如何保护混凝土 - WACKER Greater China


如何保护混凝土

混凝土的两大敌人:水溶性盐和酸性气体

混凝土的优势在于其经济性、耐久性以及设计多样性,使其成为当今应用最为广泛的建筑材料。就在几年前,人们认为混凝土可以抵抗一切病害。然而,频繁发生的混凝土破坏却验证了相反的结论:由于混凝土容易被破坏,所以日益增多的混凝土建筑物面临着威胁。

冻融循环、除冰盐和海水会破坏混凝土

混凝土的破坏总是与潮气有关。尽管水对于生产混凝土非常重要,但是它同样也具有破坏性。此外,水将除冰盐中的氯离子等侵蚀性物质带入混凝土中。水还是那些可腐蚀钢筋的破坏性化学反应的介质与帮凶。

混凝土吸水

当矿物建筑材料与水接触时,吸水量取决于其孔隙率。基于以上观点,我们认为只要能有效减少混凝土的毛细孔吸水,便能杜绝大多数腐蚀。因此,硅烷材料应运而生。

1. 憎水性

异辛基三乙氧基硅烷产品是通过在硅酸盐基材表面和毛细孔内壁形成憎水的硅树脂网络,使基材的表面张力发生变化,增大了基材和水的接触角,以阻止毛细孔对水的吸收作用,达到防水和提高混凝土耐久性的目的。

混凝土经过有机硅处理后,其表面能被改变,此时混凝土表面与水的接触角可以达到98°以上,因此无论从粘附功或毛细作用来看,经有机硅处理的混凝土表面都显示出很好的憎水效果。

2. 透气性

由于异辛基官能团的表面张力较低,使它在多孔矿物基材上形成的硅树脂网络能分布到毛细孔壁,而不会封闭通道,在赋予矿物基材憎水性的同时保持优良的透气性。经过水蒸气通过量测试表明,采用异辛基三乙氧基硅烷处理后的无机非金属基材,其透气性仅降低5%左右。因此,采用异辛基基团的有机硅产品对混凝土进行憎水处理,可以保证混凝土内部的水汽无阻碍挥发。

目前对于钢筋混凝土的耐久性外保护,常见的有如下3种形式:硅烷浸渍、填充毛细孔、成膜涂料。普通成膜涂料就像是给混凝土穿上一层密闭的外衣,可以很好地抵挡外界物质的侵蚀。但是这层外衣也阻挡了混凝土内部水蒸气的排出,日积月累,混凝土中的潮气将会逐渐向涂料的薄弱处挤压,使保护层起鼓开裂破坏。而硅烷的保护体系正好满足了混凝土对透气性的需要。

透气性的重要性

3 耐久性

异辛基三乙氧基硅烷产品能牢固地与混凝土基材结合,对无机矿物基材提供持久地保护。在有机硅形成的硅树脂保护层中,有机硅聚合物以Si-O键结构为主链,硅和氧的电负性差异大,接近于离子键,Si-O键的离解能高达443.5kJ/mol。这一结构决定了有机硅形成的硅树脂网络具有很好的耐热、抗氧化、耐辐射性能。因此,有机硅除了能赋予混凝土表面的憎水性之外,还可以从多方面提高混凝土的表面性能,比如提高混凝土的隔热性、抗污性、耐化学腐蚀性和耐候性等,并延长建筑物的使用寿命。另外,人们也非常关注混凝土中硅树脂网络本身的耐久性,硅树脂本身也是通过Si-O键与矿物基材交联,而高键能的Si-O键则保证了硅树脂在混凝土中可以永久存在,这就保证了硅烷对于混凝土保护的长期性。

硅烷:理想的混凝土防护剂

用于混凝土浸渍的硅烷必须具备两类特性:它们必须有效渗入相对致密的混凝土内部,并且抵抗高碱性的降解作用,尤其是在新浇筑的混凝土中。

憎水处理的目的在于通过使用无色的非成膜硅烷产品来保护清水外墙免遭潮气和相关破坏,它能够阻挡毛细吸水,由此防止溶解在水中的侵蚀性物质进入混凝土。因为毛细管保持开放,所以基材仍保持其透汽性。

完全固化的硅烷的结构与石英十分相近,这正是其同硅酸盐建筑材料具有高亲合度的原因,也是憎水处理具有极高耐久性的原因。

历经考验

迄今四十多年来,有机硅化合物一直被认为是对吸收性矿物建筑材料进行憎水浸渍保护的理想产品。这类化合物的作用机理是形成硅树脂网状结构,并与基材以异常稳定的Si-O-Si结果进行牢固键合。如果我们将完全反应的硅烷分子结构(图9)与天然石英的分子结构(图10)相比较,可发现它们之间高度的相似性。完全反应的硅烷可以简单看做是有机基团改性的石英。

硅烷分子结构

天然石英的分子结构

这种高度的结构相似性正是硅树脂同硅酸盐建筑材料具有高亲合度的原因,也是憎水处理具有极高耐久性的原因。有机基团R使硅烷处理过的建筑材料具有出色的憎水性。此外,由于它对许多化学、物理和生物影响的耐抗性极高,所以憎水效果能够保持数十年之久。

今天,异辛基三乙氧基硅烷等烷基烷氧基硅烷已经在优异的渗透性和耐碱性方面设定了应用标准。这些具有高渗透性的低分子量(也就是低粘度)无色液体,通常情况下不经稀释即可使用在混凝土上。它们与潮气反应,并在混凝土毛细壁形成非常稳定的键合。反应完成后,异辛基团向外突出伸入毛细管和气孔的中心,这就是憎水浸渍如此高效的原因。

硅烷的最佳功效

当今科学发现证实了硅烷作为混凝土憎水剂所具备的出色而持久的使用效果。然而,要想获得最佳效果,在使用过程中必须遵守以下两点:

– 通常情况下,液体憎水剂必须涂上若干层,以达到所需的有效用量和渗透深度;

在垂直表面上,特别是头顶部位,材料在渗入混凝土之前很有可能流淌或滴落。这种情况下,如SILRES® BS CREME C等具有较高粘度的产品是获得充分接触时间的理想选择。

用于混凝土耐久性保护硅烷材料选择要点

经过以上比较可发现,异辛基三乙氧基硅烷产品的挥发损失最小,特别是在高温以及有风环境中表现最佳。

不同的硅烷材料其结构千差万别,从丁基到辛基,从正辛基到异辛基,看似细微的差别却使硅烷在应用效果上有着巨大的区别,哪种结构的硅烷材料才是最合适的产品呢?在选择硅烷时可以通过以下几点来进行区别。

1. 硅烷有效残留量

毋庸置疑,任何硅烷材料的活性物质均为挥发性物质,在实际施工过程中由于现场温度和风速的影响,硅烷在混凝土中的有效残留都会收到影响,因此选择低挥发性、高残留的硅烷材料,对于混凝土的保护更完善。目前市面常见的硅烷产品有异辛基三乙氧基硅烷,正辛基三乙氧基硅烷,异丁基三乙氧基硅烷,由于分子结构的不同决定了这三种硅烷产品具有不同的挥发度。经过试验室测试和实际施工经验的总结,在常温无风无直接光照条件下三种硅烷产品的挥发度如下:

2. 硅烷中有害杂质

硅烷产品是从石英砂加工制备而成,其过程通常为:二氧化硅-四氯硅烷-烷基硅烷,其中四氯硅烷到烷基硅烷的生产过程比较复杂和难以控制,如果生产工艺不成熟,可造成最终硅烷成品中的氯离子含量过高。众所周知,混凝土耐久性保护的最重要项目之一便是降低混凝土对于氯离子的吸收,如果在硅烷施工过程中便带入较多的氯离子,反而会对混凝土带来附加的腐蚀伤害。对于硅烷产品中是否带有较多的有害杂质的判定方法较为复杂,目前也无简便可行的标准,最直观的判定是对其产品储存期的观察和比较;特别对于经乳化后的硅烷乳液和膏体产品,如果乳化技术不成熟、有害杂质含量高,会直接缩短其储存期。成熟的硅烷产品特别是乳液和膏体产品均有10-12个月的保质期,而低品质的乳液和膏体产品通常保质期低于6个月。

3. 硅烷的活性物质含量

在海工混凝土防腐蚀技术规范(JTJ 275-2000)中定义了硅烷活性物质含量须大于99%,随着技术的进步,硅烷产品已由最初的液体产品衍生出了乳液和膏体产品,特别是膏体产品通过对产品触变性的改进,增大了硅烷的粘度,降低了硅烷的流挂损失,提高了混凝土基材对硅烷的吸收量;与液体硅烷产品相比,要达到同样的保护效果,膏体硅烷可节省一半的用量。为了达到硅烷的保护效果,建议采用有效物大于98%的液体硅烷产品或者活性物质不低于80%的膏体产品对混凝土进行耐久性保护。

4. 硅烷中硅氧烷含量

一般来说,硅氧烷适用于普通大气环境中的外墙和混凝土等无机矿物基材的耐久性防护,而在硅烷产品中通常不含有硅氧烷。其原因在于硅烷是纳米级小分子产品,可在混凝土基材中达到较好的渗透深度,形成一定厚度的憎水层以有效隔离有害物质的入侵。而硅氧烷的分子结构则较大,不易渗透,如果产品中混有硅氧烷,势必会影响憎水层的厚度和隔离效果。因此在严重腐蚀环境下,对混凝土进行耐久性保护一般不得在硅烷中混入硅氧烷,如有特殊的外观需求,可在硅烷施工完成后单独在混凝土基材表面进行硅氧烷的附加施工。

5. 硅烷膏体的甄别

硅烷膏体由于其优异的保护性能、经济的用量已经独特的外观而著名于世。优质的硅烷膏体产品具有产品稳定、触变性好、无流挂损失且不能稀释等特点;只有同时具有这些性能,才能保证硅烷膏体的有效性,毕竟硅烷膏体的推荐用量只有液体的一半。但由于膏体的概念比较模糊,在规范中并无具体的指标定义,因此某些不良厂商也开始打擦边球,销售其所谓的“硅烷膏体”。这些产品看上去类似硅烷膏体,但实际上仅仅是比较粘稠的普通乳液,在施工中可发现其流动性大,流挂现象较严重,根本无法满足规范中对硅烷膏体“无流挂损失”的产品描述;另外,使用方法介绍时,这些不良商家甚至还推荐“可用水稀释”;无论从产品本身和施工方法上来看,这些所谓的“膏体”产品都严重背离了硅烷膏体的设计初衷,甚至是对液体纯硅烷的“画蛇添足”,毕竟,液体纯硅烷还拥有更高的活性物质含量。因此,在选购硅烷膏体产品时,需要注意如下几点:(1). 外观均一稳定,无分层无液化(如冷藏状态下的冰激凌状最佳);(2). 立面涂刷时无流挂和滴落;(3). 不可用水稀释;(4). 保存期较长(优质产品通常为一年);(5). 无强烈刺激性气味。

硅烷浸渍保护与其他混凝土外防护体系的区别

按照欧洲规范 EN 1504-2的分类,混凝土外防护体系可以分为憎水浸渍、浸渍、成膜涂料三大类,纵观国内的各大标准,混凝土外保护的类型大致也可分为硅烷浸渍和成膜涂料两大类;硅烷浸渍以其保持混凝土清水外观、良好的渗透深度、极其优越的耐久性和易重涂性为特点,为混凝土耐久性外防护提供了全新的解决之道。由于在混凝土表面无成膜,硅烷浸渍保护体系不会影响混凝土基材的透气性;而在传统成膜涂料中常见的起鼓破裂、保护层失效等现象也不可能在硅烷浸渍保护体系中出现。在重涂性上,混凝土基材只需简单清洁,即可进行重涂施工,与传统涂料的“去除旧系统-基面再处理-三层重涂”的操作流程相比,可大量节约人力物力以及施工成本。下表是国内常见的三种外防护体系的比较:

矿物基材交联,而高键能的Si-O键则保证了硅树脂在混凝土中可以永久存在,这就保证了硅烷对于混凝土保护的长期性。

常见的混凝土保护体系对比
防护体系特点 硅烷浸渍 环氧涂层 液体渗透结晶
服务年限 >15年 <10年 宣称永久存在
施工操作 表干基材上1-2次涂布 底涂-中涂-面涂 润湿-喷涂-水养护
防护性能 防水、防氯离子性能优异 防水、防氯离子性能优异 无法完全阻止水和氯离子渗透
耐久性能 与基材结合,耐候性好 耐候性差,容易剥离 无法验证
可维护性 重涂性好,且可作为涂料底漆使用 需清理原有涂层后再重涂施工 重涂性较好
装饰性 保持基材本色,无装饰性 无装饰性

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