防護涂層對混凝土力學性能和耐久性的影響

於林鋒

（上海市建筑科學研究院有限公司，上海200032）

0 引言

混凝土防腐蝕是混凝土應用過程中經常遇到的問題。混凝土的多孔性結構為二氧化碳、水和侵蝕性離子提供了滲入通道，侵入物質與混凝土發生化學反應使混凝土自身性能劣化或引起內部鋼筋銹蝕。外界酸性物質與混凝土接觸后的化學腐蝕或水流沖刷、風蝕等物理作用也會使混凝土表面疏松、粉化甚至分層剝落。通過在混凝土表面涂覆防護涂層可以有效降低混凝土在服役過程中受到的各類腐蝕破壞，避免混凝土結構無法達到預定的使用年限。

水泥基滲透結晶型材料[1]和有機涂料是2類常見的混凝土防護涂層材料。水泥基滲透結晶型涂料中的活性物質遇水后通過毛細孔向內部滲透結晶填充孔隙，從而防止侵蝕性介質向混凝土內部擴散[2]。有機涂料通過成膜物質在混凝土表面形成致密的涂層，并封閉混凝土表面孔隙起到較強的物理隔離作用，從而防止侵蝕性介質向混凝土內部擴散。水泥基滲透結晶型涂層具有與基體混凝土相同的服役壽命以及開裂后遇水自修復功能，但本身抵抗侵蝕性介質滲透的性能低于有機涂層材料。有機涂層具有較高的抵侵蝕性離子滲透能力[3]，總體防護效果更好，但存在老化問題[4]，服役壽命相對較短。因此，應根據工程實際情況選擇合適的防護涂層類型。

本文對涂覆水泥基滲透結晶型涂料和氟碳涂料后，帶涂層混凝土的抗壓強度、劈拉強度、電通量、氯離子擴散系數、抗凍性能、碳化、氮氣滲透率進行測試，分析了不同種類防護涂層對混凝土力學性能和耐久性的影響，從而為防護涂層的比選提供依據。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：金山南方P·O42.5水泥，其主要技術性能見表1；粉煤灰：協鑫發電公司生產的F類I級粉煤灰，其主要技術性能見表1；細骨料：細度模數為2.7的天然河砂；粗骨料：5～25 mm連續級配凝灰巖碎石；減水劑：上海麥斯特建工生產的8860高性能聚羧酸減水劑，減水率為27%；引氣劑：江蘇博特公司生產的GYQ－Ⅲ型高效引氣劑。

表1 水泥的主要技術性能

氟碳防護涂層：采用底漆－面漆結構的水性氟碳涂層體系，其中底漆為1道100 μm厚的無溶劑環氧樹脂，面漆為2道80 μm厚的水性氟碳涂料，水性氟碳涂料采用旭硝子株式會社化學品公司的FD1000型氟碳樹脂和德國拜耳集團的XP2655型固化劑制備，氟碳樹脂與固化劑的質量比為10：1。水性氟碳涂層體系的總厚度為260 μm，主要技術性能見表3。

表3 水性氟碳涂層體系的主要技術性能

水泥基滲透結晶型防護涂層：采用自主研發的水泥基滲透結晶型涂料，其性能符合GB 18445—2012《水泥基滲透結晶型防水材料》的要求。

表2 粉煤灰的主要技術性能

1.2 試樣制備

（1）混凝土配合比

試驗采用C35混凝土，配合比如表4所示。

表4 C35混凝土的配合比 kg/m3

混凝土試件涂覆不同防護涂層后的試件編號如表5所示。

表5 混凝土試件編號

（2）試樣的制備

對于不同性能試驗的試件，其混凝土試件尺寸和涂覆涂層前養護齡期要求如表6所示。

表6 混凝土試件尺寸和養護齡期

對于不同性能試驗的試件，其涂覆表面數量要求如下：

①抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗的試塊在成型面涂覆防護涂層，其他5個面不涂防護涂層。只涂覆1個表面一方面是為了模擬實際應用時的涂覆情況，另一方面考慮立方體混凝土試塊表面全部涂覆涂層后，在受壓過程中結構邊界條件發生改變，實測強度會失真。

②電通量試塊在上下切割面涂覆防護涂層，四周涂覆環氧涂層密封；氯離子擴散系數試塊在與陰極溶液接觸的滲透面涂覆防護涂層，與陽極溶液接觸的面不涂覆任何涂層，側面涂覆環氧涂層密封。

③抗凍、干縮、碳化試驗試塊所有表面均涂覆防護涂層。

④氮氣滲透率試驗試塊在進氣口的切割面涂覆防護涂層，出氣口的切割面不涂覆任何涂層，圓柱體四周涂覆環氧密封。

（3）防護涂層的涂刷與養護

氟碳防護涂層的涂刷要求如下：按照先底涂后面涂的順序進行涂刷，按照配比稱取相應組分，用調刀攪拌至均勻；攪拌好后放置3 min用刷子涂刷混凝土試塊表面；標準條件下養護4～6 h后進行第2道涂刷，待面涂、底涂全部涂完后置于干燥的空氣中14 d，備用。

水泥基滲透結晶型防護涂層的涂刷要求如下：涂刷前，清水徹底潤濕混凝土試塊，以利于水泥基滲透結晶型防水材料借助水分向混凝土結構內部滲透[5]。涂刷時，按水料比0.34混合，涂刷2道，每一道用量約0.5 kg/m2。涂刷完后將試塊移入標準養護室養護，為了與氟碳涂料具有可比性，涂覆水泥基滲透結晶型涂料的試塊繼續標準養護14 d后備用。

對于不同性能試驗的試件，2類防護涂層的涂刷方式和涂刷完后涂層的養護要求相同。

1.3 性能測試方法

（1）抗壓強度和劈裂抗拉強度：參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行測試。

（2）電通量、氯離子擴散系數、抗凍性能、干縮、碳化試驗：參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久試驗方法標準》進行測試，其中抗凍性能試驗采用快凍法，干縮試驗的試塊成型后標準養護至3 d齡期時，取出涂覆2類涂層，并按2種涂層的養護要求養護14 d后測初長，因此用于對比的基準組干縮試塊應養護至17 d齡期測初長，然后移入溫度為（20±2）℃、相對濕度為（60±5）%的恒溫恒濕養護室測試3、7、14、28、56 d干縮。

（3）氮氣滲透率：參照GB 36900.2—2018《低、中水平放射性廢物高完整性容器——混凝土容器》附錄D試驗方法進行測試。

2 試驗結果與分析

2.1 防護涂層對混凝土抗壓強度和劈拉強度的影響

涂覆水泥基滲透結晶型涂料和氟碳涂料后，混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗結果如表7所示。

表7 涂覆不同防護涂層混凝土試件的抗壓強度和劈裂抗拉強度

由表7可知，基準組混凝土試塊的抗壓強度為49.7 MPa，劈拉強度為3.92 MPa，涂覆水泥基滲透結晶型涂層和氟碳涂層后混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度測試值略有下降，其中抗壓強度的降幅達10%，這里可認為防護涂層對混凝土抗壓和抗拉強度無顯著影響。一方面，強度下降幅度在混凝土強度測試偏差范圍內；另一方面，由于涂覆防護涂層后試塊加荷過程中受力邊界條件有所變化，導致試塊強度測試值略有下降。在前期探索試驗中發現，當混凝土表面全部涂覆防護涂層后，混凝土抗壓強度測試結果由于受力邊界的改變可下降40%左右。總體來看，混凝土表面涂覆防護涂層對混凝土的基本力學性能無顯著影響。

2.2 防護涂層對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

涂覆水泥基滲透結晶型涂層和氟碳涂層后，混凝土的電通量和氯離子擴散系數試驗結果見表8。

表8 涂覆不同防護涂層混凝土的電通量和氯離子擴散系數

由表8可知：

（1）涂覆水泥基滲透結晶型涂層后，混凝土試件的電通量降低了25%，氯離子擴散系數降低了16%。水泥基滲透結晶型涂料對混凝土的抗氯離子滲透性能起到了一定的提升作用，但并不十分明顯。這主要是由于水泥基滲透結晶型涂層中的活性物質反應后堵塞混凝土孔隙，使混凝土孔隙更為密實，但并未完全堵塞孔隙，對水分子的滲透可以起到較好的阻隔作用，且并未影響氯離子的滲透，因此只起到了小幅抗滲作用[6]。

（2）涂覆氟碳涂層后，混凝土的電通量為33 C，氯離子擴散系數測試結果僅看到少量的滲透，幾乎為0，氟碳涂層對氯離子的滲透起到了極為明顯的阻隔作用[7]。

2.3 防護涂層對混凝土抗凍性的影響

涂覆水泥基滲透結晶型涂層和氟碳涂層混凝土試塊及基準混凝土試塊，快凍100次后試件的破壞形態如圖1所示，抗凍性試驗結果如圖2所示。

圖1 涂覆不同防護涂層混凝土試塊快凍100次后試件的破壞形態

從抗凍試驗結果可以看出：

混凝土試塊涂覆防護涂層后，在100次快速凍循環試驗條件下，質量損失均小于1%，遠低于標準規定的質量損失不高于5%的要求，表明該混凝土試塊在凍融循環達到100次時，未出現明顯的凍融剝落現象，圖2中顯示的試塊經歷100次凍融循環后試塊整體完整僅在表面局部麻面的現象也驗證了這一點。涂覆水泥基滲透結晶型涂層的試件質量還出現了增加，主要是由于抗凍試驗是在浸水條件下開展，有利于水泥基滲透結晶型涂層中的活性物質遇水發生反應后，反應產物沉淀在混凝土毛細孔中，使混凝土質量略有增加。

圖2 涂覆不同防護涂層混凝土試塊的抗凍性試驗結果

在相對動彈性模量方面，基準混凝土試塊在凍融循環50次后，相對動彈性模量開始加速下降，在100次凍融循環后，相對動彈性模量僅有77.1%，逐漸接近標準中相對動彈性模量不低于60%的限值要求，表明混凝土內部可能因凍融過程中的靜水壓和滲透壓而出現了裂縫等結構損傷。涂覆水泥基滲透結晶型涂層后，100次凍融循環后，混凝土相對動彈性模量為84.2%，表明水泥基滲透結晶型涂層其對混凝土的抗凍性能略有提升作用。涂覆氟碳涂層的混凝土，100次凍融循環后，混凝土的相對動彈性模量仍有90%以上，表明氟碳涂層大幅提升了混凝土的抗凍性能。這主要是由于涂層較為致密，有效降低了外界水分向混凝土毛細孔的滲透，在混凝土毛細孔飽水度較低的情況下，凍融過程中產生的結晶壓和滲透壓大幅降低，從而提高混凝土的抗凍性能[8]。

2.4 防護涂層對混凝土干縮的影響

涂覆水泥基滲透結晶型涂層和氟碳涂層混凝土試件及基準混凝土試件的干縮試驗儀器及試件如圖3所示，試驗結果如圖4所示。

圖3 干縮試驗儀器及試塊

圖4 涂覆不同防護涂層混凝土及基準混凝土的干縮隨齡期變化

從圖4可以看出：（1）基準混凝土的干縮隨著齡期的延長而增大，前期干縮較大，后期干縮增長趨于平緩。（2）涂覆水泥基滲透結晶型涂層后，混凝土的28 d和56 d干縮值略有減小，與基準混凝土相比僅減小了10×10-6，表明水泥基滲透結晶型涂層對混凝土的干縮無明顯影響。這主要是由于在恒溫恒濕干燥環境下，水泥基滲透結晶型涂層的活性物質無法得到有效發揮，且其自身也是水泥基材料，存在收縮特性。（3）涂覆氟碳涂層后，混凝土的早期干縮值大幅減小，從而極大地抑制了混凝土干縮增長速率，使其后期干縮值也遠低于基準混凝土，28 d和56 d干縮分別僅為基準混凝土的31%和50%。這主要是由于氟碳涂層較為致密，在干燥環境下有效抑制了混凝土毛細孔中的水分向外界環境耗散速率，從而減小了混凝土的干縮。

總體來看，水泥基滲透結晶型涂層對混凝土的干縮無明顯影響，氟碳涂層具有減小混凝土干縮的作用。

2.5 防護涂層對混凝土碳化深度的影響

涂覆水泥基滲透結晶型涂層和氟碳涂層混凝土試件及基準混凝土試件的28 d碳化深度如表9所示。

表9 防護涂層對混凝土碳化深度的影響

從表9可以看出：基準混凝土的碳化深度為6.8 mm，涂覆水泥基滲透結晶型涂層后，碳化深度有所降低，但僅降低了17.6%；而涂覆氟碳涂層后，混凝土試塊經碳化試驗幾乎無碳化現象。這主要是由于水泥基滲透結晶型涂層本身也屬于水泥基材料，雖有一定的阻隔作用，但其自身也有毛細孔道，不能完全阻隔與外界氣體的交換，且碳化試驗在濕度相對較低的環境下進行，不利于水泥基滲透結晶型涂層中活性物質反應填充混凝土中的毛細孔，因而碳化深度僅略有降低。而涂覆氟碳涂層后，涂層的高致密性使得CO2氣體也很難穿透涂層，因而混凝土中的Ca（OH）2極難與外界環境中的CO2接觸，碳化深度大幅降低。

2.6 防護涂層對混凝土氮氣滲透率的影響

涂覆水泥基滲透結晶型涂層和氟碳涂層混凝土試件及基準混凝土試件的氮氣滲透率試驗儀器及試件如圖5所示，試驗結果如表10所示。

圖5 混凝土氣體滲透儀及不同防護涂層混凝土試件

表10 涂覆不同防護涂層混凝土試件及基準混凝土試件的氮氣滲透率

從表10可見：涂覆水泥基滲透結晶型涂層和氟碳涂層混凝土試件的氮氣滲透率與基準混凝土試件相比無明顯差異。表明在氣體壓力梯度的情況下，不同種類防護涂層均無法有效抵抗氣體介質向混凝土內部的滲透，這與碳化試驗CO2氣體無壓力梯度自然擴散的試驗結果有所不同。

3 結論

（1）混凝土表面涂覆水泥基滲透結晶型涂料和氟碳涂料后，混凝土的力學性能無顯著變化。

（2）氟碳涂層的致密性好，具有較高的物理隔離作用，對混凝土的抗氯離子滲透性、抗凍性和抗碳化性能有明顯的提升作用，且可大幅減混凝土的干縮。水泥基滲透結晶型涂層與混凝土同屬水泥基材料，對混凝土耐久性的提升極為有限，對收縮的減幅也較小。

（3）涂覆水泥基滲透結晶型涂料和氟碳涂料后，混凝土的氮氣滲透率未發生明顯變化，表明帶涂層的混凝土在壓力梯度下仍具有較好的與外界氣體交換的性能。