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混凝土渗漏缺陷自修复技术——硅化剂性能研究
游劲秋,麻国忠,徐国孝,丁伟军
(浙江省建筑科学设计研究院)

摘 要:针对混凝土的渗漏缺陷,提出一种新的混凝土自修复技术。介绍了硅化剂的反应机理,通过X——衍射、扫描电镜等手段对硅化剂反应生成物及其作用混凝土的微观结构进行研究。分别进行了混凝土的“二次试压”抗压强度修复试验、“渗漏缺陷”抗渗性能修复和自修复试验、“第二次”抗渗性能试验等,对试验结果进行分析。研究结论表明,硅化剂对混凝土渗漏缺陷具有较强的修复和自修复能力。
关键词:硅化剂;混凝土;渗漏缺陷;自修复

混凝土抗渗,不仅仅是防水问题,更是耐久性问题。
混凝土是一种非均质性的多孔结构材料,其内部存在大量大小不一、彼此连通的微小孔隙,再加上各种因素产生的裂缝,是造成混凝土渗漏的主要原因。而内部孔隙和裂缝,是混凝土自身无法克服的缺陷,因此渗漏也就成为混凝土自身无法解决的难题。
混凝土一旦出现渗漏,钢筋锈蚀、化学侵蚀、冻融破坏等一系列问题就会产生,混凝土将面临耐久性劣化。所以,在《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(2005年修正版)术语中, 引入了“混凝土侵入性(Penetrability of concrete)”,它是混凝土材料耐久性的一种综合度量指标,表示外部侵蚀性物质(水、气及溶于水、气中的其他分子和离子等)侵入混凝土内部的难易程度。常用氯离子在混凝土中的扩散系数、混凝土吸水率、水在混凝土中的渗透系数等不同参数表示。
抗渗性能高的混凝土,其耐久性也就好,因此,要关注混凝土的耐久性,就不能不先关注混凝土的抗渗性能。针对混凝土的渗漏缺陷,近年来国内外都在研究混凝土自修复技术,目前有结晶沉淀、渗透结晶、电解沉积、聚合物固化仿生等,其中有些技术还处于试验探索阶段,有些技术已经在理论研究和工程实践中取得了一定的进展,如渗透结晶自修复技术[1]。但是,如何正确评估和检测混凝土自修复的效果,是混凝土自修复技术亟待解决的许多关键技术性问题中的关键,对自修复技术的推广应用具有重大意义。
“硅化剂产品研制与应用技术研究”,是浙江省建筑科学设计研究院的一项科研成果,在试验及应用技术研究中发现,它具有明显的混凝土渗漏缺陷自修复的效果。
1 硅化剂简介
硅化剂产品由“催化剂”和“硅化剂”两部分组成,均是透明的液体材料,具有优异的渗透性。当硅化剂应用于混凝土时,它通过毛细孔管、微细裂缝,渗透深入到混凝土中,与水发生反应,催化剂快速推进该反应,生成一种玻璃样硅胶粘合剂,两周后完全硬化,形成以无机材料为主的晶状物,堵塞内部孔隙和裂缝,并成为混凝土系统的一部分。该法与传统烧结、熔融等成岩物理方法不同,国外称该法为化学合成法或溶液-溶胶-凝胶SSG法(Solution—sol—gel)。
1.1 X——衍射分析
将“催化剂”、“硅化剂”混合后,生成的玻璃样凝胶体(图1),自然养护14天后,形成晶状物(图2),经X——衍射分析,成分见表1:
表1
图1 凝胶体照片 图2 晶状物照片
1.2 扫描电镜照片
制备混凝土、普通烧结粘土砖等材料的基准试件,表面处理硅化剂,处理前后的扫描电镜照片如下:
图3~图6所示,两种材料的基准试件,断面(表面附近)均比较疏松,经硅化剂处理后,反应生成的晶状物堵塞了内部的孔隙和裂缝,有效地增强了材料的密实度,所以断面(表面附近)非常的致密。
图3 基准试件(混凝土) 图4 处理试件(混凝土)
图5 基准试件(普通粘土烧结砖) 图6 处理试件(普通粘土烧结砖)
2 硅化剂使用方法
硅化剂产品的使用,分为表面涂装法、灌注法两种。
2.1 基层处理
硅化剂使用前,必须对基层混凝土表面进行预处理。除去表面上的浮灰、水泥净浆、聚合物水泥砂浆、油垢、脱模剂等物,并用水冲洗干净;对于基层上的起壳、分层等疏松部位,应将其铲除;蜂窝、麻面、大于0.3㎜的裂缝等缺陷,应先按相关工艺进行修补。
2.2 表面涂装法
1)在混凝土处理部位,使用低压喷雾器或刷子等,先喷涂或刷涂“催化剂”2~3道,必须使被涂表面饱和溢流,每道用量:125g∕m2~150 g∕m2,每道间隔时间1~3小时。
2)待表干后,使用相同工艺,再喷涂或刷涂“硅化剂”2~3道,必须使被涂表面饱和溢流,每道用量:125 g∕m2~200 g∕m2,每道间隔时间1~2小时。
3)表面涂装完成后,养护两个星期。
2.3 灌注法
对微细裂缝(≤0.3mm),确定灌浆范围,用透明胶带纸封闭裂缝,每隔3~5cm用针头刺出气孔,选择裂隙较宽处作为灌浆孔,插入针头用注射器将“催化剂”浆液注入,反复二遍,每道间隔时间1~3小时;然后插入针头用注射器将“硅化剂”浆液注入,反复若干遍,每道间隔时间1~2小时;待固化后祛除透明胶带纸。
3 硅化剂对混凝土“渗漏缺陷”影响的试验研究
3.1 试验(一):混凝土“二次试压”抗压强度修复试验
试验方法:取1#、2#、3#不同配合比150 mm立方体混凝土试件各一组,每组3块(龄期在28d以上),用超声仪在平行面上各测试一次,记录声时和波幅值(图7)。
图7 超声仪测试
对各一组每组3块混凝土试件在试验机上试压到荷载极限时,立即放松油门,记录荷载值。再用超声仪在平行面上原测试部位各测试一次,记录声时和波幅值。用硅化剂涂刷已压混凝土试件的六个面各二遍(按表面涂装法,下同),自然养护14天,在试验机上试压到荷载极限,记录荷载值。
表2
试验结果:1#、2#、3#三组不同配合比的混凝土试件,二次试压极限荷载平均值均超过一次试压极限荷载平均值,分别提高1.21倍、1.19倍、1.06倍。
3.2 试验(二):对混凝土“渗漏缺陷”抗渗性能修复试验
试验方法:取1#、2#不同配合比抗渗混凝土试件各一组,每组6块(龄期在28d以上),每组中取3块混凝土试件用超声仪在试件高度中间沿圆周十字方向各测试一次,记录声时和波幅值。
然后对超声波测试过的每组中3块混凝土试件在试验机上试压到荷载极限时,立即放松油门。再用超声仪在试件高度中间沿圆周十字方向各测试一次,记录声时和波幅值。用硅化剂涂刷已压混凝土试件的迎水面二遍,自然养护14天。
然后把各一组每组6块混凝土试件放在抗渗试模中,在混凝土抗渗仪上进行抗渗试验,记录6块试件的最大抗渗压力值。
表3
试验结果:1#、2#不同配合比的压后处理混凝土试件,较基准试件,其抗渗压力平均值分别提高2.54倍、2.57倍。
3.3 试验(三):对混凝土“第二次”抗渗性能试验
试验方法:抗渗试验方法同《水泥基渗透结晶型防水材料》(GB18445—2001),基准混凝土抗渗压力为0.2 MPa,采用背水面进行测定【2】。基准混凝土养护10d后背水面涂刷硅化剂二遍,或涂刷硅化剂三遍,继续养护至28d,测一次抗渗。一次抗渗结束后,将涂刷硅化剂三遍的混凝土试件养护至56d,再测第二次抗渗。
表4
试验结果:由表4可见,涂刷三遍硅化剂后,基准混凝土的抗渗压力由0.2 Mpa提高至1.1 Mpa。第一次抗渗试验破坏后,在水中继续养护至56d。第二次抗渗试验,抗渗压力继续提高,较第一次抗渗试验再提高0.6 MPa,达到1.7 MPa,是其1.54倍。
3.4 试验(四):对混凝土“渗漏缺陷” 抗渗性能自修复试验
试验所用混凝土原材料、配合比从宁波绕城高速甬江特大桥施工现场取得,所制作的试件混凝土为C60桥面板混凝土。制作抗渗混凝土试件2组12块,28 d龄期后,其中6块迎水面表面涂刷硅化剂二遍。自然养护14天后,2组抗渗混凝土试件进行抗渗试验。
表5
对抗渗试验过的2组12块抗渗混凝土试件,每1组各取出其中3块,在试验机上试压,试压到荷载极限时,立即放松油门。自然养护14天,再把2组6块混凝土抗渗试件放在抗渗试模中,在混凝土抗渗仪上进行抗渗试验。
表6
试验结果:基准试件进行抗渗试验,在初始压力0.3MPa就透水。而同条件的处理试件,最低的透水压力是1.0MPa。
3.5 试验(五):对普通烧结砖抗压强度影响
取普通粘土烧结砖二组每组10块砖,其中一组按表面涂装法,处理硅化剂若干遍,以不能吸入为止,养护14天,而后对二组砖分别按《砌墙砖试验方法》(GB/T2542-2003)进行抗压强度试验。
表7
试验结果:经硅化剂处理后,普通粘土烧结砖的抗压强度平均值提高1.36倍。
4 试验结果分析
1) 从表2、表3可知,混凝土试件在试验机上试压到荷载极限后,声时较试压前均有明显的延长,这表明混凝土试件内部的不密实区、空洞、裂缝增多了,已经破坏了混凝土的连续性和完整性[2],并在很大程度上降低混凝土的抗压强度和抗渗压力。
第二次压缩荷载与第一次压缩荷载之比称为修复能力[3],从试验(一)结果分析,混凝土试件压后处理硅化剂,生成的晶状物,不仅修复了被破坏的混凝土的连续性和完整性,还提高了混凝土的抗压强度。1#、2#、3#三组不同配合比的混凝土试件,修复能力分别为121%、119%、106%。
试验(二)结果表明,硅化剂不仅修复了混凝土试件迎水面内部的渗漏缺陷,更大大地提高了其密实性和抗渗压力,抗渗压力修复能力达到250%以上。
2) 水泥基渗透结晶型防水材料是混凝土渗透结晶自修复技术的代表性材料,它以“第二次抗渗压力”表示该种材料抗渗试验透水自愈后的抗渗能力[4]。从试验(三)结果分析,第一次抗渗试验中透水进入混凝土背水面的水,与硅化剂生成物继续反应,晶状物继续生长,不仅自动愈合第一次抗渗试验产生的毛细孔管、微细裂缝等渗漏缺陷,并且使混凝土更加致密,所以,“第二次抗渗压力”要远高于第一次抗渗压力,抗渗压力自修复能力达到150%以上。
试验(三)是由国家建筑材料工业建筑防水材料产品质量监督检验测试中心完成的,经浙江省科技信息研究院进行国内科技查新,“第二次抗渗压力”高于第一次抗渗压力的试验结果,仅见于北京工业大学2006年的工学硕士学位论文《孔填充修复材料及其对混凝土性能的影响》的一次学生实验中,在其它文献中未见述及。这表明硅化剂材料的混凝土自修复能力要大大优于水泥基渗透结晶型防水材料。
3) 从表六的数据证实,将混凝土试件在试验机上试压到荷载极限后,在很大程度上降低了混凝土的抗渗压力。基准试件抗渗压力大于1.8 MPa,试压后,初始压力0.3MPa即透水;而预先迎水面表面涂刷过硅化剂的处理试件,试压后,最低的透水压力是1.0MPa。
从试验(四)结果分析,在养护14d期间,硅化剂生成物与水继续反应,晶状物继续生长,对混凝土的“渗漏缺陷”具有自修复能力,抗渗等级继续保持在较高水平。
4) 在目前国内外研究的混凝土自修复技术中,结晶沉淀技术的主要原理是碳酸钙晶体化学结晶沉淀[5],依赖于混凝土中的Ca2+和水中的HC03-或C032-,渗透结晶技术的二个重要工作要素是混凝土中游离CaO和水的存在[1],这两种自修复技术均以混凝土内部组分的分解为反应条件。
从试验(五)结果分析,普通粘土烧结砖是经烧结后材料陶瓷化的,化学稳定性好,经硅化剂处理后,抗压强度依然提高36%,这充分证明了硅化剂“与水发生反应”的反应机理,晶状物的形成并不需要与混凝土内部的其它活性物质反应。
5 结论
1) 经扫描电镜对比,硅化剂对混凝土的微观结构的影响较为明显,反应生成的晶状物堵塞了内部的孔隙和裂缝,提高了混凝土的密实度;通过X——衍射分析,反应生成的晶状物组份明确,以无机矿物成分为主,未产生对混凝土有害的物质。
2) 对存在渗漏缺陷的混凝土,表面处理硅化剂后,能修复混凝土内部的毛细孔管和微细裂缝等渗漏缺陷,提高混凝土的抗压强度、密实度和抗渗压力,抗渗压力修复能力可以达到250%以上。
3) 表面预先处理硅化剂的混凝土,出现渗漏缺陷后,进入混凝土中的水与硅化剂生成物继续反应,不仅自修复已产生的毛细孔管、微细裂缝等渗漏缺陷,并且使混凝土更加致密。经第二次抗渗检测,“第二次抗渗压力”要远高于第一次抗渗压力,抗渗压力自修复能力可以达到150%以上,大大优于水泥基渗透结晶型防水材料。
4) 经混凝土试件在试验机上试压到荷载极限的模拟试验,表面预先处理硅化剂的混凝土,出现渗漏缺陷后,硅化剂生成物与水继续反应,对混凝土的“渗漏缺陷”具有自修复能力,基准试件抗渗压力大于1.8 MPa,试压后,最低的透水压力是1.0MPa。而对照组,初始压力0.3MPa即透水。
5)硅化剂作为混凝土渗漏缺陷自修复技术,它对混凝土材质本身没有特别要求,只要存在毛细孔管、微细裂缝,就能进行修复和自修复。


参考文献:
[1]范晓明,李卓球,宋显辉,谭志强.混凝土裂缝自修复的研究进展[J].混凝土与水泥制品,2006,8:13~16.
[2]中国工程建设标准化协会标准.CECS21:2000超声法检测混凝土缺陷技术规程[S].中国工程建设标准化协会,2000.
[3]匡亚川,欧进萍.混凝土的渗透结晶自修复试验与研究[J].铁道科学与工程学报,2008,2:6~10.
[4]中华人民共和国国家标准.GB18445—2001水泥基渗透结晶型防水材料[S].中国标准出版社,2001.
[5]蒋正武.国外混凝土裂缝的自修复技术[J].建筑技术,2003,4:261~262。
(注:图、表示内容详见会刊2010年第6期)


[发布日期:2010/12/10] [关闭窗口]