渗透型防水材料对混凝土耐久性的影响研究

 沈川越，黄佳健，汪  群，林航葳，吴  皓，蒋一彬，张文华

 （浙江工业大学建筑工程学院，浙江  杭州  310014）

[摘要]为研究渗透型防水材料对混凝土耐久性的影响，对分别经过涂刷水性渗透型无机防水剂、浸润水性渗透型无机防水剂、涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料处理及未经防水材料处理的基准混凝土试件进行了NEL法快速氯离子扩散试验、碳化试验、冻融试验。试验结果表明，涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料对抗氯离子渗透的效果最好，浸润水性渗透型无机防水剂对抗冻融的效果最好，3种防水处理方式对抗碳化效果均不好。通过扫描电镜微观观察证明了防水材料的渗透结晶效果。

[关键词]防水工程；混凝土；渗透型防水材料；耐久性；试验

[中图分类号]TU528. 042.6 [文章编号]1002-8498( 2016)09-0080-04

 混凝土结构的耐久性问题是当今世界工程界尤为关注的重大问题，评价混凝土耐久性的3大重要指标分别为抗氯离子渗透性能、抗碳化性能和抗冻融性能。采用渗透型防水材料，使材料中的有效物质渗入混凝土内部生成不溶于水的凝胶体以堵塞混凝土内部孔隙和毛细孔道，降低氯离子、CO2、冻融等对混凝土的侵蚀作用，也是提高混凝土耐久性的方法之一。

 混凝土渗透型防水材料主要有2种：水性渗透型无机防水剂及水泥基渗透结晶型防水涂料。水性渗透型无机防水剂以碱金属硅酸盐溶液为基料，加入催化剂、助剂，经混合、搅拌、反应而成。将水性渗透型无机防水剂直接喷涂于混凝土表面，防水剂会渗入混凝土内部与游离碱类物质发生化学反应，生成不溶于水的凝胶体以堵塞混凝土内部孔隙、封闭毛细孔通道，同时成为混凝土整体结构的一部分，提高混凝土密度以及硬度，使得混凝土能够防酸碱侵蚀。水泥基渗透结晶型防水材料是一种以普通硅酸盐水泥、精制石英砂等为基材，掺人多种活性化学物质混配而成的淡灰色粉末状防水材料。首先该防水材料在混凝土表面形成致密的涂层，而后与水作用，材料中含有的活性化学物质以水为载体向混凝土内部渗透，生成不溶于水的结晶体以封闭毛细孔道、填堵裂缝，从而达到混凝土防水的目的。

 梁晓烨研究得出水性渗透型无机防水剂能够明显降低混凝土内液体渗透性；巩运丽通过

一系列氯离子渗透试验得出，水性渗透型无机防水剂能显著提高试件的抗渗性能；韩雪莹等通过碳化试验发现水泥基渗透结晶型防水涂料对混凝土耐久性有明显的作用；陈永其课题组得出FT-I型水泥基渗透结晶型防水涂料对提高混凝土的抗渗性能具有明显作用；章凯得出FT-I水泥基渗透结晶型防水涂料可以在一定程度上提高混凝土的抗冻性；何晓雁等得出涂抹JS-Ⅱ型涂料的混凝土试件抗冻性在一定程度上得到改善；许星鑫通过研究得出经表面渗透性有机硅防护涂料处理的砂浆试件在冻融循环后的抗压强度保留率和抗折强度保留率下降幅度小于未处理试件。

 本文综合2种渗透型防水材料，通过氯离子扩散试验、碳化试验、冻融试验，研究经过不同防水材料、不同防水处理方式处理的混凝土与未做处理的混凝土的耐久性能，为得出有效提高混凝土耐久性的方法提供依据。

1试验准备

1.1  试验原材料

 本试验采用P．042.5水泥，ISO标准砂，5～20mm碎石和普通自来水制作混凝土，防水材料采用HM1500防水剂和国产水泥基渗透结晶型防水涂料（简称CCCW）。

1.2试验方案及内容

 各组混凝土基准配合比相同，均采用C30强度等级混凝土，混凝土配合比如表1所示。

1.3试件制作及养护

1.3.1  试件制作

 根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009制作试件，各试验试件制作尺寸如表2所示。

1.3.2  试件养护

 各试验试件均在温度( 20 +2)℃、湿度>95%的标准环境下养护28d。

1.4防水处理及后养护

 各试验根据防水材料不同、防水处理方式不同，将试验试件均分4组进行，分别为A组未经防水剂处理、B组涂刷HM1500防水剂处理、C组浸润HM1500防水剂处理、D组涂刷CCCW处理。

1.4.1  涂刷HM1500防水剂处理

 用毛刷将HM1500涂刷在试件表面。待第1次涂刷的涂层手触干时进行第2次涂刷。完成后移人标准养护室养护28d。

1.4.2  浸润HM1500防水剂处理

 将试件的浸润面浸泡在无机防水剂中，在标准养护室养护28d。

1.4.3  涂刷CCCW处理

 以CCCW材料与水的配合比为1：0.4配制进入水泥胶砂搅拌机充分搅拌配成使用涂料。后用毛刷在试件上表面交叉涂刷1mm厚度涂层。试件放入水中标准养护28d，深度为试件高度3/4（涂层面不浸水）。

2试验内容及结果分析

2.1  快速氯离子扩散试验

2.1.1  试验方法

 采用NEL法测定混凝土氯离子扩散系数，测试前先配制4mol/L的Na Cl溶液，将圆柱体混凝土试样在真空条件下饱和氯化钠溶液中浸泡24h，然后将擦去表面盐水后的圆柱体混凝土试样置于试验装置两极进行测定，混凝土氯离子扩散系数由Nernst-Einstein方程确定。

2.1.2数据处理方法

 每个试件重复测量5次求均值。取同一试件中最接近平均值的数据为中间值，将与中间值相差在5%以内的数据做平均处理，作为该试样的测定值。在3块平行试样的测定值中，对与平均值相差在15%以内的数值进行平均，作为测试混凝土中的氯离子扩散系数值；若3块平行试样的测定值与平均值相比均超过15%，则需重新进行检测。

2.1.3  试验结果

 不同防水剂处理后混凝土氯离子扩散系数为：A组3. 37×10-8cm2/s, B组3.29×10-8 cm2/s, C组3. 32×10-8 cm2/s，D组3.04×10-8 cm2／s。D组数值最小，即涂刷CCCW处理的混凝土试件抗氯离子渗透的能力最好，相比空白对照组有明显提高，提高程度达10%以上；涂刷HM1500防水剂处理的效果较好，浸润HM1500防水剂处理的效果次之。

2.2碳化试验

2.2.1试验方法

 将除试验面外的试件表面封蜡处理后放入碳化箱内，各试件表面距离≥50mm。箱内的CO2浓度保持在(20±3)%，箱内的相对湿度控制在(70±5)%，温度控制在(20 +5)℃。第1，2天每隔2h测定1次CO2浓度、温度、湿度，以后每隔4h测定1次。到3，7，14，28d时，取出各试件，在压力试验机上劈裂以破型。每次破型后将主试件的破裂面封蜡，后进碳化箱继续试验。

 刷去破型试件断面上残存的粉末，喷上浓度为1%的酚酞酒精溶液。约30s后，按原先标划的每10mm -个测量点用钢板尺测出各点碳化深度。当测点处的碳化分界线上刚好嵌有粗骨料颗粒，可取该颗粒两侧处碳化深度的算术平均值作为该点测出的碳化深度值。

2.2.2数据处理方法

 对各试验龄期各试件不同点位的碳化深度取平均值作为该龄期下单个试件的平均碳化深度；对各试验龄期各组试件求平均作为该龄期下该组试件的平均碳化深度。

2.2.3试验结果

 不同防水剂处理后混凝土碳化深度如表3所示，与龄期的关系如图1所示。

 由表3及图1可知，从28d时测得的碳化深度上看，B，D2组碳化深度小于A组，C组与A组碳化深度相近，其中B组碳化深度最小，但无显著差异；3，7，14d测得的B，C，D3组碳化深度均大于A组或与A组相近；4组试件碳化深度加深的速度均随时间的推移而逐渐减慢。经防水处理的混凝土试件，抗碳化的效果并不明显。

2.3冻融试验

2.3.1试验方法

 防水处理后标准养护到24d，取出泡水4d。泡水结束后擦干试件表面．使其处于饱和面干状态。对每个混凝土试件进行称量，并在每组中任取3个试件进行抗压强度测定。后每组取6个试件进冻箱，进行慢冻试验。每组剩余3个试件标准养护作为对比。

 冻融试验中冻结温度应保持在- 20~- 18℃。试件在箱内温度达到- 20℃时放入。每次从装入试件到重新降至- 18℃所需的时间应在(1.5~2.0)h内。冻结结束后，试件即可取出并应立即放入能使水温保持在18~ 20℃的水槽中进行融化。此时，槽中水面应至少高出试件表面20mm，试件在水中融化的时间应≥4h。

2.3.2数据处理方法

 评价混凝土抗冻融性能主要有2个指标：质量损失率及强度损失率。

 根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009中慢冻试验步骤，25次冻融循环后，对冻融试件进行外观检查和称重，试件均未发生严重破坏且质量损失率均未达5%。继续试验至50次冻融循环后，取出试验组试件，对每个试件称量，根据试验前后该试件质量的变化计算单个试件质量损失率，组内取平均作为该组的平均质量损失率；同时对试验组试件及对比组试件进行抗压强度试验，由同龄期未冻融试件的抗压强度有效值与冻融试件的抗压强度有效值之差除以未冻融试件的抗压强度有效值，得到平均强度损失率。

100次冻融循环的处理方式同上。

2.3.3试验结果

 50次和100次冻融循环后各组混凝土试件强度与质量损失率如表4所示。

 从表4可知，3组经过防水处理的混凝土试件的质量损失率及强度损失率均小于未做防水处理的混凝土试件，说明HM1500防水剂及CCCW均能提高混凝土试件的抗冻融性能，其中C组混凝土试件抗冻融能力最强。

2.4结果分析

 HM1500防水剂中活性组分渗入混凝土内部，与水泥水化过程中产生的Ca( OH)2反应，产生凝胶体和硅酸盐新生物，形成密封层，进一步促进水泥水化，从而使混凝土强度增加。

 CCCW中活性物质向混凝土内部渗透，与毛细孔中游离石灰和氧化物发生化学反应生成不溶于水的结晶体，密封毛细孔道和裂缝。另外，CCCW中活性物质还可起到催化作用，促进混凝土中水泥的水化深度，因为混凝土中一般含有25%左右的未水化水泥，当活性物质与混凝土中钙离子络合形成的钙络合物遇到活性较高的未水化水泥时，更稳定的硅酸根、铝酸根将活性物质置换，发生水化作用产生凝胶填充毛细孔隙及裂缝，增加混凝土的密实性；同时，水化作用下混凝土可能出现体积增大，使凝胶出现裂缝，因此更多的水进入未水化水泥，又产生更大体积的凝胶，如此循环使得混凝土孔隙再次封闭。

 所以在快速氯离子扩散试验中，涂刷CCCW处理的混凝土试件的孔隙率更小，氯离子扩散系数更小，抗氯离子渗透的效果更好。．

 而CO2气体分子直径为0. 3nm，比水分子直径小，经防水材料处理的混凝土试件内部产生的结晶体较难阻止或阻碍CO2气体通过孔隙，从而CO2气体仍对混凝土起到一定的碳化作用。

 在冻融循环的情况下，由于HM1500和CCCW增加了混凝土的密实性，故混凝土的抗冻融能力均有提高。

3  扫描电镜试验分析

 从A，B，C，D4组试件中选取试件各1块，沿防水材料渗透方向在混凝土试件表层下一定深度处取混凝土试件小样（A，B，D组在深度为5mm处，C组在深度为15mm处），经扫描电镜放大5 000倍观察结晶情况（见图2）。

 图2a为未做防水处理的试样，可看到均为板状或片状的、粒径大于3 μm的水泥水化生成物。图2b～2d为经过渗透结晶型防水材料处理后的试样，可以明显地看到粒径比水泥水化生成物更小的结晶体存在。图2b为涂刷HM1500防水剂处理后的试样，其结晶体主要是附着在水泥水化生成物上；图2c为浸润HM1500防水剂处理后的试样，其结晶体有的呈针状在裂隙间细密交错拉连，有的呈颗粒状附着在水泥水化生成物表面；图2d为CCCW处理后试样，与图2c，2d相比，其结晶体并不仅仅附着在水化生成物上及出现在裂隙间，细孔道的空隙间也有很多枝蔓状结晶体存在。

 扫描电镜镜像证明了渗透结晶型防水材料可渗入混凝土内部，并在内部产生结晶体，堵塞了部分毛细孔道或减小了毛细孔道的直径，减缓氯离子扩散的速度。

4  结语

 1)两类渗透型防水材料均有活性物质向混凝土内部渗透，与水泥水化生成物反应，在混凝土的毛细孔道和裂隙间产生结晶体来增强混凝土密实性，以提高混凝土耐久性。

 2)涂刷CCCW产生的结晶体并不仅仅附着在水化生成物上及出现在裂隙间，毛细孔道的空隙间也有很多枝蔓状结晶体存在，比HM1500产生的结晶体多且密，所以涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料对抗氯离子渗透的效果最好。

 3)由于CO2气体是直径为0.3nm的小分子，防水材料在混凝土试件内部产生的结晶体较难阻碍CO2气体通过孔隙，故3种防水处理方式对抗碳化效果均不好。