硅烷防护对C50混凝土抗氯离子渗透性能的影响

王益逊，刘海生，姚悦，雷笑，吉伯海

（河海大学土木与交通学院，江苏南京210098）

硅烷防护对C50混凝土抗氯离子渗透性能的影响

王益逊，刘海生，姚悦，雷笑，吉伯海

（河海大学土木与交通学院，江苏南京210098）

通过对2组混凝土强度等级为C50的混凝土立方体试块进行氯盐盐雾侵蚀对比试验，从质量损失和氯离子含量变化的角度，研究了硅烷防护对氯盐盐雾干湿循环作用下不同矿物掺合料配比的混凝土抗氯离子渗透性能的影响。结果表明，干湿循环条件下相同侵蚀时间内，涂覆硅烷的试件质量损失较没有防护措施的试件要小；随着粉煤灰和矿粉的比例增大，涂覆硅烷的试件各层氯离子含量和没有防护措施的试件呈现相同的变化趋势，但使用硅烷作为防护措施时，有效抑制了氯离子渗透，各层氯离子含量约为没有防护措施的试件的50%。

氯盐盐雾；混凝土；硅烷防护；矿物掺合料；质量损失；氯离子含量

0 引言

潮汐区混凝土结构受海水干湿循环影响，耐久性及使用寿命遭到极大削弱。氯盐对混凝土的干湿循环侵蚀是复杂的物理化学过程，物理侵蚀表现为氯盐的结晶侵蚀，化学侵蚀是指氯离子对混凝土中胶凝材料的腐蚀作用[1-2]。朱蓓蓉等[3]认为氯盐会促进混凝土中Ca（OH）2的溶出与C-S-H凝胶分解，生成膨胀性复盐CaCl2·Ca（OH）2·H2O，从而破坏Ca（OH）2和C-S-H凝胶之间的平衡，而复盐主要集中在混凝土表面，因此表面C-S-H凝胶的分解和复盐的膨胀必然导致混凝土表层溃散，达到一定程度后会使混凝土材料出现疏松、脱皮等现象，影响混凝土强度，严重时将导致混凝土开裂。

提高硅酸盐水泥混凝土抗氯离子腐蚀性能的措施包括两个方面：1）对于来自混凝土内部的氯离子。不同的水泥对不同的侵蚀介质具有不同的抗腐蚀能力，应当选用与腐蚀类型或程度相适应的水泥品种，严格控制拌合带入的氯离子含量。2）外部的氯离子都是通过混凝土的孔隙进入内部

的。选用适当的水灰比和掺合料，最大限度提高混凝土本身密实性，或者在混凝土表面涂覆抗渗涂层如环氧、硅烷等方式提高混凝土的抗渗性，延缓钢筋腐蚀。涂覆硅烷防护层的方法能提高结构中混凝土抗氯离子侵蚀的性能，又不对混凝土的力学性能产生影响，具有良好的使用前景[4]。添加矿物掺合料的混凝土是多相复合材料，受氯离子侵蚀后产生多种难溶的盐类矿物，破坏规律会随掺合料的不同而发生改变[5]。因此，有必要对添加矿物掺合料的混凝土涂覆硅烷前后的抗氯离子性能进行研究。

目前，对混凝土受氯离子干湿循环侵蚀的研究多集中在对硅烷种类、浸渍技术的探讨，矿物掺合料配合比对硅烷抗氯离子性能影响的研究并不多。据此，本文通过室内试验模拟干湿循环作用下添加不同矿物掺合料配合比的混凝土受氯离子侵蚀过程，以混凝土质量损失和氯离子含量为主要指标，从不同侵入层的角度分析硅烷防护对提高混凝土抗氯离子干湿循环侵蚀的效果。

1 试验过程

1.1 试验原材料及配合比

混凝土试件的配合比如表1所示。其中水泥采用中国水泥厂生产的金宁羊P·II42.5级水泥；矿物掺合料为镇江谏壁Ⅰ级粉煤灰，杭钢紫恒公司生产的S95级矿粉；细集料采用赣江中砂，细度模数为2.90；粗骨料为湖北阳新产石灰石，表观密度为2 700 kg/m3；拌合用水为普通自来水；减水剂为具有缓凝效果的聚羧酸高效减水剂；硅烷采用张家港市国泰华容化工新材料公司生产的WRG-908型硅烷膏体；混凝土的坍落度均在180 mm左右。由于临海地区的桥梁结构受氯离子侵害严重，故采用C50混凝土开展试验。

1.2 试验方法

试验采用100 mm×100 mm×100 mm试件，养护至28 d龄期后取出，在55℃的烘箱里烘干48 h。待试件温度降至室温后，在机械天平上分别称量其质量，然后在所有立方体试件的6个面中，选取一个非成型面作为盐雾腐蚀面，其余5面用环氧树脂涂覆，以形成单面渗透的试验条件，并在每种配合比的10个试件中取5个试件，在暴露面上用刷子涂覆硅烷，涂刷量为300 mL/m3。涂覆后放入（20±2）℃、湿度为（60±2）%的恒温恒湿室静置7 d。5种配合比混凝土试件的抗压强度平均值分别为53.91 kPa、52.06 kPa、60.47 kPa、56.96 kPa、58.65 kPa。

将试件放入交变式盐雾试验箱中，保持暴露面与盐雾沉降方向成30°角。盐雾为5%的NaCl溶液，开始循环试验。以24 h为一循环，其中0.5 h升温，8 h在35℃条件下喷盐雾，15.5 h为在55℃的烘箱中进行干燥。每种配合比试件分别在30 d，60 d，90 d，120 d，150 d盐雾侵蚀后取出试件擦去表面的盐溶液，送烘箱烘干后，再次分别称量其质量，然后劈成两半，依次从距离试验暴露面0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm、15～ 20 mm分层钻取混凝土粉末试样，研磨至全部通过0.63 mm的筛并进行滴定测试氯离子含量。

表1 混凝土配合比Table1 Concrete mix proportion

2 试验结果分析

2.1 试件质量变化分析

随着干湿循环作用的进行，氯离子对试件的侵蚀作用进一步深入，促进了混凝土内部胶凝材料的腐蚀，混凝土内部结构构造产生松弛、微裂缝和剥蚀等。由于混凝土内部发生龟裂，经过多次干湿循环后导致表面产生劣化，从而出现剥蚀与崩裂，由此各试件的质量也随之降低。利用机械天平分别称量了每组试件试验前后的质量变化，并对比了相同矿物掺合料配合比下涂覆硅烷与未涂覆硅烷试件的质量变化。试验结果如表2所示。

氯盐盐雾干湿循环对混凝土具有一定的破坏作用，经过腐蚀后的试件质量有所降低，且未添加掺合料的混凝土质量减少最为明显。涂覆硅烷

的试件质量损失相对于没有防护措施的试件要小，这是由于氯盐盐雾干湿循环下混凝土破坏的诱因是氯离子的侵入[2]，硅烷防护层减少了氯离子的渗透量，降低混凝土遭到破坏的程度，但质量损失的多少与侵蚀时间在本试验中不存在定量关系。

2.2 无硅烷防护下氯离子渗透性能分析

将经过不同侵蚀循环次数的混凝土试块取出，分层钻孔滴定，可以得到样品各层中氯离子的含量。图1给出了每30 d后，距离侵蚀面0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm和15～20 mm深度处的氯离子含量变化曲线。从图中可以看出，混凝土内部各层的氯离子渗入量基本符合Fick第二定律[6]，且渗入量随着侵蚀时间的延长而逐渐增多。

表2 干湿循环试验前后混凝土试块质量变化Table2 Mass changes ofspecimens before and after dry-wet cycle experiments

图1 5组试件各深度处氯离子含量Fig.1 Chloride content of 5 concrete samples atdifferentdepth

图2 为每30 d，各试件不同深度处氯离子含量变化曲线。可以看出，混凝土内氯离子含量随着取样深度的增加而降低，且降低十分明显，在150 d以前，10 mm深度之下几乎没有氯离子存在。随着粉煤灰和矿粉的比例增大，各层氯离子含量呈现先减小后增大的趋势，且侵蚀150 d时，当粉煤灰和矿粉等量掺加时，各层氯离子含量只有不掺掺合料组的30%～50%；当粉煤灰和矿粉的掺加比例为1∶2或2∶1时，氯离子的渗入量相差不大；当单掺粉煤灰，取代水泥的量达到40%时，涂覆硅烷的试件内部氯离子含量与普通混凝土试件内部氯离子含量相仿，对混凝土的抗氯离

子性能影响甚微。按试验显示的变化趋势，倘若继续增大粉煤灰的取代量，则不但无法抑制氯离子的渗透，甚至可能起到负面作用。

添加矿物掺合料能够减小氯离子的扩散。配合比2、3、4试件的各层氯离子含量均小于配合比1和5，氯离子含量随侵蚀时间延长而衰减，且配合比3具有最小的氯离子含量。因为粉煤灰具有“微集料效应”[7]和“火山灰效应”[8]。“微集料效应”指粉煤灰中存在粒径很小的微珠和碎屑，在水泥中相当于未水化的水泥颗粒。极细小的微珠相当于活泼的纳米材料，能明显改善和增强混凝土及制品的结构强度，提高匀质性与致密性。“火山灰效应”指与水泥的水化产物Ca（OH）2发生反应，生成具有凝胶性质的C-S-H，能对混凝土起到增强作用，并堵塞混凝土中的毛细组织，同时吸附一部分氯离子，而且对氯离子具有固化作用。而与掺入矿粉和粉煤灰效果类似，水泥熟料水化生成的氢氧化钙和掺入的石膏作为矿渣微粉的碱性激发剂和硫酸盐激发剂，并与矿渣微粉中的活性组分发生相互作用，生成水化硅酸钙、水化硫铝酸钙或水化硫铁酸钙，还可能形成水化铝硅酸钙等水化产物，而水化硅酸钙等能够充填孔隙，降低孔隙率。

2.3 硅烷防护下氯离子渗透性能分析

采用硅烷膏体作为防护措施的试件表层氯离子含量与普通试件氯离子含量对比结果如表3所示，其中P代表普通混凝土试件，Si表示硅烷混凝土试件，其余符号意义与前文相同。

干湿循环条件下相同侵蚀时间内，随着粉煤灰和矿粉的比例增大，涂覆硅烷的试件各层氯离子含量和没有防护措施的试件呈现相同的变化趋势。但通过表3可以得出，用硅烷作为防护措施时，有效抑制了氯离子渗透，各层氯离子含量约为不使用防护措施的试件的50%。这是由于硅烷的有效成分是正/异辛基三乙氧基硅烷，将其均匀喷涂到干净的混凝土结构表面上，能够缓慢液化并通过毛细孔渗透到混凝土内部几毫米深处，与混凝土基材中的碱性物质作用，生成稳定的网状

有机硅树脂憎水薄膜，并不影响混凝土的透气性，从而有效阻挡水分和水分所携带的有害物质渗入混凝土内部，抑制钢筋锈蚀和混凝土腐蚀的发生，显著提高混凝土结构的耐久性和使用寿命[9]。

图2 同一试件各深度处的氯离子含量Fig.2 Chloride contentofthe same sample at different depth

表3 腐蚀后的硅烷试件与普通试件氯离子含量对比Table3 Comparison of chloride ion content between silane specimens and without silane after corrosion %

3 结语

1）干湿循环条件下相同侵蚀时间内，随着粉煤灰和矿粉的比例增大，涂覆硅烷的试件各层氯离子含量和没有防护措施的试件呈现相同的变化趋势，即氯离子含量均逐渐减小。

2）通过腐蚀后的硅烷试件与普通试件的质量损失对比表可以看出，涂覆硅烷的试件质量损失较没有防护措施的试件要小，表明涂覆硅烷的试件抗氯离子渗透性能更好。

3）通过腐蚀后的硅烷试件与普通试件表层氯离子含量对比图可以看出，使用硅烷作为防护措施时，有效的抑制了氯离子渗透，各层氯离子含量约为不使用防护措施的试件的50%。

[1]余璟.干湿循环条件混凝土内氯离子输运模型的试验研究[D].武汉：华中科技大学，2007. YU Jing.Experiment research of transport model of chloride in concrete under cycles ofwetting and drying conditions[D].Wuhan: Huazhong University ofScience and Technology,2007.

[2]阎西康，冀轶超，李志猛.模拟大气中氯离子在混凝土中扩散的盐雾试验研究[J].混凝土，2010（2）：32-34. YAN Xi-kang,JI Yi-chao,LI Zhi-meng.Salt fog experiment research on diffusion of simulation of atmosphere chloride ions permeating into concrete[J].Concrete,2010(2):32-34.

[3]朱蓓蓉，杨全兵，黄士元.除冰盐对混凝土化学侵蚀机理研究[J].低温建筑技术，2000（1）：3-6. ZHU Bei-rong,YANG Quan-bing,HUANG Shi-yuan.Mechanism ofattack of the deicer on concrete[J].Low Temperature Architecture Technology，2000(1):3-6.

[4]谢志明.滨海盐雾环境下硅烷浸渍对混凝土结构的保护探讨[C]//全国桥梁耐久与防灾安全设计技术研讨会论文集.2010：150-167. XIE Zhi-ming.Protection ofsilane impregnation to concrete structure in coastal environment of salty[C]//Proceedings of national bridge durable and disasterdesign techniques,2010:150-167.

[5]ZHANG Feng-chen,MA Bao-guo,WU Sheng-xing,etal.Effect of fly ash on TSA resistance of cement-based material[J].Journal of Wuhan University of Technology:Materials Science Edition,2011, 26(3):561-566.

[6]LUPING T，GULIKERS J.On the mathematics of time-dependent apparentchloride diffusion coefficient in concrete[J].Cement and Concrete Research,2007,37(4):589-595.

[7]赵庆新，孙伟，郑克仁，等.粉煤灰掺量对高性能混凝土徐变性能的影响及其机理[J].硅酸盐学报，2006，34（4）：446-451. ZHAO Qing-xin,SUN Wei,ZHENG Ke-ren,et al.Influence offly ash proportion on creep characteristics of high-performance concrete and its mechanism[J].Journalofthe Chinese Ceramic Society, 2006,34(4):446-451.

[8]蒲心诚，杨长辉.粉煤灰水泥硬化过程中的火山灰效应[J].房材与应用，1996，24（4）：10-15. PU Xin-cheng,YANG Chang-hui.The pozzolan effectin the hardening process of fly-ash cement[J].Housing Materials&Applications,1996,24(4):10-15.

[9]马志鸣，赵铁军，管庭，等.混凝土表面硅烷处理对冻融、氯离子侵蚀后钢筋锈蚀的影响[J].材料保护，2014，47（8）：75-77. MA Zhi-ming,ZHAO Tie-jun,GUAN Ting,etal.Effectofsurface silane treats in rebar corrosion of freeze-thaw and chloride corrosion[J].Materials Protection，2014,47(8):75-77.

Effect of silane treatment on chloride ion penetration resistance of C50 concrete

WANG Yi-xun,LIU Hai-sheng,YAO Yue,LEIXiao,JIBo-hai
（College ofCiviland Transportation Engineering,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu 210098,China）

A chlorine salt spray erosion contrast test was carried out on 2 groups of concrete cubes with C50 compressive strength.From perspective of mass loss and chloride ion content changes,we studied the effect of silane treatment on chloride ion penetration resistance of concrete with different content of mineral admixtures under dry-wet cycle.The results show that the mass loss of specimens with surface silane treatment is less than those without silane treatment in the same corrosion time under dry-wet cycle;with the increasing proportion of fly ash and slag,the changes of chloride ion content of specimens with and without surface silane treatment have the same tendency.Yet the chloride ion content of specimens with surface silane treatment is up to 50%of those without surface silane treatment as the silane can suppress the chloride ion penetration effectively.

chlorine salt spray;concrete;silane treatment;mineral admixtures;mass loss;chloride ion content

U654；TU528.33

A

2095-7874（2015）12-0021-05

10.7640/zggwjs201512005

2015-07-20

2015-08-13

江苏省交通科学研究计划项目（2011Y32-2）

王益逊（1994—），男，江苏泰州人，桥梁工程方向。E-mail：531849819@qq.com