摘 要:阐述了混凝土保护剂的发展,介绍了一种新型钢筋混凝土保护剂———Chem2Crete Pavix ,探讨了其作用机理与相关试验,并将其与硅烷膏体浸渍剂的使用安全性进行了比较,对其发展前景进行了展望,以推广Chem2Crete Pavix 在工程中的应用。
关键词:钢筋混凝土,保护剂,碱集料反应,冻融循环
中图分类号: TU528. 04 文献标识码:A
引言
钢筋混凝土是建设工程中最主要的建筑材料,广泛地应用于工业、民用、交通和各种建筑物中。然而用钢筋混凝土建造的建筑物在使用期间常常受到腐蚀性介质的侵蚀,因此如果在建造时不对结构材料采取防腐措施,则腐蚀性介质就可能损坏建筑结构,甚至使其丧失使用价值[1] 。通过研究发现,造成混凝土耐久性失效,几乎都有水的参与。水可以传送酸根离子,也可以传输无机盐,水不但造成溶冰盐损失,还参与钢筋混凝土的锈蚀过程,因此水对混凝土破坏作用最为明显,没有水或减少水的参与可以大幅度提高混凝土结构耐久性[2] 。混凝土性能恶化在发展中国家是一个主要的社会和经济问题,有很多原因已经被证实,其中以施工不当和环境破坏为主要因素,最普遍的是钢筋暴露及低混凝土强度,由酸雨引起的碳酸化作用是另外一个主要原因。随后,钢筋腐蚀、锈斑、混凝土剥落已经成为旧钢筋混凝土结构建筑的典型特征。混凝土保护剂的作用就是将混凝土与腐蚀性介质、水隔绝,防止或限制其与钢筋混凝土接触的可能性,因此,采用保护剂保护建筑结构的耐久性是常用且有效的手段。
1 混凝土保护剂的发展
钢筋混凝土防护技术的研究在国外早已被人们所关注,如国际材料与建筑结构试验研究所联合会(RIL EM) 在20 世纪60 年代就有相关研究成果的国际性学术讨论会召开[ 3 ] 。传统的防护材料有环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂、氯化橡胶及乙烯树脂等涂料,但它们有着耐碱性弱、附着力小、耐久性差、施工不便等诸多问题,制约了这些材料的使用。美国在建设工程中实行“全寿命经济分析法”(LCCA) ,对钢筋混凝土结构防护技术的应用研究建树颇多,从20 世纪90 年代起,就将新型有机硅材料广泛应用于钢筋混凝土结构防护领域。用有机硅材料对混凝土表面进行改性的研究始于20 世纪80 年代,如早期开发的水溶性有机硅单体可在混凝土表面形成憎水性保护膜,提高混凝土的防水抗渗性能。但是在常温下硅氧烷缩聚反应速度缓慢,而且有机硅成膜类材料易剥落。到20 世纪90 年代,随着分子偶联技术和溶液—凝胶技术的发展,有机硅材料对混凝土表面的改性技术有了飞速的发展,高渗透型的有机硅烷和硅氧烷材料被相继开发出来,如以γ缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷为偶联剂用溶液—凝胶工艺对混凝土表面进行处理后,发现使混凝土的防水性、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,人们在期望延长建筑物使用寿命的同时,又希望使用“维护建筑物”的绿色建材,有毒的硅烷无法满足这一要求,从而促成人们寻找保证“施工人员安全性”且环保的替代品。
2000 年以来,为解决大面积混凝土路面与水有关的各种问题,美国Chem2Crete 公司生产出一种高性能结晶防水剂Chem2Crete Pavix ,它可用于机场跑道、滑行道、停机场、高架桥、高速公路路面等。Chem2Crete Pavix 不仅使用安全且不会污染环境,它可以使用于河面上的建筑物,甚至可以被丢弃在下水道。直到2004 年才被引进英国,之前它在美国、捷克、俄罗斯、澳大利亚等地有过使用纪录。2003 年,用于水泥混凝土的Chem2Crete Pavix产品项目认证已在俄罗斯国家航空联盟政府认证注册处注册。伦敦城市大学教授Denis Chamberlain 于2003 年10 月发表的试验报告ESRC/ 2003/ CP/ 01 中表明Chem2Crete Pavix 符合由英国高速公路局出版的(DMRB)BD 43/ 03 路桥设计手册混凝土使用标准。Chem2Crete Pavix 将在国内外很多新旧建筑物结构工程中产生重要影响。
2 作用机理与相关试验
Chem2Crete Pavix 集憎水性、亲水性、吸水性和湿气阻塞机理于一体,赋予混凝土合理的干燥度,封闭肉眼可见的细裂缝(最大宽度为1. 4 mm) ,并封堵大裂缝内部,从而最大程度地降低因水和湿气引起的一系列混凝土结构耐久性问题。因此,该保护剂不仅能延长建筑物的使用期限,还可降低维护成本。
2. 1 保护作用机理
Chem2Crete Pavix 通过两种不同的机理达到保护水泥混凝土的作用:1) 它赋予施工道路表面卓越的排斥性,增强了水和其他液体(如汽油、飞机燃油) 的表面张力,阻挡水通过毛细管渗入混凝土。随后经过结晶程序,它在混凝土的毛细管内就阻止了水和湿气的活动。在这过程中,形成的结晶既有吸湿性,又有吸水性,因此具有双重阻湿作用。在潮湿环境中或与湿气接触的情况下,Chem2Crete Pavix 的吸水作用令结晶产生膨胀,并填充孔洞与裂缝,从而阻止湿气的延伸。2) Chem2Crete Pavix 结晶的吸湿性可使结晶不停地沿着湿气来源方向生长,从而使得湿源处形成永久的阻湿屏障[ 4 ] 。在干燥情况下,脱附过程中结晶释放出湿气,收缩至初始大小。结晶的这种膨胀—收缩性能可令水泥混凝土不断地进行“呼吸”。
2. 2 冻融循环试验
英国伦敦城市大学教授Denis Chamberlain 通过对Chem2CretePavix 冻融循环试验(ASTMC1262298) 检验了使用Pavix 的混凝土样块的抗冻融循环破坏的性能,从2004 年12 月～2005 年6 月,共进行了100 次冻融循环试验,选用新旧两组样块,未使用Pavix的为基准样块,使用Pavix 的为涂层样块,结果表明:无论新旧,使用过Pavix 的混凝土寿命均比未使用过Pavix的混凝土长久很多,Pavix 为混凝土提供的主要防护是限制表面冻结扩张范围,涂层样块表面风化明显小于基准样块。
Pavix 能弥补小于1. 4 mm 的裂缝,考虑到钢筋在混凝土中的位置,通常钢筋离混凝土表面的距离都小于设计设定的20 mm ,如果允许冻融循环继续,钢筋膨胀腐蚀,会快速导致混凝土剥落,最终主体破碎。裂缝中的水冻结膨胀更加剧了此反应,从而说明Pavix 能有效阻止这种功能丧失的发生。
表面水吸收试验是在100 次冻融循环后开始的,试验表明Pavix 的阻湿机制经过100 次冻融循环后并没有降低。Pavix 的估计渗透深度为6 mm～8 mm ,在此基础上,除非大量重量丢失,否则Pavix 的阻湿功能永远有效。
2. 3 碱骨料反应(ASR) 试验
因碱骨料反应而导致混凝土功能恶化时基于生理化学反应机理,当粗骨料中夹杂有活性氧化硅,且混凝土中水泥含碱量较高时,就可能发生碱骨料破坏,而减少混凝土建筑中间骨料破坏的有效方法是降低引起反应的湿气含量。
美国南卡罗来州克莱姆森大学土木工程系Dr. Prasad Ran2garaju 通过改良式的ASTMC1293 碱集料反应的膨胀结果得出以下结论:
Pavix 能明显降低由碱骨料反应引起的膨胀,尤其越早使用Pavix ,其效果越显著。晚期使用Pavix ,其控制膨胀的效果具有一定的局限性。Pavix 还可以有效阻止外部湿气渗入水泥混凝土,因而可降低恶化的延续。研究结果表明,Pavix 应作为新混凝土建筑物的保护剂并可作为受ASR 影响的建筑物的修复剂。
3 使用安全性
根据Dr. Prasad Rangaraju 通过改良式的ASTMC1293 实验数据可知,使用Pavix 涂层的混凝土试件的膨胀率降低了43 %。除此之外,Pavix 还能减轻风化,提高粘结力,并保护基底层。从健康与安全的角度来考虑,Pavix 无毒、无色、无烟雾、无异味,对周围环境不会造成污染,更为重要的是,硅烷保护剂施工现场有时需要封闭,而Pavix 则不需要,表1 列出了Pavix 与硅烷保护剂的使用安全性对比。
4 结语
国内专门从事水泥混凝土保护剂研究的科研人员为数较少,但是事实上水泥混凝土保护剂是随着各种防水材料的发展而发展。许多专家曾提出,膏体浸渍剂将使混凝土保护技术产生革命性的进步,而膏体浸渍剂在海港、桥梁、道路保护等工程中确实得到了较为广泛的推广与应用,但是浸渍剂通常由硅烷或硅氧烷与硅烷的混合物组成,而硅烷作为高毒性材料,将来会被禁止使用。高性能结晶防水材料作为混凝土保护材料的另一种选择,将取代硅烷浸渍剂成为新型混凝土保护剂。
参考文献:
[1 ]丁琍,唐美红,樊 钧. 有机硅——一种新型的混凝土保护材料[J] . 化学建材,2002 (5) :31232.
[2 ]刘 岩,王 莉,明子晖. 影响混凝土耐久性的因素及防治措施[J] . 黑龙江水利科技,2006 (1) :128.
[3 ]游劲秋,胥瑞芳,孟祥森,等. 近海大气环境下的钢筋混凝土保护技术研究[J] . 浙江建筑,2005 (sup) :81287.
[4 ]林屏屏. Pavix CCC100 ——钢筋混凝土的保护剂[J] . 中国建筑防水,2005 (sup) :69272.
