摘 要:闡述了混凝土保護(hù)劑的發(fā)展,介紹了一種新型鋼筋混凝土保護(hù)劑———Chem2Crete Pavix ,探討了其作用機(jī)理與相關(guān)試驗(yàn),并將其與硅烷膏體浸漬劑的使用安全性進(jìn)行了比較,對其發(fā)展前景進(jìn)行了展望,以推廣Chem2Crete Pavix 在工程中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:鋼筋混凝土,保護(hù)劑,堿集料反應(yīng),凍融循環(huán)
中圖分類號: TU528. 04 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
引言
鋼筋混凝土是建設(shè)工程中最主要的建筑材料,廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、民用、交通和各種建筑物中。然而用鋼筋混凝土建造的建筑物在使用期間常常受到腐蝕性介質(zhì)的侵蝕,因此如果在建造時不對結(jié)構(gòu)材料采取防腐措施,則腐蝕性介質(zhì)就可能損壞建筑結(jié)構(gòu),甚至使其喪失使用價值[1] 。通過研究發(fā)現(xiàn),造成混凝土耐久性失效,幾乎都有水的參與。水可以傳送酸根離子,也可以傳輸無機(jī)鹽,水不但造成溶冰鹽損失,還參與鋼筋混凝土的銹蝕過程,因此水對混凝土破壞作用最為明顯,沒有水或減少水的參與可以大幅度提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[2] ?；炷列阅軔夯诎l(fā)展中國家是一個主要的社會和經(jīng)濟(jì)問題,有很多原因已經(jīng)被證實(shí),其中以施工不當(dāng)和環(huán)境破壞為主要因素,最普遍的是鋼筋暴露及低混凝土強(qiáng)度,由酸雨引起的碳酸化作用是另外一個主要原因。隨后,鋼筋腐蝕、銹斑、混凝土剝落已經(jīng)成為舊鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的典型特征。混凝土保護(hù)劑的作用就是將混凝土與腐蝕性介質(zhì)、水隔絕,防止或限制其與鋼筋混凝土接觸的可能性,因此,采用保護(hù)劑保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)的耐久性是常用且有效的手段。
1 混凝土保護(hù)劑的發(fā)展
鋼筋混凝土防護(hù)技術(shù)的研究在國外早已被人們所關(guān)注,如國際材料與建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究所聯(lián)合會(RIL EM) 在20 世紀(jì)60 年代就有相關(guān)研究成果的國際性學(xué)術(shù)討論會召開[ 3 ] 。傳統(tǒng)的防護(hù)材料有環(huán)氧樹脂、聚氨酯、丙烯酸樹脂、氯化橡膠及乙烯樹脂等涂料,但它們有著耐堿性弱、附著力小、耐久性差、施工不便等諸多問題,制約了這些材料的使用。美國在建設(shè)工程中實(shí)行“全壽命經(jīng)濟(jì)分析法”(LCCA) ,對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用研究建樹頗多,從20 世紀(jì)90 年代起,就將新型有機(jī)硅材料廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防護(hù)領(lǐng)域。用有機(jī)硅材料對混凝土表面進(jìn)行改性的研究始于20 世紀(jì)80 年代,如早期開發(fā)的水溶性有機(jī)硅單體可在混凝土表面形成憎水性保護(hù)膜,提高混凝土的防水抗?jié)B性能。但是在常溫下硅氧烷縮聚反應(yīng)速度緩慢,而且有機(jī)硅成膜類材料易剝落。到20 世紀(jì)90 年代,隨著分子偶聯(lián)技術(shù)和溶液—凝膠技術(shù)的發(fā)展,有機(jī)硅材料對混凝土表面的改性技術(shù)有了飛速的發(fā)展,高滲透型的有機(jī)硅烷和硅氧烷材料被相繼開發(fā)出來,如以γ縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷為偶聯(lián)劑用溶液—凝膠工藝對混凝土表面進(jìn)行處理后,發(fā)現(xiàn)使混凝土的防水性、耐候性、耐酸性、耐磨性、耐水洗性都有不同程度的提高[1] 。然而,人們在期望延長建筑物使用壽命的同時,又希望使用“維護(hù)建筑物”的綠色建材,有毒的硅烷無法滿足這一要求,從而促成人們尋找保證“施工人員安全性”且環(huán)保的替代品。
2000 年以來,為解決大面積混凝土路面與水有關(guān)的各種問題,美國Chem2Crete 公司生產(chǎn)出一種高性能結(jié)晶防水劑Chem2Crete Pavix ,它可用于機(jī)場跑道、滑行道、停機(jī)場、高架橋、高速公路路面等。Chem2Crete Pavix 不僅使用安全且不會污染環(huán)境,它可以使用于河面上的建筑物,甚至可以被丟棄在下水道。直到2004 年才被引進(jìn)英國,之前它在美國、捷克、俄羅斯、澳大利亞等地有過使用紀(jì)錄。2003 年,用于水泥混凝土的Chem2Crete Pavix產(chǎn)品項(xiàng)目認(rèn)證已在俄羅斯國家航空聯(lián)盟政府認(rèn)證注冊處注冊。倫敦城市大學(xué)教授Denis Chamberlain 于2003 年10 月發(fā)表的試驗(yàn)報(bào)告ESRC/ 2003/ CP/ 01 中表明Chem2Crete Pavix 符合由英國高速公路局出版的(DMRB)BD 43/ 03 路橋設(shè)計(jì)手冊混凝土使用標(biāo)準(zhǔn)。Chem2Crete Pavix 將在國內(nèi)外很多新舊建筑物結(jié)構(gòu)工程中產(chǎn)生重要影響。
2 作用機(jī)理與相關(guān)試驗(yàn)
Chem2Crete Pavix 集憎水性、親水性、吸水性和濕氣阻塞機(jī)理于一體,賦予混凝土合理的干燥度,封閉肉眼可見的細(xì)裂縫(最大寬度為1. 4 mm) ,并封堵大裂縫內(nèi)部,從而最大程度地降低因水和濕氣引起的一系列混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題。因此,該保護(hù)劑不僅能延長建筑物的使用期限,還可降低維護(hù)成本。
2. 1 保護(hù)作用機(jī)理
Chem2Crete Pavix 通過兩種不同的機(jī)理達(dá)到保護(hù)水泥混凝土的作用:1) 它賦予施工道路表面卓越的排斥性,增強(qiáng)了水和其他液體(如汽油、飛機(jī)燃油) 的表面張力,阻擋水通過毛細(xì)管滲入混凝土。隨后經(jīng)過結(jié)晶程序,它在混凝土的毛細(xì)管內(nèi)就阻止了水和濕氣的活動。在這過程中,形成的結(jié)晶既有吸濕性,又有吸水性,因此具有雙重阻濕作用。在潮濕環(huán)境中或與濕氣接觸的情況下,Chem2Crete Pavix 的吸水作用令結(jié)晶產(chǎn)生膨脹,并填充孔洞與裂縫,從而阻止?jié)駳獾难由臁?) Chem2Crete Pavix 結(jié)晶的吸濕性可使結(jié)晶不停地沿著濕氣來源方向生長,從而使得濕源處形成永久的阻濕屏障[ 4 ] 。在干燥情況下,脫附過程中結(jié)晶釋放出濕氣,收縮至初始大小。結(jié)晶的這種膨脹—收縮性能可令水泥混凝土不斷地進(jìn)行“呼吸”。
2. 2 凍融循環(huán)試驗(yàn)
英國倫敦城市大學(xué)教授Denis Chamberlain 通過對Chem2CretePavix 凍融循環(huán)試驗(yàn)(ASTMC1262298) 檢驗(yàn)了使用Pavix 的混凝土樣塊的抗凍融循環(huán)破壞的性能,從2004 年12 月～2005 年6 月,共進(jìn)行了100 次凍融循環(huán)試驗(yàn),選用新舊兩組樣塊,未使用Pavix的為基準(zhǔn)樣塊,使用Pavix 的為涂層樣塊,結(jié)果表明:無論新舊,使用過Pavix 的混凝土壽命均比未使用過Pavix的混凝土長久很多,Pavix 為混凝土提供的主要防護(hù)是限制表面凍結(jié)擴(kuò)張范圍,涂層樣塊表面風(fēng)化明顯小于基準(zhǔn)樣塊。
Pavix 能彌補(bǔ)小于1. 4 mm 的裂縫,考慮到鋼筋在混凝土中的位置,通常鋼筋離混凝土表面的距離都小于設(shè)計(jì)設(shè)定的20 mm ,如果允許凍融循環(huán)繼續(xù),鋼筋膨脹腐蝕,會快速導(dǎo)致混凝土剝落,最終主體破碎。裂縫中的水凍結(jié)膨脹更加劇了此反應(yīng),從而說明Pavix 能有效阻止這種功能喪失的發(fā)生。
表面水吸收試驗(yàn)是在100 次凍融循環(huán)后開始的,試驗(yàn)表明Pavix 的阻濕機(jī)制經(jīng)過100 次凍融循環(huán)后并沒有降低。Pavix 的估計(jì)滲透深度為6 mm～8 mm ,在此基礎(chǔ)上,除非大量重量丟失,否則Pavix 的阻濕功能永遠(yuǎn)有效。
2. 3 堿骨料反應(yīng)(ASR) 試驗(yàn)
因堿骨料反應(yīng)而導(dǎo)致混凝土功能惡化時基于生理化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,當(dāng)粗骨料中夾雜有活性氧化硅,且混凝土中水泥含堿量較高時,就可能發(fā)生堿骨料破壞,而減少混凝土建筑中間骨料破壞的有效方法是降低引起反應(yīng)的濕氣含量。
美國南卡羅來州克萊姆森大學(xué)土木工程系Dr. Prasad Ran2garaju 通過改良式的ASTMC1293 堿集料反應(yīng)的膨脹結(jié)果得出以下結(jié)論:
Pavix 能明顯降低由堿骨料反應(yīng)引起的膨脹,尤其越早使用Pavix ,其效果越顯著。晚期使用Pavix ,其控制膨脹的效果具有一定的局限性。Pavix 還可以有效阻止外部濕氣滲入水泥混凝土,因而可降低惡化的延續(xù)。研究結(jié)果表明,Pavix 應(yīng)作為新混凝土建筑物的保護(hù)劑并可作為受ASR 影響的建筑物的修復(fù)劑。
3 使用安全性
根據(jù)Dr. Prasad Rangaraju 通過改良式的ASTMC1293 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,使用Pavix 涂層的混凝土試件的膨脹率降低了43 %。除此之外,Pavix 還能減輕風(fēng)化,提高粘結(jié)力,并保護(hù)基底層。從健康與安全的角度來考慮,Pavix 無毒、無色、無煙霧、無異味,對周圍環(huán)境不會造成污染,更為重要的是,硅烷保護(hù)劑施工現(xiàn)場有時需要封閉,而Pavix 則不需要,表1 列出了Pavix 與硅烷保護(hù)劑的使用安全性對比。
4 結(jié)語
國內(nèi)專門從事水泥混凝土保護(hù)劑研究的科研人員為數(shù)較少,但是事實(shí)上水泥混凝土保護(hù)劑是隨著各種防水材料的發(fā)展而發(fā)展。許多專家曾提出,膏體浸漬劑將使混凝土保護(hù)技術(shù)產(chǎn)生革命性的進(jìn)步,而膏體浸漬劑在海港、橋梁、道路保護(hù)等工程中確實(shí)得到了較為廣泛的推廣與應(yīng)用,但是浸漬劑通常由硅烷或硅氧烷與硅烷的混合物組成,而硅烷作為高毒性材料,將來會被禁止使用。高性能結(jié)晶防水材料作為混凝土保護(hù)材料的另一種選擇,將取代硅烷浸漬劑成為新型混凝土保護(hù)劑。
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