茶增云,肖振江,王慶龍,羅 昌,王金華

(1.云南臘滿高速公路有限公司,云南 西雙版納 666300; 2.云南勐關高速公路有限公司,云南 西雙版納 666300)

0 引言

隨著隧道數(shù)量及里程數(shù)的迅猛增長,隧道排水系統(tǒng)結晶堵塞問題愈加嚴重,一旦隧道排水系統(tǒng)發(fā)生堵塞,會對隧道安全造成一定威脅。因此,隧道排水系統(tǒng)結晶堵塞問題的合理解決迫在眉睫[1-3]。

當前對隧道排水系統(tǒng)結晶堵塞問題的治理主要分為預防及處治兩方面。蔣雅君等[4]對復合型環(huán)保清洗劑溶解隧道排水盲管中的碳酸鈣結晶效率進行了試驗,并結合工程案例的應用結果,表明采用高壓清洗加循環(huán)清洗的工藝,能取得理想的管道結晶清洗效果;洪英維等[5]開展巖溶結晶物清洗溶液的濃度與溶解效果的效能試驗,分析溶劑濃度與溶解速率之間的關系,確定清洗溶劑的最優(yōu)濃度。國內(nèi)外不少學者通過在混凝土中摻入摻合料及外加劑,從而改善混凝土鈣溶蝕過程,進而預防隧道排水系統(tǒng)結晶病害,如:陳榮升等[6]應用XRD分析等方法,研究納米SiO2和硅粉對水泥漿液的特性,認為納米SiO2的活性及填充效應能降低漿體的流動性,具有促凝作用,可有效提高水泥硬化漿體的早期強度,活性SiO2的存在也會與大量的水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生反應,改善界面的多項性能;魏風艷等[7]研究了粉煤灰抑制混凝土發(fā)生堿-硅灰反應(ASR)的機理,認為粉煤灰的二次水化反應能夠有效降低堿性物質(zhì)含量;陳懷成等[8]在合成C-S-H凝膠時加入聚羧酸系減水劑,研究水泥水化過程中水化產(chǎn)物的生成量,并利用電鏡掃描等方法探明微觀角度下聚羧酸系減水劑能夠縮小C-S-H凝膠顆粒尺寸,增大其聚合度,同時加快水泥水化進程。由此可見,速凝劑和減水劑的摻入對改善噴射混凝土的孔隙結構、縮短水泥凝結硬化時間等尤為重要。

目前噴射混凝土中摻入防水劑減少鈣溶出相關研究相對較少。本文在調(diào)研了大量混凝土外加劑的基礎上,篩選了一種改善混凝土鈣溶蝕結晶的外加劑,并通過自主設計的室內(nèi)模型試驗研究其對混凝土鈣溶蝕的影響。

1 混凝土防水劑調(diào)研、機理與篩選

1.1 混凝土防水劑調(diào)研

混凝土防水劑可顯著提高混凝土抗?jié)B防水功能,抗?jié)B等級可達P25以上,同時具有緩凝、早強、減水、抗裂、可改善新拌砂漿和易性等功效。在市場調(diào)研及文獻調(diào)研的基礎上,總結了有利于混凝土滲流過程中,在混凝土內(nèi)部形成防水膜的防水劑。不同類型的防水劑及功能特性如表1所示[9-13]。

表1 防水劑種類及功能特性Table 1 Types and functional properties of water repellents

1.2 混凝土防水劑機理

防水劑可以進一步激發(fā)水泥的水化進程,增長混凝土結構的密實度、抗?jié)B性和耐久性,作用機理主要是絡合-沉淀反應機理和沉淀反應機理[14]。結晶滲透防水材料摻入混凝土中時,防水劑中的活性組分通過混凝土孔隙通道將水滲透到混凝土內(nèi)部,毛孔中游離的Ca(OH)2和氧化物發(fā)生化學反應,活性物質(zhì)與鈣離子直接反應生成不溶性的晶體,具體沉淀反應過程如圖1所示。

圖1 沉淀反應過程Fig. 1 Precipitation reaction process

絡合沉淀反應過程則有所不同,混凝土內(nèi)摻入的活性物質(zhì)容易與水泥水化后大量的Ca2+發(fā)生絡合反應,該絡合反應主要出現(xiàn)在Ca2+濃度較高的區(qū)域,并且鈣絡合物具有易溶于水和不穩(wěn)定的特點。當水溶液溶解鈣絡合物并發(fā)生擴散時,鈣絡合物滲入混凝土濃度較低區(qū)域,SiO2-和AlO2-等離子易取代鈣絡合物中的活性物質(zhì),并且使Ca(OH)2晶體發(fā)生轉(zhuǎn)化,填充混凝土孔隙,而被取代的活性物質(zhì)會繼續(xù)隨水溶液滲透進混凝土內(nèi)部。如圖2所示,鈣絡合物Ca2+=A2-在混凝土內(nèi)部與未水化水泥和水泥凝膠體中的SiO32-離子反應,形成CaSiO3·nH2O晶體填充混凝土孔隙,修復裂縫。而活性物質(zhì)A2-會繼續(xù)參與絡合反應[14]。

圖2 絡合-沉淀反應過程Fig. 2 Process of complexation-precipitation reaction

1.3 混凝土防水劑篩選

在市場調(diào)研及文獻調(diào)研基礎上,綜合比較各類防水劑的防水能力及成本,最終選則甲基硅酸鈉防水劑作為試驗防水劑材料。選擇原因:混凝土摻入甲基硅酸鈉后,在拌合過程中,甲基硅酸鈉與拌合水及空氣中的CO2反應生成甲基硅酸及碳酸鈉,并且甲基硅酸在較短時間內(nèi)聚合生成聚甲基硅氧烷?？s聚反應導致甲基硅醇脫水成甲基硅烷,在混凝土水化大量Ca(OH)2的堿性環(huán)境中,縮聚反應加劇在混凝土顆粒表面不斷連接形成枝鏈狀、網(wǎng)狀結構的甲基樹脂。甲基樹脂具有憎水性,在混凝土內(nèi)部形成防水薄膜,具有一定膨脹性,能夠起到堵塞孔隙增加密實度的效果,但在摻量過大時,由于甲基樹脂膨脹過大使混凝土產(chǎn)生微裂縫,憎水效果明顯,使混凝土粘結性變差。甲基樹脂在混凝土顆粒表面附著,甲基暴露于孔隙水中,排斥水中氫原子。

2 室內(nèi)試驗

2.1 試驗裝置

通過自主設計的室內(nèi)試驗裝置探究甲基硅酸鈉防水劑對混凝土鈣溶出的影響。試驗裝置主要由混凝土溶蝕箱、浮球開關、揚程泵、進水管、半開的雙壁波紋管、溶出液收集箱組成。

地下水通過揚程泵從進水管流入混凝土溶蝕箱內(nèi),控制浮球開關處于溶蝕箱內(nèi)的同一高度。溶蝕箱最下部開有孔徑一致的出水口,混凝土上部的水通過混凝土內(nèi)部的微細孔隙,到達溶蝕箱下部的出水口,進而溶蝕液流到半開的雙壁波紋管上,最終流到溶出液收集箱中。沖蝕水流待試驗正式開始前開啟,待試驗結束(45 h)關閉。當混凝土上方液面到達浮球開關位置處,浮球在水流浮力作用關閉水閥,當液面下降至浮球開關以下,水流正常流動,直至試驗結束。浮球開關的細部如圖3所示。

圖3 浮球開關細部Fig. 3 Detailed view of float switch

2.2 試驗材料

采用P·O 42.5水泥;試驗細砂含泥量為1.0%,泥塊含量為2.0%,云母及硫酸物含量分別為1.6%,0.4%;碎石含泥量為1.6%,泥塊含量為0.4%,壓碎指標為12%;拌合水為試驗室內(nèi)部地下水;速凝劑為GOR-Ⅱ型液體速凝劑,初凝時間<5 min,終凝時間<12 min;試驗采用FS-102甲基硅酸鈉,粉末狀既有良好的滲透結晶性。甲基硅酸鈉的技術指標如表2所示。

表2 甲基硅酸鈉技術指標Table 2 Technical specifications of sodium methylsilicate

2.3 試驗過程

2.3.1試驗設計

隧道噴射混凝土基本配合比為:水泥∶砂∶石∶水=453∶853∶840∶150,將甲基硅酸鈉按照0.2%,0.4%,0.6%,0.8%摻量內(nèi)摻入混凝土中?；炷敛牧嫌昧繛樗唷蒙啊檬盟?3.49∶6.48∶6.46∶1.50(kg),速凝劑用量為0.35 kg。不同摻量的甲基硅酸鈉用量為7,14,21,28 g。

2.3.2試驗過程

試驗階段,每隔3 h取半開的雙壁波紋管流出的溶出液,測試溶出液的鈣離子濃度及流量大小,最終結合公式,計算溶出液的總鈣離子含量,待試驗結束后,測定排水管上面固體結晶體的質(zhì)量,具體試驗步驟如下。

1)搭建混凝土鈣溶蝕試驗平臺。

2)將水泥、砂、碎石、水、甲基硅酸鈉防水劑按順序倒入混凝土攪拌器中。為了防止混凝土凝結時間過快,最后30 s加入速凝劑。

3)混凝土拌合完畢后,將混凝土倒入混凝土溶蝕箱中,并抹平混凝土表面。

4)每隔3 h取半開的雙壁波紋管流出的溶出液,測試溶出液的鈣離子濃度及流量大小。

5)試驗結束后,將雙壁波紋管干燥處理,稱量排水管中結晶體質(zhì)量。

溶出液的鈣離子濃度使用EDTA滴定法測量;流量通過體積法測量;結晶體質(zhì)量通過稱重測得。

3 試驗結果分析

3.1 排水管上的結晶狀況

排水管上不同的結晶情況如圖4所示,從左到右依次為0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,從圖中可以明顯看出,盡管加了防水劑,混凝土依然有鈣溶出,由于混凝土的內(nèi)部存在微細孔隙,在水的帶動作用下,混凝土內(nèi)部的鈣離子將被帶出。其中,混凝土溶蝕過程中溶出的鈣離子越多,排水系統(tǒng)內(nèi)鈣離子越多,從而碳酸鈣結晶體生成的幾率更大。

圖4 結晶情況Fig. 4 Crystallization

3.2 鈣溶蝕過程中的鈣離子濃度變化

通過每隔3 h檢測混凝土溶出液的鈣離子濃度,可探究甲基硅酸鈉對混凝土抗鈣溶蝕的影響,鈣離子濃度變化如圖5所示。

圖5 鈣離子濃度變化Fig. 5 Changes in calcium ion concentration

甲基硅酸鈉各摻量鈣離子起始濃度均約在0.015 mol/L左右,隨著滲流時間增加,各組摻量鈣離子濃度呈減小趨勢。當反應時間為45 h時,0.2%,0.8%摻量組的鈣離子濃度大約為0.005 mol/L,0.4%,0.6%摻量組的鈣離子濃度大約為0.003 mol/L。隨著滲流時間的增加,0.4%,0.6%摻量組的鈣離子濃度減小速率略大于0.2%,0.8%摻量組的鈣離子濃度減小速率。

3.3 鈣溶蝕過程中的流量變化

通過每隔3 h檢測混凝土溶出液的流量大小,可探究甲基硅酸鈉對混凝土抗鈣溶蝕的效果,溶出液的流量變化如圖6所示。

圖6 溶出液流量變化Fig. 6 Variation of dissolved liquid flow rate

甲基硅酸鈉各摻量的起始流量大小均約在3.5～4.5 mL/s范圍內(nèi),隨著滲流時間的增加,各組摻量流量大小呈下降趨勢,分析原因:由于甲基硅酸鈉摻入混凝土后,甲基硅酸鈉與拌合水及空氣中的CO2發(fā)生一系列反應,最終生成甲基樹脂。甲基樹脂具有憎水性,在混凝土內(nèi)部形成防水薄膜,具有一定膨脹性,能夠起到堵塞孔隙增加密實度的效果。當反應時間為45 h時,0.2%,0.4%,0.6%,0.8%摻量組的流量大小依次為1.93,1.67,1.45,1.32 mL/s。

3.4 鈣離子溶出量

通過測定溶出液中鈣離子濃度及流量大小,計算試驗時間內(nèi)(45 h)不同摻量下鈣離子溶蝕過程中液相鈣離子溶出量,液相鈣離子溶出量變化曲線如圖7所示。結合雙壁波紋管上的固相結晶體質(zhì)量,通過化學法換算結晶體中固相鈣離子含量。鈣離子溶出總量即為液相鈣離子與固相鈣離子之和。比較不同摻料下鈣溶出總量,確定甲基硅酸鈉內(nèi)摻混凝土的最優(yōu)摻量。

1)液相鈣離子質(zhì)量計算

每隔3 h取一次雙壁波紋管上的溶出液體,測定鈣離子濃度及溶出液的流量,通過式(1)計算3 h內(nèi)液相鈣離子的溶出量,并將每個時間段內(nèi)的鈣離子溶出量相加,即可得到鈣離子的溶蝕總量。結果如表3所示。

表3 甲基硅酸鈉不同摻量鈣溶出總量Table 3 Total amount of calcium dissolved by different doping of sodium methylsilicate

(1)

式中:mn為第n個3 h時間內(nèi)鈣離子溶蝕量(g);a為滴定時EDTA標準溶液消耗的體積(mL);vn為第n個3 h時間內(nèi)溶出液流量(mL/);V為待測液的體積(mL);40.08為鈣離子的摩爾質(zhì)量(g/mol)。

2)固相鈣離子質(zhì)量計算

每隔3 h測量一次雙壁波紋管上固體結晶體的質(zhì)量,并通過式2計算固相結晶體中鈣離子的含量,將每次測得的固相鈣離子含量求和。固相鈣離子含量如表3所示。

(2)

式中:mij為j摻量下45 h后排水管上結晶體中鈣離子質(zhì)量(g);mCaCO3為j摻量下45 h后排水管上結晶體質(zhì)量(g);40.08為鈣離子的摩爾質(zhì)量(g/mol);100.09為碳酸鈣的摩爾質(zhì)量(g/mol)。

試驗結果表明,混凝土鈣溶蝕總量隨甲基硅酸鈉摻量的不同而不同,各組甲基硅酸鈉液相Ca2+溶出量排序為:0.2%>0.8% >0.6%> 0.4%,各組固相Ca2+溶出量及Ca2+溶出總量排序與液相Ca2+溶出量排序規(guī)律一致。

3 結語

1)甲基硅酸鈉一方面具有憎水性,可在混凝土內(nèi)部形成防水薄膜,暴露于孔隙水中,排斥水中的氫原子;另一方面,生成的甲基樹脂具有一定膨脹性,能夠起到堵塞孔隙增加密實度的效果。

2)甲基硅酸鈉不同摻量工況下,流量曲線基本均呈快速下降趨勢,截至45 h時,流量大小與甲基硅酸鈉摻量呈負相關,流量從大到小依次為:0.2%> 0.4%> 0.6%> 0.8%。

3)混凝土鈣溶蝕總量隨甲基硅酸鈉摻量的不同而不同,液相鈣離子溶出量越多越易產(chǎn)生結晶沉淀。各組Ca2+溶出總量從大到小依次為:0.2%> 0.8%> 0.6%> 0.4%。因此,選取0.4%甲基硅酸鈉作為最優(yōu)抗混凝土鈣溶蝕摻量。