水工混凝土涂聚氨酯涂層的抗凍性能研究

孟慶宇

（凌海市水利事務服務中心，遼寧 凌海 121200）

寒區水工混凝土耐久性在很大程度上取決于其抗凍性能，中國東北部地區太陽輻射強、嚴寒干燥、晝夜溫差大且有深覆蓋層凍土，極端的氣候條件使得水工構筑物普遍面臨著凍融破壞問題，大大減弱了水工混凝土耐久性[1-4]。遼東山地丘陵水工混凝土使用5～10a后大多存在輕敲即碎、骨料外露、表面粉化等問題，大大降低了水工結構服役年限，給工程的長效運行埋下安全隱患。所以，有效增強混凝土抗凍性能，對于保證北方寒區水利工程服役年限極其重要[5]。

將硅粉、粉煤灰、鋼纖維等活性礦物質或適量氣泡引入水工混凝土中能改善抗凍性能，然而這些方法主要適用于新拌混凝土，對于既有構筑物一般選用涂刷涂料的方式，通過形成致密的薄膜阻止水分入滲來提升構筑物的抗凍耐久性[6-9]。研究表明：在混凝土表面涂刷硅烷、丙烯酸樹脂、水性環氧樹脂等涂層能夠提升其抗凍等級至F400以上，涂刷聚氨酯、聚脲、環氧砂漿等涂層能夠從F150提升至F300等級，砂漿表面涂刷聚脲材料能夠保證抗凍等級達到F250。鑒于此，文章利用室內試驗探討了瀝青改性聚氨酯涂層和聚氨酯涂層的耐低溫性能、水汽透過性及其改善混凝土抗凍性的效果，并進一步探討了涂層長效防護水工構筑物的技術措施[10-12]。

1 試驗方法

1.1 原材料性能

試驗選用瀝青改性聚氨酯和聚氨酯兩種涂層材料，涂層材料性能，見表1。

表1 涂層材料性能

1.2 試驗內容

1）耐低溫性能試驗。兩種涂層材料的玻璃化溫度（Tg）可利用差示掃描量熱法（DSC）進行測試，Tg能夠準確反映低溫下涂層材料的柔韌性。一般地，玻璃化溫度越低則材料的耐低溫性能和柔韌性越好，其發生開裂的難度越大。試驗儀器選用同步熱分析儀，控制溫升速率2℃/min，溫升范圍-80～100℃，選用氮氣為惰性氣體，樣品質量5～10mg。

2）水汽透過性試驗。控制試驗容器內的濕度95%、溫度25℃，涂層厚度(0.2±0.01)mm，將適量飽和NH4H2PO4溶液注入容器內，然后用涂層封閉容器上端，對容器每隔24h稱一次質量，最后透過涂層的水汽量就是每次稱量值與初始質量之差。

3）凍融循環試驗。設定水膠比0.4，控制含氣量2.5%，坍落度180mm，試驗配合比設計，見表2，試驗配制長100mm×寬100mm×高400mm的C30水工混凝土試樣。

表2 試驗配合比設計 kg/m3

在標準養護56d后取出，混凝土表面用無水乙醇清洗用以終止水化，室溫靜置24h后，涂覆用量相同的兩種涂料，涂覆過程中使用毛刷涂刷2遍，控制涂層厚度(0.2±0.01)mm。完成涂覆后，將各組試樣放入相對濕度(50±5)%、溫度(22±2)℃的環境中養護7d，使涂層充分硬化并干燥，以備后續使用。待混凝土表面涂覆涂料7d后放入水中浸泡4d，然后依據《水工混凝土試驗規程》、《水工混凝土耐久性技術規范》中的要求測試1000次凍融循環時混凝土的質量損失率和相對動彈模量。

2 結果與分析

2.1 涂層耐低溫性能

涂層水汽透過量變化曲線，見圖1。結果表明瀝青改性聚氨酯涂層和聚氨酯涂層的玻璃化溫度依次為-61.2℃、-65.0℃，因此玻璃化溫度較高的是瀝青改性聚氨酯涂層。究其原因是瀝青改性聚氨酯涂層中含有的瀝青分子鏈段柔韌性較差，在玻璃化溫度較低的聚氨酯中加入瀝青改性會提高其原有玻璃化溫度，所以低溫時瀝青改性聚氨酯涂層更脆、更易開裂破壞，外界環境水更易透過涂層裂隙滲入內部，使得涂層防護混凝土的效應下降。

圖1 涂層水汽透過量變化曲線

2.2 涂層水汽透過性

隨著時間的推移瀝青改性聚氨酯涂層和聚氨酯，涂層的水汽透過量變化曲線，見圖2。結果顯示兩種涂層水汽透過量在初始的8h內基本相同，但瀝青改性聚氨酯涂層的水汽透過速率隨著時間的推移呈加快趨勢，兩種涂層的水汽透過量明顯增加。試驗216h時，瀝青改性聚氨酯涂層和聚氨酯涂層的水汽透過量依次為0.78g、0.55g，即后者的防水性優于前者。究其原因，水汽分子與瀝青改性聚氨酯中的—OH、—COO—等極性基團更易形成氫鍵，對涂層的穿透溶解能力更強，使得水汽透過量相對較高。聚氨酯涂層的防水性更好，能夠大大降低水分的滲透作用，有效抑制混凝土內部水與外界環境水的交換，減少內部可凍結水量及其對混凝土微結構的損傷作用。

圖2 涂層水汽透過量變化曲線

2.3 混凝土抗凍性能

水工混凝土表面未涂、涂覆瀝青改性聚氨酯和聚氨酯涂層的相對動彈模量和質量損失率試驗結果，水工混凝土抗凍性能試驗，見圖3。

圖3 水工混凝土抗凍性能試驗

結果表明：

1）凍融循環達到450次時，未涂覆涂層的水工混凝土相對動彈模量減小到40.5%，質量損失率達到0.18%，由此表明混凝土內部已出現凍融破壞。

2）凍融循環達到1000次時，涂覆瀝青改性聚氨酯涂層的水工混凝土質量損失率為-0.51%，相對動彈模量整體在98%以上，經1000次凍融循環后涂瀝青改性聚氨酯涂層的試件質量范圍增加0.51%。深入分析可知，凍融循環達到450次時涂層就出現起鼓、開裂、剝落現象，外界水從破損處滲入致使混凝土表面涂層內出現粉化，所以試件質量有所增大，這也說明瀝青改性聚氨酯涂層在凍融循環達到450次就基本喪失了防護功能。

3）凍融循環達到1000次時，涂覆聚氨酯涂層的水工混凝土總質量基本保持穩定，相對動彈模量整體在98%以上，混凝土與涂層間黏結牢固，表面無起鼓或開裂，涂層揭開后未出現剝落、粉化現象，說明聚氨酯涂層的防護效果較好。

4）凍融循環達到1000次時，涂覆涂層的混凝土相對動彈模量均≥90%，但不同涂層的防護效果存在明顯差異[13-16]。因此，對于受凍融循環作用的水工混凝土抗凍性能，單一的利用相對動彈模量很難準確反映涂層的改善效果，應結合混凝土表面涂層下是否出現剝落、粉化現象以及混凝土與涂層間的黏結情況、涂層自身狀態等綜合判定。

3 結 論

1）聚氨酯涂層相比于瀝青改性聚氨酯涂層，其玻璃化溫度更低，防水汽透過性也更優。聚氨酯涂層既能有效抑制水分的滲透，降低凍融破壞程度，還具有優異的耐低溫性，特別是在低溫下的柔韌性更好，經多次凍融作用依然不會開裂，并且聚氨酯涂層與混凝土的黏結性良好，其改善混凝土抗凍性能更優。

2）凍融循環達到450次時，未涂覆涂層的水工混凝土相對動彈模量減小到40.5%，質量損失率達到0.18%，混凝土內部已出現凍融破壞；凍融循環達到1000次時，涂覆瀝青改性聚氨酯涂層的水工混凝土質量反而增加0.51%，相對動彈模量整體在98%以上，這是由于涂層出現起鼓、開裂、剝落現象，外界水滲入使得涂層失去防護功能；凍融循環達到1000次時，水工混凝土與聚氨酯涂層間黏結牢固，表面無起鼓或開裂，涂層揭開后未出現剝落、粉化現象，聚氨酯涂層的防護效果較好，對改善混凝土抗凍性和長效性效果良好。

3）對于受凍融循環作用的水工混凝土抗凍性能，單一的利用相對動彈模量很難準確反映涂層的改善效果，應結合混凝土表面涂層下是否出現剝落、粉化現象以及混凝土與涂層間的黏結情況、涂層自身狀態等綜合判定。