有機硅混凝土外防護涂層的性能研究與應用

李安，李鵬舉，黎鵬平，范志宏，許艷平

[1.水工構造物耐久性技術交通運輸行業重點實驗室，廣東 廣州 510230；2.中交第四航務工程局有限公司，廣東 廣州 510290；3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519082]

0 前言

混凝土作為一種主要建筑材料，在高速公路、高速鐵路、港口碼頭、道路橋梁、市政工程等工程中廣泛應用[1]。由于模板、脫模劑、混凝土質量波動、不同齡期澆筑的混凝土等多種因素影響，在施工階段，混凝土難以避免會出現色差、蜂窩、麻面等缺陷[2-4]；在服役期間，混凝土受雨水、紫外線、油污、碳酸鹽、硫酸鹽、氯離子、微生物等[5-7]的侵蝕，使混凝土中性化，強度降低，影響混凝土建筑的外觀和耐久性。為了改善混凝土表觀質量，延長混凝土的耐久年限，常采用清水混凝土防護技術對混凝土表面進行涂層防護處理[8-9]。

有機硅混凝土外防護涂層不僅可以修復混凝土表面的色差，保持混凝土自然的質感和肌理，還具有透氣、防水、防腐、耐久等特性，是近幾年清水混凝土防護技術中最常用的一種外防護涂層[10-12]。有機硅混凝土外防護涂層由底層、色差調整中間層和面層組成，其中底層與混凝土基面具有良好的滲透性，使色差調整中間層與底層均勻吸收，色差調整中間層主要用于調整混凝土基面缺陷，統一混凝土色差，面層主要是起到防水透氣超耐久防護作用。

本文介紹有機硅混凝土外防護涂層的防水透氣機理，研究了有機硅混凝土外防護涂層的底層、色差調整中間層和面層對涂層的粘結性能、防水性能、抗氯離子滲透、色差調整、耐候性等性能的影響，測試了有機硅混凝土外防護涂層的耐水性、耐酸雨性、耐堿性、耐候性、耐洗刷性、透氣性等綜合性能，總結了其在橋梁工程中的應用情況。

1 試驗

1.1 試驗材料

滲透型有機硅底漆：主要組份為烷氧基硅烷和硅氧烷，有效組份含量99%，產自德國；硅樹脂色差調整中間漆：主要組份為有機硅樹脂和無機填料，含固量為45%，自產；硅樹脂面漆：主要組份為有機硅樹脂，含固量為30%，自產；水泥：粵秀P·O42.5R，密度為3.08g/cm3，勃氏比表面積385m2/kg，廣州珠江水泥有限公司；河砂：中砂，細度模數2.8，清遠產；碎石：5～10mm（小石）和10～20mm（中石），花崗巖，惠州產；聚羧酸減水劑：減水率32%，含固量13.5%，佛山產；水：自來水；水性脫模劑：廣州產。

1.2試驗方法

C40混凝土配合比如表1所示，控制拌合物坍落度（200±20）mm，成型若干100 mm×100 mm×100 mm試塊，采用水性脫模劑；試塊脫模后養護28d，選取其中3塊測試混凝土平均抗壓強度為55.2 MPa，剩余混凝土試塊取出放置在室內自然晾干，至表面含水率不大于8%；選擇外觀氣泡較少的混凝土試塊側面進行涂刷，涂刷前先用砂紙打磨掉混凝土試塊表面的泛堿、雜質等污染物；按照0.10kg/m2用量涂刷一定稀釋比例的滲透型有機硅乳液底漆；放置12 h以上再涂刷一定稀釋比例硅樹脂色差調整中間漆，按照0.10kg/m2用量涂刷2遍，第2遍涂刷時需確保第1遍涂刷中間漆已表干；放置12 h后再涂刷硅樹脂面漆，按照0.15kg/m2用量涂刷1～2遍；待面漆涂刷完后，自然養護7 d后再進行涂層的相關性能測試。

表1 C40混凝土配合比 kg/m3

1.3 性能測試

參照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》測試溶液的表面張力。參照GB 1728—2020《漆膜、膩子膜干燥時間測定法》中指觸法測試漆膜的表干時間。參照JTS 153—2015《水運工程結構耐久性設計標準》測試涂層的干膜厚度和粘結強度。參照JTS153—2015中混凝土硅烷浸漬試驗方法測試涂層的吸水率和氯化物吸收量降低效果。參照GB/T 1865—2009《色漆和清漆人工氣候老化和人工輻射曝露濾過的氙弧輻射標準》測試涂層老化指標。參照GBT1733—1993《漆膜耐水性測定法》測試涂層的耐水性。參照HG/T 4343—2012《水性多彩建筑材料》測試涂層的耐酸雨性。參照GB/T 9265—2009《建筑涂料 涂層耐堿性的測定》測試涂層的耐堿性。參照GB/T9266—2009《建筑材料 涂層耐洗刷性的測定》測試涂層的耐洗刷性。參照JG/T309-2011《外墻涂料水蒸氣透過率的測定及分級》測試涂層的透氣性。

2 結果與討論

2.1 有機硅混凝土防護材料底層性能研究

有機硅混凝土防護底層主要組份為烷氧基硅烷和硅氧烷（以下簡稱改性硅烷），具有一定的滲透能力，能夠滲透進入混凝土基面，由于其特殊的硅氧鍵基團具有疏水作用，因此有機硅混凝土防護材料底層具有一定的防水性能。試驗考察了不同稀釋比例滲透型有機硅乳液底漆的表面張力和有機硅混凝土防護底層的性能分別見表2、表3。

表2 不同稀釋比例的有機硅乳液底漆的表面張力

表3 有機硅混凝土防護材料底層的性能

由表2可知，有機硅乳液溶液表面張力比水的表面張力低，表現為疏水性，有機硅乳液和水的稀釋比例為1∶7（B3）時表面張力最低，為20.65 mN/m。

由表3可見，有機硅混凝土防護材料底層的表干時間不大于2 h，吸水率小于0.01 mm/min1/2，滿足JTS153—2015中對硅烷吸水率的要求，當有機硅乳液和水的稀釋比例為1∶7時，有機硅混凝土防護材料底層吸水率最低，防水性能最佳。

為了更直觀地了解有機硅混凝土防護底層的疏水性，在未涂刷和涂刷有機硅乳液（稀釋比例為1∶7）的混凝土基面上滴加水滴，如圖1所示。

圖1 有機硅混凝土防護材料底層疏水性測試

由圖1可見，未涂刷有機硅乳液的混凝土基面具有吸水性，水能滲透進入混凝土基面并留下水痕，而涂刷有機硅乳液的混凝土基面上的水滴則表現為水珠效果，具有“荷葉”效應，具有優異的疏水性能。

2.2 色差調整中間層對有機硅混凝土防護涂層性能的影響

有機硅混凝土防護涂層的色差調整中間層主要用于調整混凝土基面的色差，達到清水混凝土自然的質感和肌理，同時作為涂層的中間層，是底層與面層的過渡層，影響涂層體系與混凝土基面的粘結效果。為了考察色差調整層的厚度對涂層粘結強度的影響，試驗選用不同稀釋比例的色差調整中間漆，其中色差調整中間漆涂刷2遍，底漆和面漆各涂刷1遍，底漆乳液的稀釋比例1∶7，面漆原液的稀釋比例為1∶6，考察色差調整中間層厚度對涂層的遮蓋效果、粘結強度、吸水率、抗氯離子滲透等性能的影響，結果見表4、圖2和圖3。

表4 色差調整中間漆稀釋比例對涂層干膜厚度的影響

圖2 有機硅混凝土防護材料色差調整層的遮蓋效果

圖3 色差調整中間層干膜厚度對涂層粘結強度的影響

由表4和圖2可知，隨著色差調整中間漆用水量的相對增大，涂層的干膜厚度越小，涂層的干膜厚度一般為200～300 μm，色差調整中間漆用水量相對越小，涂刷的色差調整層相對越厚，涂層的厚度也越大，涂層具有良好的遮蓋效果，如圖2中C1和C2所示；反之，色差調整中間漆的用水量相對越大，涂刷的色差調整層相對越薄，涂層的厚度也越小，涂層具有良好的“透底”效果，如圖2中C5和C6所示。

由圖3可知，隨著涂層干膜厚度的增加，涂層粘結強度呈先降低后提高的趨勢。由于各涂層底層與面層用量相同，即底層和面層的厚度相同，因此該試驗的涂層厚度對粘結強度的影響即是色差調整中間層對涂層粘結強度的影響。

試驗進一步研究色差調整中間層具有良好遮蓋效果和透底效果情況下涂層的性能，檢測了C2和C6涂層的吸水率和抗氯離子滲透性能，結果如表5所示。

表5 色差調整中間層對涂層性能的影響

從表5可見，色差調整中間層具有良好透底效果的C6，涂層的干膜厚度小，與具有良好遮蓋效果C2相比，C6涂層具有更好的粘結強度和抗氯離子滲透性能，涂層的防水性能則是C2涂層更好。

分析認為，色差調整中間層主要由無機填料、顏料和有機硅樹脂組成，由于有機硅樹脂中硅氧鍵的疏水作用，色差調整層厚度小，色差調整層中的無機填料、顏料等組分對底層和面層有機硅樹脂或改性硅烷的影響作用小，涂層的粘結強度高，抗氯離子滲透性能越好。色差調整中間層厚度越大，涂層的吸水率越小，涂層的防水性能越好，說明色差調整中間層在涂層體系中同樣具有一定的防水作用。

2.3 面層對有機硅混凝土防護涂層性能的影響

面層在有機硅混凝土防護涂層中起到防水、超耐久保護作用，對紫外光線具有吸收作用，避免紫外光線對中間層的直接照射。由于面層中主要組分為有機硅樹脂，其分子結構中硅氧鍵的鍵能比紫外光線的鍵能大，因此面層具有優異的抗紫外老化性能。為了研究面層對有機硅混凝土防護涂層性能的影響，試驗選擇在具有良好遮蓋效果的色差調整中間層的基礎上涂刷面漆，面漆的稀釋比例為1∶6，通過涂刷不同次數面漆考察面層厚度對涂層性能的影響（見表6），其中底漆乳液的稀釋比例為1∶7，色差調整中間漆的稀釋比例為2∶1。

表6 面層厚度對涂層性能的影響

由表6可見，在底層和色差調整中間層相同時，面漆涂刷次數越多，涂層厚度越厚，涂層的粘結強度和氯化物吸收降低效果增強，吸水率增大，但均小于0.01 mm/min1/2。涂層經過3000 h老化試驗測試漆膜均正常，說明面層對有機硅混凝土防護涂層具有優異耐久防護作用。

分析認為，面層的主要組分為有機硅樹脂，色差調整層主要組分為調整色差的無機填料和有機硅樹脂，涂層面層越厚即面層有機硅樹脂越多，涂層體系中面層與色差調整中間層及底層通過有機硅中硅氧鍵的作用越大，涂層與混凝土基面的粘結作用就越強。由于面層中有機硅樹脂對氯化物具有抑制作用，因此面層越厚，涂層氯化物吸收降低效果也越強。涂層的吸水率隨面層的變厚反而增大，通過進一步分析，涂層吸水率試驗是測試240 min內混凝土涂層的吸水高度，均在300 μm以下，說明在測試時間內的吸水高度在涂層厚度范圍，涂層面層越厚，吸水率越大，說明涂層的面層吸水率比色差調整中間層吸水率大，即色差調整中間層的防水性能比面層好。

2.4 有機硅混凝土防護材料涂層性能

有機硅混凝土防護涂層不僅可以修復混凝土表面色差，保持混凝土自然的質感和肌理，還具有透氣、防水、防腐性能而使結構保持良好的耐久性。依據JTS153—2015和JT/T 695—2007《混凝土橋梁結構表面涂層防腐技術條件》等檢測有機硅混凝土防護涂層的耐候性、耐水性、耐酸雨性、耐堿性等，結果如表7所示，涂層在進行涂刷試驗時底漆乳液的稀釋比例1∶7，色差調整中間漆的稀釋比例為2∶1，面漆的稀釋比例為1∶6，分別涂刷1遍、2遍和1遍。

表7 有機硅混凝土防護材料涂層性能

由表7可見，有機硅混凝土防護涂層具有良好的耐候性、耐水性、耐酸雨性、耐堿性、耐洗刷等特性；涂層具有一定的透氣性，能夠使混凝土毛細孔中的水從內部擴散出來，防止混凝土內部因水蒸氣而產生“空鼓”現象；涂層與混凝土基面之間具有較好的粘結作用，同時具有優異的防水性能和抗氯離子侵蝕性能。

2.5 有機硅混凝土防護涂層防水透氣機理

有機硅混凝土外防護涂層由底層、色差調整中間層和面層組成。底層組分主要為小分子質量改性硅烷，底層的硅烷分子結構中一端為親水基團，另一端為疏水的硅氧基團。涂刷在混凝土基面的硅烷一端滲透至混凝土基面，與混凝土表面的羥基結合，另一端在混凝土基面以外的部分為疏水硅氧烷基團，具有疏水性，如圖4（a）所示。由于硅烷特殊的分子結構，不能完全封堵混凝土毛細孔，因此混凝土內部到外部形成一種單向透氣通道，如圖4（b）所示[13]，表現為底層具有透氣性。

圖4 硅烷防水透氣示意

硅樹脂色差調整中間層的主要組份為有機硅樹脂和無機填料，面層的組份為有機硅樹脂，兩者均有有機硅樹脂。有機硅樹脂的骨架結構大多數由無機硅氧鍵組成，在高分辨率下可見其形態為多孔隙的網絡結構，如圖5所示[14]。有機硅樹脂的疏水原理與硅烷疏水原理相似，其分子結構中含有疏水的硅氧基團，具有疏水性。因此，有機硅混凝土外防護涂層由底層、中間層和面層構成了透氣通道和防水體系。

圖5 有機硅樹脂涂層SEM照片

2.6 有機硅混凝土防護涂層在工程上的應用

華北地區某綜合保稅區首期EPC工程，其中分項工程縱四路橋梁在施工過程中由于采用2家商混攪拌站的混凝土，鋼模板表面銹跡未清理干凈，不同時期澆筑混凝土，以及施工過程中各類污染物等原因，造成完工后的橋梁外觀整體色差比較明顯，影響到建筑的外觀。該工程選擇有機硅混凝土清水耐久防護材料，由有機硅底漆、硅樹脂色差調整中間漆和硅樹脂面漆組成，對縱四路橋梁進行外防護涂裝，涂裝范圍包括東西側箱梁外側面，人行道外縱梁東西側外側面，蓋梁外側面及可見側面（外側向內5 m范圍內），外側立柱6根，涂裝處理面積507 m2。有機硅混凝土防護涂層設計年限為20年，耐候性指標2000 h，涂裝后的涂層距離5 m處觀察無色差，涂層厚度、粘結強度等指標如表8所示。

表8 有機硅混凝土防護涂層性能控制指標及現場檢測結果

由表8可見，現場涂層的外觀、涂層厚度、粘結強度、吸水率等指標均滿足設計控制指標，具有良好的防水性能，耐候性好，可有效提高建筑的外防護年限。采用有機硅混凝土防護材料涂裝的橋梁整體外觀顏色一致，無色差，保持了混凝土自然質感，相比涂裝之前，橋梁的外在品質有了較大提升（見圖6）。

圖6 橋梁涂裝有機硅混凝土防護涂層前后效果對比

3 結論

（1）有機硅混凝土防護涂層與混凝土基面具有較好的粘結作用，具有優異的防水性能和抗氯離子侵蝕性能，具有良好的耐候性、耐水性、耐酸雨性、耐堿性、耐洗刷等特性，具有一定的透氣性，能夠大大提升建筑的外在藝術美。

（2）有機硅混凝土外防護涂層由底層、色差調整中間層和面層構成了透氣通道和防水體系，其中色差調整中間層的防水性優于面層。

（3）色差調整層具有良好透底效果時，涂層具有更好的粘結強度和抗氯離子滲透性能；色差調整層具有良好遮蓋效果時涂層的防水性能更好。

（4）面層越厚，涂層的粘結作用和抗氯離子侵蝕性能越強。