基于结构的混凝土抗冻防水合金粉试验研究.pdf

研究与应用 焉 一 l l j 糍 曩 誊 誊 。 薯 萎 ㈦ 叠 曩 基 于 结 构 的涅 凝 土抗 东防水 合 金 粉 试 验 研 究 武华 民， 许闯阵， 吴法辰 河南科丽奥高新材料有限公司， 河南 郑州 4 5 0 0 0 4 摘 要 介绍 了抗冻防水抗磨混凝土外加剂 防水合金粉 的研 发背景、 生产制备 、 基本原理及性能 ， 考察 了该外加剂对混 凝土抗冻、 抗渗、 抗裂以及抗碳化性能的影响。 结果表明， 在混凝土或砂浆中掺入一定比例的此种特殊外加剂， 能有效提 高混凝 土工程的抗冻防水等性能指标。 关键词 混凝 土结构 ； 外加 剂； 抗冻防水 ； 抗碳化 文章编号 1 0 0 7 4 9 7 X 2 0 1 5 一 0 8 0 0 0 6 0 5 中图分类号 T U 5 0 2 ； T U 5 7 2 文献标识码 A Ex p e r i me n t a l S t u d y o n Co n c r e t e An t i - f r e e z e a n d W a t e r p r o o fin g Al l o y Po wd e r Ba s e d o n St r u c t ur e WU Hu a mi n， Xu C h u a n g z h e n， W u F a c h e n H e n a n C o r y Hi t e c h M a t e r i a l C o ． ， L t d ． ， Z h e n g z h o u ， He n a n 4 5 0 0 0 4 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e i n t r o d u c e s a n t i - f r e e z e ， w a t e r p r o o fi n g a n d a n t i - w e a r c o n c r e t e a d d i t i v e w a t e rpr o o fi n g a l l o y ， i n c l u d i n g i t s d e v e l o p me n t ba c k g r o un d，p r e pa r a t i o n，b a s i c pr i n c i p l e a n d p e r f o r ma n c e s ．I t a l s o i n v e s t i g a t es t he i nflu e n ce s o f t h e a ddi t i v e o n p e r f o r ma n c e s o f a n t i - f r e e z e ，a n t i s e e pa g e ，c r a c k r e s i s t a n c e a nd a n t i c a r b on a t i o n o f c o nc r e t e．Th e r e s u l t s s ho w t h a t a d d i n g a c e rt a i n p r o p o rti o n o f t h i s a d d i t i v e t o c o n c r e t e o r mo r t a r c a n e f f e c t i v e l y i mp r o v e t h e p e r f o rm a n c e s s u c h a s a n t i f r e e z e a n d wa t e rpr o o fi n g o f c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n ． Ke y wo r d s c o n c r e t e s t r u c t u r e ； a d d i t i v e ； a n t i - f r e e z e a n d wa t e r p r o o fi n g ； a n t i - c a r b o n a t i o n 混凝土是 由水泥等胶凝材料 、 颗粒状集料 、 水 ， 以 及必要时加入的外加剂和掺合料 ，按一定比例配制 ， 经均匀搅拌 、 密实成型 、 养护硬化而成 的一种人工石 材 ， 是 目前使用最广泛 、 使用量最大和最重要 的建筑 工程基本结构材料 。各种环境下建筑工程使用功能 收稿 日期 2 0 1 4 一 l 1 2 1 作者简介 武华 民， 男， 1 9 6 6年生 ， 高级 工程 师 ， 一级建造师 ， 长 期从事工程防护技术研究。 联 系地址 4 5 0 0 0 4河南省郑州市紫 金山路 5 5号 阳光铭座 A 6 0 1 。 的变化与发展 ， 对 以混凝土为主要结构的工程的高强 度 、 长耐久性 、 高抗渗防冻性 、 高抗侵蚀和高体积稳定 性等提 出了更高的要求 。随着化学外加剂和矿物外 加剂的出现 ， 混凝土技术发展迅速 ， 各式各样的高强 混凝土不断涌现 ， 并应用于各类建筑工程中 。但各 种外加剂 的研发速度和质量 ， 距离混凝土工程的现实 需求仍有较大差距 。本项 目组在分析混凝土工程建 设市场需求的基础上 ， 着眼解决制约混凝土结构安全 性 、 适用性和耐久性等的关键技术难点 ， 开展了抗冻 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与应用 曩 蕊镰 曩 曩 豫 尊 量 曩 搿 嬲 瓣 鹭 瑟 瓣 獬鳓 蘸 防水抗磨混凝土 f- ／ J H 剂合金粉 的试验研究 。 抗冻 防水抗磨合金粉 下称 防水合金粉 产品以 干粉末状存在 图 1 ， 是以纳米二氧化硅 、 氧化镁 、 氧 化铝及硅铝镁化合物为基料组成的、 具有特定分子结 构的材料，经高温高压喷射碾压复合成薄片叠加层， 再经活性剂、 促进剂 、 改性剂等作用， 利用纳米气相沉 积和飞溅镀膜技术等工艺生产而成的特种材料。防 水合金粉掺人混凝土中后 ， 可形成片状晶核 ， 呈不规 则排列 ， 可利用其憎水性阻断和阻滞混凝 土毛细管和 微裂纹中水的流动， 形成密闭锁水微观环境 ， 其中密 闭水被氢氧化钙分子吸收后可生成密实结构 ；同时 ， 利用薄片阻断混凝土中的毛细管并减少微裂纹， 减少 混凝土 中水的移动， 改进混凝土 的泌水性 、 抗裂性 、 抗 渗性 、 抗冻性 、 耐磨性 和耐久性 。本文探讨 了防水合 金粉对混凝土抗冻、 抗渗、 抗裂、 抗碳化性能的影响， 并分析了作用机理 。 图 1防水合金粉 1 实验部分 1 ． 1 原材料 ． 水泥 P ． O ． 4 2 ． 5 普通硅酸盐水泥； 石灰岩碎石 粒 径 5 1 0 m r n ； 砂 中砂 ， 细度模数 2 ． 6 ～ 2 ． 9 ； 硅粉 ， 9 5 矿粉 ， Ⅱ级粉煤灰 ， 纳米二氧化硅 ， 氧化镁 ， 硅铝镁 合 金粉， 二氯氰胺。以上原材料均为市售产品。 1 ． 2 试验方法 将防水合金粉掺人不同配比的各种混凝土、 砂浆 中 ，在标准养护条件或相同养护条件下形成试块 ， 测 试其泌水性、 抗裂性、 抗渗性、 抗冻性 、 耐磨性和耐久 性等性能。 2 结果与分析 2 ． 1 抗冻融试验 冻融破坏是影响混凝土耐久性的重要 因素之一 。 依据 G B ／ T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验 方法标准 和 G B ／ T 5 0 0 8 2 --2 0 0 9 普通混凝土长期性 能和耐久性能试验方法标准 的规定 ， 按照表 1 的配 合 比和可泵送混凝土要求制备混凝土试块 ，设置 B 0 为空 白试块 ， B 为掺加 2 ％ 质量分数 ， 下 同 防水合 金粉 的试块。相对于基准混凝土 ， 本试验用混凝土流 动性 、 保水性和粘聚性均 良好 ， 不分层离析 ， 不泌水 ， 坍落度和扩展度满足配合 比设计预定 目标 ， 可 以达到 泵送要求 。 表 1 抗冻性能试验配合比 用量／ k g 材料名称 Bl P ． 0 ． 4 2 ． 5水泥 2 4 0 2 4 0 硅灰 3 0 3 0 矿粉 1 8 D l 8 0 粉煤灰 1 2 0 1 2 O 石 膏 3 0 3 0 砂 6 3 6 6 3 6 碎石 1 1 3 2 1 1 3 2 防水合金粉 0 1 2 聚羧酸减水剂 6 6 水 1 5 6 1 5 6 抗冻融试验 以相对动弹模量下 降至不低于 6 0 ％ 或 者质量损失率 不超过 5 ％来 确定最大冻融循环次 数 ， 结果 B 。 为 2 0 0次 ， B 为 6 2 5次 。两者的相对动弹 模量和质量损失率见图 2 3 。 咖 嚣 帽 靛 ⋯ 一 专 、 ◆ - B o I tB ， ； j ． ． 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 冻融循环次数 图 2 相对 动弹模量损失 加 ∞ 舳 ∞ ∞ 加 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 喀 研 究与应用 U 5 U I U U l U 2 0 0 2 50 3 00 3 5 0 40 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 ． 冻融循环次数 图3 质量损失率 2 ． 2 抗渗透试验 混凝土的腐蚀大多是在水及有害离子侵入的条 件下发生的 ， 因此混凝土的抗水渗透 胜能是评价混凝 土耐久性 能最重要 的指标之一 。按照 J C 4 7 4 --2 0 0 8 砂浆 、 混凝 土防水剂 ， 对基准砂浆 、 掺加 C C C W 的 砂浆 、 掺加有机硅防水剂的砂浆和掺加防水合金粉的 砂浆 ， 分别检测养护 3 d 、 7 d 、 2 8 d后 的吸水量 ， 结果 见 图 4 6 。 血4 * 零 噩 Ij * 1 2 1 0 8 6 4 2 0 0 1 0 mi n 3 0 rai n 1 h 3 h 6 h 2 4 h 4 8 h 时间周期 图 4 砂浆试件养护3 d的吸水量 时间周期 图 5 砂浆试 件养护 7 d的吸水量 从图4 6 可以看出，相对于基准砂浆、掺加 C C C W 的砂浆和掺加有机硅防水剂的砂浆， 掺加防水 U l 0 mi n 3 0 ml n l h 6 h 2 4 h 4 8 h 时间周期 图 6 砂浆试件养护 2 8 d的吸水量 合金粉的砂浆吸水量更低 ，养护 2 8 d后的吸水量总 体小于养护 7 d的吸水量。 说明在防水合金粉的参与 下， 随着养护时间的增加， 水泥水化程度逐渐提高， 毛 细孑 L 隙减少 ， 砂浆密实度得到了提高 。 根据 G B ／ T 5 0 0 8 2 --2 0 0 9 标准的规定 ，采用渗透 高度法测试抗渗透性 ，为了更好地说 明试验效果 ， 压 力设 置为 2 ． 0 MP a ，恒压 2 4 h ，高于 G B ／ T 5 0 0 8 2 2 0 0 9规定 的 1 ． 2 MP a 。按照表 2的配合 比制备试块 ， 试验结果见表 3 。 表 2 抗渗透试验 配合 比 用量／ k g 材料名称 C 0 CI P ． O ． 4 2 ． 5水泥 1 8 O 1 8 O 矿粉 1 0 0 ． 1 0 0 粉煤灰 1 0 O 1 0 O 砂 7 3 5 7 3 5 碎石 1 1 O 3 1 l O 3 防水合金粉 O 3 ．8 聚羧酸减水剂 1 ．9 1 ．9 水 l 8 2 1 8 2 表 3抗渗试验结果 试 验结果 项目 C0 C1 3 d 1 4 1 ．9 8 2 ． 3 渗透 高度／ mm 2 8 d l 1 ． 1 3 ．5 项 目组还对掺加 防水合金粉的多种不 同配合 比 的混凝土试块和砂浆试块进行抗水渗透试验 ， 发现防 水合金粉可以不同程度地提高抗水渗透性能。 2 ． 3 抗裂性能 2 0 8 6 4 2 O 、 删 4 2 O 8 6 4 2 O l 1 1 O O O 0 0 2 O 8 6 4 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 混凝土体积变形 、 塑性开裂引起 的耐久性问题是 一 个 普遍性 的难题 ， 所含水分 的变化 、 化学反应及 温 度的变化 、 外荷载等 因素均能引起混凝土的体积变形 甚至开裂 。在工程实践 中， 塑性裂缝 、 体积变形同属 于混凝土早期开裂 ， 早期抗裂性能与混凝土本身及混 凝 土 所 处 环 境 条 件 均 有 密 切 关 系 。 按 照 G B ／ T 5 0 0 8 2 --2 0 0 9标准进行抗裂性能测试 ， 试件采用尺寸 为 8 0 0 mm 6 0 0 m mx l O 0 m m 的平面薄 板型标 准试 件 ， 试验模具及早期抗裂试验后的照片如 图 7所示。 经检测， 掺加防水合金粉的混凝土试块相较于空白混 凝土试块 ， 其早期抗裂性能提高一个等级 ， 混凝土早 期抗裂效果 明显。 一 一 图 7早期抗裂试验设备 左 J 和抗裂后 试件 右 J 2 ． 4 抗碳化性能 在正常的大气环境下 ， C O 与混凝土中碱性物质 的相互作用是一个复杂 的物理化学过程 。由于混凝 土 内部存在大小不 同的毛细管 、 孔 隙 、 气泡 ， 甚至缺 陷， 空气中的 C O 会渗透到混凝土的孔隙中， 与其中 的碱性物质发生化学反应， 使其碱性下降， 从而破坏 钢筋钝化膜 ， 导致锈蚀 。因此 ， 混凝土碳化是钢筋锈 蚀 的重要原因之一 ， 钢筋锈蚀膨胀导致混凝土保护层 开裂， 产生沿筋裂缝和剥落， 进而导致握裹强度减小、 钢筋受力面积减小 、 结构耐久性和承载力降低等一系 列不 良后果 。 按下述配合比 P ． 0 ． 4 2 ． 5水泥 2 4 0 k g ／ m ， 硅灰 3 0 k g ／ m ， 矿粉 1 8 0 k g ／ m。 ， 粉 煤灰 1 2 0 k g ／ m ， 石 膏 3 0 k g ／ m ， 细度模数 2 ．7的河砂 6 3 6 k g ／ m ， 防水合 金粉 6 k g C m ， 石灰岩碎石 1 1 3 2 k g ／ m ， 聚羧酸减水剂 6 k g ／ m ， ， 水 1 5 6 k g ／ m 。 ， 做混凝土抗碳化性能试验， 检 测结果见表 4 。 从表 4可以看出 ，掺加防水合金粉的混凝土试 块 5 6 d 后的碳化深度为 0 。 根据 J G J ／ T 1 9 3 --2 0 0 9 混 研究与应用 表 4 混凝土抗碳化结果 碳化龄期／ d 项 目 3 7 l l 4 2 8 5 6 碳化深度／ mm O 0 0 0 0 抗碳化等级 T V 凝土耐久性检验评定标准 的相关规定 ， 混凝土 2 8 d 碳化深度为 0 ， 抗碳化等级较高 一般公认的是 ， 2 8 d 碳化深度小于 1 0 m m的混凝土 ， 抗碳化性能 良好 。 3 防水合金粉作用机理分析 混凝土的渗透性能主要取决于混凝土 的孔结构 和骨料性能。防水合金粉掺加到混凝土中， 与混凝土 各粗细骨料均匀结合并 自由分布 ， 充分发挥粒子表面 效应和小尺寸效应 ，降低 和减少混凝 土拌合物的离 析 、 泌水 ， 改善材料堆积效果 ， 迅速增加纳米粒子 的表 面积和表面能 ；同时能促进混凝土粗细骨料间的咬 合、 链接、 扩大微观结构接触面积。水泥基料与水化 产物大量结合并 以防水合金粉为晶核在其颗粒表面 形成强度高 、 稳定性强的水化凝胶体 ， 混凝土水化过 程中的内部孔 隙变成以防水合金粉为核心的致密结 构 ， 加快水泥水化速度并提高强度 ， 形成水以及水携 带金属离子或酸根离子不能穿透 的层层薄片屏障。 防水合金粉为憎水材料 ， 微观表面形成针尖聚合 物基团层 ， 能降低憎水性基面的界面能 ， 当水珠与材 料形成几乎为点的接触的时候 ， 界面能最低 ， 相对应 接触 角就会变大 ， 疏水性变好 。在微观环境下的层层 叠加层， 表面形成不全部吻合的磨面层， 其尺寸大小 介于纳米范围内，即形成纳米数量级表面粗糙结构。 防水合金粉很大程度上阻断了混凝土内部的微裂纹 、 毛细微孔隙，同时发挥薄片层层叠加 的憎水作用 ， 增 大混凝土内部表 面张力 ， 增加流动 阻力 ， 堵塞混凝 土 内部微孔隙。 防水合金粉 中含有少量活性剂 、 改性剂 、 促进剂等 ， 经过一定的化学反应 ， 表面特殊膜层介入 混凝土微裂缝隙， 在显微镜下可见合金薄片紧密粘结 在混凝土粗细骨料界面连接处 ，形成一体 的致密结 构 ， 见图 8 。 下转第 1 3页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m