(論文)滲透型有機硅防水防護劑在上海中環(huán)路防撞墻上應用效果研究

1工程概述 上海市中環(huán)路貫穿浦西浦東，介于內(nèi)環(huán)和外環(huán)之 間，全長72 km，8車道寬，為設計時速80 km的城市 快速道路，是滬嘉高速中環(huán)路翔陰路隧道五洲 大道滬崇高速交通大動脈的構(gòu)成部分。 設置在中環(huán)路兩側(cè)及往返行車方向的中間隔離 帶（防撞墻），幾何尺寸為上底200 mm、下底480 mm， 高800 mm的不等邊梯形， 采用C45鋼筋混凝土結(jié) 構(gòu)，保護層厚度為23 cm。 鑒于以往混凝土使用成膜型涂料進行防護存在 的問題，市政部門決定采用不改變防撞墻本來顏色的 附加性保護措施，以達到既有長期的防護效果又有自 然質(zhì)感的設計目標。 經(jīng)專家論證、對多家投標方案和 樣板進行比較，并經(jīng)公開招投標，上?；莅钐胤N涂料 有限公司生產(chǎn)的“捷邦125C”滲透型有機硅防水防護 劑以技術(shù)標、商務標第一的分數(shù)中標，承擔了對中環(huán) 線浦西段土建施工完畢的38 km長、約38萬m2面積 的防撞墻進行防水防護表面處理的施工任務，大部分 標段的大面積施工在2005年至2006年完成。 本文著重對該滲透型有機硅防水防護劑的作用 機理和在該防撞墻工程上應用效果的評估方法和結(jié) 果作一介紹。 2影響鋼筋混凝土耐久性的主要因素與滲透型有機 硅對混凝土的防水防護機理 2.1影響鋼筋混凝土耐久性的主要因素 鋼筋混凝土自身結(jié)構(gòu)和水泥水化產(chǎn)物的化學組 成，決定了其在使用過程中易受到外界環(huán)境多種因素 的影響而導致性能下降。 1）凍融。 混凝土是含有一定孔隙率的人造石材， 其孔隙的多少與混凝土的配制、施工有關(guān)。 混凝土表 面對水而言具有很大的表面張力，因而水可以很容易 地鋪展開來并通過毛細管壓力向其內(nèi)部滲透。 滲入 混凝土內(nèi)部的水在冰點以下環(huán)境溫度結(jié)冰， 產(chǎn)生膨 脹，經(jīng)長時間多次重復的凍融和膨脹作用，混凝土產(chǎn) 生裂紋并擴展成裂縫，裂縫形成后水的滲入更加容易 又加劇了這種凍融破壞作用。 2）碳化，即混凝土中性化。 空氣中的CO2與水泥 水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生化學反應生成CaCO3，導致混 陳嘉林，劉義興 （上海惠邦特種涂料有限公司，上海200081） 摘要上海中環(huán)路混凝土結(jié)構(gòu)防撞墻采用了滲透型有機硅防 水防護劑作防護處理。 介紹了該滲透型有機硅防水防護劑的 作用機理和在該防撞墻工程上應用效果的評估方法和結(jié)果。 關(guān)鍵詞混凝土結(jié)構(gòu)；防水防護；滲透型有機硅；應用效果評估 文章編號 1007-497X（2009）-02-0012-05 中圖分類號 TU761.1+1 文獻標識碼 A Effectiveness of using permeable silicone waterproof protec- tive agent in the collision walls of Shanghai Zhonghuan Road/Chen Jialin, Liu Yixing Abstract The permeable silicone waterproof protective agent was used in the collision walls of Shanghai Zhonghuan Road as pro- tection. The article introduces working mechanism of the agent and its effectiveness including the way of judgment. Key words concrete structure; waterproof protection; permeable silicone; judgment of effectiveness 滲透型有機硅防水防護劑在上海 中環(huán)路防撞墻上應用效果研究 研究與應用 1292 凝土pH值下降，從而失去對內(nèi)部鋼筋的保護。 3） 硫酸鹽。 大氣 中的SO3與水泥 水 化 產(chǎn) 物 Ca（OH）2反應生成的CaSO4，鹽漬土地區(qū)的硫酸鹽， 都可以同水泥凝膠物C3A發(fā)生反應生成鈣礬石，其 體積成倍增加，這也是導致混凝土開裂的原因。 4）Cl-作用。 混凝土中的鋼筋銹蝕是電化學過程。 混凝土的中性化破壞了鋼筋表面的鈍化膜，形成原電 池，導致鋼筋腐蝕。Cl-離子的存在（如化冰鹽），起到 去極化作用，增加了溶液的導電性和電位差，加速了 腐蝕的進行。 5）苔蘚地衣。 混凝土具有吸水性，特別是在多雨 高濕地區(qū)或潮濕環(huán)境，這為苔蘚地衣的生長創(chuàng)造了條 件。 苔蘚地衣是微生物繁殖和生長的溫床，微生物所 帶來的酸性環(huán)境也構(gòu)成了對混凝土的破壞。 上述所列的引起混凝土破壞的因素中，水或者起 了關(guān)鍵作用， 或者只有水存在時才可能發(fā)生破壞，因 此減少水對混凝土的侵蝕，就可以極大地改善混凝土 的耐久性13。 2.2滲透型有機硅對混凝土的防水防護機理 當液體與固體表面接觸后，界面會發(fā)生分子間的 作用，固體表面張力與液體表面張力差值越大，固體 表面就越容易被液體潤濕，兩者之間的關(guān)系可以通過 粘附功、 潤濕功和鋪展系數(shù)來表達。 通過楊氏方程， 將不易測得的固體表面張力與液體的浸潤角聯(lián) 系起來，其關(guān)系式為： 粘附功：W粘= 氣-液（1+cos ） 潤濕功：W潤=氣-液cos 鋪展系數(shù)：S鋪=氣-液（cos -1） 液體能在固體表面鋪展， 必能對固體表面潤濕， 也能對固體表面粘附。 水能夠在混凝土表面鋪展，是 其浸潤角值極小的緣故。采用有機硅對混凝土表面 進行防護后，使原空氣混凝土界面被空氣有機硅 界面替代，這樣就改變了表面張力。 由于有機硅的表 面張力約為35 mN/m,遠較水的表面張力72 mN/m 低，當水與此新界面接觸時，其潤濕角90，表現(xiàn)出 憎水性能，水無法潤濕混凝土，出現(xiàn)類似荷葉上的水 珠效果。 滲透型有機硅防水防護劑是由低聚合度的 硅氧烷或硅烷或兩者的混合物組成，具有良好的滲透 性，可以滲入混凝土的毛細孔內(nèi)部，對毛細管壁進行 潤濕鋪展，使原來親水的毛細管變得憎水；當毛細管 與水接觸時，由原來的凹液面變?yōu)橥挂好?，毛細管?附加壓力P的作用方向就會發(fā)生改變，使水不能進 入混凝土內(nèi)部4。 其示意見圖1。 3有機硅防水防護劑在防撞墻上的應用效果評估 2008年春節(jié)期間，上海遇到了罕見的雪雨氣候， 大雪覆蓋了整個中環(huán)路，緩慢融化的積雪對混凝土形 成長時間的滲透。 為檢驗使用（最長）時間達3年的 “捷邦125C” 滲透型有機硅防水防護劑的應用效果， 上海惠邦公司委托同濟大學材料科學與工程學院對 采用有機硅防水防護劑處理的防撞墻的防水效果進 行了測試評估。 本次測試選擇在春節(jié)后1個月無雨的7天，混凝 土處于正常吸水狀態(tài)。 3.1測試方法 考慮到中環(huán)路防撞墻的工程特點,參照德國混 凝土防護技術(shù)規(guī)范 （ZTV-SIB 90）中規(guī)定的現(xiàn)場非 鉆心取樣的評價方法， 采用Kasten量瓶測量混凝土 吸水量隨時間的變化情況，計算出滲透參數(shù)。 目前國 內(nèi)也普遍采用這種方法對混凝土進行現(xiàn)場測試5。 3.2測試點的選擇和測試時間的確定 為全面了解滲透型有機硅混凝土防水防護劑的 應用效果,本次測試評估選取中環(huán)路防撞墻2005年 施工的2.6標段、2006年施工的1.1標段、2007年施 工的4.1標段3個測試點，每個測點設置3個Kasten 量瓶，采用防水粘結(jié)材料將其與混凝土防撞墻側(cè)面固 圖1混凝土毛細孔吸水示意 P凹 P凸 P P凹 P凸 P 未作有機硅防水防護處理 作有機硅防水防護處理 研究與應用 中國建筑防水 92 13 圖2Kasten量瓶 表混凝土防撞墻的吸水量測試數(shù)據(jù) 標段 不同時段的吸水量/mL 0 h2 h4 h8 h24 h48 h 1.1標段未作防護處理00.851.242.095.3410.89 1.1標段作防護處理00.0440.050.150.4130.665 2.6標段作防護處理00.05 0.575 4.1標段作防護處理050.30.65 定與密封，24 h注水至“0” 刻度，并滴加礦物油防止水 分蒸發(fā)（注水后的Kasten量 瓶見圖2）， 然后分別于2、 、 h時間間隔記錄 Kasten量瓶的液面刻度。 出 于對比的需要， 在206年 竣工尚未作防水防護處理 的防撞墻上也設置了相應 的測點。 33測試結(jié)果 表列出的是各標段不同時段Kasten量瓶區(qū)域 內(nèi)混凝土防撞墻的吸水量數(shù)據(jù)。 3.4防水效果評價 目前對混凝土輔助防護效果的評價通常采用以 下幾個規(guī)范：JTJ/T 2752000海港工程混凝土結(jié)構(gòu) 防腐蝕技術(shù)規(guī)范、JTG/T B07-012006公路工程混 凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范和ZTV-SIB 90混凝土表 面保護技術(shù)規(guī)范（德國）。 前2個標準對滲透型有機 硅處理效果的現(xiàn)場評價均需要鉆心取樣，然后在試驗 室環(huán)境下在規(guī)定時間段進行吸水情況測試，如海工規(guī) 范規(guī)定的時間為0140 min。 這雖然與我們采用的試 驗方法有較大區(qū)別，但并不影響我們采用這些規(guī)范的 評價方法對本次測試作評估和進行橫向比較。 3.4.1按JTJ/T 2752005規(guī)范評估 參照JTJ/T 2752005的試驗方法， 將不同測試 時間的吸水量mL數(shù)折算成吸水高度mm， 以吸水高 度為縱坐標，以時間的平方根為橫坐標作圖，取相關(guān) 直線的斜率為吸水率值，各標段的吸水高度與時間關(guān) 系及相關(guān)直線的斜率值見圖36。 按照JTJ/T 275規(guī) 定， 在140 min測試時間， 試樣吸水率值0.5 DIN 4108-3建筑物風雨作用 下的防護性能 密不透水的2.0 研究與應用 中國建筑防水 92 15 表5各組試樣的平均吸水系數(shù) 試樣 平均吸水系數(shù)/ kg/（m2h0.5） 吸水系數(shù) 相對值/% 1.1標段未作防護處理試樣0.653100 1.1標段作防護處理試樣0.04156.36 2.6標段作防護處理試樣0.03375.16 4.1標段作防護處理試樣0.03495.34 后防水性提高了2個等級；按照DIN 4108-3標準評 估，未經(jīng)和經(jīng)過滲透型有機硅防水防護劑處理的混凝 土分別屬于拒水和阻水等級，相比之下處理后防水性 提高了1個等級。 4結(jié)語 根據(jù)以上測試數(shù)據(jù)和間接采用有關(guān)規(guī)范對混凝 土防水防護處理效果的評估結(jié)果， 可以得出結(jié)論，滲 透型有機硅對混凝土的防水防護效果是明顯的。 原 因有三： 其一，有機硅是以SiO為主鏈、以有機烷烴 為支鏈的一類半有機無機聚合物，由于SiO具有 較高的鍵能 （其鍵能可達452 kJ/mol， 而CC只有 360 kJ/mol），因此具有更高的耐老化和耐腐蝕性。 其二，滲透型有機硅防水防護劑不同于涂膜型材 料，它可以通過混凝土孔隙、毛細孔滲透到混凝土內(nèi) 部，該材料的低表面張力和極小的粒徑更增加了滲透 能力。 當結(jié)構(gòu)受到外界環(huán)境作用， 例如暴雨擊打、陽 光曝曬時，表層混凝土對滲入的有機硅還起到了屏蔽 作用。 我們可以看到這樣一種現(xiàn)象：用滲透型有機硅 防水防護劑處理后的混凝土結(jié)構(gòu)，由于粗糙的表面沉 積了較多的灰塵， 潑水后出現(xiàn)潤濕吸收和攤鋪的現(xiàn) 象， 造成被保護的結(jié)構(gòu)表面憎水效果已經(jīng)喪失的錯 覺，但只要用力擦去灰塵，憎水功能依然顯著，在平面 還能看到水珠滾動的現(xiàn)象，混凝土結(jié)構(gòu)的拒水功能仍 有很好的保持。 隨著有機硅滲透深度的增加，外界環(huán) 境對有機硅的影響進一步減弱，這也是滲透型有機硅 防護效果可以長久保持的重要原因。 其三， 從滲透型有機硅材料的組成結(jié)構(gòu)上來說， 其支鏈上的烷氧基如甲氧基或乙氧基易水解，生成不 穩(wěn)定的硅醇鍵，硅醇鍵易與水泥水化產(chǎn)物形成新的化 學鍵，和混凝土形成整體，這樣就增強了混凝土的抗 蝕能力。 采用滲透型有機硅防水防護劑對上海中環(huán)路防 撞墻混凝土結(jié)構(gòu)實施防護，施工后已歷經(jīng)3年，防撞 墻混凝土仍具有好的防水性能和效果。 這一成功案 例再次證實，滲透型有機硅防水防護劑作為混凝土的 防護是可行的。 參考文獻 1劉曉娟，顏軍，戰(zhàn)洪艷.有機硅防水處理技術(shù)及其在混凝土結(jié) 構(gòu)中的應用.中國建筑防水，2004（10）：69 2咸永珍，趙鐵軍.混凝土結(jié)構(gòu)的有機硅防水處理.上海建材， 2006（1）：6869 3趙陳超，蔡文玉，俞劍峰.高滲透型有機硅防水劑.上海涂料， 2007，45（12）：2428 4蔣正武.硅烷浸漬混凝土防水效果的現(xiàn)場評價方法.中國港 口建設，2006（5）：2729 5沈鐘，趙振國等.膠體化學與表面化學.北京化學工業(yè)出版 社，2004 6WittmannFH.Protectivecoatingswithwaterrepellent agentsA. 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