桥梁专用防水膏的技术支持(参考).doc

澳洲CPC桥梁专用防水膏硅烷膏体浸渍剂在保护混凝土中的实际应用浏览次数：28 日期：06-06-2010摘要：硅烷膏在保护混凝土中的实际应用（ 澳大利亚CPC研究中心化学博士Mr Ren）摘要 渗透型有机硅桥梁专用膏（CPC CONTREAT CREAM）成功用于保护混凝土在国外已有数十年的历史。用于保护钢筋混凝土，它可防止水分及氯离子的渗透，从而对于防止混凝土的腐蚀与破坏起到关键的作用。这种浸渍剂一般都由硅烷或硅氧烷组成。通常情况下，由于这些低粘度的液体非常容易挥发，尤其在桥梁底面及立面施工时，有效成分大量流失。为了避免出现这种情况，澳大利亚CPC研发中心成功开发了一种新型的硅烷乳膏状产品。这种材料施工简单，只需一步完成，具有很高的遮盖率，由于不流淌，活性组分不会损失。与混凝土表面接触时间长，保证了在高等级混凝土中的渗透深度，而且在其表面不会残留任何痕迹。关键词 硅树脂； 硅烷； 硅氧烷； 憎水性； 膏体浸渍剂； 表面保护； 氯离子中图分类号 TU513 文献标识码A 文章编号 1002 - 3550 （2003） 10 - 0000 00第一章 前言一、混凝土概述混凝土由于其优越的性能及其经济性和耐久性，已经成为现代工业和民用建筑、海港工程，道路、隧道以及桥梁必不可少的建筑材料。直到几年前，人们还认为混凝土对所有有害的影响因素都具有抵抗力。但许多混凝土破坏所造成的事故表明，实际情况恰恰相反：混凝土容易受到损坏，许多混凝土结构正处于危险之中1 。对混凝土的损害主要涉及到水。水分可导致纯粹的物理破坏，例如，霜冻及解冻而产生的张力。同时水还是传递腐蚀性物质（例如来自海水及道路除冰盐中的氯离子） 导致钢筋腐蚀的有害化学反应的重要媒介2 。混凝土最有效的保护方法，就是防止混凝土与水分及有害物质接触3 。近年来，硅烷等有机硅产品被认为是最适合这种用途的物质4 。在砖石建筑保护剂中，有机硅是最突出的一种，这是由于有机硅具有优异的憎水性和耐久性。能长久地抵抗物理、化学以及微生物的破坏。如果正确地选择材料，有机硅可起到长久的保护作用。用于保护混凝土的浸渍剂，通常由小分子的硅烷或者硅烷与硅氧烷的混合物组成。可以以不稀释、用有机溶剂稀释或者以水溶液的形式使用。采用这三种方式，得到的都是低粘度的液体。但在使用过程中，其活性组分容易从垂直的表面上流失。在高架桥施工中，这种现象尤其明显。对于高等级混凝土，由于其密实度很高，这些液体与混凝土表面的接触时间极短，往往才几秒中，难以达到有效的渗透。这些问题，通过乳膏状硅烷便可以迎刃而解。但是，在认识这种新产品的性能和优点之前，应该首先认识混凝土建筑材料的基本原理，主要危害因素以及保护方法。二、混凝土的破坏混凝土的严重受损，将直接威胁建筑结构的稳定性。造成混凝土破坏的一个主要原因，是环境因素对钢筋的腐蚀。新浇注的混凝土呈碱性，对钢筋起钝化作用。空气中的酸性气体，如二氧化碳，需要很长时间才能中和钢筋外面混凝土的碱性，这个过程称之为碳化。最终，这种非碱性的碳化区域，逐步达到钢筋的表面，并破坏其钝化的保护层。然后，空气中的氧气和水分，开始对钢筋造成腐蚀。由于金属铁被腐蚀之后体积急剧膨胀，导致钢筋附近的混凝土层碎裂，从而造成严重的破坏。水中溶解的盐类，尤其是氯离子，如果渗透入钢筋混凝土中，将不受混凝土酸碱性的影响，能够在极短的时间内对混凝土造成灾难性的腐蚀。因此混凝土吸收海水及除冰盐中的氯离子，码头，道路和桥梁更容易受到腐蚀破坏。三、混凝土保护一旦了解混凝土的损害机理，研究人员就可以找到非常耐久、经济的混凝土保护方法。研究目光主要集中于两种主要的表面保护过程：憎水性浸渍剂和成膜涂料（请参阅图1） 。图1 憎水性浸渍剂和成膜涂料的毛细管示意图这两种方法，都强调水分不与混凝土接触。这是因为，在混凝土吸收氯离子以及整个腐蚀过程中，水都起着关键的作用。用憎水性混凝土浸渍剂处理后，混凝土的毛细管仍然打开，对于气体以及水汽的扩散，几乎没有影响，混凝土内部的水分可释放出来，从而保持长期干燥，延缓腐蚀的发生。但是，如果采用成膜涂料，其目的是在于阻止包括引起碳化的二氧化碳在内的所有气体的扩散。目前这两种方法经常结合在一起使用，即憎水性浸渍剂作为底涂，然后表面施加成膜涂料。实践证明，硅烷类产品是理想的浸渍剂。它们具有突出的憎水性，同时不影响水蒸气的自由穿透。它们还具有优越的耐久性，交联产生的硅树脂可以与混凝土材料形成稳定的共价键连接（请参阅图2） ,从而保证有机硅对紫外线辐射、热、腐蚀性化学物质以及微生物等环境因素具有良好的抵抗力。实际工程已有10 年15 年后保护效果依然存在完好的记录。图2 硅树脂网络与毛细管表面的化学物理连接对于混凝土保护，专用有机硅产品还必须具备以下两个特性：它们必须能够渗透入高密实度的混凝土材料中，并且，在高碱度的新浇注混凝土中，它们不能分解失效。烷基烷氧基硅烷，例如辛基三乙氧基硅烷，最能满足以上要求。由于其挥发性比异丁基三乙氧基硅烷低，留在混凝土内的有效成分比例更高而倍受业内人士欢迎。该物质是无色的高度流动性液体，通常在不稀释的情况下喷淋使用。它可以与混凝土中的水分反应，释放出乙醇，形成三维交联的硅树脂，与混凝土直接形成化学连接。多年的经验表明，硅烷是效率高、经久耐用的混凝土保护剂。但是，还存在一些问题：在非常干燥的混凝土表面上（例如暴露在太阳光下，高温或者大风中） ,硅烷缺乏必要的水分，以完成交联反应。并且，相当多的活性组分将蒸发到空气中而浪费。在垂直的表面上，特别在高架桥上头顶作业时，硅烷渗透入混凝土之前，容易从混凝土表面上流掉。需要多步施工，才能将有效数量的硅烷施加到混凝土表面，达到要求的渗透深度。为了防止活性组分蒸发，有两种处理方法：一是使用硅烷和硅氧烷低聚物加催化剂的混合物，另一种方法是使用水溶液产品，而不再采用纯的硅烷。这两种方法，工程上均有良好的使用记录。为了防止硅烷浸渍剂因无法控制流动而失去活性组分，必须改变产品的总体状态。低粘度的流动性液体，必须用具有触变性的、不流淌的产品代替，这就是CPC开发硅烷桥梁专用膏体浸渍剂的动机。第二章 CONTREAT CREAM DATA SHEET (桥梁专用膏膏体浸渍剂)一、膏体浸渍剂特点毫无疑问，膏体浸渍剂是近年来混凝土保护憎水性处理领域最具革命性的创新。它的突出特点可以总结如下：保护混凝土免受霜冻，海水及/ 除冰盐的破坏；极大地降低毛细管对水分的吸收；不影响水蒸气渗透；渗透深度大；活性组分的含量高；优越的抗碱性能；低挥发性；水性环保；良好的触变性，无施工损耗；表面再刷涂层粘结性良好。物理性质PHYSICAL PROPERTIES外观：白色膏状体Appearance- White cream比重：0.9Specific gravity- 0.9PH值：7.8pH value-7.8水溶性：易溶Solubility in water- miscible闪点：63CFlash Point-63deg C二、活性组分这种膏体浸渍剂的活性组分是辛基三乙氧基硅烷，活性含量为80 %。剩下的20 %是水和少量的辅助物质，例如乳化剂。对于水性产品，活性含量能够达到80 % ,这是绝无仅有的。就算用于混凝土浸渍剂的乳液型产品，其活性含量一般也只有20 %40 %。膏体浸渍剂中的活性含量高，可保证即使其施加量很少，亦可达到要求的渗透深度。膏体浸渍剂对混凝土的保护机理，与普通的液体硅烷浸渍剂相同。硅烷与水反应，释放出乙醇，形成聚合的硅树脂网络，在毛细管的表壁上形成一层憎水性的薄膜。与液体硅烷浸渍剂相同，它对混凝土中的水蒸汽透过性影响不大。与常规硅烷浸渍剂不同，膏体浸渍剂本身已经含有一定数量的水分，以供交联反应使用。这样，在干燥的混凝土表面使用时，可防止大量的硅烷活性组分挥发损失。三、特 性：The CONTREAT CREAM treatment of reinforced concrete is a proven way of protecting reinforced concrete from corrosion caused by water and chloride ion.Contreat Cream 是一种能够加固混凝土的表面处理膏状剂。喷刷过Contreat Cream的混凝土经过测试验证，能够形成一种强大的卓越永久防水保护屏障，防止氯化物对墙体的侵蚀，风化，开裂和老化。Contreat Cream can be applied to any surface, for example overhead, vertical and horizontal. The cream remains on the surface for up to 2 hours, ensuring deep and even penetration into the concrete. Contreat Cream可以在任何角度的表面施工，比如，桥墩，路基，屋顶，垂直表面和水平表面。Cream会在表面停留2个小时以上，以确保均匀的渗透吸收至混凝土基层内部。四、施 工1. 基础须知与普通低粘度浸渍剂相比，膏体浸渍剂的最大优点是：即使在垂直的表面上头顶作业，这种材料也不会流淌，并且保证整个混凝土表面得到均匀的涂布和渗透。膏体浸渍剂最好通过无气喷涂喷到混凝土表面上。另外，对于小范围施工，也可以使用刷子、滚筒或刮刀等施工工具。通常施工一次完成。根据基材的吸收性能，在不浪费的前提下，最多用量为200-250 克/ 平方米。对于立面和头顶作业也是如此。对于吸收性能较差的高等级混凝土，一次施工用量不得超过200 克/ 平方米。如果用量过多，乳膏有可能在混凝土的碱性作用下液化，开始出现流动性。在这种情况下，可以根据要求再施工一次。但是，对于高等级混凝土，通常200 克/ 平方米就足够了。如果是使用液体产品，要达到相同的渗透深度，通常需要施工3 次以上。这样，使用膏体浸渍剂，既节约了时间，又节约了金钱。施工过程中，上了白色的膏体浸渍剂的部分，与没有上膏体的混凝土表面看上去完全不同，从而很容易区分。膏体浸渍剂涂层的厚度也很容易控制。根据混凝土的质量和施工速度，活性组分渗透到混凝土内部的时间为30 分钟到几个小时。活性组分渗透到混凝土内部之后，乳白色的膏体涂层完全消失。混凝土的外观恢复到与处理前完全相同。在采用膏体浸渍剂处理过的混凝土表面上涂覆其它涂料，就象在普通液体浸渍剂处理过的混凝土表面上涂覆涂料一样简单。2. 施工操作1） 在操作前，混凝土表面必须干净，干燥。2） 最好的施工方法是使用高压喷涂设备3） 通常，每平方需要200ML 膏状体。1公升可施工5平方米。如果混凝土的密度大，比如，50MPa，那每平方需要500ML溶剂。4） 垂直和楼顶水平表面的操作十分简单，因为膏状体不会滴落在其它表面，在大桥施工案例中，如果喷涂膏状体容量适当，不会有多余流入河流水中或海域中。即便有少量滴入海里，也不会破坏环境。APPLICATION1) The concrete surface must be clean and dry before application. 2) The Contreat Cream is best applied using airless spray equipment. One application is required 200ml per square meter.1L=5M2。 3) If concrete is very dense for example 50MPa, then apply 500ml per square meter.4) Vertical and horizontal overhead application is simplified, as the cream does not drip onto other surfaces or in the case of bridges , into the waterways or marine environment.3. 节省时间和劳动力Time saving One coat will achieve similar results as several coats of liquid waterproofing.涂一次Contreat Cream 的效果和涂刷几次液体防水剂的效果是一样的No Waste没有浪费The cream does not run off the surface, therefore there is no waste. Also there is no damage to environment with overspray into waterways or rivers when treating bridges.Cream 不会从表面上流走，因此不会产生浪费。同时，在涂刷大桥时，喷刷在大桥墙体基层的膏状体对河流和环境没有任何破坏，透明环保。WATER and CHLORIDE ION EXCLUSION TEST权威机构测试-涂喷墙体中的水和氯化物完全被排除在混凝土表面外4. 施工质量控制QUALITY CONTROL The quality control for on-site application is simplified when using CONTREAT CREAM as areas that are treated can be seen clearly.在施工现场质量控制十分简单，喷刷过的区域能十分清楚的区分，不会造成重复施工浪费。5. 渗透深度DEPTH OF PENETRATIONCONTREAT CREAM penetrates evenly and deeply into concrete. For example a coat of 500ml per square meter of 20MPa concrete can penetrate up 12mm. The penetration into 50MPa concrete is 5-7mm.Contreat Cream是均匀渗透至混凝土基层内部的。比如，将500ML膏状防水剂喷涂于1平方米的20MPa的混凝土表面，可以渗透至12MM。同样的，可渗透至50MPa的混凝土表面5-7MM。 膏体浸渍剂的配方设计，力求保证活性组分对混凝土的渗透深度达到最大，这样，可对混凝土避免吸收水分以及其它有害物质，防止霜冻，海水/ 除冰盐破坏起到最大的保护效果。具有触变性的产品的功能之一，就是其巨大的渗透深度，原因在于它保证了硅烷活性组分与混凝土表面具有很长的接触时间。高浓度活性组分对于渗透深度也有极大的帮助。除了活性组分的浓度之外，其渗透深度还取决于混凝土的质量。对于不同等级的混凝土（抗压强度分别为15MPa ,25MPa ,35MPa 以及45MPa） ,其渗透深度分别如表1 所示。憎水性和耐碱性根据德国交通部“保护及维修混凝土结构测试指南及附加技术规范”之“OS - A 级”（ZTV - SIB）”4 之规定，测试了膏体浸渍剂的憎水性和耐碱性。混凝土试块（水灰比015） 用大约200 克/ 平方米的膏体浸渍剂刷涂处理，标养14 天（温度23 ，相对湿度50 %） 。然后，将试块浸没在011 摩尔/ 升的KOH 溶液中2 天。再次取出干燥，然后在水中浸没28 天。得到试块吸收水分的变化曲线，如图3 所示4 。图3 经碱溶液浸泡后的混凝土试块的吸水率由图3 可知，膏体浸渍剂平均可将水分的吸收减少64 % ,满足德国规范的相关要求（规范要求与未处理的试块相比，其水分的吸收减少50 %） 。对混凝土试块的最大渗透深度可达到916 毫米，而液体浸渍剂则很难达到这样的渗透深度。经霜冻及除冰盐破坏后的失重情况本测试是膏体浸渍剂作为表面保护系统所必须的基本测试的一个组成部分。测试方法是根据德国交通部“保护及维修混凝土结构测试指南及附加技术规范”之“OS - A 级”（ZTV -SIB）”5 。混凝土试块（边长10 厘米，平均抗压强度3817 牛顿/ 平方毫米，水灰比016） 用大约200 克/ 平方米的膏体浸渍剂处理，14 天之后，浸没在3 %的NaCl 溶液中，然后开始冻融循环（在- 15 下维持16 小时，在+ 20 下维持8 小时） 。图4表示未经处理和经过处理的试块的的重量变化。图4 霜冻及除冰盐冻融循环后的重量变化由图4 可见，由于膏体浸渍剂的保护作用，处理过的试块经受的循环次数比未经处理的试块多20 次。而德国规范仅要求15 次。按欧洲prEN 104 规范进行测试的结果膏体浸渍剂的憎水性和耐碱性，还按照prEN104 规范进行了测试7 。混凝土试块（水灰比0145 ,抗压强度53 牛顿/ 平方毫米） 的最大骨料尺寸20 毫米，水泥掺量为360 千克/ 立方米，用200 克/ 平方米的膏体浸渍剂刷涂并按prEN 1766 之规定处理。试块处理14 天之后，开始进行测试，并得到以下测试结果。氯离子的渗透通常，密实的混凝土对于液体来说是不易渗透的。但是，氯离子的沉积和往钢筋混凝土内部的迁移却是对混凝土结构的巨大威胁。相当于水泥量013 %的氯离子含量便会对钢筋混凝土腐蚀产生造成严重的影响。C45 混凝土试块（10cm 10cm 10cm） 用膏体浸渍剂处理（用量分别为100 克/ 平方米，200 克/ 平方米，300 克/ 平方米） ,标养2 周后，置于10 % NaCl 溶液中完全浸泡10 天，定期检测溶液的吸收量（见图5） 。图5 WACKER BS 膏体浸渍剂不同用量处理的C45 标号混凝土NaCl 溶液吸收量（水灰比= 0147 ,10 % NaCl 溶液中浸泡10 天）然后，经2 天干燥后将试块中间干切成2 块。采用原子吸收光谱测定试块不同深度的氯离子含量，结果见图6 ,它提供了一个非常有价值的信息，那就是采用不同的膏体浸渍剂用量，对混凝土深层的保护的有效性的影响，这在以前的研究报道中是不多见的。图6 WACKER BS膏体浸渍剂不同用量处理的C45 标号混凝土不同深度的氯离子吸收量（水灰比= 0147 ,10 % NaCl 溶液中浸泡10 天）由上述实验我们可得出如下结论：浸渍剂用量越大，氯化钠溶液的吸入量就越小。溶液吸收曲线与吸水率的曲线相一致可以定量地测定氯离子值，建立氯离子分布曲线氯离子吸收量与膏体浸渍剂涂布量存在对应关系，从图5 可见100 克/ 平方米的涂布量降低了C45 混凝土对盐溶液的吸收，但同时从图6 可见，还是有相当数量的氯离子渗透入了混凝土内部200 克/ 平方米或者300 克/ 平方米涂布量时的结果要好得多，原因在于有足够多的硅烷来覆盖混凝土内的毛细孔壁，形成了足够数量的硅树脂对于200 克/ 平方米或者300 克/ 平方米涂布量时，氯离子的渗透仅局限于接近混凝土表面的区域。从定量的角度看，200 克/ 平方米看来是最佳的选择，再增加100 克/ 平方米的涂布量并不会将效果再提升50 %选择一个有效的混凝土浸渍剂，讨论的焦点应该从产品化学类别及价格转到真正的保护效果和定义有效渗透深度上来。正如瑞士苏黎士和中国青岛Karlsruhe 研究中心的Wittmann 教授和Gerdes 教授大量报道的，可采用FT - IR 光谱法来检测渗透深度。同时也可通过原子吸收光谱法测定氯离子分布曲线来加以实现。膏体浸渍剂工程实例最早使用新型硅烷膏体技术修复混凝土的工程之一，是瑞士St Gallen 的Frstenland 大桥。该大桥建造于30 年代，采用钢筋增强混凝土建造，但因碳化和除冰盐破坏而严重受损。还有香港青马大桥，全桥的桥墩都使用了CPC桥梁专用膏，整整使用了十八吨。效果显著进行详细的现场及材料实验室前期测试之后，瑞士的LPM2AG公司8决定采用膏体技术，来增加混凝土的憎水性。这不仅仅是因为施工上的方便，还因为膏体技术与液体浸渍剂相比，可得到最佳的渗透深度和憎水性效果。膏体浸渍剂的用量为200 克/ 平方米，活性组分平均渗透深度可达到3 毫米，对水分的吸收可减少80 %,图7 表示不同深度处的毛细管水吸收曲线。钻芯取样不同深度的毛细管水吸收曲线第三章 结论及展望许多专家认为，膏体技术由于它优越的性能，将在数年之内使混凝土保护技术发生改变甚至是革命性的进步。透过独立检测机构的测试结果以及实际应用经验表明，硅烷膏体浸渍剂显示了突出的性能。其优点包括：活性含量高；水基环保；渗透深度大；方便喷涂、刷涂或者滚涂施工；节约时间，施工一步完成；施工时，活性组分不损失；在高架桥上头顶作业时容易操作。在渗透型硅烷混凝土保护剂成功应用数十年之后的今天，膏体技术的开发成功，使该领域出现了革命性的变化。硅烷膏体浸渍剂在海港工程，桥梁，道路保护等方面，必将得到越来越广泛的推广和应用。参考文献1 Weber , H. Reinforc