水工混凝土新型防護涂層抗凍融性試驗研究

劉桐渤

(莊河市水務事務服務中心，遼寧 大連 116400)

中國東北部高寒地區具有獨特的環境條件和地理位置，相對于其它地區存在大風日數頻繁、深覆蓋層凍土、日溫差大、嚴寒干燥等特點[1]。水工混凝土病害多樣，并以凍融破壞為主要裂化形式，凍融破壞會加速碳化、溶蝕、沖蝕等裂化進程，加速其它不利因素作用[2-3]。

在混凝土表面噴涂一種耐腐蝕、抗滲透涂料，從而形成一層能夠隔離水、CO2、氯鹽等有害介質侵入的防水保護層，能夠彌補結構內部多孔缺陷，有效抑制混凝土的開裂、承載力下降或剛度降低，改善混凝土耐久性，延長工程服役年限[4-10]。文章結合北方高寒地區特點，利用加速凍融試驗探討了3種涂層材料的抗凍性，并以現場生產性試驗驗證了其適用性。

1 試驗方法

1.1 原材料與配合比

依據《水工混凝土試驗規程》相關操作流程制備水泥砂漿、混凝土試件，并標養至規定的齡期以備使用。砂漿試件尺寸為160mm×40mm×40mm，試驗用砂為ISO標準砂，水泥選用中熱水泥，水灰比為0.50，自來水；混凝土試件配合比，見表1，試件尺寸為400mm×100mm×100mm。

表1 混凝土試件配合比

本試驗選用聚脲涂層體系(JNTC)、聚酯樹脂(JZSZ)、耐候性環氧涂層(NHHY)三種防護材料，聚以脂肪族聚脲和環氧膠泥作為聚脲涂層體系的面漆、底漆。為保證試件與涂料間的有效黏結，涂刷前先將試件表面用拋光打磨機處理，保證表面平整度和無孔洞；然后清洗干凈表面污物并靜置放干，對混凝土試件利用聚酯樹脂涂刷厚2mm，并分別用聚脲涂層、耐候性環氧涂層涂刷水泥砂漿試件2mm厚，其中聚脲面漆、環氧膠泥底漆的涂刷時間間隔≥8h。完成以上供需后，在相對濕度50±5%、室溫22±2℃條件下按照《建筑防水涂料試驗方法》養護7d備用。

1.2 試驗設備與方法

嚴格按照試驗規范推薦的方法和操作流程，利用MIT-683-063型全自動凍融試驗機和AG-IC-100kN型萬能試驗開展相關試驗，測定試件的抗凍性、抗折、抗壓和抗拉強度等。該規程規定了試驗停止條件，即滿足質量損失率≥5%、相對動彈性模量減少至60%以下或凍融循環達到300次時停止試驗。

2 結果與分析

2.1 抗拉性能影響

涂層抗拉和黏結強度嚴格按照《建筑防水涂料試驗方法》進行測試，并選用綜合性能較好的材料開展凍融試驗。

以《建筑防水涂料試驗方法》為依據測試防護涂層的抗拉、黏結強度，并選用抗拉強度、黏結性能較好的涂層開展抗凍融試驗。依據水泥砂漿試件和混凝土試件(均已涂覆防護涂層)的相對動彈性模量、質量損失率，以《水工混凝土試驗規程》為依據評判其抗凍等級，最終按照抗壓、抗折強度測試結果確定防護效果[11-12]。

經多次反復試配調整，確定抗拉性能較好的JNTC、JZSZ、NHHY涂層配比，抗拉強度依次為11.35MPa、28.12MPa、24.07MPa。然后測試以上涂層的黏結性能，結果顯示耐候性環氧涂層(NHHY)破壞大多出現在混凝土基體上，其黏結力超過3.8MPa，其次為聚脲涂層(JNTC)，以環氧膠泥為底漆可以明顯提升與混凝土的黏結力。此外，水工混凝土與聚酯樹脂(JZSZ)之間的黏結力<2.0MPa，抗拉破壞主要集中于界面交界處。

試件經多次凍融循環后的抗拉強度，涂層材料的抗拉性能，見圖1。結果顯示涂耐候性環氧涂層(NHHY)的試件經150次凍融后依然具有較高的抗拉強度，當達到200次凍融后開始明顯下降。涂聚脲涂層(JNTC)的試件抗拉強度受凍融破壞影響小，經300次循環后抗拉強度近減少12.33%，并且凍融循環在300次以內時表面未出現明顯裂紋或收縮變形的情況。

圖1 涂層材料的抗拉性能

2.2 抗凍性能測試

采用室內加速凍融試驗測試未涂防護材料(試驗對照組1)、涂聚脲材料(組2)、涂耐候性環氧材料(組3)的水泥砂漿試件抗凍性，試驗對照組1的抗凍性，見表2；涂防護材料的抗凍性能，見表3。

表2 試驗對照組1的抗凍性

由表2可知，經100次循環后試驗對照組時間的動彈性模量減小至11.82%，質量損失率達到43.19%，試件表明出現嚴重破壞。

表3 涂防護材料的抗凍性能

由表3可知，涂耐候性環氧材料試件的抗凍等級達到F150，200次凍融循環后才逐漸出現裂縫；涂聚脲材料試件的抗凍等級為F250，經300次凍融循環后仍未出現明顯裂縫，可見這種材料能夠大大增強抗凍性。經凍融循環，水泥砂漿試件的相對動彈性模量和質量出現一定的增大，深入分析發現可能與聚脲材料表面吸附的水分有關。

2.3 力學性能分析

在試件表面單獨涂刷聚脲材料和耐候性環氧材料，并按照規范要求測試力學性能。結果發現，水泥砂漿與兩種涂層均具有較強的界面黏結力，凍融作用未引起明顯的應變力，界面黏結較好，即水泥砂漿與涂層材料具有較好的溫度變形協調性[13-15]。

經多次凍融循環，單獨涂不同防護材料試件的抗壓和抗折強度，水泥砂漿試件力學性能，見圖2。由圖2(a)可知，涂耐候性環氧材料試件的力學性能經150次凍融循環后變化減小；經200次循環后，因涂層出現裂縫試件內部開始滲水，從而增強了凍融破壞，使得其力學性能開始下降，該變化趨勢與抗拉強度基本相似。

(a)涂耐候性環氧材料 (b)涂聚脲材料

由圖2(b)可知，隨凍融次數的增大涂聚脲材料試件的抗壓、抗拉強度均呈現出下降趨勢，并且抗折曲線下降幅度要高于抗壓強度曲線。涂聚脲材料試件的抗壓和抗折強度，經100次凍融后剩余92.25%、87.74%，經200次凍融后剩余75.77%、42.42%，經300次凍融后剩余70.82%、3.32%。

2.4 現場生產性試驗

為進一步檢驗水利工程實際應用中新型聚脲涂層的康動容防護效果，在莊河市朱隈水庫等除險加固工程中相繼開展現場生產性試驗。現場觀測資料顯示，使用新型聚脲材料能夠有效減輕沖蝕、滲漏和凍融破壞作用，在很大程度上抑制混凝土剝蝕脫落和裂紋的形成。

3 結 論

水工混凝土病害多樣，并以凍融破壞為主要裂化形式，凍融破壞會加速碳化、溶蝕、沖蝕等裂化進程和其它不利因素作用。對此，文章利用室內加速凍融試驗研究了3種新型防護涂層的抗凍性能。結果顯示，新型聚脲涂層體系的抗凍性能最好，使用新型聚脲材料能夠有效減輕沖蝕、滲漏和凍融破壞作用，在很大程度上抑制混凝土剝蝕脫落和裂紋的形成。因此，該材料有利于改善水工混凝土耐久性，可為東北部高寒地區水工結構表面防護提供一種新的方法。