渗透型防水涂料渗透深度的试验研究
朱方之1，赵铁军2，王振波1，罗海艳1
( 1． 宿迁学院建筑工程系，江苏宿迁223800; 2． 青岛理工大学，山东青岛266033)
混凝土结构因耐久性不足而过早失效以致破坏崩塌的事件在国内外时有发生，其后果不仅导致巨大的经济损失，还可能引发严重的生态、社会问题。因此，对于已经服役的建筑物和构筑物，采用混凝土表面防水、防腐薄膜涂料、阴极保护剂或电化学除盐等“附加措施”，以提高结构或构件抵抗环境作用的能力至关重要。
硅烷类防水涂料是渗透性防护涂料的一种，能够提高被涂覆水泥基的防水、耐候、耐酸、耐磨等性能，是目前桥梁、隧道、水工和海工结构混凝土表面防护的一种“附加措施”，其表面防护效果与涂料产品的类型、涂布量、吸收时间、混凝土表面性能、湿度以及防水施工工艺等有关，归根结底与硅烷类防水涂料终在混凝土表层的渗透深度有关。对此，国内外学者进行了大量的硅烷渗透深度影响因素方面研究，较为一致的看法是，硅烷用量越多、吸收时间越长、混凝土孔径分布越粗化、施工时环境的相对湿度越低，硅烷渗透深度越大。众所周知，混凝土是由粗细骨料、水泥、水以及各种矿物掺合料配置而成，在细观层次上，混凝土并不是一种匀质的材料。因此，水泥基体类型、浇筑成型表面以及表层混凝土劣化状况对渗透深度均有一定的影响，为此，本研究探讨了以上3 个因素对硅烷类防水涂料渗透深度的影响规律。
1 试验
1. 1 防水涂料
试验选用的防水材料由德国公司提供，是以烷基烷氧基硅烷为主的外涂凝胶防水剂( StoCry1 HG200) ，密度为0. 96 g /cm3，硅烷含量75% ～ 100%，产品具有抗老化、透气性好、附着力强等特点，适用于各种基材。
1. 2 防水材料涂覆方法
水泥基材料的配合比如表1 所示。
2. 2 混凝土成型表面
浇筑100 mm × 100 mm × 100 mm 的立方体试块，3 个试块为1 组。试块在标准养护室中养护28 d 后，取出在实验室环境下晾干。用细砂纸仔细打磨试块涂覆面，以清除不利于硅烷渗透的灰尘、油污等污染物，再用饮用水冲洗后，放置于实验室内自然干燥7 d，以确保硅烷涂覆前表层混凝土达到干燥状态。实际的工程结构在进行硅烷涂覆施工时，可以根据涂覆面积计算所需的防水材料，采用毛刷蘸取后在试件表面均匀涂刷。本试验中试块的涂覆面较小，为避免毛刷吸附防水材料而导致用量不准确，采用的涂覆方法是将立方体试块被涂面朝上置于水平桌面上。根据设计的用量称取硅烷凝胶，用刮刀在被涂面上均匀刮涂，所有用量均为一次刮涂完成。
1. 3 防水涂料渗透深度测试方法
目前，测试硅烷渗透深度方法主要是利用防水层的憎水性，即在硅烷涂覆7 d 后，用石材切割机从中部将试块切开，放入50 ℃ 的电热鼓风干燥箱中烘48 h，后在劈裂面上喷涂一层水，颜色变灰白的区域厚度为硅烷的渗透深度。每种情况下取3 个试块为1 组，沿每个试块边测6 组数据，取3 个试块数据的平均值作为硅烷渗透深度终结果。
2 结果与讨论
2. 1 水泥基基体类型
制作水泥净浆、水泥砂浆和混凝土3 种水泥基试块。在试块的侧表面采用100 g /m2、200 g /m2、300 g /m2和400 g /m2 4 种硅烷凝胶用量涂覆。图1为水泥净浆、砂浆和混凝土试块喷水后硅烷渗透形成的憎水区域。图2 为实测的3 种水泥基材料憎水层深度与硅烷用量的关系曲线。
由图1 可见，水泥基材料类型对硅烷凝胶的渗透深度影响明显。对相同的硅烷凝胶用量，渗透深度大小顺序为混凝土＞ 水泥砂浆＞ 水泥净浆。随着硅烷凝胶用量的增加，混凝土和水泥砂浆的渗透深度逐渐增加，而水泥净浆基体的渗透深度基本不受硅烷凝胶用量的影响。当硅烷凝胶用量在400 g /m2 时，混凝土的渗透深度达到5. 77 mm，水泥砂浆基体的为4. 42 mm，而水泥净浆基体的渗透深度仅为1. 37 mm。一般来说，硬化后的水泥浆体结构致密，而粗细骨料的添加所形成的浆－ 骨界面增大了基体对硅烷的吸收能力。因此，实际工程中采用渗透型涂料进行表面防护时，应根据水泥基体种类不同，选用适宜的涂覆用量。但是，对水泥净浆基体材料，很难通过增加涂料用量达到理想的防水层厚度。
实际工程结构进行防护处理时，要根据防护部位选取不同表面涂覆渗透型涂料，如除冰盐环境下板的浇筑面和底面，海洋环境下梁的侧面和底面，柱的侧表面。此外这些构件浇筑时，施工( 振捣、泌水等) 使得粗骨料在空间分布上呈现出不均匀性，混凝土在垂直成型面方向上由外到内粗骨料体积含量逐渐增加，骨料个数逐渐增多，因此骨料分布不均匀性将影响渗透型涂料的渗透深度。
为了解成型表面对硅烷渗透深度的影响，对同一试块选取成型面、底面以及2 个相对的侧面涂覆相同用量的硅烷凝胶，在硅烷凝胶涂覆完成7 d 后进行硅烷渗透深度测试。设计3 种硅烷用量，试验结果如表2 所示。
实测的数据表明，凝胶硅烷用量相同时，其在不同表面渗透深度的关系为: 浇筑面＞ 侧面＞ 底面。如果取试块侧面的渗透深度为单位1，那么浇筑面的渗透深度为1. 02 ～ 1. 34，浇筑底面渗透深度为0. 64 ～ 0. 71。随着硅烷凝胶用量的增大，浇筑面和侧面渗透深度的差异越来越小，如用量为300 g /m2 以上时，两者几乎相等。一般在浇筑顶面5 mm 范围内，骨料分布少，主要分布的是水泥砂浆。根据水泥基材料类型对渗透深度影响的研究，浇筑面渗透深度应小于侧表面的渗透深度，而实际结果恰恰相反。这主要是因为试块振动成型时，由于泌水等原因导致浇筑面部位水灰比偏大;而养护的时候浇筑面水分散失较快，从而使得浇筑面部位混凝土密实性差，硅烷反而更容易被毛细吸收。但是随着硅烷用量的增大，表层混凝土孔隙完全被硅烷渗透，毛细孔吸附力下降，所以硅烷渗透的深度和侵入速度随之减缓，与侧表面渗透深度差异减小。浇筑底面骨料相对较多，骨料的存在阻碍了混凝土对硅烷的吸收，导致浇筑底面的渗透深度较小。
表层被硅烷凝胶渗透的区域称为防水层。防水层的均匀性也是影响渗透型涂料防护效果的重要因素。测试发现，浇筑面形成的防水层为均匀，试件的底部由于粗骨料的阻碍，降低了硅烷凝胶的吸收效果，形成的防水层均匀性差。众所周知，工程结构中的梁板构件，受力钢筋一般布置在构件底部。因此，构件底部混凝土的表面防护效果更应引起工程设计和施工人员的重视。为获得较好的表面防护效果，可适当提高构件底部混凝土渗透型涂料的用量，或者改进施工工艺，采用分层涂覆，以增加构件底部混凝土对涂料的有效吸收等。
2. 3 冻融损伤状况
混凝土的吸附能力取决于表面区域的毛细孔占总孔隙的比率。对遭受冻融循环作用的表层混凝土，无论是混凝土孔隙率，还是孔隙结构的尺寸与特征都发生劣化，从而有利于表层混凝土对硅烷凝胶的毛细吸收。试验前，先将B 配比试块分别冻融25 次和50 次，再进行硅烷防水处理。在硅烷涂覆过程中，可以发现冻融循环为0 次和25 次的混凝土，涂覆面在较长时间内保持“镜面”效果; 而冻融循环为50 次的混凝土，无论硅烷用量为多少，硅烷很快被吸收，在较短时间内即失去“镜面”效果。图3 灰白部分为冻融损伤混凝土表面处理后形成的憎水区域。可以看出，冻融损伤越大，硅烷凝胶用量越多，硅烷渗透的区域( 灰白部分) 越大。尤其是冻融循环50 次，硅烷用量为300 g /m2 和400 g /m2的混凝土，硅烷渗透范围显著增大。
图4 为实测冻融损伤混凝土憎水层深度与冻融循环次数的关系曲线。
图4 为实测冻融损伤混凝土憎水层深度与冻融循环次数的关系曲线。
由图4 可见，实测的渗透深度和喷水显色区域呈现相同的规律，即随着混凝土冻融损伤的增大，渗透深度近似线性增加。当硅烷凝胶用量从200 g /m2 增加到300 g /m2 时，硅烷渗透深度增加的幅度较大; 从300 g /m2增加到400 g /m2 时，增加的幅度明显变小。这表明当表层混凝土孔隙完全被硅烷渗透时，混凝土毛细吸附力下降，硅烷侵入的速度随之变缓，渗透深度不会显著增加。
3 结语
渗透型防水材料渗透深度是评价表面处理后防护效果的重要指标。不同水泥基材料类型、混凝土成型表面以及表层混凝土劣化状况，渗透深度差别很大。在实际工程结构表面防护施工时，建议结合混凝土状况进行试涂，以确定佳的防水涂料用量和合理渗透深度。
