蚀剂对钢筋在模拟混凝土孔溶液及砂浆 中的作用机理 J 南京工业大学学报， 1 9 9 8 ， 2 0 ( 2 ) ： 5 3 5 7 3 】J A MI L H E， e t a 1 E l e c t roc h e mi c a l b e h a v i o u r o f a mi n o a l c o h o l - b a s e d i n h i b i t o r s u s e d t o c o n t r o l c o r r o s i o n of r e i n f o r c i n g s t e e l El e c t r o c h i m E n v i r o n me n t ， 1 9 9 6 ， 3 2 ( 6 ) ： 5 5 1 - 5 5 6 【4 ME D E I R O S M H F ， HE L E N E LS u r f a c e o f t r e a t me n t o f r e i n f o r c e d c o n - c r e t e i n ma r i n e e n v i r o n me n t ： i n fl u e n c e o n c h l o rid e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t a n d c a p i l l a ry w a t e r a d s o r p t i o n J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 9 ( 2 3 ) ： 1 4 7 6 1 4 8 4 【 5 V R I E S I J ， P O L D E R R B Hy d r o p h o b i c t r e a t me n t o f c o n c r e t e J C o n s t rue t i o n and B u i l d i n g Ma t e ri M s ， 1 9 9 7 ， 1 1 ( 4 ) ： 2 5 9 2 6 5 6 】R I C KY S C， Z HU H G， MI C H A E L M K， e t a1 B a r r i e r p e rf o r m a n c e o f s i l a n e - c l a y n a n o c o m p o s i t e c o a t i n g s o n c o n c r e t e s t ruc t u r e J C o m p e r s i t e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 ( 6 8 ) ： 2 8 2 8 2 8 3 6 f 7 】 赵海英 ， 李加辉 硅烷浸渍和环氧涂层工艺在黄海大桥中的应用f J 山西建筑， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 3 ) ： 1 7 3 1 7 6 【 8 8 周加钿 ， 周明 混凝土表面防碳化涂层保护技术及其应用J 浙江水 利科技 ， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 8 8 8 9 【 9 】9 李漠， 管小军表面涂层对混凝土抗氯离子渗透性能的影O il J 新型 建筑材料， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 5 2 5 3 【 l O 谷坤鹏 ， 李漠 粉煤灰和表面涂层对混凝土抗氯离子侵蚀能力的影 响 J 】 腐 蚀和防护， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 7 ) ： 3 8 5 3 8 8 作者简介 ： 单位地址 ： 联 系电话 ： 张伟( 1 9 7 0 一 ) ， 男， 讲师， 硕士， 从事水泥与混凝土方向教学 与研究。 西安建筑科技大学材料学院( 7 1 0 0 5 5 ) 1 3 9 91 2 0 2 3 7 6 l e a A c t a ， 2 0 0 4 ， 4 9( 1 7 1 8 ) ： 2 7 5 3 2 7 6 0 【 4 】 雷芳华减缩剂简述【 J 广东建材 ， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 8 - 1 0 作者简介： 王中华( 1 9 7 6 一 ) ， 男， 工程师， 主要从事混凝土外加剂研究。 单位地址： 南京市北京西路 1 2 号 江苏博特新材料有限公司( 2 1 0 0 0 8 ) 联系电话 ： 0 2 5 8 3 2 7 8 5 9 9 7 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m