矿物掺合料与聚合物水泥防水涂料对混凝土抗氯离子侵蚀能力的影响

矿物掺合料与聚合物水泥防水涂料对混凝土抗氯离子侵蚀能力的影响

李漠1 王莉华2
（1 上海三瑞化学有限公司；2 上海港湾工程质量检测有限公司）

随着高速铁路的快速发展，我国东部沿海与西部内陆地区高速铁路的建设达到了空前的规模，但东部沿海海水和西部腐蚀性土壤中都含有大量的氯离子，而氯离子侵蚀是威胁钢筋混凝土结构耐久性的重要因素之一[1]，现对高速铁路混凝土的耐久性提出了更高的要求，因此研究高速铁路混凝土抗氯离子侵蚀性能已刻不容缓。从混凝土本体出发，混凝土的渗透性与其密实度及孔隙特征密切相关。由于降低水灰比和掺加高效减水剂的办法对提高混凝土抗氯离子渗透性能的作用有限，而矿物掺合料可以有效地细化混凝土孔隙结构、改善界面区和增加混凝土密实度，大幅度地改善混凝土的抗氯离子渗透性能，是目前提高混凝土抗氯离子侵蚀性能的有效措施之一[2]。另外，氯环境中应用表面涂层简单易行，成本低廉，并且能够有效阻隔氯离子的渗入，还可明显减少氧气、水分、二氧化碳等有害介质渗入混凝土中，从而降低钢筋的腐蚀速度。近年来混凝土表面涂层材料如环氧涂层、有机硅和聚合物水泥防水涂料等在重大防腐蚀工程得到广泛应用。本文采用ASTM C1202-97 的电通量法，试验研究了不同掺量矿物掺合料、表面刷涂聚合物水泥防水涂料以及两种方法结合对混凝土抗氯离子渗透性能的影响，并对矿物掺合料改善混凝土抗氯离子渗透性能的作用机理作了深入的分析。

1 试验
1.1 试验材料
⑴矿物掺合料
①粉煤灰（FA）：Ⅰ级粉煤灰，勃氏比表面积440m2/kg；
②矿渣（SLG）：宝田S95 矿渣，勃氏比表面积500m2/kg；
③硅灰（SF）：挪威硅灰，用BET 法测得的比表面积达23000m2/kg。
三种矿物掺合料的化学成分见表1。
表1 三种矿物掺合料的化学成分

⑵聚合物水泥防水涂料（JS）：聚合物水泥（JS）复合防水涂料是由液体组分和固体组分组成的双组分水乳型防水涂料，其中液体组分主要是丙烯酸酯乳液（PAM），采用上海三瑞企业的Vivid-402 丙烯酸弹性聚合物乳液，并添加有各种助剂，固体组分则是无机粉料，水泥是其主要成分。配方表见表2。

⑶水泥（C）：安徽宁国水泥厂生产的海螺牌P·O42.5 普通硅酸盐水泥，勃氏比表面积350m2/kg。水泥的主要物理化学性能见表3。

⑷砂：河砂，细度模数为2.7 的中砂，密度为2.65g/cm3,含泥量为1.5%。
⑸粗骨料：选用质地坚硬、表面粗糙、级配良好的碎石， 粒径为5～25mm， 含泥量<0.2% ， 表观密度为2.7g/cm3。
⑹外加剂：上海三瑞企业生产的Vivid-500 聚羧酸盐高效减水剂，减水率大于25%。
⑺水：自来水。

1.2 试验方案
试验采用固定原拌混凝土的砂率Sp=40%、水胶比0.4，通过调整减水剂的掺量控制混凝土的塌落度，对比试验研究单掺粉煤灰、矿渣掺量分别为20%、40%和60%或硅粉掺量分别为5%、10%和15%对混凝土抗氯离子渗透性能的影响。另外，取空白混凝土及粉煤灰掺量为40%的混凝土在表面涂聚合物水泥防水涂料，对比试验研究聚合物水泥防水涂料及与粉煤灰共同作用对混凝土抗氯离子渗透性能的影响。混凝土的配合比设计见表4。

1.3 试验方法
⑴试块制备及养护方法。用强制式搅拌机搅拌，混凝土试块尺寸为Ф100×50mm，标准养护至规定龄期，用于涂聚合物水泥防水涂料的试块为21 天，其余均为28 天。
⑵聚合物水泥防水涂料涂层方法。在涂防水涂料之前，要对试件表面进行修补和处理。清理试件表面后要保证试件表面无明水即可进行涂覆。乳液和粉料按1:2的质量比混合，混合均匀后，分多次涂于试件成型面，使得涂膜的厚度为1～2mm。涂覆防水涂料后，在标准条件下继续养护至28 天，用于渗透性试验。
⑶混凝土抗氯离子渗透性能测试方法。采用ASTMC1202-97[3]，即直流电通量法，根据电通量的大小，判断混凝土的抗氯离子渗透能力。
2 试验结果及分析
2.1 矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响
⑴粉煤灰：单掺粉煤灰，掺量分别为20%、40%和60%的混凝土6 小时电通量的试验结果见图1。

由图中的试验结果可知，空白混凝土试件的6 小时电通量为2291C，分别掺入20%、40%和60%粉煤灰的混凝土的6 小时电通量分别为2012C、1324C 和1241C。这充分说明了粉煤灰可大幅度提高混凝土的抗氯离子渗透能力，而粉煤灰掺量对混凝土的抗氯离子渗透性能有较大的影响，随着粉煤灰掺量的增大，混凝土的氯离子渗透性能逐渐提高。对比空白试样，掺量为20%时，混凝土电通量降低幅度仅为12%、渗透等级仍为“中”；掺量增加到40%时，电通量值大幅度下降至空白试样的58%，混凝土的氯离子渗透等级也从“中”降为“低”；继续增大掺量到60%，电通量值变化不大，减小为空白试样的54%，混凝土的氯离子渗透等级仍为“低”。故就提高混凝土的抗渗性而言，40%应为粉煤灰的最优掺量。
⑵矿渣：单掺矿渣，掺量分别为20%、40%和60%的混凝土6 小时电通量的试验结果见图2。

由图中的试验结果可知，分别掺入20%、40%和60%矿渣的混凝土的6 小时电通量为1306C、868C 和673C。这充分说明矿渣可大幅度提高混凝土的抗氯离子渗透能力，且随着矿渣掺量的增大，混凝土的抗氯离子渗透性能逐渐提高。当矿渣掺量分别为20%、40%和60%时，混凝土的电通量值依次下降至空白试样的57%、38%和29%，渗透等级也降为“低”、“极低”和“极低”。
⑶硅灰：单掺硅灰，掺量分别为5%、10%和15%的混凝土6 小时电通量的试验结果见图3。

由图中试验结果可知，分别掺入5%、10%和15%硅粉的混凝土6 小时电通量为527C、409C 和259C。这充分说明了硅粉对混凝土的抗氯离子渗透能力的巨大改善作用，同时硅灰掺量对混凝土的抗氯离子渗透性能也有一定的影响，随着硅灰掺量的增大，混凝土的氯离子渗透性能逐渐提高，但提高的幅度不大。当矿渣掺量分别为5%、10%和15%时，混凝土的电通量值下降至空白试样的23%、18%和11%，渗透等级均降为“极低”。
⑷三种矿物掺合料对混凝土的氯离子渗透性能的改善效果对比。
三种矿物掺合料对混凝土6h 电通量值影响的试验结果见图4。

由试验结果可知，在适当掺量范围内按其改善混凝土渗透性能的作用大小排序为：硅粉＞矿粉＞粉煤灰。粉煤灰掺量增大到40%以上时，可使混凝土的氯离子渗透等级降为“低”；矿渣掺量增大到40%以上时，可使混凝土的氯离子渗透等级降为“极低”；而硅粉掺量在5%、10%和15%时，混凝土的渗透等级均为“极低”。
2.2 聚合物水泥防水涂料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响
表层刷涂聚合物水泥防水涂料对混凝土电通量影响的试验结果见图5。

由试验结果可知，表面刷涂聚合物水泥防水涂料混凝土试件的6h 电通量为685C，相比空白混凝土试件的6h 电通量为2291C，聚合物水泥防水涂料可使混凝土的电通量降至30%，渗透等级降至“极低”。
综上所述，在混凝土表层刷涂聚合物水泥防水涂料，可大大提高其抗氯离子渗透能力，是改善混凝土抗氯离子渗透性能的有效方法之一。

2.3 矿物掺合料和聚合物水泥防水涂料共同作用对混凝土抗氯离子渗透性能的影响
试验选取掺量为40%粉煤灰的混凝土作为矿物掺合料的代表，在其表面刷涂聚合物水泥防水涂料，研究两者共同作用对混凝土电通量的影响，试验结果见图6。

由试验结果可知，掺加粉煤灰和表面刷涂聚合物水泥防水涂料后混凝土的电通量为372C，相比空白混凝土的电通量为2291C，两者共同作用的混凝土电通量降至空白混凝土的16%，渗透等级降为“极低”；且两者共同作用的混凝土电通量远低于单掺40%粉煤灰混凝土（1324C） 或单独刷涂聚合物水泥防水涂料混凝土（685C）。
综上所述，采取掺加粉煤灰和表面刷涂聚合物水泥防水涂料两者结合的方式可使混凝土的抗氯离子渗透性能大大提高，且优于单一方式。

2.4 矿物掺合料改善混凝土抗氯离子渗透性能的作用机理分析
混凝土中氯离子的渗透性能由两个基本因素决定，一是混凝土对Cl- 渗透的扩散阻碍能力；二是混凝土对Cl- 的物理或化学结合能力，即固化能力。混凝土对Cl- 渗透的扩散阻碍能力主要受制于混凝土的孔隙率及孔径分布。有关研究表明[4]，水化产物Ca(OH)2 由于晶体粗大、稳定性极差、很容易遭到氯盐等侵蚀介质腐蚀，是影响混凝土耐久性的重要因素。粉煤灰、矿渣和硅粉等矿物掺合料的火山灰效应，使Ca(OH)2的生成数量减少，并改善其在水泥石- 集料界面过渡区上的富集与定向排列，从而优化了界面结构，同时生成了数量更多的具有更高强度、更高稳定性的低碱度水化硅酸钙凝胶。水化产物的改善以及矿物掺合料的填充效应使水泥石和界面结构更加致密，大大降低了混凝土的孔隙率，减少了孔径尺寸，阻断了渗透通路“贯通孔（水泥石中的贯通孔、集料中的贯通孔、水泥石和集料界面的贯通孔是Cl- 渗透的三个主要途径）”的形成，从而提高了混凝土对Cl- 渗透的扩散阻碍能力。Cl- 在混凝土中以三种方式存在：化学结合（Cl- 和C3A 生成Friedel 盐[5]）；物理吸附（Cl- 被C-S-H 凝胶所吸附）；游离形式。混凝土对氯离子的固化能力既影响渗透速率，又影响水中自由Cl- 离子的结合速率。由于矿物掺合料本身较强的初始固化能力和二次水化反应产物的物理化学吸附固化作用，混凝土对氯离子的固化能力得到较大的提高，从而降低了Cl- 在混凝土中的渗透速度，提高了混凝土的抗氯离子渗透能力。

3 结论
⑴单掺矿物掺合料（粉煤灰、矿粉、硅灰）可以显著地提高混凝土的抗氯离子的渗透能力，渗透等级可由“中”降至“低”或“极低”，改善效果随着掺量的增加而增加，改善能力为硅灰＞矿渣＞粉煤灰。
⑵聚合物水泥防水涂料对提高混凝土的抗氯离子渗透性能有显著的作用。
⑶矿物掺合料与聚合物水泥防水涂料复合作用，对混凝土的抗氯离子渗透性能的提高效果更明显。
⑷对矿物掺合料改善混凝土的氯离子渗透性能的作用机理分析表明：矿物掺合料从两方面改善了混凝土的抗氯离子渗透性能。一方面矿物掺合料的火山灰效应，使水化产物Ca(OH)2 的数量减少、低碱度的C-S-H凝胶增加，及其填充效应共同作用，改善了水泥石及集料之间的界面结构，降低了混凝土的孔隙率，减少了孔径尺寸，提高了混凝土对Cl- 的扩散阻碍能力；另一方面矿物掺合料本身较强的初始固化能力和二次水化反应产物的物理化学吸附固化作用，混凝土对氯离子的固化能力得到较大的提高。●