不同防護涂層對水工混凝土抗凍性能的影響研究

楊冬鵬

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

抗凍性能是水工混凝土耐久性重要指標之一，凍融破壞是北方地區水工混凝土面臨的主要問題[1]。目前提高混凝土抗凍性的主要措施是在混凝土中摻加不同摻合料、外加劑等，然而對于既有混凝土結構，涂刷防護涂層是一種提高混凝土耐久性的直接有效方式[2]。涂刷防護涂層可以在混凝土表面形成保護層，阻止水溶介質進入混凝土，防止混凝土內部發生凍融破壞，進而提高混凝土耐久性，同時也起到了抗硫酸鹽、氯離子等侵蝕的作用[3- 8]。

某水閘工程閘底板混凝土等級為C25F150W4，在除險加固過程中準備在閘底板混凝土表面涂刷防護涂層以來提高其耐久性。目前常用的混凝土防護材料有環氧類涂料、防碳化涂料、疏水涂料、聚氨酯防腐涂層、納米復合防腐涂層等，然而不同防護涂層的混凝土抗凍性影響效果不同[9- 16]。本文在現場所取的混凝土芯表面涂刷三種防護涂料，進行抗凍試驗并比較其對混凝土抗凍性的提高效果，為除險加固工程提供理論依據。

1 試驗材料

目前常用的混凝土防護材料有環氧類涂料、防碳化涂料、疏水涂料、聚氨酯防腐涂層等[17- 20]。本次試驗選擇環氧膠泥(環氧類涂料)、CPC混凝土防碳化涂料(防碳化涂料)、異丁基三乙氧基硅烷(疏水涂料)三種防護涂料涂刷混凝土試樣表面進行抗凍試驗研究。

混凝土試樣為某水閘工程閘底板混凝土鉆取的芯樣，混凝土設計指標為C25F150，芯樣加工成直徑為100mm高為400mm的試樣進行快速凍融試驗。

2 試驗方法

考慮水閘底板混凝土常年處于水下，選擇混凝土快速凍融試驗，混凝土試樣完全浸在水中進行凍融循環，一個凍融循環歷時4h，其中降溫歷時2.5h，升溫歷時1.5h，快凍法試驗過程參照標準SL352—2006《水工混凝土試驗規程》進行。抗凍試驗考核指標為相對動彈性模量和質量損失，但是涂刷防護涂層后對混凝土質量損失無法直接測量，本文采用相對動彈性模量和抗壓強度損失率綜合評價防護效果。

快速凍融試驗試樣加工32組(如圖1所示)，每組3個試件，其中8組不做任何處理，8組表面涂刷環氧膠泥涂料、8組表面涂刷CPC混凝土防碳化涂料(以下簡防碳化涂料稱)、8組表面涂刷異丁基三乙氧基硅烷(以下簡稱硅烷)。在進行抗凍試驗前測量混凝土試樣動彈性模量，分別在第25、50、75、100、125、150、175、200次凍融循環時各取出1組試樣測量動彈性模量，涂刷環氧膠泥涂料和防碳化涂料的試樣在測量動彈性模量時需將探頭接觸試樣部位涂層去掉。之后將該組試樣加工成直徑為100mm高度為100mm抗壓試樣，進行抗壓強度試驗。

圖1 現場芯樣照片

每種涂料在涂刷前，按照其施工要求對試樣進行處理。每種涂料均分3層進行涂刷，環氧膠泥涂料和防碳化涂料涂刷厚度為2mm，硅烷浸漬深度為4mm，涂刷完防護涂料的芯樣如圖2，圖2(a)為涂刷環氧膠泥試樣，圖2(b)為涂刷防碳化材料試樣，圖2(c)為涂刷硅烷材料試樣。

圖2 涂刷完防護涂料試樣照片

3 動彈性模量試驗結果分析

依據各自混凝土試樣的動彈性模量測量結果計算相對動彈性模量，試樣相對動彈性模量隨凍融循環次數變化規律見表1，從表1可以看出，混凝土抗凍試件隨著凍融循環次數的增加混凝土相對動彈性模量逐漸減小，這是由于在凍融循環過程中混凝土中毛細孔中的水結冰膨脹產生膨脹壓力導致混凝土結構破壞。在相同凍融循環下，涂刷了防護涂料的混凝土試件相對動彈性模量均大于未涂刷防護混凝土試件，由于涂層的存在，可以有效阻止水進入混凝土，進而提高混凝土抗凍性。

涂刷了防護涂料的混凝土試件在前100次凍融循環中相對動彈性模量降低較少，涂刷環氧膠泥材料的混凝土試件在第125次凍融循環時環氧膠泥涂

表1 各組混凝土試件相對動彈性模量試驗結果

層出現裂紋，在第150次凍融循環時環氧膠泥涂層出現破裂，如圖3(a)；涂刷防碳化涂層的混凝土試件在第100次凍融循環時涂層與芯樣分離，并局部產生破裂，如圖3(b)；涂刷硅烷材料混凝土試件在第100次凍融循環后，試件表面局部開始出現剝離，如圖3(c)，在一定凍融循環作用后，涂層的破壞導致大量水進入混凝土試樣中加速了混凝土的凍融破壞，進而降低了相對動彈性模量。

圖3 凍融后的混凝土試樣

按照公式(1)計算各防護材料在不同循環作用下對混凝土抗凍性提高率，結果如圖4所示。

(1)

式中，W—抗凍性能提高率，%；P0—未涂刷防護涂料混凝土的相對動彈性模量，%；Pn—涂刷不同防護涂料混凝土的相對動彈性模量，%。環氧膠泥涂層在100次凍融循環前對混凝土抗凍性提升效果最好，但在100次出現破裂后，提升效果開始下降。相比較下，硅烷涂層在前期對混凝土抗凍性提升較小，但是由于疏水類涂層與混凝土結合較穩定，在后期仍可持續阻止水進入混凝土試樣，進而提升混凝土抗凍性。從200次凍融循環后相對動彈性模量結果來看，3種防護涂層對混凝土芯樣抗凍性提高效果最大為異丁基三乙氧基硅烷涂層，其次是環氧膠泥涂層。其中異丁基三乙氧基硅烷涂層可提高50.9%，環氧膠泥涂層可提高35.0%，防碳化涂層可提高25.1%。

圖4 不同涂料對混凝土抗凍性提高率

4 抗壓強度試驗結果分析

抗壓強度試驗結果見表2，未進行凍融試驗的試樣抗壓強度為25.6MPa。隨著凍融循環次數的增加，混凝土試件抗壓強度損逐漸減小。在相同凍融循環下，涂刷了防護涂料的混凝土試件抗壓強度均大于未涂刷防護混凝土試件，涂刷防護涂層均可提高混凝土抗凍性。

表2 混凝土試驗抗壓試驗結果

計算混凝土抗壓強度損失率，結果如圖5所示。從圖5可知，隨著凍融循環次數的增加，混凝土強度損失率逐漸增加。在相同凍融循環次數下，未涂刷防護材料的混凝土試件抗壓強度損失率明顯大于涂刷了防護材料的混凝土試件。3種涂刷防護材料試件相比，125次凍融循環以前，涂刷硅烷的混凝土試件抗壓強度損失率最大，125次凍融循環以后，涂刷硅烷的混凝土試件抗壓強度損失率最小，這是由于環氧膠泥材料涂層和防碳化材料涂層分別在第125次和第100次凍融循環時發生破裂，之后降低了防護作用。而硅烷涂層可以有效持久地阻止水進入混凝土，故在后期硅烷對混凝土抗凍性提升效果比較明顯。從200次凍融循環后抗壓強度結果來看與未涂刷涂料混凝土試件相比，涂刷環氧膠泥防護涂層可以提高混凝土抗壓強度85.5%，涂刷防碳化涂料可以提高混凝土抗壓強度74.2%，涂刷硅烷防護涂層可以提高混凝土抗壓強度133.9%。

圖5 混凝土抗壓強度損失率

5 結語

(1)環氧膠泥和防碳化涂料在前期對混凝土抗凍性提升比較明顯，涂刷環氧膠泥試件在經過150次凍融循環后涂層出現破裂，降低防護作用。涂刷防碳化涂料混凝土試件經過100次凍融循環試驗，局部涂層與芯樣出現分離并產生破壞，降低防護作用。

(2)涂刷異丁基三乙氧基硅烷混凝土試件前期對混凝土抗凍性提升相對較小，但是由于異丁基三乙氧基硅烷與混凝土結合較穩定，在后期可持續阻止水分進入混凝土試樣，進而提升混凝土抗凍性。

(3)200次凍融循環后，涂刷環氧膠泥可以提高相對動彈性模量35.0%，提高抗壓強度85.5%；涂刷防碳化涂料可以提高相對動彈性模量25.1%，提高抗壓強度74.2%；涂刷異丁基三乙氧基硅烷可以提高相對動彈性模量50.9%，提高抗壓強度133.9%；通過綜合評定，所研究的3種防護涂料中異丁基三乙氧基硅烷對混凝土抗凍性提上效果最好。