内掺金属皂类防水剂对混凝土防水和抗氯离子效果研究

内掺金属皂类防水剂对混凝土防水和抗氯离子效果研究

姜蓉，张鹏，赵铁军，王龙军
（青岛理工大学土木工程学院，山东青岛266033）

0 引言
混凝土是一种多孔材料，其孔径在纳米至毫米级。若其表面与水溶液接触，溶液会通过毛细作用吸附到混凝土的表层，并进一步渗透到混凝土内部；同时，溶液中的有害物质，如氯离子、硫酸根离子等也容易被水分运送到混凝土内部，给钢筋混凝土结构带来严重的锈蚀危害[1]。目前，国内外已广泛采用渗透型防水剂对混凝土进行表面防水处理[2]，但是采用这种传统的处理方法，防水剂的渗透深度非常有限，在一些特殊情况的防水效果不是很理想。如果能将防水剂作为砂浆或混凝土的一种组分掺入其中，则其防护效果会更好，这种处理方式即为内掺防水处理。本文主要采用4 种不同类型、2 种不同掺量的金属皂，将其加入到混凝土拌合物中加以比较，测试并研究内掺金属皂对混凝土抗压强度、毛细吸水系数以及抗氯离子侵入能力的影响。

1 试验
1.1 原材料与试件制备
本试验混凝土试件的水灰比为0.5，详细配合比见表1。

试验所用原材料均来自青岛本地，其中碎石的最大粒径为25mm，砂的细度模数为2.9，属于中砂，水泥为山水牌42.5 级普通硅酸盐水泥，减水剂为聚羧酸高效减水剂。金属皂防水剂掺量为水泥、石子和砂子总质量的百分比。
试验选用LIGA ZINKSTEARAT 502、LIGA ZINKSTEARAT101、LIGAPHOB ZN 101 PLUS 和LIGACALCIUMSTEARAT860 等4 种类型的金属皂，每种类型金属皂掺量有0.5%和1.0%两种，与未掺加任何防水剂的素混凝土试件做对照试验。

4 种类型金属皂的性能[3]如下：
（1）LIGA ZINKSTEARAT 101：主要产自石灰岩水泥石膏，由高比表面沉淀物沉淀而成，有很好的长期有效性，是一种疏水、无电抗的作用物，用量为0.1%～1.0%。为了确保使用效果，必须有足够的时间搅拌干砂浆。其中，硬脂酸锌是低灭藻剂。
（2）LIGAPHOB ZN 502：硬脂酸锌的一种，可改善砂浆流动性。对比LIGA ZINKSTEARAT 101，干混砂浆更容易搅拌，且用量稍高。
（3）LIGACALCIUMSTEARAT 860：硬脂酸钙的一种，白色粉末，不溶于水，遇强酸分解为硬脂酸和相应的钙盐，长期热稳定性好。
（4）LIGAPHOB ZN 101 PLUS：硬脂酸锌的一种，白色粉末，不溶于水，利用硬脂酸锌溶于苯而硬脂酸钙不溶于苯的性质，就可以区分硬脂酸锌和硬脂酸钙。
试验开始时，将金属皂加入到混凝土拌合物中，搅拌均匀后在100 mm×100 mm×100 mm 的钢模中振捣成型，为了不影响金属皂的防水效果，在浇注时不使用脱模剂。混凝土成型48h 拆模，将立方体试块放入标准养护室[（20±3）℃，RH≥90%]养护。将试块分成2 部分，一部分在28 d 测试其抗压强度，另一部分14 d 后取出，沿试块顶面（混凝土成型时的上表面）中线切成相等的两半，再继续养护14 d。

1.2 吸水性和氯离子侵入试验
为了研究混凝土的毛细吸水性能，试验前先将试件置于60 ℃烘箱内烘干5 d 至质量基本恒定；随后对除与水接触面和切割面的其余4 个侧面全部用石蜡密封，以确保整个吸水过程是一维的；试件放入平底容器中，底部用垫块支撑，试件顶部低于液面（5±1）mm；在规定的吸水时间（0、1、2、4、8、12、24、36、72 h）取出试件称量，得到混凝土试件在不同时间内的吸水量。氯离子侵入的试验装置同毛细吸水试验类似，只是将水换成5%浓度的NaCl 溶液，浸泡28 d 后，将试件取出烘干磨粉。将磨好的粉末用氯离子滴定法测试试件中氯离子的含量；同时采用傅里叶转换红外光谱仪（FT-IR）测试内掺金属皂试件中硬脂酸盐的含量。

2 试验结果与讨论
2.1 金属皂掺量对混凝土抗压强度的影响
4 种防水剂的型号和掺量以代号和数字表示：a 代表LIGAPHOB ZN 502，b 代表ZINKSTEARAT 101，c 代表LIGACALCIUMSTEARAT 860，d 代表LIGAPHOB ZN 101PLUS；代号前数字表示防水剂掺量，0 代表掺量为0.5%，1 代表掺量为1.0%，如掺量为0.5%的LIGAPHOB ZN 502金属皂表示为0a；未掺加金属皂的混凝土用B0 表示。金属皂掺量对混凝土抗压强度的影响见图1。

图1 金属皂类防水剂对混凝土抗压强度的影响
从图1 可以发现，在混凝土拌合物中掺入金属皂类防水剂后，混凝土28 d 抗压强度相对于未掺防水剂的混凝土均有所下降（约降低45%）。但是，掺不同种类金属皂试剂的混凝土抗压强度差别不大。这说明金属皂防水剂延缓了水泥的水化速度，致使水化产物减少，故强度相应降低，并且金属皂掺量越大，混凝土抗压强度降低的幅度越大。因此，单从机械性能来看，金属皂的掺量不宜超过1.0%，并且也不宜用于早期强度要求高的工程。

2.2 金属皂类防水剂对混凝土毛细吸水的影响（见图2）

图2 金属皂类防水剂对混凝土毛细吸水量的影响
从图2 可以看出，掺加金属皂后试件的吸水量大大降低，约为素混凝土吸水量的1/4（除了0a）。混凝土的防水性能通常由混凝土的毛细吸收系数或渗透系数来评价。在混凝土的吸水过程中，假设混凝土各向同性、吸收过程是一维的，则水的吸收量与吸收时间的平方根应呈线性关系[4]，即符合“时间开方定律”，用式（1）表示：
 （1）
在式（1）中，毛细吸收系数A 实际不是不变的，由于边界效应，它将随着毛细吸收时间的增长而逐渐减小。A 取决于吸收的液体和孔结构，可用式（2）[4]表示：
（2）
如果材料的Φ≥π/2 时，A 的值为0 或负数，在这种情况下，水只受静水压力作用进入到混凝土孔结构中。值得一提的是，防水混凝土孔结构部分水的摄入不是纯毛细吸水，而是局限性毛细吸水和水蒸气传输相结合的过程。由于这个原因，我们称这些数值为毛细吸水表观系数或吸水系数。内掺防水剂混凝土的许多毛细孔是疏水的，严格来说是阻碍混凝土的毛细吸水能力。可以假设混凝土部分吸收的水分以水汽的形式进入到多孔结构中，然后在疏水的纳米孔中凝结，这样就可以决定毛细吸收系数。
通过式（1）对试验数据进行线性拟合，确定混凝土毛细吸收系数A，所得数值见表2。

由表2 可以看出，金属皂加入到素混凝土中后，明显降低了毛细吸水系数，掺量为0.5%的金属皂比掺量为1.0%的同类型金属皂毛细吸水系数相差不大。研究表明，金属皂掺量明显低于1.0%时均有较好的使用效果[5]。这是由于低浓度时，硬脂酸盐与混凝土内部作用表面越容易发生反应，毛细吸收系数迅速降低，内掺防水效果越好。需要指出的是，混凝土内掺防水处理并不能绝对阻止水的进入，仍有少量水侵入到混凝土中，这是因为[6]：（1）对于金属皂类防水剂，高比表面是衡量混凝土防水效果的一项重要指标，决定材料具有疏水的特性，但并不能完全阻止水分的进入；（2）防水处理只轻微影响混凝土的透气性，水仍能以水蒸气的形式向混凝土中扩散；（3）混凝土表面粗糙不平，在一些较大的孔洞中仍能够进入少量水。在干燥过程中，硬脂酸盐随着水分迁移到混凝土表面，在接近表面的一薄层有相对较高的聚合浓度，使混凝土具有防水效果，而超过这一层可能只有局部的防水效果。当深度超过3 mm 时，4 种类型的防水混凝土聚合性硬脂酸盐浓度很低，曲线趋于平缓。对4 种类型金属皂类防水剂掺量为1.0%的混凝土中硬脂酸盐含量用FT-IR 进行测定，结果见图3。

图3 金属皂类防水剂种类对混凝土中硬脂酸盐含量的影响
由图3 可以看出，在试件表面的硬脂酸盐含量相对较高，防水效果好，测量结果与试验预期相符。

2.3 金属皂类防水剂混凝土抗氯离子侵入性能（见图4）

图4 混凝土在5%NaCl 溶液中浸泡28 d 后的氯离子含量
从图4 可以看出，内掺金属皂类防水剂混凝土中氯离子含量与素混凝土中的氯离子含量相比大幅降低，前者在10mm 深度时已达到一个低值，在0.15%以下；而后者在25 mm深度时仍在0.15%，表明内掺金属皂类防水剂后，阻止或延缓了氯离子的侵入。大部分混凝土中氯离子的最高含量并不在混凝土表面，而是从表面开始迅速上升到最高值，然后逐渐下降到最低值。氯离子最高含量在混凝土内大约2 mm 处，这是由于混凝土中的溶液蒸发导致的。试件放入5%的NaCl 溶液中浸泡28 d 后，然后在实验室中自然放置一段时间，再进行氯离子含量分析。由于实验室内较干燥，使得混凝土表面孔隙中水分逐渐蒸发，造成孔隙中剩下溶液的氯离子浓度提高，加速了表面氯离子向内部孔隙扩散，因此，氯离子含量最高值不在混凝土表面。而且同类型金属皂相比较，掺量为1.0%比掺量0.5%的混凝土试件氯离子渗透量要小。另外，混凝土经过防水处理后，不能完全抵制氯离子的侵入[7]。从毛细吸收试验结果可知，防水处理不能绝对阻止混凝土的毛细吸水，虽然有一部分水是以水蒸气形式运输的，不能运输氯离子，但是仍有少量水是被金属皂无法处理的孔隙吸入的，吸入的盐溶液把溶于其中的氯离子带到混凝土中。此外，混凝土表面也存在较大的孔洞，经测量最大孔洞直径约2mm 左右[8]，即使防水处理后盐溶液也能慢慢进入这些较大的孔洞。

3 结语
（1）与素混凝土相比，添加金属皂类防水剂混凝土的抗压强度降低，并且掺量越大，抗压强度降低的幅度越大。
（2）内掺金属皂类防水剂后，可大大降低混凝土的毛细吸水量，约为素混凝土的1/4；但是内掺防水处理并不能绝对阻止水的进入。
（3）对于内掺金属皂类防水剂混凝土内部的硬脂酸盐含量，在接近表面层有一薄层区域具有相对较高的浓度；当深度超过3 mm 时，浓度较低。
（4）内掺金属皂类防水剂在能保证防水的同时，也有效抑制氯离子的侵入，掺加金属皂后的混凝土在10 mm 深度处氯离子含量已降到0.15%以下，而素混凝土在25 mm 时含量仍为0.15%。