既有混凝土表面渗透强化处理及在西部地区环境下的耐久性研究
第一章 绪论
既有混凝土因结构因耐久性不足而引起的巨大经济损失在世界各地均有较多的报道。1987 年，美国材料咨询委员会（NMAB）在其年度报告中阐述，在美国境内处于损伤的钢筋混凝土桥有近 25.3 万座，并且每年增加约 3.5 万座，1991 年由于耐久性问题损坏的桥梁修复费用就高达 910 亿美元；美国标准局（NBS）的调查显示，1975 年，美国因既有混凝土遭受腐蚀而造成的经济损失可达 300 亿美元，有高达 1260 亿美元的维修费用于防腐、抗腐支出[2]，1985 年这一数据则升到了 1680 亿美元[3]；在美国洲际公路网中，有 9 万座处于严重失效状态，仅 1969 年修复公路桥面板损坏的费用就高达 26亿美元， 1978 年已升至 63 亿美元，最主要的原因是钢筋锈蚀；目前，在美国既有混凝土工程的整体价值约为 6 万亿美元，而每年约 3000 亿美元的费用用于维修或重修。在英国，既有钢筋混凝土结构约有 36%需要维护或重建，每年约有 200 亿英镑的费用用于修复钢筋混凝土结构；在加拿大，仅蒙特利尔的一座水电站因既有混凝土耐久性不良进行修补和维护的费用就是 15 亿加元[1]；在日本，每年约有 400 亿日元以上的费用用于既有钢筋混凝土房屋结构工程的维护加固， “新干线”在役期不到 10 年就出现了混凝土大面积开裂和剥蚀；在德国，仅使用了 23 年的柏林会议大厦 1980 年建筑西南角坍塌，正是由于钢筋锈蚀而造成；另外，从欧洲和北美等 16 个国家的调查发现，由于耐久性问题，既有混凝土桥梁因修复或重建的投入费用，4 倍以上于当年建设造价。美国学者Sitter 提出了 “五倍定律”，即：对新建项目在设计环节每节省 1 美元钢筋防护费用，就意味着多追加 5 美元在发现钢筋锈蚀时采取的维修费用，而在出现顺筋开裂时将会多追加 25 美元维修费，在出现严重破坏时将会多追加 125 美元维修费[4]，“五倍定律”可以形象地说明了既有混凝土耐久性对国民经济的重要影响。
我国的混凝土年产量已经多年超过世界混凝土年产量的 50%，混凝土行业实现总产值已超过 7000 亿元[5]。长期以来，我国在设计施工上只考虑强度，而忽视了耐久性问题，在桥梁、港口、码头、交通及重大建筑工程设计、施工中对混凝土的耐久性一直缺乏足够的重视。据相关报导[6]，我国每年既有混凝土工程及其构件因腐蚀及劣化等问题带来的损失已占国民生产总值（GDP）的 3.5～5%左右[7]，而这一数据随着时间的推移将更加惊人，所以，在役期的有混凝土工程耐久性对国民经济具有重大影响，既有混凝土工程的耐久性问题己成为混凝土相关行业领域最为关注的热点问题之一，如：土木、水利、交通、建筑等行业。在建筑工程领域，据统计，我国现有既有建筑面积约 70 亿 m2，其中约一半进入老化阶段，急需维修加固约占近五分之一，一般大气环境下有 40%的既有混凝土建筑结构已碳化至钢筋表面，而潮湿环境下，这一数据占到 90%[8]；上世纪八十年代末，建设部对国内一些地区如：北京、杭州、贵阳、西宁等地的工程进行的结构耐久性综合调查，结果表明，上世纪五六十年代建成的既有混凝土工程基本上都己经达到了大修的状态，其中大多数工业建筑在一般情况下使用 25～30 年就需要进行大的维修加固。在水工混凝土领域，上世纪八十年代初对华南地区的 18 座港湾、码头进行的调查表明，有约占 89%的既有混凝土结构因钢筋锈蚀而导致破坏。
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1.2.1 既有混凝土表面孔结构与渗透性的关系
随着混凝土耐久性研究的不断发展，国内外相关学者提出了许多有关渗透性和混凝土耐久性相关的依据[3、16、17]。1945 年，Powers 等以混凝土亚微观结构入手，通过分析孔隙中水对孔壁的作用，提出了静水压假说和渗透压假说，并开始了对既有混凝土冻融破坏的试验研究[18]；P K Mehta 等人认为，渗透性通过各种方式全方位地对混凝土耐久性产生影响，是既有混凝土结构耐久性的最主要影响因素[9]；1994 年，Meeha 提出了既有混凝土受外界环境作用劣化，是受混凝土渗透性和服务期影响导致渗透性增大的结果；Taylor HFW 认为在大多数情况下耐久性是由混凝土作为屏障有效阻止或降低有害离子迁移进程决定[19]。
水载有害离子造成既有混凝土侵蚀破坏的整个过程可归纳为两种主要形式：一是材料中的组分直接接触侵蚀环境而发生的化学反应，引起的破坏；另一种是环境中的侵蚀介质或腐蚀产物通过表面渗透到既有混凝土内部，通过发生一系列物理的或化学的作用，从而引起既有混凝土材料的体积变化，进而使之破坏失效，这两种造成既有混凝土结构破坏的形式往往同时存在并且互相促进，从而形成一轮接一轮的恶性循环，最终造成既有混凝土结构损伤乃至破坏。水载有害离子渗入既有混凝土毛细孔隙的过程发生的比较迅速，能够产生溶出性损害、水解性侵蚀及盐类侵蚀等主要化学反应性侵蚀和生物侵蚀，而水载有害离子在既有混凝土内部向其他孔隙中扩散的过程相对要慢得多，它们在水的作用下不断地通过毛细管结构由混凝土构件表面渗透、扩散到内部[7]，而产生风化、碳化、剥蚀和破裂，造成耐久性问题。
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第二章 基于渗透增强特性的有机硅类防护材料技术方案研究
混凝土属于非均质多孔结构和高渗透性的材料，混凝土的耐久性与混凝土对物质的传输性能是密切相关。水份既可以导致既有混凝土如霜冻及冻融循环而产生的张力造成的物理破坏，也可以做为传递腐蚀性有害物质的重要媒介导致有害侵蚀性反应[38]。既有混凝土工作环境中空气、土壤或是地下水中，含有不同浓度的侵蚀性物质。
在既有混凝土表面形成性能稳定的防水膜，但是却又不会堵塞既有混凝土的表层孔隙，故而具备“透气不透水”的特性。有机硅类材料既可保持既有混凝土基材的正常透气，又能抵抗水载有害离子的侵蚀，还可使既有混凝土基材具备防腐、耐冻融的特性，并且不改变混凝土基材的原貌，不会造成防护区域颜色加深的不良后果。由于有机硅材料和既有混凝土表面是通过化学键结合的，所以这种化学结合力比用沥青和涂料作表面防护的物理结合力大得多，因此十分牢固。理论来讲，同样做为硅质材料，主链为硅氧链，有机硅作为防护材料的寿命应与基材的寿命相当。另外，从生理学的观点来看，一般的有机硅材料都具备良好的生理惰性，属于低毒性、低活性材料。有机硅类材料以其极低的表面能赋予的良好的渗透性能，硅氧键稳定的键型结构赋予的良好的化学稳定性能，抗水赋予的良好水密性，故可以做为环境友好型的既有混凝土表面防护材料。按照水性有机硅类渗透增强材料技术方案、有机硅类浸渍膏体增强技术方案、有机硅改性聚合物乳液技术方案、无溶剂或是低溶剂型有机硅类渗透材料技术方案四个方向进行研究。
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（1）试件制备
水泥砂浆试块制备：尺寸：20mm×20mm×20mm。水泥：北川中联 P.O.42.5R；砂，特细砂，细度模数，0.94，II 区；水泥：细砂=1:3，水灰比：0.4，采取干压成型方法，分三次装模，每次控制装料为试模 1/3 高度，六块一组。为防止涂刷脱模剂可能对试块表面性能产生干扰，试模成型面均不刷脱模剂，采用试模内表面覆盖聚乙烯塑料薄膜方式。试块 1d 脱模后在 23℃水中养护 14d，取出 105℃烘 24h 至干燥，标况下放置 24h，冷却至室温。
（2）研究设备和研究方法
接触角：设备为 BSC30 接触角测定系统，德国 Kruss 公司。20mm×20mm×20mm 水泥砂浆试件在其表面滴加 3 滴渗透材料，待滴加过渗透材料的试件表面自然干燥后，通过测定 1d、3d、7d、14d、28d 接触角的变化观察憎水效果的变化规律。
渗透时间和渗入深度：将成型好的 20mm×20mm×20mm 试件放入盛有渗透材料的表面皿中，控制试块浸入渗透材料液面深度始终保持为 1mm，计算从试件放入至试件表面完全被渗透材料浸渍至颜色变深的时间。若 12h 后依然不能完全渗透，则劈开试件测定 5 个测点的渗入深度平均值做为渗入深度。膏状渗透防护材料则在 1:3 水泥砂浆试块表面涂抹 1.2g（约 3mm 厚）乳膏，测定从涂抹至完全渗透试块的时间。
干燥时间：测定试块表面渗透防护处理后至试块表面无明显颜色变暗的时间差。
水性有机硅类渗透增强材料是利用烷基硅酸盐易被空气中的水和二氧化碳合成的弱酸分解并很快聚合生成聚烷基硅醚，从而具有防护特性，再添加 pH 值调节剂、无机盐等组分，制成具有提高既有混凝土防护效果的水溶性渗透增强材料。经前期广泛的原材料对比，发现某硅酸盐小分子 LN 和烷基硅酸盐具有较好的相容性，都可以在水中很好的溶解，烷基硅酸盐渗入既有混凝土表面通过水解生成物烷基硅醇，烷基硅醇含有极性基团-OH，易生成氢键。同时，溶液中存在水解反应，这个水解反应的结果使防护材料溶解呈碱性（pH=12～15），烷基硅醇在碱性环境下各组份偏聚，分子间脱水，生成烷基硅氧烷和水，这个反应继续下去，生成枝状链，在此基础上又偏聚成网状高分子聚合物烷基树脂，由于既有混凝土表面含有很多硅醇基，可与偏聚成网状高分子聚合物烷基树脂的硅醇基反应脱水交联，在既有混凝土表面和毛细孔隙中键合，在既有混凝土内部构成硅树脂憎水层，另外，LN 渗入既有混凝土表面可以与其中的f-CaO 反应生成硅酸盐凝胶，进而封闭表层孔径较小的毛细孔，提高表面致密程度，达到进一步提高憎水效果的目的。初步确定烷基硅酸盐和 LN 做为水性有机硅类渗透防护增强材料的主要组成部分。
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3.1 渗透防护增强材料的基本性能研究 ............................ 70
3.1.1 研究方法 ............................................ 71
3.1.2 基本性能对比研究 .................................... 72
第四章 西部地区环境下的既有混凝土渗透防护增强耐久性研究 ........... 91
4.1 混凝土配合比设计 .......................................... 91
4.1.1 原材料 .............................................. 91
4.1.2 水灰比确定 .......................................... 91
第五章 表面渗透防护增强机理分析.................................. 133
5.1 表面渗透增强机理 ......................................... 133
5.1.1 基于表面渗透的关联性分析 ........................... 133
5.1.2 基于表面浸润理论的渗透机理 ......................... 139
第五章 表面渗透防护增强机理分析
5.1.1 基于表面渗透的关联性分析
（1）水泥砂浆表面渗透的相关性研究
研究多孔材料表面渗透性能与孔结构以及强度之间的关联性。混凝土和砂浆等多孔材料中的孔结构可分为凝胶孔和毛细孔，影响渗透的最主要是毛细孔[72]，毛细孔的多少和水渗性能相关，根据低表面能的材料的吸入量，可以判断毛细孔的多少。采用干扰因素相对较少的水泥砂浆试块来进行分析，通过水泥砂浆试块在四种不同类型的渗透防护增强材料的渗透性能，来研究渗透和表面孔结构的关系。
通过上述实验可以看出，由于上述研究所用的水泥砂浆试块都为相同的水胶比，其渗透性并非和胶凝材料的多少、强度的高低线性相关，而是在水泥砂浆胶砂比为 1:2 时渗透性最低，其次为 1:1 水泥砂浆试块，1:3 最易渗透，这一结果说明，水泥砂浆试块的表面渗透性能并不是胶凝材料所占比例越大越好，而是主要由其胶凝材料和集料之间形成的孔隙和水分蒸发造成的孔隙起决定性因素。在相同水灰比的情况下，集料过少，则水泥浆体越稀，浆体中由于水分蒸发造成的毛细孔隙增多，水渗性加大，耐久性降低，反过来，集料过多，则水泥浆体难于将集料完全包裹，造成集料和浆体之间的毛细孔隙和大孔增多，抗水渗性依然增大，从而导致耐久性的下降。
400X 显微镜下的照片可以看出，胶砂比为 1:1 的水泥砂浆试块内部比较均匀，存在大量毛细孔隙，而胶砂比为 1:2 和 1:3 的水泥砂浆试块孔结构以大孔较为显著，1:3 大孔更为突出，可以明显看出其中的集料间隙，由下图 5.6 的 SEM 图也可以看出这种规律，1:1 水泥砂浆中毛细孔隙显著，而 1:3 水泥砂浆当中大孔更为突出，致密、均匀程度最高也就是总体微观条件下可观察到有害孔隙最少的是水胶比为 1:2 的水泥砂浆试块。
由上可以看出混凝土、水泥砂浆等多孔材料的表面渗透性能和表面孔结构相关性胜于以胶凝材料含量为表征的强度，也就是说，目前的高强混凝土并不能够阻止水份的渗透，防护的意义依旧重要。容重与孔隙的多少关联最为密切，通过研究容重与渗透的关联性，可以了解孔隙对渗透性的影响。研究不同胶砂比的水泥砂浆试块的容重和渗透性的相关性，下图 5.7 为研究渗透性能时所用的水泥砂浆基准试块的容重。
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影响既有混凝土的耐久性的原因主要可分为化学作用、物理作用和机械作用，除机械作用是由冲击、磨损等引起以及物理作用中的温差属于热量的传递过程外，其它影响既有混凝土耐久性的原因都与水有关，水是既有混凝土有害物质的最主要载体，不仅传递土壤和其他环境中Cl-、盐类、微生物等有害物质，而且传递溶于其中的大气环境有害气体，如：CO2、SO3等，而且碱-集料反应过程所引起的体积膨胀力和冻融过程中产生的循环张力也受到水份的直接作用影响。对既有混凝土结构表面进行渗透防护处理，就是利用既有混凝土表面多孔多相的特性，通过表面渗透方式来增进既有混凝土表面的防护能力，既可以对和环境介质直接接触的既有混凝土表面起到防护作用，又能有效地防止水份和水载有害离子侵蚀的侵入到既有混凝土内部，从而阻止和延缓既有混凝土结构的劣化进程，延长其在役期限，降低后续维修的费用，对提高既有混凝土耐久性具有积极意义。
本文旨在研究通过渗透方式来提高既有混凝土的综合防护性能，与涂覆厚质防护涂料不同，渗透防护不存在与基材的粘接问题，故不存在防护层脱落的失效现象，是新一代既有混凝土耐久性增强手段。本文分别研究了水性、膏状、乳液型、溶剂型四种不同类型的渗透防护材料，再经过四种渗透防护材料的综合性能对比，利用模糊聚类法分析手段，研究出以溶剂型渗透防护材料做为底涂层，乳液型渗透防护材料做为面涂层的复合渗透防护技术。研究了在砂浆试块表面经复合渗透防护和单一防护的效果对比验证了复合渗透防护的合理性，经模拟的西部耦合环境因素条件下的劣化研究结果表明，复合渗透防护可增强既有混凝土的耐久性，并能经得起西部地区环境的考验，达到延长服役期限的效果。
本文的主要研究成果和创新点体现在如下几个方面：
（1）既有混凝土表面液体渗透与气体渗透基础理论的对比研究。通过研究既有混凝土与环境中的水和水载化学物质的迁移规律发现，既有混凝土表面有害物质渗透，液体渗透符合渗流理论，满足Darcy 定律，而气体渗透符合扩散动力学，满足Fick第二定律，通过进一步分析发现，液体渗透过程中毛细吸收量S进一步可表述为与吸收时间t的平方根以毛细吸收系数A作为常数的线性方程，而既有混凝土中的液体的渗透深度H与吸收时间t的平方根之间也存在这样一个以渗透系数B为常数的线性方程，即符合“时间开方定律”；基于Fick定律的有害气体侵蚀模型，经推导发现，其有害气体侵蚀系数同样也满足“时间开方定律”。既有混凝土满足多孔多相材料表面易渗透的特点，侵害程度会随时间推移而显著增强，既有混凝土的有害物质侵蚀与水的传输密不可分，通过控制表层水的传输，可根本性地提高混凝土的耐久性能。
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参考文献（略）
本文编号：44365
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/44365.html
