摘 要:闡述了混凝土保護劑的發展,介紹了一種新型鋼筋混凝土保護劑———Chem2Crete Pavix ,探討了其作用機理與相關試驗,并將其與硅烷膏體浸漬劑的使用安全性進行了比較,對其發展前景進行了展望,以推廣Chem2Crete Pavix 在工程中的應用。
關鍵詞:鋼筋混凝土,保護劑,堿集料反應,凍融循環
中圖分類號: TU528. 04 文獻標識碼:A
引言
鋼筋混凝土是建設工程中最主要的建筑材料,廣泛地應用于工業、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的侵蝕,因此如果在建造時不對結構材料采取防腐措施,則腐蝕性介質就可能損壞建筑結構,甚至使其喪失使用價值[1] 。通過研究發現,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構耐久性[2] 。混凝土性能惡化在發展中國家是一個主要的社會和經濟問題,有很多原因已經被證實,其中以施工不當和環境破壞為主要因素,最普遍的是鋼筋暴露及低混凝土強度,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、混凝土剝落已經成為舊鋼筋混凝土結構建筑的典型特征。混凝土保護劑的作用就是將混凝土與腐蝕性介質、水隔絕,防止或限制其與鋼筋混凝土接觸的可能性,因此,采用保護劑保護建筑結構的耐久性是常用且有效的手段。
1 混凝土保護劑的發展
鋼筋混凝土防護技術的研究在國外早已被人們所關注,如國際材料與建筑結構試驗研究所聯合會(RIL EM) 在20 世紀60 年代就有相關研究成果的國際性學術討論會召開[ 3 ] 。傳統的防護材料有環氧樹脂、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。美國在建設工程中實行“全壽命經濟分析法”(LCCA) ,對鋼筋混凝土結構防護技術的應用研究建樹頗多,從20 世紀90 年代起,就將新型有機硅材料廣泛應用于鋼筋混凝土結構防護領域。用有機硅材料對混凝土表面進行改性的研究始于20 世紀80 年代,如早期開發的水溶性有機硅單體可在混凝土表面形成憎水性保護膜,提高混凝土的防水抗滲性能。但是在常溫下硅氧烷縮聚反應速度緩慢,而且有機硅成膜類材料易剝落。到20 世紀90 年代,隨著分子偶聯技術和溶液—凝膠技術的發展,有機硅材料對混凝土表面的改性技術有了飛速的發展,高滲透型的有機硅烷和硅氧烷材料被相繼開發出來,如以γ縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷為偶聯劑用溶液—凝膠工藝對混凝土表面進行處理后,發現使混凝土的防水性、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”且環保的替代品。
2000 年以來,為解決大面積混凝土路面與水有關的各種問題,美國Chem2Crete 公司生產出一種高性能結晶防水劑Chem2Crete Pavix ,它可用于機場跑道、滑行道、停機場、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 年才被引進英國,之前它在美國、捷克、俄羅斯、澳大利亞等地有過使用紀錄。2003 年,用于水泥混凝土的Chem2Crete Pavix產品項目認證已在俄羅斯國家航空聯盟政府認證注冊處注冊。倫敦城市大學教授Denis Chamberlain 于2003 年10 月發表的試驗報告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 路橋設計手冊混凝土使用標準。Chem2Crete Pavix 將在國內外很多新舊建筑物結構工程中產生重要影響。
2 作用機理與相關試驗
Chem2Crete Pavix 集憎水性、親水性、吸水性和濕氣阻塞機理于一體,賦予混凝土合理的干燥度,封閉肉眼可見的細裂縫(最大寬度為1. 4 mm) ,并封堵大裂縫內部,從而最大程度地降低因水和濕氣引起的一系列混凝土結構耐久性問題。因此,該保護劑不僅能延長建筑物的使用期限,還可降低維護成本。
2. 1 保護作用機理
Chem2Crete Pavix 通過兩種不同的機理達到保護水泥混凝土的作用:1) 它賦予施工道路表面卓越的排斥性,增強了水和其他液體(如汽油、飛機燃油) 的表面張力,阻擋水通過毛細管滲入混凝土。隨后經過結晶程序,它在混凝土的毛細管內就阻止了水和濕氣的活動。在這過程中,形成的結晶既有吸濕性,又有吸水性,因此具有雙重阻濕作用。在潮濕環境中或與濕氣接觸的情況下,Chem2Crete Pavix 的吸水作用令結晶產生膨脹,并填充孔洞與裂縫,從而阻止濕氣的延伸。2) Chem2Crete Pavix 結晶的吸濕性可使結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,脫附過程中結晶釋放出濕氣,收縮至初始大小。結晶的這種膨脹—收縮性能可令水泥混凝土不斷地進行“呼吸”。
2. 2 凍融循環試驗
英國倫敦城市大學教授Denis Chamberlain 通過對Chem2CretePavix 凍融循環試驗(ASTMC1262298) 檢驗了使用Pavix 的混凝土樣塊的抗凍融循環破壞的性能,從2004 年12 月～2005 年6 月,共進行了100 次凍融循環試驗,選用新舊兩組樣塊,未使用Pavix的為基準樣塊,使用Pavix 的為涂層樣塊,結果表明: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是限制表面凍結擴張范圍,涂層樣塊表面風化明顯小于基準樣塊。
Pavix 能彌補小于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計設定的20 mm ,如果允許凍融循環繼續,鋼筋膨脹腐蝕,會快速導致混凝土剝落,最終主體破碎。裂縫中的水凍結膨脹更加劇了此反應,從而說明Pavix 能有效阻止這種功能喪失的發生。
表面水吸收試驗是在100 次凍融循環后開始的,試驗表明Pavix 的阻濕機制經過100 次凍融循環后并沒有降低。Pavix 的估計滲透深度為6 mm～8 mm ,在此基礎上,除非大量重量丟失,否則Pavix 的阻濕功能永遠有效。
2. 3 堿骨料反應(ASR) 試驗
因堿骨料反應而導致混凝土功能惡化時基于生理化學反應機理,當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的濕氣含量。
美國南卡羅來州克萊姆森大學土木工程系Dr. Prasad Ran2garaju 通過改良式的ASTMC1293 堿集料反應的膨脹結果得出以下結論:
Pavix 能明顯降低由堿骨料反應引起的膨脹,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。研究結果表明,Pavix 應作為新混凝土建筑物的保護劑并可作為受ASR 影響的建筑物的修復劑。
3 使用安全性
根據Dr. Prasad Rangaraju 通過改良式的ASTMC1293 實驗數據可知,使用Pavix 涂層的混凝土試件的膨脹率降低了43 %。除此之外,Pavix 還能減輕風化,提高粘結力,并保護基底層。從健康與安全的角度來考慮,Pavix 無毒、無色、無煙霧、無異味,對周圍環境不會造成污染,更為重要的是,硅烷保護劑施工現場有時需要封閉,而Pavix 則不需要,表1 列出了Pavix 與硅烷保護劑的使用安全性對比。
4 結語
國內專門從事水泥混凝土保護劑研究的科研人員為數較少,但是事實上水泥混凝土保護劑是隨著各種防水材料的發展而發展。許多專家曾提出,膏體浸漬劑將使混凝土保護技術產生革命性的進步,而膏體浸漬劑在海港、橋梁、道路保護等工程中確實得到了較為廣泛的推廣與應用,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。高性能結晶防水材料作為混凝土保護材料的另一種選擇,將取代硅烷浸漬劑成為新型混凝土保護劑。
參考文獻:
[1 ]丁琍,唐美紅,樊 鈞. 有機硅——一種新型的混凝土保護材料[J] . 化學建材,2002 (5) :31232.
[2 ]劉 巖,王 莉,明子暉. 影響混凝土耐久性的因素及防治措施[J] . 黑龍江水利科技,2006 (1) :128.
[3 ]游勁秋,胥瑞芳,孟祥森,等. 近海大氣環境下的鋼筋混凝土保護技術研究[J] . 浙江建筑,2005 (sup) :81287.
[4 ]林屏屏. Pavix CCC100 ——鋼筋混凝土的保護劑[J] . 中國建筑防水,2005 (sup) :69272.
