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      硅酸鋰防腐材料在橋梁混凝土中的應用研究

      2023-11-06 12:39:44謝平胡凱
      工程建設與設計 2023年19期
      關鍵詞:構造物防腐涂料硅酸

      謝平,胡凱

      (江西省公路工程監(jiān)理有限公司,南昌 330013)

      1 引言

      橋梁結(jié)構作為交通基礎建設的關鍵工程,其混凝土結(jié)構受各種氣候環(huán)境因素綜合影響,容易出現(xiàn)粉化和剝落、砂石外露和鋼筋銹蝕等劣化現(xiàn)象[1-3]。橋梁混凝土劣化現(xiàn)象常發(fā)生于濱海[4]和酸雨污染[5]等地區(qū)。近年來,國內(nèi)外學者針對混凝土劣化機理和防腐技術進行大量探討研究?;炷亮踊瘷C理方面,李榮濤和Christopher[6]指出,氯離子滲入混凝土結(jié)構內(nèi)部,破壞鋼筋表面鈍化膜保護層,引起鋼筋銹蝕,同時銹蝕產(chǎn)物擠壓混凝土膨脹變形開裂;關博文等[7]指出,硫酸根離子與堿性混凝土發(fā)生化學反應生成鈣礬石,當硫酸根離子濃度達到一定程度時,與氫氧化鈣產(chǎn)生石膏,導致混凝土體積膨脹變形,影響結(jié)構使用壽命;空氣中二氧化碳與混凝土中的氫氧化鈉反應,破壞鋼筋表面鈍化膜,同時其化學產(chǎn)物引起混凝土的膨脹變形[8]。除此之外,凍融和干濕循環(huán)[9]也是造成橋梁混凝土劣化的主要因素?;炷练栏侄沃饕ㄟ^噴灑、涂刷防腐涂層,在混凝土表面形成鈍化保護膜,以延緩有害介質(zhì)滲透到混凝土內(nèi)部,達到防腐效果。防腐涂料品種繁多,按照成分不同,可分為無機物防腐涂料、有機物防腐涂料和混合類防腐涂料[10]。傳統(tǒng)防腐涂料性能和應用范圍具有一定的局限性,如環(huán)氧涂層耐磨性、光澤、耐化學品性好,但耐候性、耐高溫性、抗劃傷性能均較差,因此,研究開發(fā)用于新型防腐涂料成為混凝土材料研究的一個熱點。目前,主要使用的新型混凝土防腐涂料中,有機涂料存在不耐紫外線、耐受壽命短、制造和使用存在一定污染的缺陷;表面滲透型涂料,如硅烷系,防護層薄,在防止中性化、脆弱部位固化、細微裂痕修補等方面存在缺陷[11]。

      基于上述研究現(xiàn)狀,本文以某高速公路為例,探索新型硅酸鋰防腐材料在橋梁混凝土中的應用成效,以期為后續(xù)研究提供支撐和參考。

      2 工程概況

      某高速公路全長142.8 km,項目投資總額約200 億元,設計速度100 km/h,路基整體寬度33.5 m。

      該高速公路地處亞熱帶丘陵山區(qū)濕潤季風氣候區(qū)。春夏降水集中,熱量豐富,雨量充沛,全年平均相對濕度80%,極端最大相對濕度100%。且沿線地處某水系河流中下游,水系發(fā)達,江河縱橫。因此,要特別考慮混凝土的抗?jié)B性能。

      另外,該區(qū)域地處全國酸雨頻率高、酸雨污染較為嚴重的地區(qū)之一,被國務院列為國家“酸雨控制區(qū)”。主要是大氣中SO2與水發(fā)生化學反應,生成亞硫酸和硫酸導致的硫酸型酸雨。其次是工業(yè)排放和機動車尾氣引起硝酸型酸雨。因此,該施工對象還應充分考慮混凝土的抗化學腐蝕性能。

      最后,該地區(qū)高溫(最高溫度30 ℃以上)及高濕(平均濕度60%以上)條件還可能加速混凝土的碳化和內(nèi)部鋼筋的電化學腐蝕。所以,在橋梁新建階段就應預見性地考慮混凝土的抗碳化性能。

      3 硅酸鋰防腐材料特性

      3.1 材料特性

      本次施工選定的材料為硅酸鋰防腐材料A 和B,材料特性如表1 所示。硅酸鋰防腐材料A 的作用原理為:通過與水汽結(jié)合從混凝土表面快速滲透,與混凝土中的CaO 或Ca(OH)2反應,生成永不溶水的無機C-S-H 凝膠,堵塞混凝土內(nèi)部的毛細縫隙,且作用滲透深度可以達40 mm 以上;同時,可增強混凝土的密實度,增強表層的強度15%以上,并賦予堿性,防止混凝土提前中性化;全面阻隔水和其他侵蝕物質(zhì)進入混凝土內(nèi)部,從而提高混凝土的抗?jié)B性能和耐化學腐蝕和防止提前中性化(碳化)性能,最終實現(xiàn)橋梁的長期耐久使用目的。

      表1 硅酸鋰防腐材料特性

      硅酸鋰防腐材料B 的作用原理為:將硅酸鋰防腐材料B直接涂抹和噴灑到混凝土表面后,即可以在與材料A 完美結(jié)合的基礎上進一步鞏固和加強混凝土表層部的密實度,又起到高效的表面防水效果,在水壓0.5 MPa 的環(huán)境狀態(tài)下也能保持穩(wěn)定的防水和防霉效果。

      硅酸鋰混凝土保護材料是無色無味無機環(huán)保材料,保持混凝土原貌,有利于橋梁養(yǎng)護人員肉眼觀察和點檢。

      3.2 與其他防腐材料對比

      3.2.1 與硅烷系列對比

      在短期加壓條件下,硅烷是一種物理封閉的薄膜狀態(tài),如果用在梁體上,梁體的微小變形就會拉裂,使梁體產(chǎn)生裂紋,最終失去防止表水滲入的作用。但硅酸鋰防腐材料與梁體是分子級的化學結(jié)合,在梁體內(nèi)滲透深度達40 mm 以上,在混凝土內(nèi)形成C-S-H 凝膠防水透氣。

      涂抹硅酸鋰防腐材料的梁體分子間的致密性會有一定幅度的提高(30%左右),在梁體有限變形的條件下不會拉裂,是硅酸鋰防腐材料與絕大部分硅烷產(chǎn)品的差異所在。

      3.2.2 與水泥基與硅酸鹽系列比較

      水泥基系主要是用作防水,對于表面的面貌有很大改變,并且生成物是鈣礬石晶體,很難控制反應,容易反應過大造成裂痕擴大,進而造成后期滲水漏水嚴重。滲透淺,生成物質(zhì)易溶水,耐久性低,容易引起混凝土內(nèi)部堿骨料反應。

      硅酸鋰防腐材料結(jié)合了硅酸鹽系材料的優(yōu)勢,采用自然界存在的成分,對人體和環(huán)境無害,沒有紫外線劣化,快速滲透并且有長期耐久性,成功克服了其他硅酸鹽系屏蔽裂痕的物質(zhì)易溶水的弱點,保持長期效果的耐久性,并且有抑制堿骨料反應(劣化)和中性化(碳化)的效果。

      4 施工工藝及效果

      4.1 工具

      1)清洗工具:清洗混凝土需用到高壓水槍、硬毛墻刷。

      2)施工工具:涂刷防腐材料用到工具有手動加壓噴霧器、電動肩背式噴霧器及細節(jié)涂抹用毛刷。

      4.2 施工步驟

      1)高壓沖洗混凝土表面附著的塵土和污漬,并使混凝土表面呈濕潤狀態(tài)。

      2)確認表面為濕潤狀態(tài)(觀察顏色)。根據(jù)施工條件,選用刷子或噴壺等工具涂刷(見圖1)硅酸鋰防腐材料A。若涂抹前發(fā)現(xiàn)混凝土表面的濕潤色(略深于混凝土干燥狀態(tài)的顏色)消失,可再次噴水,確保涂抹式時混凝土表面為濕潤狀態(tài)。A 涂抹標準使用量:150 g/m2。

      圖1 噴涂硅酸鋰防腐材料

      3)確認表面為干燥狀態(tài)(觀察顏色)。確認表面干燥狀態(tài)(水分量為10%以下),選用刷子或噴壺等工具涂刷(見圖1)硅酸鋰防腐材料B。在容器中充分攪拌原液,按照標準涂抹量100 g/m2,將B 的原液均勻地噴灑或涂抹在構造物表面。

      4)涂抹完成后30~60 min,將表面殘留物擦拭干凈。

      4.3 效果

      在本高速公路工程中,硅酸鋰防腐材料主要用于橋梁下部結(jié)構中,主要有以下優(yōu)點。

      1)施工簡便:采用直涂型液體,無須專業(yè)培訓,工人可以迅速掌握和按照流程進行施工。

      2)適用性強:新建和已建混凝土構造物都可以使用,適用范圍廣。

      3)環(huán)保耐久:硅酸鋰防腐防裂涂裝材料屬無機材料,對人體和環(huán)境無害,無紫外線劣化,具有長期耐久性。

      4)抗裂延壽:可減少新建混凝土構造物常發(fā)生的早期裂痕,屏蔽已建混凝土的裂痕內(nèi)部,防止水和鹽化物的侵入,有效延長已建構造物的壽命。

      5)表層補強:可強化混凝土表層的纖密性,提高混凝土構造物表面強度15%~20%,賦予混凝土表層堿性。

      6)利于養(yǎng)護:材料透明無色的特點,可以保持混凝土構造物原貌,有利于養(yǎng)護人員觀察和確認養(yǎng)護對象的健康狀況。

      7)疏水美觀:涂裝完成的混凝土外觀色澤較好(見圖2),混凝土表面抑制劣化的同時具有良好的疏水性能,對受高溫高濕氣候環(huán)境影響的混凝土構造物保護效果顯著。

      圖2 硅酸鋰防腐材料涂裝效果

      5 結(jié)語

      綜上所述,硅酸鋰防腐材料,滿足該高速公路使用橋梁結(jié)構混凝土的抗?jié)B、抗化學腐蝕和抗碳化性能,且施工簡便、外表美觀、利于養(yǎng)護。但我國幅員遼闊,氣候環(huán)境復雜,混凝土在不同的環(huán)境條件下表現(xiàn)的劣化現(xiàn)象不同,這對防腐材料的性能提出了新的要求,防腐材料的研究任重道遠。

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