不同表面涂層對管樁混凝土耐久性的提升研究

高 超、宋冰泉、王毓晉、周永祥、王 晶、夏京亮

(1.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；2.國家建筑工程技術研究中心，北京 100013；3.寧波交通工程建設集團有限公司，寧波 315200)

預制混凝土管樁具有質量好、施工快、工程地質適應性強等優(yōu)點，被廣泛應用于高層建筑、港口、橋梁等基礎工程[1]。傳統(tǒng)的預應力混凝土管樁采用常壓蒸養(yǎng)后再高壓蒸養(yǎng)的生產工藝[2]，由于高壓蒸養(yǎng)能耗高，導致管樁混凝土脆性大、耐久性能不良等特點，現(xiàn)已逐漸轉變?yōu)槊鈮赫羯a工藝，常壓蒸養(yǎng)管樁混凝土具有能耗低、高耐久性的優(yōu)勢[3]，有利于混凝土管樁的推廣使用，但是常壓蒸養(yǎng)也會造成其大于200 nm的有害孔比例遠遠高于標養(yǎng)[4]，致使管樁混凝土的耐久性能受到一定的影響。另一方面，管樁混凝土應用于基礎工程時，會面臨嚴酷的凍融環(huán)境、海洋和除冰鹽等氯化物環(huán)境、硫酸鹽等化學腐蝕環(huán)境[5,6]，因此對壓蒸和免壓蒸管樁混凝土的耐久性提出了更高的技術要求。趙鐵軍等[7-15]研究表明表面涂層對混凝土的耐久性能具有顯著的提升作用，但上述研究均針對現(xiàn)澆、中低強度等級混凝土進行的研究。該研究采用聚合物防水砂漿、水劑型環(huán)氧樹脂、硅烷和丙烯酸酯涂料4種不同的表面涂層對管樁混凝土進行表面涂層處理，研究進行表面涂層處理對管樁混凝土的抗氯離子滲透性能、抗硫酸鹽侵蝕性能和抗凍性能的影響。

1 試 驗

1.1 原材料

1)膠凝材料：金隅PO52.5水泥，3 d抗壓強度32.5 MPa，28 d抗壓強度60.7 MPa；Ⅱ級粉煤灰，燒失量2.1%，45 μm篩篩余18%，需水量比98%；S95級礦渣粉，7 d活性指數(shù) 78%，28 d活性指數(shù)97%，流動度比98%；硅灰：SiO2含量為91%，需水量比115%，活性指數(shù)111%。

2)骨料：5～20 mm連續(xù)級配碎石；機制砂，Ⅱ區(qū)中砂，細度模數(shù)2.8，石粉含量5.7%，MB值0.8。

3)減水劑：聚羧酸系高性能減水劑，減水率32%。

4)水：自來水。

1.2 配合比及強度

C80管樁混凝土配合比及蒸養(yǎng)強度見表1，管樁混凝土的蒸養(yǎng)制度：混凝土成型之后帶模養(yǎng)護，在40 ℃下放置3 h，然后在80 ℃下蒸養(yǎng)5 h，自然冷卻后拆模標養(yǎng)至28 d進行試驗。

表1 C80管樁混凝土配合比及蒸養(yǎng)強度

1.3 試驗方法

試驗選用4種表面涂層防護材料進行研究，分別為聚合物防水砂漿(編號JS)、水劑型環(huán)氧樹脂(編號HY)、硅烷(編號GW)和丙烯酸酯涂料(編號BZ)，均按照使用說明進行涂刷。水泥基防護涂料在混凝土試件表面涂刷一層水泥基防水砂漿，施工后放置24 h進行試驗；水劑型環(huán)氧樹脂首先在混凝土試件表面涂刷一層底漆，放置24 h后再涂刷一層面漆，靜置24 h后進行試驗；硅烷涂刷時采用連續(xù)涂刷，使各被涂表面至少有5 s保持濕潤；丙烯酸酯在混凝土試件表面涂刷兩層，第一層與第二層的涂刷方向垂直，待第一層硬化之后再進行第二層的涂刷。

抗氯離子滲透、抗凍、抗硫酸鹽侵蝕性能按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T 50082中的規(guī)定進行。

2 結果與討論

2.1 抗氯離子滲透性能

管樁混凝土進行表面涂層防護前后電通量和氯離子遷移系數(shù)的變化如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可知，管樁混凝土的抗氯離子滲透性能已較好，電通量數(shù)值僅為309 C，氯離子遷移系數(shù)為0.69×10-12m2/s。4種不同表面涂層對管樁混凝土的提升作用顯著不同：聚合物防水砂漿對管樁混凝土的抗氯離子滲透性能的影響較小；水劑型環(huán)氧樹脂顯著提升了管樁混凝土的抗氯離子滲透性能，電通量和氯離子遷移系數(shù)分別降低了45%、60%；硅烷對管樁混凝土的抗氯離子滲透性能有一定的提升效果，電通量和氯離子滲透系數(shù)分別降低了20%、36%；丙烯酸酯涂料也顯著提升了管樁混凝土的抗氯離子滲透性能，電通量和氯離子遷移系數(shù)分別降低了29%、69%。

2.2 抗凍性能

管樁混凝土進行表面涂層防護前后抗凍性能的變化如圖3、表2所示。由圖3和表2可知，管樁混凝土的抗凍性能優(yōu)異，抗凍等級已達到F350。4種不同表面涂層對管樁混凝土抗凍性能均有提升作用：聚合物防水砂漿使管樁混凝土的抗凍等級提升至F375，硅烷、水劑型環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯涂料對管樁混凝土的抗凍等級提升效果更為顯著，分別達到F450、 F475、F475。由表2可見：管樁混凝土和四種不同表面涂層后在歷經500次凍融循環(huán)試驗過程中試件的質量變化均很小，圖4也可看出管樁混凝土試件經凍融循環(huán)后的外觀形貌基本完好，丙烯酸酯涂料略有起皮現(xiàn)象。

表2 表面涂層對管樁混凝土凍融循環(huán)后質量損失率的影響

2.3 抗硫酸鹽侵蝕性能

管樁混凝土進行表面涂層防護前后抗硫酸鹽侵蝕性能的變化如圖5所示。可知：管樁混凝土在經歷120次硫酸鹽干濕循環(huán)后的抗壓強度耐蝕系數(shù)卻高于100%，這主要是由于硫酸鹽干濕循環(huán)試驗時的干燥過程為高溫烘干，溫度效應提高了混凝土強度[16]。隨著硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)的持續(xù)增加，管樁混凝土和不同表面涂層的抗壓強度耐蝕系數(shù)均逐漸降低，管樁混凝土的硫酸鹽干濕循環(huán)180次時耐蝕系數(shù)降低至95%，4種不同表面涂層對管樁混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的提升作用顯著不同。聚合物防水砂漿對管樁混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響較小；丙烯酸酯涂料對管樁混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的提升效果較為明顯，硫酸鹽干濕循環(huán)180次時耐蝕系數(shù)提升至105%；水劑型環(huán)氧樹脂和硅烷的提升效果更加優(yōu)異，硫酸鹽干濕循環(huán)180次時耐蝕系數(shù)分別提升至112%、110%。進行硫酸鹽侵蝕試驗180次循環(huán)之后，4種防護材料均未出現(xiàn)破壞情況，涂層外觀良好，如圖6所示。

3 結 論

a.水劑型環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯涂料能顯著提高管樁混凝土表層的密實性，提高其抗氯離子滲透性能，硅烷也有一定的提升作用，聚合物防水砂漿基本沒有提升作用。

b.水劑型環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯涂料、硅烷能顯著提高管樁混凝土的抗凍性能，將其抗凍等級由F350分別提升至F475、F475、F450；聚合物防水砂漿的提升作用較弱，將其抗凍等級提高至F375。

c.水劑型環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯涂料、硅烷能顯著提高管樁混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，將其硫酸鹽干濕循環(huán)180次時耐蝕系由95%分別提升至112%、105%、110%；聚合物防水砂漿對其抗硫酸鹽侵蝕性能的影響較弱。

d.綜合表面涂層對管樁混凝土耐久性的影響，水劑型環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯涂料、硅烷均能顯著提升管樁混凝土的耐久性。