SK高耐候水泥基防護材料性能試驗研究

孟川 楊慶勝 白振江

摘要：根據西北高寒地區水工混凝土建筑物表面防護要求，對新型SK高耐候水泥基防護材料進行了試驗研究。為驗證其耐候、附著、抗凍等關鍵性能，引入了市面常見的乙烯基酯防腐涂層和水泥基柔性防水涂層等同類防護涂料作為對比材料，分別進行了標準環境、高溫海水浸泡、熱氧老化、紫外光老化、低溫環境下等不同條件的涂層力學性能測試、拉拔試驗和凍融循環測試，并進行了結果分析。結果表明：SK高耐候水泥基防護材料與市面同類材料相比，綜合耐候性能優異，附著性能突出，抗凍性能較傳統聚合物水泥基材料有明顯提升，適用于寒冷地區水工混凝土建筑物表層防護。

關鍵詞：SK高耐候水泥;水工混凝土表面防護;聚合物水泥基防護涂層;加速老化試驗;凍融

中圖法分類號：TQ172.7

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.10.011

1 研究背景

混凝土壩、廠房、水閘、渠道、渡槽、橋柱、工作橋等水工建筑物，隨著運行年限的增長，建筑結構的耐久性因環境影響而失效的現象增多，由于氣候變化造成的環境變化對水工建筑耐久性的影響問題嚴峻[1]。根據水利工程結構特點及其服役環境的不同，水工混凝土常見病害主要包括物理性危害（裂縫、凍脹，沖磨空蝕等）和化學性危害（堿骨料反應、碳化、腐蝕、溶蝕等）。由于水工混凝土自身因素及其運行環境的差異，這幾類病害對水工混凝土的危害程度也不相同[2-3]。在寒冷地區修建的水工混凝土建筑物，迎水面水位變化區工作條件極其苛刻。已有研究表明，混凝土溫度驟降是產生和加重溫度裂縫的最主要原因[4]。此外，凍融破壞也是我國寒冷地區水工混凝土建筑物的常見病害，普遍發生在寒冷地區經常與水接觸的混凝土結構物，特別是水位變化區的水工和海工混凝土結構物。在我國東北、華北、西北地區，水工混凝土建筑物水位變化區域的混凝土幾乎100%遭受不同程度的凍融破壞[5]，如東北地區的云峰水電站大壩、豐滿水電站大壩、松月水庫大壩、滿臺城水庫大壩等均出現迎水面混凝土凍融剝蝕破壞現象。為了修復這些已建混凝土大壩的凍融剝蝕破壞，防止壩面開裂引起的高壓水力劈裂和混凝土、鋼筋性能劣化的隱患，提高大壩工程安全性和耐久性，在混凝土表面一定范圍涂刷一層綜合耐候性強且具備防滲和抗凍功能的涂料進行耐久性防護是非常必要的。為此，研究性能優越、造價低廉的涂層防護材料具有重要意義。

2 SK高耐候水泥基防護材料

傳統聚合物水泥基防水涂料兼有聚合物和水泥的特點，既具備聚合物乳液優異的延伸性和防水性，也有水硬性膠凝材料強度高、與潮濕基層載結能力強等優點，在我國的多個建筑結構部位（如廁浴、廚房、建筑物屋面、地下室等）中得到廣泛應用，目前已成為我國建筑防水材料領域中不可或缺的材料[6]，但也存在易出現耐水性變差、開裂等耐久性問題[7]。

SK高耐候水泥基防護材料是一種經過納米填料改性的水性乳液與水泥、石英砂等粉料組成的聚合物水泥基復合材料。該材料中選用的乳液是一種采用納米分散聚合物微乳液共聚技術制備，具有多支化骨架結構并接枝高反應活性官能團的水性環保樹脂。由于該材料獨有的分子結構能夠形成致密漆膜，能有效阻斷及減緩各類不利環境因素導致的老化進程，使其擁有超強的耐浸泡、耐老化、耐腐蝕性能，同時在施工中還兼具工藝靈活（可刮、可滾、可噴）、高效安全、成本低廉等特點，是一種具有高耐候性的新型混凝土防護材料。為驗證SK高耐候水泥基防護材料的耐候性，同時引入2種市面常見的聚合物水泥基防水涂料（乙烯基酯防腐涂層和水泥基柔性防水涂層），作為對比材料，3種涂層材料的原料和配比見表1。

3 涂層耐候性能試驗

涂層耐候性能試驗包括海水腐蝕、熱氧老化、紫外老化等主要氣候環境劣化因素下的加速老化試驗。對不同涂層按GB/T 16777-2008《建筑防水涂料試驗方法》中拉伸性能試驗方法進行測試，通過對比標準養護條件下和不同加速老化試驗后的拉伸性能變化率，評價材料的耐候性能。

3.1 標準養護條件下涂層拉伸性能

表2為涂層在標準養護條件下不同齡期的拉伸性能試驗結果，可以看出：隨齡期增加，3種涂層的拉伸強度（TS）增大、斷裂伸長率（Eb）下降，但性能變化并不明顯。這表明，水泥基類涂層成膜速度相對較快，在水泥發生水化反應并與聚合物涂膜形成互穿網絡結構后便基本達到最終性能。3種材料中SK高耐候水泥基防護材料力學性能與其他材料相比并無明顯優勢，同時，斷裂伸長率隨齡期快速下降，材料整體偏向剛性。乙烯基酯防腐涂層由于乳液組分中含有環氧基團，拉伸強度明顯高于其他兩種材料，但柔性也最差。水泥基柔性防水涂層選用的巴斯夫乳液成膜后本身具有極高韌性，且粉料中沒有加入石英砂，因此材料整體柔韌性最好。

3.2 高溫海水浸泡后涂層拉伸性能

海水成分復雜，可以與水泥基材料形成難溶物質，導致結晶膨脹性腐蝕。高溫環境則可以加速老化反應速度、加重材料劣化程度。因此，高溫海水浸泡試驗可以很好地驗證材料耐浸泡、耐腐蝕性能。表3為各參比涂層在高溫海水浸泡條件下不同齡期的拉伸性能試驗結果。乙烯基酯防腐涂層在浸泡7d齡期時涂層性能就大幅下降至原始強度的1/5，表面出現起泡、開裂現象。水泥基柔性防水涂層外觀在浸泡后沒有明顯劣化，拉伸強度隨浸泡齡期先增加后緩慢下降，而斷裂伸長率則呈快速下降趨勢，到28 d齡期時性能劣化率已達到70%。高耐候水泥基防護材料在浸泡后，拉伸強度和斷裂伸長率分別下降了22%和11%，相比前兩種材料性能變化很輕微，表現出良好的耐腐蝕、耐浸泡性能。

3.3 熱氧老化后涂層拉伸性能

熱氧老化主要是由空氣中的氧氣在高溫條件下與有機材料分子中的活潑基團反應產生游離基并發生分子鏈斷裂，導致材料力學性能下降的老化現象。表4為各參比涂層在熱氧老化條件下不同齡期的拉伸性能試驗結果，可以看出：隨老化齡期增加，各參比涂層拉伸性能變化趨勢均表現為拉伸強度增大，斷裂伸長率下降。對于水泥基材料，高溫環境促進了聚合物分子鏈進一步交聯，其中，乙烯基酯防腐涂層拉伸強度達到11.6 MPa，已接近油性涂層的拉伸性能。高耐候水泥基防護材料和水泥基柔性防水涂層的強度也有一定程度提高。由于水泥基材料內部存在的大量無機填料對聚合物也起到一定隔離保護作用，在熱氧老化環境下材料性能劣化并不明顯。

3.4 紫外老化后涂層拉伸性能

陽光中的紫外線是造成涂層外觀發生褪色、失光、黃變、粉化等劣化的主要原因。各參比涂層在紫外老化條件下不同齡期的拉伸性能試驗結果如表5所示，可以看出：高耐候水泥基防護材料和乙烯基酯防腐涂層老化后外觀均未出現明顯劣化;在力學性能方面，拉伸強度隨老化齡期增加，斷裂伸長率略有下降，表現出較強的耐紫外老化性能。水泥基柔性防水涂層在紫外老化28 d后，樣條中段出現失光和發白褪色現象，與兩側未受光照部分形成鮮明對比;在力學性能方面同樣有很大波動，拉伸強度下降了61%，斷裂伸長率上升了76%，說明該材料對紫外光老化的耐受性較差。

4 涂層附著性能試驗

4.1 標準養護條件下涂層附著性能

表6為各參比涂層在標準條件下養護28 d后附著性能試驗結果，可以看出：乙烯基酯防腐涂層和水泥基柔性防水涂層經標準條件養護后拉拔強度均較低，只達到1.16 MPa和1.35 MPa，拉拔時界面破壞形式為界面一本體混合破壞，說明這兩種材料本體強度與黏接效果均不夠理想。高耐候水泥基防護材料在經標準條件養護后拉拔強度則能達到2.03 MPa.拉拔時界面破壞形式為混凝土破壞，其附著性能明顯優于其他兩種材料。

4.2 長期浸泡條件下涂層附著性能

表7為各參比涂層在65 ℃自來水中浸泡3個月后附著性能試驗結果，可以看出：經過長期高溫浸泡后，參比涂層的附著性都有不同程度的下降。其中，乙烯基酯防腐涂層和水泥基柔性防水涂層拉拔強度分別下降了36%和50%，乙烯基酯防腐涂層拉拔破壞類型為本體斷裂。水泥基柔性防水涂層還在浸泡50d左右時發生表面變軟、大量起泡和脫層現象，拉拔時破壞類型為界面破壞，表明其耐浸泡性能相對較差。高耐候水泥基防護材料在浸泡后表觀無明顯劣化現象，且拉拔強度僅下降了6%，拉拔破壞類型仍為混凝土破壞，在參比涂層中耐浸泡性能最為突出。

5 涂層抗凍性能試驗

5.1 低溫條件下涂層拉伸性能

我國北方高寒地區冬季平均氣溫在-20℃左右，材料在低溫條件下分子鏈凍結活動受限，變硬變脆。因此，低溫韌性也是判斷材料是否適合應用在高寒地區的關鍵性能。各參比涂層在不同溫度下的拉伸性能試驗結果如表8所示，可以看出：在-10℃時，各參比涂層斷裂伸長率僅下降20%左右，對材料力學性能影響有限。試驗溫度下降到-20℃時，各參比涂層脆化現象更加嚴重，其中高耐候水泥基防護材料和乙烯基酯防腐涂層的斷裂伸長率保持在5%左右，水泥基柔性防水涂層斷裂伸長率下降幅度最高，達到50%，但因其伸長率初始值高，仍是參比材料中低溫柔性最好的材料。

5.2 涂層抗凍性能

針對凍融循環對混凝土產生破壞的程度，采用SL 352-2006《水工混凝土試驗規程》4.23節給出的混凝土試件相對動彈模量Pn進行表征，按式（1）進行計算，以3個測量點試驗結果的平均值為測定值。

對于各參比涂層，對抗凍試件防護后進行了不同周期凍融循環后的自振頻率（fn）測試，結果見表9。按照試驗規程中的判定要求，當相對動彈性模量下降至原始值的60%以下時，認定試件已經破壞。由圖1可以看出，由于試驗抗凍試件為低強度混凝土，內部結構松散，很容易受到凍融循環破壞，在不進行涂層防護的情況下運行50次后，循環后便達到判定極限。采用乙烯基酯防腐涂層和水泥基柔性防水涂層防護后，混凝土試件分別可抵御凍融循環75次和100次左右，具有一定防凍融效果。采用高耐候水泥基防護材料防護的試件則最多可抵御凍融循環200次左右，與傳統聚合物水涂層相比，抗凍性能有了顯著提升。凍融循環至300次時，乙烯基酯防腐涂層和高耐候水泥基防護材料的破壞形式主要為涂層開裂和局部破損;水泥基柔性防水涂層韌性較好，破壞形式以大面積脫空為主。可見涂層韌性主要影響破壞類型，涂層的附著和抗滲性能才是提高抗凍能力的關鍵指標。

6 結論

（1）涂層耐候性能試驗表明：SK高耐候水泥基防護材料的耐高溫海水浸泡、耐紫外老化性能較乙烯基酯防腐涂層和水泥基柔性防水涂層優異;耐熱氧老化性能與乙烯基酯防腐涂層和水泥基柔性防水涂層基本相當。SK高耐候水泥基防護材料的綜合耐候性能優于參比同類水泥基涂層。

（2）涂層附著性能試驗表明：標準條件下SK高耐候水泥基防護材料黏接強度可達2.03 MPa。經高溫長期浸泡后黏接強度僅降低了6.47%，表觀無變化。無論標準條件還是長期浸泡后，與混凝土基面的附著性能相比，同類水泥基涂層都有明顯優勢。

（3）涂層抗凍性能試驗表明：低溫環境對SK高耐候水泥基防護材料拉伸性能影響較小。采用該新型材料進行防護后混凝土試件可有效抵御200次凍融循環，相比傳統同類材料抗凍性能有顯著提升。涂層韌性主要影響破壞類型，涂層的附著和抗滲性能才是提高抗凍能力的關鍵指標。

（4）SK高耐候水泥防護材料耐候性能突出，綜合性能優異，建議應用于水工混凝土建筑物外立面、河堤護岸、隧洞內壁及防滲面板的表面缺陷修補及混凝土防碳化。對于西北寒冷地區面板防護，只要施工時滿足基材表面溫度不低于露點，環境溫度>5 ℃，相對濕度<85%的施工條件，保證材料成膜固化質量，后期低溫環境對涂層耐候性影響不大。

參考文獻：

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[7]王宏霞，王志新，聚合物水泥防水涂料的耐久性研究進展[J].中國建材科技，2019，28（6）：36-38.

（編輯：李慧）

作者簡介：孟川，男，工程師，碩士，主要從事水工材料研究工作。E-mail：mengriver@aliyun.com