结晶涂层及其对混凝土水分输送的影响

摘要

本文对基于二次结晶的表面涂层处理的有效性进行了试验研究，并将其作为混凝土结构在水分或地下水压力作用下的附加保护。该试验方案的目的是评估结晶涂层的深度影响，以及在模拟混凝土结构真实条件的模型上评估施工缝的可靠性。通过对样品不同深度的吸水试验来监测二次结晶过程的演变。当表层厚度达到40 mm时，吸附系数在涂敷28天后降低到基准混合物的60%，在180天后降低到50%。此外，针对测量的性质和实际地下混凝土结构可及性低的问题，采用了电阻率法。在距表面180-190毫米处的水分测量结果显示，与未经处理的样品相比(在涂层应用后125天测量)，水分含量百分比显著下降。

1.介绍

建筑物对地下水和湿气的额外保护是最常见的建筑物维修类型之一。水晶涂层是一种主要用于建筑地下混凝土部分的额外保护，防止潮湿和地下水的技术。用于表面应用的晶体涂层或喷涂层(厚度为1-1.5毫米)的化合物是由晶体粉末材料与水混合而成的。在晶体涂层下面的干晶体材料(粉末)由硅酸盐水泥、经过特殊处理的石英砂和一种“活性化学物质”的化合物组成。所有生产商都对晶体材料中活性化学物质的化学成分保密。晶体材料在混凝土中的防水效果是通过在混凝土基体中结合时溶液中各种化学成分的反应来实现的[1]．只有当混凝土的多孔系统达到足够的水分水平并具有开放特性时，这一过程才会起作用，这是低等级混凝土的典型特征。混凝土充分的输运特性可能是结晶剂效率的必要前提。因此，涂覆表面的完美润湿是非常重要的。在混凝土结构内部缺乏水分的情况下，晶体涂层的成分处于休眠状态。

晶体材料的原理是，其化学成分在水化过程中与胶凝基质发生化学反应，暂时形成Ca(OH)₂以及随后形成的二硅酸盐和聚硅酸盐阴离子。这一累积过程很可能伴随着3Ca的形成2 sio₂ 3 h₂O，一起创造了3CaO艾尔₂O_3. Ca(哦)₂ 12小时₂O (2]．这种化学反应的产物是在混凝土的孔隙结构中生长出针状晶体。针状晶体改变了混凝土的孔隙结构，从而起到了防水的作用。正因如此，许多成功的应用证明，具有晶体涂层的混凝土能够有效地抵抗静水压力[3.- - - - - -7]．过去也有许多实验实验室测量水晶防水系统的防水能力，重点是验证防水性能[8- - - - - -13和耐久性[14- - - - - -17混凝土的结晶涂层或外加剂。整体水晶防水外加剂的工作原理类似于水晶涂层(两者是基于相同的水晶材料)，但外加剂是为新建造的建筑设计的。

上述试验的结果非常令人信服;因此，有可能宣布混凝土的防水和高耐久性与结晶涂层。水晶涂层的防水效果是建立在严格的技术规程之上的，特别是对新涂层的彻底固化[18]．如上所述，在涂层应用后的至少两三天内，如果孔隙结构内没有足够的水分，防水效果就会消失。一般来说，新混凝土养护的重要性是众所周知的;文献中的结果也证实了这一点[19]．晶体涂层(以及外加剂)的整体防水效果的一个重要危险是混凝土的裂缝(在文献中分析了混凝土裂缝的问题[5，20.])。需要注意的是，试验工作是在机械性能较低的砂浆或混凝土混合物和假定较高的水力传导率上进行的。在这里，混凝土中的施工缝也可能产生负面影响(有关缝的问题已在文献[21])。

除了上述晶体材料的特性外，还有许多其他的研究工作聚焦于晶体技术，其中包括，例如，在混凝土中使用钢纤维与晶体外加剂的适用性[22]，在晶体材料中使用粉煤灰的问题[23]，制备晶体防水涂料的均匀设计[24]、混凝土因结晶材料而透湿性的变化[25，或比较两种晶体技术(涂层和外加剂)的物理特性，并分析其使用的财务方面[26]．

2.实验程序

所执行的实验程序集中于评估晶体涂层的可靠性，作为一种额外的解决方案，以减少水输送到混凝土。采用了几种测量方法来量化所引入的表面处理的结晶效果。考虑到所研究问题的性质，选择了直接和间接测量方法相结合的方法。为了直接评价混凝土中减少水的输送，选择了前人研究证明在砂浆应用中具有合适分辨率的吸水试验[27]．第二种方法是电阻率法，它常用于现场测量。

2．1．通过吸水试验测定晶体涂层的深度效应

研究了晶体涂层对尺寸约为40 × 40 × 200 mm的棱镜试样的深度影响评估^3.它是从原来的立方体上剪下来的，边缘为200毫米。在一个月龄期的混凝土立方体的一侧涂上涂层，然后将试件保存在实验室环境条件下。在涂层应用后选定的时间间隔(28、60、120和180天)，将几组立方体从涂层中分离出来，切成棱柱，进行吸水测试。棱镜被切成不同的方向，平行和垂直于应用的涂层。平行于涂层的棱镜切片，然后引入四个不同的受二次结晶影响的部分。

垂直方向的棱柱底部由处理过的表面构成，因此研究的涂层效果随棱柱高度的变化而变化。这就是为什么这些棱镜的下部被逐渐切掉(每10毫米)以获得更好的分辨率。棱镜的准备工作记录在图中1(一)(计划)和图1 (b)(测量)。

吸收是通过使用在水池中部分湿润(仅5毫米)的棱镜样品来测量的。在选定的时间间隔内，用重量法记录吸收到硬化混凝土中的水质量的增长。的吸收系数(公斤米⁻²年代^−1/2)为每组棱镜10分钟的时间根据(1),累计入水质量(kg米⁻²),上述试验提出了一种非常快速的水能力评估方法: 在三个不同的时间段里进行上述实验，以监测结晶过程的演变和速度。首次测量是在混凝土28天龄期涂敷前进行的，并在28天、60天、120天和180天之后继续进行。所选择的10分钟吸水测试时间记录了所研究的表面处理的渐进结晶过程。

2．2.用电阻率法测量晶体涂层的深度效应

测定结晶涂层深度效应有化学分析和雷达扫描两种物理方法。化学分析可以检测到材料内部在不同深度的化学成分的变化，但这种方法不能观察到材料物理性质的变化。湿混凝土的雷达扫描采用以下原理:根据雷达图像中的水含量，可以确定混凝土表面与防水微结构之间的距离。从结构的内部表面减去这个距离，就可以确定晶体涂层的防水效果的深度。本文作者尝试了一种利用电阻率的替代方法。

实验项目的目的是验证涂层在特定深度上创造一个不透水层的能力(以减少液态水进入混凝土结构)。试验参数是根据现有的混凝土结构(布拉格公寓楼的地下室墙)调整的，以准确模拟真实条件。测量是在布拉格的土木工程学院实验中心进行的。

设计并制作了矩形样品(300 × 300 × 220 mm)，最后的尺寸与研究的地下室墙的厚度相似。总共生产了三组区块;每组由三个样本组成。试件由C20/25混凝土制成，符合BS EN 12390-2 [28]．固化28天后，在一组试件的前表面(300 × 300 mm)涂上结晶涂层(Xypex Concentrate)。应用程序按照生产商(Xypex)的技术说明书进行，包括表面处理、应用和后续固化。另外两组标本没有涂布。

两组样品(一组经过晶体涂层处理，另一组未经过晶体涂层处理)随后配备了额外的设备来模拟湿度条件(图)2）.该模拟装置包括一个塑料容器，它粘在带有开口的样品的垂直壁上，以便流体可以被重新填充。这种接头的防水性能对于设计模拟和解释测量数据至关重要。在用晶体涂层处理的样品中，仪器被固定在样品的相反(未处理的)表面。然后将所有标本的贮水池注满水。水库的水位保持不变，以确保初始湿度梯度保持不变。最后一组的标本放置在正常的实验室条件下，没有任何直接的水分负荷。

每个样本上都钻了两个直径为6mm、间距为90mm的孔。这些用于放置电刷传感器的电阻率水分计，以测量样品中的重量水分含量。测量在距离加载表面30-40毫米的距离进行。选用Greisinger GMH 3810电阻率湿度计进行测试。水分含量的测定是基于多孔材料(在这种情况下是混凝土)的导电性的测量。所采用的仪器测量的是比电阻率的值，比电阻率从根本上受实际含水率的影响。对于重量含水量的最终测定，必须事先对材料特性进行校准或实施。测试方案和组织如图所示3.和4．

用电阻率水分计在不同的时间间隔对所有组试件进行测量:试件制作后的28、45、90、125和132天。通过对每个试件的破坏，完成了实验程序。这是在与水分负荷方向直角使用液压机进行的。然后立即对碎片的水分含量进行直接重量测量，以核实电阻率水分计提供的数据。将碎片从使用刷式传感器进行水分测量的区域(距离加载表面约30-40毫米)中移除。碎片在105°C的标准条件下干燥至恒重。水分测定表明，在这两种类型的测量中变化高达5%。

2．3.混凝土施工缝对结晶涂层可靠性的影响

为模拟实际情况，设计了一组真实尺寸的C20/25钢筋混凝土水库试件。为了创建施工缝，将试件的准备分为三个阶段，分别创建水平和垂直的施工缝。几根PVC管被插入到墙壁的模具中，以模拟系统模板的折叠元素的孔。混凝土试件的制作如图所示5(一个)和5 (b)．其中一个模型在一个月龄时采用晶体涂层处理;另一个作为参考。然后，按上述方法制备混凝土试件进行电阻率测量，并堵住PVC管。实验的组织展示了已完成设置的建筑的状态，例如，重建前的状态，裂缝的平衡深度是预期的。

在接下来的180天内，通过使用电阻率法对施工缝区域进行周期性测量。由于结晶涂层的深度影响，混凝土中的水分逐渐减少是预期的。注意施工缝和折管的具体部位;监测区域如图所示5(一个)(计划)和图5 (b)(模型)。

3.结果与讨论

3．1.通过吸水量测定晶体涂层的深度效应

在不同的时间段进行了吸水系数的测量。两种参考样品在选定时间间隔下的结果如图所示6和7．指定为“0”的时间段表示用结晶涂层处理部分立方体时的28天的年龄。平行于涂层切片的试样的吸收系数的值反映了原始立方体在每个时间段的传输特性。外围棱柱(0-40 mm和160-200 mm)由于混凝土覆盖层中没有粗骨料，吸收系数有所增加。所有时间段的结果都非常相似。

改变混凝土保护层的输水特性如图所示7．在不同深度测得的吸收系数在每个时间段也相似。

结晶涂层的应用使混凝土的输水性能逐渐降低。数字8通过立方试样吸收系数的降低记录了二次结晶的演化过程。第一个测量断面显示0-40毫米的原始立方体是最受影响的区域。180天后，吸收系数降低到参考测量值的50%以下。180天后的第二次深度剖面(40-80 mm)受结晶影响不大，降幅约为20%。结晶涂层对其余部分的影响很小，最后一个部分的吸收系数在参考测量水平。

通过使用垂直于涂层切成薄片的试件对混凝土覆盖层(0-40 mm)进行测量，二次结晶的进展是很明显的。吸收系数的详细结果如图所示9．这种测量设置可以更好地分辨晶体涂层对表层的深度影响。在混凝土表面0 - 20mm截面，当吸收系数值达到参考测量值的50%时，经过28天后，应用涂层的密封效果明显。晶体效应向内逐渐减少。由于涂层呈晶体状，20 mm的混凝土覆盖层的水传输特性降低到30%。

3．2.用电阻率法测量晶体涂层的深度效应

载荷表面下深度30-40毫米(距经晶体涂层处理的表面180-190毫米)处的水分测量结果见表1．在使用晶体涂层处理的样品中，随时间的推移，按重量计算的含水率明显下降。125天后，水分含量水平等于在普通实验室条件下固化的样品参考集，未加水分加载。处理后的试样含水率随时间的逐渐降低如图所示10．

3．3.混凝土施工缝对结晶涂层可靠性的影响

混凝土模型充水后，湿混凝土表面各节点均出现渗漏现象;漏出的水被不断地补充。混凝土水库监测区域的含水率变化记录在图中11和12．测量的初始阶段受到了其余混合水所产生的高水平水分的影响。参考模型的测量结果(图11)构成在给定条件下达到平衡水分状态的过程。值得注意的是，临界部分的最终水分增加了。

图中显示了在外部应用结晶涂层时混凝土水库含水率的降低12．用电阻率法确定的含水率的逐渐降低是处理模型受其余混合水的自然损失影响的情况。另一方面，通过与参考模型的比较，证明了晶体涂层的效率。最终含水率值绝对低约1.0%。

4.结论

在已完成的实验程序中研究了结晶涂层的深度影响及其在时间上的演变。其目的是评估作为地下混凝土结构额外保护的现有现代解决方案的密封效果。本文中提出的试验结果证实，结晶涂层(Xypex)能够在固化表面下的特定深度改变混凝土结构。这一过程产生了防水混凝土结构。

在实验方案中证实了结晶涂层减少施工缝区域水的进入的能力;然而，测试组织用已完成的设置表示结构的状态。二次水化产物的脆性阻碍了活性裂缝的有效封堵效果。由结晶涂层引起的二次水化的范围和速度取决于(除其他外)混凝土内部的水的量:较高的饱和度意味着较高的效率。这一点从吸水测试和电阻率法测试结果的比较中可以明显看出。采用电阻率法测量时，试件受到水压的加载，导致混凝土结构中存在大量的水。多亏了这一点，二次水化(防水结构的创造)得以更大规模、更迅速地进行。然而，即使在理想的条件下，结晶材料的二次水化过程也是非常缓慢的:几个月后影响就明显了。与此形成对比的是，在吸水试验中使用的干燥试样不像之前的情况那样支持二次水化，从而导致防水结构的形成较慢。结果表明，水掺杂是提高涂层效率的重要前提之一。 The efficiency of the crystalline coating is probably determined by the character of porous system of the concrete. It can be expected that, in case of concretes with increased density and close porous system, the efficiency would be considerably reduced. However, such focused experimental works using high performance concrete (HPC) have not been published yet.

相互竞争的利益

作者宣称没有相互竞争的利益。

致谢

本论文由国家自然科学基金资助，国家自然科学基金资助。TA03010501由捷克共和国技术署和OP RDI项目资助。CZ.1.05/2.1.00/03.0091，由欧盟共同资助。

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